JP7565475B1 - カーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法及びリチウムイオン二次電池用合材ペーストの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
項1.顔料分散樹脂(A)、カーボンナノチューブ(B)、N-メチル-2-ピロリドン(C)、及びアミン化合物(D)を含む成分を混合及び分散して得られるカーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法であって、
顔料分散樹脂(A)が、アミド基、イミド基、水酸基、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、シラノール基、シアノ基、ピロリドン基、及びアミノ基からなる群より選ばれる少なくとも一種の極性官能基を有し、かつ顔料分散樹脂(A)の極性官能基濃度が0.3mmol/g以上、23mmol/g以下であり、
N-メチル-2-ピロリドン(C)の沸点を(Xc)℃、アミン化合物(D)の沸点を(Xd)℃とした場合、(Xc)-10>(Xd)である、カーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法。
項2.N-メチル-2-ピロリドン(C)が再生品であって、N-メチル-2-ピロリドン(C)中の水分含有量を10000ppm以下に管理し、かつ、N-メチル-2-ピロリドン(C)中のアミン化合物の含有量を10000ppm以下に管理する項1に記載のカーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法。
項3.カーボンナノチューブ分散ペーストの水分含有量が、10000ppm以下である項1又は2に記載のカーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法。
項4.カーボンナノチューブ分散ペーストの総量100質量%を基準として、カーボンナノチューブ(B)の含有量が、0.1質量%以上、かつ15質量%未満である項1~3のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法。
項5.カーボンナノチューブ分散ペーストが、さらにポリフッ化ビニリデン(E)を含有する項1~4のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法。
項6.項1~5のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法で得られるカーボンナノチューブ分散ペーストに、電極活物質(G)を混合する工程を含む、リチウムイオン二次電池用合材ペーストの製造方法。
項7.項6に記載のリチウムイオン二次電池用合材ペーストの製造方法で得られるリチウムイオン二次電池用合材ペーストを集電体上に塗工するリチウムイオン二次電池用電極層の製造方法。
項8.項6に記載のリチウムイオン二次電池用合材ペーストの製造方法で得られるリチウムイオン二次電池用合材ペーストを集電体上に塗工及び加熱乾燥する工程、
N-メチル-2-ピロリドン(C)及びアミン化合物(D)を含む蒸気を回収して混合溶液を製造する工程、
前記混合溶液からアミン化合物(D)を分離し、N-メチル-2-ピロリドン(C)の再生品を製造する工程、
を含有するリチウムイオン二次電池用電極層及びN-メチル-2-ピロリドン(C)再生品の製造方法。
本発明は、カーボンナノチューブを含有するペーストを「カーボンナノチューブ分散ペースト」と呼ぶが「導電性顔料ペースト」と言い換えることもできる。
前記カーボンナノチューブを「CNT」と略すこともできる。
前記カーボンナノチューブ分散ペーストを塗工するために少なくとも一種の電極活物質及び任意選択でその他の各種成分をさらに配合して調製したペーストを「合材ペースト」という。前記合材ペーストを被塗物に塗工して乾燥したものを「塗工膜」、又は「合材層」という。
前記カーボンナノチューブ分散ペーストは実質的に電極活物質を含有していないペーストであるといえる。
塗工膜が電池用電極に用いられる場合は「電極層」とも言い換えることができる。
また、上記水分は各種原材料(特に溶媒)からの持ち込みや製造工程で大気中に含まれる水蒸気からの混入などがあるためゼロにすることは実質的に不可能である。
従って、本発明で用いることができるカーボンナノチューブ分散ペーストの水分含有量(下限)としては100ppm以上が好ましく、200ppm以上がより好ましく、500ppm以上がさらに好ましい。また、N-メチル-2-ピロリドン(C)の水分含有量(下限)としては100ppm以上が好ましく、200ppm以上がより好ましく、500ppm以上がさらに好ましい。
上記の下限であれば、原材料の過度の水分含有量管理(水分含有量低減)や製造工程の過度の水分含有量管理(水分混入低減)をすることなく製造することができる。
