JP7144794B2 - Binder for manufacturing lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery using the same - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン二次電池の製造に用いるバインダー、これを用いた電極、セパレータ、及びこれを用いたリチウムイオン二次電池に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a binder used for manufacturing a lithium ion secondary battery, an electrode and a separator using the same, and a lithium ion secondary battery using the same.
リチウムイオン二次電池は二次電池の中でも、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池に比べて軽量で高容量であるため、スマートホンなどの移動用電子機器の電源として広く使用されている。また、近年ハイブリッド自動車や電気自動車用の電源としても普及しつつある。これらの電源として、リチウムイオン二次電池は更なる高容量化、高寿命化が期待されている。 Among secondary batteries, lithium-ion secondary batteries are lighter and have higher capacity than nickel-cadmium batteries and nickel-metal hydride batteries, so they are widely used as power sources for mobile electronic devices such as smart phones. Moreover, in recent years, it is becoming popular as a power source for hybrid vehicles and electric vehicles. As a power source for these, lithium-ion secondary batteries are expected to have higher capacity and longer life.
リチウムイオン二次電池の負極に関しては、高容量化可能な負極活物質として、放電容量の大きいシリコンや酸化シリコン等の合金系の負極活物質が数多く検討されている。しかし、シリコン系の負極活物質は充放電時の膨張収縮が大きいため、充放電の繰り返しにより負極合材層内において負極活物質粒子間の導電パスの切断や、負極合材層と集電体間の剥離等が発生し、寿命特性が悪化することが懸念されている。これに対し、高弾性で接着力の強いポリイミドを負極用のバインダーとして用いる電極が報告されている(特許文献1)。 As for the negative electrode of a lithium ion secondary battery, as a negative electrode active material capable of increasing the capacity, many alloy-based negative electrode active materials such as silicon and silicon oxide having a large discharge capacity are being studied. However, since the silicon-based negative electrode active material expands and contracts significantly during charging and discharging, repeated charging and discharging may cause disconnection of the conductive paths between the negative electrode active material particles in the negative electrode mixture layer, and There is concern that peeling or the like will occur between the layers, and that the life characteristics will deteriorate. On the other hand, an electrode using polyimide, which has high elasticity and strong adhesion, as a binder for the negative electrode has been reported (Patent Document 1).
また、正極に関しては、容量発現量に優れるニッケル量の多いニッケル・コバルト・マンガンからなる三元系複合酸化物(以下、「NCM正極材料」とも称する)を正極活物質として用いる例が増えている。しかし、NCM正極活物質は、高容量化のためニッケル含有量を多くすると、PVDFをバインダーに用いた場合に脱フッ酸反応が進行し、安定な正極電極用のスラリーを作製できないという問題があった。また、PVDFは、電池が高温になった場合に電解液によって膨潤し、正極活物質間の導電パスの切断や、正極合材層と集電体の剥離等が生じ、寿命特性が悪化するという問題がある。このようなPVDFの問題点を解決するためポリイミドを正極用のバインダーとして用いる電極が報告されている(特許文献2)。 In addition, as for the positive electrode, there are increasing examples of using a ternary composite oxide (hereinafter also referred to as "NCM positive electrode material") composed of nickel, cobalt, and manganese with a large amount of nickel, which is excellent in capacity expression, as a positive electrode active material. . However, if the nickel content of the NCM positive electrode active material is increased in order to increase the capacity, the hydrofluoric acid removal reaction proceeds when PVDF is used as a binder, and there is a problem that a stable positive electrode slurry cannot be produced. rice field. In addition, PVDF swells due to the electrolyte solution when the temperature of the battery becomes high, causing disconnection of the conductive path between the positive electrode active materials and peeling of the positive electrode mixture layer and the current collector, etc., resulting in deterioration of life characteristics. There's a problem. In order to solve such problems of PVDF, an electrode using polyimide as a binder for a positive electrode has been reported (Patent Document 2).
また、ポリアミド酸を含むリチウムイオン二次電池用バインダーも報告されている(特許文献1,3)。しかし、ポリアミド酸は水による加水分解を起こし易く、室温で変化し易いため、特性のばらつきを生じ易いという問題点があった。更に、ポリアミド酸を含むバインダーを用いる場合には、イミド化を完全に進行させるため350℃のような高温処理を必要とする。そのため、電極を製造する際に銅箔の酸化が起こり、抵抗が大きくなるため、不活性ガス雰囲気のような特殊な雰囲気でなければ実用化が難しいという問題があった。 Binders for lithium ion secondary batteries containing polyamic acid have also been reported (Patent Documents 1 and 3). However, polyamic acid is prone to hydrolysis with water and easily changes at room temperature, so there is a problem that the properties tend to vary. Furthermore, when a binder containing polyamic acid is used, a high temperature treatment such as 350° C. is required for complete imidization. As a result, the copper foil is oxidized when the electrode is manufactured, and the resistance increases, so there is a problem that it is difficult to put it into practical use unless it is in a special atmosphere such as an inert gas atmosphere.
さらに、電極用バインダーとして、イミド化を完結させた溶媒可溶性のブロック共重合ポリイミドを用いたリチウムイオン二次電池も報告されており(特許文献4,5,6)、電極用バインダーとして、ポリイミド水分散体を用いたリチウムイオン二次電池も報告されている(特許文献7)。 Furthermore, as an electrode binder, a lithium ion secondary battery using a solvent-soluble block copolymer polyimide that has completed imidation has been reported (Patent Documents 4, 5, and 6), and as an electrode binder, polyimide water A lithium ion secondary battery using a dispersion has also been reported (Patent Document 7).
本来、ポリイミドは耐溶剤性に優れるが、ポリイミド中のイミド基濃度や、屈折、屈曲結合を制御することにより、N-メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の溶剤に可溶なポリイミドを合成することができる。 Originally, polyimide has excellent solvent resistance, but by controlling the imide group concentration in polyimide, refraction, and bending bonding, polyimide soluble in solvents such as N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylformamide, and dimethylsulfoxide can be synthesized.
このような溶媒可溶性ポリイミドをリチウムイオン電池の電極製造用バインダーとして用いるためには、上記溶剤に対するポリイミドの溶解性を維持するとともに、ポリイミドがリチウムイオン二次電池の電解液に対して溶解しないだけではなく、電解液に対するポリイミドの膨潤度が小さいことが必要である。 In order to use such a solvent-soluble polyimide as a binder for manufacturing an electrode of a lithium ion battery, it is necessary to maintain the solubility of the polyimide in the solvent and prevent the polyimide from dissolving in the electrolyte of the lithium ion secondary battery. It is necessary that the degree of swelling of the polyimide with respect to the electrolytic solution is small.
しかしながら、本発明者らは、上記溶剤に対するポリイミドの溶解性を上げようとすると、リチウムイオン二次電池に用いられる電解液に対するポリイミドの耐溶剤性が不十分となり、電解液に対する膨潤度が大きくなることを見出した。また、電解液に対するポリイミドの膨潤度を小さくしようとすると、ポリイミドの溶剤に対する溶解性が低下することを見出した。すなわち、従来のテトラカルボン酸二無水物とジアミンの組み合わせから合成された溶剤可溶性ポリイミドでは、溶剤に対する高い溶媒可溶性と電解液に対する低い膨潤度を両立させることは困難であった。 However, when the present inventors try to increase the solubility of the polyimide in the solvent, the solvent resistance of the polyimide to the electrolyte used in the lithium ion secondary battery becomes insufficient, and the degree of swelling in the electrolyte increases. I found out. Further, the inventors have found that the solubility of polyimide in a solvent decreases when the degree of swelling of polyimide in the electrolytic solution is reduced. That is, it has been difficult for conventional solvent-soluble polyimides synthesized from a combination of a tetracarboxylic dianhydride and a diamine to achieve both high solubility in solvents and low swelling in electrolytic solutions.
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討した結果、ポリイミドの合成に使用するテトラカルボン酸二無水物とジアミンの分子量を制御することにより、溶剤に対する高い溶媒可溶性と電解液に対する低い膨潤度を両立させることができ、リチウムイオン二次電池用バインダーとして好適な溶媒可溶性ポリイミドを初めて合成可能となることを見出し、本発明を完成した。 As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventors have found that by controlling the molecular weights of the tetracarboxylic dianhydride and diamine used in polyimide synthesis, high solvent solubility in solvents and low swelling in electrolyte solutions can be achieved. The inventors have found that it is possible for the first time to synthesize a solvent-soluble polyimide suitable as a binder for lithium-ion secondary batteries, and have completed the present invention.
すなわち、本発明は、溶媒可溶性ポリイミドを含むリチウムイオン二次電池製造用バインダーであって、前記溶媒可溶性ポリイミドは、イミド基濃度が20~32%のブロック共重合体であり、且つ、N-メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド及びジメチルスルホキシドからなる群から選ばれる少なくとも1種の溶媒に可溶であり、前記ポリイミドを構成する全てのテトラカルボン酸二無水物成分の分子量が360以下であり、且つ、前記ポリイミドを構成する全てのジアミン成分のうち、分子量220以下のジアミン成分の割合が少なくとも30モル%であり、前記ポリイミドから作製したフィルムをリチウムイオン二次電池用電解液に浸漬し、80℃で72時間処理した場合の膨潤度が50重量%以下であり、前記リチウムイオン二次電池用電解液は、エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート:ジメチルカーボネート(体積比3:3:4)からなる混合溶媒にヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1モル/L溶解してなる電解液である、リチウムイオン二次電池製造用バインダー、を提供する。
That is, the present invention provides a binder for producing a lithium ion secondary battery containing a solvent-soluble polyimide, wherein the solvent-soluble polyimide is a block copolymer having an imide group concentration of 20 to 32%, and N-methyl It is soluble in at least one solvent selected from the group consisting of pyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylformamide and dimethylsulfoxide, and all tetracarboxylic dianhydride components constituting the polyimide have a molecular weight of 360 or less, and , Among all the diamine components constituting the polyimide, the ratio of the diamine component having a molecular weight of 220 or less is at least 30 mol%, and the film produced from the polyimide is immersed in an electrolyte for lithium ion secondary batteries, and heated at 80 ° C. The degree of swelling when treated for 72 hours is 50% by weight or less, and the electrolytic solution for a lithium ion secondary battery is a mixed solvent consisting of ethylene carbonate: ethyl methyl carbonate: dimethyl carbonate (volume ratio 3: 3: 4) Provided is a binder for manufacturing a lithium ion secondary battery, which is an electrolytic solution obtained by dissolving 1 mol/L of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in
また、本発明は、テトラカルボン酸二無水物とジアミンから合成された溶媒可溶性ポリイミドを含むリチウムイオン二次電池製造用バインダーであって、前記ポリイミドがブロック共重合体であり、前記ポリイミドのイミド基濃度が20~32%であり、前記ポリイミドを構成する全てのテトラカルボン酸二無水物成分の分子量が360以下であり、且つ、前記ポリイミドを構成する全てのジアミン成分のうち、分子量220以下のジアミン成分の割合が少なくとも30モル%である、リチウムイオン二次電池製造用バインダー、を提供する。 The present invention also provides a binder for manufacturing a lithium ion secondary battery containing a solvent-soluble polyimide synthesized from a tetracarboxylic dianhydride and a diamine, wherein the polyimide is a block copolymer, and the imide group of the polyimide A diamine having a concentration of 20 to 32%, a molecular weight of 360 or less for all tetracarboxylic dianhydride components constituting the polyimide, and a molecular weight of 220 or less among all the diamine components constituting the polyimide. Provided is a binder for manufacturing a lithium ion secondary battery, wherein the proportion of the component is at least 30 mol %.
さらに、本発明は、テトラカルボン酸二無水物とジアミンとを反応させて、リチウムイオン二次電池製造用バインダーに使用するための溶媒可溶性ポリイミドを製造する方法であって、反応に使用する全てのテトラカルボン酸二無水物の分子量が360以下であり、且つ、反応に使用する全てのジアミンのうち、分子量220以下のジアミンの割合が少なくとも30モル%であり、前記ポリイミドのイミド基濃度が20~32%である、リチウムイオン二次電池製造用バインダーの製造方法、を提供する。
Furthermore, the present invention is a method for producing a solvent-soluble polyimide for use in a binder for producing a lithium ion secondary battery by reacting a tetracarboxylic dianhydride and a diamine, wherein all the The molecular weight of the tetracarboxylic dianhydride is 360 or less, and the ratio of diamines with a molecular weight of 220 or less is at least 30 mol% among all the diamines used in the reaction, and the imide group concentration of the polyimide is 20. A method for producing a binder for producing a lithium ion secondary battery, which is ∼32% .
ポリイミドを構成するテトラカルボン酸二無水物成分とジアミン成分の分子量を制御した本発明における特定の溶媒可溶性ポリイミドを合成することにより、電解液膨潤度が50重量%以下の溶媒可溶性ポリイミドを初めて合成することが可能となった。また、このような溶剤に対する高い溶媒可溶性と電解液に対する低い膨潤度を両立することが可能なポリイミドを含む本発明のリチウムイオン二次電池製造用のバインダーを用いることにより、電極活物質間の接着性や、電極合材層と集電体間の密着性が良好な電極を作製することが可能となる。また、このような電極を用いることにより、寿命特性(サイクル特性)に優れたリチウムイオン二次電池を作製することが可能となる。 By synthesizing a specific solvent-soluble polyimide according to the present invention in which the molecular weights of the tetracarboxylic dianhydride component and the diamine component that constitute the polyimide are controlled, a solvent-soluble polyimide having an electrolytic solution swelling degree of 50% by weight or less is synthesized for the first time. became possible. In addition, by using the binder for producing a lithium ion secondary battery of the present invention containing a polyimide capable of achieving both high solvent solubility in such a solvent and low swelling degree in an electrolytic solution, adhesion between electrode active materials It is possible to produce an electrode having excellent properties and adhesion between the electrode mixture layer and the current collector. Moreover, by using such an electrode, it is possible to produce a lithium-ion secondary battery having excellent life characteristics (cycle characteristics).
