JP7218730B2 - 二次電池正極用バインダー組成物、二次電池正極用スラリー組成物及びその製造方法、二次電池用正極、並びに二次電池 - Google Patents
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Description
具体的には、例えば特許文献1では、ニトリル基を有する重合単位、芳香族ビニル重合単位、親水性基を有する重合単位、及び炭素数4以上の直鎖アルキレン重合単位を含有するバインダーであって、芳香族ビニル重合単位の含有割合が5~50質量%である二次電池正極用バインダー組成物が提案されている。かかるバインダー組成物を用いることで、サイクル特性等に優れる二次電池を提供することができる。
また、本発明は、適正な粘度を有し、出力特性に優れる二次電池の形成に用いることができる、二次電池正極用スラリー組成物及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、得られる二次電池の出力特性を向上させ得る正極、及び出力特性に優れる二次電池を提供することを目的とする。
なお、重合体が「単量体単位を含有する」とは、「その単量体を用いて得た重合体中に単量体由来の構造単位が含まれている」ことを意味する。また、「炭素数4以上の直鎖アルキレン構造単位を含有する」とは、重合体中に一般式:-CnH2n-[但し、nは4以上の整数]で表わされる直鎖アルキレン構造のみで構成される繰り返し単位が含まれていることを意味する。さらにまた、重合体における単量体単位の含有割合は、例えば、1H-NMRにより測定することができる。さらにまた、重合体の「電解液膨潤度」は実施例に記載した方法により測定することができる。
なお、重合体の「ガラス転移温度」は、JIS K7121(1987)に準拠して測定することができる。
なお、重合体の「ヨウ素価」は、JIS K6235(2006)に準拠して測定することができる。
また、本発明によれば、適正な粘度を有し、出力特性に優れる二次電池の形成に用いることができる、二次電池正極用スラリー組成物及びその製造方法を提供することができる。
また、本発明によれば、得られる二次電池の出力特性を向上させ得る二次電池用正極、及び出力特性に優れる二次電池を提供することができる。
ここで、本発明の二次電池正極用バインダー組成物は、二次電池正極用スラリー組成物を調製する際に用いることができる。そして、本発明の二次電池正極用バインダー組成物を用いて調製した二次電池正極用スラリー組成物は、リチウムイオン二次電池等の二次電池の正極を形成する際に用いることができる。更に、本発明の二次電池は、本発明の二次電池正極用スラリー組成物を用いて形成した二次電池用正極を用いたことを特徴とする。
本発明の二次電池正極用バインダー組成物は、ニトリル基含有単量体単位、芳香族ビニル単量体単位、親水性基含有単量体単位、及び炭素数4以上の直鎖アルキレン構造単位を含有する重合体を含む。そして、本発明の二次電池正極用バインダー組成物は、重合体が芳香族ビニル単量体単位を50.0質量%超65.0質量%以下の割合で含有することを特徴とする。
重合体は、結着材として機能する成分であり、バインダー組成物を用いて調製した二次電池正極用スラリー組成物を使用して集電体上に正極合材層を形成することにより製造した正極において、正極合材層に含まれる成分が正極合材層から脱離しないように保持する。そして、重合体は、ニトリル基含有単量体単位、芳香族ビニル単量体単位、親水性基含有単量体単位、及び炭素数4以上の直鎖アルキレン構造単位を含有し、且つ、芳香族ビニル単量体単位の含有割合が50.0質量%超65.0質量%以下であることを必要とする。なお、重合体は、本発明の効果を損なわない限りにおいて、任意に、その他の単量体単位を含んでいてもよい。また、重合体は、ニトリル基含有単量体と、芳香族ビニル単量体と、親水性基含有単量体と、共役ジエン単量体と、を含み、任意にその他の単量体を更に含む単量体組成物を重合して得た重合体を、既知の方法で水素化してなる水添重合体であることが好ましい。
ニトリル基含有単量体単位は、ニトリル基含有単量体由来の繰り返し単位である。そして、重合体は、ニトリル基含有単量体単位を含有しているので、N-メチルピロリドン等の有機溶媒に対する溶解性が高く、得られるスラリー組成物の粘度を良好に高めることができるとともに、経時的な粘度変化を抑制することにより、スラリー組成物の粘度安定性も良好に高めることができる。
これらは、単独で、または、2種以上を組み合わせて用いることができる。
芳香族ビニル単量体単位は、芳香族ビニル単量体由来の繰り返し単位である。そして、重合体は、芳香族ビニル単量体単位を上記範囲内の含有割合で含有しているので、スラリー組成物中に含有された場合に固形分を良好に分散させることができるとともに、電解液膨潤度が過度に高まることが抑制されている。
親水性基含有単量体単位は、親水性基含有単量体由来の繰り返し単位である。そして、重合体は、親水性基含有単量体単位を含有しているので、N-メチルピロリドン等の有機溶媒に対する溶解性が高く、得られるスラリー組成物の粘度を良好に高めることができるとともに、経時的な粘度変化を抑制することにより、スラリー組成物の粘度安定性も良好に高めることができる。
