JP7332970B2 - 電気化学デバイス用組成物、電極および二次電池 - Google Patents
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Description
CH2=CFRf (1)
(式中、Rfは炭素数1~12の直鎖又は分岐したフルオロアルキル基である。)で表される含フッ素単量体、並びに、ビニリデンフルオライド及び前記含フッ素単量体と共重合可能な他の単量体からなる共重合体であり、ビニリデンフルオライド単位/含フッ素単量体単位のモル比が85/15~20/80であり、他の単量体単位が全単量体単位の0~50モル%であり、ガラス転移温度が25℃以下であり、ヨウ素原子及び臭素原子の少なくとも一方を有し、その含有量の合計が0.001~10重量%である、非晶質の含フッ素エラストマーと、架橋剤とを含むことを特徴とする架橋性組成物などが記載されている。
前記含フッ素共重合体において、繰り返し単位(a)と繰り返し単位(b)とのモル比((a)/(b))が、99/1~20/80であることが好ましい。
前記含フッ素共重合体のガラス転移温度が、25℃以下であることが好ましい。
前記結着剤が、ポリビニリデンフルオライドをさらに含有することが好ましい。
前記含フッ素共重合体と前記ポリビニリデンフルオライドとの質量比(含フッ素共重合体/ポリビニリデンフルオライド)が、99/1~1/99であることが好ましい。
本開示の電気化学デバイス用組成物は、粉末電極材料(ただし、前記ナノカーボン材料を除く)をさらに含有することが好ましい。
前記粉末電極材料が、正極活物質として、リチウム複合酸化物を含有することが好ましい。
前記ナノカーボン材料の含有量が、前記正極活物質100質量部に対して、0.001~10質量部であることが好ましい。
前記結着剤の含有量が、前記正極活物質100質量部に対して、0.01~5.0質量部であることが好ましい。
前記粉末電極材料が、Liと合金化した場合またはLiと結合した場合に、Li基準で2.5V以下の電位を示す負極活物質を含有することが好ましい。
前記ナノカーボン材料の含有量が、前記負極活物質100質量部に対して、0.001~10質量部であることが好ましい。
前記結着剤の含有量が、前記負極活物質100質量部に対して、0.01~20.0質量部であることが好ましい。
また、本開示の電気化学デバイス用組成物を、正極を形成するために用いることによって、正極合剤中の粉体材料の沈降が少ない正極合剤を得ることができ、柔軟性に優れる正極材料層を得ることができ、出力特性およびサイクル特性に優れ、充放電を繰り返した後も抵抗が増加しにくい電池を得ることができる。
また、本開示の電気化学デバイス用組成物を、負極を形成するために用いることによって、負極合剤中の粉体材料の沈降が少ない負極合剤を得ることができ、柔軟性に優れる負極材料層を得ることができ、サイクル特性に優れる電池を得ることができる。
本開示の電気化学デバイス用組成物が含有するナノカーボン材料は、複層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー、フラーレンおよびグラフェンからなる群より選択される少なくとも一種のナノカーボン材料を含有する。
本開示の電気化学デバイス用組成物は、結着剤を含有する。本開示で用いる結着剤は、ビニリデンフルオライドに基づく繰り返し単位(a)、並びに、一般式(b1)で表される繰り返し単位(b1)および一般式(b2)で表される繰り返し単位(b2)からなる群より選択される少なくとも1種の繰り返し単位(b)を含有する含フッ素共重合体を含有する。
-(Rf11)m-(O)p-(Rf12-O)n-Rf13
(式中、Rf11およびRf12は、独立に、直鎖状もしくは分岐鎖状の、炭素数1~4のフッ素化アルキレン基、Rf13は、直鎖状もしくは分岐鎖状の、炭素数1~4のフッ素化アルキル基、pは0または1、mは0~4の整数、nは0~4の整数である)で表される基が好ましい。
-CH2-CF[-CF3]-、
-CH2-CF[-CF2CF3]-、
-CH2-CF[-CF2CF2CF3]-、
-CH2-CF[-CF2CF2CF2CF3]-、
-CH2-CF[-CF2-O-CF(CF3)-CF2-O-CHF-CF3]-、
-CH2-CF[-CF2-O-CF(CF3)-CF2-O-CF2-CF3]-、
-CH2-CF[-CF2-O-CF(CF3)-CF2-O-CF(CF3)-CF3]-、
-CH2-CF[-CF2-O-CF(CF3)-CF2-O-CH(CF3)-CF2-CF3]-、
-CH2-CF[-CF2-O-CF(CF3)-CF2-O-CF(CF3)-CF2-CF3]-、
-CH2-CF[-OCF2OCF3]-、
-CH2-CF[-OCF2CF2CF2OCF3]-、
-CH2-CF[-CF2OCF2OCF3]-、
-CH2-CF[-CF2OCF2CF2CF2OCF3]-、または、
-CH2-CF[-O-CF2-CF3]-
が好ましく、
-CH2-CF[-CF3]-、または、
-CH2-CF[-CF2-O-CF(CF3)-CF2-O-CHF-CF3]-、
がより好ましい。
-(Rf21)m-(O)p-(Rf22-O)n-Rf23
(式中、Rf21およびRf22は、独立に、直鎖状もしくは分岐鎖状の、炭素数1~4のフッ素化アルキレン基、Rf23は、直鎖状もしくは分岐鎖状の、炭素数1~4のフッ素化アルキル基、pは0または1、mは0~4の整数、nは0~4の整数である。)で表される基が好ましい。
