JP7218440B2 - 無機固体電解質含有組成物、全固体二次電池用シート及び全固体二次電池並びに、全固体二次電池用シート及び全固体二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
全固体二次電池の構成層を形成する材料(構成層形成材料)として、上述の無機固体電解質等を含有する材料が提案されている。例えば、特許文献1には、周期律表第1族又は第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質(A)と、側鎖成分として数平均分子量1,000以上のマクロモノマー(X)を組み込んだポリマーで構成された平均粒子径が10nm以上1,000nm以下のバインダー粒子(B)と、分散媒(C)とを含む固体電解質組成物が記載されている。また、特許文献2には、周期律表第1族又は第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質及び高分子バインダーを有する固体電解質組成物であって、高分子バインダーがハードセグメントとソフトセグメントとを有するポリマーで構成された固体電解質組成物が記載されている。
しかし、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、全固体二次電池に求められる電池性能(例えばサイクル特性)に対する要求が一層高くなっている。このような近年の要求に応えるためには、分散安定性とハンドリング性(流動性、塗工面の表面性)とをより高い水準で兼ね備える構成層形成材料の開発が求められている。
<1>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無機固体電解質と、ポリマーバインダーと、分散媒とを含有する無機固体電解質含有組成物であって、
ポリマーバインダーが、分散媒中における無機固体電解質に対する吸着率が60%未満であるポリマーバインダーを含む、無機固体電解質含有組成物。
<2>吸着率が60%未満のポリマーバインダーが分散媒に溶解している、<1>に記載の無機固体電解質含有組成物。
<3>吸着率が60%未満のポリマーバインダーを形成するポリマーと分散媒とのSP値の差が3以下である、<1>又は<2>に記載の無機固体電解質含有組成物。
<4>吸着率が60%未満のポリマーバインダーを形成するポリマーが、下記官能基群(a)から選択される官能基を有する構成成分を含む、<1>~<3>のいずれか1つに記載の無機固体電解質含有組成物。
<官能基群(a)>
ヒドロキシ基、アミノ基、カルボキシ基、スルホ基、リン酸基、ホスホン酸基、スルファニル基、エーテル結合、イミノ基、エステル結合、アミド結合、ウレタン結合、ウレア結合、ヘテロ環基、アリール基、無水カルボン酸基、フルオロアルキル基、シロキサン基<5>ポリマーバインダーを形成するポリマー中の、上記官能基群(a)から選択される官能基を有する構成成分の含有量が0.01~50モル%である、<4>に記載の無機固体電解質含有組成物。
<8>吸着率が60%未満のポリマーバインダーを形成するポリマーの分散媒に対する接触角が、40度以下であることを特徴とする<1>~<7>のいずれか1つに記載の無機固体電解質含有組成物。
<9>吸着率が60%未満のポリマーバインダーを2種以上含み、そのうちの少なくとも1種のポリマーバインダーを形成するポリマーが炭化水素系ポリマーである、<6>~<8>のいずれか1つに記載の無機固体電解質含有組成物。
<10>ポリマーバインダーが、平均粒子径が1~1000nmの粒子状バインダーを含む、<1>~<9>のいずれか1つに記載の無機固体電解質含有組成物。
<11>活物質を含有する、<1>~<10>のいずれか1つに記載の無機固体電解質含有組成物。
<12>活物質に対する、吸着率が60%未満のポリマーバインダーの吸着率が90%以下である、<11>に記載の無機固体電解質含有組成物。
<13>前記吸着率が60%未満のポリマーバインダーの前記活物質に対する吸着率が90%以下である、<12>に記載の無機固体電解質含有組成物。
<14>導電助剤を含有する、<1>~<13>のいずれか1つに記載の無機固体電解質含有組成物。
<15>無機固体電解質が硫化物系無機固体電解質である、<1>~<14>のいずれか1つに記載の無機固体電解質含有組成物。
<16>上記<1>~<15>のいずれか1つに記載の無機固体電解質含有組成物を製膜する、全固体二次電池用シートの製造方法。
<17>上記<16>に記載の全固体二次電池用シートの製造方法で製膜した層を有する全固体二次電池用シート。
<18>上記<16>に記載の全固体二次電池用シートの製造方法を含む、全固体二次電池の製造方法。
<19>正極活物質層と固体電解質層と負極活物質層とをこの順で具備する全固体二次電池であって、
正極活物質層、固体電解質層及び負極活物質層の少なくとも1つの層が、<16>に記載の全固体二次電池用シートの製造方法で製膜した層である、全固体二次電池。
本発明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。
本発明において、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、本発明において、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。
本発明において、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。
本発明において、ポリマーは、重合体を意味するが、いわゆる高分子化合物と同義である。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、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無機固体電解質と、ポリマーバインダーと、分散媒とを含有する。この無機固体電解質含有組成物が含有するポリマーバインダーは無機固体電解質に対して60%未満の吸着率を示すポリマーバインダー(「低吸着バインダー」ということがある。)を1種又は2種以上含んでいる。
すなわち、本発明の無機固体電解質含有組成物は、ポリマーバインダーとして低吸着バインダーを含有していればよく、その含有状態等は特に制限されない。例えば、無機固体電解質含有組成物中において、低吸着バインダーは無機固体電解質に吸着していてもいなくてもよいが、吸着している場合、その程度は後述する吸着率の範囲内にあることがよい。
この低吸着バインダーは、少なくとも無機固体電解質含有組成物で形成した層中において、無機固体電解質(更には、共存しうる、活物質、導電助剤)等の固体粒子同士(例えば、無機固体電解質同士、無機固体電解質と活物物質、活物質同士)を結着させる結着剤として、機能する。更には、集電体と固体粒子とを結着させる結着剤として機能することもある。無機固体電解質含有組成物中において、低吸着バインダーは固体粒子同士を結着させる機能を有していてもいなくてもよい。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、無機固体電解質が分散媒中に分散したスラリーであることが好ましい。この場合、低吸着バインダーは、固体粒子を分散媒中に分散させる機能を有することが好ましい。また、低吸着バインダーは、分散媒中に(固体状態で)分散している場合、本発明の効果を損なわない範囲でその一部が分散媒に溶解していてもよい。
集電体上に形成される活物質層を本発明の無機固体電解質含有組成物で形成する態様においては、集電体と活物質層との強固な密着性をも実現することができ、サイクル特性の更なる向上を図ることができる。
このような優れた分散特性を示す本発明の無機固体電解質含有組成物を用いて構成層を形成すると、構成層の成膜時(例えば、無機固体電解質含有組成物の塗布時、更には乾燥時)においても、無機固体電解質の再凝集物若しくは沈降物等の発生を抑制できる。これにより、構成層中の無機固体電解質同士の接触状態のバラツキを抑えることができる。特に、無機固体電解質含有組成物が活物質等を含有する場合、活物質等の特定の粒子が構成層中で偏在にしにくくなる(構成層中に固体粒子が均一に配置される)と考えられる。その結果、固体粒子間の界面抵抗、更には構成層の抵抗の上昇を抑制できる。これに加えて、無機固体電解質含有組成物の成膜時、特に塗布時に無機固体電解質含有組成物が適度に流動(レべリング)して、流動不足又は過剰な流動に起因する凹凸の表面粗れ等がなく(塗工面の表面性に優れ)、表面性のよい構成層となる。こうして、表面が平坦で低抵抗な(高伝導度の)構成層を有する全固体二次電池用シートを実現できると考えられる。
また、抵抗上昇が抑制され、かつ表面が平坦な構成層を備えた全固体二次電池は、充放電時に過電流が発生しにくく固体粒子の劣化を防止できるうえ、構成層の表面と隣接する他の層との界面接触状態が良好(高密着性)となる。そのため、充放電を繰り返しても電池特性の大幅な低下を招くことなくサイクル特性に優れた全固体二次電池、更には優れたサイクル特性に加えて高い伝導度(イオン伝導度、電子伝導度)をも示す全固体二次電池を実現できると考えられる。
以下、本発明の無機固体電解質含有組成物が含有する成分及び含有しうる成分について説明する。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、無機固体電解質を含有する。
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ないが、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、特に制限されないが、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が好ましい。
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、特に制限されないが、例えば、LiBH4、Li4(BH4)3I、3LiBH4-LiCl等が挙げられる。
無機固体電解質の粒子径の測定は、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ヘプタン)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。
固体電解質層を形成する場合、固体電解質層の単位面積(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、1~100mg/cm2とすることができる。
ただし、無機固体電解質含有組成物が後述する活物質を含有する場合、無機固体電解質の目付量は、活物質と無機固体電解質との合計量が上記範囲であることが好ましい。
ただし、無機固体電解質含有組成物が後述する活物質を含有する場合、無機固体電解質含有組成物中の無機固体電解質の含有量は、活物質と無機固体電解質との合計含有量が上記範囲であることが好ましい。
本発明において、固形分(固形成分)とは、無機固体電解質含有組成物を、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、後述の分散媒以外の成分を指す。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、この組成物中の無機固体電解質に対する吸着率が60%未満であるポリマーバインダー(低吸着バインダー)を1種又は2種以上含むポリマーバインダーを含有する。本発明の無機固体電解質含有組成物が含有するポリマーバインダーは、低吸着バインダー以外のポリマーバインダー、例えば、組成物中の無機固体電解質に対する吸着率が60%以上であるポリマーバインダー(高吸着バインダー)、更には粒子状のポリマーバインダー(好ましくは、組成物中の無機固体電解質に対する吸着率が60%以上であるポリマーバインダー)を含有してもよい。
本発明において、ポリマーバインダーは、ポリマーを含んで形成されたバインダーを意味する。
まず、本発明の無機固体電解質含有組成物がポリマーバインダーとして含有する低吸着バインダーについて説明する。
低吸着バインダーは、分散媒を含有する無機固体電解質含有組成物において無機固体電解質等の固体粒子と併用することにより、無機固体電解質含有組成物(スラリー)の分散安定性とハンドリング性とを改善できる。
無機固体電解質含有組成物が複数種の無機固体電解質を含有する場合、無機固体電解質含有組成物中の無機固体電解質組成(種類及び含有量)と同じ組成を有する無機固体電解質に対する吸着率とする。無機固体電解質含有組成物が複数種の分散媒を含有する場合も同様に、無機固体電解質含有組成物中の分散媒(種類及び含有量)と同じ組成を有する分散媒を用いて吸着率を測定する。また、低吸着バインダーを複数種用いる場合も、無機固体電解質含有組成物等と同様に、複数種の低吸着バインダーについての吸着率とする。
本発明において、低吸着バインダー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吸着率は、低吸着バインダー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、低吸着バインダーの形態(分散媒への溶解量)等により、適宜に設定できる。
本発明において、バインダーが分散媒に溶解しているとは、無機固体電解質含有組成物の分散媒にバインダーが溶解していることを意味し、例えば、溶解度測定において溶解度が80%以上であることをいう。溶解度の測定方法は下記の通りである。
すなわち、測定対象とするバインダーをガラス瓶内に規定量秤量し、そこへ無機固体電解質含有組成物が含有する分散媒と同種の分散媒100g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時間攪拌する。こうして得られた24時間攪拌後の混合液の透過率を以下条件により測定する。この試験(透過率測定)をバインダー溶解量(上記規定量)を変更して行い、透過率が99.8%となる上限濃度X(質量%)をバインダーの上記分散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
