JP7444062B2 - 非水系二次電池用スラリーおよびその製造方法、非水系二次電池用電池部材およびその製造方法、並びに、非水系二次電池 - Google Patents
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Description
また、本発明は、本発明の非水系二次電池用スラリーを用いた非水系二次電池用電池部材およびその製造方法の提供を目的とする。
更に、本発明は、本発明の非水系二次電池用電池部材を備える非水系二次電池の提供を目的とする。
また、本発明によれば、隣接する他の電池部材と強固に接着し得る非水系二次電池用電池部材およびその製造方法を提供することができる。
更に、本発明によれば、電池部材同士が強固に接着した非水系二次電池を提供することができる。
ここで、本発明の非水系二次電池用スラリー(以下、「二次電池用スラリー」と略記する場合がある。)は、電池部材同士を接着させる接着材料を、電池部材表面に形成する際に用いることができる。具体的には、本発明の非水系二次電池用スラリーは、本発明の非水系二次電池用電池部材および非水系二次電池の製造に用いることができる。そして、本発明の非水系二次電池用スラリーは、本発明の非水系二次電池用スラリーの製造方法によって得ることができる。
本発明の二次電池用スラリーの製造方法は、粒子状重合体(A)と、水と、任意に、後述する粒子状重合体(B)およびその他の成分とを更に含む混合物の溶存炭酸ガス濃度を低減する脱気工程を含む。
ここで、粒子状重合体(A)は、セパレータや電極などの電池部材同士を接着させる接着材料中の結着材として機能する成分である。結着材として粒子状重合体(A)を用いることで、接着材料を介して電池部材同士を強固に接着することができる。
そして、粒子状重合体(A)を調製するために用いる単量体としては、例えば、塩化ビニル、塩化ビニリデン等の塩化ビニル系単量体;酢酸ビニル等の酢酸ビニル系単量体;スチレン、α-メチルスチレン、ブトキシスチレン、ビニルナフタレン等の芳香族ビニル単量体;ビニルアミン等のビニルアミン系単量体;N-ビニルホルムアミド、N-ビニルアセトアミド等のビニルアミド系単量体;メチルアクリレート、エチルアクリレート、n-ブチルアクリレート等のブチルアクリレート、2-エチルヘキシルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、ブチルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート等の(メタ)アクリル酸エステル単量体;アクリルアミド、メタクリルアミド等の(メタ)アクリルアミド単量体;アクリロニトリル、メタクリロニトリル等の(メタ)アクリロニトリル単量体;2-(パーフルオロヘキシル)エチルメタクリレート、2-(パーフルオロブチル)エチルアクリレート等のフッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体;マレイミド;フェニルマレイミド等のマレイミド誘導体などが挙げられる。これらは、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。さらに、粒子状重合体(A)を調製するために用いる単量体として、詳しくは後述する酸基含有単量体、水酸基含有単量体、及び架橋性単量体を用いてもよい。
なお、本発明において、(メタ)アクリルとは、アクリルおよび/またはメタクリルを意味し、(メタ)アクリロニトリルとは、アクリロニトリルおよび/またはメタクリロニトリルを意味する。
ここで、粒子状重合体(A)は、水中で粒子状であれば任意の粒子構造とすることができるが、コア部と、コア部の外表面を覆うシェル部とを備えるコアシェル構造を有していることが好ましい。なお、シェル部は、コア部の外表面の全体を覆っていてもよいし、コア部の外表面を部分的に覆っていてもよい。また、外観上、コア部の外表面がシェル部によって完全に覆われているように見える場合であっても、シェル部の内外を連通する孔が形成されていれば、そのシェル部はコア部の外表面を部分的に覆うシェル部である。従って、例えば、シェル部の外表面(即ち、粒子状重合体(A)の周面)からコア部の外表面まで連通する細孔を有するシェル部を備える粒子状重合体(A)は、シェル部がコア部の外表面を部分的に覆う粒子状重合体(A)に該当する。
そして、粒子状重合体(A)のコア部の調製に用いられる単量体としては、上述した単量体と同様の単量体が挙げられる。それらの中でも、接着材料を介して電池部材同士をより強固に接着させる観点から、芳香族ビニル単量体と(メタ)アクリル酸エステル単量体の少なくとも一方を用いることが好ましく、芳香族ビニル単量体と(メタ)アクリル酸エステル単量体の双方を用いることがより好ましい。即ち、粒子状重合体(A)のコア部は、芳香族ビニル単量体単位と(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の少なくとも一方を含むことが好ましく、芳香族ビニル単量体単位と(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の双方を含むことがより好ましい。そして更に好ましくは、スチレン由来の単量体単位と、n-ブチルアクリレート由来の単量体単位とを含むことである。
なお、本発明において、「単量体単位を含む」とは、「その単量体を用いて得た重合体中に単量体由来の繰り返し単位が含まれている」ことを意味する。