-CHF-CH[-CF3]-、
-CHF-CH[-CF2CF3]-、
-CHF-CH[-CF2CF2CF3]-、または、
-CHF-CH[-CF2CF2CF2CF3]-、
が好ましく、
-CHF-CH[-CF3]-
がより好ましい。
一般式(2):CX3 2=CX3-Rf3CHR1X4
(式中、X3は、同一または異なって、H、Fまたは-CH3、Rf3は、フルオロアルキレン基、パーフルオロアルキレン基、フルオロ(ポリ)オキシアルキレン基またはパーフルオロ(ポリ)オキシアルキレン基、R1は、Hまたは-CH3、X4は、IまたはBrである。)で表されるヨウ素または臭素含有単量体、
一般式(3):CX5 2=CX5-Rf4X6
(式中、X5は、同一または異なって、H、Fまたは-CH3、Rf4は、フルオロアルキレン基、パーフルオロアルキレン基、フルオロ(ポリ)オキシアルキレン基またはパーフルオロ(ポリ)オキシアルキレン基、X6は、IまたはBrである。)で表されるヨウ素または臭素含有単量体(好ましくは、一般式:CH2=CH(CF2)nI(nは2~8の整数である。)で表されるヨウ素含有単量体)、
一般式(4):CF2=CFO(CF2CF(CF3)O)m(CF2)n-X7
(式中、mは0~5の整数、nは1~3の整数、X7は、シアノ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、IまたはBrである。)で表される単量体、
一般式(5):CH2=CFCF2O(CF(CF3)CF2O)m(CF(CF3))n-X8
(式中、mは0~5の整数、nは1~3の整数、X8は、シアノ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、I、Brまたは-CH2OHである。)で表される単量体、
一般式(6):CR2R3=CR4-Z-CR5=CR6R7
(式中、R2~R7は、同一または異なって、Hまたは炭素数1~5のアルキル基である。Zは、直鎖または分岐状で酸素原子を有していてもよい、炭素数1~18のアルキレン基、炭素数3~18のシクロアルキレン基、少なくとも部分的にフッ素化している炭素数1~10のアルキレン若しくはオキシアルキレン基、または、
-(Q)p-CF2O-(CF2CF2O)m(CF2O)n-CF2-(Q)p-
(式中、Qはアルキレンまたはオキシアルキレン基である。pは0または1である。m/nが0.2~5である。)で表され、分子量が500~10000である(パー)フルオロポリオキシアルキレン基である。)で表される単量体等が挙げられる。
含フッ素共重合体の140℃のムーニー粘度(ML1+10(121℃))は、2以上であることが好ましく、5以上であることがより好ましく、10以上であることがさらに好ましく、30以上であることが特に好ましく、200以下であってもよい。
ムーニー粘度は、ASTM-D1646-15およびJIS K6300-1:2013に準拠して測定する値である。
0.01≦([-CH2OH]+[-COOH])/([-CH3]+[-CF2H]+[-CH2OH]+[-CH2I]+[-OC(O)RH]+[-COOH])≦0.25
(式中、RHは、炭素数1~20のアルキル基である)を満たすことが好ましい。末端官能基が上記式を満たすものとすることで、密着性・柔軟性が良好なものとなり、結着剤として優れた機能を有するものとなる。
基準ピークはアセトンのピークトップを2.05ppmとする。
測定装置:バリアン社製VNMRS400
共鳴周波数:399.74(Sfrq)
パルス幅:45°
各末端は、以下のピーク位置のものに対応させる。
[-CH3]:1.72~1.86ppm
[-CF2H]:6.1~6.8ppm
[-CH2OH]:3.74~3.80ppm
[-CH2I]:3.87~3.92ppm
[-OC(O)RH]:1.09~1.16ppm
[-COOH]:10~15ppm
上述した測定によって特定された各ピークの積分値に基づいて、各ピーク強度から官能基量を算出し、その結果に基づいて下記式にて計算する。
([-CH2OH]+[-COOH])/([-CH3]+[-CF2H]+[-CH2OH]+[-CH2I]+[-OC(O)RH]+[-COOH])
PVdFの60℃における貯蔵弾性率は、好ましくは1500MPa以下であり、より好ましくは1300MPa以下である。
PVdFの30℃における貯蔵弾性率は、好ましくは1000MPa以上であり、より好ましくは1100MPa以上である。
PVdFの60℃における貯蔵弾性率は、好ましくは600MPa以上であり、より好ましくは700MPa以上である。
PVdFの貯蔵弾性率は、後述する含フッ素共重合体の貯蔵弾性率と同じ方法により測定できる。
VdF重合体の30℃における貯蔵弾性率は、より好ましくは800MPa以下であり、さらに好ましくは600MPa以下である。
VdF重合体の60℃における貯蔵弾性率は、より好ましくは350MPa以下である。
VdF重合体の30℃における貯蔵弾性率は、好ましくは100MPa以上であり、より好ましくは150MPa以上であり、さらに好ましくは200MPa以上である。
VdF重合体の60℃における貯蔵弾性率は、好ましくは50MPa以上であり、より好ましくは80MPa以上であり、さらに好ましくは130MPa以上である。
本開示の電気化学デバイス用組成物は、溶媒を含有する。溶媒としては、水または有機溶剤が挙げられ、電気化学デバイス用組成物を用いて電極材料層を形成した場合に、電極材料層に水分が残留する可能性を大きく低下させられることから、有機溶剤が好ましい。