本発明のリチウムイオン二次電池用バインダーは、溶媒可溶性ポリイミドを含むものである。以下に本発明における溶媒可溶性ポリイミドの特徴とその合成方法を具体的に説明する。 The binder for lithium ion secondary batteries of the present invention contains a solvent-soluble polyimide. The features of the solvent-soluble polyimide in the present invention and the method for synthesizing the polyimide are specifically described below.
<溶媒可溶性ポリイミド>
本発明における溶媒可溶性ポリイミドは、ポリイミドから作製したフィルムをリチウムイオン二次電池用電解液に浸漬し、80℃で72時間処理した場合の膨潤度が50重量%以下となるポリイミドである。
<Solvent-soluble polyimide>
The solvent-soluble polyimide in the present invention is a polyimide having a degree of swelling of 50% by weight or less when a film made from polyimide is immersed in an electrolytic solution for lithium ion secondary batteries and treated at 80° C. for 72 hours.
本発明における膨潤度の具体的な測定方法は以下の通りである。すなわち、溶媒可溶性ポリイミドを皿状の容器に流し、120℃で15時間乾燥して得た厚み約50μmのフィルムから3cm×3cmの試験片を作製する。ついで、エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート:ジメチルカーボネート=3:3:4からなる電解液溶媒にヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1モル/L溶解してなる電解液に試験片を浸漬し、電解液を80℃に加熱した後、80℃で72時間試験片を浸漬処理する。電解液中での浸漬処理前後のポリイミドフィルムの重量を測定して求めたフィルムの重量増加率(%)を、本発明における膨潤度(「電解液膨潤度」ともいう)とする。ここで、フィルムの作製方法は電解液膨潤度の数値に影響を与えることはなく、また、浸漬処理後のフィルムの重量は、試験片を電解液から取り出し、乾燥しないように速やかにティッシュで表面に付着している電解液を拭き取った後に測定した。 A specific method for measuring the degree of swelling in the present invention is as follows. That is, a test piece of 3 cm×3 cm is prepared from a film having a thickness of about 50 μm obtained by pouring a solvent-soluble polyimide into a dish-shaped container and drying it at 120° C. for 15 hours. Next, the test piece was immersed in an electrolytic solution prepared by dissolving 1 mol/L of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in an electrolytic solution solvent consisting of ethylene carbonate:ethylmethylcarbonate:dimethylcarbonate=3:3:4, After heating the electrolyte to 80° C., the specimen is immersed at 80° C. for 72 hours. The weight increase rate (%) of the film obtained by measuring the weight of the polyimide film before and after the immersion treatment in the electrolytic solution is defined as the degree of swelling (also referred to as "swelling degree of electrolytic solution") in the present invention. Here, the film preparation method does not affect the numerical value of the swelling degree of the electrolyte, and the weight of the film after the immersion treatment is determined by removing the test piece from the electrolyte and quickly wiping the surface with a tissue so as not to dry. It was measured after wiping off the electrolyte adhering to the
本発明においては、上記の方法で測定したポリイミドフィルムの膨潤度が50重量%以下、更には40重量%以下、特には30重量%以下であるのが好ましい。電解液に対する膨潤度が大きい場合、活物質間の接着が不十分になったり、電極合材層と集電体間の接着が不十分になる傾向があり、電池のバインダーとして用いた場合、電池の寿命特性が悪化する傾向がある。前記ポリイミドフィルムの膨潤度は低いほど好ましいが、膨潤度の下限値は、15重量%以上、更には17重量%以上、特には19重量%以上であっても、十分良好な電池の寿命特性を達成することができる In the present invention, the degree of swelling of the polyimide film measured by the above method is preferably 50% by weight or less, more preferably 40% by weight or less, and particularly preferably 30% by weight or less. When the degree of swelling in the electrolyte is large, the adhesion between the active materials tends to be insufficient, and the adhesion between the electrode mixture layer and the current collector tends to be insufficient. life characteristics tend to deteriorate. The lower the degree of swelling of the polyimide film, the better, but the lower limit of the degree of swelling is 15% by weight or more, further 17% by weight or more, particularly 19% by weight or more, and sufficiently good battery life characteristics can be obtained. can be achieved
本発明における「溶媒可溶性」なる用語は、ポリイミドの合成において使用する有機極性溶媒と、後述する合材に使用する溶媒に対して使用する用語であり、100gの溶媒中に5g以上溶解するポリイミドであることを意味する。溶媒としては、N-メチルピロリドン(NMP)、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド及びジメチルスルホキシドからなる群から選ばれる少なくとも1種の有機溶媒が好ましい。合成されたポリイミドは、上記溶媒に、例えば、固形分が10~30重量%となるよう溶解させた溶液の状態でリチウムイオン二次電池のバインダーとして用いることができる。 The term "solvent-soluble" in the present invention is a term used for the organic polar solvent used in the synthesis of polyimide and the solvent used for the mixture described later, and polyimide that dissolves 5 g or more in 100 g of solvent. It means that there is As the solvent, at least one organic solvent selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylacetamide, dimethylformamide and dimethylsulfoxide is preferred. The synthesized polyimide can be used as a binder for lithium ion secondary batteries in the form of a solution in which the solid content is 10 to 30% by weight in the above solvent.
(溶媒可溶性ポリイミドの合成方法)
本発明における溶媒可溶性ポリイミドは、テトラカルボン酸二無水物とジアミンとを溶媒中で触媒による脱水・閉環反応させることにより合成することができる。
触媒としては、硫酸、リン酸、トルエンスルホン酸等の酸触媒が挙げられ、テトラカルボン酸二無水物とジアミンとを160~200℃に加熱し酸触媒を用いてイミド化を促進させることができる。
(Method for synthesizing solvent-soluble polyimide)
The solvent-soluble polyimide in the present invention can be synthesized by subjecting a tetracarboxylic dianhydride and a diamine to a dehydration and ring closure reaction with a catalyst in a solvent.
Examples of the catalyst include acid catalysts such as sulfuric acid, phosphoric acid, and toluenesulfonic acid, and imidization can be promoted by heating tetracarboxylic dianhydride and diamine to 160 to 200° C. and using an acid catalyst. .
生成したポリイミド溶液に酸触媒が残存すると、ポリマー製品の変色や劣化の要因となるため、生成したポリイミド溶液にメタノールやブタノン等の非溶解性の溶媒を加えてポリイミドを沈殿させ、分離、回收し、再溶解させることにより、ポリイミドと触媒の分離が行なわれる(W.H.Miller,USP4,927,736)。 If the acid catalyst remains in the polyimide solution produced, it can cause discoloration and deterioration of polymer products. , the separation of the polyimide and the catalyst is effected by redissolving (WH Miller, USP 4,927,736).
本発明における溶媒可溶性ポリイミドの更に好ましい合成方法としては、ラクトンの平衡反応を利用した二成分系の酸-塩基触媒を用いて、脱水イミド化反応を促進する方法がある(USP5502143)。この方法では、γ-バレロラクトンとピリジン又はN-メチルモルホリンの二成分系触媒を用いる。イミド化が進むにつれて水が生成し、生成した水がラクトンの平衡に関与して酸・塩基触媒となり、触媒作用を示す。 A more preferred method for synthesizing the solvent-soluble polyimide in the present invention is a method of promoting the dehydration imidization reaction using a two-component acid-base catalyst utilizing the equilibrium reaction of lactone (USP5502143). This method uses a binary catalyst of γ-valerolactone and pyridine or N-methylmorpholine. As the imidization progresses, water is produced, and the produced water participates in the equilibrium of the lactone and becomes an acid/base catalyst, exhibiting catalytic action.
イミド化反応によって生成する水は、極性溶媒中に共存するトルエン又はキシレンとの共沸によって系外に除かれる。イミド化反応が完結すると溶液中の水が除去され、酸・塩基触媒はγ-バレロラクトンとピリジン又はN-メチルモルホリンとなり系外に除去される。かくして、高純度のポリイミド溶液を得ることができる。 Water produced by the imidization reaction is removed from the system by azeotropy with toluene or xylene coexisting in the polar solvent. When the imidization reaction is completed, the water in the solution is removed, and the acid/base catalyst becomes γ-valerolactone and pyridine or N-methylmorpholine and is removed from the system. Thus, a highly pure polyimide solution can be obtained.
その他の二成分系触媒としては、シュウ酸又はマロン酸とピリジン又はN-メチルモルホリンが用いられる。160~200℃の反応溶液中、シュウ酸塩又はマロン酸塩は酸触媒としてイミド化反応を促進する。生成したポリイミド溶液中には、触媒量のシュウ酸又はマロン酸が残留する。このポリイミド溶液を塗布して200℃以上に加熱し、脱溶媒して製膜する際には、ポリイミド中に残存するシュウ酸又はマロン酸は熱分解し、ガスとして系外に除かれる。かくして、高純度のポリイミド製品を得ることができる。シュウ酸-ピリジン系触媒は、バレロラクトン-ピリジン系触媒に比べて活性が強く、短時間で高分子量のポリイミドを生成することができる。 Other binary catalysts are oxalic acid or malonic acid and pyridine or N-methylmorpholine. In the reaction solution at 160-200°C, oxalate or malonate promotes the imidization reaction as an acid catalyst. A catalytic amount of oxalic acid or malonic acid remains in the resulting polyimide solution. When this polyimide solution is applied and heated to 200° C. or higher to remove the solvent and form a film, oxalic acid or malonic acid remaining in the polyimide is thermally decomposed and removed as a gas from the system. Thus, a high-purity polyimide product can be obtained. Oxalic acid-pyridine-based catalysts are more active than valerolactone-pyridine-based catalysts, and can produce high-molecular-weight polyimides in a short period of time.
(テトラカルボン酸二無水物)
本発明で用いるテトラカルボン酸二無水物としては、テトラカルボン酸エステル化合物を誘導形成するためのテトラカルボン酸二無水物として、ピロメリット酸二無水物(PMDA)、1,2,5,6-ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、1,4,5,8-ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、2,3,6,7-ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、2,2’,3,3’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、2,3,3’,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(BPDA)、2,2’,3,3’-ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、2,3,3’,4’-ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’-ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物(BTDA)、ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)スルホン二無水物、ビス(2,3-ジカルボキシフェニル)メタン二無水物、ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)メタン二無水物、1,1-ビス(2,3-ジカルボキシフェニル)エタン二無水物、1,1-ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)エタン二無水物、2,2-ビス[3,4-(ジカルボキシフェノキシ)フェニル]プロパン二無水物(BPADA)、4,4’-(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物、4,4’-オキシジフタル酸無水物(ODPA)、ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)スルホン二無水物、ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)スルホキシド二無水物、チオジフタル酸二無水物、3,4,9,10-ペリレンテトラカルボン酸二無水物、2,3,6,7-アントラセンテトラカルボン酸二無水物、1,2,7,8-フェナントレンテトラカルボン酸二無水物、9,9-ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)フルオレン二無水物、9,9-ビス[4-(3,4’-ジカルボキシフェノキシ)フェニル]フルオレン二無水物等の芳香族テトラカルボン酸二無水物、シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4-シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、2,3,4,5-テトラヒドロフランテトラカルボン酸二無水物、1,2,4,5-シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、3,4-ジカルボキシ-1-シクロヘキシルコハク酸二無水物、3,4-ジカルボキシ-1,2,3,4-テトラヒドロ-1-ナフタレンコハク酸二無水物などを例示できるが、これらに限定されない。これらのテトラカルボン酸二無水物は、単独で用いてもよいし、二種類以上を混合して用いてもよい。
(tetracarboxylic dianhydride)
As the tetracarboxylic dianhydride used in the present invention, pyromellitic dianhydride (PMDA), 1,2,5,6- naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 2,3,6,7-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 2,2',3,3'- biphenyltetracarboxylic dianhydride, 2,3,3′,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride, 3,3′,4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride (BPDA), 2,2 ',3,3'-benzophenonetetracarboxylic dianhydride, 2,3,3',4'-benzophenonetetracarboxylic dianhydride, 3,3',4,4'-benzophenonetetracarboxylic dianhydride (BTDA), bis(3,4-dicarboxyphenyl)sulfone dianhydride, bis(2,3-dicarboxyphenyl)methane dianhydride, bis(3,4-dicarboxyphenyl)methane dianhydride, 1 , 1-bis(2,3-dicarboxyphenyl)ethane dianhydride, 1,1-bis(3,4-dicarboxyphenyl)ethane dianhydride, 2,2-bis[3,4-(dicarboxy Phenoxy)phenyl]propane dianhydride (BPADA), 4,4′-(hexafluoroisopropylidene)diphthalic anhydride, 4,4′-oxydiphthalic anhydride (ODPA), bis(3,4-dicarboxyphenyl ) sulfone dianhydride, bis(3,4-dicarboxyphenyl) sulfoxide dianhydride, thiodiphthalic dianhydride, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride, 2,3,6,7 -anthracenetetracarboxylic dianhydride, 1,2,7,8-phenanthrenetetracarboxylic dianhydride, 9,9-bis(3,4-dicarboxyphenyl)fluorene dianhydride, 9,9-bis[ Aromatic tetracarboxylic dianhydrides such as 4-(3,4'-dicarboxyphenoxy)phenyl]fluorene dianhydride, cyclobutanetetracarboxylic dianhydride, 1,2,3,4-cyclopentanetetracarboxylic acid dianhydride, 2,3,4,5-tetrahydrofurantetracarboxylic dianhydride, 1,2,4,5-cyclohexanetetracarboxylic dianhydride, 3,4-dicarboxy-1-cyclohexylsuccinic dianhydride 3,4-dicarboxy-1,2,3,4-tetrahydro-1-naphthalenesuccinic dianhydride etc. can be exemplified, but are not limited to these. These tetracarboxylic dianhydrides may be used alone or in combination of two or more.