また、粒子状重合体(A)のコア部における(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の割合は、接着材料を介して電池部材同士を一層強固に接着させる観点から、粒子状重合体(A)のコア部に含まれる全繰り返し単位(全単量体単位)を100質量%として、2質量%以上であることが好ましく、3質量%以上であることがより好ましく、4質量%以上であることが更に好ましく、20質量%以下であることが好ましく、15質量%以下であることがより好ましく、10質量%以下であることが更に好ましい。
なお、本発明において、各単量体単位の割合は、1H-NMRなどの核磁気共鳴(NMR)法を用いて測定することができる。
さらに、リン酸基を有する単量体としては、例えば、リン酸-2-(メタ)アクリロイルオキシエチル、リン酸メチル-2-(メタ)アクリロイルオキシエチル、リン酸エチル-(メタ)アクリロイルオキシエチルなどが挙げられる。
なお、本発明において、(メタ)アリルとは、アリルおよび/またはメタリルを意味し、(メタ)アクリロイルとは、アクリロイルおよび/またはメタクリロイルを意味する。
これらの中でも、酸基含有単量体としては、カルボン酸基を有する単量体が好ましく、中でもモノカルボン酸がより好ましく、(メタ)アクリル酸が更に好ましい。
そして、酸基含有単量体は、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。
水酸基含有単量体単位を形成しうる水酸基含有単量体としては、例えば、2-ヒドロキシエチルアクリレート、2-ヒドロキシプロピルアクリレート、2-ヒドロキシエチルメタクリレート、2-ヒドロキシプロピルメタクリレートなどが挙げられる。これらは、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。
また、粒子状重合体(A)のコア部における水酸基含有単量体単位の割合は、粒子状重合体(A)のコア部に含まれる全繰り返し単位(全単量体単位)を100質量%として、0.1質量%以上であることが好ましく、1質量%以上であることがより好ましく、15質量%以下であることが好ましく、10質量%以下であることがより好ましい。水酸基含有単量体単位の割合を上記範囲に収めることにより、粒子状重合体(A)の調製時に、コア部の重合体の分散性をより高め、粒子状重合体(A)のコア部の外表面に対し、コア部の外表面を部分的に覆うシェル部をより形成し易くすることができる。
また、粒子状重合体(A)のシェル部を調製するために用いる単量体としては、例えば、粒子状重合体(A)のコア部を製造するために用い得る単量体として例示した単量体と同様の単量体が挙げられる。また、このような単量体は、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。
また、粒子状重合体(A)のシェル部における芳香族ビニル単量体単位の割合は、接着材料を介して電池部材同士をより一層強固に接着させる観点から、粒子状重合体(A)のシェル部に含まれる全繰り返し単位(全単量体単位)を100質量%として、5質量%以上であることが好ましく、10質量%以上であることがより好ましく、15質量%以上であることが更に好ましく、40質量%以下であることが好ましく、30質量%以下であることがより好ましく、25質量%以下であることが更に好ましい。
これらの中でも、酸基含有単量体としては、カルボン酸基を有する単量体が好ましく、中でもモノカルボン酸がより好ましく、(メタ)アクリル酸がさらに好ましい。
また、酸基含有単量体は、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。
酸基含有単量体単位の割合を上記範囲に収めることにより、粒子状重合体(A)の分散性を向上させ、接着材料を介して電池部材同士をより一層強固に接着させることができる。
粒子状重合体(A)のシェル部の水酸基含有単量体単位を形成しうる水酸基含有単量体としては、粒子状重合体(A)のコア部の形成に使用し得る水酸基含有単量体と同様の単量体が挙げられる。
そして、粒子状重合体(A)のシェル部における水酸基含有単量体単位の割合は、粒子状重合体(A)のシェル部に含まれる全繰り返し単位(全単量体単位)を100質量%として、0.1質量%以上であることが好ましく、0.4質量%以上であることがより好ましく、0.7質量%以上であることが更に好ましく、15質量%以下であることが好ましく、10質量%以下であることがより好ましく、5質量%以下であることが更に好ましい。水酸基含有単量体単位の割合を上記範囲に収めることにより、粒子状重合体(A)の分散性を向上させ、接着材料を介して電池部材同士をより一層強固に接着させることができる。
そして、粒子状重合体(A)のガラス転移温度は、-50℃以上であることが好ましく、-20℃以上であることがより好ましく、0℃以上であることが更に好ましく、200℃以下であることが好ましく、150℃以下であることがより好ましく、110℃以下であることが更に好ましい。粒子状重合体(A)のガラス転移温度が-50℃以上であれば、接着材料を介して電池部材同士をより一層強固に接着させることができる。一方、粒子状重合体(A)のガラス転移温度が200℃以下であれば、粒子状重合体(A)の重合安定性を確保することができる。
なお、粒子状重合体(A)のガラス転移温度は、例えば、粒子状重合体(A)の調製に用いる単量体の種類や割合を変更することにより、調整することができる。
また、粒子状重合体(A)がコアシェル構造を有する場合、コア部の重合体のガラス転移温度の好適範囲は、上述した粒子状重合体(A)のガラス転移温度と同様の範囲とすることができる。
