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

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 Download PDF

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Abstract

溶媒リサイクル性、顔料分散性、及び貯蔵安定性に優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製造方法であって、さらに、諸性能(仕上がり性及び電池性能等)に優れるリチウムイオン二次電池用電極層を提供することを課題とする。解決手段として、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を提供する。

Description

本発明は、溶媒リサイクル性、顔料分散性、及び貯蔵安定性に優れるカーボンナノチューブ分散ペースト(本発明では導電性顔料ペーストともいう)の製造方法、(リチウムイオン二次電池用)合材ペーストの製造方法、並びに優れた電池性能を有する電池用電極層を製造する方法に関する。
従来、顔料を顔料分散樹脂及び溶媒等の混合物中に分散させたペースト状の顔料分散体が、塗料、電池用電極、塗工材、コーティング材、電磁波シールド、ディスプレイパネル、タッチスクリーンパネル、着色フィルム、着色シート、化粧材、保護材、磁石改質材、印刷用インキ、デバイス部材、電子機器部材、プリント配線板、太陽電池、機能性ゴム部材、樹脂成形膜等の分野で広く用いられている。さらに、これらの材料に静電塗装性、導電性、電磁波シールド性、帯電防止性等の機能を付与するために導電性顔料や導電性高分子等を含有させている。
これらの分野では、顔料の分散性、貯蔵安定性、導電性、塗工性、仕上がり性等の性能向上がますます要求されており、そのため、優れた顔料分散能力と、形成された顔料分散体中の顔料粒子を再凝集させないだけの優れた顔料分散安定性を有する顔料分散樹脂及び顔料ペーストの開発がなされつつある。
顔料ペーストの設計にあたっては、顔料分散樹脂が塗工膜等の最終製品そのものの導電性能等に悪い影響を及ぼさないように、あるいは溶媒及び顔料分散樹脂の使用量を低減することや乾燥時の使用エネルギーを低減する観点から、できるだけ少量の溶媒及び顔料分散樹脂で高濃度かつ均一に分散された顔料ペーストを作製することが重要となっている。また、廃棄物削減、環境対応、コスト低減のため、製造工程で出る廃棄物のリサイクル適性が求められている。
例えば、特許文献1には、繊維状炭素を含んだ溶媒をメディア(以降、「メジア」と表記することもある)型分散機により分散化してスラリーを得、前記スラリーを電極活物質と混練することにより集電体に塗布してスラリーを得ることを特徴とする、リチウム二次電池の電極用スラリーの製造方法が開示されている。しかしながら、高顔料濃度及び/又は高粘度のペーストの場合は、均一な分散ができず、貯蔵安定性が悪いことがあった。特にスラリーが水分を多く含んでいると高粘度化やゲル化が起こることがあった。また、廃棄物のリサイクルに関しては特に開示されていない。
特開2014-182892号公報
本発明の目的は、高顔料濃度及び/又は高粘度のペーストにおいても顔料分散性と貯蔵安定性と溶媒リサイクル性に優れるカーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法及び合材ペーストの製造方法を提供することであって、さらに、仕上がり性等に優れる塗工膜(電池用電極層)の製造方法を提供することである。
本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、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によって、上記課題の解決が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、以下のカーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法、合材ペーストの製造方法、及びリチウムイオン二次電池用電極層の製造方法を提供するものである。
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。
本発明のカーボンナノチューブ分散ペーストの製造方法は、高顔料濃度及び/又は高粘度においても、リサイクル性、顔料の分散性、貯蔵安定性(増粘抑制)に優れ、比較的少ない分散樹脂の配合量で充分にペーストの粘度を低下させることができる。また、その塗工膜(電池用電極層)は、仕上がり性、及び電池性能等に優れる。
以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形例も含むものとして理解されるべきである。
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。
本発明において、カーボンナノチューブ分散ペーストが特定の顔料分散樹脂(A)及びアミン化合物(D)を含有することで、顔料分散性が良好であり貯蔵での高粘度化やゲル化を抑制できる。また、さらにカーボンナノチューブ分散ペーストの水分含有量を10000ppm以下〔また、N-メチル-2-ピロリドン(C)の水分含有量を10000ppm以下〕にすることで、貯蔵での高粘度化やゲル化を抑制できる。
カーボンナノチューブ分散ペースト及び合材ペーストが高粘度化、ゲル化する機構は明らかになってはいないが、下記のようなメカニズムが推測される。
例えば、ポリフッ化ビニリデンを含むカーボンナノチューブ分散ペースト及び合材ペーストにおいては、ポリフッ化ビニリデン中のフッ素基に隣接するプロトンの酸性度はフッ素基の電子吸引性により非常に高くなっており、そのため、特に塩基性の条件では容易にこのプロトン脱離が進行する。かかるプロトン脱離はカーボンナノチューブ分散ペースト及び合材ペースト中に水分が存在する場合に特に進みやすいものと推測される。プロトン脱離後の炭素上には陰イオンが生じ、当該陰イオンによりフッ素基の脱離が促され、そしてポリフッ化ビニリデン分子の主鎖中に二重結合が生じることになる。そして、二重結合を有することとなった複数のポリフッ化ビニリデン分子が重合し、さらなる高分子化をして、粘度上昇、ゲル化に至るものと推測される。特に合材ペースト中の電極活物質は比較的強塩基の水酸化リチウムを含む場合があるため、高粘度化、ゲル化は合材ペーストにおいて顕著である。
本発明においては、水分含有量を規定した原材料を用い、かつ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水分含有量を規定することにより、高分子成分(ポリフッ化ビニリデン)の重合を抑制し、カーボンナノチューブ分散ペースト又は合材ペーストの粘度上昇、ゲル化を抑えることができたものと考えられる。
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。
また、本発明においては、特にリチウムイオン二次電池用電極層の製造時に排出される溶媒(主にN-メチル-2-ピロリドン)のリサイクル性が廃棄物削減や環境面等で重要であり、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〕