本発明において、テトラカルボン酸二無水物としては、分子量が360以下、更には350以下、特には330以下のものを使用するのが好ましい。分子量が360以下のテトラカルボン酸二無水物としては、ピロメリット酸二無水物(PMDA;分子量218.1)、4,4’-オキシジフタル酸無水物(ODPA;分子量310.2)、3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(BPDA;294.2)、3,3’,4,4’-ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物(BTDA;分子量322.2)等が挙げられる。 In the present invention, it is preferable to use a tetracarboxylic dianhydride having a molecular weight of 360 or less, more preferably 350 or less, particularly 330 or less. Tetracarboxylic dianhydrides having a molecular weight of 360 or less include pyromellitic dianhydride (PMDA; molecular weight 218.1), 4,4′-oxydiphthalic anhydride (ODPA; molecular weight 310.2), 3,3 ',4,4'-biphenyltetracarboxylic dianhydride (BPDA; 294.2), 3,3',4,4'-benzophenonetetracarboxylic dianhydride (BTDA; molecular weight 322.2) and the like. be done.
テトラカルボン酸二無水物の分子量が360よりも大きくなると、得られるポリイミドのN-メチルピロリドンやジメチルアセトアミドに対する溶解性は向上するが、リチウムイオン二次電池の電解液に対する膨潤度が50%よりも大きくなり、リチウムイオン二次電池の電極用バインダーとして用いた場合、サイクル特性が悪化する傾向がある。 When the molecular weight of the tetracarboxylic dianhydride is greater than 360, the solubility of the obtained polyimide in N-methylpyrrolidone and dimethylacetamide is improved, but the degree of swelling in the electrolytic solution of the lithium ion secondary battery is more than 50%. When it is used as an electrode binder for a lithium ion secondary battery, the cycle characteristics tend to deteriorate.
本発明においては、このように分子量が360以下のテトラカルボン酸二無水物をジアミンと反応させることにより、ポリイミドを構成する全てのテトラカルボン酸二無水物成分の分子量が360以下となる構造のポリイミドを合成することができ、高い溶媒可溶性と低い電解液膨潤度を両立することが可能なポリイミドを提供することができる。 In the present invention, by reacting a tetracarboxylic dianhydride having a molecular weight of 360 or less with a diamine, a polyimide having a structure in which all the tetracarboxylic dianhydride components constituting the polyimide have a molecular weight of 360 or less. can be synthesized, and it is possible to provide a polyimide that can achieve both high solvent solubility and low swelling degree in electrolyte solution.
(ジアミン)
本発明で用いるジアミンとしては、パラフェニレンジアミン(PPD)、メタフェニレンジアミン(MPDA)、2,5-ジアミノトルエン、2,6-ジアミノトルエン、4,4‘-ジアミノビフェニル、2,5-ジメチル1,4-フェニレンジアミン(DMPDA)、4,4’-ジアミノビフェニル、3,3’-ジメチル-4,4’-ジアミノビフェニル、3,3’-ジメトキシ-4,4’-ジアミノビフェニル、2,2-ビス(トリフルオロメチル)-4,4’-ジアミノビフェニル、3,3’-ジアミノジフェニルメタン、4,4’-ジアミノジフェニルメタン(MDA)、2,2-ビス-(4-アミノフェニル)プロパン、3,3’-ジアミノジフェニルスルホン(33DDS)、4,4’-ジアミノジフェニルスルホン(44DDS)、3,3’-ジアミノジフェニルスルフィド、4,4’-ジアミノジフェニルスルフィド、3,4-ジアミノジフェニルエーテル(m-DADE)、4,4’-ジアミノジフェニルエーテル(p-DADE)、1,5-ジアミノナフタレン、4,4’-ジアミノジフェニルジエチルシラン、4,4’-ジアミノジフェニルシラン、4,4’-ジアミノジフェニルエチルホスフィンオキシド、1,3-ビス(3-アミノフェノキシ)ベンゼン(APB)、1,3-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン(TPE-R)、1,4-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン、ビス[4-(3-アミノフェノキシ)フェニル]スルホン(BAPSM)、ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]スルホン(BAPS)、2,2-ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]プロパン(BAPP)、3,3-ジアミノ―4,4-ジヒドロキシジフェニルスルホン(ABPS)、ヒドロキシベンジジン(HAB)、2-ビス(3-アミノフェニル)1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロパン、2,2-ビス(4-アミノフェニル)1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロパン、9,9-ビス(4-アミノフェニル)フルオレンなどが例示できるが、これらに限定されない。これらのジアミンは、単独で用いてもよいし、二種類以上を混合して用いてもよい。
(diamine)
Diamines used in the present invention include paraphenylenediamine (PPD), metaphenylenediamine (MPDA), 2,5-diaminotoluene, 2,6-diaminotoluene, 4,4'-diaminobiphenyl, 2,5-dimethyl-1 ,4-phenylenediamine (DMPDA), 4,4′-diaminobiphenyl, 3,3′-dimethyl-4,4′-diaminobiphenyl, 3,3′-dimethoxy-4,4′-diaminobiphenyl, 2,2 -bis(trifluoromethyl)-4,4'-diaminobiphenyl, 3,3'-diaminodiphenylmethane, 4,4'-diaminodiphenylmethane (MDA), 2,2-bis-(4-aminophenyl)propane, 3 , 3′-diaminodiphenyl sulfone (33DDS), 4,4′-diaminodiphenyl sulfone (44DDS), 3,3′-diaminodiphenyl sulfide, 4,4′-diaminodiphenyl sulfide, 3,4-diaminodiphenyl ether (m- DADE), 4,4'-diaminodiphenyl ether (p-DADE), 1,5-diaminonaphthalene, 4,4'-diaminodiphenyldiethylsilane, 4,4'-diaminodiphenylsilane, 4,4'-diaminodiphenylethyl phosphine oxide, 1,3-bis(3-aminophenoxy)benzene (APB), 1,3-bis(4-aminophenoxy)benzene (TPE-R), 1,4-bis(4-aminophenoxy)benzene, bis[4-(3-aminophenoxy)phenyl]sulfone (BAPSM), bis[4-(4-aminophenoxy)phenyl]sulfone (BAPS), 2,2-bis[4-(4-aminophenoxy)phenyl] Propane (BAPP), 3,3-diamino-4,4-dihydroxydiphenylsulfone (ABPS), hydroxybenzidine (HAB), 2-bis(3-aminophenyl)1,1,1,3,3,3-hexa Examples include fluoropropane, 2,2-bis(4-aminophenyl)1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane, 9,9-bis(4-aminophenyl)fluorene, and the like. Not limited. These diamines may be used alone or in combination of two or more.
本発明において、ジアミンとしては、分子量220以下のジアミン成分の割合が、ポリイミドの合成に使用される全てのジアミン成分の少なくとも30モル%以上、更には
40モル%以上、特には50モル%以上となるのが好ましい。
In the present invention, as the diamine, the ratio of diamine components having a molecular weight of 220 or less is at least 30 mol% or more, further 40 mol% or more, and particularly 50 mol% or more of all diamine components used in polyimide synthesis. It is preferable to become
分子量220以下のジアミンとしては、4,4’-ジアミノビフェニル、2,5-ジメチル1,4-フェニレンジアミン(DMPDA;分子量136.19)、ジアミノ安息香酸(分子量152.15)、イソホロンジアミン(分子量170.3)、4,4-ジアミノジフェニルメタン(MDA;分子量198.26)、3,4-ジアミノジフェニルエーテル(3,4-DADE;分子量200.24)、4,4‘-ジアミノジフェニルエーテル(4,4’-DADE;分子量200.24)、3,3‘-ジヒドロキシベンジジン(HAB;分子量216.24)、ビス(4-アミノフェニル)スルフィド(ASD;分子量216.3)等が挙げられる。 Examples of diamines having a molecular weight of 220 or less include 4,4′-diaminobiphenyl, 2,5-dimethyl-1,4-phenylenediamine (DMPDA; molecular weight 136.19), diaminobenzoic acid (molecular weight 152.15), isophoronediamine (molecular weight 170.3), 4,4-diaminodiphenylmethane (MDA; molecular weight 198.26), 3,4-diaminodiphenyl ether (3,4-DADE; molecular weight 200.24), 4,4′-diaminodiphenyl ether (4,4 '-DADE; molecular weight 200.24), 3,3'-dihydroxybenzidine (HAB; molecular weight 216.24), bis(4-aminophenyl) sulfide (ASD; molecular weight 216.3) and the like.
分子量220以下のジアミン成分の割合が30モル%よりも少ない場合には、得られるポリイミドのN-メチルピロリドンやジメチルアセトアミドに対する溶解性は向上するが、リチウムイオン二次電池の電解液に対する膨潤度が50%よりも大きくなり易く、リチウムイオン二次電池の電極用バインダーとして用いた場合にサイクル特性が悪化する傾向がある。 When the ratio of the diamine component having a molecular weight of 220 or less is less than 30 mol%, the solubility of the obtained polyimide in N-methylpyrrolidone or dimethylacetamide is improved, but the degree of swelling in the electrolytic solution of the lithium ion secondary battery is low. It tends to be greater than 50%, and when used as an electrode binder for a lithium ion secondary battery, the cycle characteristics tend to deteriorate.
(溶媒可溶性ポリイミドの好ましい態様)
本発明においては、前述したような分子量が360以下のテトラカルボン酸二無水物と、分子量が220以下のジアミンの割合が全ジアミンの少なくとも30モル%以上となるジアミンとを反応させることが好ましい。これにより、ポリイミドを構成する全てのテトラカルボン酸二無水物成分の分子量が360以下であり、且つ、分子量220以下のジアミン成分の割合が全ジアミン成分の少なくとも30モル%以上となる構造のポリイミドを合成することができ、溶剤に対する溶解性がさらに良好で、且つ、リチウムイオン二次電池の電解液に対する膨潤度がさらに小さいポリイミドを提供することができる。
(Preferred embodiment of solvent-soluble polyimide)
In the present invention, it is preferable to react a tetracarboxylic dianhydride having a molecular weight of 360 or less as described above with a diamine having a molecular weight of 220 or less in a proportion of at least 30 mol % of the total diamine. As a result, a polyimide having a structure in which all the tetracarboxylic dianhydride components constituting the polyimide have a molecular weight of 360 or less, and the ratio of the diamine component having a molecular weight of 220 or less is at least 30 mol% or more of the total diamine components. It is possible to provide a polyimide that can be synthesized, has even better solubility in a solvent, and has a smaller degree of swelling in the electrolyte solution of a lithium ion secondary battery.
(イミド基濃度)
本発明において、ポリイミドの合成に用いるカルボン酸二無水物やジアミンの分子量を特定範囲にすることは、合成するポリイミドのイミド基濃度を制御することを意味する。
本発明において、ポリイミド樹脂におけるイミド基濃度とは、下記式(1)により計算される値である。
イミド基濃度=[(イミド基部分の分子量140)/(ポリイミドの分子量)]×100 (1)
(Imide group concentration)
In the present invention, setting the molecular weight of the carboxylic acid dianhydride or diamine used in synthesizing the polyimide to a specific range means controlling the imide group concentration of the polyimide to be synthesized.
In the present invention, the imide group concentration in the polyimide resin is a value calculated by the following formula (1).
Imide group concentration = [(molecular weight of imide group portion 140) / (molecular weight of polyimide)] x 100 (1)
カルボン酸二無水物とジアミンの反応でイミド環が生成する際、1モルの水が取れるので、一組のカルボン酸二無水物とジアミンの反応で2つのイミド環が生成することから、上記式(1)は下記式(2)で示すことができる。
[(イミド基部分の分子量140)/(テトラカルボン酸二無水物の分子量+ジアミンの分子量-2モルの水の分子量)]×100 ・・・(2)
When an imide ring is produced by the reaction of a carboxylic acid dianhydride and a diamine, 1 mol of water can be removed, so two imide rings are produced by the reaction of a pair of carboxylic acid dianhydride and a diamine, so the above formula (1) can be represented by the following formula (2).
[(molecular weight of imide group portion 140)/(molecular weight of tetracarboxylic dianhydride+molecular weight of diamine-molecular weight of 2 moles of water)]×100 (2)
複数のテトラカルボン酸二無水物やジアミンを用いる場合には、上記式(2)におけるテトラカルボン酸二無水物およびジアミンの分子量としては、各々の成分の使用量から算出される平均分子量を用いる。ここで、テトラカルボン酸二無水物の平均分子量は、テトラカルボン酸二無水物の使用量の総量を1とした場合に、各々の成分の使用比率にその成分の分子量を掛けたものの総和として求めることができる。また、ジアミンの平均分子量も、同様に、ジアミンの使用量の総量を1とした場合に、各々の成分の使用比率にその成分の分子量を掛けたものの総和として求めることができる。 When multiple tetracarboxylic dianhydrides and diamines are used, the average molecular weight calculated from the amount of each component used is used as the molecular weight of the tetracarboxylic dianhydrides and diamines in the above formula (2). Here, the average molecular weight of the tetracarboxylic dianhydride is obtained by multiplying the usage ratio of each component by the molecular weight of the component when the total amount of the tetracarboxylic dianhydride used is 1. be able to. Similarly, the average molecular weight of diamine can be obtained by multiplying the ratio of each component used by the molecular weight of the component, when the total amount of diamine used is 1.
上記式(2)から分かるように、低分子量のテトラカルボン酸二無水物や低分子量のジアミンを用いれば、得られるポリイミドのイミド基濃度は高くなる。前述の通り、特定分子量以下のテトラカルボン酸二無水物と特定分子量以下のジアミンを特定量含有させてポリイミドワニスを合成することにより、前記溶剤には溶解し、且つ、電解液膨潤度の低いポリイミドを得ることができる。したがって、溶剤に対する溶解性が良好で、且つ、電解液膨潤度の低いポリイミドを得ることができるという点で、ポリイミドのイミド基濃度の下限値は、20%以上、更には25%以上、特には28%以上が好ましい。 As can be seen from the above formula (2), the use of a low-molecular-weight tetracarboxylic dianhydride or a low-molecular-weight diamine increases the imide group concentration of the resulting polyimide. As described above, by synthesizing a polyimide varnish by containing a specific amount of a tetracarboxylic dianhydride having a specific molecular weight or less and a diamine having a specific molecular weight or less, a polyimide that dissolves in the solvent and has a low degree of electrolyte swelling can be obtained. Therefore, the lower limit of the imide group concentration of the polyimide is 20% or more, further 25% or more, particularly 25% or more, in terms of being able to obtain a polyimide having good solubility in a solvent and a low degree of swelling of the electrolyte. 28% or more is preferred.
