JP7177944B2 - 電極用組成物の製造方法、全固体二次電池用電極シートの製造方法及び全固体二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
近年、電気自動車の高性能化、実用化等の研究開発が急速に進行し、全固体二次電池の電極用組成物の製造方法に対する要求が高くなってきている。このような状況において、固体粒子同士の結着性を高め、また、全固体二次電池の低抵抗化を実現できる電極用組成物の製造方法が求められている。
<1>
有機溶媒と、活物質と、上記有機溶媒中での活物質に対する吸着率が50%以上である粒子状ポリマーバインダーA、及び上記有機溶媒に対する溶解度が2質量%以上であるポリマーバインダーBの、少なくとも2種のポリマーを含むバインダーと、無機固体電解質とを含有する電極用組成物の製造方法であって、
上記活物質と上記粒子状ポリマーバインダーAと上記有機溶媒との混合物と、上記ポリマーバインダーBと、上記無機固体電解質とを混合すること
を含む、電極用組成物の製造方法。
<2>
上記混合物を、上記粒子状ポリマーバインダーAと、上記活物質と、上記有機溶媒とを混合して得る、<1>に記載の電極用組成物の製造方法。
<3>
上記粒子状ポリマーバインダーAの上記吸着率が80%以上である、<1>又は<2>に記載の電極用組成物の製造方法。
<4>
上記粒子状ポリマーバインダーAの上記吸着率が90%以上である、<1>~<3>のいずれか1つに記載の電極用組成物の製造方法。
<5>
上記粒子状ポリマーバインダーAを形成するポリマーが、ポリウレタン又は(メタ)アクリルポリマーである、<1>~<4>のいずれか1つに記載の電極用組成物の製造方法。
<6>
上記ポリマーバインダーBの、上記有機溶媒中での上記活物質に対する吸着率が20%以下である、<1>~<5>のいずれか1つに記載の電極用組成物の製造方法。
<7>
上記ポリマーバインダーBの、上記有機溶媒中での上記無機固体電解質に対する吸着率が20%以下である、<1>~<6>のいずれか1つに記載の電極用組成物の製造方法。
<8>
上記ポリマーバインダーBを形成するポリマーが、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマー及び(メタ)アクリルポリマーのうちの少なくとも1種である、<1>~<7>のいずれか1つに記載の電極用組成物の製造方法。
<9>
上記有機溶媒が、エステル化合物、ケトン化合物及びエーテル化合物から選択される少なくとも1種を含む、<1>~<8>のいずれか1つに記載の電極用組成物の製造方法。
<10>
<1>~<9>のいずれか1つに記載の製造方法で得た電極用組成物を塗布することを含む、全固体二次電池用電極シートの製造方法。
<11>
<10>に記載の製造方法を経て全固体二次電池を製造する、全固体二次電池の製造方法。
本明細書において化合物の表示(例えば、化合物と末尾に付して呼ぶとき)については、この化合物そのもののほか、その塩、そのイオンを含む意味に用いる。また、本発明の効果を損なわない範囲で、置換基を導入するなど一部を変化させた誘導体を含む意味である。
本発明において、(メタ)アクリルとは、アクリル及びメタアクリルの一方又は両方を意味する。(メタ)アクリレートについても同様である。
本明細書において、置換又は無置換を明記していない置換基、連結基等(以下、置換基等という。)については、その基に適宜の置換基を有していてもよい意味である。よって、本明細書において、単に、YYY基と記載されている場合であっても、このYYY基は、置換基を有しない態様に加えて、更に置換基を有する態様も包含する。これは置換又は無置換を明記していない化合物についても同義である。好ましい置換基としては、例えば後述する置換基Zが挙げられる。
本明細書において、特定の符号で示された置換基等が複数あるとき、又は複数の置換基等を同時若しくは択一的に規定するときには、それぞれの置換基等は互いに同一でも異なっていてもよいことを意味する。また、特に断らない場合であっても、複数の置換基等が隣接するときにはそれらが互いに連結したり縮環したりして環を形成していてもよい意味である。
本発明の電極用組成物の製造方法は、上記成分を混合するに際して、粒子状バインダーAと活物質とを予め混合(予備混合)することを特徴とする。粒子状バインダーAと活物質とを予備混合することにより、活物質同士を粒子状バインダーAで優先的に結着させた予備混合物が得られる。この予備混合は、バインダーB及び無機固体電解質の非存在下における、粒子状バインダーAと活物質との混合ということもできる。ここで、非存在下とは、本発明の効果を損なわない範囲で、バインダーB及び無機固体電解質の少なくとも一方が存在している態様を包含する。この予備混合は、有機溶媒中で行うことが好ましい。
本発明の電極用組成物の製造方法は、上記予備混合する方法であれば、後述するように、その他の成分の混合順、混合方法は特に限定されない。
工程(1):バインダーAと、活物質と、有機溶媒とを混合する。
工程(2):工程(1)で得られた混合物と、バインダーBと、無機固体電解質とを混合する。
混合する環境は、特に制限されず、例えば、乾燥空気下又は不活性ガス下等が挙げられる。
使用量は後述する電極用組成物中の含有量と同じ範囲に設定される。
各成分の混合、及び工程(1)は、それぞれ、複数回に分けて行うこともできる。
バインダーAは粒子状バインダーのため、活物質を完全に被覆することがなく、これにより、界面抵抗の上昇を抑えて強固な結着力で活物質同士を結着させることができる。
工程(2)において、上記成分の混合順は特に限定されず、各成分を一括して混合してもよく、順次混合してもよい。例えば、予備混合物にバインダーB及び無機固体電解質を加えて混合してもよく、予備混合物にバインダーBを加えて混合した後に無機固体電解質を加えて混合してもよく、予備混合物に無機固体電解質を加えて混合した後にバインダーBを加えて混合してもよい。また、バインダーB及び無機固体電解質の分散液若しくは溶液を予め調整して予備混合物と混合することもできる。工程(2)において、本発明の電極用組成物が得られる限り、混合の手順は任意である。
予備混合物は、上記含有量を満たす限り、工程(1)で得た予備混合物の一部を用いることもできる。
各成分の混合、及び工程(2)は、それぞれ、複数回に分けて行うこともできる。
本発明において、工程(2)は、工程(1)の後に実施される。この場合、工程(1)で得られる予備混合物の分散性を損なわない範囲であれば連続して行う必要はなく、時間を空けて行うことができる。また、両工程の間に他の工程を行うこともできる。
得られる電極用組成物は、本発明の製造方法により製造される組成物であり、粒子状バインダーAと活物質との予備混合物と、無機固体電解質と、バインダーBとを混合してなる組成物である。この組成物の詳細は未だ明らかではないが、粒子状バインダーAが吸着した活物質及び無機固体電解質が有機溶媒中に分散していると考えられる。バインダーBは、無機固体電解質若しくは活物質に吸着し、又は有機溶媒に溶解していると考えられる。バインダーBが無機固体電解質等に結着している場合、予備混合物中の活物質と無機固体電解質とをバインダーBで結着した結着物を形成していることもある。
以下、本発明の全固体二次電池用シートの製造方法に用いる成分及び用いうる成分について、本発明の電極用組成物の製造方法における使用量を含めて、説明する。
上記工程(1)には、周期律表第1族若しくは第2族に属する金属のイオンの挿入放出が可能な活物質が用いられる。活物質としては、以下に説明するが、正極活物質及び負極活物質が挙げられる。
本発明において、活物質(正極活物質又は負極活物質)を含有する組成物を電極用組成物(正極用組成物又は負極用組成物)ということがある。
正極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入及び放出できるものが好ましい。その材料は、上記特性を有するものであれば、特に制限はなく、遷移金属酸化物、又は、硫黄などのLiと複合化できる元素などでもよい。
中でも、正極活物質としては、遷移金属酸化物を用いることが好ましく、遷移金属元素Ma(Co、Ni、Fe、Mn、Cu及びVから選択される1種以上の元素)を有する遷移金属酸化物がより好ましい。また、この遷移金属酸化物に元素Mb(リチウム以外の金属周期律表の第1(Ia)族の元素、第2(IIa)族の元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P及びBなどの元素)を混合してもよい。混合量としては、遷移金属元素Maの量(100モル%)に対して0~30モル%が好ましい。Li/Maのモル比が0.3~2.2になるように混合して合成されたものが、より好ましい。
遷移金属酸化物の具体例としては、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物、(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物、(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物、(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物及び(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物等が挙げられる。
(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物の具体例として、LiMn2O4(LMO)、LiCoMnO4、Li2FeMn3O8、Li2CuMn3O8、Li2CrMn3O8及びLi2NiMn3O8が挙げられる。
(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物としては、例えば、LiFePO4及びLi3Fe2(PO4)3等のオリビン型リン酸鉄塩、LiFeP2O7等のピロリン酸鉄類、LiCoPO4等のリン酸コバルト類並びにLi3V2(PO4)3(リン酸バナジウムリチウム)等の単斜晶ナシコン型リン酸バナジウム塩が挙げられる。
(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物としては、例えば、Li2FePO4F等のフッ化リン酸鉄塩、Li2MnPO4F等のフッ化リン酸マンガン塩及びLi2CoPO4F等のフッ化リン酸コバルト類が挙げられる。
(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物としては、例えば、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4、Li2CoSiO4等が挙げられる。
本発明では、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物が好ましく、LCO又はNMCがより好ましい。
焼成法によって得られた正極活物質は、水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、有機溶剤にて洗浄した後使用してもよい。
正極活物質層を形成する場合、正極活物質層の単位面積(cm2)当たりの正極活物質の質量(mg)(目付量)は特に制限されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができ、例えば、1~100mg/cm2とすることができる。
本明細書において、固形分(固形成分)とは、電極用組成物を、1mmHgの気圧下、窒素雰囲気下150℃で6時間乾燥処理したときに、揮発若しくは蒸発して消失しない成分をいう。典型的には、後述の有機溶媒以外の成分を指す。
負極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入及び放出できるものが好ましい。その材料は、上記特性を有するものであれば、特に制限はなく、炭素質材料、金属酸化物、金属複合酸化物、リチウム単体、リチウム合金、リチウムと合金形成可能な負極活物質等が挙げられる。中でも、炭素質材料、金属複合酸化物又はリチウム単体が信頼性の点から好ましく用いられる。
これらの炭素質材料は、黒鉛化の程度により難黒鉛化炭素質材料(ハードカーボンともいう。)と黒鉛系炭素質材料に分けることもできる。また炭素質材料は、特開昭62-22066号公報、特開平2-6856号公報、同3-45473号公報に記載される面間隔又は密度、結晶子の大きさを有することが好ましい。炭素質材料は、単一の材料である必要はなく、特開平5-90844号公報記載の天然黒鉛と人造黒鉛の混合物、特開平6-4516号公報記載の被覆層を有する黒鉛等を用いることもできる。