レーザ波長、出力:488nm/100mW
サンプルセル:NMR管
無機固体電解質含有組成物が複数種の活物質又は分散媒を含有する場合、バインダーを複数種用いる場合については、上述の、バインダーの、無機固体電解質に対する吸着率と同様である。本発明において、バインダーの活物質に対する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、活物質に対する吸着率は、無機固体電解質に対する吸着率と同様にして、適宜に設定できる。
低吸着バインダーを形成するポリマーは、無機固体電解質に対する上記吸着率を満たす限り、特に制限されず、各種のポリマーを用いることができる。中でも、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合、又は炭素-炭素二重結合の重合鎖を主鎖に有するポリマーが好ましく挙げられる。2種以上の低吸着バインダーを含有する場合、少なくとも1種の低吸着バインダーを形成するポリマーが上記結合又は重合鎖を主鎖に有するポリマーであることが好ましく、すべての低吸着バインダーを形成するポリマーが上記結合又は重合鎖を主鎖に有するポリマーであることも好ましい態様の1つである。
炭素-炭素二重結合の重合鎖を主鎖に有するポリマーとしては、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、ビニル系ポリマー、(メタ)アクリルポリマー等の連鎖重合ポリマーが挙げられる。これらの連鎖重合ポリマーの重合様式は、特に制限されず、ブロック共重合体、交互共重合体、ランダム共重合体のいずれでもよい。
低吸着バインダーを形成するポリマーとしては、上記各ポリマーを適宜に選択することができるが、(水素化)スチレン-ブタジエン共重合体ポリマー、スチレン-ブタジエン-スチレンブロック共重合体ポリマー若しくはスチレン-エチレン-ブチレン-スチレン共重合ポリマー(炭化水素系ポリマー)又はPVdF-HFP共重合体(フッ素系ポリマー)以外のポリマーが好ましい態様の1つであり、ポリウレタン、ポリウレア、ポリエステル又は(メタ)アクリルポリマーがより好ましい。
炭化水素基は、炭素原子及び水素原子で構成される基であり、通常、R2の端部に導入される。炭化水素基としては、特に制限されないが、脂肪族炭化水素基が好ましく、脂肪族飽和炭化水素基(アルキル基)がより好ましく、直鎖若しくは分岐鎖のアルキル基が更に好ましい。炭化水素基の炭素数は、4以上であればよく、6以上が好ましく、10以上がより好ましい。上限は、特に制限されず、20以下が好ましく、14以下がより好ましい。
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。
上記炭化水素基及び上記連結基は、それぞれ、置換基を有していてもいなくてもよい。有していてもよい置換基としては、例えば、置換基Zが挙げられ、官能基群(a)から選択される官能基以外の基が好ましく、ハロゲン原子等が好適に挙げられる。
式(1-1)で表わされる構成成分を導く化合物としては、特に限定されないが、例えば、(メタ)アクリル酸直鎖アルキルエステル化合物(直鎖アルキルは炭素数4以上のアルキル基を意味する)が挙げられる。
R3としてとりうる上記鎖の末端は、R3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。
上記各式において、R3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価以上の鎖となっていてもよい。
ポリブタジエン鎖及びポリイソプレン鎖は、原料化合物として、その末端に反応性基を有することが好ましく、重合可能な末端反応性基を有することがより好ましい。重合可能な末端反応性基は、重合することにより、上記各式のR3に結合する基を形成する。このような末端反応性基としては、ヒドロキシ基、カルボキシ基、アミノ基等が挙げられ、中でもヒドロキシ基が好ましい。末端反応性基を有するポリブタジエン及びポリイソプレンとしては、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)等が好適に用いられる。
低吸着バインダーを2種以上含有する場合、すべての低吸着バインダーを形成するポリマーの構成成分の総モル数に対する、式(1-1)~(1-5)のいずれかで表される構成成分の含有量は、特に制限されず、上記各ポリマー中の含有量に応じて適宜に設定される。
<官能基群(a)>
ヒドロキシ基、アミノ基、カルボキシ基、スルホ基、リン酸基、ホスホン酸基、スルファニル基、エーテル結合(-O-)、イミノ基(=NR、-NR-)、エステル結合(-CO-O-)、アミド結合(-CO-NR-)、ウレタン結合(-NR-CO-O-)、ウレア結合(-NR-CO-NR-)、ヘテロ環基、アリール基、無水カルボン酸基、フルオロアルキル基、シロキサン基
官能基群(a)に含まれるアミノ基、スルホ基、リン酸基(ホスホリル基)、ヘテロ環基、アリール基は、それぞれ、特に制限されないが、後述する置換基Zの対応する基と同義である。ただし、アミノ基の炭素数は、0~12がより好ましく、0~6が更に好ましく、0~2が特に好ましい。ホスホン酸基としては、特に制限されないが、例えば、炭素数0~20のホスホン酸基等が挙げられる。アミノ基、エーテル結合、イミノ基(-NR-)、エステル結合、アミド結合、ウレタン結合、ウレア結合等が環構造に含まれる場合、ヘテロ環に分類する。ヒドロキシ基、アミノ基、カルボキシ基、スルホ基、リン酸基、ホスホン酸基、スルファニル基は塩を形成していてもよい。
フルオロアルキル基は、アルキル基若しくはシクロアルキル基の少なくとも1つの水素原子をフッ素原子で置換した基であり、炭素数は、1~20が好ましく、2~15がより好ましく、3~10が更に好ましい。炭素原子上のフッ素原子数は水素原子の一部を置き換えたものでもよく、すべて置き換えたもの(パーフルオロアルキル基)でもよい。
シロキサン基は、特に制限されず、例えば-(SiR2-O)n-で表される構造を有する基が好ましい。繰り返し数nは1~100の整数が好ましく、5~50の整数がより好ましく、10~30の整数が更に好ましい。
各結合中のRは、水素原子又は置換基を示し、水素原子が好ましい。置換基としては特に制限されず、後述する置換基Zから選択され、アルキル基が好ましい。
無水カルボン酸基の一例として、下記式(2a)で表される基又は式(2b)で表される構成成分が挙げられるが、本発明はこれらに限定されない。各式中、*は結合位置を示す。
また、連鎖重合ポリマーにおいて、エステル結合(カルボキシ基を形成するエステル結合を除く)又はアミド結合を有する構成成分は、連鎖重合ポリマーの主鎖、連鎖重合ポリマーに分岐鎖若しくはペンダント鎖として組み込まれている重合鎖(例えばマクロモノマーが有する重合鎖)の主鎖を構成する原子にエステル結合又はアミド結合が直接結合していない構成成分を意味し、例えば、(メタ)アクリル酸アルキルエステルに由来する構成成分を包含しない。
上記官能基を有する構成成分を導く化合物としては、特に限定されないが、例えば、(メタ)アクリル酸短鎖アルキルエステル化合物(短鎖アルキルは炭素数3以下のアルキル基を意味する)に上記官能基を導入した化合物が挙げられる。
逐次重合ポリマーにおいては、固体粒子の結着性の点で、0.01~50モル%であることが好ましく、0.1~50モル%であることがより好ましく、0.3~50モル%であることが更に好ましい。連鎖重合ポリマーにおいては、固体粒子の結着性の点で、0.01~80モル%であることが好ましく、0.01~70モル%であることがより好ましく、0.1~50モル%であることが更に好ましく、0.3~50モル%であることが特に好ましい。逐次重合ポリマー及び連鎖重合ポリマーにおいて、含有量の下限値は、5モル%以上又は20モル%以上とすることもできる。
低吸着バインダーを2種以上含有する場合、すべての低吸着バインダーを形成するポリマーの構成成分の総モル数に対する、上記官能基を有する構成成分の含有量は、特に制限されず、上記各ポリマー中の含有量に応じて適宜に設定される。
低吸着バインダーを形成するポリマーとしての逐次重合ポリマーは、上述の、官能基群(a)から選択される官能基を有する構成成分又は上述の式(1-2)~式(1-5)のいずれかで表される構成成分を有することが好ましく、更にこれら構成成分とは別の構成成分を有していてもよい。下記に示す構成成分のうち、式(I-1)又は式(I-2)で表わされる構成成分、式(I-5)で表される化合物に由来する構成成分は官能基群(a)から選択される官能基を有する構成成分にも相当するが、別の構成成分とともに説明する。別の構成成分としては、例えば、下記式(I-1)若しくは(I-2)で表される構成成分、更には下記式(I-3)若しくは(I-4)で表される構成成分を1種以上(好ましくは1~8種、より好ましくは1~4種)、又は下記式(I-5)で表されるカルボン酸二無水物と下記式(I-6)で表される構成成分を導くジアミン化合物とを逐次重合してなる構成成分が挙げられる。各構成成分の組み合わせは、ポリマー種に応じて適宜に選択される。構成成分の組み合わせに用いられる1種の構成成分とは、下記のいずれか1つの式で表される構成成分を意味し、下記式の一つで表される構成成分を2種含んでいても、2種の構成成分とは解釈しない。
RP1及びRP2としてとりうる上記分子鎖は、特に制限されないが、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。この炭化水素鎖は置換基として重合鎖(例えば(メタ)アクリルポリマー)を有していてもよい。
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、アリーレン基(例えば、後述する置換基Zで挙げたアリール基から更に水素原子を1つ以上除去した基、具体的にはフェニレン基、トリレン基若しくはキシリレン基)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、ポリアルキレンオキシ鎖は末端酸素原子が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(より好ましくはポリアルキレンオキシド鎖)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。
低吸着バインダーを形成するポリマー中の、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、特に限定されないが、50質量%以下であることが好ましい。
すなわち、低吸着バインダーを形成するポリマー中の、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、特に制限されないが、上述の、官能基を有する構成成分の含有量と同じであることが好ましい。
低吸着バインダーを形成するポリマー中の、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、0~48モル%であることが好ましく、0~45モル%であることがより好ましく、0~40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含有量は、それぞれ、0~20モル%であることが特に好ましい。
上記式(I-3A)~式(I-3C)のいずれかで表される各構成成分の含有量は、それぞれ、上記式(I-3)で表される構成成分の含有量の範囲内で適宜に設定される。
官能基を組み込む方法としては、特に制限されず、例えば、官能基群(a)から選択される官能基を有する化合物を共重合する方法、上記官能基を有する(生じる)重合開始剤を用いる方法、高分子反応を利用する方法等が挙げられる。
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)、ホスホン酸基(好ましくは炭素数0~20のホスホン酸基、例えば、-PO(ORP)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。
低吸着バインダーを形成するポリマーとしての連鎖重合ポリマーについて説明する。
連鎖重合ポリマーは、上述の、官能基群(a)から選択される官能基を有する構成成分又は上述の式(1-1)で表される構成成分を有することが好ましく、上記官能基を有する構成成分及び式(1-1)で表される構成成分を有することがより好ましく、更にこれら構成成分とは別の構成成分を有していてもよい。連鎖重合ポリマーは、官能基群(a)から選択される官能基を有する構成成分又は上述の式(1-1)で表される構成成分を有さず、別の構成成分からなるポリマーであってもよい。
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)由来の構成成分を有することも好ましい。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質量%未満であれば特に制限されないが、0~30質量%であることが好ましい。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)アクリル化合物(M1)及びその他の重合性化合物(M2)は置換基を有していてもよい。置換基としては、上述の官能基群(a)に含まれる官能基以外の基であれば特に制限されず、好ましくは上記置換基Zから選択される基が挙げられる。
(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、特に制限されないが、例えば50モル%未満とすることができる。
アルキル基は、1~3の炭素数を有することが好ましい。アルキル基は、例えば上述の置換基Zのうち上記官能基群(a)に包含される官能基以外の基を有していてもよい。
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、官能基群(a)から選択される官能基以外の置換基であればよく、例えば後述する置換基Zから選択される基が挙げられ、具体的にはハロゲン原子等が挙げられる。