イミド基濃度の高いポリイミドは、リチウムイオン二次電池に用いた場合に不可逆容量が大きくなる。したがって、不可逆容量を考慮すれば、リチウムイオン二次電池の電極用バインダーとして用いるポリイミドのイミド基濃度は、33%以下、さらには32.5%以下、特には32%以下が好ましい。ポリイミドのイミド基濃度が33%よりも大きくなると、リチウムイオン二次電池の不可逆容量が大きくなる傾向がある。
以上の通り、溶媒可溶性ポリイミドのイミド基濃度は、電解液膨潤度と不可逆容量を考慮して最適な範囲を設定することができる。
A polyimide having a high imide group concentration has a large irreversible capacity when used in a lithium ion secondary battery. Therefore, considering the irreversible capacity, the imide group concentration of the polyimide used as the electrode binder for the lithium ion secondary battery is preferably 33% or less, more preferably 32.5% or less, particularly 32% or less. When the imide group concentration of the polyimide exceeds 33%, the irreversible capacity of the lithium ion secondary battery tends to increase.
As described above, the imide group concentration of the solvent-soluble polyimide can be set to an optimum range in consideration of the degree of swelling of the electrolyte and the irreversible capacity.
なお、イミド基濃度が最適な範囲となる溶媒可溶性ワニスを得るためには、分子量の小さいテトラカルボン酸二無水物と分子量の小さいジアミンを異なるブロック構造に導入することができるという点で、ブロック共重合法を用いることが好ましい。ブロック共重合法を用いることにより、容易に溶剤には溶解し、且つ、電解液膨潤度の低いポリイミドを得ることができる。 In addition, in order to obtain a solvent-soluble varnish in which the imide group concentration is in the optimum range, it is possible to introduce a tetracarboxylic dianhydride with a small molecular weight and a diamine with a small molecular weight into different block structures. It is preferred to use a polymerization method. By using the block copolymerization method, it is possible to obtain a polyimide that is easily dissolved in a solvent and has a low degree of swelling in an electrolytic solution.
一方、分子量の小さいテトラカルボン酸二無水物と分子量の小さいジアミンを異なるブロック構造に導入しないで、ランダム重合で合成を行うと、合成途中で反応液が濁ったり、ゲル化し、溶媒可溶性ポリイミドを得ることは難しい。 On the other hand, if synthesis is carried out by random polymerization without introducing a tetracarboxylic dianhydride with a small molecular weight and a diamine with a small molecular weight into different block structures, the reaction solution becomes cloudy or gels during synthesis, resulting in a solvent-soluble polyimide. It is difficult.
(ブロック共重合体)
更に、本発明の溶媒可溶性ポリイミドはブロック共重合体であることが好ましい。ブロック共重合体の場合には、前記溶剤に対する高い溶媒可溶性と50重量%以下の電解液膨潤度を両立するポリイミドの範囲を拡大することが可能である。
(Block copolymer)
Furthermore, the solvent-soluble polyimide of the present invention is preferably a block copolymer. In the case of block copolymers, it is possible to expand the range of polyimides that achieve both high solvent solubility in the above solvents and a degree of swelling of electrolyte solution of 50% by weight or less.
本来、ポリイミドは、N-メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドのような溶剤に溶解しにくく、ランダム重合では、上記溶剤に対する溶解性を確保することが難しい。しかし、ブロック共重合体であれば、溶解性の確保が難しい組合せのテトラカルボン酸二無水物とジアミンを、別々のブロック構造に導入することが可能なため、溶剤に対する溶解性を確保できるものと考えられる。 Polyimide is inherently difficult to dissolve in solvents such as N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylformamide, and dimethylsulfoxide, and it is difficult to ensure solubility in these solvents in random polymerization. However, if it is a block copolymer, it is possible to introduce a combination of tetracarboxylic dianhydride and diamine, which is difficult to ensure solubility, into separate block structures, so it is possible to ensure solubility in solvents. Conceivable.
また、本発明の溶媒可溶性ポリイミドがブロック共重合体である場合には、ポリイミドを乾燥して得られる被膜において、別々のブロック構造に導入されたテトラカルボン酸二無水物とジアミンの分子間相互作用の影響が大きくなるため、小さい電解液膨潤度を達成できると考えられる。
ブロック共重合ポリイミドの合成方法は、WO2006/057036に記載の方法を参考にすることができる。
Further, when the solvent-soluble polyimide of the present invention is a block copolymer, the intermolecular interaction between the tetracarboxylic dianhydride and the diamine introduced into separate block structures in the film obtained by drying the polyimide It is considered that a small degree of swelling of the electrolyte can be achieved because the influence of
The method described in WO2006/057036 can be referred to for the method for synthesizing the block copolymer polyimide.
本発明において、可溶性ポリイミドの重量平均分子量は10万以上、さらには13万以上であることが好ましい。重量平均分子量が10万よりも小さい場合には、ポリイミドを用いて作製される電極スラリー組成物の安定性が悪くなる傾向がある。一方、重量平均分子量の上限は製造可能な限り特に制限はないが、分子量が大き過ぎるとリチウムイオン電池の抵抗が大きくなる傾向があるため、バインダーとして使用する量を少なくする必要がある。 In the present invention, the weight average molecular weight of the soluble polyimide is preferably 100,000 or more, more preferably 130,000 or more. If the weight average molecular weight is less than 100,000, the stability of the electrode slurry composition produced using polyimide tends to be poor. On the other hand, the upper limit of the weight average molecular weight is not particularly limited as long as it can be produced, but if the molecular weight is too large, the resistance of the lithium ion battery tends to increase, so it is necessary to reduce the amount used as a binder.
本発明における溶媒可溶性ポリイミドは、8%NMP溶液のB型粘度が2000cps以上であることが好ましい。B型粘度が2000cpsよりも低い場合には、電極スラリーの安定性が悪化する傾向がある。8%NMP溶液のB型粘度は、さらに好ましくは3000cps以上、特に好ましくは5000cps以上である。 The solvent-soluble polyimide in the present invention preferably has a B-type viscosity of 2000 cps or more in an 8% NMP solution. If the B-type viscosity is lower than 2000 cps, the stability of the electrode slurry tends to deteriorate. The B-type viscosity of the 8% NMP solution is more preferably 3000 cps or more, particularly preferably 5000 cps or more.
<リチウムイオン二次電池用バインダー>
本発明における溶媒可溶性ポリイミドは、リチウムイオン電池の正極用バインダーとしても負極用バインダーとしても使用することができる。また、セラミックコーティング用バインダーにおいても、電解液に対する膨潤度は重要であるため、本発明の溶媒可溶性ポリイミドは、セラミックコーティング用バインダーとしても好適に使用することができる。
<Binder for Lithium Ion Secondary Battery>
The solvent-soluble polyimide in the present invention can be used as both a positive electrode binder and a negative electrode binder for lithium ion batteries. In addition, since the degree of swelling with respect to the electrolytic solution is also important in the binder for ceramic coating, the solvent-soluble polyimide of the present invention can be suitably used as a binder for ceramic coating.
(バインダーの使用量)
本発明の溶媒可溶性ポリイミドをリチウムイオン二次電池の正極用バインダーとして使用する場合には、溶媒可溶性ポリイミドは、電極活物質100質量部当たり、0.5質量部~10質量部、好ましくは1質量部~5質量部、更に好ましくは1.5質量部~3質量部を使用することができる。本発明の溶媒可溶性ポリイミドの使用量が0.5質量部より少ない場合には、活物質同士の接着性や電極層と集電体の接着性が低下し、ピール強度が低下する傾向がある。
(Amount of binder used)
When the solvent-soluble polyimide of the present invention is used as a positive electrode binder for a lithium ion secondary battery, the solvent-soluble polyimide is 0.5 parts by mass to 10 parts by mass, preferably 1 mass, per 100 parts by mass of the electrode active material. parts to 5 parts by weight, more preferably 1.5 parts to 3 parts by weight. When the amount of the solvent-soluble polyimide of the present invention used is less than 0.5 parts by mass, the adhesiveness between active materials and the adhesiveness between the electrode layer and the current collector tend to decrease, resulting in a decrease in peel strength.
本発明の溶媒可溶性ポリイミドをリチウムイオン二次電池の負極用バインダーとして使用し、炭素材料を電極活物質として使用する場合には、溶媒可溶性ポリイミドは、電極活物質100質量部当たり、0.5質量部~10質量部、好ましくは、1質量部~5質量部、更に好ましくは1.5質量部~3質量部を使用することができる。本発明の溶媒可溶性ポリイミドの使用量が0.5質量部より少ない場合には、活物質同士の接着性や電極層と集電体の接着性が低下し、ピール強度が低下する傾向がある。 When the solvent-soluble polyimide of the present invention is used as a negative electrode binder for a lithium ion secondary battery and a carbon material is used as an electrode active material, the solvent-soluble polyimide is 0.5 mass parts per 100 parts by mass of the electrode active material. parts to 10 parts by weight, preferably 1 part to 5 parts by weight, more preferably 1.5 parts to 3 parts by weight. When the amount of the solvent-soluble polyimide of the present invention used is less than 0.5 parts by mass, the adhesiveness between active materials and the adhesiveness between the electrode layer and the current collector tend to decrease, resulting in a decrease in peel strength.
またシリコン材料を単独で、または炭素材料と併用して負極活物質として使用する場合には、溶媒可溶性ポリイミドは、電極活物質100質量部当たり、2質量部~20質量部、好ましくは1質量部~10質量部を使用することができる。なお、バインダーとしての溶媒可溶性ポリイミドの使用量は、シリコン材料の使用比率により異なり、適宜決定される。 When a silicon material is used alone or in combination with a carbon material as a negative electrode active material, the solvent-soluble polyimide is 2 parts by mass to 20 parts by mass, preferably 1 part by mass, per 100 parts by mass of the electrode active material. ~10 parts by weight can be used. The amount of the solvent-soluble polyimide used as the binder varies depending on the ratio of the silicon material used, and is appropriately determined.
<リチウムイオン二次電池用電極及びその製造方法>
リチウムイオン二次電池用電極に使用する材料について説明する。
(正極活物質)
リチウムイオン二次電池用の正極活物質としては、特に限定されないが、リチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、リチウム含有ニッケル酸化物(LiNiO2)、Co-Ni-Mnのリチウム含有複合酸化物(Li(CoMnNi)O2)、Ni-Mn-Alのリチウム含有複合酸化物、Ni-Co-Alのリチウム含有複合酸化物、オリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、オリビン型リン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)、Li2MnO3-LiNiO2系固溶体、Li1+xMn2-xO4(0<X<2)で表されるリチウム過剰のスピネル化合物、Li[Ni0.17Li0.2Co0.07Mn0.56]O2、LiNi0.5Mn1.5O4等の公知の正極活物質が挙げられる。正極活物質の配合量や粒径は、特に限定されず、公知の範囲のものを使用できる。
<Electrode for lithium ion secondary battery and method for producing the same>
Materials used for lithium ion secondary battery electrodes will be described.
(Positive electrode active material)
Positive electrode active materials for lithium ion secondary batteries are not particularly limited, but include lithium-containing cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), lithium-containing nickel oxide (LiNiO 2 ), Co— Ni—Mn lithium-containing composite oxide (Li(CoMnNi)O 2 ), Ni—Mn—Al lithium-containing composite oxide, Ni—Co—Al lithium-containing composite oxide, olivine-type lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), olivine-type lithium manganese phosphate (LiMnPO 4 ), Li 2 MnO 3 —LiNiO 2 solid solution, lithium-excess spinel compound represented by Li 1+x Mn 2-x O 4 (0<X<2), Li Known positive electrode active materials such as [Ni 0.17 Li 0.2 Co 0.07 Mn 0.56 ]O 2 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 can be used. The compounding amount and particle size of the positive electrode active material are not particularly limited, and those within a known range can be used.
(負極活物質)
リチウムイオン二次電池用の極活物質としては、特に限定されないが、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、メソフェーズピッチ系炭素繊維、熱分解気相成長炭素繊維、フェノール樹脂焼成体、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、擬等方性炭素、フルフリルアルコール樹脂焼成体(PFA)、ハードカーボン、天然黒鉛、人造黒鉛などの炭素系負極活物質;ケイ素(Si)、ケイ素を含む合金、SiO、SiOx、Si含有材料を導電性カーボンで被覆または複合化してなるSi含有材料と導電性カーボンとの複合化物などの非炭素系負極活物質などが挙げられる。負極活物質の配合量や粒径は、特に限定されず、公知の範囲のものを使用できる。
(Negative electrode active material)
The active material for lithium ion secondary batteries is not particularly limited, but coke, mesocarbon microbeads (MCMB), mesophase pitch-based carbon fiber, pyrolytic vapor growth carbon fiber, phenolic resin sintered body, polyacrylonitrile-based Carbon-based negative electrode active materials such as carbon fiber, pseudoisotropic carbon, furfuryl alcohol resin calcined body (PFA), hard carbon, natural graphite, artificial graphite; silicon (Si), alloys containing silicon, SiO, SiOx, Si A non-carbon negative electrode active material such as a composite of a Si-containing material and conductive carbon, which is obtained by covering or combining a containing material with conductive carbon, and the like. The amount and particle size of the negative electrode active material are not particularly limited, and those within a known range can be used.