炭素質材料としては、ハードカーボン又は黒鉛が好ましく用いられ、黒鉛がより好ましく用いられる。
Sn、Si、Geを中心とする非晶質酸化物負極活物質に併せて用いることができる負極活物質としては、リチウムイオン又はリチウム金属を吸蔵及び/又は放出できる炭素質材料、リチウム単体、リチウム合金、リチウムと合金化可能な負極活物質が好適に挙げられる。
負極活物質、例えば金属酸化物は、チタン元素を含有すること(チタン酸化物)も好ましく挙げられる。具体的には、Li4Ti5O12(チタン酸リチウム[LTO])がリチウムイオンの吸蔵放出時の体積変動が小さいことから急速充放電特性に優れ、電極の劣化が抑制されリチウムイオン二次電池の寿命向上が可能となる点で好ましい。
一般的に、これらの負極活物質を含有する負極(ケイ素元素含有活物質を含有するSi負極、スズ元素を有する活物質を含有するSn負極等)は、炭素負極(黒鉛及びアセチレンブラックなど)に比べて、より多くのLiイオンを吸蔵できる。すなわち、単位質量あたりのLiイオンの吸蔵量が増加する。そのため、電池容量を大きくすることができる。その結果、バッテリー駆動時間を長くすることができるという利点がある。
ケイ素元素含有活物質としては、例えば、Si、SiOx(0<x≦1)等のケイ素材料、更には、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、ニッケル、銅、ランタン等を含むケイ素含有合金(例えば、LaSi2、VSi2、La-Si、Gd-Si、Ni-Si)、又は組織化した活物質(例えば、LaSi2/Si)、他にも、SnSiO3、SnSiS3等のケイ素元素及びスズ元素を含有する活物質等が挙げられる。なお、SiOxは、それ自体を負極活物質(半金属酸化物)として用いることができ、また、全固体二次電池の稼働によりSiを生成するため、リチウムと合金化可能な負極活物質(その前駆体物質)として用いることができる。
スズ元素を有する負極活物質としては、例えば、Sn、SnO、SnO2、SnS、SnS2、更には上記ケイ素元素及びスズ元素を含有する活物質等が挙げられる。また、酸化リチウムとの複合酸化物、例えば、Li2SnO2を挙げることもできる。
負極活物質層を形成する場合、負極活物質層の単位面積(cm2)当たりの負極活物質の質量(mg)(目付量)は特に制限されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができ、例えば、1~100mg/cm2とすることができる。
正極活物質及び負極活物質の表面は別の金属酸化物で表面被覆されていてもよい。表面被覆剤としてはTi、Nb、Ta、W、Zr、Al、Si又はLiを含有する金属酸化物等が挙げられる。具体的には、チタン酸スピネル、タンタル系酸化物、ニオブ系酸化物、ニオブ酸リチウム系化合物等が挙げられ、具体的には、Li4Ti5O12、Li2Ti2O5、LiTaO3、LiNbO3、LiAlO2、Li2ZrO3、Li2WO4、Li2TiO3、Li2B4O7、Li3PO4、Li2MoO4、Li3BO3、LiBO2、Li2CO3、Li2SiO3、SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3、B2O3等が挙げられる。
また、正極活物質又は負極活物質を含む電極表面は硫黄又はリンで表面処理されていてもよい。
更に、正極活物質又は負極活物質の粒子表面は、上記表面被覆の前後において活性光線又は活性気体(プラズマ等)により表面処理を施されていてもよい。
本発明の電極用組成物の製造方法において、工程(1)では、有機溶媒中での活物質に対する吸着率が50%以上である粒子状ポリマーバインダーAを用い、工程(2)では工程(1)で得られる分散液に含まれる有機溶媒に対する溶解度が2質量%以上であるポリマーバインダーB(溶解型ポリマー)を用いる。本発明において、バインダーA及びバインダーBは、それぞれ、1種単独で用いてもよく、複数種用いてもよい。また、本発明の効果を損なわない範囲で、各工程において、バインダーA及びバインダーB以外のバインダーを用いてもよい。
本発明において、活物質に対するバインダーAの吸着率は、工程(1)で用いられる有機溶媒中において、工程(1)で用いられる活物質に対してバインダーAが吸着する程度を示す指標である。ここで、活物質に対するバインダーAの吸着は、物理的吸着だけでなく、化学的吸着(化学結合形成による吸着、電子の授受による吸着等)も含む。また、活物質に対するバインダーAの吸着率の算出には有機溶媒としては、工程(1)で用いられる有機溶媒が好ましい。
工程(1)で複数種の活物質を用いる場合、工程(1)で用いられる有機溶媒中の活物質の組成(種類及び含有量)と同じ組成を有する活物質に対する吸着率となる。バインダーAを複数種用いる場合も、同様に、複数種のバインダーについての吸着率とする。
本発明において、活物質に対するバインダーAの吸着率は実施例に記載の方法により算出される値とする。
本発明において、活物質に対するバインダーAの吸着率は、バインダーAを形成するポリマーの種類(ポリマー鎖の構造及び組成)、ポリマーが有する官能基の種類若しくは含有量等により、適宜に設定できる。
バインダーAは、有機溶媒に不溶な粒子状バインダーである。本発明において、有機溶媒に対して不溶であるとは、実施例に記載の方法により算出される、有機溶媒に対する溶解度が1質量%以下であることを意味する。本発明において、バインダーAの溶解度は実施例に記載の方法により算出される値とする。
本発明において、バインダーAは活物質層(塗布乾燥層)においても粒子状バインダーであることが電池抵抗の点で、好ましい。
工程(2)で無機固体電解質を複数用いる場合、バインダーAを複数種用いる場合については、上述の、活物質に対するバインダーAの吸着率と同様である。
本発明において、無機固体電解質に対するバインダーAの吸着率は実施例に記載の方法により算出される値とする。本発明において、無機固体電解質に対するバインダーAの吸着率は、活物質に対するバインダーAの吸着率と同様にして、適宜に設定できる。
バインダーAの、電極用組成物中の含有量としては、固形分100質量%において、0.1~2質量%であることが好ましく、0.2~1質量%であることがより好ましく、0.3~0.7質量%であることがより好ましく、0.3~0.6質量%であることが更に好ましい。なお、バインダーAの、電極用組成物中の含有量は、上記範囲内で適宜に設定されるが、その下限値は、バインダーAの溶解度を考慮して、電極用組成物中で溶解しない(粒子状を維持できる)含有量である。
上記バインダーAと上記バインダーBとの使用量の比(上記バインダーAの使用量/上記バインダーBの使用量)は、特に制限されず、例えば、0.3~3であることが好ましく、0.5~2であることがより好ましい。
バインダーBは、工程(1)で用いられる有機溶媒に可溶である。本発明において、有機溶媒に対して可溶であるとは、実施例に記載の方法により算出される、有機溶媒に対する溶解度が2質量%以上であることを意味する。本発明において、バインダーBは、結着性の点で、有機溶媒に対する溶解度が3質量%以上であることが好ましく、5質量%以上であることがより好ましい。一方、この溶解度の上限値は、特に制限されず、例えば、25質量%とすることができ、20質量%以下であることが好ましい。本発明において、バインダーBの溶解度は実施例に記載の方法により算出される値とする。
本発明において、活物質に対するバインダーBの吸着率は実施例に記載の方法により算出される値とする。
本発明において、活物質に対するバインダーBの吸着率は、バインダーBを形成するポリマーの種類(ポリマー鎖の構造及び組成)、ポリマーが有する官能基の種類若しくは含有量等により、適宜に設定できる。
バインダーBの、電極用組成物中の含有量としては、固形分100質量%において、0.1~2質量%であることが好ましく、0.2~1質量%であることがより好ましく、0.3~0.7質量%であることがより好ましく、0.3~0.6質量%であることが更に好ましい。
また、バインダーA及びBの、電極用組成物中の合計の含有量としては、固形分100質量%において、0.2~4質量%であることが好ましく、0.3~2質量%であることがより好ましく、0.4~1.6質量%であることがより好ましく、0.4~1.5質量%であることがより好ましく、0.6~1.4質量%であることがより好ましく、0.6~1.2質量%であることが更に好ましい。
バインダーAを形成するポリマーは活物質に対する上記吸着率を満たす限り、バインダーBを形成するポリマーについては有機溶媒に対する上記溶解度を満たす限り、特に制限されない。両バインダーを形成するポリマーは、それぞれ、例えば、ポリウレタン、ポリウレア、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリエーテル、ポリカーボネート等の逐次重合(重縮合、重付加若しくは付加縮合)系ポリマー、更には、フッ素系ポリマー(含フッ素ポリマー)、炭化水素系ポリマー(炭化水素ポリマー)、ビニル系ポリマー、(メタ)アクリルポリマー等の連鎖重合系ポリマーが挙げられる。
バインダーAを形成するポリマーとしては、ポリウレタン又は(メタ)アクリルポリマーが好ましい。バインダーBを形成するポリマーとしては、結着性の点で、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマー、ポリウレタン又は(メタ)アクリルポリマーが好ましく、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマー、又は(メタ)アクリルポリマーがより好ましい。バインダーAとバインダーBとの組み合わせは、各バインダーを形成する上記好ましいポリマー同士の組み合わせが挙げられる。
- 逐次重合系ポリマー -
逐次重合系ポリマーは、ポリマーの主鎖に、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合、エステル結合、エーテル結合及びカーボネート結合のうちの少なくとも1つの結合を有している。このような結合を有するポリマーとしては、ポリウレタン、ポリウレア、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリエーテル及びポリカーボネートの各ポリマー、又は、これらの共重合体が挙げられる。共重合体は、上記各ポリマーをセグメントとするブロック共重合体、上記各ポリマーのうち2つ以上のポリマーを構成する各構成成分がランダムに結合したランダム共重合体でもよい。
上記ポリマーの主鎖が含む上記結合は、水素結合を形成することにより、全固体二次電池等の構成層中の固体粒子等の結着性向上に寄与する。これらの結合がポリマー内で水素結合を形成する場合、水素結合は、上記結合同士で形成されてもよく、上記結合と主鎖が有するそれ以外の部分構造とで形成されてもよい。上記結合は、互いに水素結合を形成可能な点で、水素結合を形成する水素原子を有していること(各結合の窒素原子が無置換であること)が好ましい。
上記結合は、ポリマーの主鎖中に含まれる限り特に制限されるものでなく、構成単位(繰り返し単位)中に含まれる態様及び/又は異なる構成単位同士を繋ぐ結合として含まれる態様のいずれでもよい。また、主鎖に含まれる上記結合は、1種に限定されず、2種以上であってもよい。この場合、主鎖の結合様式は、特に制限されず、2種以上の結合をランダムに有していてもよく、特定の結合を有するセグメントと他の結合を有するセグメントとのセグメント化された主鎖でもよい。
ウレア結合により、式(I-1)で表される構成成分と式(I-4)で表される構成成分とが結合する。
アミド結合により、式(I-2)で表される構成成分と式(I-4)で表される構成成分とが結合する。
イミド結合により、式(I-5)で表される化合物由来の構成成分と式(I-6)で表される化合物由来の構成成分とが結合する。
エステル結合により、式(I-2)で表される構成成分と式(I-3)で表される構成成分とが結合する。
RP1及びRP2としてとりうる上記分子鎖は、特に制限されず、炭化水素鎖、ポリアルキレンオキシド鎖、ポリカーボネート鎖又はポリエステル鎖が好ましく、炭化水素鎖又はポリアルキレンオキシド鎖がより好ましく、炭化水素鎖、ポリエチレンオキシド鎖又はポリプロピレンオキシド鎖が更に好ましい。