なお、粒子状重合体(A)のコア部のガラス転移温度は、例えば、粒子状重合体(A)のコア部の調製に用いる単量体の種類や割合を変更することにより、調整することができる。
そして、粒子状重合体(A)がコアシェル構造を有する場合、粒子状重合体(A)のシェル部のガラス転移温度は、-50℃以上であることが好ましく、-45℃以上であることがより好ましく、-40℃以上であることが更に好ましく、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、40℃以下であることが更に好ましい。粒子状重合体(A)のシェル部のガラス転移温度が-50℃以上であれば、二次電池の低温出力特性をより向上させることができる。一方、粒子状重合体(A)のシェル部のガラス転移温度が60℃以下であれば、接着材料を介して電池部材同士をより一層強固に接着させることができる。
なお、粒子状重合体(A)のシェル部のガラス転移温度は、例えば、粒子状重合体(A)のシェル部の調製に用いる単量体の種類や割合を変更することにより、調整することができる。
そして、粒子状重合体(A)のテトラヒドロフラン(THF)への不溶分率は、80質量%以上であることが好ましく、82質量%以上であることがより好ましく、85質量%以上であることが更に好ましく、99質量%以下であることが好ましく、95質量%以下であることがより好ましく、90質量%以下であることが更に好ましい。粒子状重合体(A)のTHFへの不溶分率が80質量%以上であれば、二次電池の低温出力特性を更に向上させることができる。一方、粒子状重合体(A)のTHFへの不溶分率が99質量%以下であれば、接着材料を介して電池部材同士をより一層強固に接着させることができる。
なお、本発明において、「THFへの不溶分率」は、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。
また、粒子状重合体(A)のTHFへの不溶分率は、例えば、粒子状重合体(A)の調製に用いる単量体の種類や割合を変更することにより、調整することができる。
また、粒子状重合体(A)の体積平均粒子径は、100nm以上であることが好ましく、200nm以上であることがより好ましく、300nm以上であることが更に好ましく、1000nm以下であることが好ましく、700nm以下であることがより好ましく、500nm以下であることが更に好ましい。粒子状重合体(A)の体積平均粒子径が100nm以上であれば、接着材料を介して電池部材同士をより一層強固に接着させることができる。一方、粒子状重合体(A)の体積平均粒子径が1000nm以下であれば、インクジェット法を採用した場合のノズルの詰まりを更に抑制して、電池部材表面に一層効率良く接着材料を付与することができる。
なお、本発明において、「体積平均粒子径」とは、レーザー回折法で測定された体積基準の粒子径分布において、小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径を表す。「体積平均粒子径」は、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。
また、粒子状重合体(A)の体積平均粒子径は、例えば、粒子状重合体(A)の調製に用いる重合開始剤や乳化剤の種類や量を変更することにより、調整することができる。
そして、粒子状重合体(A)の電解液膨潤度は、1.01倍以上であることが好ましく、1.1倍以上であることがより好ましく、1.2倍以上であることが更に好ましく、20倍以下であることが好ましく、15倍以下であることがより好ましく、10倍以下であることが更に好ましい。粒子状重合体(A)の電解液膨潤度が好ましくは1.01倍以上であれば、接着材料を介して、(特に電解液中で)電池部材同士をより一層強固に接着させることができる。一方、粒子状重合体(A)の電解液膨潤度が20倍以下であれば、二次電池の低温出力特性を更に向上させることができる。
なお、本発明において、「電解液膨潤度」は、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。
また、粒子状重合体(A)の電解液膨潤度は、例えば、粒子状重合体(A)の調製に用いる単量体の種類や割合を変更することにより、調整することができる。
そして、粒子状重合体(A)は、上述した単量体を重合することにより調製することができる。ここで、重合法としては、例えば、乳化重合法、懸濁重合法、塊状重合法および溶液重合法のいずれも用いることができるが、中でも乳化重合法を用いることが好ましい。そして、上述したコアシェル構造を有する粒子状重合体(A)は、例えば、粒子状重合体(A)のコア部を形成する単量体と、粒子状重合体(A)のシェル部を形成する単量体とを用い、経時的にそれらの単量体の比率を変えて段階的に重合することにより、調製することができる。具体的には、コアシェル構造を有する粒子状重合体(A)は、先の段階の重合体を後の段階の重合体が順次に被覆するような連続した多段階乳化重合法および多段階懸濁重合法によって調製することができる。
また、本発明の二次電池用スラリーの製造方法で用いる水は、粒子状重合体(A)を分散する分散媒として機能する成分である。水は、粒子状重合体(A)を分散可能なものであれば特に限定されない。