(メタ)アクリル化合物(M1)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、100モル%とすることもできるが、1~90モル%であることが好ましく、10~80モル%であることがより好ましく、20~70モル%であることが特に好ましい。
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、特に限定されないが、1モル%以上未満50モル%未満であることが好ましく、10モル%以上50モル%未満であることがより好ましく、20モル%以上50モル%未満であることが特に好ましい。
官能基を組み込む方法としては、特に制限されず、例えば、官能基群(a)から選択される官能基を有する化合物を共重合する方法、上記官能基を有する(生じる)重合開始剤若しくは連鎖移動剤を用いる方法、高分子反応を利用する方法、二重結合(例えば、フッ素ポリマーであれば、VDF構成成分の脱フッ化水素反応等により形成する)へのエン反応、エン-チオール反応、又は銅触媒を用いたATRP(Atom Transfer Radical Polymerization)重合法等が挙げられる。
上記低吸着バインダー、又は低吸着バインダーを形成するポリマーは、そのうちの少なくとも1種が下記物性若しくは特性等を有することが好ましい。2種以上の低吸着バインダーのすべてが下記物性若しくは特性等を有することも好ましい態様の1つである。
低吸着バインダー(ポリマー)の水分濃度は、100ppm(質量基準)以下が好ましい。また、この低吸着バインダーは、ポリマーを晶析させて乾燥させてもよく、低吸着バインダー分散液をそのまま用いてもよい。
低吸着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。
低吸着バインダーの平均粒子径は、上記無機固体電解質の平均粒子径と同様にして測定できる。
なお、全固体二次電池の構成層における低吸着バインダーの平均粒子径は、例えば、電池を分解して低吸着バインダー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、予め測定していた低吸着バインダー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。
低吸着バインダーの平均粒子径は、例えば、分散媒の種類、ポリマー中の構成成分の含有量等により、調整できる。
SP値の算出方法について説明する。
(1)構成単位のSP値を算出する。
まず、ポリマーについて、SP値を特定する構成単位を決定する。
すなわち、本発明においては、ポリマーのSP値を算出するに際して、ポリマー(セグメント)が連鎖重合系ポリマーである場合、原料化合物に由来する構成成分と同じ構成単位とするが、ポリマーが逐次重合ポリマーである場合、原料化合物に由来する構成成分と異なる単位とする。
例えば、逐次重合ポリマーとしてポリウレタンを例に挙げると、SP値を特定する構成単位は次のように規定される。ポリイソシアネート化合物に由来する構成単位としては、ポリイソシアネート化合物に由来する上記式(I-1)で表される構成成分に対して、1つの-NH-CO-基に-O-基を結合させ、かつ残りの-NH-CO-基を除去した単位(1つのウレタン結合を有する単位)とする。一方、ポリオール化合物に由来する構成単位としては、ポリオール化合物に由来する上記式(I-3)で表される構成成分に対して、1つの-O-基に-CO-NH-基を結合させ、かつ残りの-O-基を除去した単位(1つのウレタン結合を有する単位)とする。
なお、結合(I)を有するポリマーとしてその他の逐次重合系ポリマーの場合もポリウレタンと同様に構成単位を決定する。
ポリウレタンにおける構成単位(ただし、各具体例において丸括弧、又は角括弧を含む場合は角括弧で囲む構造単位)の具体例を、そのSP値と共に、以下に示す。
上記のようにして決定した構成単位と求めたSP値を用いて、下記式から算出する。なお、上記文献に準拠して求めた、構成成分のSP値をSP値(MPa1/2)に換算(例えば、1cal1/2cm-3/2≒2.05J1/2cm-3/2≒2.05MPa1/2)して用いる。
SPp 2=(SP1 2×W1)+(SP2 2×W2)+・・・
式中、SP1、SP2・・・は構成単位のSP値を示し、W1、W2・・・は構成単位の質量分率を示す。
本発明において、構成単位の質量分率は、当該構成単位に対応する構成成分(この構成分分を導く原料化合物)のポリマー中の質量分率とする。
ポリマーのSP値は、ポリマーの種類又は組成(構成成分の種類及び含有量)等によって、調整できる。
ポリマー膜に対する分散媒の接触角θが小さいことで固体粒子の分散安定性が向上する理由の詳細はまだ明らかではないが、次のように考えられる。低吸着率バインダーのポリマー膜に対する分散媒の接触角が小さいことは、低吸着率バインダーと分散媒の親和性が高いことを意味する。この親和性が高くなることにより、無機固体電解質含有組成物(特にスラリー)中における低吸着率バインダーの浸透圧効果が向上し、低吸着率バインダー間に働く斥力が増大する。その結果、固体粒子の分散性が向上すると考えられる。
分散媒として酪酸ブチルを用いた場合の接触角θは、特に制限されず、例えば、0~60゜であることが好ましく、0~40°であることがより好ましい。
本発明において、無機固体電解質含有組成物が低吸着バインダーを複数種含有する場合、低吸着バインダーそれぞれを形成するポリマーについて上記接触角θを満たすことが好ましい。
シリコンウエハ(3×N型、アズワン社製)上に、低吸着率バインダーを形成するポリマーの溶液若しくは分散液(溶媒若しくは分散媒は無機固体電解質含有組成物の調製に用いた分散媒と同種のものを用いる。)100μLを下記条件でスピンコーターにより塗布したのち、100℃で2時間真空乾燥することで低吸着率バインダーのポリマー膜を作製する。
バインダー溶液の濃度:10質量%
スピンコーターの回転数:2000rpm
スピンコーターの回転時間:5秒
上記のようにしてシリコンウエハ上に作製したポリマー膜に対する分散媒の接触角θは、液滴法におけるθ/2法により測定する。ここで、液滴をポリマー膜表面に接触させて着滴させた200ミリ秒後に、試料面(ポリマー膜表面)と液滴とのなす角度(液滴の内部にある角)を接触角θとする。
本発明において、ポリマー、ポリマー鎖(ポリエーテル構造)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又は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
低吸着バインダーの、無機固体電解質含有組成物中の(合計)含有量は、特に制限されないが、分散安定性及びハンドリング性を改善し、更に強固な結着性も示す点で、0.1~10.0質量%であることが好ましく、0.2~5.0質量%であることがより好ましく、0.3~4.0質量%であることが更に好ましい。低吸着バインダーの、無機固体電解質含有組成物中の(合計)含有量は、固形分100質量%においては、同様に理由から、0.1~10.0質量%であることが好ましく、0.3~8質量%であることがより好ましく、0.5~7質量%であることが更に好ましい。
低吸着バインダーを2種以上含有する場合、各低吸着バインダーの含有量は、上記(合計)含有量を満たす範囲で適宜に設定される。例えば、1種の低吸着バインダー(例えば、後述するより好ましい組み合わせにおける、逐次重合ポリマー若しくは(メタ)アクリルポリマーからなる低吸着バインダー)の含有量は、固形分100質量%において、0.01~5質量%であることが好ましく、0.05~4質量%であることがより好ましく、0.1~3質量%であることが更に好ましい。残りの低吸着バインダー(例えば、後述するより好ましい組み合わせにおける、含フッ素系ポリマー若しくは炭化水素ポリマーからなる低吸着バインダー)の含有量は、固形分100質量%において、0.01~5質量%であることが好ましく、0.05~4質量%であることがより好ましく、0.1~3質量%であることが更に好ましい。また、固形分100質量%における、上記1種の低吸着バインダーの含有量と残りの低吸着バインダーの含有量との差(絶対値)は、特に制限されず、例えば、0~5質量%とすることができ、0~3質量%がより好ましく、0~2質量%が更に好ましい。更に、固形分100質量%における、上記1種の低吸着バインダーの含有量と、残りの低吸着バインダーの含有量との比(1種の低吸着バインダーの含有量/残りの低吸着バインダーの含有量)は、特に制限されず、例えば、0.1~10が好ましく、0.4~5がより好ましい。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、ポリマーバインダーとして、上述の低極性バインダー以外に、組成物中の分散媒に不溶で、粒子状のポリマーバインダー(粒子状バインダー)を1種又は2種以上含有することが好ましい。この粒子状バインダーの形状は、特に制限されず、偏平状、無定形等であってもよいが、球状若しくは顆粒状が好ましい。粒子状バインダーの平均粒子径は1~1000nmであることが好ましく、5~800nmであることがより好ましく、10~600nmであることが更に好ましく、50~500nmであることが特に好ましい。平均粒子径は上記無機固体電解質の平均粒子径と同様にして測定できる。
この粒子状バインダーは、無機固体電解質に対する吸着率が60%以上である粒子状バインダーが好ましい。活物質への吸着率は適宜に決定される。吸着率は低吸着バインダーと同様にして測定できる。
無機固体電解質含有組成物が粒子状バインダーを含有すると、低極性バインダーによる分散安定性とハンドリング性の改善効果を損なうことなく、界面抵抗の上昇を抑えつつも固体粒子の結着性を強化することができる。その結果、全固体二次電池について、サイクル特性を更に高めることができ、好ましくは更なる低抵抗化を実現することができる。
粒子状バインダーとしては、全固体二次電池に製造に用いられる各種の粒子状バインダーを特に制限されることなく用いることができる。例えば、上述の逐次重合ポリマー又は連鎖重合ポリマーからなる粒子状バインダーが挙げられ、具体的には、実施例で合成したポリマーT-2、T-3及びD-1等が挙げられる。また、特開2015-088486号公報、国際公開第2018/020827号等に記載のバインダーも挙げられる。
粒子状バインダーの、無機固体電解質含有組成物中の含有量は、特に制限されないが、分散安定性及びハンドリング性を改善し、更に強固な結着性も示す点で、固形分100質量%において、0.01~4質量%であることが好ましく、0.05~2質量%であることがより好ましく、0.1~1質量%であることが更に好ましい。なお、粒子状バインダーの含有量は、上記範囲内で適宜に設定されるが、粒子状バインダーの溶解度を考慮して、無機固体電解質含有組成物中で溶解しない含有量であることが好ましい。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、無機固体電解質に対する上記吸着率が60%以上である高吸着バインダーを含有してもよい。高吸着バインダーは、吸着率が60%以上であれば特に制限されず、例えば、二次電池のバインダーとして通常用いられるものが挙げられる。
本発明の無機固体電解質含有組成物が含有するポリマーバインダーは、上述のように、低吸着バインダーを少なくとも1種含んでいれば、2種以上を含んでいてもよい。2種以上含む場合、その数は、特に制限されないが、例えば、2~5種であることが好ましく、2~7種とすることもできる。
ポリマーバインダーが低吸着バインダーを含む態様としては、低吸着バインダーを単独で含む態様、低吸着バインダーを2種以上含む態様、1種又は2種以上の低吸着バインダーと粒子状バインダーとを含む態様、更には、各態様において高吸着バインダーを更に含む態様等が挙げられる。
低吸着バインダーを2種以上含むと、分散安定性、ハンドリング性、集電箔に対する密着性という効果をより高い水準で得られる。低吸着バインダーを2種以上含む態様(粒子状バインダーを含む態様を含む。)において、併用される低吸着バインダーは、特に制限されず、吸着率、低吸着バインダーを形成するポリマー、官能基の種類及び含有量等に応じて適宜に設定される。例えば、低吸着バインダーを形成するポリマーに着目すると、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合、又は炭素-炭素二重結合の重合鎖を主鎖に有するポリマーから選択される2種以上のポリマーの組み合わせが好ましく、逐次重合ポリマー若しくは(メタ)アクリルポリマー(からなる低吸着バインダー)と、含フッ素系ポリマー若しくは炭化水素ポリマー(からなる低吸着バインダー)との組み合わせがより好ましい。併用される含フッ素系ポリマー及び炭化水素ポリマーは、上記式(1-1)~式(1-5)のいずれかで表される構成成分を有していても、有していなくてもよい。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、上記の各成分を分散させる分散媒を含有することが好ましい。
分散媒としては、使用環境において液状を示す有機化合物であればよく、例えば、各種有機溶媒が挙げられ、具体的には、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、エステル化合物等が挙げられる。
分散媒としては、非極性分散媒(疎水性の分散媒)でも極性分散媒(親水性の分散媒)でもよいが、優れた分散性を発現できる点で、非極性分散媒が好ましい。非極性分散媒とは、一般に水に対する親和性が低い性質をいうが、本発明においては、例えば、エステル化合物、ケトン化合物、エーテル化合物、香族化合物、脂肪族化合物等が挙げられる。