(導電材)
電極活物質をバインダーを用いて分散させて得られる電極用のスラリー組成物は、導電材を含有していてもよい。導電材は、電極活物質同士の電気的接触を確保するためのものである。導電材としては、カーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラックなど)、グラファイト、炭素繊維、カーボンフレーク、炭素超短繊維(例えば、カーボンナノチューブや気相成長炭素繊維など)等の導電性炭素材料;各種金属のファイバー、箔などを用いることができる。中でも、導電材としては、カーボンブラックが好ましく、アセチレンブラックがより好ましい。これらは一種類を単独で、または、2種以上を組み合わせて用いることができる。
(Conductive material)
The electrode slurry composition obtained by dispersing the electrode active material using a binder may contain a conductive material. The conductive material is for ensuring electrical contact between the electrode active materials. Conductive materials include carbon black (e.g., acetylene black, Ketjenblack (registered trademark), furnace black, etc.), graphite, carbon fibers, carbon flakes, and ultrashort carbon fibers (e.g., carbon nanotubes, vapor-grown carbon fibers, etc.). ), and other conductive carbon materials; fibers and foils of various metals can be used. Among them, as the conductive material, carbon black is preferable, and acetylene black is more preferable. These can be used singly or in combination of two or more.
スラリー組成物中の導電材の配合量は、特に限定されないが、電極活物質100質量部当たり1質量部以上であることが好ましく、また、10質量部以下であることが好ましい。スラリー組成物が導電材を上記範囲内の量で含有することにより、スラリー組成物を用いて作製される電極の合材層中で良好な導電パスが形成され、特にスラリー組成物を正極用として用いた際に、リチウムイオン二次電池のレート特性などの電池特性を向上させることができる。 The amount of the conductive material to be blended in the slurry composition is not particularly limited, but is preferably 1 part by mass or more and preferably 10 parts by mass or less per 100 parts by mass of the electrode active material. When the slurry composition contains the conductive material in an amount within the above range, a good conductive path is formed in the composite material layer of the electrode produced using the slurry composition, and in particular the slurry composition is used as a positive electrode. When used, the battery characteristics such as the rate characteristics of the lithium ion secondary battery can be improved.
スラリーセラミックコーティング用のスラリー組成物の場合には、導電材は、アルミナのような無機フィラー100質量部に対して2質量部~10質量部使用される。導電材の使用量が2質量部より少ない場合には、セパレータの耐熱性が低下する傾向がある。また導電材の使用量が10質量部より多い場合には、セラミックスラリーを塗布した耐熱層を有する耐熱セパレータの透気度が小さくなり、電池に用いた場合、電池の抵抗が大きくなる傾向がある。 In the case of a slurry composition for slurry ceramic coating, the conductive material is used in an amount of 2-10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the inorganic filler such as alumina. If the amount of the conductive material used is less than 2 parts by mass, the heat resistance of the separator tends to decrease. Further, when the amount of the conductive material used is more than 10 parts by mass, the air permeability of the heat-resistant separator having a heat-resistant layer coated with a ceramic slurry decreases, and when used in a battery, the resistance of the battery tends to increase. .
(電極用スラリー組成物)
電極用スラリー組成物(電極用樹脂組成物)は、上記各成分を本発明の溶媒可溶性ポリイミドバインダーとともに、N-メチルピロリドン(NMP)などの分散媒中に分散させることにより調製することができる。具体的には、ボールミル、サンドミル、ビーズミル、顔料分散機、らい潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサー、フィルミックスなどの混合機を用いて上記各成分と溶媒可溶性ポリイミドバインダーと分散媒とを混合することにより、スラリー組成物を調製することができる。
(Slurry composition for electrode)
The electrode slurry composition (electrode resin composition) can be prepared by dispersing each of the above components together with the solvent-soluble polyimide binder of the present invention in a dispersion medium such as N-methylpyrrolidone (NMP). Specifically, using mixers such as ball mills, sand mills, bead mills, pigment dispersers, crushing machines, ultrasonic dispersers, homogenizers, planetary mixers, and Filmix, each of the above components, a solvent-soluble polyimide binder and a dispersion medium are mixed. A slurry composition can be prepared by mixing.
得られた電極用スラリー組成物の固形分濃度は、40質量%以上80質量%以下であるのが好ましい。電極用スラリー組成物の固形分濃度が上記範囲内であれば、電極用スラリー組成物から分散媒を除去して電極合材層を作製する際の乾燥効率を高めることができる。また、電極用スラリー組成物は溶媒可溶性ポリイミドを含んでいるため、固形分濃度が比較的高い場合であっても、優れた塗工性を発揮する。 The solid content concentration of the obtained electrode slurry composition is preferably 40% by mass or more and 80% by mass or less. If the solid content concentration of the electrode slurry composition is within the above range, the drying efficiency can be increased when the electrode mixture layer is produced by removing the dispersion medium from the electrode slurry composition. In addition, since the electrode slurry composition contains solvent-soluble polyimide, it exhibits excellent coatability even when the solid content concentration is relatively high.
電極用スラリー組成物の粘度は、3000mPa・s以上8000mPa・s以下であることが好ましい。電極用スラリー組成物の粘度が上記範囲内であれば、塗工性が良好となり、スラリー組成物調製時のエアー巻き込みにより形成されるホールや塗りムラを十分に抑制し、また均一な厚みを有する電極合材層を形成することができる。なお、リチウムイオン二次電池の電極用スラリー組成物の「粘度」は、単一円筒形回転粘度計(B型粘度計)を用いて測定される粘度であり、具体的には下記実施例に記載の方法を用いて測定することができる。 The viscosity of the electrode slurry composition is preferably 3000 mPa·s or more and 8000 mPa·s or less. If the viscosity of the electrode slurry composition is within the above range, the coatability will be good, holes formed by air entrainment during preparation of the slurry composition and uneven coating will be sufficiently suppressed, and the slurry composition will have a uniform thickness. An electrode mixture layer can be formed. The "viscosity" of the slurry composition for the electrode of the lithium ion secondary battery is the viscosity measured using a single cylindrical rotational viscometer (B-type viscometer). It can be measured using the method described.
(リチウムイオン二次電池用電極)
本発明のリチウムイオン二次電池用電極は、集電体と、集電体上に形成された電極合材層とを備える。電極合材層は上記リチウムイオン二次電池の電極用スラリー組成物を用いて形成され、具体的には、上記電極用スラリー組成物を集電体上に塗布し乾燥することにより形成することができる。即ち、電極合材層は、上記電極用スラリー組成物の乾燥物よりなり、通常、本発明の溶媒可溶性ポリイミドと上記電極活物質とを含有し、任意に、上記導電材を含有する。電極合材層は、その他の成分として、本発明の溶剤可溶性ポリイミド以外のバインダーとしてPVDF、エポキシ樹脂、合成ゴムなどのポリマーや、消泡剤、レベリング剤、難燃剤等を必要に応じて含有していてもよい。
(Electrodes for lithium-ion secondary batteries)
A lithium ion secondary battery electrode of the present invention includes a current collector and an electrode mixture layer formed on the current collector. The electrode mixture layer is formed using the slurry composition for the electrode of the lithium ion secondary battery, and specifically, it can be formed by applying the slurry composition for the electrode onto a current collector and drying it. can. That is, the electrode mixture layer is made of the dried electrode slurry composition, and usually contains the solvent-soluble polyimide of the present invention and the electrode active material, and optionally the conductive material. In addition to the solvent-soluble polyimide of the present invention, the electrode mixture layer may optionally contain other components such as polymers such as PVDF, epoxy resins, and synthetic rubbers as binders, antifoaming agents, leveling agents, and flame retardants. may be
電極合材層中に含まれる各成分の好適な存在比は、スラリー組成物中の各成分の好適な存在比と同じである。
本発明のリチウムイオン二次電池用電極は、本発明のスラリー組成物を使用して製造されるため、ピール強度に優れる。そして本発明の電極を使用することにより、サイクル特性等の電池特性に優れたリチウムイオン二次電池を得ることができる。
A suitable abundance ratio of each component contained in the electrode mixture layer is the same as a suitable abundance ratio of each component in the slurry composition.
The lithium-ion secondary battery electrode of the present invention is produced using the slurry composition of the present invention, and therefore has excellent peel strength. By using the electrode of the present invention, a lithium ion secondary battery having excellent battery characteristics such as cycle characteristics can be obtained.
(リチウムイオン二次電池用電極の製造方法)
本発明のリチウムイオン二次電池用電極は、例えば、上述したスラリー組成物を集電体上に塗布する工程(塗布工程)と、集電体上に塗布されたスラリー組成物を乾燥して集電体上に電極合材層を形成する工程(乾燥工程)とを経て製造される。
(Method for producing electrode for lithium ion secondary battery)
The electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention includes, for example, a step of applying the above-described slurry composition on a current collector (application step), and drying and collecting the slurry composition applied on the current collector. It is manufactured through a process (drying process) of forming an electrode mixture layer on an electric body.
[塗布工程]
電極用スラリー組成物を集電体上に塗布する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができる。具体的には、塗布方法としては、ドクターブレード法、ディップ法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法などを用いることができる。この際、スラリー組成物を集電体の片面だけに塗布してもよいし、両面に塗布してもよい。スラリー組成物の塗布後乾燥前の集電体上のスラリー膜の厚みは、乾燥して得られる電極合材層の厚みに応じて適宜に設定しうる。
[Coating process]
The method for applying the electrode slurry composition onto the current collector is not particularly limited, and a known method can be used. Specifically, as a coating method, a doctor blade method, a dipping method, a reverse roll method, a direct roll method, a gravure method, an extrusion method, or the like can be used. At this time, the slurry composition may be applied to only one side of the current collector, or may be applied to both sides. The thickness of the slurry film on the current collector after application of the slurry composition and before drying can be appropriately set according to the thickness of the electrode mixture layer obtained by drying.
ここで、スラリー組成物を塗布する集電体としては、電気導電性を有し、かつ、電気化学的に耐久性のある材料が用いられる。具体的には、集電体としては、例えば、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、タンタル、金、白金などから選択される集電体を用い得る。なお、前記の材料は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。 Here, as the current collector to which the slurry composition is applied, a material having electrical conductivity and electrochemical durability is used. Specifically, as the current collector, for example, a current collector selected from iron, copper, aluminum, nickel, stainless steel, titanium, tantalum, gold, platinum, and the like can be used. In addition, one type of the above materials may be used alone, or two or more types may be used in combination at an arbitrary ratio.
[乾燥工程]
集電体上のスラリー組成物を乾燥する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができ、例えば温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、赤外線や電子線などの照射による乾燥法が挙げられる。このように集電体上のスラリー組成物を乾燥することにより、集電体上に電極合材層を形成し、集電体と電極合材層とを備えるリチウムイオン二次電池用電極を得ることができる。
なお、乾燥工程の後、金型プレスまたはロールプレスなどを用い、電極合材層に加圧処理を施してもよい。加圧処理により、電極合材層と集電体との密着性を向上させることができるとともに、電極合材層の密度を高めることができる。
[Drying process]
The method for drying the slurry composition on the current collector is not particularly limited, and known methods can be used. drying method. By drying the slurry composition on the current collector in this way, an electrode mixture layer is formed on the current collector to obtain an electrode for a lithium ion secondary battery comprising the current collector and the electrode mixture layer. be able to.
After the drying step, the electrode mixture layer may be pressurized using a mold press, a roll press, or the like. The pressure treatment can improve the adhesion between the electrode mixture layer and the current collector, and can increase the density of the electrode mixture layer.
<リチウムイオン二次電池及びその製造方法>
本発明のリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、電解液と、セパレータとを備え、正極および負極の少なくとも一方に本発明のリチウムイオン二次電池用電極を用いたものである。そして、本発明のリチウムイオン二次電池は、本発明のリチウムイオン二次電池用電極を備えているため、サイクル特性等の電池特性に優れる。
<Lithium ion secondary battery and its manufacturing method>
The lithium ion secondary battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, an electrolytic solution, and a separator, and uses the lithium ion secondary battery electrode of the present invention for at least one of the positive electrode and the negative electrode. And since the lithium ion secondary battery of this invention is equipped with the electrode for lithium ion secondary batteries of this invention, it is excellent in battery characteristics, such as cycling characteristics.
(電極)
本発明のリチウムイオン二次電池には、上述した本発明のリチウムイオン二次電池用電極以外の電極を使用することもできる。本発明の電極以外の電極としては、特に限定されないが、リチウムイオン二次電池の製造に用いられている公知の電極を用いることができる。具体的には、公知の製造方法を用いて集電体上に電極合材層を形成してなる電極を用いることができる。
(electrode)
Electrodes other than the lithium ion secondary battery electrode of the present invention described above can also be used in the lithium ion secondary battery of the present invention. Electrodes other than the electrode of the present invention are not particularly limited, but known electrodes used in the production of lithium ion secondary batteries can be used. Specifically, an electrode obtained by forming an electrode mixture layer on a current collector using a known manufacturing method can be used.
(電解液)
電解液としては、通常、有機溶媒に支持電解質を溶解した有機電解液が用いられる。リチウムイオン二次電池の支持電解質としては、例えば、リチウム塩が用いられる。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6、LiAlCl4、LiClO4、CF3SO3Li、C4F9SO3Li、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)NLiなどが挙げられる。なかでも、溶媒に溶けやすく高い解離度を示すという観点から、LiPF6、LiClO4、CF3SO3Liが好ましく、LiPF6が特に好ましい。電解質は1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。通常は、解離度の高い支持電解質を用いるほどリチウムイオン伝導度が高くなる傾向があるので、支持電解質の種類によりリチウムイオン伝導度を調節することができる。
(Electrolyte)
As the electrolytic solution, an organic electrolytic solution in which a supporting electrolyte is dissolved in an organic solvent is usually used. Lithium salts, for example, are used as supporting electrolytes for lithium ion secondary batteries. Examples of lithium salts include LiPF 6 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , LiClO 4 , CF 3 SO 3 Li, C 4 F 9 SO 3 Li, CF 3 COOLi, (CF 3 CO) 2 NLi. , (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, (C 2 F 5 SO 2 ) NLi and the like. Among these, LiPF 6 , LiClO 4 and CF 3 SO 3 Li are preferred, and LiPF 6 is particularly preferred, from the viewpoint of being easily soluble in a solvent and exhibiting a high degree of dissociation. One type of electrolyte may be used alone, or two or more types may be used in combination at an arbitrary ratio. Generally, lithium ion conductivity tends to increase as a supporting electrolyte with a higher degree of dissociation is used, so the lithium ion conductivity can be adjusted depending on the type of supporting electrolyte.