そして、本発明の二次電池用スラリーの製造方法において、水の使用量は、粒子状重合体(A)100質量部当たり、230質量部以上であることが好ましく、390質量部以上であることがより好ましく、900質量部以上であることが更に好ましく、9900質量部以下であることが好ましく、3300質量部以下であることがより好ましく、1900質量部以下であることが更に好ましい。水の使用量が上記下限値以上であれば、インクジェット法による二次電池用スラリーの塗工の際に、ノズルの詰まりをより一層抑制することができる。
そして、本発明の非水系二次電池用スラリーの製造方法において任意に用い得る粒子状重合体(B)としては、粒子状重合体(A)と異なる粒子状重合体であれば特に限定されない。粒子状重合体(B)は粒子状重合体(A)同士を接着させる接着材料中の結着材として機能すると予測される成分である。結着材として粒子状重合体(B)を用いることで、粒子状重合体(A)同士を強固に接着し、ひいては接着材料を介して電池部材同士を強固に接着することができる。粒子状重合体(B)を形成する重合体としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン(PVdF-HFP)共重合体等のフッ素系重合体;スチレン-ブタジエン共重合体(SBR)、アクリロニトリル-ブタジエン共重合体(NBR)等の共役ジエン系重合体;共役ジエン系重合体の水素化物;(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位を含む重合体(アクリル系重合体);が挙げられる。なお、粒子状重合体(B)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。
なお、本発明の二次電池用スラリーの製造方法では、混合物の溶存炭酸ガス濃度を低減しているため、二次電池用スラリーの製造方法において粒子状重合体(B)を併用した場合であっても、インクジェット法による二次電池用スラリーの塗工の際に、ノズルの詰まりを抑制することができる。
また、粒子状重合体(B)の体積平均粒子径は、100nm以上であることが好ましく、200nm以上であることがより好ましく、300nm以上であることが更に好ましく、1000nm以下であることが好ましく、700nm以下であることがより好ましく、500nm以下であることが更に好ましい。粒子状重合体(B)の体積平均粒子径が100nm以上であれば、粒子状重合体(B)の所望の特性が十分に発揮され得る。また、粒子状重合体(B)の体積平均粒子径が1000nm以下であれば、インクジェット法を採用した場合であっても、粒子状重合体(B)に起因するノズルの詰まりを十分に抑制することができる。
なお、粒子状重合体(B)の体積平均粒子径は、例えば、粒子状重合体(B)の調製に用いる重合開始剤や乳化剤の種類や量を変更することにより、調整することができる。
そして、粒子状重合体(B)の調製方法は、特に限定されず、例えば、粒子状重合体(B)を構成しうる単量体を含む単量体混合物を乳化重合して得ることができる。乳化重合の方法としては、特に限定されず、従来公知の乳化重合法を採用することができる。
そして、本発明の二次電池用スラリーの製造方法において任意に用い得るその他の成分としては、上述した粒子状重合体(A)、粒子状重合体(B)および水以外の成分であれば特に限定されない。このような成分としては、例えば、多価アルコール化合物および添加剤等が挙げられる。
多価アルコール化合物は、1分子内に2つ以上の水酸基(-OH)を有する化合物である。そして、本発明の二次電池用スラリーが多価アルコール化合物を含むことで、当該二次電池用スラリーをインクジェット法で電池部材表面に塗工した際に、ノズルの詰まりを更に抑制して、電池部材表面に更に効率良く接着材料を付与することができる。このように、二次電池用スラリーが多価アルコール化合物を含むことにより、インクジェット法による塗工の際にノズルの詰まりが抑制可能な理由は定かではないが、次のように考えられる。水酸基を1分子内に複数有する多価アルコール化合物が湿潤剤として機能することで、ノズル内で二次電池用スラリー中の水が気化する(特には、塗工を一時中断した際の放置時間中にノズル内で水が気化する)のを抑制することができ、結果として粒子状重合体(A)等の析出を抑制できるからと考えられる。
また、本発明の二次電池用スラリーの製造方法において用い得る添加剤としては、特に制限されることなく、例えば、表面張力調整剤、分散剤、粘度調整剤、補強材、電解液添加剤等が挙げられる。これらは、電池反応に影響を及ぼさないものであれば特に限られず、公知のもの、例えば国際公開第2012/115096号に記載のものを使用することができる。なお、これらの添加剤は、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。
そして、本発明の二次電池用スラリーの製造方法では、脱気工程において、上記成分を含む混合物の溶存炭酸ガス濃度を低減する。これにより、インクジェット法を採用した場合であっても、脱気をせずに混合物をそのまま用いる場合と比較して、ノズルの詰まりが抑制され、電池部材表面に安定的に塗工できる二次電池用スラリーが得られる。なお、本発明において、溶存炭酸ガスは、二次電池用スラリー中に溶存する二酸化炭素を指す。
なお、本発明の製造方法によって得られる二次電池用スラリーの塗工性が安定する理由は明らかではないが、上記混合物の溶存炭酸ガス濃度を低減することで、混合物中で粒子状重合体(A)の分散性が安定し、粒子状重合体(A)の凝集が抑制されるためと推測される。
なお、本発明において、二次電池用スラリーの「溶存炭酸ガス濃度」は、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。
