JPWO2011002057A1 - 二次電池用正極及び二次電池 - Google Patents

二次電池用正極及び二次電池 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2011002057A1
JPWO2011002057A1 JP2011520977A JP2011520977A JPWO2011002057A1 JP WO2011002057 A1 JPWO2011002057 A1 JP WO2011002057A1 JP 2011520977 A JP2011520977 A JP 2011520977A JP 2011520977 A JP2011520977 A JP 2011520977A JP WO2011002057 A1 JPWO2011002057 A1 JP WO2011002057A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
structural unit
binder
positive electrode
parts
monomer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2011520977A
Other languages
English (en)
Other versions
JP5534245B2 (ja
Inventor
脇坂 康尋
康尋 脇坂
庸介 薮内
庸介 薮内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zeon Corp
Original Assignee
Zeon Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zeon Corp filed Critical Zeon Corp
Priority to JP2011520977A priority Critical patent/JP5534245B2/ja
Publication of JPWO2011002057A1 publication Critical patent/JPWO2011002057A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5534245B2 publication Critical patent/JP5534245B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621Binders
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621Binders
    • H01M4/622Binders being polymers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

【課題】高い出力特性、サイクル特性及び安全性を達成可能な二次電池用正極を提供する。【解決手段】本発明に係る二次電池用正極は、集電体と、前記集電体上に積層され、マンガンを含む正極活物質及びバインダーを含有してなる電極活物質層とからなり、前記バインダーが、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位及び架橋性基を有するモノマーの構造単位を含み、バインダーにおける前記酸成分を有するビニルモノマーの構造単位の含有割合が1.0〜3.0質量%であり、前記架橋性基を有するモノマーの構造単位としてアリルアクリレートの構造単位又はアリルメタクリレートの構造単位を含有することを特徴としている。【選択図】なし

Description

本発明は、二次電池用正極に関し、さらに詳しくはリチウムイオン二次電池などに用いられる、高いレート特性とサイクル特性を有する二次電池用正極に関する。また本発明は、かかる電極を有する二次電池に関する。
実用化されている電池の中でも、リチウムイオン二次電池は最も高いエネルギー密度を示し、特に小型エレクトロニクス用に多く使用されている。また、小型用途に加えて自動車用途への展開も期待されている。その中で、リチウムイオン二次電池の高出力化や、サイクル特性などの信頼性のさらなる向上が要望されている。
リチウムイオン二次電池の構成材料である正極活物質は、主流として用いられているコバルト系活物質の価格高騰及び埋蔵量に限りがあるといった点から、安価なマンガン、ニッケルを含有する活物質への移行が進んでいる。
しかし、今後主流となることが予想されるマンガン系活物質においては、高温、特に40℃以上において、充放電を繰り返すとマンガンイオンが電解液中に溶出し、結果として電池容量が低下することが大きな課題となっている。
また、正極から溶出したマンガンイオンが負極表面において還元され析出することにより、樹状の金属析出物を形成し、これがセパレータを破損することで、電池としての安全性が低下することも大きな問題とされていた。
また、リチウムイオン二次電池に用いられる電極は、通常、電極活物質層が集電体に積層された構造を有しており、前記電極活物質層には、電極活物質の他に電極活物質同士及び電極活物質と集電体とを結着させるため結着剤が用いられている。リチウムイオン二次電池用電極、特に正極用結着剤として、フッ素系樹脂(PVDF)や合成ゴム系重合体粒子型結着剤が提案されている。
合成ゴム系重合体粒子型結着剤としては、(メタ)アクリレート系軟質重合体などが開示されている(特許文献1〜3を参照)。しかしながら、マンガン系活物質を正極活物質として用いた場合には、先に述べたようなに電池容量の劣化が生じるといった問題があった。また、溶出したマンガンイオンが負極表面に樹状析出することにより、電池の安全性が低下するという問題があった。
特開平8−287915号公報(対応米国特許第5595841号明細書) 特開平11−149929号公報 特開2002−110169号公報(対応米国特許6656633号明細書)
本発明者らの検討によれば、合成ゴム系重合体粒子中に酸成分を有するビニルモノマー単位を含ませることにより、正極活物質より溶出した金属イオン(マンガンイオン)を捕捉する効果があり、得られる電池のサイクル特性および安全性が向上することを発見した。
特許文献1〜3の方法においても、合成ゴム系重合体粒子中に酸成分を有するビニルモノマーを共重合できる旨記載されているが、本発明者らは、前記酸成分を有するビニルモノマーの量によっては、正極活物質より溶出したマンガンイオンの捕捉効果のみでなく、電池内のリチウムイオンを捕捉する効果が生じ、電池容量及び出力特性が低下するという問題が生じることをさらに見出した。また、架橋性基を有するモノマーの構造単位の種類によっては、電解液への膨潤性が十分でなく、これを用いた電池のサイクル特性、特に高温サイクル特性が低下することも見出した。
従って、本発明の目的は、得られる電池が高い出力特性、高温サイクル特性及び安全性を達成可能なリチウムイオン二次電池用電極を提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討の結果、マンガンを含有する正極活物質と、バインダーとを少なくとも含むリチウムイオン二次電池用電極において、前記バインダーとして、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位及び架橋性基を有するモノマーの構造単位を含み、かつ酸成分を有するビニルモノマーの構造単位を特定割合含有し、特定の架橋性基を有するモノマーの構造単位を含有するものを用いることによって、得られる電池が高い出力特性と、高いサイクル特性及び安全性を有する、リチウムイオン二次電池用正極を作製することが可能となることを見出し、それに基づき本発明を完成するに至った。
上記課題を解決する本発明は、下記事項を要旨として含む。
(1)集電体と、前記集電体上に積層され、マンガンを含む正極活物質及びバインダーを含有してなる電極活物質層とからなり、
前記バインダーが、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位及び架橋性基を有するモノマーの構造単位を含み、
バインダーにおける前記酸成分を有するビニルモノマーの構造単位の含有割合が1.0〜3.0質量%であり、
前記架橋性基を有するモノマーの構造単位としてアリルアクリレートの構造単位又はアリルメタクリレートの構造単位を含有することを特徴とする二次電池用正極。
(2) 前記正極活物質中のマンガン含有量が10〜80質量%である(1)に記載の二次電池用正極。
(3)前記バインダーにおける前記アリルアクリレートの構造単位又はアリルメタクリレートの構造単位の含有割合が0.05〜2.0質量%である(1)又は(2)に記載の二次電池用正極。
(4)前記バインダーにおけるα,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位の含有割合が、3〜40質量%である(1)〜(3)のいずれかに記載の二次電池用正極。
(5)前記バインダーにおける前記酸成分を有するビニルモノマーが、酸成分としてカルボン酸基を有するビニルモノマーである(1)〜(4)のいずれかに記載の二次電池用正極。
(6)正極、電解液、セパレーター及び負極を有する二次電池であって、
前記正極が、(1)〜(5)のいずれかに記載の二次電池用正極である二次電池。
本発明によれば、マンガンを含有する正極活物質およびバインダーを含有する二次電池用電極において、充放電サイクル時のマンガンイオンの溶出によるサイクル特性劣化と、安全性の低下が起こるという問題に対して、バインダー中に1.0〜3.0質量%の酸成分を有するビニルモノマーの構造単位を含ませ、かつ架橋性基を有するモノマーの構造単位としてアリルアクリレートから導かれる構造単位又はアリルメタクリレートから導かれる構造単位を含ませることによって、得られる電池が高いサイクル特性、高い出力特性及び安全性を有する、リチウムイオン二次電池用電極が作製できる。
以下に本発明を詳述する。
本発明の二次電池用正極は、集電体と、集電体上に積層され、マンガンを含む正極活物質及びバインダーを含有してなる電極活物質層とからなり、前記バインダーが(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位及び架橋性基を有するモノマーの構造単位を含み、バインダーにおける前記酸成分を有するビニルモノマーの構造単位が1.0〜3.0質量%であり、前記架橋性基を有するモノマーの構造単位としてアリルアクリレートの構造単位又はアリルメタクリレートの構造単位を含有することを特徴とする。なお、以下の説明では、アリルアクリレートおよびアリルメタクリレートを単に「アリル(メタ)アクリレート」と略記することがある。
(正極活物質)
本発明で用いられる正極活物質としては、マンガンを含み可逆的にリチウムイオンを挿入・放出できれば特に制限されないが、中でもリチウム含有遷移金属酸化物が好ましい。
マンガンを含むリチウム含有遷移金属酸化物の構造は、特に限定はされないが、層状構造、スピネル構造、オリビン型構造などが挙げられる。
層状構造を有するリチウム含有複合金属酸化物としては、LiMnOやMnの一部を他の遷移金属で置換したLi[Mn1−y]O(ここでx=0.02〜1.2、0<y<1、Mは、Cr、Fe、Co、Ni、Cu等)等が挙げられる。