N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチル-2-ピロリドン、3-メトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミド、N-エチル-2-ピロリドン(NEP)、N-ブチル-2-ピロリドン(NBP)、アクリロイルモルフォリン、N-シクロヘキシル-2-ピロリドン、N-ビニル-2-ピロリドン、3-ブトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミド、N,N,N’ ,N’-テトラエチルウレア、N,N-ジメチルアセトアセタミド、N-オクチル-2-ピロリドンおよびN,N-ジエチルアセタミドからなる群より選択される少なくとも1種がより好ましく、
N-メチル-2-ピロリドン、N,N-ジメチルアセトアミド、3-メトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミド、N-エチル-2-ピロリドンおよびN-ブチル-2-ピロリドンらなる群より選択される少なくとも1種がさらに好ましく、
N-メチル-2-ピロリドンおよびN,N-ジメチルアセトアミドからなる群より選択される少なくとも1種が特に好ましい。
本開示の電気化学デバイス用組成物は、電気化学デバイスの電極を形成するために好適に用いることができる。本開示の電気化学デバイス用組成物は、電極形成用組成物であってよい。
本開示の電気化学デバイス用組成物は、粉末電極材料(ただし、ナノカーボン材料を除く)をさらに含有することが好ましい。
一般式(7):LiyNi1-xMxO2
(式中、xは、0.01≦x≦0.5、yは、0.9≦y≦1.2であり、Mは金属原子(但しLiおよびNiを除く)を表す。)
で表されるリチウム・ニッケル系複合酸化物がより好ましい。このようにニッケル含有率が高いリチウム遷移金属複合酸化物は、二次電池の高容量化に有益である。
本開示の電極は、集電体と電極材料層とを備えている。電極材料層は、本開示の電気化学デバイス用組成物を用いて形成され、集電体の片面に設けられていてもよいし、両面に設けられていてもよい。本開示の電極は、正極材料層を備える正極であってもよいし、負極材料層を備える負極であってもよい。
また、本開示によれば、上記の電極を備える二次電池が提供される。
含フッ素共重合体およびPVdFの組成は、溶液NMR法により測定した。
測定装置:バリアン社製 VNMRS400
共鳴周波数:376.04(Sfrq)
パルス幅:30°(pw=6.8)
PVdFにおける極性基含有単量体単位(アクリル酸単位、3-ブテン酸単位など)の含有量は、カルボキシル基の酸-塩基滴定によって測定した。具体的には、約0.5gのPVdFを、70~80℃の温度でアセトンに溶解させた。5mlの水を、PVdFの凝固を回避するように激しい撹拌下に滴々加えた。約-270mVでの中性転移で、酸性度の完全な中和まで0.1Nの濃度を有するNaOH水溶液での滴定を実施した。測定結果から、PVdF1g中に含まれる極性基含有単量体単位の含有物質量を求め、極性基含有単量体単位の含有量を算出した。
ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)により測定した。東ソー社製のHLC-8320GPCおよびカラム(SuperAWM-Hを3本直列に接続)を用い、溶媒としてジメチルホルムアミド(DMF)を流速0.3ml/分で流して測定したデータ(リファレンス:ポリスチレン)より、重量平均分子量を算出した。
示差走査熱量測定(DSC)装置を用い、30℃から220℃まで10℃/分の速度で昇温し、その後10℃/分で30℃まで降下させ、再度10℃/分の速度で220℃まで昇温したときの融解熱曲線における極大値に対する温度を、融点として求めた。
ASTM-D1646-15およびJIS K6300-1:2013に準拠して測定した。
測定機器:ALPHA TECHNOLOGIES社製のMV2000E型
ローター回転数:2rpm
測定温度:121℃、140℃
示差走査熱量計(メトラー・トレド社製、DSC822e、もしくは、日立ハイテクサイエンス社製、X-DSC7000)を用い、試料10mgを20℃/minで昇温することによりDSC曲線を得て、DSC曲線の二次転移前後のベースラインの延長線と、DSC曲線の変曲点における接線との交点を示す温度をガラス転移温度とした。
正極合剤の粘度は、B型粘度計(ブルックフィールド社製、LV-DV2T)を用いて、25℃、ロータNo.SC4-21、回転速度20rpmの条件にて測定し、測定開始から10分経過後の測定値を粘度とした。
(正極合剤の沈降安定性試験)
50ccスクリュー管に50gの正極合剤を分取し、蓋を閉めて5日間静置した。その後、スポイトを用いて正極合剤の上部を10g採取し、アルミカップに加え、120℃24時間乾燥させた。正極合剤の初期固形分濃度(Y0)、乾燥後の合剤重量(M5)とした際の沈降安定性指標(Y5)を下記式によって算出した。
Y5=M5/10/Y0×100 [%]
(正極の正極材料層と正極集電体との剥離強度)
片面に正極材料層を備える正極を切り取ることにより、1.2cm×7.0cmの試験片を作製した。試験片の正極材料層側を両面テープで可動式治具に固定した後、正極集電体の表面にテープを貼り、100mm/分の速度でテープを90度に引っ張った時の応力(N/m)をオートグラフにて測定した。オートグラフのロードセルには5Nを用いた。