本発明は、顔料分散樹脂(A)、カーボンナノチューブ(B)、N-メチル-2-ピロリドン(C)、及びアミン化合物(D)を含む成分を混合及び分散して得られるカーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法であって、顔料分散樹脂(A)が、アミド基、イミド基、水酸基、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、シラノール基、シアノ基、ピロリドン基、及びアミノ基からなる群より選ばれる少なくとも一種の極性官能基を有し、かつ顔料分散樹脂(A)の極性官能基濃度が0.3mmol/g以上23mmol/g以下であり、N-メチル-2-ピロリドン(C)の沸点を(Xc)℃、アミン化合物(D)の沸点を(Xd)℃とした場合、(Xc)-10>(Xd)である。
本発明で用いられるカーボンナノチューブ分散ペーストは、実質的に非水系のペーストといえる。
前記顔料分散樹脂(A)は、アミド基、イミド基、水酸基、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、シラノール基、シアノ基、ピロリドン基、及びアミノ基からなる群より選ばれる少なくとも一種の極性官能基を有し、かつ顔料分散樹脂(A)の極性官能基濃度が0.3mmol/g以上、23mmol/g以下である。また、上記の酸基は塩になっていてもよい。
なかでも、極性官能基としては、アミド基、水酸基、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、及びアミノ基を少なくとも用いることが好ましく、水酸基、カルボキシル基、及びアミノ基を少なくとも用いることがより好ましい。
また、前記顔料分散樹脂(A)は、炭素数12以上のアルキル基を有することが好ましい。前記炭素数12以上のアルキル基は、それ自体公知のアルキル基(炭化水素基)を特に制限なく用いることができ、直鎖状又は分岐状のアルキル基が好ましく、直鎖状のアルキル基がより好ましい。
前記炭素数12以上のアルキル基としては、炭素数12以上30未満のアルキル基が好ましく、15以上26未満のアルキル基がより好ましく、19以上24未満のアルキル基がさらに好ましい。
前記炭素数12以上のアルキル基は、例えば、炭素数12以上のアルキル基を含有する重合性モノマーを(共)重合することで樹脂に導入することができる。
炭素数12以上のアルキル基を含有する重合性モノマーとしては、例えば、ラウリル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート、イソステアリル(メタ)アクリレート、ベヘニル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリルアミド、ステアリル(メタ)アクリルアミド、ベヘニル(メタ)アクリルアミド等が挙げられる。これらは、一種を単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。
顔料分散樹脂(A)が炭素数12以上のアルキル基の比較的嵩高い側鎖を有すると、立体反発によって顔料分散性と貯蔵安定性が向上すると考えられる。
なかでも、顔料分散性、貯蔵安定性、及び仕上がり性等の観点から、顔料分散樹脂(A)としては、下記式(1)の重合性不飽和基含有モノマーを含むモノマーを重合又は共重合することにより得られるビニル(共)重合体(A1)を含有することが好ましく、特に、少なくとも一種の(メタ)アクリロイル基を含有する重合性不飽和基含有モノマーを(共)重合したアクリル樹脂が好ましい。
尚、本発明の「(共)重合体」とは、一種類のモノマーを重合した重合体と二種以上のモノマーを共重合した共重合体の両方を含むものである。
[上記式において、Rは、それぞれ同じでも異なってもよく、水素原子又は有機基である。]
上記ビニル(共)重合体(A1)としては、例えば、水酸基含有ビニル(共)重合体、カルボキシル基含有ビニル(共)重合体、アミド基含有ビニル(共)重合体、スルホン酸基含有ビニル(共)重合体、リン酸基含有ビニル(共)重合体、ピロリドン基含有ビニル(共)重合体、アミノ基含有(共)重合体等が挙げられる。これらの(共)重合体は、一種を単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。
なお、炭素数12以上のアルキル基の含有量としては、樹脂に反応性の炭素数12以上のアルキル基を有する化合物を後から付加した場合は当該化合物の質量割合で計算するものとする。
なお、「液温」とは、溶解時の溶媒又は樹脂溶液の温度のことである。
予め60℃以上の溶媒に固形の顔料分散樹脂(A)を混入して溶解してもよく、また固形の顔料分散樹脂(A)と溶媒を混合してから60℃以上の温度に加温してもよい。
また、顔料分散樹脂(A)と溶媒以外の成分を含有していてもよい。
使用する溶媒は一種を単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができ、種類としては後述する溶媒で挙げたものを好適に用いることができる。
また、顔料分散樹脂(A)の固形分含有量は、カーボンナノチューブ分散ペーストの総量100質量%を基準として、例えば0.1質量%以上、好ましくは0.4質量%以上、より好ましくは0.7質量%以上であり、例えば10質量%以下、好ましくは5質量%以下、より好ましくは2質量%以下である。