スピネル構造を有するリチウム含有複合金属酸化物としては、LiMnやMnの一部を他の遷移金属で置換したLi[Mn2−y]O(ここでx=0.02〜1.2、0<y<2、Mは、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、V等)等が挙げられる。
オリビン型構造を有するリチウム含有複合金属酸化物としてはLiMnPOやMnの一部を他の遷移金属で置換したLiMnyM1−yPO(ここでx=0.02〜1.2、0<y<1、Mは、Fe,Co,Ni,Cu,Mg,Zn,V,Ca,Sr,Ba,Ti,Al,Si,B及びMoから選ばれる少なくとも1種)であらわされるオリビン型燐酸リチウム化合物が挙げられる。
これらの中でも特にMnイオンの溶出によるサイクル劣化が起こりやすい層状構造を有するLiMnOとその置換物、スピネル構造を有するLiMnとその置換物が、最も好ましくはスピネル構造を有するLiMnとその置換物が、本発明のバインダーを用いた際にサイクル特性の向上効果が大きい。
本発明においては、上記正極活物質を2種以上使用してもよく、またマンガンを含有する正極活物質とマンガンを含有しない正極活物質の混合であっても構わない。
更にはマンガンの含有量が多いほどMnイオンの溶出によるサイクル劣化が起こりやすく、本発明のバインダーを用いた際のサイクル特性の向上効果が大きい。本発明において、正極活物質中のマンガン含有量は、好ましくは10〜80質量%であり、更に好ましくは15〜65質量%である。正極活物質中のマンガン含有量を、前記範囲にすることにより、本発明における酸成分によるマンガンイオンの捕捉効果が顕著に現れる。
本発明の二次電池用電極の電極活物質層中に含まれる正極活物質の量は、50〜99重量%であり、更に好ましくは、70〜99重量%であり、最も好ましい範囲は、80〜99重量%である。
(バインダー)
本発明の二次電池用正極は、バインダー中に、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位及び架橋性基を有するモノマーの構造単位を含む。具体的には、前記バインダーとしての重合体中に、前記各構造単位を含むことを特徴とする。本発明において、(メタ)アクリル酸は、アクリル酸、メタクリル酸のことを、(メタ)アリルは、アリル、メタアリルのことを、(メタ)アクリロイルは、アクリロイル、メタアクリロイルのことを、それぞれ示す。
本発明において(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位を誘導する単量体としては、メチルアクリレート、エチルアクリレート、n−プロピルアクリレート、イソプロピルアクリレート、n−ブチルアクリレート、t−ブチルアクリレート、ペンチルアクリレート、ヘキシルアクリレート、ヘプチルアクリレート、オクチルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、ノニルアクリレート、デシルアクリレート、ラウリルアクリレート、n−テトラデシルアクリレート、ステアリルアクリレートなどのアクリル酸アルキルエステル;メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、n−プロピルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、n−ブチルメタクリレート、t−ブチルメタクリレート、ペンチルメタクリレート、ヘキシルメタクリレート、ヘプチルメタクリレート、オクチルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、ノニルメタクリレート、デシルメタクリレート、ラウリルメタクリレート、n−テトラデシルメタクリレート、ステアリルメタクリレートなどのメタクリル酸アルキルエステルが挙げられる。
これらの中でも、電解液に溶出せずに電解液への適度な膨潤によるリチウムイオンの伝導性を示すこと、加えて活物質の分散においてポリマーによる橋架け凝集を起こしにくいことから、非カルボニル性酸素原子に結合するアルキル基の炭素数が7〜13のアクリル酸アルキルエステルである、ヘプチルアクリレート、オクチルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、ノニルアクリレート、デシルアクリレート、ラウリルアクリレートが好ましく、非カルボニル性酸素原子に結合するアルキル基の炭素数が8〜10のオクチルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、ノニルアクリレートがより好ましい。
本発明において酸成分を有するビニルモノマーの構造単位を誘導する単量体として好ましいものとしては、−COOH基(カルボン酸基)を有する重合性単量体、−OH基(水酸基)を有する重合性単量体、−SOH基(スルホン酸基)を有する重合性単量体、−PO基を有する重合性単量体、−PO(OH)(OR)基(Rは炭化水素基を表す)を有する重合性単量体、及び低級ポリオキシアルキレン基を有する重合性単量体、及び加水分解によりカルボン酸基を生成する重合性単量体が挙げられる。
カルボン酸基を有する重合性単量体としては、モノカルボン酸及びその誘導体やジカルボン酸、及びこれらの誘導体などが挙げられる。モノカルボン酸としては、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸などが挙げられる。モノカルボン酸誘導体としては、2−エチルアクリル酸、イソクロトン酸、α―アセトキシアクリル酸、β−trans−アリールオキシアクリル酸、α−クロロ−β−E−メトキシアクリル酸、β−ジアミノアクリル酸などが挙げられる。ジカルボン酸としては、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸などが挙げられる。ジカルボン酸誘導体としては、メチルマレイン酸、ジメチルマレイン酸、フェニルマレイン酸、クロロマレイン酸、ジクロロマレイン酸、フルオロマレイン酸などマレイン酸メチルアリル、マレイン酸ジフェニル、マレイン酸ノニル、マレイン酸デシル、マレイン酸ドデシル、マレイン酸オクタデシル、マレイン酸フルオロアルキルなどのマレイン酸モノエステル;が挙げられる。
水酸基を有する重合性単量体としては、(メタ)アリルアルコール、3−ブテン−1−オール、5−ヘキセン−1−オールなどのエチレン性不飽和アルコール;アクリル酸−2−ヒドロキシエチル、アクリル酸−2−ヒドロキシプロピル、メタクリル酸−2−ヒドロキシエチル、メタクリル酸−2−ヒドロキシプロピル、マレイン酸−ジ−2−ヒドロキシエチル、マレイン酸ジ−4−ヒドロキシブチル、イタコン酸ジ−2−ヒドロキシプロピルなどのエチレン性不飽和カルボン酸のアルカノールエステル類;一般式CH=CR−COO−(C2nO)−H(mは2ないし9の整数、nは2ないし4の整数、Rは水素またはメチル基を表す)で表されるポリアルキレングリコールと(メタ)アクリル酸とのエステル類;2−ヒドロキシエチル−2’−(メタ)アクリロイルオキシフタレート、2−ヒドロキシエチル−2’−(メタ)アクリロイルオキシサクシネートなどのジカルボン酸のジヒドロキシエステルのモノ(メタ)アクリル酸エステル類;2−ヒドロキシエチルビニルエーテル、2−ヒドロキシプロピルビニルエーテルなどのビニルエーテル類;(メタ)アリル−2−ヒドロキシエチルエーテル、(メタ)アリル−2−ヒドロキシプロピルエーテル、(メタ)アリル−3−ヒドロキシプロピルエーテル、(メタ)アリル−2−ヒドロキシブチルエーテル、(メタ)アリル−3−ヒドロキシブチルエーテル、(メタ)アリル−4−ヒドロキシブチルエーテル、(メタ)アリル−6−ヒドロキシヘキシルエーテルなどのアルキレングリコールのモノ(メタ)アリルエーテル類;ジエチレングリコールモノ(メタ)アリルエーテル、ジプロピレングリコールモノ(メタ)アリルエーテルなどのポリオキシアルキレングリコール(メタ)モノアリルエーテル類;グリセリンモノ(メタ)アリルエーテル、(メタ)アリル−2−クロロ−3−ヒドロキシプロピルエーテル、(メタ)アリル−2−ヒドロキシ−3−クロロプロピルエーテルなどの、(ポリ)アルキレングリコールのハロゲン及びヒドロキシ置換体のモノ(メタ)アリルエーテル;オイゲノール、イソオイゲノールなどの多価フェノールのモノ(メタ)アリルエーテル及びそのハロゲン置換体;(メタ)アリル−2−ヒドロキシエチルチオエーテル、(メタ)アリル−2−ヒドロキシプロピルチオエーテルなどのアルキレングリコールの(メタ)アリルチオエーテル類;などが挙げられる。
スルホン酸基を有する重合性単量体としては、ビニルスルホン酸、メチルビニルスルホン酸、(メタ)アリルスルホン酸、スチレンスルホン酸、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、3−アリロキシ−2−ヒドロキシプロパンスルホン酸などが挙げられる。
−PO基及び/又は−PO(OH)(OR)基(Rは炭化水素基を表す)を有する重合性単量体としては、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。
低級ポリオキシアルキレン基含基を含有する重合性単量体としては、ポリ(エチレンオキシド)等のポリ(アルキレンオキシド)などが挙げられる。
加水分解によりカルボン酸基を生成する重合性単量体としては、無水マレイン酸、アクリル酸無水物、メチル無水マレイン酸、ジメチル無水マレイン酸などのジカルボン酸の酸無水物が挙げられる。
これらの中でも、集電体への密着性に優れること及び、正極活物質から溶出したマンガンイオンを効率良く捕捉するという理由からカルボン酸基を有する重合性単量体が好ましく、中でも、アクリル酸、メタクリル酸などのカルボン酸基を有する炭素数5以下のモノカルボン酸や、マレイン酸、イタコン酸などのカルボン酸基を2つ有する炭素数5以下のジカルボン酸が好ましい。さらには、作製したバインダーの保存安定性が高いという観点から、アクリル酸やメタクリル酸が好ましい。
本発明においてα,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位として好ましいものとしては、アクリロニトリル、メタクリロニトリルなどが挙げられる。
本発明において、バインダーにおける各構造単位の含有割合は、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位(以下「成分A」と表すことがある。)が50質量%以上95質量%以下、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位(以下、「成分B」と表すことがある。)が3質量%以上40質量%以下、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位(以下、「成分C」と表すことがある。)が1.0質量%以上3.0質量%以下であることが好ましい。前記含有割合は、更に前記成分Aが60質量%以上90質量%以下、前記成分Bが5質量%以上30質量%以下、前記成分Cが1.5質量%以上2.5質量%以下であることがより好ましい。
バインダーにおける酸成分を有するビニルモノマーの構造単位の含有割合が、前記範囲であることが好ましい理由としては、バインダーにおける酸成分を有するビニルモノマーの構造単位の含有割合が1.0質量%よりも少ないと、正極活物質から溶出したマンガンイオンの捕捉力が不十分になり、またバインダーとしての結着性が不足し、活物質の集電体からの脱落等が生じる。また、バインダーにおける酸成分を有するビニルモノマーの構造単位の含有割合が逆に3.0質量%より多いと、酸成分が電池内のリチウムイオンを捕捉してしまい、出力特性およびサイクル特性が悪化する。