モノカルボン酸としては、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸などが挙げられる。
モノカルボン酸誘導体としては、2-エチルアクリル酸、イソクロトン酸、α―アセトキシアクリル酸、β-trans-アリールオキシアクリル酸、α-クロロ-β-E-メトキシアクリル酸、β-ジアミノアクリル酸などが挙げられる。
ジカルボン酸としては、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸などが挙げられる。
ジカルボン酸誘導体としては、メチルマレイン酸、ジメチルマレイン酸、フェニルマレイン酸、クロロマレイン酸、ジクロロマレイン酸、フルオロマレイン酸などマレイン酸メチルアリル、マレイン酸ジフェニル、マレイン酸ノニル、マレイン酸デシル、マレイン酸ドデシル、マレイン酸オクタデシル、マレイン酸フルオロアルキルなどのマレイン酸エステル;が挙げられる。
また、加水分解によりカルボキシル基を生成する酸無水物も使用できる。
ジカルボン酸の酸無水物としては、無水マレイン酸、アクリル酸無水物、メチル無水マレイン酸、ジメチル無水マレイン酸などが挙げられる。
その他、マレイン酸モノエチル、マレイン酸ジエチル、マレイン酸モノブチル、マレイン酸ジブチル、フマル酸モノエチル、フマル酸ジエチル、フマル酸モノブチル、フマル酸ジブチル、フマル酸モノシクロヘキシル、フマル酸ジシクロヘキシル、イタコン酸モノエチル、イタコン酸ジエチル、イタコン酸モノブチル、イタコン酸ジブチルなどのα,β-エチレン性不飽和多価カルボン酸のモノエステルおよびジエステルも挙げられる。
炭素数4以上の直鎖アルキレン構造単位(以下、単に「アルキレン構造単位」とも称する)は、一般式:-CnH2n-[但し、nは4以上の整数]で表わされる炭素数4以上の直鎖アルキレン構造のみで構成される繰り返し単位である。そして、重合体は、炭素数4以上の直鎖アルキレン構造単位を有しているので、重合体の電解液膨潤度が過度に高まることを一層効果的に抑制することができる。
(1)共役ジエン単量体を含む単量体組成物から重合体を調製し、当該重合体に水素添加することで、共役ジエン単量体単位を炭素数4以上の直鎖アルキレン構造単位に変換する方法
(2)1-ブテン、1-ヘキセンなどの炭素数4以上の1-オレフィン単量体を含む単量体組成物から重合体を調製する方法
が挙げられる。これらの共役ジエン単量体や1-オレフィン単量体は、それぞれ、単独で、または、2種以上を組み合わせて用いることができる。
これらの中でも、(1)の方法が重合体の製造が容易であり好ましい。
なお、上述したように、重合体が共役ジエンを含有する単量体組成物を重合して得た重合体を水素化してなる水添重合体である場合には、かかる水添重合体は、炭素数4以上の直鎖アルキレン構造単位と、その他の共役ジエンに由来する単位(例えば、未水添の共役ジエン単位を含む)とを含みうる。この場合には、水添重合体における、炭素数4以上の直鎖アルキレン構造単位と、その他の共役ジエンに由来する単位との合計含有割合(以下、「共役ジエン由来の単位の含有割合」とも称する)が、「炭素数4以上の直鎖アルキレン構造単位の含有割合」について上述した好適な含有割合の範囲内であることが好ましい。共役ジエン由来の単位の含有割合との合計割合を上記範囲内とすることで、重合体の電解液膨潤度が過度に高まることを一層効果的に抑制することができる。
また、その他の単量体単位を形成し得るその他の単量体としては、特に限定されることなく、上述した単量体と共重合可能な既知の単量体、例えば、(メタ)アクリル酸エステル単量体などが挙げられる。
なお、これらの単量体は一種単独で、または、2種以上を組み合わせて用いることができる。また、本明細書において「(メタ)アクリル」とは、アクリル及び/またはメタクリルを意味する。
また、重合体は、ヨウ素価が5mg/100mg以上であることが好ましく、10mg/100mg以上であることがより好ましく、80mg/100mg以下であることが好ましく、60mg/100mg以下であることがより好ましく、50mg/100mg以下であることが更に好ましい。重合体のヨウ素価が上記下限値以上であれば、スラリー組成物中における固形分の分散性を適度に高めることができ、得られる正極の体積抵抗を一層良好に低減することができる。また、重合体のヨウ素価が上記上限値以下であれば、重合体の電解液膨潤度が高くなることを一層効果的に抑制して、得られる二次電池の出力特性を一層向上させることができる。なお、重合体のヨウ素価は、例えば、重合体の組成、及び重合体が水素化重合体である場合には水素化率を調節することにより、制御することができる。