両面に正極材料層を備える正極を切り取ることにより、2cm×10cmの試験片を作製し、直径1.0mmの丸棒、直径2.0mmの丸棒、直径3.0mmの丸棒に巻き付けて、正極を目視で観察し、正極材料層のひび割れの有無を確認し、以下の基準で評価した。
φ1:直径1.0mmの丸棒に巻き付けても、正極材料層にピンホールが確認されなかった。
φ2:直径2.0mmの丸棒に巻き付けても、正極材料層にピンホールが確認されなかったが、直径1.0mmの丸棒に巻き付けると、正極材料層にピンホールが観察された。
φ3:直径3.0mmの丸棒に巻き付けても、正極材料層にピンホールが確認されなかったが、直径2.0mmの丸棒に巻き付けると、正極材料層にピンホールが観察された。
φ4:直径3.0mmの丸棒に巻き付けると、正極材料層にピンホールが観察されるか、または、試験片が破断した。
高誘電率溶媒であるエチレンカーボネートおよび低粘度溶媒であるエチルメチルカーボネートを、体積比30対70になるように混合し、これにLiPF6を1.0モル/リットルの濃度となるように添加し、これにビニレンカーボネートを2質量%添加することで非水電解液を得た。
実施例および比較例で作製した片面に正極材料層を備える正極を、幅50mm、長さ30mmの塗工部(正極材料層)、および、幅5mm、長さ9mmの未塗工部を有する形状に切り出した。
上記の正極と負極を厚さ20μmの微孔性ポリエチレンフィルム(セパレータ)を介して正極と負極を対向させ、上記で得られた非水電解液を注入し、上記非水電解液がセパレータ等に充分に浸透した後、封止し予備充電、エージングを行い、アルミラミネートセル(リチウムイオン二次電池)を作製した。
得られたアルミラミネートセル(リチウムイオン二次電池)について、下記のように、出力特性、サイクル容量保持率および抵抗増加率を調べた。
上記で製造した二次電池を、25℃において、0.2Cに相当する定電流で4.2Vまで充電した後、0.2Cの定電流で3.0Vまで放電した。これを2サイクル行って電池を安定させた。その後、25℃で0.2Cの定電流で4.2Vまで充電後、4.2Vの定電圧で電流値が0.05Cになるまで充電を実施し、0℃にて0.2Cの定電流で3.0Vまで放電し、初期0℃0.2C放電容量(mAh)を求めた。ここで、1.0Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表し、例えば、0.2Cとはその1/5の電流値を表す。その後、25℃で0.2Cの定電流で4.2Vまで充電後、4.2Vの定電圧で電流値が0.05Cになるまで充電を実施し、0℃にて5Cの定電流で3.0Vまで放電し、0℃5C放電容量(mAh)を求めた。0℃0.2放電容量に対する0℃5.0Cの放電容量の割合を求め、これを放電容量比(%)とした。
放電容量比(%)=(0℃5.0Cの放電容量)÷(0℃0.2Cの放電容量)×100
実施例1~18および比較例1~3については比較例2の値を100として算出した結果を表1および表2に示す。実施例19および比較例4については比較例4の値を100として算出した結果を表3に示す。実施例20および比較例5については比較例5の値を100として算出した結果を表3に示す。実施例21および比較例6については比較例6の値を100として算出した結果を表3に示す。
上記で作製したリチウムイオン二次電池を、25℃において、0.2Cに相当する定電流で4.2Vまで充電した後、0.2Cの定電流で3.0Vまで放電した。これを2サイクル行って電池を安定させた。その後、25℃において、上記で製造した二次電池を、1Cの定電流で4.2Vまで充電後、4.2Vの定電圧で電流値が0.05Cになるまで充電を実施し、1Cの定電流で3.0Vまで放電し、初期放電容量を求めた。同様の方法で充放電を行い、500サイクル後の放電容量を測定した。下記式に基づき、500サイクル後の放電容量の初期放電容量に対する割合を求め、これをサイクル容量保持率(%)とした。
(500サイクル後の放電容量)/(初期放電容量)×100=サイクル容量保持率(%)
実施例1~18および比較例1~3については比較例2の値を100として算出した結果を表1および表2に示す。実施例19および比較例4については比較例4の値を100として算出した結果を表3に示す。実施例20および比較例5については比較例5の値を100として算出した結果を表3に示す。実施例21および比較例6については比較例6の値を100として算出した結果を表3に示す。
上記のように安定化させた初期放電容量算出時の満充電状態の電池の抵抗(初期抵抗)と500サイクル試験後の満充電状態(試験温度25℃)の抵抗を測定した。下記式に基づき、サイクル試験後抵抗増加率を求めた。
抵抗増加率(%)=500サイクル試験後の抵抗(Ω)/初期放電容量算出時の抵抗(Ω)×100
実施例1~18および比較例1~3については比較例2の値を100として算出した結果を表1および表2に示す。実施例19および比較例4については比較例4の値を100として算出した結果を表3に示す。実施例20および比較例5については比較例5の値を100として算出した結果を表3に示す。実施例21および比較例6については比較例6の値を100として算出した結果を表3に示す。
(負極合剤の沈降安定性試験)
50ccスクリュー管に50gの負極合剤を分取し、蓋を閉めて5日間静置した。その後、スポイトを用いて負極合剤の上部を10g採取し、アルミカップに加え、120℃24時間乾燥させた。負極合剤の初期固形分濃度(Y0)、乾燥後の合剤重量(M5)とした際の沈降安定性指標(Y5)を下記式によって算出した。