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(MIBK)、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、シクロヘプタノン、ジプロピルケトン、ジブチルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン(DIBK)、イソブチルプロピルケトン、sec-ブチルプロピルケトン、ペンチルプロピルケトン、ブチルプロピ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、キシレン等が挙げられる。
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、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、シクロオクタン、デカリン、パラフィン、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等が挙げられる。
ニトリル化合物としては、例えば、アセトニトリル、プロピオニトリル、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、酪酸プロピル、酪酸イソプロピル、酪酸ブチル、酪酸イソブチル、ペンタン酸ブチル、イソ酪酸エチル、イソ酪酸プロピル、イソ酪酸イソプロピル、イソ酪酸イソブチル、ピバル酸プロピル、ピバル酸イソプロピル、ピバル酸ブチル、ピバル酸イソブチルなどが挙げられる。
分散媒のSP値は、上述のHoy法により算出したSP値を単位MPa1/2に換算した値とする。無機固体電解質含有組成物が2種以上の分散媒を含有する場合、分散媒のSP値は、分散媒全体としてのSP値を意味し、各分散媒のSP値と質量分率との積の総和とする。具体的には、構成成分のSP値に代えて各分散媒のSP値を用いること以外は上述のポリマーのSP値の算出方法と同様にして算出する。
分散媒のSP値(単位を省略する)を以下に示す。
MIBK(18.4)、ジイソプロピルエーテル(16.8)、ジブチルエーテル(17.9)、ジイソプロピルケトン(17.9)、DIBK(17.9)、酪酸ブチル(18.6)、酢酸ブチル(18.9)、トルエン(18.5)、エチルシクロヘキサン(17.1)、シクロオクタン(18.8)、イソブチルエチルエーテル(15.3)、N-メチルピロリドン(NMP、SP値:25.4)
本発明において、無機固体電解質含有組成物中の、分散媒の含有量は、特に制限されず適宜に設定することができる。例えば、無機固体電解質含有組成物中、20~80質量%が好ましく、30~70質量%がより好ましく、40~60質量%が特に好ましい。
本発明の無機固体電解質含有組成物には、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を含有することもできる。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)を含有する無機固体電解質含有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、特に制限はなく電池を分解して、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。
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。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、導電助剤を含有していることが好ましく、例えば、負極活物質としてのケイ素原子含有活物質は導電助剤と併用されることが好ましい。
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、特に制限されないが、粒子状が好ましい。
本発明の無機固体電解質含有組成物が導電助剤を含む場合、無機固体電解質含有組成物中の導電助剤の含有量は、固形分100質量%において、0~10質量%が好ましい。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、リチウム塩(支持電解質)を含有することも好ましい。
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。
本発明の無機固体電解質含有組成物がリチウム塩を含む場合、リチウム塩の含有量は、固体電解質100質量部に対して、0.1質量部以上が好ましく、5質量部以上がより好ましい。上限としては、50質量部以下が好ましく、20質量部以下がより好ましい。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、上述の低吸着バインダーが分散剤としても機能するため、この低吸着バインダー以外の分散剤を含有していなくてもよいが、分散剤を含有してもよい。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。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、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、酸化防止剤等を含有することができる。イオン液体は、イオン伝導度をより向上させるため含有されるものであり、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。また、上述のポリマーバインダーを形成するポリマー以外のポリマー、通常用いられる結着剤等を含有していてもよい。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、無機固体電解質、ポリマーバインダーとして上記低吸着バインダー、分散媒、好ましくは、低吸着バインダー以外のポリマーバインダー(例えば粒子状バインダー)、導電助剤、更には適宜に、リチウム塩、任意の他の成分を、例えば通常用いる各種の混合機で混合することにより、混合物として、好ましくはスラリーとして、調製することができる。電極用組成物の場合は更に活物質を混合する。
混合方法は特に制限されず、一括して混合してもよく、順次混合してもよい。混合する環境は特に制限されないが、乾燥空気下又は不活性ガス下等が挙げられる。
本発明の全固体二次電池用シートは、全固体二次電池の構成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、固体電解質層に好ましく用いられるシート(全固体二次電池用固体電解質シートともいう。)、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(全固体二次電池用電極シート)等が挙げられる。本発明において、これら各種のシートをまとめて全固体二次電池用シートという。
本発明の全固体二次電池用固体電解質シートとして、例えば、基材上に、本発明の無機固体電解質含有組成物で構成した層、通常固体電解質層と、保護層とをこの順で有するシートが挙げられる。全固体二次電池用固体電解質シートが有する固体電解質層は、本発明の無機固体電解質含有組成物で形成されることが好ましい。この固体電解質層中の各成分の含有量は、特に限定されないが、好ましくは、本発明の無機固体電解質含有組成物の固形分中における各成分の含有量と同義である。全固体二次電池用固体電解質シートを構成する各層の層厚は、後述する全固体二次電池において説明する各層の層厚と同じである。
本発明の全固体二次電池用シートの製造方法は、特に制限されず、本発明の無機固体電解質含有組成物を用いて、上記の各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)して無機固体電解質含有組成物からなる層(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シートを作製することができる。特に、本発明の無機固体電解質含有組成物を集電体上で製膜して全固体二次電池用シートを作製すると、集電体と活物質層との密着を強固にできる。ここで、塗布乾燥層とは、本発明の無機固体電解質含有組成物を塗布し、分散媒を乾燥させることにより形成される層(すなわち、本発明の無機固体電解質含有組成物を用いてなり、本発明の無機固体電解質含有組成物から分散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分散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。
負極活物質層、正極活物質層及び固体電解質層の少なくとも1つの層が本発明の無機固体電解質含有組成物で形成されており、固体電解質層、又は負極活物質層及び正極活物質層の少なくとも一方が本発明の無機固体電解質含有組成物で形成されることが好ましい。全ての層が本発明の無機固体電解質含有組成物で形成されることも好ましい態様の1つである。本発明の無機固体電解質含有組成物で形成された活物質層又は固体電解質層は、好ましくは、含有する成分種及びその含有量比について、本発明の無機固体電解質含有組成物の固形分におけるものと同じである。なお、活物質層又は固体電解質層が本発明の無機固体電解質含有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。
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、固体電解質層及び負極活物質層のいずれも本発明の無機固体電解質含有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ポリマーバインダー(低吸着バインダー)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。
リチウム金属層としては、リチウム金属の粉末を堆積又は成形してなる層、リチウム箔及びリチウム蒸着膜等が挙げられる。リチウム金属層の厚さは、上記負極活物質層の上記厚さにかかわらず、例えば、1~500μmとすることができる。
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。
集電体の厚みは、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。
本発明において、負極集電体、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層及び正極集電体の各層の間又はその外側には、機能性の層、部材等を適宜介在若しくは配設してもよい。また、各層は単層で構成されていても、複層で構成されていてもよい。
全固体二次電池は、常法によって、製造できる。具体的には、全固体二次電池は、本発明の無機固体電解質含有組成物等を用いて、上記の各層を形成することにより、製造できる。以下、詳述する。
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、正極活物質を含有する無機固体電解質含有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、負極活物質を含有する無機固体電解質含有組成物を塗布して、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、正極用組成物、無機固体電解質含有組成物及び負極用組成物のいずれか1つに本発明の無機固体電解質含有組成物を用いればよく、無機固体電解質含有組成物に本発明の無機固体電解質含有組成物を用いることが好ましく、いずれの組成物に本発明の無機固体電解質含有組成物を用いることもできる。
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、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、分散媒を除去し、固体状態(塗布乾燥層)にすることができる。また、温度を高くしすぎず、全固体二次電池の各部材を損傷せずに済むため好ましい。これにより、全固体二次電池において、優れた総合性能を示し、かつ良好な結着性と、非加圧でも良好なイオン伝導度を得ることができる。
上記のようにして本発明の無機固体電解質含有組成物を塗布乾燥すると、接触状態のバラツキを抑えて固体粒子を結着させることができ、しかも表面が平坦な塗布乾燥層を形成することができる。
また、塗布した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。なお、ポリマーバインダーに含まれるポリマ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、一般的にはこのポリマーの融点を越えない温度である。
加圧は塗布溶媒又は分散媒を予め乾燥させた状態で行ってもよいし、溶媒又は分散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膜厚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。
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いが、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。
下記化学式、並びに表1-1及び表1-2(合わせて表1という。)に示すポリマーを以下のようにして合成した。
[合成例1:ポリマーS-1の合成、及びバインダー溶液S-1の調製]
ポリマーS-1を合成して、このポリマーの酪酸ブチル溶液S-1を調製した。
200mL3つ口フラスコに、NISSO-PB GI1000(商品名、日本曹達社製)28.80g、及びポリプロピレングリコール(PPG400、富士フイルム和光純薬社製)1.92gを加え、酪酸ブチル(東京化成工業社製)55.5gに溶解した。この溶液に、ジシクロヘキシルメタン-4,4’-ジイソシアナート(東京化成工業社製)6.30gを加えて80℃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)100mgを添加して80℃で10時間攪伴して、ポリマーS-1(ポリウレタン)を合成し、ポリマーS-1からなるバインダーの溶液S-1(濃度40質量%)を得た。
