JP7540552B1 - 二次電池電極用複合物 - Google Patents
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Abstract
Description
一方で、より少量添加で低抵抗化を図るためには平均外径が小さく繊維長が大きいカーボンナノチューブを用いるのが効果的であるが、これらカーボンナノチューブは凝集力が強く、電極中に均一に分布させることが難しくなる。
電極中の導電ネットワークを効率的に形成し、活物質への導電パスを担保するためには、予め活物質表面にカーボンナノチューブなどの導電材を吸着させた複合物を利用する方法が提案されている。
特許文献3では、電極材料と単層カーボンナノチューブをミルサーと超音波ホモジナイザーを用いて分散することで複合化させ、低抵抗で且つ膜強度に優れた薄膜状の電極構造体を製造する例が開示されている。
特許文献3に開示の方法では、繊維状で絡み合ったカーボンナノチューブを複合化の過程で解すことが困難であり、分散樹脂を含まないため、カーボンナノチューブの活物質表面への均一な吸着には至らず不均一な複合物となり易く、電極中での均一な導電ネットワーク形成は難しい。
二次電池電極用複合物は、電極活物質、繊維状炭素を含み、更に、任意で分散剤、バインダー樹脂を含んでもよい。電極用複合物は、任意成分がさらに含まれてもよい。
繊維状炭素は一般的にファンデルワールス力により一次粒子が強く凝集した太い束(バンドル)や、バンドル同士が凝集した大きな二次凝集体を有する。これら凝集状態の違いにより熱安定性などの諸物性は異なる。そのため同じ種類の繊維状炭素であっても凝集状態によって上記燃焼温度は変化し、凝集が強い程燃焼温度は高くなる。
活物質は電気エネルギーを取り出すために必要な電池反応を起こす物質であり、特に限定されない。正極活物質としては、例えば、二次電池用途は、リチウムイオンを可逆的にドーピングまたはインターカレーション可能な金属酸化物および金属硫化物等の金属化合物を使用することができる。例えば、リチウムマンガン複合酸化物(例えばLixMn2O4またはLixMnO2)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLixNiO2)、リチウムコバルト複合酸化物(LixCoO2)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLixNi1-yCoyO2)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLixMnyCo1-yO2)、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物(例えばLixNiyCozMn1-y-zO2)、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えばLixMn2-yNiyO4)等のリチウムと遷移金属との複合酸化物粉末、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物粉末(例えばLixFePO4、LixFe1-yMnyPO4、LixCoPO4など)、酸化マンガン、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、バナジウム酸化物(例えばV2O5、V6O13)、酸化チタン等の遷移金属酸化物粉末、硫酸鉄(Fe2(SO4)3)、TiS2、およびFeS等の遷移金属硫化物粉末等が挙げられる。ただし、x、y、zは、数であり、0<x<1、0<y<1、0<z<1、0<y+z<1である。これら正極活物質は、1種または複数を組み合わせて使用することもできる。これらの活物質の中でも、特に、Niおよび/またはMnを含有する活物質は(遷移金属中のNiおよび/またはMnの合計量が50mol%以上の場合は殊更)、原料由来成分または金属イオンの溶出によって、塩基性が高くなる傾向があり、その影響によってバインダー樹脂のゲル化や分散状態の悪化が起こりやすいことから、Niおよび/またはMnを含有する活物質を含有する電池の場合、本実施形態が特に有効である。
繊維状炭素は繊維状の炭素材料であって、長軸方向のアスペクト比が高くカーボンブラックなどの粒子状炭素に比べて、導電ネットワークの形成が容易となる。
繊維状炭素にはカーボンファイバー(CNF)やカーボンナノチューブ(CNT)が挙げられる。