低分子量の炭化水素鎖は、通常の(非重合性の)炭化水素基からなる鎖であり、この炭化水素基としては、例えば、脂肪族若しくは芳香族の炭化水素基が挙げられ、具体的には、アルキレン基(炭素数は1~12が好ましく、1~6がより好ましく、1~3が更に好ましい)、アリーレン基(炭素数は6~22が好ましく、6~14が好ましく、6~10がより好ましい)、又はこれらの組み合わせからなる基が好ましい。RP2としてとりうる低分子量の炭化水素鎖を形成する炭化水素基としては、アルキレン基がより好ましく、炭素数2~6のアルキレン基が更に好ましく、炭素数2又は3のアルキレン基が特に好ましい。
芳香族の炭化水素基は、例えば、後掲する各例示の構成成分が有する炭化水素基が挙げられ、フェニレン基又は下記式(M2)で表される炭化水素基が好ましい。
RM2~RM5は、それぞれ、水素原子又は置換基を示し、水素原子が好ましい。RM2~RM5としてとりうる置換基としては、特に制限されないが、例えば、炭素数1~20のアルキル基、炭素数1~20のアルケニル基、-ORM6、―N(RM6)2、-SRM6(RM6は置換基を示し、好ましくは炭素数1~20のアルキル基又は炭素数6~10のアリール基を示す。)、ハロゲン原子(例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子)が挙げられる。-N(RM6)2としては、アルキルアミノ基(炭素数は、1~20が好ましく、1~6がより好ましい)又はアリールアミノ基(炭素数は、6~40が好ましく、6~20がより好ましい)が挙げられる。
末端反応性基を有する炭化水素ポリマーとしては、例えば、いずれも商品名で、NISSO-PBシリーズ(日本曹達社製)、クレイソールシリーズ(巴工業社製)、PolyVEST-HTシリーズ(エボニック社製)、poly-bdシリーズ(出光興産社製)、poly-ipシリーズ(出光興産社製)、EPOL(出光興産社製)及びポリテールシリーズ(三菱化学社製)等が好適に用いられる。
ポリカーボネート鎖又はポリエステル鎖としては、公知のポリカーボネート又はポリエステルからなる鎖が挙げられる。
ポリアルキレンオキシド鎖、ポリカーボネート鎖又はポリエステル鎖は、それぞれ、末端にアルキル基(炭素数は1~12が好ましく、1~6がより好ましい)を有することが好ましい。
RP1及びRP2としてとりうるポリアルキレンオキシド鎖、ポリカーボネート鎖及びポリエステル鎖の末端は、RP1及びRP2として上記各式で表される構成成分に組み込み可能な通常の化学構造に適宜に変更することができる。例えば、実施例で合成したポリウレタン1~6のように、ポリアルキレンオキシド鎖の末端酸素原子は取り除かれて上記構成成分のRP1又はRP2として組み込まれる。
上記各式において、RP1及びRP2は2価の分子鎖であるが、少なくとも1つの水素原子が-NH-CO-、-CO-、-O-、-NH-又は-N<で置換されて、3価以上の分子鎖となっていてもよい。
RP2は、上記分子鎖の中でも、低分子量の炭化水素鎖(より好ましくは脂肪族の炭化水素基)、又は低分子量の炭化水素鎖以外の分子鎖が好ましく、低分子量の炭化水素鎖及び低分子量の炭化水素鎖以外の分子鎖をそれぞれ含む態様がより好ましい。この態様においては、式(I-3)で表される構成成分、式(I-4)で表される構成成分及び式(I-6)で表される化合物のいずれかは、RP2が低分子量の炭化水素基鎖である構成成分と、RP2が低分子量の炭化水素鎖以外の分子鎖である構成成分の少なくとも2種を含むことが好ましい。
なお、下記具体例において、構成成分中に繰り返し構造を有する場合、その繰り返し数は1以上の整数であり、上記分子鎖の分子量又は炭素原子数を満たす範囲で適宜に設定される。
なお、バインダーを構成するポリマー中における上記各式で表される構成成分の含有量は後述する。
逐次重合系ポリマー中の、上記各式で表される構成成分以外の構成成分の含有量は、特に限定されず、50質量%以下であることが好ましい。
すなわち、逐次重合系ポリマー中の、式(I-1)若しくは式(I-2)で表される構成成分、又は式(I-5)で表されるカルボン酸二無水物由来の構成成分の含有量は、特に制限されず、10~50モル%であることが好ましく、20~50モル%であることがより好ましく、30~50モル%であることが更に好ましい。
逐次重合系ポリマー中の、式(I-3)、式(I-4)又は式(I-6)で表される構成成分の含有量は、特に制限されず、10~50モル%であることが好ましく、20~50モル%であることがより好ましく、30~50モル%であることが更に好ましい。
式(I-3)又は式(I-4)で表される構成成分のうち、RP2が分子鎖として上記ポリアルキレンオキシド鎖である構成成分(例えば上記式(I-3B)で表される構成成分)の、逐次重合系ポリマー中の含有量は、特に制限されず、例えば、0~50モル%であることが好ましく、10~45モル%であることがより好ましく、20~43モル%であることが更に好ましい。
式(I-3)又は式(I-4)で表される構成成分のうち、RP2が分子鎖として上記炭化水素ポリマー鎖である構成成分(例えば上記式(I-3C)で表される構成成分)の、逐次重合系ポリマー中の含有量は、特に制限されず、例えば、0~50モル%であることが好ましく、1~45モル%であることがより好ましく、3~40モル%であることが更に好ましく、3~30モル%であることが更に好ましく、3~20モル%であることが更に好ましく、3~10モル%であることが更に好ましい。
バインダーを形成するポリマーとして好適な連鎖重合系のポリマーは、非芳香族性の炭素-炭素二重結合を有する1種又は2種以上のモノマーが連鎖重合してなるポリマーである。中でも、上述の、含フッ素ポリマー、炭化水素系ポリマー、ビニル系ポリマー又は(メタ)アクリルポリマーが好ましく、(メタ)アクリルポリマーがより好ましい。
ビニル系ポリマーとしては、(メタ)アクリル化合物(M1)以外のビニル系モノマーを例えば50モル%以上含有するポリマーが挙げられる。ビニル系モノマーとしては、後述するビニル化合物等が挙げられる。ビニル系ポリマーとしては、具体的には、例えば、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、ポリ酢酸ビニル、又はこれらを含む共重合体等が挙げられる。
このビニル系ポリマーは、ビニル系モノマー由来の構成成分以外に、後述する(メタ)アクリルポリマーを形成する(メタ)アクリル化合物(M1)由来の構成成分、更には後述するマクロモノマーに由来する構成成分(MM)を有することが好ましい。ビニル系モノマー由来の構成成分の含有量は、(メタ)アクリルポリマーにおける(メタ)アクリル化合物(M1)由来の構成成分の含有量と同じであることが好ましい。(メタ)アクリル化合物(M1)由来の構成成分の含有量は、ポリマー中、50モル%未満であれば特に制限されず、0~40モル%であることが好ましく、5~35モル%であることがより好ましい。構成成分(MM)の含有量は(メタ)アクリルポリマーにおける含有量と同じであることが好ましい。
(メタ)アクリルポリマー中におけるその他の重合性化合物(M2)の含有量は、特に制限されず、例えば50モル%未満とすることができる。
酸素原子を含有する脂肪族複素環基は、エポキシ基含有基、オキセタン基含有基、テトラヒドロフリル基含有基などが好ましい。
R3は、R2と同義である。
L2は、連結基であり、上記L1と同義である。
L3は、連結基であり、上記L1と同義であるが、炭素数1~6(好ましくは1~3)のアルキレン基が好ましい。
mは1~200の整数であり、1~100の整数であることが好ましく、1~50の整数であることがより好ましい。
また、式(b-1)~(b-3)において、アルキル基、アリール基、アルキレン基、アリーレン基など置換基を取ることがある基については、本発明の効果を損なわない範囲で置換基を有していてもよい。置換基としては、例えば後述する置換基Z及び官能基群(I)から選択される基が挙げられ、具体的には、ハロゲン原子、ヒドロキシ基、スルファニル基、アシル基、アシルオキシ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アリーロイル基、アリーロイルオキシ基等が挙げられる。
-SP値の定義-
本発明において、SP値は、特に断らない限り、Hoy法によって求める(H.L.Hoy JOURNAL OF PAINT TECHNOLOGY Vol.42,No.541,1970,76-118、及びPOLYMER HANDBOOK 4th、59章、VII 686ページ Table5、Table6及びTable6中の下記式参照)。また、SP値については単位を省略して示しているが、その単位はJ1/2cm-3/2である。なお、構成成分(MM)のSP値は、マクロモノマーのSP値とほぼ変わらず、それにより評価してもよい。
本発明において、ポリマーのSP値(SPP)は、ポリマーを構成する各繰り返し単位のSP値を、それぞれ、SP1、SP2・・・、各繰り返し単位の質量分率をW1、W2・・・とした場合、下記式で算出される値とする。
SPp 2=(SP1 2×W1)+(SP2 2×W2)+・・・
(メタ)アクリル樹脂の鎖は、(メタ)アクリル酸化合物、(メタ)アクリル酸エステル化合物及び(メタ)アクリロニトリル化合物から選ばれる(メタ)アクリル化合物に由来する構成成分を含むことが好ましく、2種以上の(メタ)アクリル化合物の重合体であってもよい。(メタ)アクリル化合物は上記(メタ)アクリル化合物(M1)と同義である。ポリシロキサン鎖は、特に限定されず、アルキル基若しくはアリール基を有するシロキサンの重合体が挙げられる。炭化水素鎖としては、上述した炭化水素系ポリマーからなる鎖が挙げられる。
本発明において、連結基を構成する原子の数は、1~36であることが好ましく、1~24であることがより好ましく、1~12であることが更に好ましく、1~6であることが特に好ましい。連結基の連結原子数は10以下であることが好ましく、8以下であることがより好ましい。下限としては、1以上である。上記連結原子数とは所定の構造部間を結ぶ最少の原子数をいう。例えば、-CH2-C(=O)-O-の場合、連結基を構成する原子の数は6となるが、連結原子数は3となる。
*の結合位置の先に存在する構造部としては、マクロモノマーとしての分子量を満たせば特に限定されず、(好ましくは連結基を介して結合してもよい)上記重合鎖が好ましい。このとき、連結基及び重合鎖はそれぞれ置換基Zを有していてもよく、例えば、ハロゲン原子(フッ素原子)などを有していてもよい。
上記式(b-11)で表される重合性基及び上記式(b-12a)~(b-12c)のいずれかで表される重合性部位において、重合性基を形成する炭素原子であってR11又はRb2が結合していない炭素原子は無置換炭素原子として表しているが、上述のように、置換基を有していてもよい。置換基としては、特に制限されず、例えば、R1としてとりうる上記基が挙げられる。
naは特に限定されず、好ましくは1~6の整数であり、より好ましくは1又は2であり、更に好ましくは1である。
Raとしてとりうる置換基としては、特に限定されず、上記重合鎖が好ましく、(メタ)アクリル樹脂の鎖又はポリシロキサン鎖がより好ましい。
Raは、式(b-13a)中の酸素原子(-O-)に直接結合していてもよく、連結基を介して結合していてもよい。この連結基としては、特に限定されず、上述の、重合性基と重合鎖とを連結する連結基が挙げられる。
構成成分(MM)の、(メタ)アクリルポリマー中の含有量は、特に限定されず、0~60モル%であることが好ましく、0.2~50モル%であることがより好ましく、0.5~40モル%であることが更に好ましい。上記範囲の含有量であると、無機固体電解質含有組成物の分散性と固体粒子間等の結着性とイオン伝導性とを高い水準で発揮できる。
ビニル化合物(M2)に由来する構成成分の、(メタ)アクリルポリマー中の含有量は、特に限定されず、0~30モル%であることが好ましく、0~20モル%であることがより好ましく、0~10モル%であることが特に好ましい。
(メタ)アクリルポリマーが後述する官能基を有する場合、上記構成成分のいずれが官能基を有していてもよく、官能基を有する構成成分の含有量は、後述する通りであるが、上記含有量も満たす。
バインダーを形成するポリマーは、特にバインダーAを形成するポリマーとして適用される場合、無機固体電解質等の固体粒子の表面への濡れ性又は吸着性を高めるための官能基を有することが好ましい。このような官能基としては、固体粒子の表面において水素結合等の物理的相互作用を示す基及び固体粒子の表面に存在する基と化学結合を形成し得る基が挙げられ、具体的には、下記官能基群(I)から選択される基を少なくとも1つ有することがより好ましい。ただし、固体粒子の表面への濡れ性又は吸着性をより効果的に発現する観点からは、官能基同士で結合を形成することが可能な2種以上の基を有さないことが好ましい。
<官能基群(I)>
