JP7106450B2 - バインダー組成物、電極合剤、電極、および非水電解質二次電池 - Google Patents

バインダー組成物、電極合剤、電極、および非水電解質二次電池 Download PDF

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Description

本発明は、バインダー組成物、電極合剤、電極、および非水電解質二次電池に関する。
近年、電子技術の発展はめざましく、小型携帯機器の高機能化が進んでいる。そのため、これらに使用される電源には小型化および軽量化、すなわち高エネルギー密度化が求められている。高いエネルギー密度を有する電池として、リチウムイオン二次電池などに代表される非水電解質二次電池が、広く使用されている。
また、非水電解質二次電池は、地球環境問題および省エネルギーの観点から、二次電池とエンジンとを組み合わせたハイブリッド自動車、および二次電池を電源にした電気自動車などにも利用されており、その用途が拡大している。
非水電解質二次電池用の電極は、集電体と集電体上に形成される電極合剤層とを有する構造となっている。電極合剤層は、一般に電極活物質と導電助剤とバインダー組成物とを含む電極合剤が適当な溶剤または分散媒中に分散されたスラリー状態で集電体上に塗布され、溶剤または分散媒を揮散して形成される。バインダー組成物（結着剤）としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のフッ化ビニリデン系共重合体組成物が主に使用されている。
ＰＶＤＦは、耐薬品性、耐候性、耐汚染性に優れており、また、優れた電気化学安定性、機械物性、スラリー特性などを有している。しかしながら、ＰＶＤＦは電池の集電体である金属箔との接着性が弱いという問題を有している。
そこで、接着性を向上させたバインダー材料としてのフッ化ビニリデン系共重合体組成物が開発されている（例えば、特許文献１および特許文献２）。特許文献１には、極性基を有するフッ化ビニリデン系共重合体組成物を含有する電池電極用バインダーが開示されている。特許文献２には、フッ化ビニリデン単量体とある種の親水性（メタ）アクリル単量体（ＭＡ）とに由来するフッ化ビニリデン系共重合体であり、親水性（メタ）アクリル単量体（ＭＡ）に由来する０．０５～１０モル％の繰り返し単位を含み、ランダムに分布した単位（ＭＡ）の分率が少なくとも４０％であるフッ化ビニリデン系共重合体が開示されている。
国際公開第２０１２／０９０８７６号（２０１２年７月５日公開） 国際公開第２００８／１２９０４１号（２００８年１０月３０日公開）
しかしながら、特許文献１に記載のフッ化ビニリデン系共重合体組成物を含有するバインダー組成物および特許文献２に記載のフッ化ビニリデン系共重合体を含有するバインダー組成物では、電極合剤に含まれる導電助剤の分散性が十分ではないため、電極合剤層の導電性が低いという問題がある。
本発明は、上記従来技術が有する課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、極性基を導入したフッ化ビニリデン共重合体組成物を用いたバインダー組成物において、十分な接着性を有しつつ、導電助剤の分散性に優れたバインダー組成物を提供することにある。
本発明に係るバインダー組成物では、上記課題を解決するために、当該バインダー組成物はフッ化ビニリデン共重合体組成物を含み、当該フッ化ビニリデン共重合体組成物は、フッ化ビニリデンとアクリル単量体との共重合体を含み、当該アクリル単量体はアクリル酸およびメタクリル酸から選ばれる少なくとも１種類以上であり、当該フッ化ビニリデン共重合体組成物は、当該フッ化ビニリデン共重合体組成物をアルミナに吸着させた場合に、当該吸着前のフッ化ビニリデン共重合体組成物の数平均分子量（Ｍｎ１）に対する、当該吸着後のアルミナに吸着されなかったフッ化ビニリデン共重合体組成物の数平均分子量（Ｍｎ２）の比（Ｍｎ２／Ｍｎ１）が、２より小さい。
本発明によれば、十分な接着性を有しつつ、導電助剤の分散性を向上させたバインダー組成物が提供される。
以下、本発明に係るバインダー組成物、電極合剤、電極および非水電解質二次電池、ならびにバインダー組成物の製造方法の一実施形態について詳細に説明する。
〔バインダー組成物〕
本実施形態に係るバインダー組成物は、電極活物質を含む電極合剤層が集電体上に形成されてなる電極において、電極活物質を集電体に結着させるために用いられる組成物である。本実施形態に係るバインダー組成物は、フッ化ビニリデン共重合体組成物を含む。なおバインダー組成物は、フッ化ビニリデン共重合体組成物以外に溶媒を含んでいてもよい。溶媒は、非水溶媒であってもよいし、水であってもよい。非水溶媒としては、例えば、Ｎ‐メチルピロリドン、Ｎ，Ｎ‐ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ‐ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスフォアミド、ジオキサン、テトラヒドロフラン、テトラメチルウレア、トリエチルホスフェイト、トリメチルホスフェイト、アセトン、およびシクロヘキサノンなどを挙げることができる。これらの溶媒は２種類以上を混合して用いてもよい。