本発明で用いるバインダーは、上記の成分A,成分B,成分C以外に、更に架橋性基を有するモノマーの構造単位としてアリル(メタ)アクリレートから導かれる構造単位を含有する。
本発明で用いるバインダーが、アリル(メタ)アクリレートの構造単位を含有することにより、少量で架橋密度を高くすることができる。また、架橋密度を高くすることにより、バインダーの電解液に対する膨潤性を低くすることができ、得られる二次電池の寿命特性を向上することができる。
バインダー中のアリル(メタ)アクリレートの構造単位の含有割合は、重合時のアリル(メタ)アクリレート量として、単量体全量100質量%に対して、好ましくは0.05〜2.0質量%、更に好ましくは0.1〜1.0質量%の範囲である。バインダー中のアリル(メタ)アクリレートの構造単位の含有割合は、バインダーを製造する時の単量体仕込み比により制御できる。バインダー中のアリル(メタ)アクリレートの構造単位の含有割合が、上記範囲内にあることで適度な電解液に対する膨潤性を示すことができ、優れたレート特性及びサイクル特性を示すことができる。
本発明に用いるバインダーは、上記の成分以外に他のモノマーの構造単位を含んでいてもよい。他のモノマーの構造単位とは、他のビニルモノマーに由来する繰り返し単位であり、例えば、これらと共重合可能な単量体としては、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレートなどの2つ以上の炭素−炭素二重結合を有するカルボン酸エステル類;塩化ビニル、塩化ビニリデン等のハロゲン原子含有単量体; 酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、等のビニルエステル類;メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、ブチルビエルエーテル等のビニルエーテル類;メチルビニルケトン、エチルビニルケトン、ブチルビニルケトン、ヘキシルビニルケトン、イソプロペニルビニルケトン等のビニルケトン類;N−ビニルピロリドン、ビニルピリジン、ビニルイミダゾール等の複素環含有ビニル化合物;アクリルアミド、N−メチロールアクリルアミドなどのアミド系単量体;が挙げられる。
本発明に用いるバインダーは、分散媒に分散された分散液または溶解された溶液の状態で使用される。その中でも分散媒に粒子状で分散していることが電解液の膨潤性を抑制するという理由から好ましい。
バインダーが分散媒に粒子状で分散している場合において、粒子状で分散しているバインダーの平均粒径は、50nm〜500nmが好ましく、70nm〜400nmがさらに好ましく、最も好ましくは100nm〜250nmである。バインダーの平均粒径がこの範囲であると得られる電極の強度および柔軟性が良好となる。また、分散媒としては有機溶媒や水が用いられるが、中でも乾燥速度が速いという理由から分散媒として水を利用することが好ましい。
バインダーが分散媒に粒子状で分散している場合において、分散液の固形分濃度は、通常15〜70質量%であり、20〜65質量%が好ましく、30〜60質量%がさらに好ましい。固形分濃度がこの範囲であると電極用スラリー製造における作業性が良好である。
本発明に用いるバインダーのガラス転移温度(Tg)は、好ましくは−50〜25℃、より好ましくは−45〜15℃、特に好ましくは−40〜5℃である。バインダーのTgが上記範囲にあることにより、優れた強度と柔軟性を有し、高い出力特性の二次電池用電極を得ることができる。なお、バインダーのガラス転移温度は、様々な単量体を組み合わせることによって調製可能である。
本発明に用いるバインダーである重合体の製造方法は特に限定はされず、溶液重合法、懸濁重合法、塊状重合法、乳化重合法などのいずれの方法も用いることができる。重合方法としては、イオン重合、ラジカル重合、リビングラジカル重合などいずれの方法も用いることができる。重合に用いる重合開始剤としては、たとえば過酸化ラウロイル、ジイソプロ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、t−ブチルパーオキシピバレート、3,3,5−トリメチルヘキサノイルパーオキサイドなどの有機過酸化物、α,α’−アゾビスイソブチロニトリルなどのアゾ化合物、または過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウムなどがあげられる。
本発明に用いるバインダーにおいては、これらの重合法において用いられる分散剤は、通常の合成で使用されるものでよく、具体例としては、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ドデシルフェニルエーテルスルホン酸ナトリウムなどのベンゼンスルホン酸塩;ラウリル硫酸ナトリウム、テトラドデシル硫酸ナトリウムなどのアルキル硫酸塩;ジオクチルスルホコハク酸ナトリウム、ジヘキシルスルホコハク酸ナトリウムなどのスルホコハク酸塩;ラウリン酸ナトリウムなどの脂肪酸塩;ポリオキシエチレンラウリルエーテルサルフェートナトリウム塩、ポリオキシエチレンノニルフェニルエ−テルサルフェートナトリウム塩などのエトキシサルフェート塩;アルカンスルホン酸塩;アルキルエーテルリン酸エステルナトリウム塩;ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンソルビタンラウリルエステル、ポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレンブロック共重合体などの非イオン性乳化剤;ゼラチン、無水マレイン酸−スチレン共重合体、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸ナトリウム、重合度700以上かつケン化度75%以上のポリビニルアルコールなどの水溶性高分子などが例示され、これらは単独でも2種類以上を併用して用いても良い。これらの中でも好ましくは、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ドデシルフェニルエーテルスルホン酸ナトリウムなどのベンゼンスルホン酸塩;ラウリル硫酸ナトリウム、テトラドデシル硫酸ナトリウムなどのアルキル硫酸塩であり、更に好ましくは、耐酸化性に優れるという点から、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ドデシルフェニルエーテルスルホン酸ナトリウムなどのベンゼンスルホン酸塩である。分散剤の添加量は任意に設定でき、モノマー総量100質量部に対して通常0.01〜10質量部程度である。
本発明に用いるバインダーが分散媒に分散している時のpHは、5〜13が好ましく、更には5〜12、最も好ましくは10〜12である。バインダーのpHが上記範囲にあることにより、バインダーの保存安定性が向上し、さらには、機械的安定性が向上する。
バインダー分散液のpHを調整するpH調整剤は、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化バリウムなどのアルカリ土類金属酸化物、水酸化アルミニウムなどの長周期律表でIIIA属に属する金属の水酸化物などの水酸化物;炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどのアルカリ金属炭酸塩、炭酸マグネシウムなどのアルカリ土類金属炭酸塩などの炭酸塩;などが例示され、有機アミンとしては、エチルアミン、ジエチルアミン、プロピルアミンなどのアルキルアミン類;モノメタノールアミン、モノエタノールアミン、モノプロパノールアミンなどのアルコールアミン類;アンモニア水などのアンモニア類;などが挙げられる。これらのなかでも、結着性や操作性の観点からアルカリ金属水酸化物が好ましく、特に水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウムが好ましい。
正極活物質層中のバインダーの含有量は、正極活物質100質量部に対して0.1〜10質量部、更に好ましくは0.5〜5質量部である。二次電池正極中のバインダーの含有量が前記範囲にあることで、正極活物質同士及び集電体への結着性に優れ更に柔軟性を維持しながらも、Liの移動を阻害せず抵抗が増大することがない。
(集電体)
本発明に用いられる集電体は、電気導電性を有しかつ電気化学的に耐久性のある材料であれば特に制限されないが、耐熱性を有するとの観点から、例えば、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、タンタル、金、白金などの金属材料が好ましい。中でも、リチウムイオン二次電池の正極用としてはアルミニウムが特に好ましい。集電体の形状は特に制限されないが、厚さ0.001〜0.5mm程度のシート状のものが好ましい。集電体は、正極活物質層の接着強度を高めるため、予め粗面化処理して使用するのが好ましい。粗面化方法としては、機械的研磨法、電解研磨法、化学研磨法などが挙げられる。機械的研磨法においては、研磨剤粒子を固着した研磨布紙、砥石、エメリバフ、鋼線などを備えたワイヤーブラシ等が使用される。また、正極活物質層の接着強度や導電性を高めるために、集電体表面に中間層を形成してもよい。
本発明に用いる正極活物質層には、上記成分のほかに、さらに導電性付与材、補強材、分散剤、レベリング剤、酸化防止剤、増粘剤、電解液分解抑制等の機能を有する電解液添加剤、その他結着剤等の、他の成分が含まれていてもよく、後述の二次電池正極用スラリー中に含まれていてもよい。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ない。
導電付与材としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンブラック、グラファイト、気相成長カーボン繊維、カーボンナノチューブ等の導電性カーボンを使用することができる。黒鉛などの炭素粉末、各種金属のファイバーや箔などが挙げられる。導電性付与材を用いることにより電極活物質同士の電気的接触を向上させることができ、特にリチウムイオン二次電池に用いる場合に放電負荷特性を改善したりすることができる。補強材としては、各種の無機および有機の球状、板状、棒状または繊維状のフィラーが使用できる。補強材を用いることにより強靭で柔軟な電極を得ることができ、優れた長期サイクル特性を示すことができる。導電性付与材や補強剤の使用量は、電極活物質100質量部に対して通常0.01〜20質量部、好ましくは1〜10質量部である。前記範囲に含まれることにより、高い容量と高い負荷特性を示すことができる。
分散剤としてはアニオン性化合物、カチオン性化合物、非イオン性化合物、高分子化合物が例示される。分散剤は用いる電極活物質や導電性付与剤に応じて選択される。正極活物質層中の分散剤の含有割合は、好ましくは0.01〜10質量%である。分散剤量が上記範囲であることにより後述する正極用スラリーの安定性に優れ、平滑な電極を得ることができ、高い電池容量を示すことができる。