CNTは、平面的なグラファイトを円筒状に巻いた形状であり、単層CNT、二層CNT、薄層(数層)CNT、多層CNTを含み、これらが混在してもよい。単層CNTは一層のグラファイトが巻かれた構造を有する。多層CNTは、二または三以上の層のグラファイトが巻かれた構造を有する。また、CNTの側壁はグラファイト構造でなくともよい。また、例えば、アモルファス構造を有する側壁を備えるCNTも本明細書ではCNTである。
本発明の複合物では必要によってバインダー樹脂を含むことができる。バインダー樹脂は、通常、バインダー樹脂として用いられるものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。複合物に用いるバインダー樹脂は、活物質、繊維状炭素等の物質間を結合することができる樹脂が好ましい。複合物に用いるバインダー樹脂は、例えば、エチレン、プロピレン、塩化ビニル、酢酸ビニル、マレイン酸、アクリル酸、アクリル酸エステル、メタクリル酸、メタクリル酸エステル、スチレン等を構造単位として含む重合体または共重合体;ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、アルキッド樹脂、アクリル樹脂、ホルムアルデヒド樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂;カルボキシメチルセルロースのようなセルロース系樹脂;、スチレン-ブタジエンゴム、フッ素ゴムのようなエラストマー;ポリアニリン、ポリアセチレンのような導電性樹脂等が挙げられる。また、これらの樹脂の変
性体や混合物、および共重合体でもよい。特にフッ素樹脂が好ましく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、これらの変性体等が挙げられる。これらは1種単独で、又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの中でも、耐性面から分子内にフッ素原子を有する重合体または共重合体、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、テトラフルオロエチレン等、これらの構造単位を有する樹脂、これらの変性体等が好ましい。
正極活物質と繊維状炭素等を複合化する方法は特に限定されない。例えば、活物質と繊維状炭素等を乾式で混ぜる方法や更に溶剤を加えて混ぜる方法、スラリーを作製して湿式で混ぜる方法などが挙げられる。
より均一な複合物を作製するために、予め繊維状炭素等を溶媒に分散させた分散液を用いて混ぜる方法が好ましい。中でも繊維状炭素分散体を用いると、活物質と繊維状炭素が均一に複合された電極複合物を作製できるため好ましい。繊維状炭素分散体を用いない場合でも、高せん断力の複合機などにより繊維状炭素の凝集を解すことで同様の効果を得られる場合があり好ましい。繊維状炭素分散体と高せん断力の複合機との組み合わせは特に好ましい。
2本ロールや3本ロール等のロールミル、ヘンシェルミキサーやスーパーミキサー等の高速攪拌機、マイクロナイザーやジェットミル等の流体エネルギー粉砕機、アトライター、ホソカワミクロン社製粒子複合化装置「ナノキュア」、「ノビルタ」、「メカノフュージョン」、奈良機械製作所社製粉体表面改質装置「ハイブリダイゼーションシステム」、「メカノマイクロス」、「ミラーロ」、井上製作所社製混合機「プラネタリーミキサー」、「トリミックス」、アーステクニカ社製混合・造粒機「ハイスピードミキサー」等が挙げられる。
また、乾式混合装置の中では、せん断による複合化が可能なプラネタリーミキサーやトリミックス、メカノフュージョンが好ましい。
ディスパー、ホモミキサー、若しくはプラネタリーミキサー等のミキサー類;
エム・テクニック社製「クレアミックス」、若しくはPRIMIX社製「フィルミックス」等のホモジナイザー類;
THINKY社製「あわとり練太郎」等の自転・公転方式ミキサー類
ペイントコンディショナー(レッドデビル社製)、ボールミル、サンドミル(シンマルエンタープライゼス社製「ダイノミル」等)、アトライター、パールミル(アイリッヒ社製「DCPミル」等)、若しくはコボールミル等のメディア型分散機;
湿式ジェットミル(ジーナス社製「ジーナスPY」、スギノマシン社製「スターバースト」、ナノマイザー社製「ナノマイザー」等)、エム・テクニック社製「クレアSS-5」、若しくは奈良機械製作所社製「マイクロス」等のメディアレス分散機;