そして、加熱脱気を行う場合は、通常、常圧(1atm)で、上記混合物を好ましくは30℃以上、より好ましくは35℃以上、好ましくは50℃以下、より好ましくは40℃以下で加熱静置する。加熱温度が上記下限値以上であれば、混合物の溶存炭酸ガス濃度が上述した範囲内になるように容易に調整することができる。また、加熱温度が上記上限値以下であれば、粒子状重合体(A)等の二次電池用スラリー中の成分が熱の影響を受けて変質するのを抑制することができる。
また、加熱脱気の際の静置時間は通常1時間以上であり、6時間以上であることが好ましく、12時間以上であることがより好ましく、30時間以下であることが好ましく、24時間以下であることがより好ましい。静置時間が上記下限値以上であれば、混合物の溶存炭酸ガス濃度が上述した範囲内になるように更に容易に調整することができる。また、静置時間が上記上限値以下であれば、二次電池用スラリーの製造に要する時間を短縮して製造効率を向上させることができる。
また、減圧脱気を行う場合は、通常、室温(25℃)にて、上記混合物を好ましくは1.0kPa~0.5kPa程度まで減圧し、撹拌しながら気泡が発生しなくなるまで保持する。
さらに、消泡剤添加による脱気を行う場合、消泡剤の種類は特に限定されず、従来公知の消泡剤を用いることができる。また、消泡剤の添加量は特に限定されず、適宜設定すればよい。
そして、上記混合物を脱気して得られる二次電池用スラリーは、特に限定されないが、炭酸ガスの溶け込みを防止し得る容器で保存することが好ましい。
そして、上述した製造方法によって製造され得る本発明の二次電池用スラリーは、上述した粒子状重合体(A)と、水と、任意に、上述した粒子状重合体(B)および/またはその他の成分とを含み、溶存炭酸ガス濃度が、0.01mg/ml以上、好ましくは0.02mg/ml以上であり、0.08mg/ml以下、好ましくは0.06mg/ml以下である。本発明の二次電池用スラリーによれば、インクジェット法を採用した場合であっても、ノズルの詰まりを効果的に抑制することができ、塗工性が十分に安定した二次電池用スラリーを提供することができる。即ち、本発明の二次電池用スラリーを用いれば、電池部材表面に効率良く接着材料を付与することができる。更には、本発明の二次電池用スラリーを用いて電池部材表面に接着材料を付与すれば、当該接着材料を介して電池部材同士を強固に接着することができる。
なお、本発明において、「粗大粒子の含有量」は、以下の手順に従い測定することができる。
-粗大粒子の含有量の測定-
平均孔径10μmのナイロンメッシュの質量(B)を測定し、漏斗にセットする。そこに、二次電池用スラリー100gを注ぎ、ろ過する。次いで、イオン交換水を注ぎ、ナイロンメッシュ上の捕集物を濁りがなくなるまで洗浄し、90℃のオーブンで60分以上乾燥する。放冷後、ナイロンメッシュの質量(A)を測定しメッシュ残渣量の測定を行う。そして、メッシュ残渣量、即ちスラリー中の粒子径が10μm以上の粗大粒子量は、下記式により求められる。
粗大粒子の含有量(ppm)=(A-B)/(C×D/100)×1000000
A:メッシュ+乾燥物の質量(g)
B:メッシュの質量(g)
C:ろ過したスラリーの質量(g)
D:スラリーの全固形分濃度(%)
本発明の非水系二次電池用電池部材(以下、「二次電池用電池部材」と略記する場合がある。)は、基材と、当該基材の少なくとも一方の面に形成されたドット状の複数の接着材料とを備え、前記基材がセパレータ基材または電極基材であり、前記接着材料が、上述した本発明の非水系二次電池用スラリーの乾燥物である。
そして、本発明の二次電池用電池部材は、基材がセパレータ基材である場合には、二次電池用セパレータとして使用し得、基材が電極基材である場合には、二次電池用電極として使用し得る。
そして、セパレータ基材としては、特に限定されることはなく既知のセパレータ基材を用いることができる。また、セパレータ基材は、片面または両面に多孔膜層が形成されていてもよい。
なお、セパレータ基材および多孔膜層としては、特に限定されることなく、例えば特開2012-204303号公報や特開2013-145763号公報に記載のもの等、二次電池の分野において使用され得る任意のセパレータ基材および多孔膜層を使用し得る。ここで、多孔膜層とは、例えば特開2013-145763号公報に記載されているような非導電性粒子を含む層を指す。
また、電極基材としては、特に限定されることはなく既知の電極基材を用いることができる。例えば、電極基材としては、集電体の片面または両面に電極合材層を形成してなる電極基材からなる電極、或いは、電極基材の電極合材層上に多孔膜層を更に形成してなる電極を用いることができる。
なお、集電体、電極合材層および多孔膜層としては、特に限定されることなく、例えば特開2013-145763号公報に記載のもの等、二次電池の分野において使用され得る任意の集電体、電極合材層および多孔膜層を使用し得る。
上述した基材の少なくとも一方の面に形成される接着材料は、上述した通り、本発明の二次電池用スラリーの乾燥物である。即ち、当該乾燥物は、少なくとも、上記粒子状重合体(A)に由来する重合体を含み、任意に、上述した粒子状重合体(B)に由来する重合体および/またはその他の成分を含みうる。更に、当該乾燥物には、乾燥により気化せずに残存する多価アルコール化合物や、水が含まれていてもよいが、接着材料の水分含有量は、5質量%以下であることが好ましく、3質量%以下であることがより好ましく、1質量%以下であることが更に好ましく、0.5質量%以下であることが特に好ましく、0質量%(検出限界以下)であることが最も好ましい。