以下、フッ化ビニリデン共重合体組成物について詳細に説明する。
〔フッ化ビニリデン共重合体組成物〕
本実施形態において「フッ化ビニリデン共重合体組成物」とは、少なくともフッ化ビニリデンとアクリル単量体との共重合体（コポリマー）を含む組成物を指す。フッ化ビニリデン共重合体組成物としては、例えば、フッ化ビニリデンの単独重合体（ホモポリマー）、およびフッ化ビニリデンとアクリル単量体との共重合体（コポリマー）を含む組成物などが挙げられる。フッ化ビニリデンとの共重合に用いられるアクリル単量体は、アクリル酸およびメタクリル酸から選ばれる少なくとも１種類以上であり、好ましくはアクリル酸である。アクリル単量体はカルボキシ基を有しており、カルボキシ基は金属との接着性を有する官能基であるため、バインダー組成物は電池の集電体である金属箔との接着性がより良好となる。なおフッ化ビニリデンとアクリル単量体との共重合体は、フッ化ビニリデンとアクリル単量体とに加えて、さらに他の単量体を含んでいてもよい。また、フッ化ビニリデン共重合体組成物には、組成が異なる複数種の、アクリル単量体とフッ化ビニリデンとの共重合体が含まれていてもよい。
フッ化ビニリデンとアクリル単量体とを共重合させる場合、重合に用いられるアクリル単量体の全量は、特に限定されないが、フッ化ビニリデン１００質量部に対して、０．０５～５質量部であることが好ましく、０．１～３質量部であることがより好ましく、０．３～２質量部であることがさらに好ましい。
本実施形態に係るフッ化ビニリデンとアクリル単量体とのフッ化ビニリデン共重合体は、フッ化ビニリデンに由来する構成単位を９９．９５～９５モル％（但し、フッ化ビニリデンに由来する構成単位と、アクリル単量体に由来する構成単位との合計を１００モル％とする）有することが好ましく、９９．９２～９６．５モル％有することがより好ましく、９９．９～９８モル％有することが特に好ましい。また、アクリル単量体に由来する構成単位を０．０５～５モル％有することが好ましく、０．０８～３．５モル％有することがより好ましく、０．１～２モル％有することが特に好ましい。
本実施形態に係るフッ化ビニリデン共重合体組成物のインヘレント粘度は、特に限定されないが、１ｄｌ／ｇ以上５ｄｌ／ｇ以下であることが好ましく、１．５ｄｌ／ｇ以上４ｄｌ／ｇ以下であることがより好ましく、１．６ｄｌ／ｇ以上３．５ｄｌ／ｇ以下であることがさらに好ましい。また、フッ化ビニリデン共重合体組成物のインヘレント粘度は、一例においては、１．７ｄｌ／ｇ以上３．５ｄｌ／ｇ以下であることが特に好ましい。インヘレント粘度が１ｄｌ／ｇ以上である場合には、バインダー組成物の接着性がより良好となる。また、インヘレント粘度が５ｄｌ／ｇ以下である場合には、スラリー固形分の低下をより抑え、生産性がより良好となる。
また、本実施形態に係るフッ化ビニリデン共重合体組成物の吸光度比ＡＲは、特に限定されないが、０．１以上０．７以下であることが好ましく、０．１５以上０．７以下であることがより好ましく、０．２以上０．７以下であることが特に好ましい。また、フッ化ビニリデン共重合体組成物の吸光度比ＡＲは、一例においては、０．１５以上０．６以下、または０．２以上０．５以下であることが好ましい。吸光度比が０．１以上である場合には、バインダー組成物の接着性がより良好となる。また、吸光度比が０．７以下である場合には、フッ化ビニリデン共重合体組成物の結晶性の低下を抑制できる。フッ化ビニリデン共重合体組成物の吸光度比ＡＲは、例えば、後述の実施例に記載の方法で算出することができる。
また、本実施形態に係るフッ化ビニリデン共重合体組成物の融点は、１６０℃以上であることが好ましく、１６５℃以上であることがより好ましい。フッ化ビニリデン共重合体組成物の融点は、例えば、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。なお、本発明において「融点」は、示差走査型熱量計にて決定される。具体的には、フッ化ビニリデン共重合体組成物を示差走査型熱量計にてポリフッ化ビニリデンの平衡融点以上に加熱し、その後、室温付近まで冷却し固化させ、再度昇温した時に得られる吸熱ピークのうち最大の面積を有する吸熱ピークのピークトップを融点とする。
（他の単量体）