電解液に使用する有機溶媒としては、支持電解質を溶解できるものであれば特に限定されないが、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等のカーボネート類;γ-ブチロラクトン、ギ酸メチル等のエステル類;1,2-ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等のエーテル類;スルホラン、ジメチルスルホキシド等の含硫黄化合物類などが好適に用いられる。またこれらの溶媒の混合液を用いてもよい。中でも、誘電率が高く、安定な電位領域が広いという観点から、カーボネート類を用いることが好ましい。 The organic solvent used in the electrolytic solution is not particularly limited as long as it can dissolve the supporting electrolyte. Examples include dimethyl carbonate (DMC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), propylene carbonate (PC), carbonates such as butylene carbonate (BC) and ethyl methyl carbonate (EMC); esters such as γ-butyrolactone and methyl formate; ethers such as 1,2-dimethoxyethane and tetrahydrofuran; sulfur-containing compounds such as sulfolane and dimethylsulfoxide and the like are preferably used. A mixture of these solvents may also be used. Among them, it is preferable to use carbonates from the viewpoint of high dielectric constant and wide stable potential region.
電解液中の電解質の濃度は適宜調整することができ、例えば0.5~15質量%とすることが好ましく、2~13質量%とすることがより好ましく、5~10質量%とすることが更に好ましい。また、電解液には、公知の添加剤、例えばフルオロエチレンカーボネートやエチルメチルスルホンなどを添加することができる。 The concentration of the electrolyte in the electrolytic solution can be adjusted as appropriate, and is preferably 0.5 to 15% by mass, more preferably 2 to 13% by mass, and more preferably 5 to 10% by mass. More preferred. In addition, known additives such as fluoroethylene carbonate and ethyl methyl sulfone can be added to the electrolytic solution.
(セパレータ)
セパレータとしては、特に限定されないが、ポリオレフィン系(ポリエチレン、ポリプロピレン)、ポリアミド、ポリイミド等の樹脂からなる微多孔膜が好ましい。また、微多孔膜の片面または両面に、セパレータの耐熱性を高めるためにセラミックコーティング層を設けた耐熱セパレータを用いることもできる。本発明の溶媒可溶性ポリイミドは、このセラミックコーティング層に使用されるバインダーとしても好適に使用することができる。
(separator)
The separator is not particularly limited, but a microporous film made of resin such as polyolefin (polyethylene, polypropylene), polyamide, polyimide, or the like is preferable. A heat-resistant separator having a ceramic coating layer provided on one or both sides of the microporous membrane to increase the heat resistance of the separator can also be used. The solvent-soluble polyimide of the present invention can also be suitably used as a binder for this ceramic coating layer.
(リチウムイオン二次電池の製造方法)
本発明のリチウムイオン二次電池は、例えば、正極と、負極とを、セパレータを介して重ね合わせたものを、必要に応じて電池形状に応じて巻くか、あるいは、正極と、負極とを、セパレータを挟んで複数枚積層するなどして電池容器に入れ、電池容器に電解液を注入して封口することにより製造することができる。リチウムイオン二次電池の内部の圧力上昇、過充放電等の発生を防止するために、必要に応じて、ヒューズ、PTC素子等の過電流防止素子、エキスパンドメタル、リード板などを設けてもよい。リチウムイオン二次電池の形状は、例えば、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角形、扁平型など、何れであってもよい。
(Manufacturing method of lithium ion secondary battery)
In the lithium ion secondary battery of the present invention, for example, a positive electrode and a negative electrode are superimposed with a separator interposed therebetween, and if necessary, wound according to the shape of the battery, or the positive electrode and the negative electrode are It can be manufactured by laminating a plurality of sheets with a separator sandwiched therebetween, putting the battery container into a battery container, injecting an electrolytic solution into the battery container, and sealing the battery container. In order to prevent the internal pressure rise of the lithium ion secondary battery and the occurrence of overcharge/discharge, etc., a fuse, an overcurrent prevention element such as a PTC element, an expanded metal, a lead plate, etc. may be provided as necessary. . The shape of the lithium-ion secondary battery may be, for example, coin-shaped, button-shaped, sheet-shaped, cylindrical, rectangular, or flat.
以下、本発明について実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、以下の説明において、量を表す「%」及び「部」は、特に断らない限り質量基準である。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below based on examples, but the present invention is not limited to these examples. In the following description, "%" and "parts" representing amounts are based on mass unless otherwise specified.
下記の合成例及び合成比較例において使用した原料化合物の略語とその化合物名を以下に記載する。
s-BPDA:3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(分子量:294.2)
ODPA:4,4’-オキシジフタル酸二無水物(分子量:310.2)
PMDA:ピロメリット酸無水物(分子量:218.1)
BTDA:ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物(分子量:322.2)
DMPDA:2,5-ジメチル-1,4-フェニレンジアミン(分子量:136.19)
DETDA:ジエチルメチルベンゼンジアミン(分子量:178.28)
m-DADE:3,4-ジアミノジフェニルエーテル(分子量:200.24)
TPE-R:1,3-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン(分子量:292.33)
ABPS:3,3-ジアミノ-4,4-ジヒドロキシジフェニルスルホン(分子量:280.33)
p-DADE:ジアミノジフェニルエーテル(分子量:200.24)
APB:1,3-ビス(3-アミノフェノキシ)ベンゼン(分子量:292.33)
BAPS: ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]スルホン(分子量:432.49)
The abbreviations and compound names of the starting compounds used in the Synthesis Examples and Comparative Synthesis Examples below are described below.
s-BPDA: 3,3',4,4'-biphenyltetracarboxylic dianhydride (molecular weight: 294.2)
ODPA: 4,4'-oxydiphthalic dianhydride (molecular weight: 310.2)
PMDA: pyromellitic anhydride (molecular weight: 218.1)
BTDA: benzophenonetetracarboxylic dianhydride (molecular weight: 322.2)
DMPDA: 2,5-dimethyl-1,4-phenylenediamine (molecular weight: 136.19)
DETDA: diethylmethylbenzenediamine (molecular weight: 178.28)
m-DADE: 3,4-diaminodiphenyl ether (molecular weight: 200.24)
TPE-R: 1,3-bis(4-aminophenoxy)benzene (molecular weight: 292.33)
ABPS: 3,3-diamino-4,4-dihydroxydiphenylsulfone (molecular weight: 280.33)
p-DADE: diaminodiphenyl ether (molecular weight: 200.24)
APB: 1,3-bis(3-aminophenoxy)benzene (molecular weight: 292.33)
BAPS: bis[4-(4-aminophenoxy)phenyl]sulfone (molecular weight: 432.49)
<ポリイミドの合成>
合成実施例1
ステンレススチール製の碇型攪拌器を取り付けたガラス製のセパラブル三つ口フラスコに、水分分離トラップを備えた玉付冷却管を取り付けた。4,4’-オキシジフタル酸二無水物(ODPA,分子量:310.2)10.86g(35mmol)、2,5-ジメチル-1,4-フェニレンジアミン(DMPDA,分子量:136.19)9.53g(70mmol)、γ-バレロラクトン1.40g、ピリジン2.22g、N-メチルピロリドン(NMP)109g、トルエン45gを三つ口フラスコに加えた。窒素雰囲気下、シリコン浴180℃、180rpmで1.5時間加熱、攪拌した。さらに、室温に空冷し15分間攪拌した。ついで、3,4-ジアミノジフェニルエーテル(m-DADE,分子量:200.24)7.01g(35mmol)と1,3-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン(TPE-R,分子量:292.33)10.23g(35mmol)をよく混合したものを少しずつ三つ口フラスコに加えた。さらに、3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(s-BPDA,分子量:294.2)30.99g(105mmol)、NMP146g、トルエン10gを加え、窒素雰囲気下、180℃、180rpmで加熱、攪拌した。6時間後に反応を停止し、20重量%のポリイミド溶液を得た。さらに、NMP106gを加え、30分間攪拌して15重量%のポリイミド溶液を得た。
<Synthesis of polyimide>
Synthesis Example 1
A separable three-necked glass flask fitted with a stainless steel anchor stirrer was fitted with a ball condenser with a moisture separation trap. 4,4′-oxydiphthalic dianhydride (ODPA, molecular weight: 310.2) 10.86 g (35 mmol), 2,5-dimethyl-1,4-phenylenediamine (DMPDA, molecular weight: 136.19) 9.53 g (70 mmol), γ-valerolactone 1.40 g, pyridine 2.22 g, N-methylpyrrolidone (NMP) 109 g, and toluene 45 g were added to a three-necked flask. In a nitrogen atmosphere, the mixture was heated and stirred in a silicon bath at 180° C. and 180 rpm for 1.5 hours. Further, the mixture was air-cooled to room temperature and stirred for 15 minutes. Then, 7.01 g (35 mmol) of 3,4-diaminodiphenyl ether (m-DADE, molecular weight: 200.24) and 1,3-bis(4-aminophenoxy)benzene (TPE-R, molecular weight: 292.33) 10 0.23 g (35 mmol) was added in portions to a three-necked flask with good mixing. Furthermore, 30.99 g (105 mmol) of 3,3′,4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride (s-BPDA, molecular weight: 294.2), NMP 146 g, and toluene 10 g were added, and the mixture was heated to 180° C. under a nitrogen atmosphere. , heated and stirred at 180 rpm. After 6 hours, the reaction was stopped to obtain a 20% by weight polyimide solution. Further, 106 g of NMP was added and stirred for 30 minutes to obtain a 15% by weight polyimide solution.
ポリイミドの合成に用いた各成分のモル比は、ODPA:s-BPDA=1:3、DMPDA:m-DADE:TPE-R=2:1:1であった。また、ポリイミドの合成に用いた全てのテトラカルボン酸二無水物成分の分子量は360以下であり、分子量220以下のジアミン成分の割合は全ジアミン成分の75モル%であった。 The molar ratios of each component used in polyimide synthesis were ODPA:s-BPDA=1:3 and DMPDA:m-DADE:TPE-R=2:1:1. All the tetracarboxylic dianhydride components used in polyimide synthesis had a molecular weight of 360 or less, and the ratio of diamine components having a molecular weight of 220 or less was 75 mol % of the total diamine components.
ポリイミドのイミド基濃度は下記の計算式により30.9であった。
(イミド基濃度の計算式)
・テトラカルボン酸ニ無水物の平均分子量:
0.25×310.2+0.75×294.2=298.2
・ジアミンの平均分子量:
0.5×136.19+0.25×200.24+0.25×292.33
=191.18
・イミド基濃度:
[140/(298.2+191.18-2×18)]×100=30.9
The imide group concentration of the polyimide was 30.9 according to the following formula.
(Calculation formula for imide group concentration)
- Average molecular weight of tetracarboxylic dianhydride:
0.25 x 310.2 + 0.75 x 294.2 = 298.2
・Average molecular weight of diamine:
0.5 x 136.19 + 0.25 x 200.24 + 0.25 x 292.33
= 191.18
・Imide group concentration:
[140/(298.2+191.18-2×18)]×100=30.9
得られたポリイミドの分子量とガラス転移温度(Tg)の測定結果は以下の通りである。
分子量Mw:144,478
Tg:296℃
The measurement results of the molecular weight and glass transition temperature (Tg) of the obtained polyimide are as follows.
Molecular weight Mw: 144,478
Tg: 296°C
合成実施例2
合成実施例1と同様の装置を用いた。ODPA(分子量:310.2)10.86g(35mmol)、DMPDA(分子量:136.19)9.53g(70mmol)、γ-バレロラクトン1.40g、ピリジン2.22g、NMP109g、トルエン45gを三つ口フラスコに加えた。窒素雰囲気下、シリコン浴180℃、180rpmで1.5時間、加熱、攪拌した。さらに、室温に空冷し15分間攪拌した。ついで、TPE-R(分子量:292.33)10.23g(35mmol)と3,3-ジアミノ-4,4-ジヒドロキシジフェニルスルホン(ABPS,分子量:280.33)9.81g(35mmol)をよく混合したものを少しずつ三つ口フラスコに加えた。さらに、3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(s-BPDA,分子量:294.2)30.99g(105mmol)、NMP146g、トルエン10gを加え、窒素雰囲気下、180℃、180rpmで加熱、攪拌した。6時間30分後に反応を停止し、20重量%のポリイミド溶液を得た。さらに、NMP106gを加え、30分間攪拌して15重量%のポリイミド溶液を得た。
Synthetic Example 2
An apparatus similar to that of Synthesis Example 1 was used. 10.86 g (35 mmol) of ODPA (molecular weight: 310.2), 9.53 g (70 mmol) of DMPDA (molecular weight: 136.19), 1.40 g of γ-valerolactone, 2.22 g of pyridine, 109 g of NMP, and 45 g of toluene. added to the mouth flask. In a nitrogen atmosphere, the mixture was heated and stirred in a silicon bath at 180° C. and 180 rpm for 1.5 hours. Further, the mixture was air-cooled to room temperature and stirred for 15 minutes. Then, 10.23 g (35 mmol) of TPE-R (molecular weight: 292.33) and 9.81 g (35 mmol) of 3,3-diamino-4,4-dihydroxydiphenylsulfone (ABPS, molecular weight: 280.33) were thoroughly mixed. The resulting mixture was added little by little to a three-necked flask. Furthermore, 30.99 g (105 mmol) of 3,3′,4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride (s-BPDA, molecular weight: 294.2), NMP 146 g, and toluene 10 g were added, and the mixture was heated to 180° C. under a nitrogen atmosphere. , heated and stirred at 180 rpm. After 6 hours and 30 minutes, the reaction was terminated to obtain a 20% by weight polyimide solution. Further, 106 g of NMP was added and stirred for 30 minutes to obtain a 15% by weight polyimide solution.