カルボキシ基、スルホン酸基(-SO3H)、リン酸基(-PO4H2)、アミノ基(-NH2)、ヒドロキシ基、スルファニル基、イソシアナト基、アルコキシシリル基及び3環以上の縮環構造を有する基
アルコキシシリル基は、少なくとも一つのアルコキシ基(炭素数は1~12が好ましい。)でSi原子が置換されたシリル基であればよく、Si原子上のその他の置換基としては、アルキル基、アリール基等が挙げられる。アルコキシシリル基としては、例えば、後述の置換基Zにおけるアルコキシシリル基の記載が好ましく適用できる。
3環以上の縮環構造を有する基は、コレステロール環構造を有する基、又は3環以上の芳香族環が縮環した構造を有する基が好ましく、コレステロール残基又はピレニル基がより好ましい。
バインダーAを形成するポリマー中における官能基群(I)から選択される官能基の含有量は、特に制限されず、例えば、上記官能基群(I)から選択される官能基を有する構成成分の、バインダーを形成するポリマーを構成する全構成成分中の割合は、0.01~50モル%が好ましく、0.02~49モル%が好ましく、0.1~40モル%がより好ましく、1~30モル%が更に好ましく、3~25モル%が特に好ましい。
一方、バインダーを形成するポリマーは、バインダーBを形成するポリマーとして適用される場合、上述の範囲の吸着率を満たす限り、上記官能基を有していてもよく、有さないことが好ましい。バインダーBを形成するポリマー中における官能基群(I)から選択される官能基の含有量は、特に制限されず、上記官能基群(I)から選択される官能基を有する構成成分の、バインダーを形成するポリマーを構成する全構成成分中の割合は、20モル%以下が好ましく、5モル%以下が好ましく、1モル%以下がより好ましく、0.7モル%以下が更に好ましい。
- 置換基Z -
アルキル基(好ましくは炭素数1~20のアルキル基、例えばメチル、エチル、イソプロピル、t-ブチル、ペンチル、ヘプチル、1-エチルペンチル、ベンジル、2-エトキシエチル、1-カルボキシメチル等)、アルケニル基(好ましくは炭素数2~20のアルケニル基、例えば、ビニル、アリル、オレイル等)、アルキニル基(好ましくは炭素数2~20のアルキニル基、例えば、エチニル、ブタジイニル、フェニルエチニル等)、シクロアルキル基(好ましくは炭素数3~20のシクロアルキル基、例えば、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシル、4-メチルシクロヘキシル等、本明細書においてアルキル基というときには通常シクロアルキル基を含む意味であるが、ここでは別記する。)、アリール基(好ましくは炭素数6~26のアリール基、例えば、フェニル、1-ナフチル、4-メトキシフェニル、2-クロロフェニル、3-メチルフェニル等)、アラルキル基(好ましくは炭素数7~23のアラルキル基、例えば、ベンジル、フェネチル等)、ヘテロ環基(好ましくは炭素数2~20のヘテロ環基で、より好ましくは、少なくとも1つの酸素原子、硫黄原子、窒素原子を有する5又は6員環のヘテロ環基である。ヘテロ環基には芳香族ヘテロ環基及び脂肪族ヘテロ環基を含む。例えば、テトラヒドロピラン環基、テトラヒドロフラン環基、2-ピリジル、4-ピリジル、2-イミダゾリル、2-ベンゾイミダゾリル、2-チアゾリル、2-オキサゾリル、ピロリドン基等)、アルコキシ基(好ましくは炭素数1~20のアルコキシ基、例えば、メトキシ、エトキシ、イソプロピルオキシ、ベンジルオキシ等)、アリールオキシ基(好ましくは炭素数6~26のアリールオキシ基、例えば、フェノキシ、1-ナフチルオキシ、3-メチルフェノキシ、4-メトキシフェノキシ等、本明細書においてアリールオキシ基というときにはアリーロイルオキシ基を含む意味である。)、ヘテロ環オキシ基(上記ヘテロ環基に-O-基が結合した基)、アルコキシカルボニル基(好ましくは炭素数2~20のアルコキシカルボニル基、例えば、エトキシカルボニル、2-エチルヘキシルオキシカルボニル、ドデシルオキシカルボニル等)、アリールオキシカルボニル基(好ましくは炭素数6~26のアリールオキシカルボニル基、例えば、フェノキシカルボニル、1-ナフチルオキシカルボニル、3-メチルフェノキシカルボニル、4-メトキシフェノキシカルボニル等)、アミノ基(好ましくは炭素数0~20のアミノ基、アルキルアミノ基、アリールアミノ基を含み、例えば、アミノ(-NH2)、N,N-ジメチルアミノ、N,N-ジエチルアミノ、N-エチルアミノ、アニリノ等)、スルファモイル基(好ましくは炭素数0~20のスルファモイル基、例えば、N,N-ジメチルスルファモイル、N-フェニルスルファモイル等)、アシル基(アルキルカルボニル基、アルケニルカルボニル基、アルキニルカルボニル基、アリールカルボニル基、ヘテロ環カルボニル基を含み、好ましくは炭素数1~20のアシル基、例えば、アセチル、プロピオニル、ブチリル、オクタノイル、ヘキサデカノイル、アクリロイル、メタクリロイル、クロトノイル、ベンゾイル、ナフトイル、ニコチノイル等)、アシルオキシ基(アルキルカルボニルオキシ基、アルケニルカルボニルオキシ基、アルキニルカルボニルオキシ基、アリールカルボニルオキシ基、ヘテロ環カルボニルオキシ基を含み、好ましくは炭素数1~20のアシルオキシ基、例えば、アセチルオキシ、プロピオニルオキシ、ブチリルオキシ、オクタノイルオキシ、ヘキサデカノイルオキシ、アクリロイルオキシ、メタクリロイルオキシ、クロトノイルオキシ、ベンゾイルオキシ、ナフトイルオキシ、ニコチノイルオキシ等)、アリーロイルオキシ基(好ましくは炭素数7~23のアリーロイルオキシ基、例えば、ベンゾイルオキシ等)、カルバモイル基(好ましくは炭素数1~20のカルバモイル基、例えば、N,N-ジメチルカルバモイル、N-フェニルカルバモイル等)、アシルアミノ基(好ましくは炭素数1~20のアシルアミノ基、例えば、アセチルアミノ、ベンゾイルアミノ等)、アルキルチオ基(好ましくは炭素数1~20のアルキルチオ基、例えば、メチルチオ、エチルチオ、イソプロピルチオ、ベンジルチオ等)、アリールチオ基(好ましくは炭素数6~26のアリールチオ基、例えば、フェニルチオ、1-ナフチルチオ、3-メチルフェニルチオ、4-メトキシフェニルチオ等)、ヘテロ環チオ基(上記ヘテロ環基に-S-基が結合した基)、アルキルスルホニル基(好ましくは炭素数1~20のアルキルスルホニル基、例えば、メチルスルホニル、エチルスルホニル等)、アリールスルホニル基(好ましくは炭素数6~22のアリールスルホニル基、例えば、ベンゼンスルホニル等)、アルキルシリル基(好ましくは炭素数1~20のアルキルシリル基、例えば、モノメチルシリル、ジメチルシリル、トリメチルシリル、トリエチルシリル等)、アリールシリル基(好ましくは炭素数6~42のアリールシリル基、例えば、トリフェニルシリル等)、アルコキシシリル基(好ましくは炭素数1~20のアルコキシシリル基、例えば、モノメトキシシリル、ジメトキシシリル、トリメトキシシリル、トリエトキシシリル等)、アリールオキシシリル基(好ましくは炭素数6~42のアリールオキシシリル基、例えば、トリフェニルオキシシリル等)、ホスホリル基(好ましくは炭素数0~20のリン酸基、例えば、-OP(=O)(RP)2)、ホスホニル基(好ましくは炭素数0~20のホスホニル基、例えば、-P(=O)(RP)2)、ホスフィニル基(好ましくは炭素数0~20のホスフィニル基、例えば、-P(RP)2)、スルホ基(スルホン酸基)、カルボキシ基、ヒドロキシ基、スルファニル基、シアノ基、ハロゲン原子(例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等)が挙げられる。RPは、水素原子又は置換基(好ましくは置換基Zから選択される基)である。
また、これらの置換基Zで挙げた各基は、上記置換基Zが更に置換していてもよい。
上記アルキル基、アルキレン基、アルケニル基、アルケニレン基、アルキニル基及び/又はアルキニレン基等は、環状でも鎖状でもよく、また直鎖でも分岐していてもよい。
バインダーを形成するポリマーは、非架橋ポリマーであっても架橋ポリマーであってもよい。また、加熱又は電圧の印加によってポリマーの架橋が進行した場合には、上記分子量より大きな分子量となっていてもよい。好ましくは、全固体二次電池の使用開始時にポリマーが上記範囲の質量平均分子量であることである。
なお、全固体二次電池の構成層における粒子状バインダーAの粒子径は、例えば、電池を分解して粒子状バインダーAを含有する構成層を剥がした後、その構成層について測定を行い、予め測定していた粒子状バインダーA以外の粒子の粒子径の測定値を排除することにより、測定することができる。
粒子状バインダーAの粒子径は、例えば、有機溶媒の種類、ポリマー中の構成成分の含有量及び含有量等により、調整できる。
バインダーを形成するポリマーは、非晶質であることが好ましい。本発明において、ポリマーが「非晶質」であるとは、典型的には、ガラス転移温度で測定したときに結晶融解に起因する吸熱ピークが見られないことをいう。
バインダーBを形成するポリマーの質量平均分子量は、特に制限されず上記範囲にあることが好ましいが、上記範囲のうち、分散性及び結着性の点で、20,000~5,000,000がより好ましく、50,000~4,000,000が更に好ましく、100,000~3,000,000が特に好ましい。
本発明において、ポリマー、ポリマー鎖及びマクロモノマーの分子量については、特に断らない限り、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって標準ポリスチレン換算の質量平均分子量及び数平均分子量をいう。その測定法としては、基本として下記条件1又は条件2(優先)の方法により測定した値とする。ただし、ポリマー又はマクロモノマーの種類によっては適宜適切な溶離液を選定して用いればよい。
(条件1)
カラム:TOSOH TSKgel Super AWM-H(商品名、東ソー社製)を2本つなげる
キャリア:10mMLiBr/N-メチルピロリドン
測定温度:40℃
キャリア流量:1.0ml/min
試料濃度:0.1質量%
検出器:RI(屈折率)検出器
(条件2)
カラム:TOSOH TSKgel Super HZM-H、TOSOH TSKgel Super HZ4000、TOSOH TSKgel Super HZ2000(いずれも商品名、東ソー社製)をつないだカラムを用いる。
キャリア:テトラヒドロフラン
測定温度:40℃
キャリア流量:1.0ml/min
試料濃度:0.1質量%
検出器:RI(屈折率)検出器
本発明の電極用組成物の製造方法で規定する工程(1)に用いられる有機溶媒は、活物質及び粒子状バインダーAを分散させるものであればよい。有機溶媒としては、アルコール化合物、エーテル化合物、アミド化合物、アミン化合物、ケトン化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物、ニトリル化合物、エステル化合物等の各溶媒が挙げられる。
アルコール化合物としては、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、1-プロピルアルコール、2-プロピルアルコール、2-ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、1,6-ヘキサンジオール、シクロヘキサンジオール、ソルビトール、キシリトール、2-メチル-2,4-ペンタンジオール、1,3-ブタンジオール、1,4-ブタンジオールが挙げられる。
ケトン化合物としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、ジイソブチルケトンなどが挙げられる。
芳香族化合物としては、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素化合物が挙げられる。
脂肪族化合物としては、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカンなどの脂肪族炭化水素化合物が挙げられる。
ニトリル化合物としては、例えば、アセトニトリル、プロピロニトリル、イソブチロニトリルなどが挙げられる。
エステル化合物としては、例えば、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸プロピル、酪酸ブチル、ペンタン酸ブチルなどが挙げられる。
上記有機溶媒は、1種を混合しても、2種以上を混合してもよい。2種以上の有機溶媒を混合する場合、そのうちの少なくとも1種はエステル化合物、ケトン化合物又はエーテル化合物であることが好ましい。