フッ化ビニリデンとアクリル単量体との共重合体に含まれ得る他の単量体として、例えばフッ化ビニリデンと共重合可能なフッ素系単量体あるいはエチレン、プロピレン等の炭化水素系単量体、またアクリル単量体と共重合可能な単量体が挙げられる。フッ化ビニリデンと共重合可能なフッ素系単量体としては、例えば、フッ化ビニル、トリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、およびペルフルオロメチルビニルエーテルに代表されるペルフルオロアルキルビニルエーテル等を挙げることができる。アクリル単量体と共重合可能な単量体としては、２－ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート、（メタ）アクリルアミド、グリシジル（メタ）アクリレート、およびアクリロニトリル等が挙げられる。なお、上記他の単量体は、１種単独で用いてもよく、２種以上を用いてもよい。
フッ化ビニリデンとアクリル単量体との共重合体に他の単量体が含まれる場合、重合に用いられる他の単量体の全量は、特に限定されないが、フッ化ビニリデン１００質量部に対して、０．０１～３０質量部であることが好ましく、０．０５～２０質量部であることがより好ましく、０．１～１０質量部であることがさらに好ましい。
〔数平均分子量比〕
本実施形態に係るフッ化ビニリデン共重合体組成物における数平均分子量比について以下に説明する。
フッ化ビニリデン共重合体組成物の数平均分子量比とは、フッ化ビニリデン共重合体組成物をアルミナに吸着させた場合に、アルミナとフッ化ビニリデン共重合体組成物との吸着前のフッ化ビニリデン共重合体組成物の数平均分子量（Ｍｎ１）に対する、アルミナとフッ化ビニリデン共重合体組成物との吸着後のアルミナに吸着されなかったフッ化ビニリデン共重合体組成物の数平均分子量（Ｍｎ２）の比（Ｍｎ２／Ｍｎ１）である。本実施形態に係るフッ化ビニリデン共重合体組成物の数平均分子量比（Ｍｎ２／Ｍｎ１）は２より小さい。本実施形態に係るフッ化ビニリデン共重合体組成物の数平均分子量比（Ｍｎ２／Ｍｎ１）は、１．８以下であることが好ましく、１．７以下であることがより好ましく、１．６以下であることがさらに好ましい。
ここで、フッ化ビニリデン共重合体組成物をアルミナに吸着させた場合、フッ化ビニリデン共重合体組成物に含有される重合体のうち、アクリル単量体とフッ化ビニリデンとの共重合体が優先的にアルミナに吸着される。すなわち、Ｍｎ２はアルミナに吸着されなかった残りの重合体の数平均分子量である。残りの重合体としては、例えば、アルミナに吸着されなかったフッ化ビニリデンとアクリル単量体との共重合体およびフッ化ビニリデン共重合体組成物に含まれる他の重合体を挙げることができる。他の重合体としては、例えば、フッ化ビニリデンの単独重合体等を挙げることができる。
Ｍｎ２／Ｍｎ１はフッ化ビニリデン共重合体組成物の分子量分布に対して極性官能基どのように分布しているかを示す指標となる。Ｍｎ２／Ｍｎ１が大きくなるほど、フッ化ビニリデン共重合体組成物に含まれる極性基を有するフッ化ビニリデン共重合体がフッ化ビニリデン共重合体組成物の分子量分布に対して低分子量領域に偏って存在していることを示す。
高分子の固体表面への吸着速度は、低分子量体の方が速いと考えられている。そのためフッ化ビニリデン共重合体組成物において極性官能基が低分子量領域に偏在していると極性官能基を有するフッ化ビニリデン共重合体組成物が優先的に導電助剤に吸着することで導電助剤が凝集しやすい傾向にある。本実施形態におけるフッ化ビニリデン共重合体組成物の数平均分子量比Ｍｎ２／Ｍｎ１は２より小さいため、本実施形態におけるフッ化ビニリデン共重合体組成物の分子量分布において、アクリル単量体に由来する極性基を有するフッ化ビニリデン共重合体が低分子量領域に偏って分布することが抑制されるため導電助剤の分散性が向上する。
本実施形態に係るフッ化ビニリデン共重合体組成物における数平均分子量比は、次の方法にて推定する。
まず０．１％バインダー組成物‐ＮＭＰ溶液を調製する。この溶液を撹拌しながら、アルミナ（例えば、ＡＫＰ３０００）をゆっくりと加える。アルミナ投入後、一定時間撹拌し静置。上澄みを遠心分離する。遠心分離後の上澄み液と、アルミナを加える前の０．１％バインダー組成物‐ＮＭＰ溶液についてＧＰＣ測定を行い、それぞれの分子量を算出する。ここでアルミナに投入前のフッ化ビニリデン共重合体組成物の数平均分子量をＭｎ１とし、アルミナに投入後のアルミナに吸着されなかったフッ化ビニリデン共重合体組成物の数平均分子量をＭｎ２とし、Ｍｎ１に対するＭｎ２の比である数平均分子量比（Ｍｎ２／Ｍｎ１）を求める。添加するアルミナの量は使用するアルミナの比表面積等にも依るため、一義的には決まらず、吸着前後で６０％以上が吸着する程度、すなわち、吸着前後のフッ化ビニリデン共重合体組成物のクロマトグラムの面積が吸着後に６０％以上小さくなるように調整することが好ましい。