さらにまた、重合体は、ガラス転移温度が10℃以上であることが好ましく、15℃以上であることがより好ましく、60℃以下であることが好ましく、50℃以下であることがより好ましく、45℃以下であることが更に好ましい。重合体のガラス転移温度が上記範囲内であれば、バインダー組成物を用いて正極を製造する際に、加熱し、プレスする工程を行った場合に、効率的に電極密度を高めることができる。これにより、かかる工程を経て得ることができる正極の体積抵抗を効果的に低減することができる。なお、重合体のガラス転移温度は、例えば、重合体の組成、及び重合体が水素化重合体である場合には水素化率を調節することにより、制御することができる。
さらにまた、重合体は、電解液膨潤度が400%以下であることが好ましく、350%以下であることがより好ましく、300%以下であることがさらに好ましく、280%以下であることが特に好ましい。また、重合体の電解液膨潤度は、通常、100%以上である。重合体の電解液膨潤度が上記上限値以下であれば、得られる二次電池の出力特性を向上させることができる。なお、重合体の電解液膨潤度は、例えば、重合体の組成、及び重合体が水素化重合体である場合には水素化率を調節することにより、制御することができる。
なお、上述した重合体の調製方法は特に限定されないが、例えば、上述した単量体を含む単量体組成物を、任意に連鎖移動剤の存在下において重合して重合体を得た後、得られた重合体を水素化(水素添加)することで調製することができる。
そして、重合様式は、特に制限なく、溶液重合法、懸濁重合法、塊状重合法、乳化重合法などのいずれの方法も用いることができる。また、重合反応としては、イオン重合、ラジカル重合、リビングラジカル重合などいずれの反応も用いることができる。
更に、重合体の水素化方法は、特に制限なく、触媒を用いる一般的な方法(例えば、国際公開第2012/165120号、国際公開第2013/080989号および特開2013-8485号公報参照)を使用することができる。
バインダー組成物は、溶媒を含有していても良い。溶媒としては、特に限定されることなく、有機溶媒を用いることができる。そして、有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、n-プロパノール、イソプロパノール、n-ブタノール、イソブタノール、t-ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、アミルアルコールなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン類、酢酸エチル、酢酸ブチルなどのエステル類、ジエチルエーテル、ジオキサン、テトラヒドロフランなどのエーテル類、N,N-ジメチルホルムアミド、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)などのアミド系極性有機溶媒、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、オルトジクロロベンゼン、パラジクロロベンゼンなどの芳香族炭化水素類などが挙げられる。これらは、1種類を単独で用いてもよいし、2種類以上を混合して用いてもよい。中でも、溶媒としては、NMPが好ましい。
本発明のバインダー組成物は、上記成分の他に、上記重合体とは組成の異なる重合体、及び、特開2013-179040号公報に記載されたような既知の添加剤等の成分を含有していてもよい。また、これらの成分は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
本発明の二次電池正極用スラリー組成物は、正極活物質と、溶媒と、上述したバインダー組成物とを含み、任意に、導電材やその他の成分を更に含有する。即ち、本発明の二次電池正極用スラリー組成物は、正極活物質と、溶媒と、上述した重合体とを含み、任意に、導電材やその他の成分を更に含有する。そして、本発明の二次電池正極用スラリー組成物は、上述したバインダー組成物を含んでいるので、スラリー組成物の粘度が適正な範囲内にある。
なお、以下では、一例として二次電池正極用スラリー組成物がリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物である場合について説明するが、本発明は下記の一例に限定されるものではない。
正極活物質は、二次電池の正極において電子の受け渡しをする物質である。そして、リチウムイオン二次電池用の正極活物質としては、通常は、リチウムを吸蔵及び放出し得る物質を用いる。
上述した中でも、二次電池の電池容量などを向上させる観点からは、正極活物質としては、リチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)、リチウム含有ニッケル酸化物(LiNiO2)、Co-Ni-Mnのリチウム含有複合酸化物、Li[Ni0.17Li0.2Co0.07Mn0.56]O2またはLiNi0.5Mn1.5O4を用いることが好ましく、Co-Ni-Mnのリチウム含有複合酸化物を用いることがより好ましい。
なお、正極活物質の配合量や粒径は、特に限定されることなく、従来使用されている正極活物質と同様とすることができる。