レベリング剤としてはアルキル系界面活性剤、シリコン系界面活性剤、フッ素系界面活性剤、金属系界面活性剤などの界面活性剤が挙げられる。前記界面活性剤を混合することにより、塗工時に発生するはじきを防止したり、電極の平滑性を向上させることができる。正極活物質層中のレベリング剤の含有割合は、好ましくは0.01〜10質量%である。レベリング剤が上記範囲であることにより電極作製時の生産性、平滑性及び電池特性に優れる。
酸化防止剤としてはフェノール化合物、ハイドロキノン化合物、有機リン化合物、硫黄化合物、フェニレンジアミン化合物、ポリマー型フェノール化合物等が挙げられる。ポリマー型フェノール化合物は、分子内にフェノール構造を有する重合体であり、重量平均分子量が200〜1000、好ましくは600〜700のポリマー型フェノール化合物が好ましく用いられる。正極活物質層中の酸化防止剤の含有割合は、好ましくは0.01〜10質量%、更に好ましくは0.05〜5質量%である。酸化防止剤が上記範囲であることにより後述する正極用スラリーの安定性、電池容量及びサイクル特性に優れる。
増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなどのセルロース系ポリマーおよびこれらのアンモニウム塩並びにアルカリ金属塩;(変性)ポリ(メタ)アクリル酸およびこれらのアンモニウム塩並びにアルカリ金属塩;(変性)ポリビニルアルコール、アクリル酸又はアクリル酸塩とビニルアルコールの共重合体、無水マレイン酸又はマレイン酸もしくはフマル酸とビニルアルコールの共重合体などのポリビニルアルコール類;ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、変性ポリアクリル酸、酸化スターチ、リン酸スターチ、カゼイン、各種変性デンプン、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体水素化物などが挙げられる。増粘剤の使用量がこの範囲であると、塗工性や、電極や有機セパレーターとの密着性が良好である。本発明において、「(変性)ポリ」は「未変性ポリ」又は「変性ポリ」を意味し、「(メタ)アクリル」は、「アクリル」又は「メタアクリル」を意味する。正極活物質層中の増粘剤の含有割合は、好ましくは0.01〜10質量%である。増粘剤が上記範囲であることにより、後述する正極用スラリー中の活物質等の分散性に優れ、平滑な電極を得ることができ、優れた負荷特性及びサイクル特性を示す。
電解液添加剤は、後述する正極用スラリー中及び電解液中に使用されるビニレンカーボネートなどを用いることができる。正極活物質層中の電解液添加剤の含有割合は、好ましくは0.01〜10質量%である。電解液添加剤が上記範囲であることによりサイクル特性及び高温特性に優れる。その他には、フュームドシリカやフュームドアルミナなどのナノ微粒子が挙げられる。前記ナノ微粒子を混合することにより電極形成用スラリーのチキソ性をコントロールすることができ、さらにそれにより得られる電極のレベリング性を向上させることができる。正極活物質層中のナノ微粒子及の含有割合は、好ましくは0.01〜10質量%である。ナノ微粒子が上記範囲であることによりスラリー安定性、生産性に優れ、高い電池特性を示す。
本発明の二次電池用正極を製造する方法としては、前記集電体の少なくとも片面、好ましくは両面に正極活物質層を層状に結着させる方法であればよい。例えば、後述する正極用スラリーを集電体に塗布、乾燥し、次いで、120℃以上で1時間以上加熱処理して電極を形成する。正極用スラリーを集電体へ塗布する方法は特に制限されない。例えば、ドクターブレード法、ジップ法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法、ハケ塗り法などの方法が挙げられる。乾燥方法としては例えば温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、(遠)赤外線や電子線などの照射による乾燥法が挙げられる。
次いで、金型プレスやロールプレスなどを用い、加圧処理により電極の空隙率を低くすることが好ましい。空隙率の好ましい範囲は5%〜15%、より好ましくは7%〜13%である。空隙率が高すぎると充電効率や放電効率が悪化する。空隙率が低すぎる場合は、高い体積容量が得難かったり、電極が剥がれ易く不良を発生し易いといった問題を生じる。さらに、硬化性の重合体を用いる場合は、硬化させることが好ましい。
本発明の二次電池用正極の厚みは、通常5〜300μmであり、好ましくは10〜250μmである。電極厚みが上記範囲にあることにより、負荷特性及びエネルギー密度共に高い特性を示す。
(二次電池正極用スラリー)
本発明に用いる二次電池正極用スラリーは、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位及び架橋性基を有するモノマーの構造単位を含むバインダー、マンガンを含む正極活物質並びに溶媒を含む。(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位及び架橋性基を有するモノマーの構造単位を含むバインダー、正極活物質としては、二次電池用正極で説明したものを用いる。
(溶媒)
溶媒としては、本発明に用いるバインダーを均一に溶解または分散し得るものであれば特に制限されない。
正極用スラリーに用いる溶媒としては、水および有機溶媒のいずれも使用できる。有機溶媒としては、シクロペンタン、シクロヘキサンなどの環状脂肪族炭化水素類;トルエン、キシレン、エチルベンゼンなどの芳香族炭化水素類;アセトン、エチルメチルケトン、ジソプロピルケトン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサンなどのケトン類;メチレンクロライド、クロロホルム、四塩化炭素など塩素系脂肪族炭化水素;酢酸エチル、酢酸ブチル、γ−ブチロラクトン、ε−カプロラクトンなどのエステル類;アセトニトリル、プロピオニトリルなどのアシロニトリル類;テトラヒドロフラン、エチレングリコールジエチルエーテルなどのエーテル類:メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのアルコール類;N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミドなどのアミド類があげられる。
これらの溶媒は、単独で使用しても、これらを2種以上混合して混合溶媒として使用してもよい。これらの中でも特に、本発明の重合体の溶解性に優れ、電極活物質及び導電性付与剤の分散性にすぐれ、沸点が低く揮発性が高い溶媒が、短時間でかつ低温で除去できるので好ましい。アセトン、トルエン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、テトラヒドロフラン、シクロヘキサン、キシレン、水、若しくはN−メチルピロリドン、またはこれらの混合溶媒が好ましい。また、本発明の効果が、バインダーとして水分散型粒子状高分子を用いた時に顕著に見られることから、特に溶媒として水が好ましい。
本発明に用いる二次電池正極用スラリーの固形分濃度は、塗布、浸漬が可能な程度でかつ、流動性を有する粘度になる限り特に限定はされないが、一般的には10〜80質量%程度である。
また、二次電池正極用スラリーには、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位及び架橋性基を有するモノマーの構造単位を含むバインダー、マンガンを含む正極活物質並びに溶媒のほかに、さらに前述の二次電池用正極中に使用される分散剤や電解液分解抑制等の機能を有する電解液添加剤等の他の成分が含まれていてもよい。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ない。
(二次電池用正極用スラリー製法)
本発明においては、二次電池正極用スラリーの製法は、特に限定はされず、前記バインダー、電極活物質、及び溶媒と必要に応じ添加される他の成分を混合して得られる。
本発明においては上記成分を用いることにより混合方法や混合順序にかかわらず、電極活物質と導電性付与剤が高度に分散された正極用スラリーを得ることができる。混合装置は、上記成分を均一に混合できる装置であれば特に限定されず、ビーズミル、ボールミル、ロールミル、サンドミル、顔料分散機、擂潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサー、フィルミックスなどを使用することができるが、中でも高濃度での分散が可能なことから、ボールミル、ロールミル、顔料分散機、擂潰機、プラネタリーミキサーを使用することが特に好ましい。
正極用スラリーの粘度は、均一塗工性、スラリー経時安定性の観点から、好ましくは10mPa・s〜100,000mPa・s、更に好ましくは100〜50,000mPa・sである。前記粘度は、B型粘度計を用いて25℃、回転数60rpmで測定した時の値である。
(二次電池)
本発明の二次電池は、正極、負極、セパレーター及び電解液を含み、前記正極が、集電体と、集電体上に積層され、マンガンを含む正極活物質及び前記バインダーを含む電極活物質層とからなるものである。
前記二次電池としては、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池等挙げられるが、長期サイクル特性の向上・出力特性の向上等性能向上が最も求められていることから用途としてはリチウムイオン二次電池が好ましい。以下、リチウムイオン二次電池に使用する場合について説明する。
(リチウムイオン二次電池用電解液)
リチウムイオン二次電池用の電解液としては、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。支持電解質としては、リチウム塩が用いられる。リチウム塩としては、特に制限はないが、LiPF、LiAsF、LiBF、LiSbF、LiAlCl、LiClO、CFSOLi、CSOLi、CFCOOLi、(CFCO)NLi、(CFSONLi、(CSO)NLiなどが挙げられる。中でも、溶媒に溶けやすく高い解離度を示すLiPF、LiClO、CFSOLiが好ましい。これらは、二種以上を併用してもよい。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。
リチウムイオン二次電池用の電解液に使用する有機溶媒としては、支持電解質を溶解できるものであれば特に限定されないが、ジメチルカーボネート(DMC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、メチルエチルカーボネート(MEC)などのカーボネート類;γ−ブチロラクトン、ギ酸メチルなどのエステル類;1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフランなどのエーテル類;スルホラン、ジメチルスルホキシドなどの含硫黄化合物類;が好適に用いられる。またこれらの溶媒の混合液を用いてもよい。中でも、誘電率が高く、安定な電位領域が広いのでカーボネート類が好ましい。用いる溶媒の粘度が低いほどリチウムイオン伝導度が高くなるので、溶媒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。
また前記電解液には添加剤を含有させて用いることも可能である。添加剤としては前述の二次電池正極用スラリー中に使用されるビニレンカーボネート(VC)などのカーボネート系の化合物が挙げられる。