合成例1において、ポリマーS-2が表1に示す組成(構成成分の種類及び含有量)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S-2(ポリウレタン)を合成して、ポリマーS-2からなるバインダーの溶液S-2を得た。
500mL3つ口フラスコに、NISSO-PB G3000(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後、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S-3(ポリエステル)を合成して、ポリマーS-3からなるバインダーの溶液S-3を得た。
100mLメスフラスコに、メタクリル酸グリシジル(東京化成工業社製)6.39g、メタクリル酸ドデシル(東京化成工業社製)27.3g及び重合開始剤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調製した。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、上記モノマー溶液を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S-4(メタクリルポリマー)を合成し、ポリマーS-4からなるバインダーの溶液S-4(濃度40質量%)を得た。
合成例4において、ポリマーS-5~S-18、S-35が表1に示す組成(構成成分の種類及び含有量)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4と同様にして、ポリマーS-5~S-18、S-35((メタ)アクリルポリマー又はビニル系ポリマー)をそれぞれ合成して、各ポリマーからなるバインダーの溶液S-5~S-18、S-35をそれぞれ得た。なお、ポリマーS-7は酪酸ブチルに溶解せず、ポリマーS-7からなるバインダーは分散液S-7として得た。この分散液中のバインダーの平均粒子径は250nmであった。
オートクレーブに、イオン交換水100質量部、フッ化ビニリデン48質量部、ヘキサフルオロプロペン30質量部及びテトラフルオロエチレン22質量部を加え、更に重合開始剤パーロイルIPP(商品名、化学名:ジイソプロピルパーオキシジカーボネート、日本油脂社製)2質量部を加えて、40℃で24時間撹拌した。撹拌後、沈殿物をろ過し、100℃で10時間乾燥させた。得られたポリマー10質量部に対して酪酸ブチル40質量部を加えて溶解させ、ポリマーS-19(フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロプロピレン三元共重合体)を合成して、ポリマーS-19からなるバインダーの溶液S-19(ポリマーの濃度20質量%)を得た。
オートクレーブに、イオン交換水100質量部、フッ化ビニリデン68質量部及びヘキサフルオロプロペン32質量部を加え、更に重合開始剤パーロイルIPP(商品名、化学名:ジイソプロピルパーオキシジカーボネート、日本油脂社製)2質量部を加えて、40℃で24時間撹拌した。撹拌後、沈殿物をろ過し、100℃で10時間乾燥させた。得られたポリマー10質量部に対して酪酸ブチル40質量部を加えて溶解させ、ポリマーS-20(フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン二元共重合体)を合成して、ポリマーS-20からなるバインダーの溶液S-20(ポリマーの濃度20質量%)を得た。
フッ素系共重合体S-21を合成して、このフッ素系共重合体からなるバインダー溶液S-21(濃度10質量%)を調製した。
具体的には、還流冷却管を付した500mL三口フラスコに、テトラヒドロフラン180質量部、合成例19で合成したフッ素系共重合体S-19を20質量部加え、更に水酸化リチウム0.23g、メタノール40g加え、60℃で6時間撹拌した。その後、水に滴下し、沈殿物をろ過し、真空乾燥することでポリマー前駆体(S-21)を得た。
次に、還流冷却管、ガス導入コックを付した300mL三口フラスコに、N-メチルピロリドン90質量部と、上記ポリマー前駆体(S-21)10質量部とを加え溶解させた。その後、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に75℃に昇温し、ドデカンチオール12質量部、アゾビスイソブチロニトリル(富士フイルム和光純薬社製)0.5質量部を加え、5時間攪拌を継続した。その後、ヘキサンに滴下し、沈殿物としてフッ素系共重合体S-21を得た。60℃での減圧乾燥を5時間行った後、任意の溶媒に再溶解した。得られたフッ素系共重合体を酪酸ブチルに溶解して、バインダー溶液S-21(濃度10質量%)を得た。
フッ素系共重合体S-22を合成して、このフッ素系共重合体からなるバインダー溶液S-22(濃度10質量%)を調製した。
具体的には、還流冷却管を付した500mL三口フラスコに、テトラヒドロフラン180質量部、合成例19で合成したフッ素系共重合体S-19を20質量部加え、更に水酸化リチウム0.23g、メタノール40g加え、60℃で6時間撹拌した。その後、水に滴下し、沈殿物をろ過し、真空乾燥することでポリマー前駆体(S-22)を得た。
次に、還流冷却管、ガス導入コックを付した300mL三口フラスコに、N-メチルピロリドン90質量部と、上記ポリマー前駆体(S-22)10質量部とを加え溶解させた。その後、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に75℃に昇温し、6-メルカプト-1-ヘキサノール6質量部、アゾビスイソブチロニトリル(富士フイルム和光純薬社製)0.6質量部を加え、5時間攪拌を継続した。その後、ヘキサンに滴下し、沈殿物としてフッ素系共重合体S-22を得た。60℃での減圧乾燥を5時間行った後、任意の溶媒に再溶解した。得られたフッ素系共重合体を酪酸ブチルに溶解して、バインダー溶液S-22(濃度10質量%)を得た。
フッ素系共重合体S-23を合成して、このフッ素系共重合体からなるバインダー溶液S-23(濃度10質量%)を調製した。
具体的には、還流冷却管を付した2L三口フラスコに、テトラヒドロフラン180質量部、合成例19で合成したフッ素系共重合体S-19を20質量部加え、更に水酸化リチウム0.23g、メタノール40g加え、60℃で6時間撹拌した。その後、水に滴下し、沈殿物をろ過し、真空乾燥することでポリマー前駆体(S-23)を得た。
次に、還流冷却管、ガス導入コックを付した300mL三口フラスコに、N-メチルピロリドン90質量部と、上記ポリマー前駆体(S-23)10質量部とを加え溶解させた。その後、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に75℃に昇温し、メルカプトプロピオン酸3質量部、アゾビスイソブチロニトリル(富士フイルム和光純薬社製)0.6質量部を加え、5時間攪拌を継続した。その後、ヘキサンに滴下し、沈殿物としてフッ素系共重合体S-23を得た。60℃での減圧乾燥を5時間行った後、任意の溶媒に再溶解した。得られたフッ素系共重合体を酪酸ブチルに溶解して、バインダー溶液S-23(濃度10質量%)を得た。
フッ素系共重合体S-24を合成して、このフッ素系共重合体からなるバインダー溶液S-24(濃度10質量%)を調製した。
具体的には、還流冷却管、ガス導入コックを付した300mL三口フラスコに、N-メチルピロリドン90質量部と、上記ポリマー前駆体(S-23)10質量部とを加え溶解させた。その後、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に75℃に昇温し、6-メルカプト-1-ヘキサノール3質量部、アゾビスイソブチロニトリル(富士フイルム和光純薬社製)0.6質量部を加え、5時間攪拌を継続した後、無水マレイン酸7質量部を加え、更に2時間攪拌を行った。その後、ヘキサンに滴下し、沈殿物としてフッ素系共重合体S-24を得た。60℃での減圧乾燥を5時間行った後、任意の溶媒に再溶解した。得られたフッ素系共重合体を酪酸ブチルに溶解して、バインダー溶液S-24(濃度10質量%)を得た。
フッ素系共重合体S-25を合成して、このフッ素系共重合体からなるバインダー溶液S-25(濃度10質量%)を調製した。
具体的には、還流冷却管、ガス導入コックを付した300mL三口フラスコに、N-メチルピロリドン90質量部と、上記ポリマー前駆体(S-21)10質量部とを加え溶解させた。その後、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に75℃に昇温し、1H,1H,2H,2H-パーフルオロデカンチオール22質量部、アゾビスイソブチロニトリル(富士フイルム和光純薬社製)1質量部を加え、5時間攪拌を継続した。その後、ヘキサンに滴下し、沈殿物としてフッ素系共重合体S-25を得た。60℃での減圧乾燥を5時間行った後、任意の溶媒に再溶解した。得られたフッ素系共重合体を酪酸ブチルに溶解して、バインダー溶液S-25(濃度10質量%)を得た。
フッ素系共重合体S-26を合成して、このフッ素系共重合体からなるバインダー溶液S-26(濃度10質量%)を調製した。
具体的には、還流冷却管、ガス導入コックを付した300mL三口フラスコに、N-メチルピロリドン90質量部と、合成例19で合成したフッ素系共重合体S-19を10質量部とを加え溶解させた。その後、ラウリルアクリレート(富士フイルム和光純薬社製)47.3質量部、1H,1H,2H,2H-トリデカフルオロ-n-オクチルメタクリレート(東京化成社製)22.8質量部、塩化銅(富士フイルム和光純薬社製)0.1質量部と、4,4’-ジメチル-2,2’-ビピリジル0.5質量部とを加え、窒素ガスを10分間バブリングした後に、流速50mL/minにて窒素ガスを導入し、100℃に昇温し、18時間攪拌を継続した。その後、ヘキサンに滴下し、沈殿物としてフッ素系共重合体S-26を得た。60℃での減圧乾燥を5時間行った後、任意の溶媒に再溶解した。得られたフッ素系共重合体を酪酸ブチルに溶解して、バインダー溶液S-26(濃度10質量%)を得た。
フッ素系共重合体S-27を合成して、このフッ素系共重合体からなるバインダー溶液S-27(濃度10質量%)を調製した。
具体的には、還流冷却管を付した500mL三口フラスコに、テトラヒドロフラン180質量部、合成例19で合成したフッ素系共重合体S-19を20質量部加え、更に水酸化リチウム0.12g、メタノール40g加え、60℃で6時間撹拌した。その後、水に滴下し、沈殿物をろ過し、真空乾燥することでポリマー前駆体A(S-27)を得た。
次に、還流冷却管、ガス導入コックを付した300mL三口フラスコに、N-メチルピロリドン135質量部と、上記ポリマー前駆体A(S-27)15質量部とを加え溶解させた。その後、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に75℃に昇温し、デカンジチオール14質量部、アゾビスイソブチロニトリル(富士フイルム和光純薬社製)0.8質量部を加え、5時間攪拌を継続した。その後、ヘキサンに滴下し、沈殿物としてポリマー前駆体B(S-27)を得た。
次に、還流冷却管、ガス導入コックを付した300mL三口フラスコに、N-メチルピロリドン90質量部と、上記ポリマー前駆体B(S-27)10質量部とを加え溶解させた。その後、ラウリルアクリレート(富士フイルム和光純薬社製)2質量部、1H,1H,2H,2H-トリデカフルオロ-n-オクチルメタクリレート(東京化成社製)1質量部、アゾビスブチロニトリル(富士フイルム和光純薬社製)0.1質量部を加え、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に75℃に昇温し、5時間攪拌を継続した。その後、ヘキサンに滴下し、沈殿物としてフッ素系共重合体S-27を得た。60℃での減圧乾燥を5時間行った後、任意の溶媒に再溶解した。得られたフッ素系共重合体を酪酸ブチルに溶解して、バインダー溶液S-27(濃度10質量%)を得た。
フッ素系共重合体S-28を合成して、このフッ素系共重合体からなるバインダー溶液S-28(濃度10質量%)を調製した。
具体的には、還流冷却管を付した500mL三口フラスコに、テトラヒドロフラン180質量部、合成例20で合成したフッ素系共重合体S-20を20質量部加え、更に水酸化リチウム0.23g、メタノール40g加え、60℃で6時間撹拌した。その後、水に滴下し、沈殿物をろ過し、真空乾燥することでポリマー前駆体(S-28)を得た。
次に、還流冷却管、ガス導入コックを付した300mL三口フラスコに、N-メチルピロリドン90質量部と、上記ポリマー前駆体(S-28)10質量部とを加え溶解させた。その後、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に75℃に昇温し、ドデカンチオール12質量部、アゾビスイソブチロニトリル(富士フイルム和光純薬社製)0.5質量部を加え、5時間攪拌を継続した。その後、ヘキサンに滴下し、沈殿物としてフッ素系共重合体S-28を得た。60℃での減圧乾燥を5時間行った後、任意の溶媒に再溶解した。得られたフッ素系共重合体を酪酸ブチルに溶解して、バインダー溶液S-28(濃度10質量%)を得た。
フッ素系共重合体S-29を合成して、このフッ素系共重合体からなるバインダー溶液S-29(濃度10質量%)を調製した。
具体的には、還流冷却管を付した500mL三口フラスコに、テトラヒドロフラン180質量部、合成例20で合成したフッ素系共重合体S-20を20質量部加え、更に水酸化リチウム0.23g、メタノール40g加え、60℃で6時間撹拌した。その後、水に滴下し、沈殿物をろ過し、真空乾燥することでポリマー前駆体(S-29)を得た。