カーボンナノチューブ(B)としては、単層カーボンナノチューブ、又は多層カーボンナノチューブをそれぞれ単独で、又は組合せて使用できる。特に粘度、導電性及びコストの関係から、多層カーボンナノチューブを用いることが好ましい。
また、カーボンナノチューブ分散ペーストの固形分総量100質量%を基準として、例えば5質量%以上、好ましくは10質量%以上、より好ましくは20質量%以上であり、例えば90質量%以下、好ましくは70質量%以下、より好ましくは50質量%以下である。
酸処理の方法としては、カーボンナノチューブに酸を接触させることができれば特に限定されないが、カーボンナノチューブを酸処理液(酸の水溶液)中に浸漬させる方法が好ましい。酸処理液に含まれる酸としては、特に限定されないが、例えば硝酸、硫酸、塩酸が挙げられる。これらは、一種単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。そしてこれらの中でも、硝酸、硫酸が好ましい。
カーボンナノチューブの酸性基量は、酸処理液の濃度、温度、処理時間等によって調整することができる。
酸処理したカーボンナノチューブを洗浄する方法としては、特に限定されないが、水洗が好ましい。例えば、酸処理をしたカーボンナノチューブから、ろ過などの既知の手法でカーボンナノチューブを回収し、続いてカーボンナノチューブを水洗する。上記洗浄後、必要に応じて、表面に付着した水を乾燥により除去する等して、酸処理カーボンナノチューブを得ることができる。
カーボンナノチューブ(B)は、カーボンナノチューブ分散ペーストを製造する前に、予めメジア型粉砕機で乾式分散することができる。
本発明の「乾式分散」とは、粉砕成分中の固形分濃度が80質量%以上(好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、さらに好ましくは98質量%以上)で粉砕機により粉砕(解砕含む)することである。カーボンナノチューブ(B)以外の成分と共に粉砕することもできるが、粉砕成分中の固形分に含まれるカーボンナノチューブ(B)含有量が、通常80質量%以上、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、さらに好ましくは98質量%以上、特に好ましくはカーボンナノチューブ(B)のみであることが好適である。
上記粉砕成分中のカーボンナノチューブ(B)以外の成分としては、溶媒、樹脂、及びカーボンナノチューブ(B)以外の顔料等を好適に使用できるが、実質的にカーボンナノチューブ(B)のみを含むことが好適である。
なお、上記「固形分濃度」とは、試料1gを130℃3時間で加熱乾燥させた場合の固形分の割合(質量%)である。
上記乾式分散においては、ガラスビーズ、ジルコニアビーズ、スチールボール等の粉砕メジアを内蔵した粉砕機を使用して粉砕するものである。粉砕は、粉砕メジア同士の衝突、及び/又は粉砕機と粉砕メジアとの衝突による粉砕力や破壊力を利用して行なわれる。粉砕装置としては、高速回転型衝撃式ミル、ジェットミル、ロールミル、アトライター、ボールミル、振動ミル、ビーズミルなどの既知の粉砕装置を用いることができる。
本発明で用いられるカーボンナノチューブ分散ペーストは、前記カーボンナノチューブ(B)以外のその他の導電性顔料(B1)も併用することができる。その他の導電性顔料(B1)としては、例えば、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、サーマルブラック、グラフェン、黒鉛からなる群より選ばれる少なくとも一種の導電性カーボンが挙げられる。好ましくは、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、サーマルブラックからなる群より選ばれる一種以上であり、より好ましくは、アセチレンブラック、ケッチェンブラックからなる群より選ばれる一種以上であり、さらに好ましくはアセチレンブラックである。
N-メチル-2-ピロリドン(C)は、水分含有量が10000ppm以下であることが好ましく、使用前に水分含有量が一定量以下になるように管理・調整することが好ましい。また、廃棄物削減、環境面やコスト低減の観点から、再生品(リサイクル品)を使用することが好ましい。
上記再生品は最低限のアミン化合物が含まれることになるため、下限量としては、1ppm以上であり、5ppm以上であり、10ppm以上である。
また、アミン化合物の含有量は、イオンクロマトグラフィー質量分析(IC-MS:Ion Chromatography - Mass Spectrometry)等の一般的な分析により定量することができる。予め混入が予想されるアミン種のピークについて検量線を作成することにより含有量の定量が可能である。
また、カーボンナノチューブ分散ペーストの固形分としては、カーボンナノチューブ分散ペーストの総量100質量%を基準として、通常0.1質量%以上であり、例えば1質量%以上、好ましくは2質量%以上、より好ましくは3質量%以上であり、通常80質量%未満であり、例えば60質量%以下、好ましくは40質量%以下、より好ましくは20質量%以下である。