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。
また、カーボンナノチューブ分散ペーストの水分含有量(上限)は、通常10000ppm以下であり、7500ppm以下が好ましく、5000ppm以下がより好ましく、2500ppm以下がさらに好ましく、1000ppm以下が特に好ましい。
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。
本発明において、水分含有量は、カールフィッシャー電量滴定法にて測定できる。具体的には、カールフィッシャー水分率計(京都電子工業社製、商品名「MKC-610」)を用い、該装置に備えられた水分気化装置(京都電子社製、商品名「ADP-611」)の設定温度を130℃として測定できる。
顔料分散樹脂(A)
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。
樹脂の種類としては、後述するポリフッ化ビニリデン(E)以外の樹脂であれば特に限定されない。例えば、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリエーテル樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、シリコーン樹脂、ポリカーボネート樹脂、塩素系樹脂、及びこれらの複合樹脂等が挙げられる。これらの樹脂は、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。
C(-R)=C(-R) ・・・式(1)
[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。
水酸基含有ビニル(共)重合体としては、例えば、ポリヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ポリビニルアルコール、ビニルアルコール-脂肪酸ビニル共重合体、ビニルアルコール-エチレン共重合体、ビニルアルコール-(N-ビニルホルムアミド)共重合体、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレートとその他の重合性不飽和モノマーとの共重合体等が挙げられる。(共)重合体中のビニルアルコール単位は脂肪酸ビニル単位を(共)重合した後に加水分解して得られたものでもよい。
カルボキシル基含有ビニル(共)重合体としては、例えば、(メタ)アクリル酸の重合体、又はポリ(メタ)アクリル酸とその他の重合性不飽和モノマーとの共重合体等が挙げられる。
アミド基含有ビニル(共)重合体としては、例えば、(メタ)アクリルアミドの重合体、又は(メタ)アクリルアミドとその他の重合性不飽和モノマーとの共重合体等が挙げられる。
スルホン酸基含有ビニル(共)重合体としては、例えば、アリルスルホン酸又はスチレンスルホン酸等の重合体、アリルスルホン酸及び/又はスチレンスルホン酸とその他の重合性不飽和モノマーとの共重合体等が挙げられる。
リン酸基含有ビニル(共)重合体としては、例えば、(メタ)アクリロイルオキシアルキルアシッドホスフェートの重合体、又は(メタ)アクリロイルオキシアルキルアシッドホスフェートとその他の重合性不飽和モノマーとの共重合体等が挙げられる。
アミノ基含有ビニル(共)重合体としては、例えば、N,N-ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N,N-ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレートとその他の重合性不飽和モノマーとの共重合体等が挙げられる。
共重合可能なその他の重合性不飽和モノマーとしては、例えば、ギ酸ビニル、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酢酸イソプロペニル、バレリン酸ビニル、カプリル酸ビニル、カプリン酸ビニル、ラウリン酸ビニル、ステアリン酸ビニル、安息香酸ビニル、バーサティック酸ビニル、ピバリン酸ビニル等のカルボン酸ビニルエステル単量体;エチレン、プロピレン、ブチレン等のオレフィン類;スチレン、α-メチルスチレン等の芳香族ビニル類;(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸n-ブチル、(メタ)アクリル酸2-エチルヘキシル、フマル酸ジメチル、マレイン酸ジメチル、マレイン酸ジエチル、イタコン酸ジイソプロピル等のエチレン性不飽和カルボン酸アルキルエステル単量体;メチルビニルエーテル、n-プロピルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル、ドデシルビニルエーテル等のビニルエーテル単量体;塩化ビニル、塩化ビニリデン、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン等のハロゲン化ビニル単量体又はビニリデン単量体;酢酸アリル、塩化アリル等のアリル化合物;3-(メタ)アクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウムクロライド等の第四級アンモニウム基含有単量体等が挙げられる。これらの単量体は、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。
顔料分散樹脂(A)の極性官能基濃度は、顔料分散性、貯蔵安定性、及び溶媒との相溶性の観点から、極性官能基濃度が0.3mmol/g~23mmol/gであることが好ましく、0.3mmol/g~15.0mmol/gであることがより好ましく、0.3mmol/g~8.5mmol/gであることがさらに好ましく、0.3mmol/g~5.0mmol/gであることが特に好ましい。また、上記の酸基やアミノ基は塩になっていてもよい。
上記ビニル(共)重合体(A1)の重合方法は、それ自体既知の重合方法で製造することができ、例えば溶液重合を用いることが好ましいが、これに限られるものではなく、バルク重合や乳化重合や懸濁重合等でもよい。溶液重合を行う場合には、連続重合でもよいしバッチ重合でもよく、単量体は一括して仕込んでもよいし、分割して仕込んでもよく、あるいは連続的又は断続的に添加してもよい。
溶液重合において使用する重合開始剤は、特に限定するものではないが、具体的には、例えば、アゾビスイソブチロニトリル、2,2’-アゾビス(2-メチルブチロニトリル)、アゾビス-2,4-ジメチルパレロニトリル、アゾビス(4-メトキシ-2,4-ジメチルパレロニトリル)等のアゾ化合物;アセチルパーオキサイド、ベンゾイルパーオキサイド、ラウロイルパーオキサイド、アセチルシクロヘキシルスルホニルパーオキシド、2,4,4-トリメチルペンチル-2-パーオキシフェノキシアセテート等の過酸化物;ジイソプピルパーオキシジカーボネート、ジ-2-エチルヘキシルパーオキシジカーボネート、ジエトキシエチルパーオキシジカーボネート等のパーカーボネート化合物;t-ブチルパーオキシネオデカネート、α-クミルパーオキシネオデカネート、t-ブチルパーオキシネオデカネート等のパーエステル化合物;アゾビスジメチルバレロニトリル、アゾビスメトキシバレロニトリル等の公知のラジカル重合開始剤を使用できる。
重合反応温度は、特に限定するものではないが、通常30℃以上200℃以下程度の範囲で設定できる。