次に、還流冷却管、ガス導入コックを付した300mL三口フラスコに、N-メチルピロリドン90質量部と、上記ポリマー前駆体(S-29)10質量部とを加え溶解させた。その後、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に75℃に昇温し、6-メルカプト-1-ヘキサノール6質量部、アゾビスイソブチロニトリル(富士フイルム和光純薬社製)0.6質量部を加え、5時間攪拌を継続した。その後、ヘキサンに滴下し、沈殿物としてフッ素系共重合体S-29を得た。60℃での減圧乾燥を5時間行った後、任意の溶媒に再溶解した。得られたフッ素系共重合体を酪酸ブチルに溶解して、バインダー溶液S-29(濃度10質量%)を得た。
フッ素系共重合体S-30を合成して、このフッ素系共重合体からなるバインダー溶液S-30(濃度10質量%)を調製した。
具体的には、還流冷却管を付した2L三口フラスコに、テトラヒドロフラン180質量部、合成例20で合成したフッ素系共重合体S-20を20質量部加え、更に水酸化リチウム0.23g、メタノール40g加え、60℃で6時間撹拌した。その後、水に滴下し、沈殿物をろ過し、真空乾燥することでポリマー前駆体(S-30)を得た。
次に、還流冷却管、ガス導入コックを付した300mL三口フラスコに、N-メチルピロリドン90質量部と、上記ポリマー前駆体(S-30)10質量部とを加え溶解させた。その後、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に75℃に昇温し、メルカプトプロピオン酸3質量部、アゾビスイソブチロニトリル(富士フイルム和光純薬社製)0.6質量部を加え、5時間攪拌を継続した。その後、ヘキサンに滴下し、沈殿物としてフッ素系共重合体S-30を得た。60℃での減圧乾燥を5時間行った後、任意の溶媒に再溶解した。得られたフッ素系共重合体を酪酸ブチルに溶解して、バインダー溶液S-30(濃度10質量%)を得た。
フッ素系共重合体S-31を合成して、このフッ素系共重合体からなるバインダー溶液S-31(濃度10質量%)を調製した。
具体的には、還流冷却管、ガス導入コックを付した300mL三口フラスコに、N-メチルピロリドン90質量部と、上記ポリマー前駆体(S-30)10質量部とを加え溶解させた。その後、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に75℃に昇温し、6-メルカプト-1-ヘキサノール3質量部、アゾビスイソブチロニトリル(富士フイルム和光純薬社製)0.6質量部を加え、5時間攪拌を継続した後、無水マレイン酸7質量部を加え、更に2時間攪拌を行った。その後、ヘキサンに滴下し、沈殿物としてフッ素系共重合体S-31を得た。60℃での減圧乾燥を5時間行った後、任意の溶媒に再溶解した。得られたフッ素系共重合体を酪酸ブチルに溶解して、バインダー溶液S-31(濃度10質量%)を得た。
フッ素系共重合体S-32を合成して、このフッ素系共重合体からなるバインダー溶液S-32(濃度10質量%)を調製した。
具体的には、還流冷却管、ガス導入コックを付した300mL三口フラスコに、N-メチルピロリドン90質量部と、上記ポリマー前駆体(S-28)10質量部とを加え溶解させた。その後、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に75℃に昇温し、1H,1H,2H,2H-パーフルオロデカンチオール22質量部、アゾビスイソブチロニトリル(富士フイルム和光純薬社製)1質量部を加え、5時間攪拌を継続した。その後、ヘキサンに滴下し、沈殿物としてフッ素系共重合体S-32を得た。60℃での減圧乾燥を5時間行った後、任意の溶媒に再溶解した。得られたフッ素系共重合体を酪酸ブチルに溶解して、バインダー溶液S-32(濃度10質量%)を得た。
フッ素系共重合体S-33を合成して、このフッ素系共重合体からなるバインダー溶液S-26(濃度10質量%)を調製した。
具体的には、還流冷却管、ガス導入コックを付した300mL三口フラスコに、N-メチルピロリドン90質量部と、合成例20で合成したフッ素系共重合体S-20を10質量部とを加え溶解させた。その後、ラウリルアクリレート(富士フイルム和光純薬社製)47.3質量部、1H,1H,2H,2H-トリデカフルオロ-n-オクチルメタクリレート(東京化成社製)22.8質量部、塩化銅(富士フイルム和光純薬社製)0.1質量部と、4,4’-ジメチル-2,2’-ビピリジル0.5質量部とを加え、窒素ガスを10分間バブリングした後に、流速50mL/minにて窒素ガスを導入し、100℃に昇温し、18時間攪拌を継続した。その後、ヘキサンに滴下し、沈殿物としてフッ素系共重合体S-33を得た。60℃での減圧乾燥を5時間行った後、任意の溶媒に再溶解した。得られたフッ素系共重合体を酪酸ブチルに溶解して、バインダー溶液S-33(濃度10質量%)を得た。
フッ素系共重合体S-34を合成して、このフッ素系共重合体からなるバインダー溶液S-34(濃度10質量%)を調製した。
具体的には、還流冷却管を付した500mL三口フラスコに、テトラヒドロフラン180質量部、合成例20で合成したフッ素系共重合体S-20を20質量部加え、更に水酸化リチウム0.12g、メタノール40g加え、60℃で6時間撹拌した。その後、水に滴下し、沈殿物をろ過し、真空乾燥することでポリマー前駆体A(S-34)を得た。
次に、還流冷却管、ガス導入コックを付した300mL三口フラスコに、N-メチルピロリドン135質量部と、上記ポリマー前駆体A(S-34)15質量部とを加え溶解させた。その後、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に75℃に昇温し、デカンジチオール14質量部、アゾビスイソブチロニトリル(富士フイルム和光純薬社製)0.8質量部を加え、5時間攪拌を継続した。その後、ヘキサンに滴下し、沈殿物としてポリマー前駆体B(S-34)を得た。
次に、還流冷却管、ガス導入コックを付した300mL三口フラスコに、N-メチルピロリドン90質量部と、上記ポリマー前駆体B(S-34)10質量部とを加え溶解させた。その後、ラウリルアクリレート(富士フイルム和光純薬社製)2質量部、1H,1H,2H,2H-トリデカフルオロ-n-オクチルメタクリレート(東京化成社製)1質量部、アゾビスブチロニトリル(富士フイルム和光純薬社製)0.1質量部を加え、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に75℃に昇温し、5時間攪拌を継続した。その後、ヘキサンに滴下し、沈殿物としてフッ素系共重合体S-34を得た。60℃での減圧乾燥を5時間行った後、任意の溶媒に再溶解した。得られたフッ素系共重合体を酪酸ブチルに溶解して、バインダー溶液S-34(濃度10質量%)を得た。
合成例1において、ポリマーT-1及びT-3が表1に示す組成(構成成分の種類及び含有量)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T-1及びT-3(いずれもポリウレタン)をそれぞれ合成して、ポリマーT-1からなるバインダーの溶液T-1及びポリマーT-3からなるバインダーの分散液T-3をそれぞれ得た。分散液T-3中のバインダーの平均粒子径は120nmであった。
合成例4において、ポリマーT-2が表1に示す組成(構成成分の種類及び含有量)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4と同様にして、ポリマーT-2((メタ)アクリルポリマー)を合成して、ポリマーT-2からなるバインダーの分散液T-2を得た。分散液T-2中のバインダーの平均粒子径は180nmであった。
100mLメスフラスコに、こはく酸モノ(2-アクリロイルオキシエチル)(東京化成工業社製)11.7g及び重合開始剤V-601(商品名、富士フイルム和光純薬社製)0.17gを加え、酪酸ブチル13.6gに溶解してモノマー溶液を調製した。200mLの3口フラスコに、マクロモノマー10.2gを加え、酪酸ブチル16.9gに溶解し、80℃で攪拌したところへ、上記モノマー溶液を2時間かけて滴下した。滴下終了後、80℃で2時間撹拌した後、90℃に昇温して2時間撹拌して(メタ)アクリルポリマーの分散液D-1を調製した。こうして得られたポリマーD-1の質量平均分子量は95000であり、SP値は21.5であった。分散液D-1中のバインダーの平均粒子径は160nmであった。
1Lメスシリンダーに、メタクリル酸メチル(東京化成工業社製)130.2g、メタクリル酸ドデシル(東京化成工業社製)330.7g、3-メルカプトプロピオン酸4.5g及び重合開始剤V-601(富士フイルム和光純薬社製)4.61gを加え、撹拌して均一に溶解してモノマー溶液を調製した。2L3口フラスコに、トルエン(富士フイルム和光純薬社製)465.5gを加え、80℃で攪拌したところへ、上記モノマー溶液を2時間かけて滴下した。滴下終了後、80℃で2時間撹拌した後、90℃に昇温して2時間撹拌した。2,2,6,6-テトラメチルピペリジン 1-オキシル(富士フイルム和光純薬社製)275mg、メタクリル酸グリシジル(東京化成工業社製)27.5g、テトラブチルアンモニウムブロミド(富士フイルム和光純薬社製)5.5gを加え、120℃で3時間撹拌した。溶液を室温で静置した後、1800gのメタノールに流し込み、上澄みを除いた。そこへ酪酸ブチルを加え、メタノールを減圧留去することでマクロモノマーの酪酸ブチル溶液を得た。固形分濃度は48.9質量%であった。
こうして得られたマクロモノマーの質量平均分子量は10000であり、SP値は18.7であった。
表中、構成成分欄中の「-」は該当する構成成分を有していないことを示す。
表中、構成成分欄中の「*」は、上記各共重合体における、VDF、HPF及びTFE以外の構成成分を示す。
- 構成成分M1 -
構成成分M1は、逐次重合系ポリマーの場合、上記式(I-1)で表される構成成分(官能基群(a)から選択される官能基を有する構成成分)を示し、(メタ)アクリルポリマー等の場合、式(1-1)で表される構成成分以外の構成成分(官能基群(a)から選択される官能基を有する構成成分及び別の構成成分)を示す。
H12MDI:ジシクロヘキシルメタン4,4’-ジイソシアナート(東京化成工業社製、SP値22.4)
アジピン酸ジメチル(東京化成工業社製、SP値20.1)
GMA:メタクリル酸グリシジル(東京化成工業社製、SP値22.2)
DmEA:アクリル酸(N,N-ジメチルアミノ)エチル(東京化成工業社製、SP値18.1)
HEA:アクリル酸2-ヒドロキシエチル(富士フイルム和光純薬社製、SP値25.9)
VI:ビニルイミダゾール(東京化成工業社製、SP値20.8)
MEA:アクリル酸メトキシエチル(東京化成工業社製、SP値20.9)
ホスマーPP:アシッド・ホスホキシ・ポリオキシ・プロピレングリコール・モノメタクリレート(ユニケミカル社製、SP値21.4)
MA:メタクリル酸(東京化成工業社製、SP値19.0)
PA:アクリル酸プロピル(東京化成工業社製、SP値19.8)
St:スチレン(富士フイルム和光純薬社製、SP値19.3)
MAA:無水マレイン酸(富士フイルム和光純薬社製、SP値26.9)
MMA:メタクリル酸メチル(東京化成工業社製、SP値19.4)
BnMA:メタクリル酸ベンジル(東京化成工業社製、SP値20.0)
AEHS:こはく酸モノ(2-アクリロイルオキシエチル)(東京化成工業社製、SP値21.8)
MDI: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、SP値26.1)
VDF:フッ化ビニリデン(SP値13.1)
HFP:ヘキサフルオロプロペン(SP値10.1)
TFE:テトラフルオロエチレン(SP値10.1)
*は上述の通りである。
構成成分M2は、逐次重合系ポリマーの場合、上記式(1-2)で表される構成成分を示し、(メタ)アクリルポリマーの場合、式(1-1)で表される構成成分を示す。
NISSO-PB GI1000:水素化液状ポリブタジエンジオール(商品名、数平均分子量1400、日本曹達社製、SP値17.4)
NISSO-PB G3000:液状ポリブタジエンジオール(商品名、数平均分子量3000、日本曹達社製、SP値17.8)
LMA:メタクリル酸ドデシル(東京化成工業社製、SP値18.5)
LA:アクリル酸ドデシル(東京化成工業社製、SP値18.8)
OA:アクリル酸オクチル(東京化成工業社製、SP値18.4)
HFBA:アクリル酸2,2,3,4,4,4-ヘキサフルオロブチル(東京化成工業社製、SP値13.0)
構成成分M3は、逐次重合系ポリマーの場合、上記式(I-3A)で表される構成成分(官能基群(a)から選択される官能基を有する構成成分)を示す。ただし、含有量は構成成分M1の含有量≧構成成分M3の含有量
DMBA:2,2-ビス(ヒドロキシメチル)酪酸(東京化成工業社製、SP値23.7)
- 構成成分M4 -
構成成分M4は、逐次重合系ポリマーの場合、上記式(I-3B)で表される構成成分を示す。
PPG400:ポリプロピレングリコール(数平均分子量400、富士フイルム和光純薬社製、SP値20.6)
PEG200:ポリエチレングリコール(数平均分子量200、富士フイルム和光純薬社製、SP値22.6)
PTMG250:ポリテトラメチレングリコール(数平均分子量250、SIGMA-Aldrich社製、SP値20.7)
[調製例1:含フッ素ポリマーからなる低吸着バインダー溶液UFBの調製]
PVdF-HFP:Kynar Flex Ultraflex B(商品名、アルケマ社製)を酪酸ブチルに溶解して、固形分濃度3質量%の低吸着バインダー溶液UFBを調製した。
PVdF-HFPのSP値は12.4(MPa1/2)であり、質量平均分子量は200000であり、共重合比[PVdF:HFP](質量比)は58:42であった。なお、PVdF-HFPは官能基群(a)に含まれる官能基を有していない。
PVdF-HFP-TFE:テクノフロン(商品名、ソルベイ社製)を酪酸ブチルに溶解して、固形分濃度3質量%の低吸着バインダー溶液T938を調製した。
PVdF-HFP-TFEのSP値は11.8(MPa1/2)であり、質量平均分子量は180000であり、共重合比[PVdF:HFP:TFE](質量比)は48:32:20であった。なお、PVdF-HFP-TFEは官能基群(a)に含まれる官能基を有していない。