導電材は、正極活物質同士の電気的接触を確保するためのものである。そして、導電材としては、カーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラックなど)、グラフェン、グラファイト、炭素繊維、カーボンフレーク、炭素超短繊維(例えば、カーボンナノチューブや気相成長炭素繊維など)等の導電性炭素材料;各種金属のファイバー、箔などを用いることができる。中でも、導電材としては、カーボンブラックが好ましく、アセチレンブラックがより好ましい。
これらは一種単独で、または、2種以上を組み合わせて用いることができる。
バインダー組成物としては、上述した本発明の二次電池正極用バインダー組成物を用いる。
溶媒としては、本発明の二次電池正極用バインダー組成物に含有されうる溶媒として列挙した各種溶媒と同じものを用いることができる。
スラリー組成物における、導電材の含有比率は、正極活物質の含有量を100質量部として、1質量部以上20質量部以下であることが好ましい。導電材の比率が上記下限値以上であれば、正極活物質同士の電気的接触を促進することができる。また、導電材の配合量が上記上限値以下であれば、スラリー組成物の粘度安定性を高めることができる。
また、スラリー組成物における重合体の含有比率は、正極活物質の含有量を100質量部として、0.1質量部以上3.1質量部以下が好ましい。重合体の配合量が上記下限値以上であれば、集電体と正極合材層との間の密着性を高めることにより、体積抵抗の低い正極を形成することができると考えられる。また、重合体の配合量が上記上限値以下であれば、スラリー組成物を用いて形成した正極合材層中にて重合体が占める割合が過度に高くなることを抑制して、二次電池の容量の低下を抑制することができる。
スラリー組成物に配合し得るその他の成分としては、特に限定することなく、本発明のバインダー組成物に配合し得るその他の成分と同様のものが挙げられる。また、その他の成分は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
上述したスラリー組成物は、上記各成分を有機溶媒などの溶媒中に溶解または分散させることにより調製することができる。具体的には、ボールミル、サンドミル、ビーズミル、顔料分散機、らい潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサー、フィルミックスなどの混合機を用いて上記各成分と溶媒とを混合することにより、スラリー組成物を調製することができる。なお、スラリー組成物の調製に用いる溶媒としては、バインダー組成物に含まれている溶媒を使用してもよい。ここで、調製時における、各成分の添加順序は、特に限定されることなく、上記各成分を一括混合しても良いし、段階的に混合しても良い。導電材の分散性を高める観点から、正極活物質と、導電材とを混合して、正極活物質-導電材混合物を得る工程を行った後に、正極活物質-導電材混合物に対して、バインダー組成物を添加して、正極活物質-導電材-バインダー混合物を得る工程を行い、次いで、正極活物質-導電材-バインダー混合物に対して溶媒を添加して混合する工程を行うことが好ましい。なお、正極活物質-導電材混合物を得る工程は、溶媒の非存在下にて実施することが好ましい。
本発明の二次電池用正極は、集電体と、集電体上に形成された正極合材層とを備え、正極合材層は上記二次電池正極用スラリー組成物を用いて形成されている。即ち、正極合材層には、少なくとも、正極活物質と、重合体とが含まれている。なお、正極合材層中に含まれている各成分は、上記二次電池正極用スラリー組成物中に含まれていたものであり、それら各成分の好適な存在比は、スラリー組成物中の各成分の好適な存在比と同じである。
そして、本発明の二次電池用正極は、本発明の二次電池正極用バインダー組成物を含むスラリー組成物を使用して作製しているので、当該正極を使用すれば、出力特性に優れる二次電池が得られる。
なお、本発明の二次電池用正極は、例えば、上述したスラリー組成物を集電体上に塗布する工程(塗布工程)と、集電体上に塗布されたスラリー組成物を乾燥して集電体上に正極合材層を形成する工程(乾燥工程)とを経て製造される。
上記スラリー組成物を集電体上に塗布する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができる。具体的には、塗布方法としては、ドクターブレード法、ディップ法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法、ハケ塗り法などを用いることができる。この際、スラリー組成物を集電体の片面だけに塗布してもよいし、両面に塗布してもよい。塗布後乾燥前の集電体上のスラリー膜の厚みは、乾燥して得られる正極合材層の厚みに応じて適宜に設定しうる。
集電体上のスラリー組成物を乾燥する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができ、例えば温風、熱風、低湿風による乾燥法、真空乾燥法、赤外線や電子線などの照射による乾燥法が挙げられる。このように集電体上のスラリー組成物を乾燥することで、集電体上に正極合材層を形成し、集電体と正極合材層とを備える二次電池用正極を得ることができる。