上記のようにして得ることができるビニル(共)重合体(A1)は、重合度が例えば100以上、好ましくは150以上であり、例えば4,000以下、好ましくは3,000以下、より好ましくは700以下である。
また、重量平均分子量としては、例えば1,000以上、好ましくは2,000以上、より好ましくは7,000以上であり、例えば2,000,000以下、好ましくは1,000,000以下、より好ましくは500,000以下である。
なお、本明細書における重量平均分子量は、特に記載がない限り、ゲルパーミュエーションクロマトグラフ(GPC)を用いて測定した保持時間(保持容量)を、同一条件で測定した分子量既知の標準ポリスチレンの保持時間(保持容量)によりポリスチレンの分子量に換算して求めた値である。具体的には、ゲルパーミュエーションクロマトグラフとして、「HLC8120GPC」(東ソー社製、商品名)を用い、カラムとして、「TSKgel G-4000HXL」、「TSKgel G-3000HXL」、「TSKgel G-2500HXL」及び「TSKgel G-2000HXL」(いずれも東ソー社製、商品名)の4本を用い、移動相テトラヒドロフラン、測定温度40℃、流速1mL/min及び検出器RIの条件下で測定することができる。
上記ビニル(共)重合体(A1)は、合成終了後に脱溶媒及び/又は溶媒置換することで、固体又は任意の溶媒に置き換えた樹脂溶液にできる。
脱溶媒の方法としては、常圧で加熱により行ってもよいし、減圧下で脱溶媒してもよい。溶媒置換の方法としては、脱溶媒前、脱溶媒途中、又は脱溶媒後のいずれの段階で置換溶媒を投入してもよい。
また、前記分散樹脂(A)における炭素数12以上のアルキル基の含有量としては、ビニル(共)重合体(A1)の場合、全モノマーを100質量%としたときの当該モノマーの質量割合として、1~100質量%が好ましく、10~90質量%がより好ましく、20~80質量%がさらに好ましく、30~60質量%が特に好ましい。
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。
前記顔料分散樹脂(A)は、固体の状態から樹脂溶液化する際は、溶媒への溶解性の観点から、予め60℃以上(好ましくは80℃以上)(上限は200℃以下、好ましくは100℃以下)の液温の溶媒と混合及び溶解して樹脂溶液化してから、さらに他の成分〔成分(B)、(C)、(D)など〕と混合することが好ましい。
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。
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固形分総量100質量%を基準として、例えば0.1質量%以上、好ましくは1質量%以上、より好ましくは3質量%以上であり、例えば40質量%以下、好ましくは30質量%以下、より好ましくは20質量%以下である。
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。
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(B)の含有量100質量%を基準として、例えば0.1質量%以上、好ましくは1質量%以上、より好ましくは5質量%以上であり、例えば150質量%以下、好ましくは120質量%以下、より好ましくは80質量%以下である。
カーボンナノチューブ(B)
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。
カーボンナノチューブ(B)の含有量は、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、0.1質量%以上、例えば0.2質量%以上、好ましくは0.3質量%以上、より好ましくは0.5質量%以上、さらに好ましくは1質量%以上、よりさらに好ましくは2質量%以上であり、15質量%未満、例えば13質量%未満、好ましくは10質量%以下、より好ましくは7質量%以下、さらに好ましくは6質量%以下である。例えば、0.1質量%以上15質量%未満、0.2質量%以上13質量%未満、0.3質量%以上10質量%未満、0.5質量%以上7質量%未満とすることができる。
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。
カーボンナノチューブ(B)の平均外径としては、例えば1nm以上、好ましくは3nm以上、より好ましくは5nm以上であり、例えば30nm以下、好ましくは28nm以下、より好ましくは25nm以下である。
カーボンナノチューブ(B)の平均長さとしては、例えば0.1μm以上、好ましくは1μm以上、より好ましくは5μm以上であり、例えば100μm以下、好ましくは80μm以下、より好ましくは60μm以下である。
カーボンナノチューブ(B)のBET比表面積としては、粘度及び導電性の関係から、通常100m/g以上、好ましくは130m/g以上、より好ましくは160m/g以上であり、通常800m/g以下、好ましくは600m/g以下、より好ましくは400m/g以下である。
本発明のBET比表面積は窒素吸着測定によるBET法で算出することができる。具体的には、例えば、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(m/g)を測定できる。
カーボンナノチューブ(B)の酸性基量としては、分散性及び貯蔵性の観点から、通常0.01mmol/g以上、好ましくは0.01mmol/g以上であり、通常1.0mmol/g以下、好ましくは0.5mmol/g以下、より好ましくは0.2mmol/g以下、さらに好ましくは0.1mmol/g以下である。酸性基量が0.01mmol/g以上であれば分散性が良好となり、また1.0mmol/g以下であれば貯蔵性が良好となる。
上記酸性基は以下のカーボンナノチューブの酸処理により付与することができる。
(酸処理方法)
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。
酸処理後、後述する洗浄方法により表面に付着した余剰な酸成分を除去し、酸処理カーボンナノチューブを得ることができる。
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。
また、カーボンナノチューブ(B)の体積換算のメディアン径(D50)としては、後述する実施例で記載する方法で測定した場合、通常10μm以上、好ましくは15μm以上、より好ましくは20μm以上であり、通常250μm以下、好ましくは200μm以下、より好ましくは150μm以下である。ここでメディアン径(D50)はカーボンナノチューブの粒子にレーザー光を照射し、その散乱光からカーボンナノチューブの直径を球形に換算して求めることができる。メディアン径(D50)が大きいほどカーボンナノチューブの凝集塊が多く存在し、分散性が悪いことを意味する。メディアン径(D50)が250μmより大きい場合、電極中でカーボンナノチューブの凝集塊が存在する可能性が高くなり、電極全体における導電性が不均一となる。一方、メディアン径(D50)が10μmよりも小さい場合、繊維長が短くなっていることから導電パスが不十分であり、導電性が低下してしまう。メディアン径(D50)が10μm以上250μm以下の範囲内である場合、カーボンナノチューブは導電性を維持したまま電極内で均一に分散することが可能になる。