タフテック(登録商標)H1041:水添スチレン系熱可塑性エラストマー(商品名、SEBS、旭化成社製)を酪酸ブチルに溶解して、固形分濃度10質量%の低吸着バインダー溶液H1041を調製した。
水添スチレン系熱可塑性エラストマーのSP値は18.0(MPa1/2)であり、質量平均分子量は100000であり、スチレン/エチレン・ブチレン比は30/70であった。なお、水添スチレン系熱可塑性エラストマーは官能基群(a)に含まれる官能基を有していない。
タフテック(登録商標)M1911:無水マレイン酸変性水添スチレン系熱可塑性エラストマー(商品名、SEBS、旭化成社製)を酪酸ブチルに溶解して、固形分濃度10質量%の低吸着バインダー溶液M1911を調製した。
無水マレイン酸変性水添スチレン系熱可塑性エラストマーのSP値は18.0(MPa1/2)であり、質量平均分子量は120000であり、スチレン/エチレン・ブチレン比は30/70であり、無水マレイン酸変性量(無水マレイン酸基を有する構成成分の含有量)は0.4モル%であった。なお、無水マレイン酸変性水添スチレン系熱可塑性エラストマーは官能基群(a)に含まれる無水カルボン酸基を有している。
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。
次いで、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完全に密閉した。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系ガラス、以下、LPSと表記することがある。)6.20gを得た。Li-P-S系ガラスの粒子径は15μmであった。
表2-1~表2-5(纏めて表2ということがある。)に示す各組成物を以下のようにして調製した。
<無機固体電解質含有組成物の調製>
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60g投入し、上記合成例Aで合成したLPS又はLLT8.4g、表2に示すポリマーバインダー溶液又は分散液0.6g又は0.4g(固形分質量)、ポリマーバインダー溶液又は分散液を0.4g用いる場合は更に表2に示す粒子状バインダー分散液0.2g(固形分質量)、及び分散媒として酪酸ブチル11g投入した。その後に、この容器をフリッチュ社製遊星ボールミルP-7(商品名)にセットした。温度25℃、回転数150rpmで10分間混合して、無機固体電解質含有組成物(スラリー)K-1~K-49及びKc-11~Kc-13をそれぞれ調製した。
無機固体電解質含有組成物K-46~K-49は表2-2に示す2種の低吸着バインダーを用いて調製した組成物であり、バインダー溶液S-13を固形分質量で0.4g及び表2-2に示す他のバインダー溶液を固形分質量で0.2g用いた。
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60g投入し、合成例Aで合成したLPSを8g、及び、分散媒として酪酸ブチル13g(総量)を投入した。フリッチュ社製遊星ボールミルP-7(商品名)にこの容器をセットし、25℃で、回転数200pmで30分間攪拌した。その後、この容器に、正極活物質としてNMC(アルドリッチ社製)を27.5g、導電助剤としてアセチレンブラック(AB)を1.0g、表2に示すポリマーバインダー溶液又は分散液0.5g(固形分質量)、PK-4~PK-8、PK-16及びPK-17において酪酸ブチルを12.5g用いる場合は更に表2に示す粒子状バインダー分散液0.5g(固形分質量)投入し、遊星ボールミルP-7に容器をセットし、温度25℃、回転数200rpmで30分間混合を続け、正極用組成物(スラリー)PK-1~PK-17をそれぞれ調製した。
正極用組成物PK-9及びPK-10は表2-3に示す2種の低吸着バインダーを用いて調製した組成物であり、酪酸ブチルを12.5g用い、各バインダー溶液とも固形分質量で0.5g用いた。
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60g投入し、合成例Aで合成したLPSを8.0g又は7.6g、表2に示すポリマーバインダー溶液又は分散液0.4g(固形分質量)、NK-4~NK-8、NK-31及びNK-32においてLPSを7.6g用いる場合は更に表2に示す粒子状バインダー分散液0.4g(固形分質量)、及び表2に示す分散媒を17.5g(総量)投入した。フリッチュ社製遊星ボールミルP-7(商品名)にこの容器をセットし、温度25℃、回転数300pmで60分間混合した。その後、負極活物質としてケイ素(Si、Aldrich社製)9.5g及び導電助剤としてVGCF(昭和電工社製)1.0g、又は負極活物質として黒鉛10.5gを投入し、同様に、遊星ボールミルP-7に容器をセットして、温度25℃、回転数100rpmで10分間混合して、負極用組成物(スラリー)NK-1~NK-33及びNKc21~NKc23をそれぞれ調製した。
負極用組成物NK-9及びNK-10は表2-4に示す2種の低吸着バインダーを用いて調製した組成物であり、LPSを7.6g用い、各バインダー溶液とも固形分質量で0.4g用いた。
表2において、組成物含有量は組成物の全質量に対する含有量(質量%)であり、固形分含有量は組成物の固形分100質量%に対する含有量(質量%)であり、表中では単位を省略する。
また、表2に、低吸着バインダーを形成するポリマー及び分散媒のSP値を示す。SP値の単位はMPa1/2であるが、表2においては記載を省略する。
表2に示す各無機固体電解質含有組成物の調製に用いた、無機固体電解質、ポリマーバインダー及び分散媒を用いて、吸着率ASEを測定した。
すなわち、ポリマーバインダー(低吸着バインダー、粒子状バインダー)を分散媒に溶解させて濃度1質量%のバインダー溶液を調製した。なお、ポリマーS-7、T-2、T-3及びD-1については濃度1質量%のバインダー分散液とした。このバインダー溶液若しくは分散液中のバインダーと無機固体電解質との質量比が42:1となる割合で、バインダー溶液若しくは分散液と無機固体電解質とを15mLのバイアル瓶に入れ、ミックスローターにより、室温下、回転数80rpmで1時間撹拌した後に静置した。固液分離して得た上澄液を孔径1μmのフィルターでろ過し、得られたろ液全量を乾固して、ろ液中に残存しているポリマーバインダーの質量(無機固体電解質に吸着しなかったポリマーバインダーの質量)WAを測定した。この質量WAと、測定に用いたバインダー溶液中に含まれるバインダーの質量WBから下記式により、ポリマー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。
ポリマー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(%)=[(WB-WA)/WB]×100
なお、成膜した固体電解質層から取り出した無機固体電解質及びポリマーバインダー、無機固体電解質含有組成物の調製に使用した分散媒を用いて、吸着率ASEを測定したところ同様の値が得られた。
表2に示す各電極用組成物の調製に用いた、活物質、ポリマーバインダー及び分散媒を用いて、吸着率AAMを測定した。
上記「吸着率ASEの測定」において、無機固体電解質に代えて活物質を用いたこと以外は上記「吸着率ASEの測定」と同様にして、吸着率AAMを測定した。
なお、成膜した活物質層から取り出した活物質及びポリマーバインダー、電極用組成物の調製に使用した分散媒を用いて、吸着率AAMを測定したところ同様の値が得られた。
LPS:合成例Aで合成したLPS
LLT:Li0.33La0.55TiO3(平均粒径3.25μm、豊島製作所製)
NMC:LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
Si:ケイ素
AB:アセチレンブラック
VGCF:カーボンナノチューブ(昭和電工社製)
低吸着バインダーを2種用いた場合は、「バインダー溶液又は分散液」欄及び「SP値差」欄において上下2段に分けて対応する内容を記載した。
上記で得られた表3-1及び表3-2(纏めて表3ということがある。)に示す各無機固体電解質含有組成物を厚み20μmのアルミニウム箔上に、ベーカー式アプリケーター(商品名:SA-201、テスター産業社製)を用いて塗布し、80℃で2時間加熱して、無機固体電解質含有組成物を乾燥(分散媒を除去)させた。その後、ヒートプレス機を用いて、120℃の温度及び40MPaの圧力で10秒間、乾燥させた無機固体電解質含有組成物を加熱及び加圧して、全固体二次電池用固体電解質シート(表3において固体電解質シートと表記する。)101~149及びc11~c13をそれぞれ作製した。固体電解質層の膜厚は50μmであった。
上記で得られた表3の「電極用組成物」欄に示す各正極用組成物を厚み20μmのアルミニウム箔上にベーカー式アプリケーター(商品名:SA-201)を用いて塗布し、80℃で1時間加熱し、更に110℃で1時間加熱して、正極用組成物を乾燥(分散媒を除去)した。その後、ヒートプレス機を用いて、乾燥させた正極用組成物を25℃で加圧(10MPa、1分)して、膜厚80μmの正極活物質層を有する全固体二次電池用正極シート(表3-2において正極シートと表記する。)150~166をそれぞれ作製した。
上記で得られた表3の「電極用組成物」欄に示す各負極用組成物を厚み20μmの銅箔上に、ベーカー式アプリケーター(商品名:SA-201)を用いて塗布し、80℃で1時間加熱し、更に110℃で1時間加熱して、負極用組成物を乾燥(分散媒を除去)させた。その後、ヒートプレス機を用いて、乾燥させた負極用組成物を25℃で加圧(10MPa、1分)して、膜厚70μmの負極活物質層を有する全固体二次電池用負極シート(表3-2において負極シートと表記する。)167~199及びc21~c23をそれぞれ作製した。
次いで、表4の「電極活物質層」欄に示す各全固体二次電池用正極シートの正極活物質層上に、上記で作製した、表4の「固体電解質層」欄に示す固体電解質シートを固体電解質層が正極活物質層に接するように重ね、プレス機を用いて25℃で50MPa加圧して転写(積層)した後に、25℃で600MPa加圧することで、膜厚30μmの固体電解質層を備えた全固体二次電池用正極シート(正極活物質層の膜厚60μm)150~166をそれぞれ作製した。
次いで、表4の「電極活物質層」欄に示す各全固体二次電池用負極シートの負極活物質層上に、上記で作製した、表4の「固体電解質層」欄に示す固体電解質シートを固体電解質層が負極活物質層に接するように重ね、プレス機を用いて25℃で50MPa加圧して転写(積層)した後に、25℃で600MPa加圧することで、膜厚30μmの固体電解質層を備えた全固体二次電池用負極シート(負極活物質層の膜厚50μm)167~199及びc21~c23をそれぞれ作製した。
調製した各組成物(スラリー)を直径10mm、高さ4cmのガラス試験管に高さ4cmまで投入し、25℃で24時間静置した。静置前後のスラリー液面から1cm分の固形分比を算出した。具体的には、静置直後において、スラリー液面から下方に1cmまでの液をそれぞれ取り出し、アルミニウム製カップ内で、120℃、2時間加熱乾燥した。その後のカップ内の固形分量の質量を測定して、静置前後の各固形分量を求めた。こうして得られた、静置前の固形分量WBに対する静置後の固形分量WAの固形分比[WA/WB]を求めた。
この固形分比が下記評価基準のいずれに含まれるかにより、固体電解質組成物の分散安定性として無機固体電解質の沈降のしやすさ(沈降性)を評価した。本試験において、上記固形分比が1に近いほど、分散安定性に優れることを示し、評価基準「D」以上が合格レベルである。結果を表3に示す。
- 評価基準 -
A:0.9≦固形分比≦1.0
B:0.7≦固形分比<0.9
C:0.5≦固形分比<0.7
D:0.3≦固形分比<0.5
E:0.1≦固形分比<0.3
F: 固形分比<0.1
調製した各組成物と同様にして、分散媒以外は同一の混合割合とし、分散媒の量を減らして、固形分濃度75質量%のスラリーを調製した。2mLポリスポイト(アテクト社製)を先端10mmがスラリー界面下に入るように垂直に配置し、25℃でスラリーを10秒間吸引し、吸引したスラリーを含むポリスポイトの質量Wを測定した。ポリスポイトの風袋(自重)をW0としたとき、スラリー質量W-W0が0.1g未満であることをスポイトで吸うことができないと判断した。スラリーをスポイトで吸うことができない場合、分散媒を徐々に足しながらスポイトで吸うことができる上限固形分濃度を把握した。得られた上限固形分濃度が下記評価基準のいずれかに含まれるかにより、組成物のハンドリング性(平坦な、表面性の良い構成層を形成するのに適度な粘度を有しているか)を評価した。固形分濃度は、調製したスラリー0.30gをアルミニウム製カップ上に乗せ、120℃で2時間加熱させて分散媒を留去して算出した。
本試験において、上記上限固形分濃度が多いほど、ハンドリング性に優れることを示し、評価基準「D」以上が合格レベルである。結果を表3に示す。
- 評価基準 -
A: 上限固形分濃度≧70%
B:70%>上限固形分濃度≧60%
C:60%>上限固形分濃度≧50%
D:50%>上限固形分濃度≧40%
E:40%>上限固形分濃度≧30%
F:30%>上限固形分濃度
作製した各全固体二次電池用正極シート及び各全固体二次電池用負極シートから縦20mm×横20mmの試験片を切り出した。この試験片に対し、カッターナイフを用いて1つの辺に平行に1mm間隔で基材(アルミニウム箔又は銅箔)に到達するように11本の切り込みを入れた。また、この切り込みに対して垂直方向に、1mm間隔で基材に到達するように11本の切り込みを入れた。このようにして、試験片にマス目を100個形成した。
縦15mm×横18mmのセロハンテープを固体電解質層表面に貼り付け、上記100個のマス目を全て覆った。セロハンテープの表面を消しゴムでこすって固体電解質層に押付け付着させた。セロハンテープを付着させてから2分後に、セロハンテープの端を持って固体電解質層に対して垂直上向きに引っ張り、剥がした。セロハンテープを引き剥がした後、固体電解質層の表面を目視で観察して、集電体からの剥離が全く起きていないマス目の数を計数して、集電体に対する活物質層の密着性を評価した。