又は、その他ロールミル、ニーダー等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。又、湿式混合装置としては、装置からの金属混入防止処理を施したものを用いることが好ましい。
なお、ボールミルなどのメディア型分散機を使った場合、混合によって活物質の構造を壊すおそれがあるため、メディアレス分散機が好ましい。
繊維状炭素分散体は、繊維状炭素と分散媒とを含み、任意で分散剤を含む。繊維状炭素分散体は、必要に応じて、湿潤剤、界面活性剤、pH調整剤、濡れ浸透剤、レベリング剤等のその他の添加剤、その他の導電材、その他の高分子成分等の任意成分を、本発明の目的を阻害しない範囲で適宜含んでもよい。任意成分は、分散液作製前、分散時、分散後、又はこれらの組み合わせ等、任意のタイミングで添加することができる。
繊維状炭素分散体の分散剤は、繊維状炭素分散体中で繊維状炭素を分散安定化できるものが好ましい。分散剤は、樹脂型分散剤及び界面活性剤のいずれも使用することができるが、繊維状炭素への吸着力が強く良好な分散安定性が得られることから、樹脂型分散剤が好ましい。繊維状炭素の分散に要求される特性に応じて適宜好適な種類の分散剤を、好適な配合量で使用することができる。
・共重合体含まれる脂肪族炭化水素構造単位、ニトリル基含有構造単位、及びカルバモイル基含有構造単位の合計の含有量が、共重合体の質量を基準として80質量%以上100質量%以下である共重合体。合計の含有量は、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、更に好ましくは98質量%以上である。
・共重合体に含まれる脂肪族炭化水素構造単位、ニトリル基含有構造単位、カルバモイル基含有構造単位含有構造単位の合計の含有量が、共重合体の質量を基準として80質量%以上100質量%以下である共重合体。合計の含有量は、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、更に好ましくは98質量%以上である。
・共役ジエン単量体及びニトリル基含有単量体を含有する単量体組成物を用いて重合反応 により共重合体を調製すること((1a)及び(2a)のの方法)、前記共重合体に含まれる共役ジエン単量体単位に水素添加すること((1a)の方法)、及び、前記共重合体に含まれるニトリル基含有構造単位を加水分解により変性すること((3b)の方法)を含む、共重合体の製造方法。
この方法においては、共役ジエン単量体単位の一部又は全部に水素添加する。また、共重合体にニトリル基含有構造単位が含まれるよう、ニトリル基含有構造単位の一部(全部ではない。)を加水分解により変性する。
・共役ジエン単量体、ニトリル基含有単量体、及びアミド基含有単量体を含有する単量体組成物を用いて重合反応により共重合体を調製すること((1a)、(2a)及び(3a)の方法)、及び、前記共重合体に含まれる共役ジエン単量体単位に水素添加すること((1a)の方法)を含む、共重合体の製造方法。 この方法においては、共役ジエン単量体単位の一部又は全部を水素添加する。
繊維状炭素分散体の分散媒は、特に限定されないが、高誘電率溶媒であることが好ましく、高誘電率溶媒のいずれか1種からなる溶媒、または2種以上からなる混合溶媒を含むことが好ましい。また、高誘電率溶媒に、その他の溶媒を1種または2種以上混合して用いてもよい。
二次電池電極用複合物を用いて二次電池電極用スラリーを作製することができる。二次電池電極用合材スラリーは、分散媒に電極用複合物とバインダー樹脂を添加して得ることができる。必要に応じて、繊維状炭素分散体、その他の任意成分を本発明の目的を阻害しない範囲で適宜含んでもよい。任意成分は、合材スラリー作製前、混合時、混合後、又はこれらの組み合わせ等、任意のタイミングで添加することができる。任意成分は、上記繊維状炭素分散体で説明したものであってよい。活物質は、正極活物質または負極活物質であってよい。本明細書では、正極活物質および負極活物質を、単に「活物質」という場合がある。
本発明における二次電池用電極は、二次電池電極用複合物を含む。電極には、分散剤等の任意成分がさらに含まれてもよい。電極は、上記の合材スラリーを作製し、合材スラリーを塗工して形成したり、合材スラリーを使用せず二次電池電極用複合物にバインダーなどを加えて各成分をプレスなどによってシート化して形成したりすることができる。尚、合材スラリーを使用しない場合、予め混合した乾式混合物または湿式混合後の乾燥物を用いても良い。合材スラリーを使用する場合は例えば、電極膜は、合材スラリーを集電体上に塗工し揮発分を除去することで形成することができる。