また、上記カーボンナノチューブ(B)のラマンスペクトルにおいて、1560cm-1以上1600cm-1以下の範囲内での最大ピーク強度をG、1310cm-1以上1350cm-1以下の範囲内での最大ピーク強度をDとした際のG/D比が、通常0.1以上、好ましくは0.4以上、より好ましくは0.6以上であり、通常5.0以下、好ましくは3.0以下より好ましくは1.0以下であることがより好ましい。
ここで、G/D比が0.1以上5.0以下の範囲内であると、炭素表面の欠陥や結晶界面が少なく導電性が高くなりやすいため好適である。
カーボンナノチューブ(B)はアセチレンブラックと違い、繊維状の形状であり粘度が高くなるため、含有量15質量%以上では高粘度であり取り扱いが難しくなる。
(カーボンナノチューブの乾式分散)
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。
上記乾式分散は、実質的に液状成分を含有させないで顔料を粉砕することであり、顔料に対して直接エネルギーを加えることができるため高効率かつ強力な粉砕(解砕)が可能である。また、粉砕面が活性化し周囲の物質と相互作用を起こすため、後述するペーストの分散工程において良好な分散性及び貯蔵安定性が得られ、その塗工膜は優れた導電性と仕上がり性を得ることができる。
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。
また、粉砕時に各種の蒸気又は気体を粉砕機内に吹き込んでカーボンナノチューブ(B)表面を更なる活性化又は活性度の調整をすることができる。蒸気としては、酸性又は塩基性の化合物などが好適であり、気体としては、酸素、窒素などが好適である。
粉砕メジアの外径は、0.1mm~5mmが好ましく、0.5mm~3mmがより好ましい。上記の範囲であれば、所望の粉砕力が得られ、カーボンナノチューブの繊維形状を過度に破壊せず効率的に顔料を粉砕及び解砕させることができる。
その他の導電性顔料(B1)
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。
その他の導電性顔料(B1)の平均一次粒子径としては、例えば10nm以上、好ましくは20nm以上であり、例えば80nm以下好ましくは70nm以下であることがより好ましい。ここで、平均一次粒子径は、導電性顔料(B1)を電子顕微鏡で観察し、100個の粒子について、それぞれ投影面積を求めてその面積に等しい円を仮定したときの直径を求め、100個の粒子の直径を単純平均して求めた一次粒子の平均粒子径をいう。なお、顔料が凝集状態になっていた場合は、凝集粒子を構成している一次粒子で計算をする。
その他の導電性顔料(B1)のBET比表面積は、特に限定されない。粘度及び導電性の関係から、例えば1m/g以上、好ましくは10m/g以上、より好ましくは20m/g以上であり、例えば500m/g以下、好ましくは250m/g以下、より好ましくは200m/g以下である。
その他の導電性顔料(B1)のジブチルフタレート(DBP)吸油量は、特に限定されない。顔料分散性及び導電性の関係から、例えば60ml/100g以上、好ましくは150ml/100g以上であり、例えば1,000ml/100g以下、好ましくは800ml/100g以下である。
N-メチル-2-ピロリドン(C)
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。
N-メチル-2-ピロリドン(C)の水分含有量(上限)は、10000ppm以下が好ましく、7500ppm以下がより好ましく、5000ppm以下がさらに好ましく、2500ppm以下が特に好ましく、1000ppm以下がさらに特に好ましい。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。
N-メチル-2-ピロリドンは製造時に生じる不純物又は原料の未反応物としてアミン成分を含むことがあり、本発明のカーボンナノチューブ分散ペーストにおいて、この不純物であるアミン成分によってロット毎に粘度又は増粘傾向が異なることがあった。また臭気(作業環境)の問題もあるため、原料として一定量以下に管理することが必要である。
また、本発明のカーボンナノチューブ分散ペーストを後述する方法で電極層に適用する場合、溶媒等は揮発するため残らないが、廃棄物削減、環境対応、及び/又は原料コスト削減のために揮発した溶媒を回収及び再利用することが好ましい。すなわち、N-メチル-2-ピロリドン(C)として再生品を使用することが好ましい。この再生溶媒(再生品)には、もともと含有しているアミン化合物も含まれることになり、同じくロット毎にペーストの粘度又は増粘傾向が異なることになる。また、アミン化合物は強い臭気を有する場合が多い。
従って、その場合は再生品であるN-メチル-2-ピロリドン(C)中のアミン化合物含有量を一定量以下になるように管理・調整することが好ましく、アミン化合物含有量としては、10000ppm以下が好ましく、7500ppm以下がより好ましく、5000ppm以下がさらに好ましく、2500ppm以下が特に好ましく、1000ppm以下がさらに特に好ましい。
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。
なお、上記「再生品を使用」とは、本発明で用いられるN-メチル-2-ピロリドン(C)中に再生品が5質量%以上(好ましくは10質量%以上、より好ましくは30質量%以上、さらに好ましくは50質量%以上)含まれるということである。
上記再生品としては、後述する合材ペーストを加熱乾燥して電極層を作る過程で回収した再生溶媒を利用することが好ましい。
また、リサイクル性の観点から、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)であることが蒸留(アミン化合物(D)の分離)の観点から好ましく、さらに(Xc)-15>(Xd)であることがより好ましい。
カーボンナノチューブ分散ペーストにおけるN-メチル-2-ピロリドン(C)の含有量は、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40質量%以上、好ましくは60質量%以上、より好ましくは80質量%以上であり、例えば99質量%以下、好ましくは98質量%以下、より好ましくは97質量%以下である。
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。
また、カーボンナノチューブ分散ペーストには、N-メチル-2-ピロリドン(C)以外の溶媒も含有することができる。具体的には、例えば、n-ブタン、n-ヘキサン、n-ヘプタン、n-オクタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロブタン等の炭化水素系溶剤;トルエン、キシレン等の芳香族系溶剤;メチルイソブチルケトン等のケトン系溶剤;n-ブチルエーテル、ジオキサン、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコール等のエーテル系溶剤;酢酸エチル、酢酸n-ブチル、酢酸イソブチル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ブチルカルビトールアセテート等のエステル系溶剤;メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジイソブチルケトン等のケトン系溶剤;エタノール、イソプロパノール、n-ブタノール、sec-ブタノール、イソブタノール等のアルコール系溶剤;エクアミド(アミド系溶剤、出光興産社製、商品名)、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-メチルホルムアミド、N-メチルアセトアミド、N-メチルプロピオアミド等のアミド系溶剤等を挙げることができる。これらは一種を単独で又二種以上を組み合わせて用いることができる。