また、工程(2)で有機溶媒を用いる場合、有機溶媒の使用量は、特に制限されず適宜に設定することができる。例えば、固形分100質量部に対して、20~200質量部であることが好ましく、22~150質量部であることがより好ましく、25~100質量部であることが更に好ましい。
本発明の電極用組成物の製造方法により得られる電極用組成物中の固形分濃度としては20~90質量%が好ましく、25~85質量%がより好ましく、30~80質量%が特に好ましい。
本発明において、無機固体電解質とは、無機の固体電解質のことであり、固体電解質とは、その内部においてイオンを移動させることができる固体状の電解質のことである。主たるイオン伝導性材料として有機物を含むものではないことから、有機固体電解質(ポリエチレンオキシド(PEO)などに代表される高分子電解質、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)などに代表される有機電解質塩)とは明確に区別される。また、無機固体電解質は定常状態では固体であるため、通常カチオン及びアニオンに解離又は遊離していない。この点で、電解液、又は、ポリマー中でカチオン及びアニオンに解離若しくは遊離している無機電解質塩(LiPF6、LiBF4、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)、LiClなど)とも明確に区別される。無機固体電解質は周期律表第1族若しくは第2族に属する金属のイオンの伝導性を有するものであれば、特に限定されず、電子伝導性を有さないものが一般的である。本発明の全固体二次電池がリチウムイオン電池の場合、無機固体電解質は、リチウムイオンのイオン伝導性を有することが好ましい。
上記無機固体電解質は、全固体二次電池に通常使用される固体電解質材料を適宜選定して用いることができる。例えば、無機固体電解質としては、(i)硫化物系無機固体電解質、(ii)酸化物系無機固体電解質、(iii)ハロゲン化物系無機固体電解質、及び、(iV)水素化物系固体電解質が挙げられ、活物質と無機固体電解質との間により良好な界面を形成することができる観点から、硫化物系無機固体電解質が好ましい。
硫化物系無機固体電解質は、硫黄原子を含有し、かつ、周期律表第1族若しくは第2族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有するものが好ましい。硫化物系無機固体電解質は、元素として少なくともLi、S及びPを含有し、リチウムイオン伝導性を有しているものが好ましいが、目的又は場合に応じて、Li、S及びP以外の他の元素を含んでもよい。
La1Mb1Pc1Sd1Ae1 (S1)
式中、LはLi、Na及びKから選択される元素を示し、Liが好ましい。Mは、B、Zn、Sn、Si、Cu、Ga、Sb、Al及びGeから選択される元素を示す。Aは、I、Br、Cl及びFから選択される元素を示す。a1~e1は各元素の組成比を示し、a1:b1:c1:d1:e1は1~12:0~5:1:2~12:0~10を満たす。a1は1~9が好ましく、1.5~7.5がより好ましい。b1は0~3が好ましく、0~1がより好ましい。d1は2.5~10が好ましく、3.0~8.5がより好ましい。e1は0~5が好ましく、0~3がより好ましい。
硫化物系無機固体電解質は、例えば硫化リチウム(Li2S)、硫化リン(例えば五硫化二燐(P2S5))、単体燐、単体硫黄、硫化ナトリウム、硫化水素、ハロゲン化リチウム(例えばLiI、LiBr、LiCl)及び上記Mで表される元素の硫化物(例えばSiS2、SnS、GeS2)の中の少なくとも2つ以上の原料の反応により製造することができる。
酸化物系無機固体電解質は、酸素原子を含有し、かつ、周期律表第1族若しくは第2族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有するものが好ましい。
酸化物系無機固体電解質は、イオン伝導度として、1×10-6S/cm以上であることが好ましく、5×10-6S/cm以上であることがより好ましく、1×10-5S/cm以上であることが特に好ましい。上限は特に制限されず、1×10-1S/cm以下であることが実際的である。
またLi、P及びOを含むリン化合物も望ましい。例えばリン酸リチウム(Li3PO4); リン酸リチウムの酸素の一部を窒素で置換したLiPON; LiPOD1(D1は、好ましくは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、Pt及びAuから選ばれる1種以上の元素である。)等が挙げられる。
更に、LiA1ON(A1は、Si、B、Ge、Al、C及びGaから選ばれる1種以上の元素である。)等も好ましく用いることができる。
ハロゲン化物系無機固体電解質は、ハロゲン原子を含有し、かつ、周期律表第1族若しくは第2族に属する金属のイオンの伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有する化合物が好ましい。
ハロゲン化物系無機固体電解質としては、特に制限されず、例えば、LiCl、LiBr、LiI、ADVANCED MATERIALS,2018,30,1803075に記載のLi3YBr6、Li3YCl6等の化合物が挙げられる。中でも、Li3YBr6、Li3YCl6を好ましい。
水素化物系無機固体電解質は、水素原子を含有し、かつ、周期律表第1族若しくは第2族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有する化合物が好ましい。
水素化物系無機固体電解質としては、特に制限されず、例えば、LiBH4、Li4(BH4)3I、3LiBH4-LiCl等が挙げられる。
無機固体電解質の平均粒径の測定は、以下の手順で行う。無機固体電解質粒子を、水(水に不安定な物質の場合はジイソブチルケトン(DIBK))を用いて20mLサンプル瓶中で1質量%の分散液を希釈調製する。希釈後の分散液試料は、1kHzの超音波を10分間照射し、その直後に試験に使用する。この分散液試料を用い、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置LA-920(商品名、HORIBA社製)を用いて、温度25℃で測定用石英セルを使用してデータ取り込みを50回行い、体積平均粒子径を得る。その他の詳細な条件等は必要によりJIS Z 8828:2013「粒子径解析-動的光散乱法」の記載を参照する。1水準につき5つの試料を作製しその平均値を採用する。
電極活物質層の単位面積(cm2)当たりの無機固体電解質の質量(mg)(目付量)は特に制限されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができ、例えば、活物質と無機固体電解質との合計量で1~100mg/cm2とすることができる。
導電助剤としては、特に制限はなく、一般的な導電助剤として知られているものを用いることができる。例えば、電子伝導性材料である、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラックなどのカーボンブラック類、ニードルコークスなどの無定形炭素、気相成長炭素繊維若しくはカーボンナノチューブなどの炭素繊維類、グラフェン若しくはフラーレンなどの炭素質材料であってもよいし、銅、ニッケルなどの金属粉、金属繊維でもよく、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリフェニレン誘導体などの導電性高分子を用いてもよい。
本発明において、活物質と導電助剤とを併用する場合、上記の導電助剤のうち、電池を充放電した際に周期律表第一族若しくは第二族に属する金属のイオン(好ましくはLiイオン)の挿入と放出が起きず、活物質として機能しないものを導電助剤とする。したがって、導電助剤の中でも、電池を充放電した際に活物質層中において活物質として機能しうるものは、導電助剤ではなく活物質に分類する。電池を充放電した際に活物質として機能するか否かは、一義的ではなく、活物質との組み合わせにより決定される。
導電助剤の形状は、特に制限されず、粒子状が好ましい。
また、本発明の電極用組成物の製造方法により得られる電極用組成物中の導電助剤の含有量は、固形分100質量%中、0~10質量%が好ましい。
本発明の電極用組成物の製造方法には、リチウム塩(支持電解質)を用いることもできる。
リチウム塩としては、通常この種の製品に用いられるリチウム塩が好ましく、特に制限はなく、例えば、特開2015-088486の段落0082~0085記載のリチウム塩が好ましい。
本発明の電極用組成物の製造方法にリチウム塩を用いる場合、リチウム塩の使用量は特に制限されず、結着性及び電池抵抗の点で、活物質100質量部に対して、0~3質量部であることが好ましく、0.1~2質量部であることがより好ましく、0.2~1質量部であることが更に好ましい。なお、この使用量は、工程(1)及び(2)の使用量の合計である。
本発明の電極用組成物の製造方法により得られる電極用組成物中のリチウム塩の含有量としては、固形分100質量%中、0~2質量%が好ましく、0~1質量%がより好ましい。
本発明の電極用組成物の製造方法は、この製造方法により得られる電極用組成物中、上述のバインダーが分散剤としても機能するため、このバインダー以外の分散剤を用いなくてもよいが、分散剤を用いてもよい。分散剤としては、全固体二次電池に通常使用されるものを適宜選定して用いることができる。一般的には粒子吸着と立体反発及び/又は静電反発を意図した化合物が好適に使用される。
本発明の電極用組成物の製造方法は、上記各成分以外の他の成分として、適宜に、イオン液体、増粘剤、架橋剤(ラジカル重合、縮合重合又は開環重合により架橋反応するもの等)、重合開始剤(酸又はラジカルを熱又は光によって発生させるものなど)、消泡剤、レベリング剤、脱水剤、酸化防止剤等を用いることができる。イオン液体は、イオン伝導度をより向上させるため用いられるものであり、公知のものを特に制限されることなく用いることができる。
本発明の全固体二次電池用電極シートの製造方法は、本発明の電極用組成物の製造方法により得られる電極用組成物を塗布する工程を含むこと以外は特に制限されず、この電極用組成物を用いて、正極活物質層及び負極活物質層の少なくとも1層を形成することにより、製造できる。例えば、好ましくは基材若しくは集電体上(他の層を介していてもよい。)に、製膜(塗布乾燥)して電極用組成物からなる層(塗布乾燥層)を形成する方法が挙げられる。これにより、基材若しくは集電体と、塗布乾燥層とを有する全固体二次電池用電極シートを作製することができる。ここで、塗布乾燥層とは、本発明の電極用組成物の製造方法により得られる電極用組成物を塗布し、有機溶媒を乾燥させることにより形成される層(すなわち、本発明の電極用組成物の製造方法により得られる電極用組成物を用いてなり、この電極用組成物から有機溶媒を除去した組成からなる層)をいう。活物質層及び塗布乾燥層は、本発明の効果を損なわない範囲であれば有機溶媒が残存していてもよく、残存量としては、例えば、各層中、3質量%以下とすることができる。
本発明の全固体二次電池用電極シートの製造方法において、塗布、乾燥等の各工程については、下記全固体二次電池の製造方法において説明する。
また、本発明の全固体二次電池用電極シートの製造方法においては、基材、保護層(特に剥離シート)等を剥離することもできる。
本発明の全固体二次電池の製造方法は、本発明の全固体二次電池用電極シートの製造方法により得られる全固体二次電池用電極シートを用いること以外は常法によって、製造できる。具体的には、全固体二次電池は、本発明の電極用組成物の製造方法により得られる電極用組成物を用いて、正極活物質層及び負極活物質層の少なくとも1層を形成することにより、製造できる。しかも、本発明の全固体二次電池用電極シートの製造方法により得られる全固体二次電池用電極シートは少ないバインダー添加量で、結着性に優れているから、電池特性に優れた全固体二次電池を製造できる。
例えば、正極集電体である金属箔上に、正極用材料(正極用組成物)として、本発明の電極用組成物の製造方法により得られる正極用組成物を塗布して正極活物質層を形成し、全固体二次電池用正極シートを作製する。次いで、この正極活物質層の上に、固体電解質層を形成するための無機固体電解質含有組成物を塗布して、固体電解質層を形成する。更に、固体電解質層の上に、負極用材料(負極用組成物)として、本発明の電極用組成物の製造方法により得られる負極用組成物を塗布して、負極活物質層を形成する。負極活物質層の上に、負極集電体(金属箔)を重ねることにより、正極活物質層と負極活物質層の間に固体電解質層が挟まれた構造の全固体二次電池を得ることができる。これを筐体に封入して所望の全固体二次電池とすることもできる。