集電体の材質や形状は特に限定されず、各種二次電池にあったものを適宜選択することができる。例えば、集電体の材質としては、アルミニウム、銅、ニッケル、チタン、又はステンレス等の金属や合金が挙げられる。また、形状としては、一般的には平板上の箔が用いられるが、表面を粗面化したものや、穴あき箔状のもの、及びメッシュ状の集電体も使用できる。集電体の厚みは、0.5~30μm程度が好ましい。
二次電池は、正極と、負極と、電解質とを含み、正極及び負極からなる群から選択される少なくとも1つが本発明の複合物から作製された電極膜を含む。
共重合体、塩基及び溶媒を含む分散剤含有液(分散剤組成物)から下記の方法で共重合体を分離して回収し、測定サンプルとした。分散剤含有液を精製水に滴下して共重合体を沈殿させ、ブフナー漏斗でろ過して沈殿物を回収した。沈殿物をそのままブフナー漏斗上で精製水をふりかけてすすいだ後、テトラヒドロフラン(THF)に溶解させ、溶液を得た。得られた溶液を精製水に再び滴下して前記ろ過及び精製水を用いた洗浄工程を行い、沈殿物をTHFに再溶解させ、測定サンプルとした。また、共重合体、塩基、溶媒、及び導電材を含む導電材分散体からは、遠心分離により導電材を分離し、分取した上澄みについて上記と同様の工程を行い、測定サンプルを調製した。
共重合体の重量平均分子量(Mw)は、RI検出器を装備したゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定した。装置としてHLC-8320GPC(東ソー株式会社製)を用い、分離カラムを3本直列に繋ぎ、充填剤には順に東ソー株式会社製「TSK-GEL SUPER AW-4000」、「AW-3000」、及び「AW-2500」を用い、オーブン温度40℃、溶離液として30mMトリエチルアミン及び10mMLiBrのN,N-ジメチルホルムアミド溶液を用い、流速0.6mL/minで測定した。測定サンプルは前記溶離液からなる溶剤を用いて1%の濃度となるように濃度を調整し、20マイクロリットル注入した。重量平均分子量はポリスチレン換算値である。
固体状の共重合体はそのまま測定に用いた。分散剤含有液(分散剤組成物)については、100℃の熱風により10時間処理して十分に乾固させ、得られた固体状の共重合体を測定サンプルとした。測定サンプルに対し、赤外分光光度計(Thermo Fisher Scientific株式会社製Nicolet iS5 FT-IR分光装置)を用いてIR測定した。
水素添加率は、前述の全反射測定法による赤外分光分析と同様の方法でIR測定を行い求めた。共役ジエン単量体単位に由来する二重結合は970cm-1にピークが表れ水素添加された単結合は723cm-1にピークが表れることから、この二つのピーの高さの比率から水素添加率を計算した。
ニトリル基含有構造単位を加水分解する方法を経て共重合体にアミド基含有構造単位を導入した場合のアミド基含有構造単位の含有量は、核磁気共鳴装置(ADVANCE400Nanobay:Bruker Japan株式会社製、測定溶媒CDCl3 、10mmNMRチューブ使用)による 1 3 C-NMR定量スペクトルから、式[A]/([A]+[B])によってニトリル基の変性率(モル比)を算出し、共重合体全体における組成比(質量%)に換算して求めた。後述の表における「アミド基量」は、「アミド基含有構造単位の含有量(質量%)」を意味する。
[A ]:ケミカルシフト値180.5~183.5ppmのピーク面積
[B ]:ケミカルシフト値121.5~123.0ppmのピーク面積
ただし、 1 3 C-NMR測定は定量感度が低いため、アミド基含有構造単位の含有量が1%以上ないと検出できない。そのため、前述の全反射測定法による赤外分光分析と同様の方法でIR測定にてアミド基に由来する約1570cm- 1及び約1650cm- 1 にピークが検出できた共重合体については、アミド基含有構造単位を含むと判断し、アミド基含有構造単位の含有量を1%未満とした。なお、前述と同様のIR測定にてピークが検出できたことから、アミド基含有構造単位の含有量は0.3%以上であると判断した。ま