また、一般に高分子量体のバインダー組成物を用いることで高い接着性が得られることから、低分子量領域への極性基の偏りを抑制することで極性基が効率よく接着性を発現することに寄与する。これにより、本発明に係るバインダー組成物は、十分な接着性を有しつつ、導電助剤の分散性に優れる効果を奏する。
〔バインダー組成物の製造方法〕
バインダー組成物の製造方法は、特に限定されないが、一例において、フッ化ビニリデンとアクリル単量体とを共重合し、フッ化ビニリデン共重合体組成物を得る重合工程を含む。
上記重合工程におけるフッ化ビニリデン共重合体の重合方法としては、特に限定はなく、従来公知の重合方法を用いることができる。重合方法としては、例えば懸濁重合、乳化重合、溶液重合等が挙げられるが、その中でも後処理の容易さ等の観点から水系の懸濁重合、乳化重合が好ましく、水系の懸濁重合が特に好ましい。
（懸濁重合）
懸濁重合は、安定剤などを含む水中で油溶性の重合開始剤を非水溶性の単量体に溶かし、これを機械的に攪拌し、懸濁および分散させて加温することにより、その単量体液滴中で重合を行う方法である。懸濁重合では、単量体液滴中で重合が進行し、バインダー組成物微粒子の分散溶液が得られる。懸濁重合において、フッ化ビニリデン共重合体の重合に用いられる単量体の他に、分散媒体、懸濁剤、および重合開始剤等が用いられる。
［分散媒体］
用いることができる分散媒体としては特に限定はなく、従来公知のものを用いることができるが、分散媒体として水を用いることが好ましい。
［懸濁剤］
用いることができる懸濁剤としては特に限定はなく、従来公知のものを用いることができる。懸濁剤としては、例えば、メチルセルロース、メトキシ化メチルセルロース、プロポキシ化メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、およびゼラチン等を挙げることができる。
懸濁剤の添加量は、共重合に用いられる全単量体の総量を１００質量部とすると、０．００５～１．０質量部であることが好ましく、０．０１～０．４質量部であることがより好ましい。
［重合開始剤］
用いることができる重合開始剤としては特に限定はなく、従来公知のものを用いることができる。重合開始剤としては、例えば、ジイソプロピルペルオキシジカーボネート、ジノルマルプロピルペルオキシジカーボネート、ジノルマルヘプタフルオロプロピルペルオキシジカーボネート、イソブチリルペルオキサイド、ジ（クロロフルオロアシル）ペルオキサイド、ジ（ペルフルオロアシル）ペルオキサイド、およびｔ－ブチルペルオキシピバレート等を挙げることができる。
重合開始剤の添加量は、共重合に用いられる全単量体の総量を１００質量部とすると、０．０５～５質量部であることが好ましく、０．１５～２質量部であるがより好ましい。
［他の成分］
懸濁重合において、得られるフッ化ビニリデン共重合体の重合度を調節するために、連鎖移動剤を用いてもよい。連鎖移動剤としては、例えば、酢酸エチル、酢酸メチル、炭酸ジエチル、アセトン、エタノール、ｎ－プロパノール、アセトアルデヒド、プロピルアルデヒド、プロピオン酸エチル、および四塩化炭素等を挙げることができる。
連鎖移動剤を用いる場合、連鎖移動剤の添加量は、共重合に用いられる全単量体の総量を１００質量部とすると、０．１～５質量部であることが好ましく、０．５～３質量部であることがより好ましい。
また、必要に応じて緩衝液を用いてもよい。用いることができる緩衝液としては特に限定はなく、従来公知のものを用いることができる。緩衝剤としては、例えば、クエン酸緩衝液、リン酸緩衝液、クエン酸リン酸緩衝液、酢酸緩衝液、ホウ酸緩衝液およびトリス緩衝液等を挙げることができる。緩衝液を用いる場合、緩衝液を構成する緩衝剤量は、共重合に用いられる全単量体の総量を１００質量部とすると、０．０１～５質量部であることが好ましく、０．１～３質量部であることが好ましい。
（重合条件）
重合温度Ｔは、重合開始剤の１０時間半減期温度Ｔ１０に応じて適宜選択され、通常はＴ１０－２０℃≦Ｔ≦Ｔ１０＋２０℃の範囲で選択される。例えば、ｔ‐ブチルペルオキシピバレートおよびジイソプロピルペルオキシジカーボネートのＴ１０はそれぞれ、５４．６℃および４０．５℃（日油株式会社製品カタログ参照）である。したがって、ｔ‐ブチルペルオキシピバレートおよびジイソプロピルペルオキシジカーボネートを重合開始剤として用いた重合では、重合温度Ｔはそれぞれ３４．６℃≦Ｔ≦７４．６℃および２０．５℃≦Ｔ≦６０．５℃の範囲で適宜選択される。
重合時の圧力は、通常加圧下であり、好ましくは３～１５ＭＰａ‐Ｇである。
重合時間は、特に制限されないが、生産性等を考慮すると１００時間以下であることが好ましい。
〔電極合剤〕