なお、本発明において、「接着材料の形成量」とは、形成面の単位面積当たりに形成される接着材料の量を指し、形成面上に形成された接着材料の質量を、当該接着材料が形成された形成面の面積で割ることにより算出することができる。
ここで、形成面が、該形成面上の一箇所以上、好ましくは二箇所以上にドット状の接着材料が形成されたものである場合、形成面に形成された1つのドットの大きさ(面積)は、25μm2以上であることが好ましく、50μm2以上であることがより好ましく、100μm2以上であることが更に好ましく、250000μm2以下であることが好ましく、200000μm2以下であることがより好ましく、100000μm2以下であることが更に好ましい。1つのドットの大きさが25μm2以上であれば、基材を、接着材料を介して隣接する電池部材(例えば電極)と一層強固に接着させることができる。また、1つのドットの大きさが250000μm2以下であれば、二次電池用電池部材を効率的に製造することができる。
なお、上記の形成面に形成された1つのドットの大きさ(面積)は、本発明の二次電池用スラリーを形成面に供給する量、形状および範囲を変更することで調整することができる。具体的には、形成面積は、例えば、本発明の二次電池用スラリーを用いてインクジェット法により接着材料を形成する場合には、インクジェットヘッドのノズルからの二次電池用スラリーの吐出の諧調(同じポイントに吐出した回数)を変更することで調整することができる。
本発明の二次電池用電池部材の製造方法は、本発明の二次電池用スラリーをインクジェット法により上述した基材表面に塗工する塗工工程を含み、当該基材が上述したセパレータ基材または電極基材である。
ここで、本発明の二次電池用電池部材の製造方法は、任意に、塗工工程よりも前に、本発明の二次電池用スラリーの溶存炭酸ガス濃度を低減するスラリー脱気工程を更に含んでいてもよい。
そして、基材表面に塗工された二次電池用スラリーを乾燥することで、本発明の電池部材が得られる。なお、二次電池用スラリーの塗工条件および乾燥条件は、所望の接着材料の平面視形状、断面形状、形成量および一箇所当たりの形成面積などに応じて適宜調整することができる。
そして、本発明の二次電池用電池部材の製造方法が任意に含み得るスラリー脱気工程では、後の塗工工程で用いる二次電池用スラリーの溶存炭酸ガス濃度を低減する。スラリー脱気工程では、二次電池用スラリーの溶存炭酸ガス濃度が、好ましくは0.01mg/ml以上、より好ましくは0.02mg/ml以上、好ましくは0.08mg/ml以下、より好ましくは0.06mg/ml以下となるまで脱気する。これにより、塗工工程で用いる二次電池用スラリーの塗工性の低下を抑制することができる。なお、スラリー脱気工程における二次電池用スラリーの脱気方法は、特に限定されず、本発明の二次電池用スラリーの製造方法において、混合物の脱気に使用し得る方法として挙げた脱気方法を採用することができる。
そして、塗工工程では、本発明の二次電池用スラリーをインクジェット法により基材表面に塗工する。本発明の二次電池用スラリーは、基材表面に、例えばドット状に塗工することができる。
ここで、本発明の二次電池用電池部材の製造方法は、インクジェットヘッドに非水系二次電池用スラリーを供給する供給タンクと、非水系二次電池用スラリーの溶存炭酸ガス濃度を低減する脱気モジュールと、非水系二次電池用スラリーを吐出するインクジェットヘッドとを少なくとも備える基材製造装置を用いて製造することが好ましい。そして、当該基材製造装置において、非水系二次電池用スラリーを、供給タンク、脱気モジュール、インクジェットヘッドの順で循環させることが好ましい。即ち、インクジェットヘッドから吐出されなかった二次電池用スラリーを供給タンクに循環させることが好ましい。このように、供給タンク、脱気モジュールおよびインクジェットヘッドを少なくとも備える基材製造装置を用いるとともに、非水系二次電池用スラリーを、供給タンク、脱気モジュール、インクジェットヘッドの順に循環させることで、二次電池用電池部材の製造効率を向上させることができる。
本発明の二次電池は、上述した本発明の非水系二次電池用電池部材を備える。具体的には、本発明の二次電池は、本発明の非水系二次電池用電極部材を、二次電池用セパレータおよび二次電池用電極の少なくとも一方として備える。
本発明の二次電池に用いる電極として、上述した本発明の二次電池用電池部材を用いてもよいし、既知の電極を用いてもよい。
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。例えば、二次電池がリチウムイオン二次電池である場合、支持電解質としては、リチウム塩を用いることができる。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、支持電解質は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。
なお、電解液中の支持電解質の濃度は適宜調整することができる。また、電解液には、既知の添加剤を添加することができる。
本発明の二次電池に用いるセパレータとして、上述した本発明の二次電池用電池部材を用いてもよいし、既知のセパレータを用いてもよい。
本発明の二次電池は、例えば、正極と、セパレータと、負極とを重ね合わせて得られる重ね合わせ体を、必要に応じて電池形状に応じて巻く、折るなどしてデバイス容器に入れ、デバイス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。なお、重ね合わせ体としては、正極、セパレータ、負極の少なくとも一つとして本発明の二次電池用電池部材を用い、これらを重ね合わせて作製することができる。また、本発明の二次電池には、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。