前記アミン化合物(D)としては、例えば、アンモニア、1級アミン、2級アミン、3級アミン等が挙げられる。
なお、本発明のアミン化合物(D)としては、前述したN-メチル-2-ピロリドン(C)の不純物としてのアミン化合物やN-メチル-2-ピロリドン(C)の再生品に含まれるアミン化合物も含むものとする。
一般的なアミン化合物としては、例えば、下記のアミン化合物が挙げられる。
ここで、本発明で少なくとも用いることができるアミン化合物(D)としては、N-メチル-2-ピロリドン(C)の沸点を(Xc)℃、アミン化合物(D)の沸点を(Xd)℃とした場合、(Xc)-10>(Xd)の範囲内のアミン化合物であるが、範囲外のアミン化合物をアミン化合物(D)と共に用いることもできる。
また、沸点が低い場合は製造又は貯蔵中に揮発する可能性があり、さらに臭気の観点から、沸点の下限としては50℃以上が好ましく、100℃以上がより好ましい。
また、カーボンナノチューブ分散ペーストの固形分100質量%を基準として、例えば1質量%以上、好ましくは1.5質量%以上、より好ましくは2質量%以上であり、例えば600質量%以下、好ましくは300質量%以下、より好ましくは50質量%以下が好適である。
本発明で用いることができるカーボンナノチューブ分散ペーストは、ポリフッ化ビニリデン(E)を含有することが好ましい。また、後述する合材ペーストには必須の成分である。
なお、「液温」とは、溶解時の溶媒又は樹脂溶液の温度のことである。
予め40℃以上の溶媒に固形のポリフッ化ビニリデン(E)を混入して溶解してもよく、また固形のポリフッ化ビニリデン(E)と溶媒を混合してから40℃以上の温度に加温してもよい。
また、ポリフッ化ビニリデン(E)と溶媒以外の成分を含有していてもよい。
使用する溶媒は一種を単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができ、ポリフッ化ビニリデン(E)を溶解する溶媒であれば好適に用いることができるが、N-メチル-2-ピロリドン(C)が好ましい。
また、上記の通り熱溶解した樹脂溶液を10℃以上40℃未満の所定温度まで冷却することが好ましく、該冷却工程は、下記式:
冷却速度=(冷却開始時の溶液温度-冷却終了時の溶液温度)/冷却時間
で定義される冷却速度が0.5℃/分以上(好ましくは1℃/分以上)となることが析出を防止する観点から好ましい。
本発明の製造方法において、前記混合及び分散する工程は、顔料分散樹脂(A)、カーボンナノチューブ(B)、N-メチル-2-ピロリドン(C)、及びアミン化合物(D)を少なくとも含む成分を混合して、さらに分散する工程であり、液状のカーボンナノチューブ分散ペーストを得ることができる。
また、上記混合及び分散する工程が、
工程1:分散後に得られるカーボンナノチューブ分散ペーストに含まれるカーボンナノチューブ(B)の総量100質量%を基準として、70質量%以下(好ましくは50質量%以下)の量となるカーボンナノチューブ(B)を含む成分を分散機内に添加し、分散処理を行う工程、及び
工程2:所望の濃度になるまでカーボンナノチューブ(B)を分散機内に添加して分散処理を行う工程、
を順次行う工程を含むことが好ましい。
また、工程1の分散処理時間は少なくとも30秒以上(好ましくは1分以上)であることが好ましい。
上記の混合及び分散をすることによって、カーボンナノチューブ(B)の凝集が緩和され高濃度のペーストにおいても分散性が良好で均質なペーストが得られ、その電池用電極層(塗工膜)は仕上がり性、導電性、及び電池性能等に優れる。
前記カーボンナノチューブ分散ペーストとしては、上記の成分(A)、(B)、(C)、及び(D)と必要に応じて含有できる成分(E)の他に、さらにその他の成分を含有することができる。
これらのカーボンナノチューブ(B)以外の顔料は、導電性を大きく損なわない範囲内で色調整や膜の物性補強等の目的で使用することができ、顔料分散樹脂(A)とカーボンナノチューブ(B)と共に同時に分散してもよく、また、顔料分散樹脂(A)とカーボンナノチューブ(B)を分散してペーストを作成した後に顔料又は顔料ペーストとして混ぜてもよい。
本発明の製造方法においては、まず前述した方法によってカーボンナノチューブ(B)を有するカーボンナノチューブ分散ペーストが調整される。さらに前記カーボンナノチューブ分散ペーストと少なくとも一種の電極活物質(G)を混合して(リチウムイオン二次電池用の)合材ペーストを製造することができる。
なお、前記カーボンナノチューブ分散ペーストでは任意成分であったポリフッ化ビニリデン(E)は、合材ペーストでは必須成分であり、必ず含有される。
ポリフッ化ビニリデン(E)の固形分含有量は、合材ペーストの総量100質量%を基準として、通常0.05質量%以上、好ましくは0.1質量%以上であり、通常10質量%以下、好ましくは2質量%以下であることが、電池性能、ペースト粘度等の面から好適である。
本発明で用いられる合材ペーストは、実質的に非水系の合材ペーストといえる。