本実施形態に係る電極合剤は、本実施形態に係るバインダー組成物と電極活物質と導電助剤とを含有する。また、電極合剤の粘度調整のため必要に応じて溶媒または分散媒を適宜追加することができる。この電極合剤を集電体に塗布して電極合剤層を形成することにより電極を作製することができる。
（電極活物質）
本実施形態における電極合剤において用いられる電極活物質は、特に限定されるものではなく、例えば、従来公知の負極用の電極活物質（負極活物質）または正極用の電極活物質（正極活物質）を用いることができる。負極活物質としては、例えば、炭素材料、金属・合金材料、および金属酸化物などが挙げられるが、中でも炭素材料が好ましい。このような炭素材料を使用すると、電池のエネルギー密度をより高くすることができる。正極活物質としては、少なくともリチウムを含むリチウム系正極活物質が好ましい。リチウム系正極活物質としては例えば、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉｘＣｏ１－ｘＯ２（０≦ｘ≦１）等の一般式ＬｉＭＹ２（Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ等の遷移金属の少なくとも一種：ＹはＯ、Ｓ等のカルコゲン元素）で表わされる複合金属カルコゲン化合物、ＬｉＭｎ２Ｏ４などのスピネル構造をとる複合金属酸化物、およびＬｉＦｅＰＯ４などのオリビン型リチウム化合物等が挙げられる。
（導電助剤）
本実施形態における電極合剤において用いられる導電助剤は、特に限定されるものではなく、例えば、カーボンブラック、カーボンファイバー、およびカーボンナノチューブ等の従来公知のものを用いることができる。
（電極合剤の他の成分）
本実施形態における電極合剤は、上述の成分以外の他の成分を含んでいてもよい。他の成分としては、例えば、ポリビニルピロリドンなどの顔料分散剤等を挙げることができる。
（組成）
本実施形態に係る電極合剤においては、バインダー組成物と電極活物質との合計１００質量部あたり、バインダー組成物は０．１～１０質量部であることが好ましく、０．３～６質量部であることがより好ましい。また電極活物質は９０～９９．９質量部であることが好ましく、９４～９９．７質量部であることがより好ましい。導電助剤の含有量は、バインダー組成物と電極活物質と導電助剤との合計を１００質量部とすると、０．１～１０質量部であることが好ましく、０．３～５質量部であることがより好ましく、０．５～３質量部であることがさらに好ましく。
（電極合剤の製造方法）
本実施形態に係る電極合剤の製造方法は、例えば、バインダー組成物、電極活物質、導電助剤を均一なスラリーとなるように混合すればよく、混合する際の順序は特に限定されない。さらに、バインダー組成物が溶媒を含む場合、フッ化ビニリデン共重合体組成物に溶媒を加える前に、電極活物質などを加えるようにしてもよい。
例えば、フッ化ビニリデン共重合体組成物に電極活物質および溶媒を添加し、撹拌混合し、電極合剤を得てもよい。また電極活物質を溶媒に分散し、そこへバインダー組成物を添加し、撹拌混合し、電極合剤を得てもよい。
〔電極〕
本実施形態に係る電極は、本実施形態に係る電極合剤から形成された層が集電体上に設けられた構成である。電極合剤層は、集電体の少なくとも一方の面に形成されていればよく、集電体の両方の面に形成されていることが好ましい。
（集電体）
集電体は電極の基材であり、電気を取り出すための端子である。集電体の材質としては、特に限定されるものではなく、アルミニウムおよび銅などの従来公知のものを用いることができる。
集電体の厚さは、特に限定されるものではないが、５～１００μｍであることが好ましく、５～２０μｍであることがより好ましい。
（電極合剤層）
電極合剤層は、上述した電極合剤を集電体に塗布して、乾燥させることにより得られる層である。電極合剤の塗布方法としては特に限定はなく、バーコーター、ダイコーター、またはコンマコーターで塗布する等の方法が挙げられる。
電極合剤層の厚さは、特に限定されるものではないが、通常は２０～２５０μｍであり、２０～１５０μｍであることが好ましい。また、電極合剤層の目付量は、特に限定されるものではないが、通常は２０～７００ｇ／ｍ２であり、３０～５００ｇ／ｍ２であることが好ましい。
電極合剤層を形成させるための乾燥温度および乾燥時間としては、通常は５０～１５０℃の温度で１～３００分である。また、乾燥の際の圧力は特に限定はないが、乾燥は、通常大気圧下または減圧下で行われる。
また、さらにプレス処理を行ってもよく、プレス処理を行う場合には、圧力は通常１～２００ＭＰａ‐Ｇである。
〔非水電解質二次電池〕
本実施形態に係る非水電解質二次電池は、本実施形態に係る電極を備えるものである。本実施形態に係る非水電解質二次電池としては、例えば、ゲル電解質を含むポリマー電池等も含まれる。非水電解質二次電池における他の部材（例えば、セパレータ）については特に限定されるものでなく、例えば、従来用いられている部材を用いることができる。