本発明の二次電池正極用スラリー組成物は、上記所定の重合体を含有するとともに、固形分の分散性が適度に高い。よって、加圧処理により、正極を効果的に高密度化することができる。よって、本発明の二次電池正極用スラリー組成物を使用すれば、正極の製造時に加圧処理を行った場合でも、二次電池の電池特性を充分に向上させることができる。
本発明の二次電池は、正極と、負極と、電解液と、セパレータとを備え、正極として本発明の二次電池用正極を用いたものである。そして、本発明の二次電池は、本発明の二次電池用正極を備えているので出力特性に優れる。
なお、以下では、一例として二次電池がリチウムイオン二次電池である場合について説明するが、本発明は下記の一例に限定されるものではない。
負極としては、既知の負極を用いることができる。具体的には、負極としては、例えば、金属リチウムの薄板よりなる負極や、負極合材層を集電体上に形成してなる負極を用いることができる。
なお、集電体としては、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、タンタル、金、白金等の金属材料からなるものを用いることができる。また、負極合材層としては、負極活物質と結着材とを含む層を用いることができる。更に、結着材としては、特に限定されず、任意の既知の材料を用いうる。
電解液としては、通常、有機溶媒に支持電解質を溶解した有機電解液が用いられる。リチウムイオン二次電池の支持電解質としては、例えば、リチウム塩が用いられる。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6、LiAlCl4、LiClO4、CF3SO3Li、C4F9SO3Li、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)NLiなどが挙げられる。なかでも、溶媒に溶けやすく高い解離度を示すので、LiPF6、LiClO4、CF3SO3Liが好ましく、LiPF6が特に好ましい。なお、電解質は1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。通常は、解離度の高い支持電解質を用いるほどリチウムイオン伝導度が高くなる傾向があるので、支持電解質の種類によりリチウムイオン伝導度を調節することができる。そして、電解液中の支持電解質の濃度(25℃)は、例えば、0.5mol/L以上2.0mol/L以下でありうる。
セパレータとしては、特に限定されることなく、例えば特開2012-204303号公報に記載のものを用いることができる。これらの中でも、セパレータ全体の膜厚を薄くすることができ、これにより、二次電池内の電極活物質の比率を高くして体積あたりの容量を高くすることができるという点より、ポリオレフィン系(ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリ塩化ビニル)の樹脂からなる微多孔膜が好ましい。
本発明の二次電池は、例えば、正極と、負極とを、セパレーターを介して重ね合わせ、これを必要に応じて電池形状に応じて巻く、折るなどして電池容器に入れ、電池容器に電解液を注入して封口することにより製造することができる。二次電池の内部の圧力上昇、過充放電等の発生を防止するために、必要に応じて、ヒューズ、PTC素子等の過電流防止素子、エキスパンドメタル、リード板などを設けてもよい。二次電池の形状は、例えば、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角形、扁平型など、何れであってもよい。
そして、実施例及び比較例において、重合体の組成、ヨウ素価、ガラス転移温度、及び膨潤度、スラリー組成物の粘度、正極の体積抵抗、並びに二次電池の出力特性は、下記の方法で測定及び評価した。
実施例、比較例で調製した正極用バインダー組成物100gを、メタノール1Lで凝固させた後、温度60℃で12時間真空乾燥した。得られた乾燥重合体を1H-NMRで分析した。得られた分析値に基づいて、重合体に含まれる各単量体単位及び構造単位の含有割合(質量%)を算出した。なお、表1において、「共役ジエン由来の単位」欄に示した値は、単量体組成物中に配合した共役ジエン単量体由来の単位の合計含有量に相当する。即ち、全実施例、比較例について、「共役ジエン由来の単位」欄に示した値は、炭素数4以上の直鎖アルキレン構造単位(1,3-ブタジエン水素化物単位)、及び未水添の共役ジエン単位(その他の1,3-ブタジエンに由来する単位)の合計割合である。なお、全ての実施例、比較例にて、炭素数4以上の直鎖アルキレン構造単位(1,3-ブタジエン水素化物単位)が存在することを確認した。
<重合体のヨウ素価>
実施例、比較例で調製した重合体の水分散液又はNMP分散液(バインダー組成物)100gを、メタノール1Lで凝固させた後、温度60℃で12時間真空乾燥した。そして、得られた乾燥重合体のヨウ素価を、JIS K6235(2006)に従って測定した。