リチウムイオン二次電池用の電解液中における支持電解質の濃度は、通常1〜30質量%、好ましくは5質量%〜20質量%である。また、支持電解質の種類に応じて、通常0.5〜2.5モル/Lの濃度で用いられる。支持電解質の濃度が低すぎても高すぎてもイオン導電度は低下する傾向にある。
上記以外の電解液としては、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルなどのポリマー電解質や前記ポリマー電解質に電解液を含浸したゲル状ポリマー電解質や、LiI、LiNなどの無機固体電解質を挙げることができる。
(リチウムイオン二次電池用セパレーター)
セパレーターとしては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン製の微孔膜または不織布;無機セラミック粉末を含む多孔質の樹脂コート;など公知のものを用いることができる。
リチウムイオン二次電池用セパレーターとしては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂や芳香族ポリアミド樹脂を含んでなる微孔膜または不織布;無機セラミック粉末を含む多孔質の樹脂コート;など公知のものを用いることができる。例えばポリオレフィン系(ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリ塩化ビニル)、及びこれらの混合物あるいは共重合体等の樹脂からなる微多孔膜、ポリエチレンテレフタレート、ポリシクロオレフィン、ポリエーテルスルフォン、ポリアミド、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリアラミド、ポリシクロオレフィン、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂からなる微多孔膜またはポリオレフィン系の繊維を織ったもの、またはその不織布、絶縁性物質粒子の集合体等が挙げられる。これらの中でも、セパレーター全体の膜厚を薄くし電池内の活物質比率を上げて体積あたりの容量を上げることができるため、ポリオレフィン系の樹脂からなる微多孔膜が好ましい。
セパレーターの厚さは、通常0.5〜40μm、好ましくは1〜30μm、更に好ましくは1〜10μmである。この範囲であると電池内でのセパレーターによる抵抗が小さくなり、また電池作成時の作業性に優れる。
(リチウムイオン二次電池負極)
リチウムイオン二次電池用負極は、負極活物質及びバインダーを含む負極活物質層が、集電体上に積層されてなる。バインダー及び集電体としては、二次電池用正極で説明したものと同様のものが挙げられる。
(リチウムイオン二次電池用負極活物質)
リチウムイオン二次電池負極用の電極活物質(負極活物質)としては、たとえば、アモルファスカーボン、グラファイト、天然黒鉛、メゾカーボンマイクロビーズ、ピッチ系炭素繊維などの炭素質材料、ポリアセン等の導電性高分子などがあげられる。また、負極活物質としては、ケイ素、錫、亜鉛、マンガン、鉄、ニッケル等の金属やこれらの合金、前記金属又は合金の酸化物や硫酸塩が用いられる。加えて、金属リチウム、Li−Al、Li−Bi−Cd、Li−Sn−Cd等のリチウム合金、リチウム遷移金属窒化物、シリコン等を使用できる。電極活物質は、機械的改質法により表面に導電付与材を付着させたものも使用できる。負極活物質の粒径は、電池の他の構成要件との兼ね合いで適宜選択されるが、初期効率、負荷特性、サイクル特性などの電池特性の向上の観点から、50%体積累積径が、通常1〜50μm、好ましくは15〜30μmである。
負極活物質層中の負極活物質の含有割合は、好ましくは90〜99.9質量%、より好ましくは95〜99質量%である。負極活物質層中の負極活物質の含有量を、前記範囲とすることにより、高い容量を示しながらも柔軟性、結着性を示すことができる。
リチウムイオン二次電池用負極には、上記成分のほかに、さらに前述の二次電池用正極中に使用される分散剤や電解液分解抑制等の機能を有する電解液添加剤等の他の成分が含まれていてもよい。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ない。
(リチウムイオン二次電池負極用バインダー)
リチウムイオン二次電池負極用バインダーとしては特に制限されず公知のものを用いることができる。例えば、前述のリチウムイオン二次電池正極用に使用される、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、ポリアクリル酸誘導体、ポリアクリロニトリル誘導体などの樹脂や、アクリル系軟質重合体、ジエン系軟質重合体、オレフィン系軟質重合体、ビニル系軟質重合体等の軟質重合体を用いることができる。これらは単独で使用しても、これらを2種以上併用してもよい。
集電体としては、前述の二次電池用正極用に使用される集電体を用いることができ、電気導電性を有しかつ電気化学的に耐久性のある材料であれば特に制限されないが、リチウムイオン二次電池の負極用としては銅が特に好ましい。
リチウムイオン二次電池負極の厚みは、通常5〜300μmであり、好ましくは10〜250μmである。電極厚みが上記範囲にあることにより、負荷特性及びエネルギー密度共に高い特性を示す。
リチウムイオン二次電池負極は、前述のリチウムイオン二次電池正極用と同様に製造することができる。
リチウムイオン二次電池の具体的な製造方法としては、正極と負極とをセパレーターを介して重ね合わせ、これを電池形状に応じて巻く、折るなどして電池容器に入れ、電池容器に電解液を注入して封口する方法が挙げられる。必要に応じてエキスパンドメタルや、ヒューズ、PTC素子などの過電流防止素子、リード板などを入れ、電池内部の圧力上昇、過充放電の防止をする事もできる。電池の形状は、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。
(実施例)
以下に、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。尚、本実施例における部および%は、特記しない限り質量基準である。
実施例および比較例において、各種物性は以下のように評価する。
<電池特性:出力特性>
10セルのフルセルコイン型電池を0.1Cの定電流法によって4.3Vまで充電しその後0.1Cにて3.0Vまで放電し、0.1C放電容量aを求める。その後0.1Cにて4.3Vまで充電しその後10Cにて3.0Vまで放電し、10C放電容量aを求める。10セルの平均値を測定値とし、10C放電容量bと0.1C放電容量aの電気容量の比(b/a(%))で表される容量保持率を求め、これを出力特性の評価基準とし、以下の基準で評価する。この値が高いほど出力特性に優れている。
A:70%以上
B:60%以上70%未満
C:40%以上60%未満
D:40%未満
<電池特性:サイクル特性>
10セルのフルセルコイン型電池を60℃雰囲気下、0.2Cの定電流法によって4.3Vに充電し、3.0Vまで放電する充放電を繰り返し電気容量を測定した。10セルの平均値を測定値とし、50サイクル終了時の電気容量と5サイクル終了時の電気容量の比(%)で表される充放電容量保持率を求め、これをサイクル特性の評価基準とし、以下の基準で評価する。この値が高いほど高温サイクル特性に優れている。
A:80%以上
B:70%以上80%未満
C:50%以上70%未満
D:30%以上50%未満
E:30%未満
<バインダー特性:保存安定性>
得られたポリマーの水分散液を50日冷暗所下にて保存する(保存前の水分散液の重量をaとする)。50日経過後のポリマーの水分散液を200メッシュにて濾過し、メッシュ上に残った固形物の乾燥重量(残存物の重量をbとする)を求め、保存前の水分散液の重量(a)と、メッシュ上に残った固形物の乾燥重量(b)との比(%)を求め、これをバインダーの保存安定性の評価基準とし、以下の基準で評価する。この値が小さいほど保存安定性に優れている。
A:0.001%未満
B:0.001%以上0.01%未満
C:0.01%以上0.1%未満
D:0.1%以上
<電極特性:ピール強度>
電極活物質層を形成した正極を、幅2.5cm×長さ10cmの矩形に切って試験片とし、電極活物質層面を上にして固定する。試験片の電極活物質層表面にセロハンテープを貼り付けた後、試験片の一端からセロハンテープを50mm/分の速度で180°方向に引き剥がしたときの応力を測定した。測定を10回行い、その平均値を求めてこれをピール強度(N/m)とし、これをピール強度の評価基準とし、以下の基準で評価する。この値が大きいほど電極活物質層と集電体の密着力に優れている。
A:15N/m以上
B:10N/m以上〜15N/m未満
C:5.0N/m以上〜10N/m未満
D:5.0N/m未満
(実施例1)
(A)バインダーの製造
重合缶Aに、2エチルヘキシルアクリレート10.75部、アクリロニトリル1.25部、ラウリル硫酸ナトリウム0.12部、イオン交換水79部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.2部、イオン交換水10部を加え60℃に加温し90分攪拌した後に、別の重合缶Bに2エチルヘキシルアクリレート67部、アクリロニトリル19部、メタクリル酸2.0部、アリルメタクリレート0.2部、ラウリル硫酸ナトリウム0.7部、イオン交換水46部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約180分かけて重合缶Bから重合缶Aに逐次添加した後、約120分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、その後4%NaOH水溶液でpH調整し、バインダーAの水分散液を得た。得られたバインダーAの、pHは10.5、ガラス転移温度は−32℃、分散粒子径は0.15μmであった。得られた水分散液を用いてバインダー保存安定性を評価した結果を表1に示す。
バインダーA中の、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位の含有割合は77.6%、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位は2.0%、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位の含有割合は20.2%、アリルメタクリレートの構造単位の含有割合は0.2%であった。
(B)正極用スラリーおよび正極の製造
電極活物質としてスピネルマンガン(LiMn;Mn含有量60%)100部と、アセチレンブラック(HS−100:電気化学工業)と、前記バインダーAの水分散液2.5部(固形分濃度40%)と、増粘剤としてのエーテル化度が0.8であるカルボキシメチルセルロース水溶液40部(固形分濃度2%)と、適量の水とをプラネタリーミキサーにて攪拌し、正極用スラリーを調製した。上記正極用スラリーをコンマコーターで厚さ20μmのアルミ箔上に乾燥後の膜厚が70μm程度になるように塗布し、60℃で20分間乾燥後、150℃で2時間加熱処理して電極原反を得た。この電極原反をロールプレスで圧延し、密度が2.1g/cm、アルミ箔および電極活物質層からなる厚みが65μmに制御された正極極板を作製した。作製した極板を用いてピール強度測定を行った。結果を表1に示す。
(C)電池の作製