アミン化合物(D)
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。
1級アミンとしては、例えば、エチルアミン、n-プロピルアミン、sec-プロピルアミン、n-ブチルアミン、sec-ブチルアミン、i-ブチルアミン、tert-ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、デシルアミン、ラウリルアミン、ミスチリルアミン、1,2-ジメチルヘキシルアミン、3-ペンチルアミン、2-エチルヘキシルアミン、アリルアミン、アミノエタノール、1-アミノプロパノール、2-アミノプロパノール、アミノブタノール、アミノペンタノール、アミノヘキサノール、3-エトキシプロピルアミン、3-プロポキシプロピルアミン、3-イソプロポキシプロピルアミン、3-ブトキシプロピルアミン、3-イソブトキシプロピルアミン、3-(2-エチルヘキシロキシ)プロピルアミン、アミノシクロペンタン、アミノシクロヘキサン、アミノノルボルネン、アミノメチルシクロヘキサン、アミノベンゼン、ベンジルアミン、フェネチルアミン、α-フェニルエチルアミン、ナフチルアミン、フルフリルアミン等の1級モノアミン;エチレンジアミン、1,2-ジアミノプロパン、1,3-ジアミノプロパン、1,2-ジアミノブタン、1,3-ジアミノブタン、1,4-ジアミノブタン、1,5-ジアミノペンタン、1,6-ジアミノヘキサン、1,7-ジアミノヘプタン、1,8-ジアミノオクタン、ジメチルアミノプロピルアミン、ジエチルアミノプロピルアミン、ビス-(3-アミノプロピル)エーテル、1,2-ビス-(3-アミノプロポキシ)エタン、1,3-ビス-(3-アミノプロポキシ)-2,2’-ジメチルプロパン、アミノエチルエタノールアミン、1,2-ビスアミノシクロヘキサン、1,3-ビスアミノシクロヘキサン、1,4-ビスアミノシクロヘキサン、1,3-ビスアミノメチルシクロヘキサン、1,4-ビスアミノメチルシクロヘキサン、1,3-ビスアミノエチルシクロヘキサン、1,4-ビスアミノエチルシクロヘキサン、1,3-ビスアミノプロピルシクロヘキサン、1,4-ビスアミノプロピルシクロヘキサン、水添4,4’-ジアミノジフェニルメタン、2-アミノピペリジン、4-アミノピペリジン、2-アミノメチルピペリジン、4-アミノメチルピペリジン、2-アミノエチルピペリジン、4-アミノエチルピペリジン、N-アミノエチルピペリジン、N-アミノプロピルピペリジン、N-アミノエチルモルホリン、N-アミノプロピルモルホリン、イソホロンジアミン、メンタンジアミン、1,4-ビスアミノプロピルピペラジン、o-フェニレンジアミン、m-フェニレンジアミン、p-フェニレンジアミン、2,4-トリレンジアミン、2,6-トリレンジアミン、2,4-トルエンジアミン、m-アミノベンジルアミン、4-クロロ-o-フェニレンジアミン、テトラクロロ-p-キシリレンジアミン、4-メトキシ-6-メチル-m-フェニレンジアミン、m-キシリレンジアミン、p-キシリレンジアミン、1,5-ナフタレンジアミン、2,6-ナフタレンジアミン、ベンジジン、4,4’-ビス(o-トルイジン)、ジアニシジン、4,4’-ジアミノジフェニルメタン、2,2-(4,4’-ジアミノジフェニル)プロパン、4,4’-ジアミノジフェニルエーテル、4,4’-チオジアニリン、4,4’-ジアミノジフェニルスルホン、4,4’-ジアミノジトリルスルホン、メチレンビス(o-クロロアニリン)、3,9-ビス(3-アミノプロピル)2,4,8,10-テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカン、ジエチレントリアミン、イミノビスプロピルアミン、メチルイミノビスプロピルアミン、ビス(ヘキサメチレン)トリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ペンタエチレンヘキサミン、N-アミノエチルピペラジン、N-アミノプロピルピペラジン、1,4-ビス(アミノエチルピペラジン)、1,4-ビス(アミノプロピルピペラジン)、2,6-ジアミノピリジン、ビス(3,4-ジアミノフェニル)スルホン等の1級ポリアミン等が挙げられる。
2級アミンとしては、例えば、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジ-n-ブチルアミン、ジ-sec-ブチルアミン、ジイソブチルアミン、ジ-n-ペンチルアミン、ジ-3-ペンチルアミン、ジヘキシルアミン、ジオクチルアミン、ジ(2-エチルヘキシル)アミン、メチルヘキシルアミン、ジアリルアミン、ピロリジン、ピペリジン、2,4-ルペチジン、2,6-ルペチジン、3,5-ルペチジン、ジフェニルアミン、N-メチルアニリン、N-エチルアニリン、ジベンジルアミン、メチルベンジルアミン、ジナフチルアミン、ピロール、インドリン、インドール、モルホリン等の2級モノアミン;N,N’-ジメチルエチレンジアミン、N,N’-ジメチル-1,2-ジアミノプロパン、N,N’-ジメチル-1,3-ジアミノプロパン、N,N’-ジメチル-1,2-ジアミノブタン、N,N’-ジメチル-1,3-ジアミノブタン、N,N’-ジメチル-1,4-ジアミノブタン、N,N’-ジメチル-1,5-ジアミノペンタン、N,N’-ジメチル-1,6-ジアミノヘキサン、N,N’-ジメチル-1,7-ジアミノヘプタン、N,N’-ジエチルエチレンジアミン、N,N’-ジエチル-1,2-ジアミノプロパン、N,N’-ジエチル-1,3-ジアミノプロパン、N,N’-ジエチル-1,2-ジアミノブタン、N,N’-ジエチル-1,3-ジアミノブタン、N,N’-ジエチル-1,4-ジアミノブタン、N,N’-ジエチル-1,6-ジアミノヘキサン、ピペラジン、2-メチルピペラジン、2,5-ジメチルピペラジン、2,6-ジメチルピペラジン、ホモピペラジン、1,1-ジ-(4-ピペリジル)メタン、1,2-ジ-(4-ピペリジル)エタン、1,3-ジ-(4-ピペリジル)プロパン、1,4-ジ-(4-ピペリジル)ブタン等の2級ポリアミン等が挙げられる。