(Y5=M5/10/Y0×100 [%])
(最大試験力)
ASTM D790に準ずる方法で、曲げ強度(bending strength、3-point bending test)を測定した。両面に負極材料層を備える負極を、15mm×20mmサイズに切断して試片を準備した。3地点曲げ方式で、10mm間隔である、第1地点と第2地点との間に試片を配置し、試片の真ん中(第3地点)を、プローブ(probe)で、試片厚方向に一定速度で押し、曲げテスト(bending property test)を実施した。第3地点の厚み方向移動速度5mm/minで移動しながらかかる力を測定した。最大曲げ強度(maximum bending forceまたはmaximum bending strength)は、プローブの移動距離によって試片にかかる力の最大値である。結果を表4に示す。
高誘電率溶媒であるエチレンカーボネートおよび低粘度溶媒であるエチルメチルカーボネートを、体積比30対70になるように混合し、これにLiPF6を1.0モル/リットルの濃度となるように添加し、これにビニレンカーボネートを2質量%添加することで非水電解液を得た。
実施例および比較例で作製した片面に負極材料層を備える負極を、幅52mm、長さ32mmの塗工部(負極材料層)、および、幅5mm、長さ9mmの未塗工部を有する形状に切り出した。
正極活物質にLiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC811)97質量部と、導電助剤にアセチレンブラック(AB)1.5質量部、PVdF(B―1:8質量%NMP溶液)1.5質量部を混合し、10000~20000mPa・sの粘度を有する正極合剤を調製した。得られた正極合剤を、正極集電体(厚さ20μmのアルミ箔)の片面に均一に塗布し、120℃で60分間乾燥させることにより、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)を完全に揮発させた後、ロールプレス機を用いて、10tの圧力を印加してプレスすることにより、正極集電体の片面に正極材料層を備える正極を作製した。正極合剤の塗布量は、20.0mg/cm2であり、正極材料層の密度は3.6g/cm2であった。 作製した片面に正極材料層を備える正極を、幅50mm、長さ30mmの塗工部(正極材料層)、および、幅5mm、長さ9mmの未塗工部を有する形状に切り出した。
上記の正極と負極を厚さ20μmの微孔性ポリエチレンフィルム(セパレータ)を介して正極と負極を対向させ、上記で得られた非水電解液を注入し、上記非水電解液がセパレータ等に充分に浸透した後、封止し予備充電、エージングを行い、アルミラミネートセル(リチウムイオン二次電池)を作製した。
得られたアルミラミネートセル(リチウムイオン二次電池)について、下記のように、サイクル容量保持率を調べた。
上記で作製したリチウムイオン二次電池を、25℃において、0.2Cに相当する定電流で4.2Vまで充電した後、0.2Cの定電流で3.0Vまで放電した。これを2サイクル行って電池を安定させた。その後、30℃において、上記で製造した二次電池を、1Cの定電流で4.2Vまで充電後、4.2Vの定電圧で電流値が0.05Cになるまで充電を実施し、1Cの定電流で3.0Vまで放電し、初期放電容量を求めた。同様の方法で充放電を行い、300サイクル後の放電容量を測定した。下記式に基づき、300サイクル後の放電容量の初期放電容量に対する割合を求め、これをサイクル容量保持率(%)とした。
(300サイクル後の放電容量)/(初期放電容量)×100=サイクル容量保持率(%)
(A-1):2,3,3,3-テトラフルオロプロペン/VdF共重合体
2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFとのモル比(2,3,3,3-テトラフルオロプロペン/VdF):23.0/77.0
重量平均分子量:520000
融点:なし
2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFとのモル比(2,3,3,3-テトラフルオロプロペン/VdF):22.0/78.0
重量平均分子量:490000
融点:なし
2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFとのモル比(2,3,3,3-テトラフルオロプロペン/VdF):22.0/78.0
重量平均分子量:1600000
融点:なし
2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFとのモル比(2,3,3,3-テトラフルオロプロペン/VdF):26.0/74.0
重量平均分子量:2000000
融点:なし
2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFとのモル比(2,3,3,3-テトラフルオロプロペン/VdF):15.9/84.1
重量平均分子量:1000000
融点:なし
2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFとのモル比(2,3,3,3-テトラフルオロプロペン/VdF):35.9/64.1
重量平均分子量:800000
融点:なし