前記正極極板を直径16mmの円盤状に切り抜き、この正極の活物質層面側に直径18mm、厚さ25μmの円盤状のポリプロピレン製多孔膜からなるセパレータ、負極として用いる金属リチウム、エキスパンドメタルを順に積層し、これをポリプロピレン製パッキンを設置したステンレス鋼製のコイン型外装容器(直径20mm、高さ1.8mm、ステンレス鋼厚さ0.25mm)中に収納した。この容器中に電解液を空気が残らないように注入し、ポリプロピレン製パッキンを介して外装容器に厚さ0.2mmのステンレス鋼のキャップをかぶせて固定し、電池缶を封止して、直径20mm、厚さ約2mmのリチウムイオンコイン電池を作製した。
なお、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)とをEC:DEC=1:2(20℃での容積比)で混合してなる混合溶媒にLiPFを1モル/リットルの濃度で溶解させた溶液を用いた。
この電池を用いて出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(実施例2)
(A)バインダーの製造
重合缶Aに2エチルヘキシルアクリレート10.75部、アクリロニトリル1.25部、ラウリル硫酸ナトリウム0.12部、イオン交換水79部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.2部、イオン交換水10部を加え60℃に加温し90分攪拌した後に、別の重合缶Bに2エチルヘキシルアクリレート67部、アクリロニトリル19部、イタコン酸2.0部、アリルメタクリレート0.2部、ラウリル硫酸ナトリウム0.7部、イオン交換水46部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約180分かけて重合缶Bから重合缶Aに逐次添加した後、約120分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、その後4%NaOH水溶液でpH調整し、バインダーBの水分散液を得た。得られたバインダーBの、pHは10.6、ガラス転移温度は−29℃、分散粒子径は0.18μmであった。得られた水分散液を用いてバインダー保存安定性を評価した結果を表1に示す。
なお、バインダーB中の、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位の含有割合は77.6%、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位は2.0%、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位の含有割合は20.2%、アリルメタクリレートの構造単位の含有割合は0.2%であった。
実施例1において、正極用バインダーとして、前記バインダーBの水分散液を用いた他は、実施例1と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(実施例3)
(A)バインダーの製造
重合缶Aに2エチルヘキシルアクリレート10.75部、アクリロニトリル1.25部、ラウリル硫酸ナトリウム0.12部、イオン交換水79部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.2部、イオン交換水10部を加え60℃に加温し90分攪拌した後に、別の重合缶Bに2エチルヘキシルアクリレート67部、アクリロニトリル19部、メタクリル酸1.0部、メタクリル酸アリル0.2部、ラウリル硫酸ナトリウム0.7部、イオン交換水46部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約180分かけて重合缶Bから重合缶Aに逐次添加した後、約120分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、その後4%NaOH水溶液でpH調整し、バインダーCの水分散液を得た。得られたバインダーCの、pHは10.1、ガラス転移温度は−32℃、分散粒子径は0.15μmであった。得られた水分散液を用いてバインダー保存安定性を評価した結果を表1に示す。
バインダーC中の、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位の含有割合は78.4%、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位は1.0%、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位の含有割合は20.4%、アリルメタクリレートの構造単位の含有割合は0.2%であった。
正極用バインダーとして、前記バインダーCの水分散液を用いた他は、実施例1と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(実施例4)
(A)バインダーの製造
重合缶Aにエチルアクリレート10.75部、アクリロニトリル1.25部、ラウリル硫酸ナトリウム0.12部、イオン交換水79部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.2部、イオン交換水10部を加え60℃に加温し90分攪拌した後に、別の重合缶Bにエチルアクリレート67部、アクリロニトリル19部、メタクリル酸2.0部、アリルメタクリレート0.2部、ラウリル硫酸ナトリウム0.7部、イオン交換水46部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約180分かけて重合缶Bから重合缶Aに逐次添加した後、約120分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、その後4%NaOH水溶液でpH調整し、バインダーDの水分散液を得た。得られたバインダーDの、pHは10.3、ガラス転移温度は5℃、分散粒子径は0.18μmであった。得られた水分散液を用いてバインダー保存安定性を評価した結果を表1に示す。
バインダーD中の、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位の含有割合は77.6%、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位は2.0%、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位の含有割合は20.2%、アリルメタクリレートの構造単位の含有割合は0.2%であった。
正極用バインダーとして、前記バインダーDの水分散液を用いた他は、実施例1と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(実施例5)
(A)バインダーの製造
重合缶Aにエチルアクリレート10.75部、アクリロニトリル1.25部、ラウリル硫酸ナトリウム0.12部、イオン交換水79部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.2部、イオン交換水10部を加え60℃に加温し90分攪拌した後に、別の重合缶Bにエチルアクリレート67部、アクリロニトリル19部、メタクリル酸1.0部、アリルメタクリレート0.2部、ラウリル硫酸ナトリウム0.7部、イオン交換水46部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約180分かけて重合缶Bから重合缶Aに逐次添加した後、約120分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、その後4%NaOH水溶液でpH調整し、バインダーEの水分散液を得た。得られたバインダーEの、pHは10.5、ガラス転移温度は2℃、分散粒子径は0.18μmであった。得られた水分散液を用いてバインダー保存安定性を評価した結果を表1に示す。
バインダーE中の、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位の含有割合は78.4%、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位は1.0%、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位の含有割合は20.4%、アリルメタクリレートの構造単位の含有割合は0.2%であった。
正極用バインダーとして、前記バインダーEの水分散液を用いた他は、実施例1と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(実施例6)
正極用スラリーの調製において、電極活物質としてLiNi1/3Mn1/3Co1/3;Mn含有量19%)100部を用いた他は、実施例1と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。なお、この時の正極活物質層の密度は2.5g/cmとなるようにした。
(実施例7)
正極用スラリーの調製において、バインダーとしてバインダーBの水分散液を用いた他は、実施例6と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(実施例8)
正極用スラリーの調製において、バインダーとしてバインダーCの水分散液を用いた他は、実施例6と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(実施例9)
正極用スラリーの調製において、バインダーとしてバインダーDの水分散液を用いた他は、実施例6と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(実施例10)
正極用スラリーの調製において、バインダーとしてバインダーEの水分散液を用いた他は、実施例6と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(実施例11)
重合缶Aに、2エチルヘキシルアクリレート10.75部、アクリロニトリル1.25部、ラウリル硫酸ナトリウム0.12部、イオン交換水79部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.2部、イオン交換水10部を加え60℃に加温し90分攪拌した後に、別の重合缶Bに2エチルヘキシルアクリレート67部、アクリロニトリル19部、メタクリル酸2.0部、アリルメタクリレート0.08部、ラウリル硫酸ナトリウム0.7部、イオン交換水46部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約180分かけて重合缶Bから重合缶Aに逐次添加した後、約120分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、その後4%NaOH水溶液でpH調整し、バインダーFの水分散液を得た。得られたバインダーFの、pHは10.3、ガラス転移温度は−32℃、分散粒子径は0.16μmであった。得られた水分散液を用いてバインダー保存安定性を評価した結果を表1に示す。