<重合体のガラス転移温度>
上記<重合体の組成>を測定する場合と同様にして作製した乾燥重合体について、示差走査熱量分析計(ナノテクノロジー社製DSC6220SII)を用いて、JIS K 7121(1987)に基づいて測定した。
<重合体の膨潤度>
実施例、比較例で得られた正極用バインダー組成物をポリテトラフルオロエチレン製シート上にキャストし、乾燥してキャストフィルムを得た。このキャストフィルム4cm2を切り取って質量(浸漬前質量A)を測定し、その後、温度60℃の電解液中に浸漬した。浸漬したフィルムを72時間後に引き上げ、タオルペーパーで拭きとってすぐに質量(浸漬後質量B)を測定した。重合体の電解液膨潤度を下記の式(I)より算出し、以下の基準で評価した。膨潤度の値が小さいほど重合体が電解液に対して膨潤しにくく、かかる重合体を含む二次電池の出力特性を向上させ易いことを示す。
なお、電解液としては、以下のようにして調製した電解液を用いた。まず、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを20℃での容積比がEC:DEC=3:7の混合物に対して、LiPF6を1.0Mの濃度で溶解した。そして、LiPF6溶解後の混合物に、添加剤としてのビニレンカルボネート(VC)を濃度2質量%となるように添加し混合して、電解液を得た。
膨潤度(%)=B/A×100(%)・・・(I)
A:100%以上300%以下
B:300%超400%以下
C:400%超500%以下
D:500%超
実施例、比較例における<正極用スラリー組成物の調製>工程と同様にして、正極活物質、導電材、及び正極用バインダー組成物を混合し、N-メチルピロリドン(NMP)を添加して、固形分濃度が70質量%となるように調節した。得られた正極用スラリー組成物の粘度を、23℃条件下、B型粘度計(回転速度:60rpm)で測定し、以下の基準で評価した。
A:4000mPa・s以下
B:4000mPa・s超5000mPa・s以下
C:5000mPa・s超
実施例、比較例で得られた正極を、直径12mmの円型に打ち抜いた。引張圧縮試験機(今田製作所製、型式「SV-301NA」)、及び電気化学測定装置(北斗電工製、型式「HSV-110」)を用い、23℃条件下、2kNで加圧しつつ、10mAの電流をかけ、10分後の電圧値を読み取って正極の体積抵抗値を測定し、以下の基準で評価した。
A:300Ω・cm以下
B:300Ω・cm超400Ω・cm以下
C:400Ω・cm超500Ω・cm以下
D:500Ω・cm超
実施例、比較例で作製した二次電池を、25℃条件下、0.2Cで電池電圧が4.2Vになるまで定電流充電した後、4.2Vで充電電流が0.02Cになるまで定電圧充電を行った。続いて、0.2Cで電池電圧が3.0Vになるまで定電流放電を行い二次電池の初期容量を測定した。その後、初期容量を測定した二次電池を0.2Cで電池電圧が4.2Vになるまで定電流充電した後、4.2Vで充電電流が0.02Cになるまで定電圧充電を行った。続いて、3Cで電池電圧が3.0Vになるまで定電流放電を行い、3C容量を測定した。そして、出力特性(={(3C容量)/(初期容量)}×100%)を算出し、以下の基準で評価した。なお、評価は20℃環境下で行った。
A:出力特性が92%以上
B:出力特性が88%以上92%未満
C:出力特性が85%以上88%未満
D:85%未満
<重合体の調製>
撹拌機付きのオートクレーブに、イオン交換水240部、乳化剤としてのアルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム2.5部、ニトリル基含有単量体としてのアクリロニトリル11部、芳香族ビニル単量体としてのスチレン57部、親水性基含有単量体としてのメタクリル酸3部をこの順で入れ、内部を窒素で置換した後、共役ジエン単量体としての1,3-ブタジエン29部を圧入し、重合開始剤としての過硫酸アンモニウム0.25部を添加して反応温度40℃で重合反応させ、ニトリル基含有単量体単位、芳香族ビニル単量体単位、親水性基含有単量体単位、及び共役ジエン単量体単位を含む共重合体を得た。なお、重合転化率は85%であった。
水素化前重合体に対してイオン交換水を添加し、全固形分濃度を12質量%に調整した溶液400mL(全固形分48g)を得た。かかる溶液を、容積1Lの撹拌機付きオートクレーブに投入し、窒素ガスを10分間流して溶液中の溶存酸素を除去した後、水素添加反応触媒として酢酸パラジウム75mgを、パラジウム(Pd)に対して4倍モルの硝酸を添加したイオン交換水180mlに溶解して、添加した。系内を水素ガスで2回置換した後、3MPaまで水素ガスで加圧した状態でオートクレーブの内容物を50℃に加温し、6時間水素化反応(第一段階の水素化反応)させた。上記に従って第一段階の水素化反応を経た重合体のヨウ素価を測定したところ、45mg/100mgであった。