2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFとのモル比(2,3,3,3-テトラフルオロプロペン/VdF):7.5/92.5
重量平均分子量:940000
融点:168.9℃
パーフルオロ-(2,9,9-トリハロイド-5-トリフルオロメチル-3,6-ジオキサ-8-ヘプテン)(AEHF-1)とVdFとのモル比(AEHF-1/VdF):18.6/81.4
重量平均分子量:1000000
融点:なし
TFEとVdFとのモル比(TFE/VdF):20.0/80.0
重量平均分子量:1100000
融点:132℃
138Lのステンレス製オートクレーブに純水84.9Lを入れ窒素置換し、ビニリデンフルオライド(VdF)で微加圧とし、180rpmで攪拌しながら80℃に温調して、VdFを0.64MPaまで圧入し、さらにVdFと2,3,3,3-テトラフルオロプロペンのモル比が78.0/22.0の混合液モノマーを0.80MPaまで圧入した。過硫酸アンモニウム84.92gを純水300mlに溶解したものを窒素で圧入して重合スタートした。圧力が0.8MPaを維持するように連続モノマーを供給し、3時間後に過硫酸アンモニウム42.46gを純水300mlに溶解したものを窒素で圧入し、6.8時間の後連続モノマーを25.48kg仕込んだところでオートクレーブ内のガスを放出し、冷却して110kgの分散液を回収した。分散液の固形分含有量は22.84wt%であった。この分散液に硫酸アルミニウムを加えて凝析し、乾燥することで25.2kgのポリマーを得た。得られたポリマーは2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFをモル比で23.0/77.0の割合で含んでいた。得られたポリマーの140℃におけるムーニー粘度は26、重量平均分子量は520000、TgはDSCにより-13℃と決定された。
6Lのステンレス製オートクレーブに純水4000mlを入れ窒素置換し、真空下で2-メチルブタン0.74ml入れ、そののちビニリデンフルオライド(VdF)で微加圧とし、600rpmで攪拌しながら80℃に温調して、VdFを1.64MPaまで圧入し、さらにVdFと2,3,3,3-テトラフルオロプロペンのモル比が77.5/22.5の混合液モノマーを2.001MPaまで圧入した。過硫酸アンモニウム0.952gを純水5mlに溶解したものを窒素で圧入して重合スタートした。圧力が2.0MPaを維持するように連続モノマーを供給し、3時間後に過硫酸アンモニウム0.952gを純水5mlに溶解させたもの窒素で圧入し、8.4時間の後連続モノマーを1.2kg仕込んだところでオートクレーブ内のガスを放出し、冷却して5.2kgの分散液を回収した。分散液の固形分含有量は23.47wt%であった。この分散液に硫酸アルミニウムを加えて凝析し、乾燥することで1.2kgのポリマーを得た。得られたポリマーは2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFをモル比で22.0/78.0の割合で含んでいた。得られたポリマーの140℃におけるムーニー粘度は40、重量平均分子量は490000、TgはDSCにより-13℃と決定された。
6Lのステンレス製オートクレーブに純水4000mlを入れ窒素置換し、真空下で2-メチルブタン0.09ml入れ、そののちビニリデンフルオライド(VdF)で微加圧とし、600rpmで攪拌しながら80℃に温調して、VdFを1.62MPaまで圧入し、さらにVdFと2,3,3,3-テトラフルオロプロペンのモル比が76.5/23.5の混合液モノマーを2.001MPaまで圧入した。過硫酸アンモニウム0.952gを純水5mlに溶解したものを窒素で圧入して重合スタートした。圧力が2.0MPaを維持するように連続モノマーを供給し、3.6時間の後連続モノマーを1.0kg仕込んだところでオートクレーブ内のガスを放出し、冷却して5.0kgの分散液を回収した。分散液の固形分含有量は20.27wt%であった。この分散液に硫酸アルミニウムを加えて凝析し、乾燥することで1.0kgのポリマーを得た。得られたポリマーは2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFをモル比で22.8/77.2の割合で含んでいた。得られたポリマーの140℃におけるムーニー粘度は135、重量平均分子量は1600000、TgはDSCにより-12℃と決定された。
6Lのステンレス製オートクレーブに純水4000mlを入れ窒素置換し、真空下で2-メチルブタン0.04ml入れ、そののちビニリデンフルオライド(VdF)で微加圧とし、600rpmで攪拌しながら80℃に温調して、VdFを1.0MPaまで圧入し、さらにVdFと2,3,3,3-テトラフルオロプロペンのモル比が73.5/26.5の混合液モノマーを2.000MPaまで圧入した。過硫酸アンモニウム0.476gを純水5mlに溶解したものを窒素で圧入して重合スタートした。圧力が2.0MPaを維持するように連続モノマーを供給し、5.6時間の後連続モノマーを0.72kg仕込んだところでオートクレーブ内のガスを放出し、冷却して4.8kgの分散液を回収した。分散液の固形分含有量は15.44wt%であった。この分散液に硫酸アルミニウムを加えて凝析し、乾燥することで0.78kgのポリマーを得た。得られたポリマーは2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFをモル比で26.0/74.0の割合で含んでいた。得られたポリマーの140℃におけるムーニー粘度は144、重量平均分子量は2000000、TgはDSCにより-8℃と決定された。