た、アミド基含有単量体を含む単量体組成物を用いて共重合体を調製する方法を経てアミド基含有構造単位を導入した場合のアミド基含有構造単位の含有量も、1%未満の場合は同じく定量ができないため、1%未満とした。1%以上の場合は 1 3 C-NMR定量スペクトルによってニトリル基含有構造単位とアミド基含有構造単位との比率を確認し、アミド基含有構造単位の含有量が1%以上の共重合体については、合成時の単量体の仕込み量から算出される含有量と一致することを確認した。
(分散剤1 ポリアクリロニトリル PANの製造)
ガス導入管、温度計、コンデンサー、攪拌機を備えた反応容器に、アセトニトリル100部を仕込み、窒素ガスで置換した。反応容器内を70℃に加熱して、アクリロニトリル90.0部、ヒドロキシエチルアクリレート10.0部および2,2'-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)を(日油社製;V-65)5.0部の混合物を3時間かけて滴下し、重合反応を行った。滴下終了後、さらに70℃で1時間反応させた後、パーブチルOを0.5部添加し、さらに70℃で1時間反応を続けた。その後、不揮発分測定にて転化率が98%超えたことを確認し、減圧濃縮して分散媒を完全に除去し、分散剤(ポリアクリロニトリル)を得た。ポリアクリロニトリルの重量平均分子量(Mw)は15,000であった。
ステンレス製重合反応器に、アクリロニトリル30部、1,3-ブタジエン70部、オレイン酸カリ石ケン3部、アゾビスイソブチロニトリル0.3部、t-ドデシルメルカプタン0.48部、及びイオン交換水200部を加えた。窒素雰囲気下において、撹拌しながら、45℃で20時間の重合を行い、転化率90%で重合を終了した。未反応のモノマーを減圧ストリッピングにより除き、固形分濃度約30%のアクリロニトリル-共役ジエン系ゴムラテックスを得た。続いて、ラテックスにイオン交換水を追加して全固形分濃度を12%に調整し、容積1Lの撹拌機付きオートクレーブに投入して、窒素ガスを10分間にわたり流して内容物中の溶存酸素を除去した。水素化触媒としての酢酸パラジウム75mgを、パラジウムに対して4倍モルの硝酸を添加したイオン交換水180mLに溶解して調製した触媒液を、オートクレーブに添加した。オートクレーブ内を水素ガスで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時間の水素化反応を行った。その後、内容物を常温に戻し、オートクレーブ内を窒素雰囲気とした後、固形分を乾燥させて分散剤2を得た。また、水素添加率(全反射測定法による赤外分光分析から算出)は99%であった。重量平均分子量(Mw)は200,000であった。アクリロニ トリル-共役ジエン系ゴムにおいて、アクリロニトリル-共役ジエン系ゴムの質量を基準 として、共役ジエン単量体単位の含有量は70%であり、ニトリル基含有単量体単位の含有量は30%であった。また、共重合体において、共重合体の質量を基準として、アルキレン構造単位を含む脂肪族炭化水素構造単位の含有量は70%であり、ニトリル基含有単量体単位の含有量は30%であった。これらの単量体単位の含有量及び構造単位の含有量は、単量体の使用量から求めた(以下、同様である。)。
ステンレス製重合反応器に、アクリロニトリル49部、1,3-ブタジエン51部、オレイン酸カリ石ケン3部、アゾビスイソブチロニトリル0.3部、t-ドデシルメルカプタン0.48部、及びイオン交換水200部を加えた。窒素雰囲気下において、撹拌しながら、45℃で20時間の重合を行い、転化率90%で重合を終了した。未反応のモノマーを減圧ストリッピングにより除き、固形分濃度約30%のアクリロニトリル-共役ジエン系ゴムラテックスを得た。続いて、ラテックスにイオン交換水を追加して全固形分濃度を12%に調整し、容積1Lの撹拌機付きオートクレーブに投入して、窒素ガスを10分間にわたり流して内容物中の溶存酸素を除去した。水素化触媒としての酢酸パラジウム75mgを、パラジウムに対して4倍モルの硝酸を添加したイオン交換水180mLに溶解して調製した触媒液を、オートクレーブに添加した。オートクレーブ内を水素ガスで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時間の水素化反応を行った。その後、内容物を常温に戻し、オートクレーブ内を窒素雰囲気とした後、固形分を乾燥させて分散剤3得た。また、水素添加率(全反射測定法による赤外分光分析から算出)は99%であった。分散剤3の重量平均分子量(Mw)は200,000であった。ニトリル基含有構造単位の含有量は49%であり、脂肪族炭化水素構造単位の含有量は51%であった。