（まとめ）
本発明に係るバインダー組成物では、当該バインダー組成物はフッ化ビニリデン共重合体組成物を含み、当該フッ化ビニリデン共重合体組成物は、フッ化ビニリデンとアクリル単量体との共重合体を含み、当該アクリル単量体はアクリル酸およびメタクリル酸から選ばれる少なくとも１種類以上であり、当該フッ化ビニリデン共重合体組成物は、当該フッ化ビニリデン共重合体組成物をアルミナに吸着させた場合に、当該吸着前のフッ化ビニリデン共重合体組成物の数平均分子量（Ｍｎ１）に対する、当該吸着後のアルミナに吸着されなかったフッ化ビニリデン共重合体組成物の数平均分子量（Ｍｎ２）の比（Ｍｎ２／Ｍｎ１）が、２より小さい。
また、本発明に係るバインダー組成物では、上記フッ化ビニリデン共重合体組成物の融点が１６０℃以上であることが好ましい場合がある。
また、本発明に係るバインダー組成物と電極活物質と導電助剤とを含む電極合剤も本発明に含まれる。
さらに、本発明に係る電極合剤から形成された層を集電体上に備えている電極、および当該電極を備えている非水電解質二次電池も本発明に含まれる。
以下に実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。さらに、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。また、本明細書中に記載された文献の全てが参考として援用される。
後述のように、本発明に係る種々のバインダー組成物を用いて電極を製造し、それを用いて剥離試験および体積抵抗率測定を行った。なお、具体的な実施例の説明の前に、本明細書における「インヘレント粘度」および「吸光度比」の算出方法について以下に記載する。
（インヘレント粘度ηｉ）
インヘレント粘度ηｉを算出するために、フッ化ビニリデン共重合体組成物８０ｍｇを２０ｍｌのＮ，Ｎ‐ジメチルホルムアミドに溶解することによって重合体溶液を作製する。当該重合体溶液の粘度ηを、３０℃の恒温槽内においてウベローデ粘度計を用いて測定する。インヘレント粘度ηｉは、当該粘度ηを用いて下記式によって求められる。
ηｉ＝（１／Ｃ）・ｌｎ（η／η０）
上記式において、η０は溶媒であるＮ，Ｎ‐ジメチルホルムアミドの粘度、Ｃは０．４ｇ／ｄｌである。
（吸光度比ＡＲ）
吸光度比ＡＲを算出するために、フッ化ビニリデン共重合体組成物を、２３０℃で熱プレスして、３０ｍｍ×３０ｍｍのプレスシートを作製する。作製したプレスシートのＩＲスペクトルを、赤外分光光度計ＦＴ－７３０（株式会社堀場製作所製）を用いて、１５００ｃｍ－１～４０００ｃｍ－１範囲で測定する。吸光度比ＡＲは、下記式によって求められる。
ＡＲ＝Ａ１７００－１８００／Ａ３０２３
上記式において、Ａ１７００－１８００は１７００～１８００ｃｍ－１の範囲で検出されるカルボニル基の伸縮振動に由来の吸光度であり、Ａ３０２３は３０２３ｃｍ－１付近に検出されるＣＨの伸縮振動に由来の吸光度である。
（実施例１）
［バインダー組成物の調製］
内容量２リットルのオートクレーブに、分散媒としてイオン交換水９３０ｇ、セルロース系懸濁剤としてメトローズＳＭ‐１００（信越化学工業（株）製）０．２ｇ、重合開始剤として５０ｗｔ％ｔ‐ジイソプロピルペルオキシジカーボネート‐フロン２２５ｃｂ溶液３．２ｇ、フッ化ビニリデン４００ｇ、および単量体としてアクリル酸０．２ｇを仕込み、２６℃まで１時間かけて昇温した。次に、２６℃を維持しながら、２ｗｔ％のアクリル酸水溶液を９時間かけて９８ｇ添加した。昇温開始から２５．７時間経過した時点で重合を終了した。
重合終了後、重合体スラリーを、９５℃で６０分間熱処理した後、脱水し、水洗して、更に８０℃で２０時間乾燥させることによりバインダー組成物（フッ化ビニリデン共重合体組成物）を得た。得られた重合体の収率は９６％、インヘレント粘度ηｉは３．０４ｄｌ／ｇ、吸光度比ＡＲは０．２８であった。
［電極合剤の製造］
バインダー組成物とＮ‐メチル‐２‐ピロリドン（ＮＭＰ）、導電助剤としてケッチェンブラック（ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ（株）製、カーボンＥＣＰ）をポリエチレン製カップに加え、シンキー製ＡＲ‐３１０で混練（１５００ｒｐｍ、１分）しペースト状とした。ここに電極活物質（コバルト酸リチウム、日本化学工業製、セルシードＣ５Ｈ）と必要に応じてＮＭＰを加え混練（１５００ｒｐｍ、２分）した。さらに、塗工可能な粘度となるようにＮＭＰを加え混練（１５００ｒｐｍ、２分）することで電極合剤を作製した（混練Ａ）。