ポリイミドの合成に用いた各成分のモル比は、ODPA:DMPDA=1:2、s-BPDA:TPE-R:ABPS=3:1:1であった。また、ポリイミドの合成に用いた全てのテトラカルボン酸二無水物成分の分子量は360以下であり、分子量220以下のジアミン成分の割合は全ジアミン成分の50モル%であり、ポリイミドのイミド基濃度は29.6%であった。
得られたポリイミドの分子量とガラス転移温度(Tg)の測定結果は以下の通りである。
分子量Mw:172,691
Tg:328.4℃
The molar ratio of each component used in synthesizing the polyimide was ODPA:DMPDA=1:2 and s-BPDA:TPE-R:ABPS=3:1:1. Further, the molecular weight of all the tetracarboxylic dianhydride components used in the synthesis of the polyimide is 360 or less, the ratio of the diamine component having a molecular weight of 220 or less is 50 mol% of the total diamine component, and the imide group concentration of the polyimide is It was 29.6%.
The measurement results of the molecular weight and glass transition temperature (Tg) of the obtained polyimide are as follows.
Molecular weight Mw: 172,691
Tg: 328.4°C
合成実施例3
合成実施例1と同様の装置を用いた。PMDA(分子量:218.1)15.27g(70ミリモル)、DETDA(分子量:178.28)18.72g(105ミリモル)、無水シュウ酸0.9g、ピリジン1.9g、NMP130g、トルエン30gを三つ口フラスコ加えた。窒素雰囲気下、180℃、175rpmで1時間反応した。さらに、180℃、165rpmで4時間20分反応した。ついで、BTDA(分子量:322.2)22.55g(70ミリモル)、p-DADE(分子量:200.24)7.01g(35ミリモル)、NMP102gを加えて、180℃、165rpmで6時間20分反応し、20重量%のポリイミド溶液を得た。
Synthesis Example 3
An apparatus similar to that of Synthesis Example 1 was used. 15.27 g (70 mmol) of PMDA (molecular weight: 218.1), 18.72 g (105 mmol) of DETDA (molecular weight: 178.28), 0.9 g of oxalic anhydride, 1.9 g of pyridine, 130 g of NMP and 30 g of toluene Added a 1-necked flask. The reaction was carried out at 180° C. and 175 rpm for 1 hour in a nitrogen atmosphere. Furthermore, the reaction was carried out at 180° C. and 165 rpm for 4 hours and 20 minutes. Then, 22.55 g (70 mmol) of BTDA (molecular weight: 322.2), 7.01 g (35 mmol) of p-DADE (molecular weight: 200.24) and 102 g of NMP were added, and the mixture was heated at 180°C and 165 rpm for 6 hours and 20 minutes. It reacted and obtained the polyimide solution of 20 weight%.
ポリイミドの合成に用いた各成分のモル比は、PMDA:DETDA=2:3、BTDA:p-DADE=2:1であった。また、ポリイミドの合成に用いた全てのテトラカルボン酸二無水物成分の分子量は360以下であり、分子量220以下のジアミン成分の割合は全ジアミン成分の100モル%であり、ポリイミドのイミド基濃度は33.5%であった。
得られたポリイミドの分子量の測定結果は以下の通りである。
分子量Mw:199,610
Tg:319.5℃
The molar ratios of the respective components used in synthesizing the polyimide were PMDA:DETDA=2:3 and BTDA:p-DADE=2:1. Further, the molecular weight of all the tetracarboxylic dianhydride components used in the synthesis of the polyimide is 360 or less, the ratio of the diamine component having a molecular weight of 220 or less is 100 mol% of the total diamine component, and the imide group concentration of the polyimide is It was 33.5%.
The measurement results of the molecular weight of the obtained polyimide are as follows.
Molecular weight Mw: 199,610
Tg: 319.5°C
合成比較例1(ランダム重合例)
合成例1と同様の装置を用い、合成例3をランダム重合で行った。DMPDA(分子量:136.19)21.79g(160mmol)、TPE-R(分子量:292.33)23.39g(80mmol)、ABPS(分子量:280.33)22.42g(80mmol)を三つ口フラスコに加えた。窒素雰囲気下、180rpmで10分間攪拌してNMPに溶解させた。ついで、ODPA(分子量:310.2)24.82g(80mmol)、s-BPDA(分子量:294.2)70.61g(240mmol)、γ-VL3.20g、ピリジン5.06g、NMP、トルエン45gを加え、窒素雰囲気下、シリコン浴180℃、180rpmで攪拌、加熱した。この段階で投入したNMPの総量は858gであった。4時間後に溶液が濁ったため反応を終了した。
Synthesis Comparative Example 1 (random polymerization example)
Using the same apparatus as in Synthesis Example 1, Synthesis Example 3 was carried out by random polymerization. Three mouths of DMPDA (molecular weight: 136.19) 21.79 g (160 mmol), TPE-R (molecular weight: 292.33) 23.39 g (80 mmol), ABPS (molecular weight: 280.33) 22.42 g (80 mmol) added to the flask. It was dissolved in NMP by stirring at 180 rpm for 10 minutes under a nitrogen atmosphere. Then, ODPA (molecular weight: 310.2) 24.82 g (80 mmol), s-BPDA (molecular weight: 294.2) 70.61 g (240 mmol), γ-VL 3.20 g, pyridine 5.06 g, NMP, toluene 45 g In addition, the mixture was stirred and heated at 180° C. and 180 rpm in a silicon bath in a nitrogen atmosphere. The total amount of NMP charged at this stage was 858 g. The reaction was terminated after 4 hours due to cloudiness of the solution.
合成比較例2
合成例1と同様の装置を用い、BAPS(分子量:432.49)34.60g(80mmol)を三つ口フラスコに加えた。窒素雰囲気下、180rpmで10分間攪拌してNMPに溶解させた。ついで、s-BPDA(分子量:294.2)47.1g(160mmol)、ODPA(分子量:310.2)24.82g(80mmol)、γ-VL3.20g、ピリジン5.06g、NMP、トルエン45gを加え、窒素雰囲気下、シリコン浴180℃、180rpmで攪拌、加熱した。この段階で投入したNMPの総量は390gであった。5時間30分反応し、20重量%のポリイミド溶液を得た。
Synthetic Comparative Example 2
Using the same device as in Synthesis Example 1, 34.60 g (80 mmol) of BAPS (molecular weight: 432.49) was added to a three-necked flask. It was dissolved in NMP by stirring at 180 rpm for 10 minutes under a nitrogen atmosphere. Then, s-BPDA (molecular weight: 294.2) 47.1 g (160 mmol), ODPA (molecular weight: 310.2) 24.82 g (80 mmol), γ-VL 3.20 g, pyridine 5.06 g, NMP, toluene 45 g In addition, the mixture was stirred and heated at 180° C. and 180 rpm in a silicon bath in a nitrogen atmosphere. The total amount of NMP charged at this stage was 390 g. After reacting for 5 hours and 30 minutes, a 20% by weight polyimide solution was obtained.
ポリイミドの合成に用いた各成分のモル比は、ODPA:BPDA=1:2、ジアミンはBAPS100%であった。また、ポリイミドの合成に用いた全てのテトラカルボン酸二無水物成分の分子量は360以下であり、分子量220以下のジアミン成分の割合は全ジアミン成分の0モル%であり、ポリイミドのイミド基濃度は20.1%であった。
得られたポリイミドの分子量とガラス転移温度(Tg)の測定結果は以下の通りである。
分子量Mw:123680
Tg:272℃
The molar ratio of each component used in synthesizing the polyimide was ODPA:BPDA=1:2, and the diamine was 100% BAPS. Further, the molecular weight of all the tetracarboxylic dianhydride components used in the synthesis of the polyimide is 360 or less, the ratio of the diamine component having a molecular weight of 220 or less is 0 mol% of the total diamine component, and the imide group concentration of the polyimide is It was 20.1%.
The measurement results of the molecular weight and glass transition temperature (Tg) of the obtained polyimide are as follows.
Molecular weight Mw: 123680
Tg: 272°C
合成比較例3
合成例1と同様の装置を用いた。s-BPDA(分子量:294.2)58.84g(200mmmol)、1,3-ジアミノ安息香酸(分子量:151.15)15.21g(100mmmol)、γ-バレロラクトン1.50g、ピリジン2.4g、NMP200g、トルエン30gを三つ口フラスコに加えた。窒素雰囲気下、シリコン浴180℃、180rpmで1.0時間加熱、攪拌した。さらに、室温に空冷して15分間攪拌した。ついで、ODPA(分子量:310.2)46.53g(150mmol)、TPE-R(分子量:292.33)73.08g(250mmol)、NMP360g、トルエン90gを加え、窒素雰囲気下、180℃、180rpmで加熱、攪拌した。2時間30分後に反応を停止し、NMPを加え30分間攪拌して20重量%のポリイミド溶液を得た。
Synthetic Comparative Example 3
An apparatus similar to that of Synthesis Example 1 was used. s-BPDA (molecular weight: 294.2) 58.84 g (200 mmol), 1,3-diaminobenzoic acid (molecular weight: 151.15) 15.21 g (100 mmol), γ-valerolactone 1.50 g, pyridine 2.4 g , 200 g of NMP and 30 g of toluene were added to a three-necked flask. In a nitrogen atmosphere, the mixture was heated and stirred in a silicon bath at 180° C. and 180 rpm for 1.0 hour. Furthermore, it was air-cooled to room temperature and stirred for 15 minutes. Then, 46.53 g (150 mmol) of ODPA (molecular weight: 310.2), 73.08 g (250 mmol) of TPE-R (molecular weight: 292.33), 360 g of NMP and 90 g of toluene were added, and the mixture was heated at 180°C and 180 rpm under a nitrogen atmosphere. Heat and stir. After 2 hours and 30 minutes, the reaction was stopped, NMP was added, and the mixture was stirred for 30 minutes to obtain a 20% by weight polyimide solution.
ポリイミドの合成に用いた各成分のモル比はs-BPDA:ODPA=57.1:42.9,ジアミノ安息香酸:TPE-R=28.6:71.4であった。
また、ポリイミドの合成に用いたテトラカルボン酸二無水物成分の分子量は360以下であり、分子量220以下のジアミン成分の割合は全ジアミン成分の28.6モル%であり、ポリイミドのイミド基濃度は27.1%であった。
得られたポリイミドの分子量とガラス転移温度(Tg)の測定結果は以下の通りである。
分子量Mw:80,000
Tg:230℃
The molar ratios of the components used in polyimide synthesis were s-BPDA:ODPA=57.1:42.9 and diaminobenzoic acid:TPE-R=28.6:71.4.
Further, the molecular weight of the tetracarboxylic dianhydride component used in the synthesis of the polyimide is 360 or less, the ratio of the diamine component having a molecular weight of 220 or less is 28.6 mol% of the total diamine component, and the imide group concentration of the polyimide is It was 27.1%.
The measurement results of the molecular weight and glass transition temperature (Tg) of the obtained polyimide are as follows.
Molecular weight Mw: 80,000
Tg: 230°C
実施例1~3、比較例1~3
上記合成実施例1~3及び合成比較例1~3で合成したポリイミドを用い、以下の方法により、正極電極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用の正極、セパレータ及びリチウムイオン二次電池を作製した。
Examples 1-3, Comparative Examples 1-3
Using the polyimides synthesized in Synthesis Examples 1 to 3 and Synthesis Comparative Examples 1 to 3, a positive electrode slurry composition, a positive electrode for a lithium ion secondary battery, a separator and a lithium ion secondary battery are prepared by the following method. made.
<正極電極用スラリー組成物の作製>
中国製NCM(ニッケル・コバルト・マンガン系複合酸化物,N:C:M=5:3:2)1000質量部、導電剤デンカブラック20質量部、本発明の溶媒可溶性ポリイミド(8質量%N-メチルピロリドン溶液)250質量部をプラネタリーミキサーで混合し、目標粘度になるまでNーメチルピロリドン(NMP)を数回に分けて添加し、攪拌を繰り返してスラリー組成物を作製した。
<Preparation of positive electrode slurry composition>
Made in China NCM (nickel-cobalt-manganese composite oxide, N: C: M = 5: 3: 2) 1000 parts by mass, conductive agent Denka Black 20 parts by mass, the solvent-soluble polyimide of the present invention (8 mass% N- 250 parts by mass of methylpyrrolidone solution) were mixed with a planetary mixer, N-methylpyrrolidone (NMP) was added in several portions until the target viscosity was reached, and stirring was repeated to prepare a slurry composition.
<リチウムイオン二次電池用正極の作製>
集電体として厚さ18μmのアルミ箔を準備した。上記で作製したスラリー組成物を、コンマコーターでアルミ箔の片面に塗布し、乾燥させて正極電極を得た。この乾燥は、塗膜を備えるアルミ箔を0.5m/分の速度で120℃のオーブン内を2分間かけて搬送し、その後更に120℃のオーブン内にて2分間加熱処理することにより行った。得られた正極原反をロールプレスで圧延し、正極合材層の厚さが60μmのリチウムイオン二次電池用電極を得た。
<Preparation of positive electrode for lithium ion secondary battery>
An aluminum foil having a thickness of 18 μm was prepared as a current collector. The slurry composition prepared above was applied to one side of an aluminum foil with a comma coater and dried to obtain a positive electrode. This drying was carried out by transporting the aluminum foil with the coating film at a speed of 0.5 m / min in an oven at 120 ° C. for 2 minutes, and then further heat-treating it in an oven at 120 ° C. for 2 minutes. . The obtained positive electrode raw material was rolled by a roll press to obtain an electrode for a lithium ion secondary battery having a positive electrode mixture layer with a thickness of 60 μm.