また、前述した理由(原材料からの水分持ち込みや製造工程の水分混入)により、合材ペーストの水分含有量としては100ppm以上が好ましく、200ppm以上がより好ましく、500ppm以上がさらに好ましい。
前記電極活物質(G)としては、例えば、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等のリチウム複合酸化物;リン酸鉄リチウム(LiFePO4);ナトリウム複合酸化物;カリウム複合酸化物等が挙げられる。これらの電極活物質(G)は、一種を単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。上記リン酸鉄リチウムを含有する電極活物質は、安価でありサイクル特性及びエネルギー密度が比較的良好であるため、好適に用いることができる。
上記複合体(G-1)は、予め電極活物質(G)と、カーボンナノチューブと、必要に応じて他の成分(例えば、溶媒や分散樹脂)とを混合して得ることができ、必要に応じて混合後に乾燥工程を入れることができ、電極活物質(G)にカーボンナノチューブをより均一に吸着及び/又は定着することができる。
また、上記の通り製造した電極活物質複合体(G-1)は、カーボンナノチューブを電極活物質表面へ吸着及び/又は定着することで、電極活物質の周辺で均一な導電ネットワークを形成することができる。
前記電極活物質複合体(G-1)で用いることができるカーボンナノチューブとしては、それ自体公知のものを特に制限なく用いることができるが、前記カーボンナノチューブ(B)で挙げたカーボンナノチューブを好適に用いることができる。
前述したように、リチウムイオン二次電池用電極層(電極合材層又は合材層とも呼ぶ)は、リチウムイオン二次電池用合材ペーストを正極又は負極の芯材表面(集電体)に塗布し、これを乾燥することで、電極層を製造することができるが、特に正極に用いることが好ましい。
リチウムイオン二次電池用合材ペーストの塗布方法は、ダイコーター等を用いたそれ自体公知の方法により行うことができる。リチウムイオン二次電池用合材ペーストの塗布量は特に限定されないが、乾燥後の合材層の厚みが、例えば0.04mm以上、好ましくは0.06mm以上であり、例えば0.30mm以下、好ましくは0.24mm以下の範囲となるように設定することができる。乾燥工程の温度としては、例えば80℃以上、好ましくは100℃以上であり、例えば250℃以下、好ましくは200℃以下の範囲内で適宜設定することができる。乾燥工程の時間としては、例えば5秒以上であり、例えば120分以下、好ましくは60分以下の範囲内で適宜設定することができる。
N-メチル-2-ピロリドン(C)再生品の水分含有量及びアミン化合物量は前述した通りであり、一定量以下に管理・調整することが好ましい。また、水分及びアミン化合物以外の成分に関しても極力含まれないことが望ましく、その意味から少なくとも99.0%以上の純度であり、99.9%以上の純度であることが好ましく、より好ましくは99.95%以上の純度であることが好適である。
製造例1
温度計、サーモスタット、撹拌装置、還流冷却器及び水分離器を備えた反応容器に、N-メチル-2-ピロリドン(注1)75部を加え、窒素気流中で120℃に加温した。120℃に達したら、下記表1に示したモノマー種(合計100部)及び2,2’-アゾビス(2-メチルブチロニトリル)2部の混合物を3時間かけて滴下した。添加終了後120℃で30分間熟成し、2,2’-アゾビス(2-メチルブチロニトリル)1部とN-メチル-2-ピロリドン(注1)20部の混合物を1時間要して滴下した。さらに120℃で1時間熟成を行った後に冷却し、N-メチル-2-ピロリドン(注1)を加えて固形分50%のアクリル樹脂(A1)を得た。極性官能基濃度は1.3(mmol/g)である。
(注1)N-メチル-2-ピロリドン:新品と応用例1Cで製造した再生品を1/1で混合した再生品の溶媒であり、水分含有量500ppm(注2)、アミン含有量500ppm(注2)である。
(注2)水分含有量とアミン含有量は、カールフィッシャー水分率計(京都電子工業製、商品名「MKC-610」)とイオンクロマトグラフィー(島津製作所製、商品名「prominence HIC-NS」)を用いて測定した。
下記表1のモノマー種とする以外は製造例1と同様にして固形分50%のアクリル樹脂(A2)を得た。
尚、得られた樹脂の重量平均分子量の値を下記表1に記す。なお、表中「樹脂A1」は、アクリル樹脂(A1)を、「樹脂A2」は、アクリル樹脂(A2)を意味する。
・iBA:i-ブチルアクリレート(炭素数4の炭化水素基を有する)
・BEMA:ベヘニルメタクリレート(炭素数22の炭化水素基を有する)
・St:スチレン
・DMAEMA:N,N-ジメチルアミノエチルメタクリレート。
実施例1A
連続乾式ビーズミル「ドライスター SDA1」(アシザワ・ファインテック株式会社製)を用いて、ジルコニアビーズ(直径3.0mm)、充填率70%、ミル周速5.0m/sで、カーボンナノチューブ(CNT1(表2))を供給量0.5kg/hrで粉砕した。