次いで、オートクレーブ内を大気圧にまで戻し、更に水素化反応触媒として、酢酸パラジウム25mgを、Pdに対して4倍モルの硝酸を添加した水60mlに溶解して、添加した。系内を水素ガスで2回置換した後、3MPaまで水素ガスで加圧した状態でオートクレーブの内容物を50℃に加温し、6時間水素化反応(第二段階の水素化反応)させた。
その後、内容物を常温に戻し、系内を窒素雰囲気とした後、エバポレータを用いて、固形分濃度が40%となるまで濃縮して重合体の水分散液を得た。
<正極用バインダー組成物の製造>
上記で得られた重合体の水分散液100部に対して溶媒としてのN-メチルピロリドン(以下、「NMP」という。)320部を加え、減圧下で水を蒸発させて、所定の重合体を含む正極用バインダー組成物を得た。そして、上記に従って、重合体の組成、ヨウ素価、膨潤度、及びガラス転移温度を測定した。結果を表1に示す。なお、上記に従って測定した重合体の膨潤度は280%であった。
<正極用スラリー組成物の調製>
まず、プラネタリーミキサー内で、正極活物質としてのLi(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2(平均粒子径:10μm)96部と、導電材としてのアセチレンブラック(電気化学工業社製、製品名「HS-100」)2.0部とを混合した。ここに、上述の正極用バインダー組成物(固形分濃度:8.0%)を固形分換算で2.0部を添加し混合し、次いで、溶媒としてのN-メチルピロリドン(NMP)を添加し混合して、B型粘度計(回転速度:60rpm)で測定した粘度が3500mPa・sとなるように調整して、正極用スラリー組成物を調製した。
<正極の作製>
集電体として、厚さ20μmのアルミ箔を準備した。上述のようにして調製した正極用スラリー組成物を、アルミ箔の片面あたり、乾燥後の塗布量が22mg/cm2になるように塗布した。そして、アルミ箔上の塗膜を80℃で20分、120℃で20分間乾燥後、150℃で2時間加熱処理して、プレス前正極合材層と集電体とからなる正極原反を得た。この正極原反を、1500kg/cmの線圧でロールプレスして、密度が3.2g/cm3の正極合材層とアルミ箔とからなるシート状の正極を作製した。そして、作製した正極について、上記に従って体積抵抗を測定し、評価した。結果を表1に示す。
プラネタリーミキサーに、負極活物質としての球状人造黒鉛(体積平均粒子径:12μm)90部とSiOx(体積平均粒子径:10μm)10部との混合物、負極用結着材としてのスチレンブタジエンゴム(個数平均粒子径:180nm、ガラス転移温度:10℃)1部、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース1部、および適量のイオン交換水を加え、攪拌し、負極用スラリー組成物を調製した。
次に、集電体として、厚さ15μmの銅箔を準備した。上述のようにして調製した負極用スラリー組成物を、銅箔の片面あたり、乾燥後の塗布量が12mg/cm2になるように塗布した。そして、銅箔上の塗膜を50℃で20分、110℃で20分間乾燥後、150℃で2時間加熱処理して、負極原反を得た。この負極原反をロールプレスで圧延し、密度が1.6g/cm3の負極合材層と銅箔とからなる、シート状の負極を得た。
<リチウムイオン二次電池の作製>
上記のようにして作製した正極と負極各々に、リード線を接続した。厚さ20μmのセパレータ(ポリプロピレン製微多孔膜)を介在させて積層した。また、別途、エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC)=3:7(質量基準)の混合物に対して、支持電解質としてのLiPF6を濃度1.0Mとなるよう溶解した。そして、LiPF6溶解後の混合物に、添加剤としてのビニレンカーボネート(VC)を濃度2質量%となるように添加することで、電解液を調製した。
そして、積層体をアルミ製ラミネートケース内に3.2gの電解液とともに収容した。ケースの開口部を熱で封口し、リチウムイオン二次電池とした。このリチウムイオン二次電池は、幅35mm、高さ48mm、厚さ5mmのパウチ形であり、公称容量は40mAhであった。
そして、作製したリチウムイオン二次電池を用いて、上記に従って出力特性を評価した。結果を表1に示す。
重合体の調製時に、アクリロニトリルの配合量を6部に、スチレンの配合量を62部にそれぞれ変更し、さらに、第一段階の水素化反応に際して添加する、水素化反応触媒としての酢酸パラジウムの量を27mgに変更し、さらに、得られる重合体のヨウ素価が表1に記載の値となるように、第一段階及び第二段階の水素化反応時間を適宜調節した以外は実施例1と同様にして、各種操作、測定、及び評価を行った。結果を表1に示す。
重合体の調製時に、アクリロニトリルの配合量を17部に、スチレンの配合量を51部にそれぞれ変更し、さらに、第一段階の水素化反応に際して添加する、水素化反応触媒としての酢酸パラジウムの量を27mgに変更し、さらに、得られる重合体のヨウ素価が表1に記載の値となるように、第一段階及び第二段階の水素化反応時間を適宜調節した以外は実施例1と同様にして、各種操作、測定、及び評価を行った。結果を表1に示す。