本試験において、集電体からの剥離していないマス目が多いほど、集電体密着性に優れることを示し、評価基準「D」以上が合格レベルである。結果を表3に示す。
- 評価基準 -
A:80マス以上
B:60マス以上80マス未満
C:40マス以上60マス未満
D:30マス以上40マス未満
E:10マス以上30マス未満
F: 10マス未満
以下のようにして、図1に示す層構成を有する全固体二次電池(No.101)を作製した。
上記で得られた固体電解質層を備えた全固体二次電池用正極シートNo.150(固体電解質含有シートのアルミニウム箔は剥離済み)を直径14.5mmの円板状に切り出し、図2に示すように、スペーサーとワッシャー(図2において図示せず)を組み込んだステンレス製の2032型コインケース11に入れた。次いで、固体電解質層上に直径15mmの円盤状に切り出したリチウム箔を重ねた。その上に更にステンレス箔を重ねた後、2032型コインケース11をかしめることで、図2に示すNo.101の全固体二次電池13を製造した。
このようにして製造した全固体二次電池は、図1に示す層構成を有する(ただし、リチウム箔が負極活物質層2及び負極集電体1に相当する)。
上記で得られた固体電解質を有する各全固体二次電池用負極シートNo.167(固体電解質含有シートのアルミニウム箔は剥離済み)を直径14.5mmの円板状に切り出し、図2に示すように、スペーサーとワッシャー(図2において図示せず)を組み込んだステンレス製の2032型コインケース11に入れた。次いで、下記で作製した全固体二次電池用正極シートから直径14.0mmで打ち抜いた正極シート(正極活物質層)を固体電解質層上に重ねた。その上に更にステンレス鋼箔(正極集電体)を重ねて全固体二次電池用積層体12(ステンレス鋼箔-アルミニウム箔-正極活物質層-固体電解質層-負極活物質層-銅箔からなる積層体)を形成した。その後、2032型コインケース11をかしめることで、図2に示す全固体二次電池No.118を製造した。
(正極用組成物の調製)
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180個投入し、上記合成例Aで合成したLPSを2.7g、KYNAR FLEX 2500-20(商品名、PVdF-HFP:ポリフッ化ビニリデンヘキサフルオロプロピレン共重合体、アルケマ社製)を固形分質量として0.3g、及び酪酸ブチルを22g投入した。フリッチュ社製遊星ボールミルP-7(商品名)にこの容器をセットし、25℃で、回転数300rpmで60分間攪拌した。その後、正極活物質としてLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NMC)7.0gを投入し、同様にして、遊星ボールミルP-7に容器をセットし、25℃、回転数100rpmで5分間混合を続け、正極用組成物を調製した。
(固体二次電池用正極シートの作製)
上記で得られた正極用組成物を厚み20μmのアルミニウム箔(正極集電体)上に、ベーカー式アプリケーター(商品名:SA-201、テスター産業社製)により塗布し、100℃で2時間加熱し、正極用組成物を乾燥(分散媒を除去)した。その後、ヒートプレス機を用いて、乾燥させた正極用組成物を25℃で加圧(10MPa、1分)し、膜厚80μmの正極活物質層を有する全固体二次電池用正極シートを作製した。
製造した各全固体二次電池について、放電容量維持率を充放電評価装置TOSCAT-3000(商品名、東洋システム社製)により測定した。
具体的には、各全固体二次電池を、それぞれ、25℃の環境下で、電流密度0.1mA/cm2で電池電圧が3.6Vに達するまで充電した。その後、電流密度0.1mA/cm2で電池電圧が2.5Vに達するまで放電した。この充電1回と放電1回とを充放電1サイクルとして、同じ条件で充放電を3サイクル繰り返して、初期化した。その後、上記充放電サイクルを繰り返して行い、充放電サイクルを行う毎に各全固体二次電池の放電容量を、充放電評価装置:TOSCAT-3000(商品名)により、測定した。
初期化後の充放電1サイクル目の放電容量(初期放電容量)を100%としたときに、放電容量維持率(初期放電容量に対する放電容量)が80%に達した際の充放電サイクル数が、下記評価基準のいずれに含まれるかにより、電池性能(サイクル特性)を評価した。本試験において、評価基準が高いほど、電池性能(サイクル特性)に優れ、充放電を複数回繰り返しても(長期の使用においても)初期の電池性能を維持できる。
なお、全固体二次電池No.101~150の初期放電容量は、いずれも、全固体二次電池として機能するのに十分な値を示した。
- 評価基準 -
A:500サイクル以上
B:300サイクル以上、500サイクル未満
C:200サイクル以上、300サイクル未満
D:150サイクル以上、200サイクル未満
E: 80サイクル以上、150サイクル未満
F: 40サイクル以上、 80サイクル未満
製造した各全固体二次電池のイオン伝導度を測定した。具体的には、各全固体二次電池について、30℃の恒温槽中、1255B FREQUENCY RESPONSE ANALYZER(商品名、SOLARTRON社製)を用いて、電圧振幅5mV、周波数1MHz~1Hzまで交流インピーダンス測定した。これにより、イオン伝導度測定用試料の層厚方向の抵抗を求め、下記式(1)により計算して、イオン伝導度を求めた。
式(1):イオン伝導度σ(mS/cm)=
1000×試料層厚(cm)/[抵抗(Ω)×試料面積(cm2)]
式(1)において、試料層厚は、積層体12を2032型コインケース11に入れる前に測定し、集電体の厚みを差し引いた値(固体電解質層及び電極活物質層の合計層厚)である。試料面積は、直径14.5mmの円板状シートの面積である。
得られたイオン伝導度σが下記評価基準のいずれに含まれるかを判定した。
本試験におけるイオン伝導度σは、評価基準「D」以上が合格である。
- 評価基準 -
A:0.60≦σ
B:0.50≦σ<0.60
C:0.40≦σ<0.50
D:0.30≦σ<0.40
E:0.20≦σ<0.30
F: σ<0.20
比較例Kc11~Kc13及びNKc21~NKc23に示す、本発明で規定する吸着率を満たすポリマーバインダーを含有しない無機固体電解質含有組成物は、いずれも、分散安定性及びハンドリング性が劣る。また組成物NKc21~NKc23を用いた電極シートは集電体密着性も十分ではない。これらの組成物を用いた、比較例c101~c103の全固体二次電池は十分なサイクル特性もイオン伝導度も示さない。
これに対して、本発明のK-1~K-49、PK-1~PK-17及びNK-1~NK-33で示した、本発明で規定する吸着率が60%未満のバインダーを1種又は2種含有する無機固体電解質含有組成物は、分散安定性及びハンドリング性を高い水準で兼ね備えている。この無機固体電解質含有組成物を全固体二次電池の構成層の形成に用いることにより、得られる電極シートに対して集電体密着性を強固なものとすることができ、かつ得られる全固体二次電池についてサイクル特性の向上、更には高いイオン伝導度を実現できることが分かる。
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
11 2032型コインケース
12 全固体二次電池用積層体
13 コイン型全固体二次電池
Claims (18)
- 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無機固体電解質と、ポリマーバインダーと、分散媒とを含有する無機固体電解質含有組成物であって、
前記無機固体電解質が硫化物系無機固体電解質及び酸化物系無機固体電解質の少なくとも1種であり、
前記分散媒がエステル化合物、ケトン化合物、エーテル化合物、芳香族化合物及び脂肪族化合物の少なくとも1種を含み、
前記ポリマーバインダーが、前記分散媒中における前記無機固体電解質に対する吸着率が60%未満であるポリマーバインダーを含み、
前記吸着率が60%未満であるポリマーバインダーが、フッ素系ポリマー、ポリウレタン、ポリエステル、(メタ)アクリルポリマー、ビニル系ポリマー及びスチレン系熱可塑性エラストマー若しくはその水素化物の少なくとも1種を含み、
前記ポリウレタンが、下記式(1-2)で表される構成成分10モル%以上と下記式(I-1)で表される構成成分20~50モル%とを有し、
前記ポリエステルが、下記式(1-2)で表される構成成分10モル%以上と下記式(I-2)で表される構成成分20~50モル%とを有し、
前記(メタ)アクリルポリマーが、下記式(1-1)で表される構成成分10~95モル%と下記官能基群(a)から選択される官能基を有する構成成分0.3~77モル%とを有するポリマー、又は、下記式(1-1)で表される構成成分若しくは下記式(b-1)で表される構成成分からなるポリマーであり、
前記ビニル系ポリマーが、下記式(1-1)で表される構成成分10モル%以上と下記官能基群(a)から選択される官能基を有する構成成分5~80モル%とを有する、
無機固体電解質含有組成物。
式(1-2)中、R 3 は、ポリブタジエン鎖若しくはポリイソプレン鎖又はそれらの水素化物を含有する、質量平均分子量が500以上200,000以下の連結基を示す。
式(I-1)及び式(I-2)中、R P1 は分子量が20以上200,000以下の炭化水素鎖を示す。
式(b-1)中、R 1 は水素原子、シアノ基、ハロゲン原子、炭素数1~24のアルキル基、炭素数2~24のアルケニル基又は炭素数2~24のアルキニル基を示す。R 2 は炭素数1~3のアルキル基又は炭素数2若しくは3のアルケニル基を示す。L 1 は-CO-O-基を示し、nは1である。
<官能基群(a)>
ヒドロキシ基、アミノ基、カルボキシ基、スルホ基、リン酸基、ホスホン酸基、スルファニル基、エーテル結合、イミノ基、エステル結合、アミド結合、ウレタン結合、ウレア結合、ヘテロ環基、アリール基、無水カルボン酸基、シロキサン基 - 前記吸着率が60%未満の前記ポリマーバインダーが前記分散媒に溶解している、請求項1に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 前記吸着率が60%未満の前記ポリマーバインダーを形成するポリマーと前記分散媒とのSP値の差が3以下である、請求項1又は2に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 前記ポリマーバインダーを形成するポリマー中の、前記官能基群(a)から選択される官能基を有する構成成分の含有量が50モル%以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 前記式(1-1)で表される構成成分10~95モル%と前記官能基群(a)から選択される官能基を有する構成成分0.3~77モル%とを有する(メタ)アクリルポリマー中の、前記式(1-1)で表される構成成分の含有量が23モル%以上である、請求項1~4のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 前記式(1-1)のR 2 が、炭素数4以上の脂肪族炭化水素基、又は、炭素数4以上の脂肪族炭化水素基とアルキレン基、アルケニレン基、アリーレン基、酸素原子、硫黄原子、イミノ基、カルボニル基、リン酸連結基、ホスホン酸連結基又はこれらの組み合わせに係る基とからなる基である、請求項1~5のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 前記分散媒の炭素数が2~30である、請求項1~6のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 吸着率が60%未満のポリマーバインダーを形成するポリマーの分散媒に対する接触角が40度以下である、請求項1~7のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 前記吸着率が60%未満の前記ポリマーバインダーを2種以上含み、そのうちの少なくとも1種のポリマーバインダーを形成するポリマーがスチレン系熱可塑性エラストマー又はその水素化物である、請求項1~8のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 前記ポリマーバインダーが、平均粒子径が1~1000nmの粒子状バインダーを含む、請求項1~9のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 活物質を含有する、請求項1~10のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 前記活物質に対する、前記吸着率が60%未満の前記ポリマーバインダーの吸着率が90%以下である、請求項11に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 導電助剤を含有する、請求項1~12のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 前記無機固体電解質が硫化物系無機固体電解質である、請求項1~13のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 請求項1~14のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物を製膜する、全固体二次電池用シートの製造方法。
- 請求項15に記載の全固体二次電池用シートの製造方法で製膜した層を有する全固体二次電池用シート。
- 請求項15に記載の全固体二次電池用シートの製造方法を含む、全固体二次電池の製造方法。
- 正極活物質層と固体電解質層と負極活物質層とをこの順で具備する全固体二次電池であって、
前記正極活物質層、前記固体電解質層及び前記負極活物質層の少なくとも1つの層が、請求項15に記載の全固体二次電池用シートの製造方法で製膜した層である、全固体二次電池。
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