ステンレス製容器1に、NaOH16部及びNMP84部を入れ、ホモジナイザーによ り1時間撹拌し、NaOHの懸濁液を調製した。ステンレス製容器2に、分散剤2を9部及びNMP91部を入れ、ホモジナイザーにより1時間撹拌し、分散剤2の溶液を調製した。続いて、NaOHの懸濁液3.8部及び分散剤2の溶液を96.2部、ステンレス製容器3に入れ、更にNMPを加えて濃度を調整し、混合物を得た。混合物の水分は0.1%であった。混合物をホモジナイザーで2時間撹拌して分散剤2のニトリル基の一部をアミド基に変性し、分散剤4としての共重合体(実施例において、変性後の共重合体を「分散剤4」という場合がある。)、NMPと、NaOHを含む分散剤4含有液(分散剤組成物)を得た。分散剤4の重量平均分子量(Mw)は50,000であった。分散剤4において、分散剤4の質量を基準として、アルキレン構造単位を含む脂肪族炭化水素構造単位の含有量は70%であり、ニトリル基含有単量体単位の含有量は29%超 30%未満であり、アミド基含有構造単位の含有量は1%未満であった。これらの構造単位の含有量は、単量体の使用量、NMR(核磁気共鳴)及び/又はIR(赤外分光法)測定を利用して求めた(以下、同様である。)。
ステンレス製容器2に、分散剤3を9部加えたこと以外は、分散剤4の製造法と同様で、分散剤5としての共重合体(実施例において、変性後の共重合体を「分散剤5」という場合がある。)、NMPと、NaOHを含む分散剤5含有液(分散剤組成物)を得た。分散剤5の重量平均分子量(Mw)は50,000であった。分散剤5において、分散剤5の質量を基準として、アルキレン構造単位を含む脂肪族炭化水素構造単位の含有量は70%であり、ニトリル基含有単量体単位の含有量は29%超 30%未満であり、アミド基含有構造単位の含有量は1%未満であった。
NaOHの懸濁液74.6部及び分散剤2の溶液を25.4部に変更し、ステンレス容器3に投入したこと以外は、分散剤4の製造同様で、分散剤6としての共重合体(実施例において、変性後の共重合体を「分散剤6」という場合がある。)、NMPと、NaOHを含む分散剤6含有液(分散剤組成物)を得た。分散剤6の重量平均分子量(Mw)は25,000であった。分散剤6において、分散剤6の質量を基準として、アルキレン構造単位を含む脂肪族炭化水素構造単位の含有量は70%であり、ニトリル基含有単量体単位の含有量は26%であり、アミド基含有構造単位の含有量は2%であった。
・PVP:ポリビニルピロリドン(富士フィルム和光純薬社製K-30)
・PVA:ポリビニルアルコール(クラレ社製ポバール203)
・100T:K-Nanos-100T(KUMHO PETROCHEMICAL社製、多層CNT、繊維径13.7nm)
・NMC111:NMC111(LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2、Sigma-Aldrich社製)
(製造例1)
表1に示す材料と組成に従い、以下の通り繊維状炭素分散体を作製した。まず、ステンレス容器にNMPをとり、50℃に加温した。ディスパーで撹拌しながら分散剤を添加した後、1時間撹拌して、分散剤を溶解させた。続いて、繊維状炭素をディスパーで撹拌しながら添加して、ハイシアミキサー(L5M-A、SILVERSON製)に角穴ハイシアスクリーンを装着し、8,000rpmの速度で全体が均一になり、溝の最大深さ300μmのグラインドゲージにて分散粒度が250μm以下になるまでバッチ式分散を行った。このとき、グラインドゲージにて確認した分散粒度は220μmであった。続いて、ステンレス容器から、配管を介して高圧ホモジナイザー(スターバーストラボHJP-17007、スギノマシン製)に被分散液を供給し、循環式分散処理を行った。分散処理はシングルノズルチャンバーを使用し、ノズル径0.25mm、圧力100MPaにて行った。被分散液のB型粘度計(TOKISANGYO製、VISCOMETER、MODEL:BL)で測定した60rpmにおける粘度が3,000mPa・s以下となるまで分散した後、高圧ホモジナイザーにて20回パス式分散処理を行い、繊維状炭素分散体1を得た。
表1に示す材料および組成に従い変更した以外は、製造例1と同様にして繊維状炭素分散体2~9を得た。
(実施例1-1)
表2に示す組成に従い、ホソカワミクロン社の高せん断複合機メカノフュージョンを使用してNMCと繊維状炭素分散体1の混合物を回転数4000rpmで10分撹拌し混合物を作製した。その後、熱風オーブンを用いて120℃、2時間乾燥することで複合物1を得た。