バインダーF中の、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位の含有割合は78.4%、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位は2.0%、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位の含有割合は20.4%、アリルメタクリレートの構造単位の含有割合は0.08%であった。
正極用バインダーとして、前記バインダーFの水分散液を用いた他は、実施例1と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(実施例12)
重合缶Aに、2エチルヘキシルアクリレート10.75部、アクリロニトリル1.25部、ラウリル硫酸ナトリウム0.12部、イオン交換水79部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.2部、イオン交換水10部を加え60℃に加温し90分攪拌した後に、別の重合缶Bに2エチルヘキシルアクリレート67部、アクリロニトリル19部、メタクリル酸2.0部、アリルメタクリレート0.8部、ラウリル硫酸ナトリウム0.7部、イオン交換水46部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約180分かけて重合缶Bから重合缶Aに逐次添加した後、約120分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、その後4%NaOH水溶液でpH調整し、バインダーGの水分散液を得た。得られたバインダーGの、pHは10.4、ガラス転移温度は−38℃、分散粒子径は0.16μmであった。得られた水分散液を用いてバインダー保存安定性を評価した結果を表1に示す。
バインダーG中の、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位の含有割合は77.1%、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位は2.0%、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位の含有割合は20.1%、アリルメタクリレートの構造単位の含有割合は0.8%であった。
正極用バインダーとして、前記バインダーGの水分散液を用いた他は、実施例1と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(比較例1)
重合缶Aに2エチルヘキシルアクリレート10.75部、アクリロニトリル1.25部、ラウリル硫酸ナトリウム0.12部、イオン交換水79部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.2部、イオン交換水10部を加え60℃に加温し90分攪拌した後に、別の重合缶Bに2エチルヘキシルアクリレート67部、アクリロニトリル19部、アクリル酸5.0部、アリルメタクリレート0.2部、ラウリル硫酸ナトリウム0.7部、イオン交換水46部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約180分かけて重合缶Bから重合缶Aに逐次添加した後、約120分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、その後4%NaOH水溶液でpH調整し、バインダーHの水分散液を得た。得られたバインダーHの、pHは10.1、ガラス転移温度は−10℃、分散粒子径は0.15μmであった。得られた水分散液を用いてバインダー保存安定性を評価した結果を表1に示す。
バインダーH中の、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位の含有割合は75.3%、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位は4.8%、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位の含有割合は19.6%、アリルメタクリレートの構造単位の含有割合は0.2%であった。
正極用バインダーとして、前記バインダーHの水分散液を用いた他は、実施例1と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(比較例2)
重合缶Aに2エチルヘキシルアクリレート10.75部、アクリロニトリル1.25部、ラウリル硫酸ナトリウム0.12部、イオン交換水79部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.2部、イオン交換水10部を加え60℃に加温し90分攪拌した後に、別の重合缶Bに2エチルヘキシルアクリレート67部、アクリロニトリル19部、アクリル酸20部、アリルメタクリレート0.2部、ラウリル硫酸ナトリウム0.7部、イオン交換水46部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約180分かけて重合缶Bから重合缶Aに逐次添加した後、約120分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、その後4%NaOH水溶液でpH調整し、バインダーIの水分散液を得た。得られたバインダーIの、pHは10.1、ガラス転移温度は12℃、分散粒子径は0.15μmであった。得られた水分散液を用いてバインダー保存安定性を評価した結果を表1に示す。
バインダーI中の、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位の含有割合は65.8%、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位は17.1%、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位の含有割合は16.9%、アリルメタクリレートの構造単位の含有割合は0.2%であった。
正極用バインダーとして、前記バインダーIの水分散液を用いた他は、実施例1と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(比較例3)
重合缶Aに2エチルヘキシルアクリレート10.75部、アクリロニトリル1.25部、ラウリル硫酸ナトリウム0.12部、イオン交換水79部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.2部、イオン交換水10部を加え60℃に加温し90分攪拌した後に、別の重合缶Bに2エチルヘキシルアクリレート67部、アクリロニトリル19部、メタクリル酸5.0部、アリルメタクリレート0.2部、ラウリル硫酸ナトリウム0.7部、イオン交換水46部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約180分かけて重合缶Bから重合缶Aに逐次添加した後、約120分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、その後4%NaOH水溶液でpH調整し、バインダーJの水分散液を得た。得られたバインダーJの、pHは10.2、ガラス転移温度は−8℃、分散粒子径は0.16μmであった。得られた水分散液を用いてバインダー保存安定性を評価した結果を表1に示す。
バインダーJ中の、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位の含有割合は75.3%、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位は4.8%、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位の含有割合は19.6%、アリルメタクリレートの構造単位の含有割合は0.2%であった。
正極用バインダーとして、前記バインダーJの水分散液を用いた他は、実施例1と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(比較例4)
重合缶Aに2エチルヘキシルアクリレート10.75部、アクリロニトリル1.25部、ラウリル硫酸ナトリウム0.12部、イオン交換水79部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.2部、イオン交換水10部を加え60℃に加温し90分攪拌した後に、別の重合缶Bに2エチルヘキシルアクリレート67部、アクリロニトリル19部、イタコン酸4.0部、アリルメタクリレート0.2部、ラウリル硫酸ナトリウム0.7部、イオン交換水46部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約180分かけて重合缶Bから重合缶Aに逐次添加した後、約120分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、その後4%NaOH水溶液でpH調整し、バインダーKの水分散液を得た。得られたバインダーKの、pHは10.2、ガラス転移温度は−5℃、分散粒子径は0.16μmであった。得られた水分散液を用いてバインダー保存安定性を評価した結果を表1に示す。
バインダーK中の、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位の含有割合は76.1%、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位は3.9%、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位の含有割合は19.8%、アリルメタクリレートの構造単位の含有割合は0.2%であった。
正極用バインダーとして、前記バインダーKの水分散液を用いた他は、実施例1と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(比較例5)
重合缶Aに2エチルヘキシルアクリレート10.75部、アクリロニトリル1.25部、ラウリル硫酸ナトリウム0.12部、イオン交換水79部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.2部、イオン交換水10部を加え60℃に加温し90分攪拌した後に、別の重合缶Bに2エチルヘキシルアクリレート67部、アクリロニトリル19部、イタコン酸0.1部、アリルメタクリレート0.2部、ラウリル硫酸ナトリウム0.7部、イオン交換水46部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約180分かけて重合缶Bから重合缶Aに逐次添加した後、約120分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、その後4%NaOH水溶液でpH調整し、バインダーLの水分散液を得た。得られたバインダーLの、pHは10.2、ガラス転移温度は−32℃、分散粒子径は0.15μmであった。得られた水分散液を用いてバインダー保存安定性を評価した結果を表1に示す。
バインダーL中の、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位の含有割合は79.1%、酸成分を有するビニルモノマー由来の構造単位は0.1%、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位の含有割合は20.6%、アリルメタクリレートの構造単位の含有割合は0.2%であった。