3級アミンとしては、例えば、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリ-n-プロピルアミン、トリ-iso-プロピルアミン、トリ-1,2-ジメチルプロピルアミン、トリ-3-メトキシプロピルアミン、トリ-n-ブチルアミン、トリ-iso-ブチルアミン、トリ-sec-ブチルアミン、トリ-ペンチルアミン、トリ-3-ペンチルアミン、トリ-n-ヘキシルアミン、トリ-n-オクチルアミン、トリ-2-エチルヘキシルアミン、トリ-ドデシルアミン、トリ-ラウリルアミン、ジシクロヘキシルエチルアミン、シクロヘキシルジエチルアミン、トリ-シクロヘキシルアミン、N,N-ジメチルヘキシルアミン、N-メチルジヘキシルアミン、N,N-ジメチルシクロヘキシルアミン、N-メチルジシクロヘキシルアミン、N、N-ジエチルエタノールアミン、N、N-ジメチルエタノールアミン、N-エチルジエタノールアミン、トリエタノールアミン、トリベンジルアミン、N,N-ジメチルベンジルアミン、ジエチルベンジルアミン、トリフェニルアミン、N,N-ジメチルアミノ-p-クレゾール、N,N-ジメチルアミノメチルフェノール、2-(N,N-ジメチルアミノメチル)フェノール、N,N-ジメチルアニリン、N,N-ジエチルアニリン、ピリジン、キノリン、N-メチルモルホリン、N-メチルピペリジン、2-(2-ジメチルアミノエトキシ)-4-メチル-1,3,2-ジオキサボルナン、2-、3-、4-ピコリン等の3級モノアミン;テトラメチルエチレンジアミン、ピラジン、N,N’-ジメチルピペラジン、N,N’-ビス((2-ヒドロキシ)プロピル)ピペラジン、ヘキサメチレンテトラミン、N,N,N’,N’-テトラメチル-1,3-ブタンアミン、2-ジメチルアミノ-2-ヒドロキシプロパン、ジエチルアミノエタノール、N,N,N-トリス(3-ジメチルアミノプロピル)アミン、2,4,6-トリス(N,N-ジメチルアミノメチル)フェノール、ヘプタメチルイソビグアニド等の3級ポリアミン等が挙げられる。
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。
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。
なかでも、1級のアミン化合物が好ましく、1価のアミン化合物(モノアミン)が好ましい。
上記アミン化合物(D)としては、アルカノールアミン、脂肪族アミン、脂環族アミン、芳香族アミン等が挙げられ、いずれも好適に使用できるが、芳香族アミンが好ましい。
乾燥後の電極層にアミン化合物(D)が残らないことが好ましいため、アミン化合物(D)の重量平均分子量が1,000未満であることが好ましく、800以下であることがより好ましく、500以下であることがさらに好ましく、350以下であることが特に好ましく、250以下であることがさらに特に好ましい。
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、アミン化合物(D)のアミン価としては、通常5mgKOH/g以上、好ましくは50mgKOH/g以上、より好ましくは105mgKOH/g以上であり、通常1,000mgKOH/g以下の範囲内である。
アミン化合物(D)を含有することによって顔料分散性や貯蔵安定性が改善されるが、臭気が強いものが多いため、配合時や乾燥過程で作業環境が悪化する場合がある。また、一般的に高価なためコスト増になる場合がある。さらに後述するリサイクル適性のため、必要最低限の含有量にする必要がある。
上記アミン化合物(D)の含有量としては、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、例えば0.01質量%以上、好ましくは0.05質量%以上、より好ましくは0.1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1質量%以下が好適である。
また、カーボンナノチューブ(B)の固形分100質量%を基準として、下限としては、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5質量%以上である。上限としては、例えば500質量%以下、好ましくは50質量%以下、より好ましくは15質量%以下である。
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。
ポリフッ化ビニリデン(E)
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。
ポリフッ化ビニリデン(E)は、電極層の膜形成を目的とする樹脂であり、各種の変性がされていてもよく、基材との密着性の観点から、極性官能基を有することが好ましい。
ポリフッ化ビニリデン(E)の重量平均分子量としては、基材との密着性、膜物性の補強、及び耐溶剤性の観点から、例えば10万以上、好ましくは50万以上、より好ましくは65万以上であり、例えば300万以下、好ましくは200万以下である。
ポリフッ化ビニリデン(E)の含有量は、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10.0質量%以上、好ましくは30.0質量%以上、より好ましくは40.0質量%以上であり、例えば99.0質量%以下、好ましくは80.0質量%以下、より好ましくは60.0質量%以下である。また、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0.5質量%以上、より好ましくは1質量%以上であり、例えば10質量%以下、好ましくは7質量%以下、より好ましくは5質量%以下である。
上記ポリフッ化ビニリデン(E)を固体の状態から樹脂溶液化する際は、溶媒への溶解性の観点から、予め40℃以上(好ましくは60℃以上、より好ましくは80℃以上)(上限は200℃以下、好ましくは100℃以下)の液温の溶媒と混合及び溶解して樹脂溶液化することが好ましく、樹脂溶液化の後に他の成分〔成分(A)、(B)、(C)など〕と混合することが好ましい。
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。
混合及び分散
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。
上記カーボンナノチューブ分散ペーストの固形分濃度の上限としては、通常80質量%未満であり、好ましくは50質量%未満であり、より好ましくは20質量%未満であり、さらに好ましくは10質量%未満である。下限としては、通常0.1質量%以上であり、好ましくは0.5質量%以上であり、より好ましくは1質量%以上であり、さらに好ましくは2質量%以上である。
上記混合及び分散工程において、各成分を、例えば、ペイントシェーカー、サンドミル、ボールミル、ペブルミル、LMZミル、DCPパールミル、遊星ボールミル、ホモジナイザー、二軸混練機、薄膜旋回型高速ミキサー(フィルミックス社製、商品名「クレアミックス」等)等の従来公知の分散機を用いて均一に混合、分散させることにより調製することができる。なお、各成分の混合する順序は特に限定されない。
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。
その他の成分
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。
その他の成分としては、例えば、顔料分散樹脂(A)及びポリフッ化ビニリデン(E)以外の樹脂、中和剤、消泡剤、防腐剤、防錆剤、可塑剤、カーボンナノチューブ(B)以外の顔料、脱水剤(F)等を挙げることができる。
カーボンナノチューブ(B)以外の顔料としては、例えば、前述したその他の導電性顔料(B1);チタン白、亜鉛華等の白色顔料;シアニンブルー、インダスレンブルー等の青色顔料;シアニングリーン、緑青等の緑色顔料;アゾ系やキナクリドン系等の有機赤色顔料、ベンガラ等の赤色顔料;ベンツイミダゾロン系、イソインドリノン系、イソインドリン系及びキノフタロン系等の有機黄色顔料、チタンイエロー、黄鉛等の黄色顔料等が挙げられる。これらの顔料は、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。
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。