また、各層の形成方法を逆にして、負極集電体上に、負極活物質層、固体電解質層及び正極活物質層を形成し、正極集電体を重ねて、全固体二次電池を製造することもできる。
また別の方法として、次の方法が挙げられる。すなわち、上記のようにして、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートを作製する。また、これとは別に、無機固体電解質含有組成物を基材上に塗布して、固体電解質層からなる全固体二次電池用固体電解質シートを作製する。更に、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートで、基材から剥がした固体電解質層を挟むように積層する。このようにして、全固体二次電池を製造することができる。
上記の製造方法においては、本発明の電極用組成物の製造方法により得られる正極用組成物及び負極用組成物を用いる例を説明したが、正極用組成物及び負極用組成物のいずれか1つに本発明の電極用組成物の製造方法により得られる電極用組成物を用いればよく、いずれも、本発明の電極用組成物の製造方法により得られる電極用組成物を用いることが好ましい。
電極用組成物及び無機固体電解質含有組成物の塗布方法は特に制限されず、適宜に選択できる。例えば、塗布(好ましくは湿式塗布)、スプレー塗布、スピンコート塗布、ディップコート塗布、スリット塗布、ストライプ塗布、バーコート塗布が挙げられる。
このとき、電極用組成物及び無機固体電解質含有組成物は、それぞれ塗布した後に乾燥処理を施してもよいし、重層塗布した後に乾燥処理をしてもよい。乾燥温度は特に制限されない。下限は30℃以上が好ましく、60℃以上がより好ましく、80℃以上が更に好ましい。上限は、300℃以下が好ましく、250℃以下がより好ましく、200℃以下が更に好ましい。このような温度範囲で加熱することで、有機溶媒を除去し、固体状態(塗布乾燥層)にすることができる。
また、塗布した電極用組成物及び無機固体電解質含有組成物は、加圧と同時に加熱してもよい。加熱温度としては特に制限されず、一般的には30~300℃の範囲である。無機固体電解質のガラス転移温度よりも高い温度でプレスすることもできる。一方、無機固体電解質とバインダーが共存する場合、バインダーのガラス転移温度よりも高い温度でプレスすることもできる。ただし、一般的には上述のバインダーの融点を越えない温度である。
加圧は塗布溶媒又は有機溶媒を予め乾燥させた状態で行ってもよいし、溶媒又は有機溶媒が残存している状態で行ってもよい。
なお、各組成物は同時に塗布してもよいし、塗布乾燥プレスを同時及び/又は逐次行ってもよい。別々の基材に塗布した後に、転写により積層してもよい。
プレス時間は短時間(例えば数時間以内)で高い圧力をかけてもよいし、長時間(1日以上)かけて中程度の圧力をかけてもよい。全固体二次電池用シート以外、例えば全固体二次電池の場合には、中程度の圧力をかけ続けるために、全固体二次電池の拘束具(ネジ締め圧等)を用いることもできる。
プレス圧はシート面等の被圧部に対して均一であっても異なる圧であってもよい。
プレス圧は被圧部の面積又は厚さに応じて変化させることができる。また同一部位を段階的に異なる圧力で変えることもできる。
プレス面は平滑であっても粗面化されていてもよい。
本発明の全固体二次電池用電極シートの製造方法により得られる全固体二次電池用電極シートは、全固体二次電池の電極層を形成しうるシート状成形体であって、その用途に応じて種々の態様を含む。例えば、電極、又は電極と固体電解質層との積層体に好ましく用いられるシート等が挙げられる。
本発明の全固体二次電池用電極シートの製造方法により得られる全固体二次電池用電極シートを用いて全固体二次電池を製造すると、優れた電池性能を示す。
本発明の全固体二次電池の製造方法により得られる全固体二次電池は、正極活物質層と、この正極活物質層に対向する負極活物質層と、正極活物質層及び負極活物質層の間に配置された固体電解質層とを有する。正極活物質層は、好ましくは正極集電体上に形成され、正極を構成する。負極活物質層は、好ましくは負極集電体上に形成され、負極を構成する。
本発明の全固体二次電池の製造方法により得られる全固体二次電池は、正極活物質層及び負極活物質層の少なくとも1つの層が、本発明の電極用組成物の製造方法により得られた電極用組成物で形成され、正極活物質層及び負極活物質層が本発明の電極用組成物の製造方法により得られた電極用組成物で形成される態様が好ましい。本発明の電極用組成物の製造方法により得られた電極用組成物で形成された活物質層は、好ましくは、含有する成分種及びその含有量比について、本発明の電極用組成物の製造方法により得られた電極用組成物の固形分におけるものと同じである。なお、活物質層が本発明の電極用組成物の製造方法により得られた電極用組成物で形成されない場合、公知の材料を用いることができる。また、固体電解質層は、通常の無機固体電解質含有組成物を用いて、常法により形成することができる。
負極活物質層、固体電解質層及び正極活物質層の厚さは、それぞれ、特に制限されない。各層の厚さは、一般的な全固体二次電池の寸法を考慮すると、それぞれ、10~1,000μmが好ましく、20μm以上500μm未満がより好ましい。本発明の全固体二次電池の製造方法により得られる全固体二次電池においては、正極活物質層及び負極活物質層の少なくとも1層の厚さが、50μm以上500μm未満であることが更に好ましい。
正極活物質層及び負極活物質層は、それぞれ、固体電解質層とは反対側に集電体を備えていてもよい。
本発明の全固体二次電池の製造方法により得られる全固体二次電池は、用途によっては、上記構造のまま全固体二次電池として使用してもよいが、乾電池の形態とするためには更に適当な筐体に封入して用いることが好ましい。筐体は、金属性のものであっても、樹脂(プラスチック)製のものであってもよい。金属性のものを用いる場合には、例えば、アルミニウム合金又は、ステンレス鋼製のものを挙げることができる。金属性の筐体は、正極側の筐体と負極側の筐体に分けて、それぞれ正極集電体及び負極集電体と電気的に接続させることが好ましい。正極側の筐体と負極側の筐体とは、短絡防止用のガスケットを介して接合され、一体化されることが好ましい。
全固体二次電池10においては、正極活物質層及び負極活物質層のいずれも本発明の電極用組成物の製造方法により得られた電極用組成物で形成されている。この全固体二次電池10は優れた電池性能を示す。正極活物質層4、固体電解質層3及び負極活物質層2が含有する無機固体電解質及びバインダーは、それぞれ、互いに同種であっても異種であってもよい。
本発明において、正極活物質層及び負極活物質層のいずれか、又は、両方を合わせて、単に、活物質層、電極層又は電極活物質層と称することがある。また、正極活物質及び負極活物質のいずれか、又は両方を合わせて、単に、活物質又は電極活物質と称することがある。
本発明において、正極集電体及び負極集電体のいずれか、又は、両方を合わせて、単に、集電体と称することがある。
正極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどの他に、アルミニウム又はステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたもの(薄膜を形成したもの)が好ましく、その中でも、アルミニウム及びアルミニウム合金がより好ましい。
負極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどの他に、アルミニウム、銅、銅合金又はステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたものが好ましく、アルミニウム、銅、銅合金及びステンレス鋼がより好ましい。
集電体の厚さは、特に制限されないが、1~500μmが好ましい。また、集電体表面は、表面処理により凹凸を付けることも好ましい。
上記のようにして製造した全固体二次電池は、製造後又は使用前に初期化を行うことが好ましい。初期化は特に制限されず、例えば、プレス圧を高めた状態で初充放電を行い、その後、全固体二次電池の一般使用圧力になるまで圧力を解放することにより、行うことができる。
本発明の全固体二次電池の製造方法により得られる全固体二次電池は種々の用途に適用することができる。適用態様には特に制限はなく、例えば、電子機器に搭載する場合、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディーターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源などが挙げられる。その他民生用として、自動車、電動車両、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、時計、ストロボ、カメラ、医療機器(ペースメーカー、補聴器、肩もみ機など)などが挙げられる。更に、各種軍需用、宇宙用として用いることができる。また、太陽電池と組み合わせることもできる。
[合成例1:アクリルポリマーA1の合成、及びアクリルポリマーA1からなるバインダー分散液の調製]
還流冷却管、ガス導入コックを付した1L三口フラスコにヘプタンを200g注ぎ、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に80℃に昇温した。これに、別容器にて調製した液(アクリル酸エチル(富士フイルム和光純薬社製)140g、アクリル酸(富士フイルム和光純薬社製)40g、マクロモノマーAB-6(商品名、東亜合成社製)を40g(固形分量)、重合開始剤V-601(富士フイルム和光純薬社製)を2.0g混合した液)を2時間かけて滴下し、その後80℃で2時間攪拌した。得られた混合物にV-601を更に1.0g添加し、90℃で2時間攪拌した。得られた溶液をヘプタンで希釈することで、アクリルポリマーA1(質量平均分子量75000)からなる粒子状バインダーA(固形分濃度 10質量%、平均粒径150nm)の分散液を得た。
マクロモノマーAB-6は、末端官能基がメタクリロイル基であるポリブチルアクリレート(数平均分子量6000、SP値 18)である。
合成例1において、アクリル酸の使用量を40gから10gに変更し、マクロモノマーAB-6の使用量を40gから70gに変更したこと以外は、合成例1と同様にして、アクリルポリマーA2からなるバインダーの分散液を調製した。
合成例1において、アクリル酸の使用量を40gから60gに変更したこと以外は、合成例1と同様にして、アクリルポリマーA3からなるバインダーの分散液(固形分濃度 10質量%)を調製した。
合成例2において、マクロモノマーAB-6の使用量を70gから120gに変更したこと以外は、合成例2と同様にして、アクリルポリマーA4からなるバインダーの分散液(固形分濃度10質量%)を調製した。
合成例2において、マクロモノマーAB-6の使用量を70gから90gに変更したこと以外は、合成例2と同様にして、アクリルポリマーA5からなるバインダーの分散液(固形分濃度 10質量%)を調製した。
合成例1において、アクリル酸エチルを、酢酸ビニル(VA、富士フイルム和光純薬社製)に変更したこと以外は、合成例1と同様にして、ビニルポリマーV1からなるバインダーの分散液(固形分濃度 10質量%)を調製した。
表中、構成成分A1~A3欄には、各構成単位を導く化合物名を下記の略号で示した。
- 構成成分A1 -
EA:アクリル酸エチル
VA:酢酸ビニル
- 構成成分A2 -
AA:アクリル酸
- 構成成分A3 -
AB-6:マクロモノマーAB-6(商品名、東亜合成社製)
200mL3つ口フラスコに、ポリエチレングリコール(商品名:ポリエチレングリコール200、富士フイルム和光純薬社製)4.46gと、2,2-ビス(ヒドロキシメチル)酪酸(東京化成社製)0.34g、NISSO-PB GI-1000(商品名、日本曹達社製)3.35gとを加え、THF(テトラヒドロフラン)74gに溶解した。この溶液に、ジフェニルメタンジイソシアネート(富士フイルム和光純薬社製)6.98gを加えて60℃で撹拌し、均一に溶解させた。得られた溶液に、ネオスタンU-600(商品名、日東化成社製)560mgを添加して60℃で5時間攪伴し、ポリウレタンU1の20質量%THF溶液(ポリマー溶液)を得た。
次に、上記で得られたポリマー溶液に対してTHF74gを加えた溶液に、150rpmで撹拌しながら、ヘプタン222gを10分間かけて滴下し、ポリウレタン1の乳化液を得た。窒素ガスをフローしながらこの乳化液を85℃で120分加熱した。得られた残留物にヘプタン50gを加えて更に85℃で60分加熱した。この操作を4回繰り返し、THFを除去した。こうして、ポリウレタンU1からなるバインダーのヘプタン分散液(固形分濃度 10質量%)を得た。