表2に示す組成に従い、実施例1-1と同様にして複合物2~11を得た。
表2に示す組成に従い、プラネタリーミキサーを使用してNMCと繊維状炭素分散体1を回転数30rpmで60分撹拌し混合物を作製した。その後、熱風オーブンを用いて120℃、2時間乾燥することで複合物12を得た。
表2に示す組成に従い、実施例1-12と同様にして複合物13~22を得た。
表2に示す組成に従い、プラネタリーミキサーを使用してNMCと繊維状炭素分散体5と8%のバインダー溶液(ポリフッ化ビニリデン樹脂:W#9300)を加え、回転数50rpmで60分撹拌し混合物を作製した。その後、熱風オーブンを用いて120℃、2時間乾燥することで複合物23を得た。
表2に示す組成に従い、アーステクニカ社のハイスピードミキサーを使用し二次電池電極用複合物を作製した。アジケータの回転数500rpm、チョッパーの回転数1500rpmでNMCと繊維状炭素分散体5を撹拌し、オーブン中で120℃、2時間乾燥することで複合物24を得た。
表2に示す組成に従い、ステンレス容器に繊維状炭素分散体5と溶剤(NMP)を量り取り、ディスパーで撹拌しながらNMCを添加した後、60分撹拌してスラリーを得た。そのスラリーを用いて、日本ビュッヒ社の噴霧乾燥器ミニスプレードライヤーB-290を使用し二次電池電極用複合物を作製した。イナートループB-295を使用したクローズドシステム条件(窒素雰囲気)で、スラリーを220℃で噴霧乾燥することによって、複合物25を得た。
表2に示す組成に従い、NMCと繊維状炭素100Tをホソカワミクロン社の高せん断複合機メカノフュージョンを用い回転数1000rpmで10分間撹拌することで複合物26を得た。
表2に示す組成に従い、プラネタリーミキサーを使用してNMCと繊維状炭素分散体8を回転数30rpmで70分撹拌し混合物を作製した。その後、熱風オーブンを用いて120℃、2時間乾燥することで複合物27を得た。
表2に示す組成に従い、プラネタリーミキサーを使用してNMCと繊維状炭素分散体9を回転数30rpmで50分撹拌し混合物を作製した。その後、熱風オーブンを用いて120℃、2時間乾燥することで複合物28を得た。
測定用複合物について、XPS分析を行い、XPSスペクトルを得る。次いで、このXPSスペクトルを解析して、複合物中の窒素元素の含有量を得た。XPS装置としては、ThermoFisher社のK-AlphaTMを用いた。この分析に際しては、X線をAlKαとし、測定エリアの径を400μmとした。窒素原子に基づくN1sピークを402eV付近のピークを帰属した。
繊維状炭素の発熱ピーク温度は示差熱天秤Rigaku社製ThermoplusEV02TG8121を用いて評価した。圧縮空気を200mL/min流し、40℃から800℃まで10℃/minで温度を上昇した際に得られた発熱ピーク温度を指標として使用した。発熱ピーク温度の算出は、測定により得られたDTA曲線における、400~700℃の範囲の繊維状炭素の発熱ピークトップの温度を読み取り行った。
容量150cm3のプラスチック容器に予めNMPに溶解した8%のバインダー溶液(ポリフッ化ビニリデン樹脂:W#9300)18.8部と溶剤(NMP)12.7部を量り取り、その後電極用複合物1を68.5部添加し、自転・公転ミキサー(シンキー製あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2,000rpmで150秒間撹拌し、合材スラリー1を得た。合材スラリー1の不揮発分は70質量%とした。
先に作製した電極膜1~28をφ16mmに打ち抜き作用極とし、金属リチウム箔(厚さ0.15mm)を対極として、作用極および対極の間にセパレーター(多孔質ポリプロピレンフィルム)を挿入積層し、電解液(エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを容量比1:1で混合した混合溶媒にLiPF6を1Mの濃度で溶解させた非水電解液)を満たして二極密閉式金属セル(宝泉社製HSフラットセル)を組み立てた。セルの組み立ては、アルゴンガス置換したグローブボックス内で行った。