<リチウムイオン二次電池用セパレータの準備>
単層のポリプロピレン製セパレータ(セルガード社製「CELGARD(登録商標)2500」)を打ち抜いたものをセパレータとして用いた。
<Preparation of separator for lithium ion secondary battery>
A single-layer polypropylene separator ("CELGARD (registered trademark) 2500" manufactured by Celgard) was punched out and used as a separator.
<リチウムイオン二次電池の製造>
正極としては、上記で製造した正極電極を150℃の真空オーブン中で5時間加熱処理したものを用い、通常の方法で2032型コインセルを作製した。負極にはLi箔を使用し、セパレータには20μm厚の多孔性ポリオレフィン膜を使用した。電解液としては、エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート:ジメチルカーボネート=3:3:4からなる電解液溶媒にLiPF6を1モル/L溶解した電解液を用いた。
<Production of lithium-ion secondary battery>
As the positive electrode, the positive electrode produced above was heat-treated in a vacuum oven at 150° C. for 5 hours, and a 2032-type coin cell was produced by a normal method. Li foil was used for the negative electrode, and a 20 μm thick porous polyolefin film was used for the separator. As the electrolytic solution, an electrolytic solution obtained by dissolving 1 mol/L of LiPF 6 in an electrolytic solution solvent consisting of ethylene carbonate:ethyl methyl carbonate:dimethyl carbonate=3:3:4 was used.
上記の合成実施例1~3及び合成比較例1~3で製造した溶媒可溶性ポリイミドの分子量、ガラス転移温度(Tg)、8%溶液の粘度、乾燥して得られるフィルムの電解液膨潤度、また、スラリー組成物の粘度、電極のピール強度、リチウムイオン二次電池のサイクル特性、不可逆容量は、下記の方法で測定および評価した。 The molecular weight of the solvent-soluble polyimides produced in Synthesis Examples 1-3 and Synthesis Comparative Examples 1-3, the glass transition temperature (Tg), the viscosity of the 8% solution, the electrolyte swelling degree of the film obtained by drying, and , the viscosity of the slurry composition, the peel strength of the electrode, the cycle characteristics of the lithium ion secondary battery, and the irreversible capacity were measured and evaluated by the following methods.
<溶媒可溶性ポリイミドの分子量>
溶媒可溶性ポリイミドをNMPで希釈し、高速液体クロマトグラフ(東ソー製)を用いて重量平均分子量を測定した。
<Molecular weight of solvent-soluble polyimide>
The solvent-soluble polyimide was diluted with NMP, and the weight average molecular weight was measured using a high-performance liquid chromatograph (manufactured by Tosoh).
<溶媒可溶性ポリイミドのガラス転移温度(Tg)>
島津製作所製DSG-50を用い、昇温速度10℃/分で400℃まで昇温測定後、試料を空冷し、再び昇温速度10℃/分で420℃まで昇温して測定した値からガラス転移温度(Tg)を求めた。
<Glass transition temperature (Tg) of solvent-soluble polyimide>
Using Shimadzu Corporation DSG-50, after measuring the temperature up to 400 ° C. at a temperature increase rate of 10 ° C./min, the sample was air-cooled, and the temperature was raised to 420 ° C. at a temperature increase rate of 10 ° C./min. A glass transition temperature (Tg) was determined.
<溶媒可溶性ポリイミドの電解液膨潤度>
溶媒可溶性ポリイミドをPTX樹脂製のシャーレに流して、120℃で15時間乾燥して、厚み約50μmのフィルムを得た。フィルムから3cm×3cmの試験片を作製し、エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート:ジメチルカーボネート=3:3:4からなる電解液溶媒にLiPF6を1モル/L溶解してなる電解液に試験片を浸漬した。電解液を80℃に加熱した後、80℃で72時間試験片を浸漬処理した。浸漬処理前後の試験片の重量変化を測定し、重量増加率(%)を求め、電解液膨潤度とした。ここで、フィルムの作製方法は電解液膨潤度の数値に影響を与えることはなく、また、浸漬処理後のフィルムの重量は、試験片を電解液から取り出し、乾燥しないように速やかにティッシュで表面に付着している電解液を拭き取った後に測定した。
<Electrolytic solution swelling degree of solvent-soluble polyimide>
The solvent-soluble polyimide was poured into a petri dish made of PTX resin and dried at 120° C. for 15 hours to obtain a film with a thickness of about 50 μm. A test piece of 3 cm x 3 cm was prepared from the film, and the test piece was placed in an electrolytic solution obtained by dissolving 1 mol/L of LiPF 6 in an electrolytic solution solvent consisting of ethylene carbonate: ethylmethyl carbonate: dimethyl carbonate = 3:3:4. Soaked. After heating the electrolytic solution to 80° C., the test pieces were immersed at 80° C. for 72 hours. The change in weight of the test piece before and after the immersion treatment was measured to determine the weight increase rate (%), which was defined as the swelling degree of the electrolyte. Here, the film preparation method does not affect the numerical value of the swelling degree of the electrolyte, and the weight of the film after the immersion treatment is determined by removing the test piece from the electrolyte and quickly wiping the surface with a tissue so as not to dry. It was measured after wiping off the electrolyte adhering to the
<溶媒可溶性ポリイミド8%溶液の粘度)
JISZ8803:1991に準じて、B型粘度計(25℃、回転数=60rpm、スピンドル形状:4)により測定し、測定開始60秒後の値を8%ポリイミド溶液のB型粘度とした。
<Viscosity of 8% solvent-soluble polyimide solution)
According to JIS Z8803:1991, it was measured with a B-type viscometer (25° C., rotation speed=60 rpm, spindle shape: 4), and the value 60 seconds after the start of measurement was taken as the B-type viscosity of the 8% polyimide solution.
<スラリー組成物の粘度>
JISZ8803:1991に準じて、B型粘度計(25℃、回転数=60rpm、スピンドル形状:4)により測定し、測定開始60秒後の値をスラリー組成物のB型粘度とした。
<Viscosity of slurry composition>
According to JISZ8803:1991, it was measured with a B-type viscometer (25°C, rotation speed = 60 rpm, spindle shape: 4), and the value 60 seconds after the start of measurement was taken as the B-type viscosity of the slurry composition.
<電極のピール強度>
作製したリチウムイオン二次電池用電極を長さ100mm、幅10mmの長方形に切り出して試験片とし、電極合材層を有する面を下にして電極合材層表面にセロハンテープ(JIS Z1522に規定されるもの)を貼り付け、集電体の一端を鉛直上方に引張り速度50mm/分で引っ張って剥がしたときの応力を測定した(セロハンテープは試験台に固定)。測定を5回行い、その平均値を求めてこれをピール強度とした。ピール強度の値が大きいほど、電極合材層と集電体の密着性に優れることを示す。
<Electrode peel strength>
The prepared lithium ion secondary battery electrode was cut into a rectangle with a length of 100 mm and a width of 10 mm to form a test piece, and the surface having the electrode mixture layer was placed down on the surface of the electrode mixture layer with cellophane tape (JIS Z1522). ) was attached, and the stress when one end of the current collector was pulled vertically upward at a speed of 50 mm/min and peeled off was measured (the cellophane tape was fixed to the test stand). The measurement was performed 5 times, and the average value was obtained as the peel strength. The larger the peel strength value, the better the adhesion between the electrode mixture layer and the current collector.
<リチウムイオン二次電池のサイクル特性>
作製したリチウムイオン二次電池ハーフセルを25℃の環境下で24時間静置させた。その後、25℃の環境下で、0.5Cの低電流法にて4.2Vまで充電し、3.0Vまで放電する充放電の操作を行い、初期容量Csを測定した。さらに、このリチウムイオン二次電池を、25℃の環境下で、前記と同様の充放電を200回繰り返し(200サイクル)、200サイクル後の容量Cfを測定した。
サイクル特性は、ΔC=(Cf/Cs)×100(%)で算出し、容量維持率とした。この容量維持率の値が高いほど、サイクル特性に優れることを示す。
<Cycle characteristics of lithium ion secondary battery>
The produced lithium ion secondary battery half cell was allowed to stand in an environment of 25° C. for 24 hours. After that, in an environment of 25° C., charge and discharge operations were performed by charging to 4.2 V and discharging to 3.0 V by a low current method at 0.5 C, and the initial capacity Cs was measured. Furthermore, this lithium ion secondary battery was repeatedly charged and discharged 200 times (200 cycles) in an environment of 25° C., and the capacity Cf after 200 cycles was measured.
Cycle characteristics were calculated by ΔC=(Cf/Cs)×100(%) and taken as a capacity retention rate. A higher value of this capacity retention ratio indicates better cycle characteristics.
<不可逆容量の有無>
作製したリチウムイオン二次電池を25℃の環境下で24時間静置させた。その後、25℃の環境下で、0.1Cの低電流法にて4.2Vまで充電し、3.0Vまで放電する充放電の操作を行い、バインダーとしてPVDF(アルケマ社HSV900)をポリイミドと同量用いた電極で作製したリチウムイオン二次電池の容量と対比し、少ない容量を示した場合を不可逆容量有りとした。不可逆容量を示さない場合を〇、不可逆容量を示す場合を×で表示した。
<Presence or absence of irreversible capacity>
The produced lithium ion secondary battery was allowed to stand in an environment of 25° C. for 24 hours. After that, in an environment of 25 ° C., charging to 4.2 V by a low current method of 0.1 C and discharging to 3.0 V were performed. In comparison with the capacity of the lithium ion secondary battery produced with the electrode using the amount used, it was determined that the irreversible capacity was present when the capacity was small. The case where the irreversible capacity is not exhibited is indicated by ◯, and the case where the irreversible capacity is exhibited is indicated by x.
上記合成実施例1~3及び合成比較例1~3で製造した溶媒可溶性ポリイミドの物性、スラリー組成物、電極、リチウムイオン二次電池の特性の評価結果を下記表1に示す。 Table 1 below shows the physical properties of the solvent-soluble polyimides produced in Synthesis Examples 1 to 3 and Comparative Synthesis Examples 1 to 3, the evaluation results of the properties of the slurry compositions, electrodes, and lithium ion secondary batteries.
上記表1の結果から、溶媒可溶性ポリイミドを構成する全てのテトラカルボン酸二無水物成分の分子量が360以下であり、且つ、分子量220以下のジアミン成分の割合が30モル%以上となるブロック共重合体のポリイミドを用いた場合(実施例1~3)には、50重量%以下という低い電解液膨潤度を達成できることが分かる。また、この実施例1~3の場合には、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池を作製できることが分かる。 From the results in Table 1 above, block copolymerization in which the molecular weight of all the tetracarboxylic dianhydride components constituting the solvent-soluble polyimide is 360 or less and the ratio of the diamine component having a molecular weight of 220 or less is 30 mol% or more. It can be seen that when the coalesced polyimide is used (Examples 1 to 3), a low electrolyte swelling degree of 50% by weight or less can be achieved. Moreover, in the case of Examples 1 to 3, it can be seen that a lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics can be produced.
本発明における溶媒可溶性ポリイミドは、N-メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の溶剤に対する高い溶媒可溶性と、リチウムイオン二次電池に用いられる電解液に対する低い膨潤度を両立可能なポリイミドである。このような溶媒可溶性ポリイミドをリチウムイオン二次電池用のバインダーとして用いることにより、電極活物質間の接着性や、電極合材層と集電体間の密着性が良好な電極を作製することが可能となる。また、このような電極を用いることにより、寿命特性(サイクル特性)に優れたリチウムイオン二次電池を作製することが可能となる。 The solvent-soluble polyimide in the present invention is a polyimide capable of achieving both high solvent solubility in solvents such as N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylformamide, and dimethylsulfoxide, and low swelling in electrolyte solutions used in lithium ion secondary batteries. be. By using such a solvent-soluble polyimide as a binder for a lithium ion secondary battery, it is possible to produce an electrode having good adhesion between electrode active materials and adhesion between an electrode mixture layer and a current collector. It becomes possible. Moreover, by using such an electrode, it is possible to produce a lithium-ion secondary battery having excellent life characteristics (cycle characteristics).
Claims (14)
前記溶媒可溶性ポリイミドは、イミド基濃度が20~32%のブロック共重合体であり、且つ、N-メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド及びジメチルスルホキシドからなる群から選ばれる少なくとも1種の溶媒に可溶であり、
前記ポリイミドを構成する全てのテトラカルボン酸二無水物成分の分子量が360以下であり、且つ、前記ポリイミドを構成する全てのジアミン成分のうち、分子量220以下のジアミン成分の割合が少なくとも30モル%であり、
前記ポリイミドから作製したフィルムをリチウムイオン二次電池用電解液に浸漬し、80℃で72時間処理した場合の膨潤度が50重量%以下であり、
前記リチウムイオン二次電池用電解液は、エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート:ジメチルカーボネート(体積比3:3:4)からなる混合溶媒にヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1モル/L溶解してなる電解液である、リチウムイオン二次電池製造用バインダー。 A binder for manufacturing a lithium ion secondary battery containing a solvent-soluble polyimide,
The solvent-soluble polyimide is a block copolymer having an imide group concentration of 20 to 32%, and is compatible with at least one solvent selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylformamide and dimethylsulfoxide. is soluble,
All the tetracarboxylic dianhydride components constituting the polyimide have a molecular weight of 360 or less, and among all the diamine components constituting the polyimide, the ratio of diamine components having a molecular weight of 220 or less is at least 30 mol%. can be,
The degree of swelling when the film made from the polyimide is immersed in the electrolyte for lithium ion secondary batteries and treated at 80 ° C. for 72 hours is 50% by weight or less,
The electrolytic solution for a lithium ion secondary battery is prepared by dissolving 1 mol/L of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in a mixed solvent of ethylene carbonate:ethylmethylcarbonate:dimethylcarbonate (volume ratio 3:3:4). A binder for manufacturing a lithium ion secondary battery, which is an electrolytic solution consisting of
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