なお、バインダー組成物の添加量（部）は、電極活物質を１００部とした場合、１．５部とした。また導電助剤の添加量（部）は、電極活物質を１００部とした場合、０．５部とした。すなわち電極活物質／導電助剤／バインダー組成物＝１００／０．５／１．５であった。
［電極の製造］
得られた電極合剤を、集電体である厚さ１５μｍのアルミニウム箔上にバーコーターで塗布し、これを恒温槽を用いて、窒素雰囲気下にて１１０℃で３０分間乾燥して、片面目付け量が２００ｇ／ｍ２の片面塗工電極を作製した。
（実施例２）
［バインダー組成物の調製］
内容量２リットルのオートクレーブに、分散媒としてイオン交換水９００ｇ、セルロース系懸濁剤としてメトローズ９０ＳＨ‐１００（信越化学工業（株）製）０．４ｇ、重合開始剤として５０ｗｔ％ｔ‐ブチルペルオキシピバレート‐フロン２２５ｃｂ溶液３．０ｇ、フッ化ビニリデン４００ｇ、および単量体としてアクリル酸０．２ｇを仕込み、５０℃まで２時間かけて昇温した。次に、５０℃を維持しながら、０．３ｗｔ％のアクリル酸水溶液を重合圧力が一定となる速度で徐々に添加した。アクリル酸は、初期に添加した量を含めて、全量で２．０ｇを添加した。重合は、アクリル酸水溶液の添加終了と同時に停止した。昇温開始から重合停止までの時間は、合計９．８時間であった。
重合終了後、重合体スラリーを、９５℃で６０分間熱処理した後、脱水し、水洗して、更に８０℃で２０時間乾燥させることによりバインダー組成物を得た。得られた重合体の収率は７９％、インヘレント粘度ηｉは２．９６ｄｌ／ｇ、吸光度比ＡＲは０．２８であった。
［電極合剤の製造］
電極合剤の製造法は、実施例１と同様の方法で行った。
［電極の製造］
電極の製造は、実施例１と同様の方法で行った。
（実施例３）
［バインダー組成物の調製］
内容量２リットルのオートクレーブに、分散媒としてイオン交換水９００ｇ、セルロース系懸濁剤としてメトローズ９０ＳＨ‐１００（信越化学工業（株）製）０．４ｇ、重合開始剤として５０ｗｔ％ｔ‐ブチルペルオキシピバレート‐フロン２２５ｃｂ溶液４．０ｇ、フッ化ビニリデン４００ｇ、および単量体としてアクリル酸０．２ｇを仕込み、５０℃まで２時間かけて昇温した。次に、５０℃を維持しながら、０．３ｗｔ％のアクリル酸水溶液を重合圧力が一定となる速度で徐々に添加した。アクリル酸は、初期に添加した量を含めて、全量で２．０ｇを添加した。重合は、アクリル酸水溶液の添加終了と同時に停止した。昇温開始から重合停止までの時間は、合計９．４時間であった。
重合終了後、重合体スラリーを、９５℃で６０分間熱処理した後、脱水し、水洗して、更に８０℃で２０時間乾燥させることによりバインダー組成物を得た。得られた重合体の収率は７９％、インヘレント粘度ηｉは２．５１ｄｌ／ｇ、吸光度比ＡＲは０．２９であった。
［電極合剤の製造］
電極合剤の製造法は、実施例１と同様の方法で行った。
［電極の製造］
電極の製造は、実施例１と同様の方法で行った。
（実施例４）
［バインダー組成物の調製］
バインダー組成物の調製は、実施例３と同様の方法で行った。
［電極合剤の製造］
電極活物質（コバルト酸リチウム、日本化学工業製、セルシードＣ‐１０）と導電助剤としてケッチェンブラック（ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製、カーボンＥＣＰ）をポリエチレン製カップに加え、シンキー製ＡＲ‐３１０で混練（１５００ｒｐｍ、１分）した。ここにバインダー組成物を加え混練（１５００ｒｐｍ、２分）した。さらに、塗工可能な粘度となるようにＮＭＰを加え混練（１５００ｒｐｍ、２分）することで電極合剤を作製した（混練Ｂ）。
なお、バインダー組成物の添加量（部）は、電極活物質を１００部とした場合、２部とした。また導電助剤の添加量（部）は、電極活物質を１００部とした場合、０．５部とした。すなわち電極活物質／導電助剤／バインダー組成物＝１００／０．５／２であった。
［電極の製造］
電極の製造は、実施例１と同様の方法で行った。
（比較例１）
［バインダー組成物の調製］
内容量２リットルのオートクレーブに、分散媒としてイオン交換水９００ｇ、セルロース系懸濁剤としてメトローズ９０ＳＨ‐１００（信越化学工業（株）製）０．４ｇ、重合開始剤として５０ｗｔ％ｔ‐ブチルペルオキシピバレート‐フロン２２５ｃｂ溶液２．６ｇ、フッ化ビニリデン４００ｇ、および単量体としてアクリル酸０．８ｇを仕込み、５０℃まで２時間かけて昇温した。次に、５０℃を維持しながら、１ｗｔ％のアクリル酸水溶液を重合圧力が一定となる速度で徐々に添加した。アクリル酸は、初期に添加した量を含めて、全量で４．０ｇを添加した。重合は、アクリル酸水溶液の添加終了と同時に停止した。昇温開始から重合停止までの時間は、合計１４．６時間であった。
重合終了後、重合体スラリーを、９５℃で６０分間熱処理した後、脱水し、水洗して、更に８０℃で２０時間乾燥させることによりバインダー組成物を得た。得られた重合体の収率は５３％、インヘレント粘度ηｉは２．５９ｄｌ／ｇ、吸光度比ＡＲは０．８３であった。