また、複数種類の単量体を共重合して製造される重合体において、ある単量体を重合して形成される単量体単位の前記重合体における割合は、別に断らない限り、通常は、その重合体の重合に用いる全単量体に占める当該ある単量体の比率(仕込み比)と一致する。
そして、実施例および比較例において、ガラス転移温度、THFへの不溶分率、体積平均粒子径、電解液膨潤度、溶存炭酸ガス濃度、および塗工安定性を、下記の方法で測定および評価した。
実施例および比較例にて調製した粒子状重合体(A)および粒子状重合体(B)を、それぞれ測定試料とした。測定試料10mgをアルミパンに計量し、示差熱分析測定装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー社製「EXSTAR DSC6220」)にて、リファレンスとして空のアルミパンを用い、測定温度範囲-100℃~500℃の間で、昇温速度10℃/分で、JIS Z 8703に規定された条件下で測定を実施し、示差走査熱量分析(DSC)曲線を得た。この昇温過程で、微分信号(DDSC)が0.05mW/分/mg以上となるDSC曲線の吸熱ピークが出る直前のベースラインと、吸熱ピーク後に最初に現れる変曲点でのDSC曲線の接線との交点を、ガラス転移温度(℃)として求めた。
粒子状重合体(A)の水分散液を、50%湿度、23℃~25℃の環境下で乾燥させて、厚み3±0.3mmのフィルムを作製した。作製したフィルムを5mm角に裁断して複数のフィルム片を用意し、これらのフィルム片約1gを精秤し、その重量をW0(g)とした。精秤したフィルム片(重量W0)を、100gのテトラヒドロフラン(THF)に24時間浸漬した。その後、THFからフィルム片を引き揚げ、引き揚げたフィルム片を105℃で3時間真空乾燥して、その重量(不溶分の重量)W1(g)を精秤した。そして、下記式に従って、THFへの不溶分率(質量%)を算出した。
THFへの不溶分率(質量%)=W1/W0×100
固形分濃度0.1質量%に調整した粒子状重合体(A)の水分散液について、レーザー回折式粒子径分布測定装置(ベックマン・コールター社製、製品名「LS-230」)を用いて、粒子径分布(体積基準)を測定した。そして、測定された粒子径分布において、小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径を体積平均粒子径(D50)とした。
粒子状重合体(A)の水分散液を乾燥し、得られた乾燥物0.2g程度を200℃、5MPaのプレス条件で2分間プレスし、フィルムを得た。得られたフィルムを1cm角に裁断して試験片とし、この試験片の重量W2(g)を測定した。次いで、試験片を、電解液に60℃で72時間浸漬した。その後、試験片を電解液から取り出し、表面の電解液を拭き取り、試験片の重量W3(g)を測定した。そして、下記式に従って、電解液膨潤度(倍)を算出した。その際、電解液膨潤度は、小数点第1位以下を四捨五入した数値とした。
電解液膨潤度(倍)=W3/W2
なお、測定用の電解液としては、エチレンカーボネート(EC)と、ジエチルカーボネート(DEC)と、ビニレンカーボネート(VC)とを、体積比:EC/DEC/VC=68.5/30/1.5で混合してなる混合溶媒に、支持電解質であるLiPF6を1mol/Lの濃度で溶解して得られる電解液を用いた。
試料をシリンジに採取し、Agilent technologies社製HP6890型ガスクロマトグラフに導入して熱伝導度検出器により溶存炭酸ガス濃度を測定した。定量については既知濃度の標準物質を用いて検量線を作成し行った。
[インクジェット塗工]
インクジェットヘッド(コニカ社製、製品名「KM1024iSAE-C」(シアモードタイプ))を備えるインクジェット方式のスラリー供給機を用いて、非水系二次電池用スラリーを、飛翔速度が6m/秒~10m/秒となる条件で黒色ポリエステル(PET)フィルム上に吐出した。PETフィルム上に塗工された非水系二次電池用スラリーを室温にて自然乾燥した後、塗工点数を目視にて計数した。そして、下記式に従って塗工安定性(%)を算出した。塗工安定性が90%以上であれば、非水系二次電池用スラリーは、インクジェット法を用いて電池部材表面に好適に塗布するのに十分な塗工安定性を有する。
塗工安定性(%)=(塗工点数/塗工予定数)×100
<粒子状重合体(A)の調製>
まず、コア部の形成にあたり、攪拌機付き5MPa耐圧容器に、芳香族ビニル単量体としてのスチレン88部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのn-ブチルアクリレート6部、酸基含有単量体としてのメタクリル酸5部、架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート1部、乳化剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム1部、イオン交換水150部、そして、重合開始剤として過硫酸カリウム0.5部を入れ、十分に攪拌した後、60℃に加温して重合を開始した。重合転化率が96%になった時点で、シェル部を形成するために、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのn-ブチルアクリレート80.7部とメタクリル酸1部 、芳香族ビニル単量体としてのスチレン18部、架橋性単量体としてのアリルメタクリレート0.3部を連続添加し、70℃に加温して重合を継続した。そして、重合転化率が96%になった時点で、冷却し反応を停止して、粒子状重合体(A)を含む水分散液(A)を得た。この水分散液(A)を用いて、粒子状重合体(A)のガラス転移温度(Tg)、THFへの不溶分率、体積平均粒子径、および電解液膨潤度を測定した。結果を表1に示す。