重合体の調製時に、スチレンの配合量を65部に、1,3-ブタジエンの配合量を21部にそれぞれ変更し、さらに、第一段階の水素化反応に際して添加する、水素化反応触媒としての酢酸パラジウムの量を27mgに変更し、さらに、得られる重合体のヨウ素価が表1に記載の値となるように、第一段階及び第二段階の水素化反応時間を適宜調節した以外は実施例1と同様にして、各種操作、測定、及び評価を行った。結果を表1に示す。
重合体の調製時に、得られる重合体のヨウ素価が表1に記載の値となるように、第一段階及び第二段階の水素化反応時間を適宜調節した以外は実施例1と同様にして、各種操作、測定、及び評価を行った。結果を表1に示す。
重合体の調製時に、第一段階の水素化反応に際して添加する、水素化反応触媒としての酢酸パラジウムの量を10mgに変更し、さらに、得られる重合体のヨウ素価が表1に記載の値となるように、第一段階及び第二段階の水素化反応時間を適宜調節した以外は実施例1と同様にして、各種操作、測定、及び評価を行った。結果を表1に示す。
重合体の調製時に、スチレンの配合量を55部に、メタクリル酸の配合量を9部に、共役ジエンの配合量を25部にそれぞれ変更し、さらに、得られる重合体のヨウ素価が表1に記載の値となるように、第一段階及び第二段階の水素化反応時間を適宜調節した以外は実施例1と同様にして、各種操作、測定、及び評価を行った。結果を表1に示す。
重合体の調製時に、アクリロニトリルの配合量を20部に、スチレンの配合量を45部に、メタクリル酸の配合量を5部に、共役ジエンの配合量を30部にそれぞれ変更し、さらに、得られる重合体のヨウ素価が表1に記載の値となるように、第一段階及び第二段階の水素化反応時間を適宜調節した以外は実施例1と同様にして、各種操作、測定、及び評価を行った。結果を表1に示す。
重合体の調製時に、アクリロニトリルの配合量を18部に、スチレンの配合量を70部に、メタクリル酸の配合量を2部に、共役ジエンの配合量を10部にそれぞれ変更し、さらに、得られる重合体のヨウ素価が表1に記載の値となるように、第一段階及び第二段階の水素化反応時間を適宜調節した以外は実施例1と同様にして、各種操作、測定、及び評価を行った。結果を表1に示す。
「AN」はアクリロニトリル単位を、
「ST」はスチレン単位を、
「MAA」はメタクリル酸単位を、
「H-BD」は1,3-ブタジエン水素化物単位を、
「BD」はH-BD以外の1,3-ブタジエン単量体に由来する単位を、
「AB」はアセチレンブラックを、
「NCM」はLi(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2を、それぞれ示す。
一方、重合体に含有される芳香族ビニル単量体単位の含有割合が50.0質量%未満である比較例1、及び65.0質量%超である比較例2では、実施例1~6にて達成された良好な諸属性を得ることができなかったことが分かる。
また、本発明によれば、適正な粘度を有し、出力特性に優れる二次電池の形成に用いることができる、二次電池正極用スラリー組成物及びその製造方法を提供することができる。
また、本発明によれば、得られる二次電池の出力特性を向上させ得る正極、及び出力特性に優れる二次電池を提供することができる。
Claims (8)
- ニトリル基含有単量体単位、芳香族ビニル単量体単位、親水性基含有単量体単位、及び炭素数4以上の直鎖アルキレン構造単位を含有する重合体を含む二次電池正極用バインダー組成物であって、
前記重合体が、前記芳香族ビニル単量体単位を50.0質量%超65.0質量%以下の割合で含有し、
前記重合体のヨウ素価が15mg/100mg以上50mg/100mg以下である、
二次電池正極用バインダー組成物。 - 前記重合体が、前記ニトリル基含有単量体単位を3.0質量%以上30.0質量%以下の割合で含有する、請求項1に記載の二次電池正極用バインダー組成物。
- 前記重合体が、前記親水性基含有単量体単位としての酸性基含有単量体単位を、0.1質量%以上20.0質量%以下の割合で含有する、請求項1又は2に記載の二次電池正極用バインダー組成物。
- 前記重合体のガラス転移温度が10℃以上60℃以下である、請求項1~3の何れかに記載の二次電池正極用バインダー組成物。
- 正極活物質と、溶媒と、請求項1~4の何れかに記載の二次電池正極用バインダー組成物とを含む、二次電池正極用スラリー組成物。
- 請求項5に記載の二次電池正極用スラリー組成物を用いて形成した正極合材層を備える、二次電池用正極。
- 請求項6に記載の二次電池用正極と、負極と、電解液と、セパレータとを備える、二次電池。
- 正極活物質と、導電材とを混合して、正極活物質-導電材混合物を得る工程と、
前記正極活物質-導電材混合物に対して、請求項1~4の何れかに記載の二次電池正極用バインダー組成物を添加して、正極活物質-導電材-バインダー混合物を得る工程と、
前記正極活物質-導電材-バインダー混合物に対して溶媒を添加して混合する工程と、
をこの順で含む、二次電池正極用スラリー組成物の製造方法。
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