上記カーボンナノチューブ(B)以外の顔料の含有量としては、カーボンナノチューブ分散ペースト中の全顔料100質量%を基準として、10質量以下が好ましく、5質量%以下がより好ましく、1質量%以下がさらに好ましく、実質的に含有しないことが特に好ましい。
上記カーボンナノチューブ分散ペーストの粘度としては、顔料分散性や貯蔵安定性などの観点から、せん断速度2s-1での粘度が、例えば5,000mPa・s未満、好ましくは2,500mPa・s未満、より好ましくは1,000mPa・s未満であり、例えば10mPa・s以上、好ましくは50mPa・s以上より好ましくは100mPa・s以上である。 粘度の測定は、例えば、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)を用いて測定することができる。
上記脱水剤(F)としては、脱水作用を有するものであれば公知のものを特に制限なく用いることができる。ペーストの溶媒に溶解しない固体の脱水剤でもよいし、溶媒に溶解する脱水剤でもよい。具体的には、例えば、ゼオライト、シリカゲル、酸化カルシウム、モレキュラーシーブ、活性アルミナ、酸化バリウム、水素化カルシウム、硫酸ナトリウム等の固形脱水剤;トリメチルホスフェイト、トリ-2-プロピルホスフェイト、トリブチルホスフェイト、テトライソプロピルエチレンホスホネート等のリン酸エステル;トルブチルホスフィンオキサイド、トリオクチルホスフィンオキサイド、トリフェニルホスフィンオキサイド等のホスフィンオキサイド;オルト蟻酸メチルエステル、オルト蟻酸エチルエステル、オルト酢酸メチルエステル、オルト酢酸エチルエステル、オルト安息香酸エチルエステル等のオルトエステル類;無水シュウ酸、無水酢酸、プロピオン酸無水物、酪酸無水物、安息香酸無水物、トリフルオロ酢酸無水物、二硫酸、五酸化二窒素、二リン酸、五酸化二リン、三酸化二リン、五酸化二ヒ素、三酸化二ヒ素、メタンスルホン酸無水物、トリフルオロメタンスルホン酸無水物、スルホ安息香酸無水物等の酸無水物などが挙げられ、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。
〔(リチウムイオン二次電池用)合材ペーストの製造方法〕
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。
電極活物質(G)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10質量%以上、好ましくは20質量%以上であり、通常99質量%以下、好ましくは95質量%以下であることが、電池性能の面から好適である。
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。
上記の電極活物質(G)の混合工程においては、従来公知の混合機及び分散機を用いて合材ペーストを均一に混合することができる。
上記合材ペースト固形分中の顔料分散樹脂(A)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0.01質量%以上、好ましくは0.05質量%以上であり、通常10質量%以下、好ましくは1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。
本発明の合材ペーストにおいては、合材ペーストにおける貯蔵安定性(増粘抑制)の観点から、アミン化合物(D)をカーボンナノチューブ(B)に接触させ(濡れさせ)、次いで電極活物質(G)を混合することでカーボンナノチューブ(B)と電極活物質(G)との凝集が緩和される観点から、まずカーボンナノチューブ(B)とアミン化合物(D)を混合する順序を含むことが好ましい。
本発明の合材ペースト固形分中のカーボンナノチューブ(B)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0.01質量%以上、好ましくは0.05質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上であり、通常30質量%以下、好ましくは10質量%以下、より好ましくは5質量%以下であることが電池性能の点から好適である。また、本発明の合材ペースト中のN-メチル-2-ピロリドン(C)の含有量は、合材ペーストの総量100質量%を基準として、通常1質量%以上、好ましくは4質量%以上、より好ましくは7質量%以上であり、通常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%以下であることが電極乾燥効率、ペースト粘度の点から好適である。
上記合材ペーストは、リチウムイオン二次電池電極用の正極又は負極用途に使用することが好適であり、好ましくは正極用途として使用することが好適である。
また、上記合材ペーストの水分含有量は、前述した合材ペーストの粘度上昇又はゲル化を抑制する観点から、通常10000ppm以下であり、7500ppm以下が好ましく、5000ppm以下がより好ましく、2500ppm以下がさらに好ましく、1000ppm以下が特に好ましい。
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。
電極活物質(G)
前記電極活物質(G)としては、例えば、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、マンガン酸リチウム(LiMn)、コバルト酸リチウム(LiCoO)、LiNi1/3Co1/3Mn1/3等のリチウム複合酸化物;リン酸鉄リチウム(LiFePO);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。
電極活物質の粒子径としては、通常0.5μm以上、好ましくは10.5μm以上であり、通常30μm以下、好ましくは20μm以下である。
本発明のリチウムイオン二次電池電極用合材ペースト固形分100質量%中の電極活物質(G)の固形分含有量は、通常50質量%以上、好ましくは60質量%以上であり、かつ100質量%未満であることが、電池容量、電池抵抗等の面から好適である。
合材ペースト中に上記電極活物質(G)を含有すると、貯蔵により増粘する場合がある。その理由としては、電極活物質(G)は、粒子表面に原料由来のアルカリ金属の水酸化物(例えば、LiOH、KOH、NaOHなど)を有することになるため、酸性表面を有する導電性顔料により凝集(増粘)すると考えられる。そのため、アミン化合物(D)を一定量以上含有することにより合材ペーストの貯蔵増粘を抑制することができる。
また、電極活物質(G)に含まれる水分含有量は、前述した合材ペーストの粘度上昇又はゲル化を抑制する観点から、通常10000ppm以下であり、7500ppm以下が好ましく、5000ppm以下がより好ましく、2500ppm以下がさらに好ましく、1000ppm以下が特に好ましい。
また、本発明の電極活物質(G)は、その表面の少なくとも一部をカーボンナノチューブで覆った電極活物質複合体(G-1)を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。
リチウムイオン二次電池用電極層の製法
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。