［電極合剤の製造］
電極合剤の製造法は、実施例１と同様の方法で行った。
［電極の製造］
電極の製造は、実施例１と同様の方法で行った。
（数平均分子量比Ｍｎ２／Ｍｎ１）
本実施例において、数平均分子量比は、次の方法にて推定した。
まず、０．１ｗｔ％バインダー組成物‐ＮＭＰ溶液を調製した。この溶液５ｇを十分に撹拌しながら、０．８ｇのＡＫＰ３０００（住友化学製高純度アルミナ）をゆっくりと加えた。ＡＫＰ３０００投入後、２．５時間撹拌した後、一晩静置した。上澄み液を採取し、遠心分離を行った。遠心分離後の上澄み液と、アルミナを加える前の０．１％バインダー組成物‐ＮＭＰ溶液についてＧＰＣ測定を行い、それぞれの数平均分子量を算出した。ここでアルミナに投入前のフッ化ビニリデン共重合体組成物の数平均分子量をＭｎ１とし、アルミナに投入後のアルミナに吸着されなかったフッ化ビニリデン共重合体組成物の数平均分子量をＭｎ２とし、Ｍｎ１に対するＭｎ２の比である数平均分子量比を求めた。
［ＧＰＣ測定条件］
溶媒 １０ｍＭ ＬｉＢｒ‐ＮＭＰ溶液
カラム ＫＤ‐８０６Ｍ×２本
測定温度 ４０℃
流速 １ｍｌ／ｍｉｎ
検出器 ＲＩ検出器
インジェクト量 １００μｌ
（剥離強度）
実施例１～４、および比較例１で得られた片面塗工電極を、長さ１００ｍｍ、幅２０ｍｍに切り出し、ＪＩＳ Ｋ‐６８５４‐１に準じて引張試験機（ＯＲＩＥＮＴＥＣ社製「ＳＴＡ‐１１５０ ＵＮＩＶＥＲＳＡＬ ＴＥＳＴＩＮＧ ＭＡＣＨＩＮＥ」）を使用し、ヘッド速度１０ｍｍ／分で９０度剥離試験を行い、剥離強度を評価した。
（体積抵抗率）
実施例１～４、および比較例１で得られた片面塗工電極を長さ３０ｍｍ、幅３０ｍｍに切り出し、塗工面をＯＰＰテープに貼り付け、アルミニウム箔を剥がし測定サンプルとした。測定にはロレスタＧＰ ＭＣＰ‐Ｔ６１０（三菱化学製）（プローブ：ＰＳＰ（４端子法））を使用し、体積抵抗率を評価した。
（融点）
融点を算出するために、フッ化ビニリデン共重合体組成物を、２３０℃で熱プレスして、３０ｍｍ×３０ｍｍのプレスシートを作製し、作製したプレスシートから約１０ｍｇを切り出し測定サンプルとした。測定サンプルをアルミ製サンプルパンに入れ、Ｍｅｔｔｌｅｒ Ｔｏｌｅｄｏ製の示差走査熱量計（ＤＳＣ）を用いて測定した。測定条件は、測定サンプルを２３０℃まで昇温し１０分間保持する。その後、１０Ｋ／ｍｉｎで３０℃まで冷却し１０分間保持する。その後、２３０℃まで１０Ｋ／ｍｉｎで昇温した。２度目の昇温時に得られる最も大きな吸熱ピークのピークトップ温度を融点とした。
表１に各実施例および各比較例のインヘレント粘度、剥離強度、体積抵抗率、および数平均分子量比の結果を示す。また表２に実施例１～３および比較例１において用いたフッ化ビニリデン共重合体組成物の融点を示す。
Figure 0007106450000001
Figure 0007106450000002
本発明によれば、金属箔と十分な接着性を有しつつ、優れた導電助剤の分散性を有するバインダー組成物を得ることができる。

Claims (5)

  1. 電極活物質を集電体に結着させるために用いられるバインダー組成物であって、
    当該バインダー組成物はフッ化ビニリデン共重合体組成物を含み、
    当該フッ化ビニリデン共重合体組成物は、フッ化ビニリデンとアクリル単量体との共重合体を含み、
    当該アクリル単量体は、アクリル酸およびメタクリル酸から選ばれる少なくとも１種類以上であり、
    当該フッ化ビニリデン共重合体組成物の固形成分は、０．１ｗｔ％の当該固形成分を含むＮ－メチル－２－ピロリドン溶液５ｇにＢＥＴ比表面積４．５ｍ ２ ／ｇのアルミナ０．８ｇを加えることで、当該フッ化ビニリデン共重合体組成物をアルミナに吸着させた場合に、（１）当該吸着前のフッ化ビニリデン共重合体組成物の数平均分子量（Ｍｎ１）に対する、当該吸着後のアルミナに吸着されなかったフッ化ビニリデン共重合体組成物の数平均分子量（Ｍｎ２）の比（Ｍｎ２／Ｍｎ１）が、２より小さく、（２）吸着前の当該フッ化ビニリデン共重合体組成物の６０％以上が吸着している、ことを特徴とするバインダー組成物。
  2. 上記フッ化ビニリデン共重合体組成物の融点が１６０℃以上であることを特徴とする請求項１の記載のバインダー組成物。
  3. 請求項１または２に記載のバインダー組成物と電極活物質と導電助剤とを含むことを特徴とする電極合剤。
  4. 請求項３に記載の電極合剤から形成された層を集電体上に備えていることを特徴とする電極。
  5. 請求項４に記載の電極を備えていることを特徴とする非水電解質二次電池。
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