作製したリチウムイオン二次電池正極評価用セルを25℃ の恒温室内に設置し、充放電装置(北斗電工社製、SM-8)を用いて充放電測定を行った。充電レート0.2Cにて充電終止電圧4.2Vで定電流定電圧充電(カットオフ電流:0.02C電流 )を行った後、放電レート0.2Cにて放電終止電圧2.5Vで定電流放電を行った。この操作を3回繰り返した後、充電レート0.2Cにて充電終止電圧4.2Vで定電流定電圧充電(カットオフ電流:0.02C電流 )を行い、放電レート3Cにて放電終止電圧2.5Vで定電流放電を行った。1Cは正極の理論容量を1時間で充電または放電する電流値とした。レート特性は、0.2C放電容量と3C放電容量の比、下記の式1で表すことができる。
(式1)レート特性=3C放電容量/0.2C放電容量×100(%)
比較例1-2のレート特性を基準とした相対値(%)を求め、以下の基準で評価した。
レート特性判定基準
◎:150%以上(極めて優良)
○:130%以上150%未満(優良)
○△:110%以上130%未満(良)
△:100%以上110%未満(不良)
×:100%未満(不良)
作製したリチウムイオン二次電池正極評価用セルを25℃ の恒温室内に設置し、充放電装置(北斗電工社製、SM-8)を用いて充放電測定を行った。充電レート0.2Cにて充電終止電圧4.2Vで定電流定電圧充電(カットオフ電流:0.02C電流 )を行った後、放電レート0.2Cにて放電終止電圧2.5Vで定電流放電を行った。この操作を200回繰り返した。1Cは正極の理論容量を1時間で充電または放電する電流値とした。サイクル特性は、3回目の0.2C放電容量と200回目の0.2C放電容量の比、下記の式2で表すことができる。
(式2)サイクル特性=3回目の0.2C放電容量/200回目の0.2C放電容量×100(%)
比較例1-2のサイクル特性を基準とした相対値(%)を求め、以下の基準で評価した。
サイクル特性判定基準
◎:180%以上(極めて優良)
○:150%以上180%未満(優良)
〇△:120以上150%未満(良)
△:100%以上120%未満(不良)
×:100%未満(極めて不良)
比較例では、複合物の窒素検出量が本発明の範囲より外れており、繊維状炭素が活物質に対して吸着不良を起こし、凝集し均一な複合状態とならずに電極抵抗や電池特性の悪化につながると考えられる。
以上より、本発明の電極用複合物では製造方法によらず、優れた電池特性を発現できることが示された。
Claims (9)
- 繊維状炭素と活物質とを含む二次電池電極用複合物であって、X線光電子分光法により測定される窒素の元素量が、0.1mol%以上5.1mol%以下で検出され、二次電池電極用複合物に含まれる繊維状炭素の酸素存在下における熱重量-示差熱同時分析法で得られた400~700℃の範囲の発熱ピークの温度が520℃以下であることを特徴とする二次電池電極用複合物。
- 分散剤を含み、分散剤が、脂肪族炭化水素構造単位、ニトリル基含有構造単位を含む共重合体を含有し、前記脂肪族炭化水素構造単位が、アルキレン構造単位を含み、前記脂肪族炭化水素構造単位の含有量が、前記共重合体の質量を基準として40質量%以上85質量%未満であり、前記ニトリル基含有構造単位の含有量が、前記共重合体の質量を基準として15質量%以上50質量%以下である、請求項1記載の二次電池電極用複合物。
- 前記共重合体が、前記共重合体の質量を基準として10質量%以下のアルキル基置換又は非置換のカルバモイル基含有構造単位を含む、請求項2に記載の二次電池電極用複合物。
- X線光電子分光法により測定される窒素の元素量が0.3mol%以上3mol%以下であることを特徴とする、請求項1又は2記載の二次電池電極用複合物。
- バインダー樹脂を含む、請求項1又は2記載の二次電池電極用複合物。
- 請求項1又は2記載の二次電池電極用複合物を含む二次電池用電極。
- 請求項6に記載の二次電池用電極を含む二次電池。
- 請求項7に記載の二次電池を備えた車両またはデバイス。
- 請求項1記載の二次電池電極用複合物の製造方法であって、繊維状炭素を溶媒に分散させた繊維状炭素分散体と電極活物質とを混合装置を用いて複合する工程、および、溶媒を除去し乾燥する工程、を含むことを特徴とする二次電池電極用複合物の製造方法。
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JP2021122751A (ja) | 2020-01-31 | 2021-08-30 | 東洋インキScホールディングス株式会社 | 分散剤、導電材分散体、及び電極膜用スラリー |
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