続いて、N-メチル-2-ピロリドン(注1)5000部、上記の粉砕したカーボンナノチューブ200部、分散樹脂としてポリビニルピロリドン80部(固形分40部)(注3)、KFポリマーW#7300(クレハ社製、商品名、ポリフッ化ビニリデン、重量平均分子量100万)の樹脂溶液1800部(固形分180部)(注4)、及びアミンとしてベンジルアミン25部を撹拌しながら混合し、最後にN-メチル-2-ピロリドン(注1)で合計質量10000部となるように調整した。続いてボールミルにて4時間分散し、カーボンナノチューブ分散ペースト(A-1)を製造した。カーボンナノチューブ分散ペースト(A-1)の水分含有量は800ppm(注2)であった。
(注3)ポリビニルピロリドン:複素環含有樹脂、重量平均分子量(Mw)12000、官能基濃度9(mmol/g)
(注4)ポリフッ化ビニリデンの樹脂溶液は、予め80℃の温度でポリフッ化ビニリデンとN-メチル-2-ピロリドン(注1)とを混合及び溶解した。その後、約1℃/分の冷却速度で30℃まで冷却した。
なお、上記表2中のメディアン径(D50)、G/D比、比表面積(BET比表面積)、及び酸性基量は後述する方法で測定した。
分散樹脂、カーボンナノチューブ(CNT)、アミン及びN-メチル-2-ピロリドンを下記表3のものとするとともに表3に示す配合とする以外は実施例1Aと同様にしてカーボンナノチューブ分散ペースト(A-2)~(A-9)を得た。
なお、実施例3A(カーボンナノチューブ分散ペースト(A-3))では粉砕(乾式分散)していないカーボンナノチューブ(CNT1)を使用している。比較例3A(カーボンナノチューブ分散ペースト(A-8))は再生品ではない新品のみのN-メチル-2-ピロリドン(水分含有量100ppm以下、アミン含有量100ppm以下)を使用している。
また、カーボンナノチューブ分散ペーストの水分含有量(注2)と後述する評価試験の結果を下記表3に記す。
上記表3中の分散樹脂(ポリメチルメタクリレート)の組成は下記の通りである。
・ポリメチルメタクリレート:重量平均分子量20000、メチルメタクリレートのホモポリマー、極性官能基濃度0(mmol/g)
上記表3中の溶媒及びアミン化合物の沸点及び分子量は下記の通りである。
・N-メチル-2-ピロリドン:202℃、分子量99
・ベンジルアミン:沸点185℃、分子量107
・アミノメチルプロパノール:沸点166℃、分子量89
・フェニルエチルアミン:195℃、分子量121
・ジエタノールアミン:217℃、分子量105。
実施例2Aで得たカーボンナノチューブ分散ペースト(A-2)(水分含有量800ppm)に下記水分含有量(注2)となるように水を加えて十分に撹拌し、下記カーボンナノチューブ分散ペースト(A-10)~(A-13)を得た。
また、カーボンナノチューブ分散ペーストの分散性評価結果を後述する表5に記す。
・実施例6A:カーボンナノチューブ分散ペースト(A-10)、水分含有量2000ppm
・実施例7A:カーボンナノチューブ分散ペースト(A-11)、水分含有量4000ppm
・実施例8A:カーボンナノチューブ分散ペースト(A-12)、水分含有量8000ppm
・実施例9A:カーボンナノチューブ分散ペースト(A-13)、水分含有量12000ppm。
上記カーボンナノチューブ分散ペースト(A-1)100部に対して、電極活物質粒子(組成式LiNi0.5Mn1.5O4で表されるスピネル構造のリチウムニッケルマンガン酸化物粒子、平均粒子径6μm、BET比表面積0.7m2/g、水分含有量100ppm)900部をディスパーで混合して合材ペースト(B-1)を製造した。
合材ペースト(B-1)の水分含有量は800ppm(注2)であった。
下記表4の配合とする以外は実施例1Bと同様にして合材ペースト(B-2)~(B-9)を得た。
また、後述する合材ペーストの評価試験の結果を上記表3に記す。
下記表5の配合とする以外は実施例1Bと同様にして合材ペースト(B-10)~(B-13)を得た。
また、合材ペーストの貯蔵性評価結果を下記表5に記す。
メディアン径(D50)の測定は、レーザー回折/散乱式 粒子径分布測定装置「LA-960」(HORIBA社製、商品名)を用い、下記の手順で行った。
蒸留水100mLにF10MC(日本製紙社製、商品名、カルボキシメチルセルロースナトリウム(以下CMCNaとも記載))0.10gを添加し、24時間以上常温で撹拌し溶解させ、CMCNa0.1質量%の水分散媒を調製した。
蒸留水100mLにF10MC(日本製紙社製、商品名、カルボキシメチルセルロースナトリウム)2.0gを添加し、24時間以上常温で撹拌し溶解させ、CMCNa2.0質量%の水溶液を調製した。
バイアル瓶にカーボンナノチューブを6.0mg秤量し、前記水分散媒6.0gを添加した。測定前処理に超音波ホモジナイザー(マイクロテック・ニチオン社製、「SmurtNR-50」)を用いた。チップの劣化がないことを確認し、チップが処理サンプル液面から10mm以上つかるように調整した。TIME SET(照射時間)を40秒、POW SETを50%、START POWを50%(出力50%)とし、出力電力が一定であるオートパワー運転による超音波照射により均一化させカーボンナノチューブ水分散液を作製した。
<カーボンナノチューブの1μm以下の分散粒子の割合及びメディアン径(D50)>