3Lのステンレス製オートクレーブに純水1750ml、CH2=CFCF2OCF(CF3)CF2OCF(CF3)COONH4 50%水溶液を0.3503g、C5F11COONH4 50%水溶液を7.003g入れ窒素置換し、ビニリデンフルオライド(VdF)で微加圧とし、600rpmで攪拌しながら80℃に温調して、VdFを1.37MPaまで圧入し、さらにVdFと2,3,3,3-テトラフルオロプロペンのモル比が84.5/15.5の混合液モノマーを1.499MPaまで圧入した。2-メチルブタン0.12ml、過硫酸アンモニウム0.4165gを純水10mlに溶解したものを窒素で圧入して重合スタートした。圧力が1.5MPaを維持するよう連続モノマーを供給し、5.6時間の後連続モノマーを600g仕込んだところでオートクレーブ内のガスを放出し、冷却して2336gの分散液を回収した。分散液の固形分含有量は26.62wt%であった。この分散液に硫酸アルミニウムを加えて凝析し、乾燥することで630gのポリマーを得た。得られたポリマーは2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFをモル比で15.9/84.1の割合で含んでいた。得られたポリマーの140℃におけるムーニー粘度は104、重量平均分子量は1000000、TgはDSCにより-20℃と決定された。
3Lのステンレス製オートクレーブに純水1750ml、CH2=CFCF2OCF(CF3)CF2OCF(CF3)COONH4 50%水溶液を0.3501g、C5F11COONH4 50%水溶液を7.000g入れ窒素置換し、ビニリデンフルオライド(VdF)で微加圧とし、600rpmで攪拌しながら80℃に温調して、VdFを1.09MPaまで圧入し、さらにVdFと2,3,3,3-テトラフルオロプロペンのモル比が64.5/35.5の混合液モノマーを1.503MPaまで圧入した。2-メチルブタン0.12ml、過硫酸アンモニウム0.4165gを純水10mlに溶解したものを窒素で圧入して重合スタートした。圧力が1.5MPaを維持するよう連続モノマーを供給し、7.7時間の後連続モノマーを600g仕込んだところでオートクレーブ内のガスを放出し、冷却して2378gの分散液を回収した。分散液の固形分含有量は26.77wt%であった。この分散液に硫酸アルミニウムを加えて凝析し、乾燥することで630gのポリマーを得た。得られたポリマーは2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFをモル比で35.9/64.1の割合で含んでいた。得られたポリマーの140℃におけるムーニー粘度は52、重量平均分子量は800000、TgはDSCにより0℃と決定された。
内容積2.5リットルのオートクレーブに、純水1,400g、メチルセルロース0.7g、2,3,3,3-テトラフルオロプロペンを40g、VdFを495g、酢酸エチル3.0g、およびジノルマルプロピルパーオキシジカーボネート1gを仕込み、1.5時間かけて45℃まで昇温した後、45℃を19時間維持した。この間の最高到達圧力は6.0MPaGであった。45℃への昇温完了時から19時間後に重合を終了した。重合終了後、得られた共重合体スラリーを回収し、脱水および水洗し、さらに118℃で12時間乾燥して、共重合体の粉末を得た。得られたポリマーは2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFをモル比で7.5/92.5の割合で含んでいた。重量平均分子量は940000、融点はDSCにより168.9℃と決定された。
6Lのステンレス製オートクレーブに純水2400ml、C5F11COONH4 50質量%水溶液を600gいれ、窒素置換し、VdFで微加圧とし、600rpmで攪拌しながら80℃に温調して、パーフルオロ-(2,9,9-トリハロイド-5-トリフルオロメチル-3,6-ジオキサ-8-ヘプテン)(AEHF-1)を25g圧入し、VdFを2.01MPaまで圧入した。これに過硫酸アンモニウム0.09gを純水5mlに溶解したものを窒素で圧入した。圧力が1.98MPaまで降下したところでVdF 5g、AEHF-1 6.363g仕込んだ。これを繰り返し、約20分後、VdFを5g仕込んだところで、1,4-ジヨードパーフルオロブタン0.609gと押し込み用の水2gを窒素で圧入した。さらに、130分後、VdFを135g、AEHF-1を165.438g仕込んだところでオートクレーブ内のガスを放出し、冷却して3317gの分散液を回収した。分散液の固形分含有量は10.77質量%(ポリマー量357g)であった。この分散液に硫酸アルミニウムを加えて凝析し、乾燥することで350.2gのエラストマーを得た。得られたエラストマーはVdFとAEHF-1をモル比で81.4/18.6の割合で含んでいた。得られたポリマーの121℃におけるムーニー粘度は15、TgはDSCにより-27℃と決定された。
(B-1):VdFホモポリマー
重量平均分子量900000
融点171℃
(B-2):VdFホモポリマー
重量平均分子量1800000
融点171℃
(B-3):アクリル酸単位を含有するPVdF
アクリル酸単位の含有量1.0モル%
重量平均分子量1100000
融点161℃