また、本発明の製造方法で得られたカーボンナノチューブ分散ペーストの用途としては、合材層(電極層)のペーストとして用いる以外に、電極芯材と合材層(電極層)との間のプライマー層(機能層、接着層ともいわれる)としても用いることができる。
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。
上記乾燥工程でN-メチル-2-ピロリドン(C)及びアミン化合物(D)の全部又は一部が揮発するが、前述した通り、廃棄物削減、環境対応、及び/又はコスト削減のために、揮発した成分(C)及び成分(D)を回収・再利用することが好ましい。
また、リチウムイオン二次電池においては、電極層中に水分をはじめとする不純物が存在するとサイクル寿命が低下するという問題点がある。すなわち、カーボンナノチューブ分散ペーストや合材ペーストに規定以上の水分が含有されていたり、電極層の製造工程において乾燥が不十分であったりすると、電極層中に水分が残存し、電池のサイクル特性を劣化させる要因になる。上記電極層中の水分含有量としては、通常1000ppm未満であり、750ppm未満が好ましく、500ppm未満がより好ましく、250ppm未満がさらに好ましく、100ppm未満が特に好ましい。
また、前述した通り、合材ペーストを集電体上に塗工及び加熱乾燥した場合に、N-メチル-2-ピロリドン(C)及びアミン化合物(D)等を含む蒸気を回収して混合溶液を製造し、次いで蒸留によりN-メチル-2-ピロリドン(C)以外の不純物をできる限り除去・分離して、N-メチル-2-ピロリドン(C)の再生品を製造することが好ましい。
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。
上記再生品を製造する不純物の除去・分離方法としては、それ自体公知の方法で行うことができ、例えば、特開平10-310795号公報で開示されている方法等(具体的には、濾過、蒸留、酸性物質との接触等)が挙げられる。これらは一種を単独で又は二種以上組み合わせて行うことができ、また複数回繰り返すことができる。
以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら特定の実施形態に限定されるものではない。各例中の「部」は質量部、「%」は質量%を示す。
[分散樹脂の製造]
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。
製造例2
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。
Figure 0007565475000001
上記表1中のモノマー種の略称は下記の通りである。
・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。
[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製造]
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。
Figure 0007565475000002
上記カーボンナノチューブは多層カーボンナノチューブである。
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。
実施例2A~5A、比較例1A~4A
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。
Figure 0007565475000003
上記表3の分散樹脂の配合量は固形分の値である。
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6A~9A
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。
実施例1B
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LiNi0.5Mn1.5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0.7m/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。
実施例2B~5B、比較例1B~4B
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。
Figure 0007565475000004
実施例6B~9B
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。
Figure 0007565475000005
<メディアン径(D50)>
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。
(水分散媒の調製)
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。
(CMCNa水溶液の調製)
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。
(測定前処理)
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。
[測定]
<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G/D比>
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。
<比表面積(BET比表面積)>
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(m/g)を測定した。
<カーボンナノチューブ(CNT)の酸性基量>
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。
評価試験
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。
<分散性>
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。
<貯蔵安定性>
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。
<リサイクル性>
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。
[電池用電極層の製造]
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/cm(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。
また、上記工程で加熱乾燥した際に蒸発した蒸気を回収して回収溶液(混合溶液)を得た。
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)

  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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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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