合成例7において、2,2-ビス(ヒドロキシメチル)酪酸の使用量を0.34gから0.51gに変更したこと以外は、合成例7と同様にして、ポリウレタンU2からなるバインダーの分散液(固形分濃度 10質量%)を調製した。
合成例7において、2,2-ビス(ヒドロキシメチル)酪酸の使用量を0.34gから0.17gに変更し、NISSO-PB GI-1000の使用量3.35gから6.69gに変更したこと以外は、合成例7と同様にして、ポリウレタンU3からなるバインダーの分散液(固形分濃度10質量%)を調製した。
表中、構成成分a~d欄には、各構成単位を導く化合物名を下記の略号で示した。
- 構成成分a -
MDI:ジフェニルメタンジイソシアネート
- 構成成分b -
DMBA:2,2-ビス(ヒドロキシメチル)酪酸
- 構成成分c -
PEG200:ポリエチレングリコール200(商品名、数平均分子量200)
- 構成成分d -
GI-1000:水添ポリブタジエンポリオール NISSO-PB GI-1000(商品名、数平均分子量1500)
100mLメスシリンダーにメタクリル酸(東京化成工業社製)0.25gとメタクリル酸ドデシル(東京化成工業社製)36.5g、V-601(商品名、富士フイルム和光純薬社製)0.36gを加え、酪酸ブチル36gに溶解してモノマー溶液を得た。300mL3つ口フラスコに、酪酸ブチル18gを加え80℃で撹拌したところへ、モノマー溶液を2時間かけて滴下した。滴下終了後、90℃に昇温し、2時間撹拌してポリマー1を合成し、ヘプタンで希釈し、ポリマー1からなるバインダーの溶液(固形分濃度10質量%)を得た。
ポリマー1の合成において、各構成成分の含有量が下記式の含有量(モル%)となるように各構成成分を導く化合物を用いたこと以外は、合成例1と同様にして、ポリマー2を合成した。
500mL3つ口フラスコに、NISSO-PB G-3000(商品名、日本曹達社製)180g、アジピン酸ジメチル9.8gを加えて撹拌した。この溶液にオルトチタン酸テトラブチル(東京化成工業社製)50mgを加えて190℃で8時間撹拌した。溶液を室温で静置したのち、酪酸ブチル190gを加えて撹拌して均一に溶解させた。
こうして、ポリマー3(ポリエステル)を合成して、ヘプタンで希釈しポリマー3からなるバインダーの溶液(固形分濃度10質量%)を得た。
硫化物系無機固体電解質は、T.Ohtomo,A.Hayashi,M.Tatsumisago,Y.Tsuchida,S.Hama,K.Kawamoto,Journal of Power Sources,233,(2013),pp231-235、及び、A.Hayashi,S.Hama,H.Morimoto,M.Tatsumisago,T.Minami,Chem.Lett.,(2001),pp872-873の非特許文献を参考にして合成した。
具体的には、アルゴン雰囲気下(露点-70℃)のグローブボックス内で、硫化リチウム(Li2S、Aldrich社製、純度>99.98%)2.42g及び五硫化二リン(P2S5、Aldrich社製、純度>99%)3.90gをそれぞれ秤量し、メノウ製乳鉢に投入し、メノウ製乳棒を用いて、5分間混合した。Li2S及びP2S5の混合比は、モル比でLi2S:P2S5=75:25とした。
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを66g投入し、上記の硫化リチウムと五硫化二リンの混合物全量を投入し、アルゴン雰囲気下で容器を密閉した。フリッチュ社製遊星ボールミルP-7(商品名、フリッチュ社製)に容器をセットし、温度25℃で、回転数510rpmで20時間メカニカルミリングを行うことで、黄色粉体の硫化物系無機固体電解質(Li/P/Sガラス、以下、LPSと表記することがある。)6.20gを得た。平均粒径は8μmであった。
得られたLPSを用いて下記条件で湿式分散して、LPSの平均粒径を調整した。
すなわち、ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを160個投入し、合成したLPS4.0g、及び有機溶媒としてジイソブルケトン6.0gをそれぞれ添加した後に、フリッチュ社製遊星ボールミルP-7に容器をセットし、290rpm60分湿式分散を行い、平均粒径2μmのLPSを得た。
表3に示す各電極用組成物の調製に用いた活物質1.6gとバインダー0.08gを15mLのバイアル瓶に入れ、ミックスローターで撹拌しながら、DIBKを8g添加し、更に室温、80rpmで30分撹拌した。撹拌後の分散液を孔径1μmのフィルターでろ過し、ろ液2gを乾燥し、乾固したバインダーの質量(活物質に吸着しなかったバインダーの質量)質量BYを計測した。
こうして得たバインダーの質量BY及び用いたバインダーの質量0.08gから、下記式により、バインダーの活物質に対する吸着率を算出した。
バインダーの活物質に対する吸着率AAMは、上記測定を2回行って得られた吸着率の平均値とする。
吸着率(%)=[(0.08-BY×8/2)/0.08]×100
なお、成膜した活物質層から取り出した活物質及びバインダーを用いて吸着率AAMを測定したところ同様の値が得られた。
表3に示す各電極用組成物の調製に用いた無機固体電解質(LPS)0.5gとバインダー0.26gを15mLのバイアル瓶に入れ、ミックスローターで撹拌しながら、DIBKを25g添加し、更に室温、80rpmで30分撹拌した。撹拌後の分散液を孔径1μmのフィルターでろ過し、ろ液2gを乾燥し、乾固したバインダーの質量BX(無機固体電解質に吸着しなかったバインダーの質量)を計測した。
こうして得たバインダーの質量BX及び用いたバインダーの質量0.26gから、下記式により、バインダーの無機固体電解質に対する吸着率を算出した。
バインダーの吸着率ASEは、上記測定を2回行って得られた吸着率の平均値とする。
吸着率(%)=[(0.26-BX×25/2)/0.26]×100
なお、成膜した活物質層から取り出した無機固体電解質及びバインダーを用いて吸着率ASEを測定したところ同様の値が得られた。
各バインダーをガラス瓶内に規定量秤量し、DIBK100gを添加し、25℃の温度下、ミックスローター上において80rpmの回転速度で24時間攪拌した。こうして得られた24時間攪拌後の混合液の透過率を後記条件により測定した。
この試験(透過率測定)をバインダー溶解量を変更して行い、透過率が99.8%となる上限濃度X(質量%)をバインダーの有機溶媒に対する溶解度とする。
<透過率測定条件>
動的光散乱(DLS)測定
装置:大塚電子製DLS測定装置 DLS-8000(商品名)
レーザ波長、出力:488nm/100mW
サンプルセル:NMR管
実施例1では、調製若しくは準備したバインダーを用いて、正極用組成物及び負極用組成物を調製し、調製した正極用組成物及び負極用組成物を用いて全固体二次電池用電極シート及び全固体二次電池を作製した。
正極活物質としてNMC(ニッケルマンガンコバルト酸リチウム、平均粒径5μm、アルドリッチ社製)80質量部、無機固体電解質として上記合成したLPS(平均粒径2μm)17質量部、導電助剤としてアセチレンブラック(平均粒径0.1μm、デンカ社製)2質量部、粒子状バインダーAとしてアクリルポリマーA1 0.5質量部(固形分換算)及びバインダーBとしてPVDF-HFP 0.7質量部を、下記工程(1)及び(2)の順に混合した。
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に加え、直径3mmのジルコニアビーズを20gと正極活物質、アクリルポリマーA1、及び有機溶媒(ジイソブチルケトン)を加えて、固形分濃度を65質量%に調整した。その後、この容器を遊星ボールミルP-7(商品名、フリッチュ社製)にセットし、温度25℃、回転数100rpmで30分攪拌した。
(工程(2))
工程(1)で得た混合物に、LPSと導電助剤と上記PVDF-HFPと、ジイソブチルケトンを加えて固形分濃度を60質量%に調整した。その後、この容器を遊星ボールミルP-7にセットし、温度25℃、回転数100rpmで30分攪拌して、正極用組成物No.1を得た。
正極用組成物No.1の調製において、後記表3記載の原料及び使用量を採用したこと以外は、正極用組成物No.1と同様にして正極用組成物No.2~9及び12~18、負極用組成物No.10及び11を調製した。
正極用組成物No.1の調製において、後記表3に記載の原料及び使用量を採用したこと以外は、正極用組成物No.1と同様にして正極用組成物No.c1及びc2を調製した。
(正極用組成物No.c1及びc2を調製において、工程(2)でバインダー(B)を用いなかった。)
正極用組成物No.1の調製において、後記表3に記載の原料及び使用量を採用したこと以外は、正極用組成物No.1と同様にして正極用組成物No.c3、c9、c15、及び、負極用組成物No.c25を調製した。
(正極用組成物No.c3、c9、c15、及び、負極用組成物No.c25の調製において、工程(1)でバインダー(A)を用いなかった。)
正極用組成物No.1の調製において、後記表3に記載の原料及び使用量を採用したこと以外は、正極用組成物No.1と同様にして正極用組成物No.c4、c10、c16、及び、負極用組成物No.c26を調製した。
(正極用組成物No.c4、c10、c16、及び、負極用組成物No.c26の調製において、工程(1)でバインダー(A)を用いなかった。)
後記表3に示す原料を用いて正極用組成物No.c5を調製した。
(工程(1))
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に加え、直径3mmのジルコニアビーズを20gと正極活物質、アクリルポリマーA1、PVDF-HFP及び有機溶媒(ジイソブチルケトン)を加えて、固形分濃度を65質量%に調整した。その後、この容器を遊星ボールミルP-7(商品名、フリッチュ社製)にセットし、温度25℃、回転数100rpmで30分攪拌した。
(工程(2))
工程(1)で得た混合物に、LPSと導電助剤と、ジイソブチルケトンとを加えて固形分濃度を60質量%に調整した。その後、この容器を遊星ボールミルP-7にセットし、温度25℃、回転数100rpmで30分攪拌して、正極用組成物No.c5を得た。
正極用組成物No.c5の調製において、後記表3に記載の原料及び使用量を採用したこと以外は、正極用組成物No.c5と同様にして正極用組成物No.c11、c17、負極用組成物No.c27、及び、正極用組成物No.c31を調製した。
(正極用組成物No.c11、c17、負極用組成物No.c27、及び、正極用組成物No.c31の調製において、バインダーA及びBは工程(1)で混合した。)
正極用組成物No.1の調製において、工程(1)でバインダーAに代えてバインダーBを用いたこと、及び、工程(2)でバインダーBに代えてバインダーAを用いたこと以外は、正極用組成物No.1と同様にして正極用組成物No.c6、c12、c18、負極用組成物No.c28、及び、正極用組成物No.c32を調製した。
正極用組成物No.1の調製において、表3に記載の組成を採用したこと以外は、正極用組成物No.1と同様にして正極用組成物No.c7、c13、c19、負極用組成物No.c29、及び、正極用組成物No.c33を調製した。
(正極用組成物(スラリー)No.c7、c13、c19、負極用組成物(スラリー)No.c29、及び、正極用組成物(スラリー)No.c33の調製において、工程(1)で、有機溶媒中での活物質に対する吸着率が50%未満である粒子状ポリマーバインダーAを用いた。)
正極用組成物No.1の調製において、工程(1)で正極活物質に代えてLPSを用いたこと、工程(2)でLPSに代えて正極活物質を用いたこと以外は、正極用組成物No.1と同様にして正極用組成物No.c8、c14、c20、負極用組成物No.c30、及び、正極用組成物No.c34を調製した。
正極用組成物No.1の調製において、工程(2)でPVDF-HFPに代えてPVDF-HFP2を用いたこと以外は、正極用組成物No.1と同様にして正極用組成物No.c21を調製した。
正極用組成物No.1の調製において、工程(1)でアクリルポリマーA1に代えてアクリルポリマーA5を用いたこと以外は、正極用組成物No.1と同様にして正極用組成物No.c22を調製した。
(工程(1))
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に加え、直径3mmのジルコニアビーズを20gと正極活物質、SBR、LPS及び有機溶媒(ジイソブチルケトン)を加えて、固形分濃度を65質量%に調整した。その後、この容器を遊星ボールミルP-7(商品名、フリッチュ社製)にセットし、温度25℃、回転数100rpmで30分攪拌した。