前記カーボンナノチューブ水分散液を用い、カーボンナノチューブの1μm以下の分散粒子の割合及びメディアン径(D50)の測定を、以下の方法に従い実施した。
LS 13 320 ユニバーサルリキッドモジュールの光学モデルをカーボンナノチューブ1.520、水1.333とそれぞれの屈折率に設定し、モジュ-ル洗浄終了後にCMCNa水溶液を約1.0mL充填する。
ポンプスピード50%の条件でオフセット測定、光軸調整、バックグラウンド測定を行った後、粒度分布計に、調製したカーボンナノチューブ水分散液を粒子によってビームの外側に散乱する光のパーセントを示す相対濃度が8~12%、もしくはPIDSが40~55%になるように加え、粒度分布計付属装置により78W、2分間超音波照射を行い(測定前処理)、30秒循環し気泡を除いた後に粒度分布測定を行った。粒度(粒子径)に対する体積%のグラフを得て、1μm以下の分散粒子の存在割合及びメディアン径(D50)を求めた。
測定は、カーボンナノチューブ1試料につき、採取場所を変え3測定用サンプルを採取して粒度分布測定を行い、1μm以下の分散粒子の存在割合及びメディアン径(D50)をその平均値で求めた。
カーボンナノチューブのラマンスペクトルは、ラマン顕微鏡(堀場製作所社製、商品名「XploRA」)にカーボンナノチューブを設置し、532nmのレーザー波長を用いて測定を行った。得られたピークの内、スペクトルで1560cm-1以上~1600cm-1以下の範囲内で最大ピーク強度をG、1310cm-1以上~1350cm-1以下の範囲内で最大ピーク強度をDとした際のG/Dの比をカーボンナノチューブのG/D比とした。
カーボンナノチューブのBET比表面積は、JIS Z8830:2013に準拠し、比表面積測定装置(BERSORP-MAX(マイクロトラック・ベル株式会社))を用いて、BET比表面積(m2/g)を測定した。
CNTを2g精秤し、0.01Mのベンジルアミン/n-メチルピロリドン溶液50mlに浸漬させ、超音波照射機で1時間分散処理をした。その後遠心分離を行い、上澄みをフィルターでろ過した。得られたろ液中に残存するベンジルアミンを0.1Mの塩酸で電位差滴定することにより定量分析し、得られたCNTの1g当たりの酸性基量(mmol/g)を特定した。
上記実施例及び比較例で得られたカーボンナノチューブ分散ペースト及び合材ペーストの評価試験を行った。1つでも不合格の評価結果がある場合、評価としては不合格である。
得られたカーボンナノチューブ分散ペーストをJIS K-5600-2-5の分散度試験に準じ、ツブゲージを用いて下記基準により分散性を評価した。Eが不合格である。
A:顔料が10μm未満で分散されている。分散性は非常に良好である。
B:顔料が10μm以上、かつ20μm未満で分散されている。分散性はやや良好である。
C:顔料が20μm以上で分散されているが、目視で凝集物は確認できない。分散性は普通である。
D:目視で若干の凝集物が確認される。分散性はやや劣る。
E:目視で大きな凝集物が多数確認される。分散性は非常に劣る。
得られた合材ペーストを50℃の温度で2週間貯蔵を行い、初期粘度と貯蔵後の粘度の比較を行なった。粘度は、コーン&プレート型粘度計(HAAKE社製、商品名「Mars2」、直径35mm、2°傾斜のコーン&プレート)を用い、せん断速度2.0s-1で測定し、下記式により粘度上昇率を求め、下記の基準により貯蔵安定性を評価した。Dが不合格である。
粘度上昇率(%)=貯蔵後粘度(mPa・s)/初期粘度(mPa・s)×100-100
A:貯蔵後の粘度上昇率(%)が、20%未満である。
B:貯蔵後の粘度上昇率(%)が、20%以上、かつ100%未満である。
C:貯蔵後の粘度上昇率(%)が、100%以上、かつ300%未満である。
D:貯蔵後の粘度上昇率(%)が、300%以上(又はゲル化して測定不可)である。
実施例及び比較例の合材ペースト組成から樹脂成分(分散樹脂及びポリフッ化ビニリデン)と顔料成分(CNT及び活物質)を除いた組成で溶液を作成した。続いて、温度計、サーモスタット、及び撹拌装置を備えた開放型容器に上記溶液100gを入れ、容器内を撹拌しながら200±2℃で加熱して、溶液が95gになるまで留去し、N-メチル-2-ピロリドンの再生品を製造した。アミン含有量(注2)を測定し、下記の基準で溶媒のリサイクル性を評価した。BとCが不合格である。
A:溶液中のアミン含有量が、1000ppm以下である。
B:溶液中のアミン含有量が、1000ppmより多く、2500ppm以下である。
C:溶液中のアミン含有量が、2500ppmより多い。
応用例1C~5C
実施例1B~5Bで得られた合材ペーストを、平均厚み15μmの長尺状アルミニウム箔(正極集電体)の両面に、片面あたりの目付量が10mg/cm2(固形分基準)となるようにローラコート法で帯状に塗布して乾燥(乾燥温度200℃、30分間)することにより、正極層を形成した。この正極集電体に担持された正極活物質層(正極電極層)をロールプレス機により圧延して、性状を調整した。
得られた電極層は残存溶媒量が1%未満であり、仕上がり性などが良好な電極層であった。