(B-4):CTFE単位を含有するPVdF
CTFE単位の含有量2.4モル%
重量平均分子量800000
融点168℃
(B-5):HFP単位およびアクリル酸単位を含有するPVdF
VdF/HFP=97.5/2.5(モル%)
アクリル酸単位の含有量1.0モル%
重量平均分子量1110000
融点150℃
(B-6):3-ブテン酸単位を含有するPVdF
3-ブテン酸単位の含有量1.0モル%
重量平均分子量1000000
融点163℃
NMC811:LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2
LFP:LiFePO4
LCO:LiCoO2
NCA:LiNi0.83Co0.15Al0.03O2
MWCNT:複層カーボンナノチューブ、シーナノ社製、商品名LB136-43
グラフェン:三順中科社製、商品名GNP-N
(正極合剤の調製)
含フッ素共重合体(A)およびPVdF(B)を、含フッ素共重合体(A)/PVdF(B)の質量比が表1~3に記載のとおりとなるように混合した。得られた混合液、正極活物質およびアセチレンブラック、ナノカーボン材料分散液を混合し、10000~20000mPaの粘度を有する正極合剤を調製した。得られた正極合剤の組成を表1~3に示す。
得られた正極合剤を、正極集電体(厚さ20μmのアルミ箔)の片面に均一に塗布し、120℃で60分間乾燥させることにより、NMPを完全に揮発させた後、ロールプレス機を用いて、10tの圧力を印加してプレスすることにより、正極集電体の片面に正極材料層を備える正極を作製した。正極合剤の塗布量は、22.5mg/cm2であり、正極合剤層の密度は3.4g/cm2であった。
(負極合剤の調製)
負極活物質として黒鉛粉末/ケイ素粉末または黒鉛粉末/スズ粉末、導電助剤としてアセチレンブラック(AB)、含フッ素共重合体(A)、PVdF(B)およびナノカーボン材料を混合し、さらにNMPを適量加えて、表4に記載の組成を有する負極合剤を調製した。
得られた負極合剤を、銅箔からなる負極集電体の片面または両面に塗布し、これを乾燥した。これを所定の電極サイズに切り取り、ロールプレスを用いて圧延することにより、負極集電体の片面または両面に負極材料層が形成された負極を作製した。得られた負極を用いて、上記した方法で各種物性を評価した。結果を表4に示す。
Claims (17)
- ナノカーボン材料、結着剤および溶媒を含有する電気化学デバイス用組成物であって、
前記ナノカーボン材料が、複層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー、フラーレンおよびグラフェンからなる群より選択される少なくとも一種であり、
前記結着剤が、ビニリデンフルオライドに基づく繰り返し単位(a)、並びに、一般式(b1)で表される繰り返し単位(b1)および一般式(b2)で表される繰り返し単位(b2)からなる群より選択される少なくとも1種の繰り返し単位(b)を含有する
含フッ素共重合体を含有する電気化学デバイス用組成物。
一般式(b1):
一般式(b2):
- 前記ナノカーボン材料が、複層カーボンナノチューブおよびグラフェンからなる群より選択される少なくとも一種である請求項1に記載の電気化学デバイス用組成物。
- 前記含フッ素共重合体において、繰り返し単位(a)と繰り返し単位(b)とのモル比((a)/(b))が、99/1~20/80である請求項1または2に記載の電気化学デバイス用組成物。
- 前記含フッ素共重合体のガラス転移温度が、25℃以下である請求項1または2に記載の電気化学デバイス用組成物。
- 前記結着剤が、ポリビニリデンフルオライドをさらに含有する請求項1または2に記載の電気化学デバイス用組成物。
- 前記含フッ素共重合体と前記ポリビニリデンフルオライドとの質量比(含フッ素共重合体/ポリビニリデンフルオライド)が、99/1~1/99である請求項5に記載の電気化学デバイス用組成物。
- 電気化学デバイスの電極を形成するために用いる請求項1または2に記載の電気化学デバイス用組成物。
- 粉末電極材料(ただし、前記ナノカーボン材料を除く)をさらに含有する請求項1または2に記載の電気化学デバイス用組成物。
- 前記粉末電極材料が、正極活物質として、リチウム複合酸化物を含有する請求項9に記載の電気化学デバイス用組成物。
- 前記ナノカーボン材料の含有量が、前記正極活物質100質量部に対して、0.001~10質量部である請求項10に記載の電気化学デバイス用組成物。
- 前記結着剤の含有量が、前記正極活物質100質量部に対して、0.01~5.0質量部である請求項10に記載の電気化学デバイス用組成物。
- 前記粉末電極材料が、Liと合金化した場合またはLiと結合した場合に、Li基準で2.5V以下の電位を示す負極活物質を含有する請求項9に記載の電気化学デバイス用組成物。
- 前記ナノカーボン材料の含有量が、前記負極活物質100質量部に対して、0.001~10質量部である請求項13に記載の電気化学デバイス用組成物。
- 前記結着剤の含有量が、前記負極活物質100質量部に対して、0.01~20.0質量部である請求項13に記載の電気化学デバイス用組成物。
- 集電体と、前記集電体の片面または両面に設けられており、請求項1または2に記載の電気化学デバイス用組成物により形成された電極材料層と、を備える電極。
- 請求項16に記載の電極を備える二次電池。
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