(工程(2))
工程(1)で得た混合物に、PVDFと、LPSと導電助剤とを加えて固形分濃度を60質量%に調整した。その後、この容器を遊星ボールミルP-7にセットし、温度25℃、回転数100rpmで30分攪拌して、正極用組成物No.c23を得た。
正極用組成物No.1の調製において、工程(2)でPVDF-HFPに代えてアクリルポリマーA2を用いたこと以外は、正極用組成物No.1と同様にして正極用組成物No.c24を調製した。
形態(No.の隣):正極用組成物であるか負極用組成物であるかを示す。
NMC:ニッケルマンガンコバルト酸リチウム、平均粒径5μm、アルドリッチ社製
NCA:ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム、平均粒径200~500nm、アルドリッチ社製
Si:商品名、Silicon Powder 平均粒径1~5μm、Alfa Aesar社製
量:含有量(質量部)
LPS:上記合成した上記合成したLi/P/Sガラス(平均粒径2μm)
AB:アセチレンブラック、平均粒径0.1μm、デンカ社製
VGCF:気相成長炭素繊維、昭和電工社製
A1~A5:アクリルポリマーA1~A5
U1~U3:ポリウレタンU1~U3
V1:ビニルポリマーV1
バインダーA及びBの形態:組成物中、粒子状で存在しているか溶解しているかを示す。
PVDF-HFP:ポリビニレンジフルオリドとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体(共重合比[PVdF:HFP](質量比)=8:2、質量平均分子量300,000、Sigma Aldrich社製)
PVDF-HFP2:ポリビニレンジフルオリドとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体 商品名KYNAR FLEX 2500-20 質量平均分子量190,000 アルケマ社製)
ポリマー1~3:上記合成したポリマー1~3
SEBS:スチレン-エチレン-ブチレン-スチレンブロック共重合体(質量平均分子量100,000、Sigma Aldrich社製)
M1911:タフテック(登録商標) M1911水添スチレン系熱可塑性エラストマー(SEBS)(質量平均分子量99,000、旭化成社製、商品名)
SBR:水添スチレンブタジエンゴム(DYNARON1321P(商品名)、質量平均分子量230,000、JSR社製)
「-」:該当する成分を使用していないこと等を意味する。
<0.5:溶解度が0.5質量%未満であることを意味する。
>20:溶解度が20質量%を越えることを意味する。
No.c7、c13、c19のアクリルポリマーA4、No.c19、c33のポリウレタンU3、No.c22のアクリルポリマーA5、及びNo.c23のSBRは、No.1~17との比較のためバインダーAの記載位置に記載している。同じ理由で、No.c24のアクリルポリマーA2をバインダーBの記載位置に記載している。
厚さ20μmのアルミニウム箔上にアプリケーター(商品名:SA-201ベーカー式アプリケーター、テスター産業社製)により正極用組成物No.1~9、12~18、c1~c24及びc31~c34をそれぞれ塗布し、100℃で1時間加熱乾燥して、正極活物質層を形成し、全固体二次電池用正極シートNo.1~9、12~18、c1~c24及びc31~c34をそれぞれ作製した。正極活物質層の厚さは150μmであった。
上記で得られた調製直後の負極用組成物No.10、11及びc25~c30を、それぞれ、厚さ20μmの銅箔上に、上記ベーカー式アプリケーター(商品名:SA-201ベーカー式アプリケーター、テスター産業社製)により塗布し、100℃1時間加熱して負極用組成物を乾燥し、負極活物質層/銅箔の積層構造を有する全固体二次電池用負極シートNo.10、11及びc25~c30をそれぞれ作製した。負極活物質層の厚さは70μmであった。
作製した全固体二次電池用電極シートを直径10mmの円盤状に打ち抜いた円盤状試験片を、スクリュー管(マルエム社製No6 30×65)に封入した。このバイアル瓶を試験管ミキサー(商品名:デルタミキサーSe-40、タイテック社)に固定して、振幅2800回転/minで30秒間にわたって振動を与えた。
この振動試験後にバイアル瓶から取り出した円盤状試験片について、集電体からの電極活物質層の剥離の有無を評価した。結果を後記表4に示す。
作製した全固体二次電池用正極シートNo.1~9、12~18、c4、c10、c16及びc23をそれぞれ直径10mmの円盤状に打ち抜き、内径10mmのポリエチレンテレフタラート(PET)製の円筒に入れた。各円筒内の正極活物質層側に合成した上記LPSを30mg入れ、円筒の両端開口から直径10mmのSUS棒を挿入した。各全固体二次電池用正極シートの集電体側と、LPSをSUS棒により、350MPaの圧力を加えて加圧した。LPS側のSUS棒を一旦外し、直径9mmの円盤状のInシート(厚さ20μm)と、直径9mmの円盤状のLiシート(厚さ20μm)を、この順で円筒内のLPSの上に挿入した。外していたSUS棒を円筒内に再度挿入し、50MPaの圧力をかけた状態で固定した。このようにして、アルミニウム箔(厚さ20μm)-正極活物質層(厚さ80μm)-固体電解質層(厚さ200μm)-対極層(In/Liシート、厚さ30μm)の構成を有する全固体二次電池(正極ハーフセル)No.1~9、12~18、c4、c10、c16及びc23を得た。
作製した全固体二次電池用負極シート10、11及びc26をそれぞれ直径10mmの円盤状に打ち抜き、内径10mmのPET製の円筒に入れた。各円筒内の負極活物質層側に合成した上記LPSを30mg入れ、円筒の両端開口から直径10mmのステンレス鋼(SUS)棒を挿入した。各全固体二次電池用負極シートの集電体側と、LPSをSUS棒により、350MPaの圧力を加えて加圧した。LPS側のSUS棒を一旦外し、直径9mmの円盤状のインジウム(In)シート(厚さ20μm)と、直径9mmの円盤状のリチウム(Li)シート(厚さ20μm)を、この順で円筒内のLPSの上に挿入した。外していたSUS棒を円筒内に再度挿入し、50MPaの圧力をかけた状態で固定した。このようにして、銅箔(厚さ20μm)-負極活物質層(厚さ50μm)-固体電解質層(厚さ200μm)-対極層(In/Liシート、厚さ30μm)の構成を有する全固体二次電池(負極ハーフセル)No.10、11及びc26を得た。
上記で作製した全固体二次電池(正極ハーフセル)を用い、25℃の環境下、充電電流値0.13mA及び放電電流値0.13mAの条件で3.6V~1.9Vの充放電を1回行った(初期化した)。
その後、レート試験として、25℃の環境下、充放電電流値0.13mAの条件で3.6V~1.9Vの充放電(1)を行った後、充電電流値0.13mA、放電電流値1.3mAの条件で3.6V~1.9Vの充放電(2)を行った。下記式から放電容量の維持率を算出し、下記評価基準にあてはめ評価した。維持率が高い程電池抵抗が低いことを意味する。B以上が本試験の合格である。結果を後記表4に示す。
100×充放電(2)の放電容量/充放電(1)の放電容量(%)
AA:90%以上
A:80%以上、90%未満
B:70%以上、80%未満
C:70%未満
上記で作製した全固体二次電池(負極ハーフセル)を用い、25℃の環境下、充電電流値0.13mA及び放電電流値0.13mAの条件で0.4V~-0.4Vの充放電を3回行った(初期化した)。
その後、レート試験として、25℃の環境下、充放電電流値0.13mAの条件で0.4V~-0.4Vの充放電(1)を行った後、充電電流値0.13mA、放電電流値1.3mAの条件で0.4V~-0.4Vの充放電(2)を行った。下記式から放電容量の維持率を算出し、下記評価基準にあてはめ評価した。維持率が高い程電池抵抗が低いことを意味する。B以上が本試験の合格である。結果を後記表4に示す。
100×充放電(2)の放電容量/充放電(1)の放電容量(%)
A:80%以上
B:70%以上、80%未満
C:70%未満
これに対して、本発明の電極用組成物の製造方法により調製した電極用組成物を用いて作製した全固体二次電池用電極シートは結着性試験で電極活物質層の剥離が生じず、また、本発明の電極用組成物の製造方法により調製した電極用組成物を用いて作製した全固体二次電池は電池抵抗試験に合格した。
2 負極活物質層
3 固体電解質層
4 正極活物質層
5 正極集電体
6 作動部位
10 全固体二次電池
Claims (11)
- 有機溶媒と、活物質と、前記有機溶媒中での当該活物質に対する吸着率が50%以上である粒子状ポリマーバインダーA、及び前記有機溶媒に対する溶解度が2質量%以上であるポリマーバインダーBの、少なくとも2種のポリマーを含むバインダーと、無機固体電解質とを含有する電極用組成物の製造方法であって、
前記活物質と前記粒子状ポリマーバインダーAと前記有機溶媒との混合物と、前記ポリマーバインダーBと、前記無機固体電解質とを混合すること
を含む、電極用組成物の製造方法。
ただし、前記の有機溶媒中での活物質に対する吸着率は、下記[活物質に対する吸着率の測定方法]により決定される。
[活物質に対する吸着率の測定方法]
前記活物質1.6gと前記粒子状ポリマーバインダーA0.08gを15mLのバイアル瓶に入れ、ミックスローターで撹拌しながら、前記有機溶媒を8g添加し、更に室温、80rpmで30分撹拌する。撹拌後の分散液を孔径1μmのフィルターでろ過し、ろ液2gを乾燥し、乾固したバインダーの質量を測る。この乾固したバインダーの質量を下記式に当てはめて吸着率を得る。この吸着率の測定を2回行って得られた2つの吸着率の値の平均値を、前記の有機溶媒中での活物質に対する吸着率とする。
吸着率(%)=[(0.08g-乾固したバインダーの質量×8/2)/0.08g]×100 - 前記混合物を、前記粒子状ポリマーバインダーAと、前記活物質と、前記有機溶媒とを混合して得る、請求項1に記載の電極用組成物の製造方法。
- 前記粒子状ポリマーバインダーAの前記吸着率が80%以上である、請求項1又は2に記載の電極用組成物の製造方法。
- 前記粒子状ポリマーバインダーAの前記吸着率が90%以上である、請求項1~3のいずれか1項に記載の電極用組成物の製造方法。
- 前記粒子状ポリマーバインダーAを形成するポリマーが、ポリウレタン又は(メタ)アクリルポリマーである、請求項1~4のいずれか1項に記載の電極用組成物の製造方法。
- 前記ポリマーバインダーBの、前記有機溶媒中での前記活物質に対する吸着率が20%以下である、請求項1~5のいずれか1項に記載の電極用組成物の製造方法。
- 前記ポリマーバインダーBの、前記有機溶媒中での前記無機固体電解質に対する吸着率が20%以下である、請求項1~6のいずれか1項に記載の電極用組成物の製造方法。
ただし、前記の有機溶媒中での無機固体電解質に対する吸着率は、下記[無機固体電解質に対する吸着率の測定方法]により決定される。
[無機固体電解質に対する吸着率の測定方法]
前記無機固体電解質0.5gと前記ポリマーバインダーB0.26gを15mLのバイアル瓶に入れ、ミックスローターで撹拌しながら、前記有機溶媒を25g添加し、更に室温、80rpmで30分撹拌する。撹拌後の分散液を孔径1μmのフィルターでろ過し、ろ液2gを乾燥し、乾固したバインダーの質量を測る。この乾固したバインダーの質量を下記式に当てはめて吸着率を得る。この吸着率の測定を2回行って得られた2つの吸着率の値の平均値を、前記の有機溶媒中での無機固体電解質に対する吸着率とする。
吸着率(%)=[(0.26g-乾固したバインダーの質量×25/2)/0.26g]×100 - 前記ポリマーバインダーBを形成するポリマーが、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマー及び(メタ)アクリルポリマーのうちの少なくとも1種である、請求項1~7のいずれか1項に記載の電極用組成物の製造方法。
- 前記有機溶媒が、エステル化合物、ケトン化合物及びエーテル化合物から選択される少なくとも1種を含む、請求項1~8のいずれか1項に記載の電極用組成物の製造方法。
- 請求項1~9のいずれか1項に記載の製造方法で得た電極用組成物を塗布することを含む、全固体二次電池用電極シートの製造方法。
- 請求項10に記載の製造方法を経て全固体二次電池を製造する、全固体二次電池の製造方法。
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