次いで上記混合溶液を冷却器付フラスコに入れ、フラスコを185℃以上に加熱して、アミンを留去した。アミン含有量が1000ppm(注2)になるまで続け、N-メチル-2-ピロリドンの再生品を製造した。また、上記N-メチル-2-ピロリドン再生品の水分含有量は1000ppm(注2)であった。
Claims (9)
- 顔料分散樹脂(A)、カーボンナノチューブ(B)、N-メチル-2-ピロリドン(C)、及びアミン化合物(D)を含む成分を混合及び分散して得られるカーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法であって、
顔料分散樹脂(A)が、アミド基、イミド基、水酸基、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、シラノール基、シアノ基、ピロリドン基、及びアミノ基からなる群より選ばれる少なくとも一種の極性官能基を有しているアクリル樹脂であって、かつ顔料分散樹脂(A)の極性官能基濃度が0.3mmol/g以上、23mmol/g以下であり、
カーボンナノチューブ(B)以外の導電性顔料を含まず、
N-メチル-2-ピロリドン(C)の沸点を(Xc)℃、アミン化合物(D)の沸点を(Xd)℃とした場合、(Xc)-10>(Xd)であり、
N-メチル-2-ピロリドン(C)が再生品を含み、N-メチル-2-ピロリドン(C)中のアミン化合物の含有量が10000ppm以下である、カーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法。 - 顔料分散樹脂(A)、カーボンナノチューブ(B)、N-メチル-2-ピロリドン(C)、及びアミン化合物(D)を含む成分を混合及び分散して得られるカーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法であって、
顔料分散樹脂(A)が、アミド基、イミド基、水酸基、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、シラノール基、シアノ基、ピロリドン基、及びアミノ基からなる群より選ばれる少なくとも一種の極性官能基を有しているアクリル樹脂であって、かつ顔料分散樹脂(A)の極性官能基濃度が0.3mmol/g以上、23mmol/g以下であり、
カーボンナノチューブ(B)以外の導電性顔料を含まず、
N-メチル-2-ピロリドン(C)の沸点を(Xc)℃、アミン化合物(D)の沸点を(Xd)℃とした場合、(Xc)-10>(Xd)であり、
N-メチル-2-ピロリドン(C)が再生品を含み、N-メチル-2-ピロリドン(C)中の水分含有量が10000ppm以下に管理されており、かつ、N-メチル-2-ピロリドン(C)中のアミン化合物の含有量が10000ppm以下に管理されている、カーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法。 - N-メチル-2-ピロリドン(C)が再生品を5質量%以上含み、N-メチル-2-ピロリドン(C)中の水分含有量を10000ppm以下に管理する請求項1に記載のカーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法。
- カーボンナノチューブ分散ペーストの水分含有量が、10000ppm以下である請求項1又は2に記載のカーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法。
- カーボンナノチューブ分散ペーストの総量100質量%を基準として、カーボンナノチューブ(B)の含有量が、0.1質量%以上、かつ15質量%未満である請求項1又は2に記載のカーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法。
- カーボンナノチューブ分散ペーストが、さらにポリフッ化ビニリデン(E)を含有する請求項1又は2に記載のカーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法。
- 請求項1又は2に記載のカーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法で得られるカーボンナノチューブ分散ペーストに、電極活物質(G)を混合する工程を含む、リチウムイオン二次電池用合材ペーストの製造方法。
- 請求項7に記載のリチウムイオン二次電池用合材ペーストの製造方法で得られるリチウムイオン二次電池用合材ペーストを集電体上に塗工するリチウムイオン二次電池用電極層の製造方法。
- 請求項7に記載のリチウムイオン二次電池用合材ペーストの製造方法で得られるリチウムイオン二次電池用合材ペーストを集電体上に塗工及び加熱乾燥する工程、
N-メチル-2-ピロリドン(C)及びアミン化合物(D)を含む蒸気を回収して混合溶液を製造する工程、
前記混合溶液からアミン化合物(D)を分離し、N-メチル-2-ピロリドン(C)の再生品を製造する工程、
を含有するリチウムイオン二次電池用電極層及びN-メチル-2-ピロリドン(C)再生品の製造方法。
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