撹拌機を備えた反応器に、イオン交換水70部、乳化剤としてのラウリル硫酸ナトリウム(花王ケミカル社製、製品名「エマール2F」)0.15部、並びに過流酸アンモニウム0.5部を、それぞれ供給し、気相部を窒素ガスで置換し、60℃に昇温した。
一方、別の容器で、イオン交換水50部、乳化剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.5部、並びに、重合性単量体としてのn-ブチルアクリレート94部、アクリロニトリル2部、メタクリル酸2部、N-ヒドロキシメチルアクリルアミド1部、およびアリルグリシジルエーテル1部を混合して、単量体混合物を得た。この単量体混合物を4時間かけて上述の反応器に連続的に添加して重合を行った。添加中は、60℃で反応を行った。添加終了後、さらに70℃で3時間撹拌して反応を終了し、粒子状重合体(B)としてのアクリル系重合体を含む水分散液(B)を得た。この水分散液(B)を用いて、粒子状重合体(B)のガラス転移温度(Tg)を測定した。結果を表1に示す。
粒子状重合体(A)を含む水分散液(A)を固形分相当で100部と、粒子状重合体(B)を含む水分散液(B)を固形分相当で15部とを、攪拌容器内で混合した。得られた混合液にイオン交換水を加えて固形分濃度が15%の混合物を得た。得られた混合物を温度35℃で1時間加熱静置して混合物の脱気を行った。これにより当該混合物の溶存炭酸ガス濃度を低減し、非水系二次電池用スラリーを得た。得られた非水系二次電池用スラリー中の溶存炭酸ガス濃度を測定し、塗工安定性を調べた。結果を表1に示す。
実施例1で得られた混合物を加熱静置する時間を24時間に変更した以外は、実施例1と同様にして混合物の脱気を行った。これにより当該混合物の溶存炭酸ガス濃度を低減し、非水系二次電池用スラリーを得た。そして実施例1と同様にして、得られた非水系二次電池用スラリー中の溶存炭酸ガス濃度を測定し、塗工安定性を調べた。結果を表1に示す。
実施例1で得られた混合物を加熱静置する時間を48時間に変更した以外は、実施例1と同様にして混合物の脱気を行った。これにより当該混合物の溶存炭酸ガス濃度を低減し、非水系二次電池用スラリーを得た。そして実施例1と同様にして、得られた非水系二次電池用スラリー中の溶存炭酸ガス濃度を測定し、塗工安定性を調べた。結果を表1に示す。
実施例1で得られた混合物を脱気せずに、そのまま非水系二次電池用スラリーとして用いた。そして実施例1と同様にして、得られた非水系二次電池用スラリー中の溶存炭酸ガス濃度を測定し、塗工安定性を調べた。結果を表1に示す。
「BA」は、n-ブチルアクリレート単位を示し、
「MAA」は、メタクリル酸単位を示し、
「ST」は、スチレン単位を示し、
「AMA」は、アリルメタクリレート単位を示し、
「EDMA」は、エチレングリコールジメタクリレート単位を示し、
「ACL」は、アクリル系重合体を示す。
また、本発明によれば、隣接する他の電池部材と強固に接着し得る非水系二次電池用電池部材およびその製造方法を提供することができる。
更に、本発明によれば、電池部材同士が強固に接着した非水系二次電池を提供することができる。
Claims (7)
- 非水系二次電池用スラリーの製造方法であって、
粒子状重合体(A)と水とを含む混合物の溶存炭酸ガス濃度を低減する脱気工程を含み、
前記脱気工程において、前記混合物の溶存炭酸ガス濃度が0.01mg/ml以上0.08mg/ml以下となるまで脱気する、非水系二次電池用スラリーの製造方法。 - 粒子状重合体(A)と水とを含む非水系二次電池用スラリーであって、
溶存炭酸ガス濃度が0.01mg/ml以上0.08mg/ml以下である、非水系二次電池用スラリー。 - 基材の少なくとも一方の面に請求項2に記載の非水系二次電池用スラリーを塗工する工程を含み、
前記基材がセパレータ基材または電極基材である、非水系二次電池用電池部材の製造方法。 - 請求項2に記載の非水系二次電池用スラリーをインクジェット法により基材表面に塗工する塗工工程を含み、
前記基材がセパレータ基材または電極基材である、非水系二次電池用電池部材の製造方法。 - 粒子状重合体(A)と水とを含む混合物を脱気することにより、溶存炭酸ガス濃度を低減して、請求項2に記載の非水系二次電池用スラリーを製造するスラリー脱気工程を含む、請求項4に記載の非水系二次電池用電池部材の製造方法。
- インクジェットヘッドに非水系二次電池用スラリーを供給する供給タンクと、非水系二次電池用スラリーの溶存炭酸ガス濃度を低減する脱気モジュールと、非水系二次電池用スラリーを吐出するインクジェットヘッドとを少なくとも備える基材製造装置を用いるとともに、前記非水系二次電池用スラリーを、前記供給タンク、前記脱気モジュール、前記インクジェットヘッドの順に循環させる、請求項4または5に記載の非水系二次電池用電池部材の製造方法。
- 請求項3に記載の非水系二次電池用電池部材を用いて非水系二次電池を製造する、非水系二次電池の製造方法。
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