正極用バインダーとして、前記バインダーLの水分散液を用いた他は、実施例1と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(比較例6)
重合缶Aに2エチルヘキシルアクリレート10.75部、アクリロニトリル1.25部、ラウリル硫酸ナトリウム0.12部、イオン交換水79部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.2部、イオン交換水10部を加え60℃に加温し90分攪拌した後に、別の重合缶Bに2エチルヘキシルアクリレート67部、アクリロニトリル19部、メタクリル酸2.0部、ラウリル硫酸ナトリウム0.7部、イオン交換水46部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約180分かけて重合缶Bから重合缶Aに逐次添加した後、約120分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、その後4%NaOH水溶液でpH調整し、バインダーMの水分散液を得た。得られたバインダーMの、pHは10.5、ガラス転移温度は−38℃、分散粒子径は0.16μmであった。得られた水分散液を用いてバインダー保存安定性を評価した結果を表1に示す。
バインダーM中の、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位の含有割合は77.8%、酸成分を有するビニルモノマー由来の構造単位は2%、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位の含有割合は20.3%、アリルメタクリレートの構造単位の含有割合は0%であった。
正極用バインダーとして、前記バインダーMの水分散液を用いた他は、実施例1と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(比較例7)
重合缶Aに2エチルヘキシルアクリレート10.75部、アクリロニトリル1.25部、ラウリル硫酸ナトリウム0.12部、イオン交換水79部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.2部、イオン交換水10部を加え60℃に加温し90分攪拌した後に、別の重合缶Bに2エチルヘキシルアクリレート67部、アクリロニトリル19部、メタクリル酸2.0部、エチレングリコールメタクリレート2.0部、ラウリル硫酸ナトリウム0.7部、イオン交換水46部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約180分かけて重合缶Bから重合缶Aに逐次添加した後、約120分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、その後4%NaOH水溶液でpH調整し、バインダーNの水分散液を得た。得られたバインダーNの、pHは10.2、ガラス転移温度は−30℃、分散粒子径は0.15μmであった。得られた水分散液を用いてバインダー保存安定性を評価した結果を表1に示す。
バインダーN中の、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位の含有割合は76.2%、酸成分を有するビニルモノマー由来の構造単位は2.0%、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位の含有割合は19.9%、アリルメタクリレートの構造単位の含有割合は0%、エチレングリコールメタクリレートの構造単位の含有割合は2.0%であった。
正極用バインダーとして、前記バインダーNの水分散液を用いた他は、実施例1と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
(比較例8)
重合缶Aに2エチルヘキシルアクリレート10.75部、アクリロニトリル1.25部、ラウリル硫酸ナトリウム0.12部、イオン交換水79部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.2部、イオン交換水10部を加え60℃に加温し90分攪拌した後に、別の重合缶Bに2エチルヘキシルアクリレート67部、アクリロニトリル19部、メタクリル酸2.0部、グリシジルメタクリレート2.0部、ラウリル硫酸ナトリウム0.7部、イオン交換水46部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約180分かけて重合缶Bから重合缶Aに逐次添加した後、約120分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、その後4%NaOH水溶液でpH調整し、バインダーOの水分散液を得た。得られたバインダーOの、pHは10.3、ガラス転移温度は−32℃、分散粒子径は0.16μmであった。得られた水分散液を用いてバインダー保存安定性を評価した結果を表1に示す。
バインダーO中の、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位の含有割合は76.2%、酸成分を有するビニルモノマー由来の構造単位は2.0%、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位の含有割合は19.9%、アリルメタクリレートの構造単位の含有割合は0%、グリシジルメタクリレートの構造単位の含有割合は2.0%であった。
正極用バインダーとして、前記バインダーOの水分散液を用いた他は、実施例1と同様にして、正極極板、リチウムイオンコイン電池を作製した。そして、この極板のピール強度並びにリチウムイオンコイン電池を用いて評価した出力特性及び高温サイクル特性を評価した。その結果を表1に示す。
Figure 2011002057
表1の結果より、マンガンを含む正極活物質を用いた正極にバインダーとして、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位及び架橋性を有する構造単位を含み、且つ架橋性基を有するモノマーの構造単位としてアリル(メタ)アクリレートの構造単位を含有し、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位がバインダー中に所定の範囲内である共重合体を適用することで、出力特性及び高温サイクル特性が良好である。実施例の中でも更に、(メタ)アクリル酸エステルモノマーとして2エチルヘキシルアクリレートを用い、酸成分を有するビニルモノマーとしてメタクリル酸を2部用いた実施例1及び6では、出力特性、高温サイクル特性、バインダー保存安定性及びピール強度が最も優れる。

Claims (6)

  1. 集電体と、前記集電体上に積層され、マンガンを含む正極活物質及びバインダーを含有してなる電極活物質層とからなり、
    前記バインダーが、(メタ)アクリル酸エステルモノマーの構造単位、酸成分を有するビニルモノマーの構造単位、α,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位及び架橋性基を有するモノマーの構造単位を含み、
    バインダーにおける前記酸成分を有するビニルモノマーの構造単位の含有割合が1.0〜3.0質量%であり、
    前記架橋性基を有するモノマーの構造単位としてアリルアクリレートの構造単位又はアリルメタクリレートの構造単位を含有することを特徴とする二次電池用正極。
  2. 前記正極活物質中のマンガン含有量が10〜80質量%である請求項1に記載の二次電池用正極。
  3. 前記バインダーにおける前記アリルアクリレートの構造単位又はアリルメタクリレートの構造単位の含有割合が0.05〜2.0質量%である請求項1又は2に記載の二次電池用正極。
  4. 前記バインダーにおけるα,β−不飽和ニトリルモノマーの構造単位の含有割合が、3〜40質量%である請求項1〜3のいずれかに記載の二次電池用正極。
  5. 前記バインダーにおける前記酸成分を有するビニルモノマーが、酸成分としてカルボン酸基を有するビニルモノマーである請求項1〜4のいずれかに記載の二次電池用正極。
  6. 正極、電解液、セパレーター及び負極を有する二次電池であって、
    前記正極が、請求項1〜5のいずれかに記載の二次電池用正極である二次電池。
JP2011520977A 2009-07-01 2010-07-01 二次電池用正極及び二次電池 Active JP5534245B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011520977A JP5534245B2 (ja) 2009-07-01 2010-07-01 二次電池用正極及び二次電池

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009157243 2009-07-01
JP2009157243 2009-07-01
JP2011520977A JP5534245B2 (ja) 2009-07-01 2010-07-01 二次電池用正極及び二次電池
PCT/JP2010/061253 WO2011002057A1 (ja) 2009-07-01 2010-07-01 二次電池用正極及び二次電池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2011002057A1 true JPWO2011002057A1 (ja) 2012-12-13
JP5534245B2 JP5534245B2 (ja) 2014-06-25

Family

ID=43411125

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011520977A Active JP5534245B2 (ja) 2009-07-01 2010-07-01 二次電池用正極及び二次電池

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP5534245B2 (ja)
KR (2) KR20120030115A (ja)
CN (1) CN102473918B (ja)
WO (1) WO2011002057A1 (ja)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5862871B2 (ja) * 2011-01-14 2016-02-16 Jsr株式会社 電極用バインダー組成物、電極用スラリー、電極および電気化学デバイスの製造方法
WO2012165422A1 (ja) * 2011-05-31 2012-12-06 日本ゼオン株式会社 リチウム二次電池正極用複合粒子、リチウム二次電池正極用複合粒子の製造方法、リチウム二次電池用正極の製造方法、リチウム二次電池用正極、及びリチウム二次電池
JP2013122913A (ja) * 2011-11-11 2013-06-20 Mitsubishi Rayon Co Ltd 二次電池電極用バインダ、これを用いた二次電池電極用スラリー組成物、二次電池用電極、及び二次電池
KR101959520B1 (ko) 2011-11-28 2019-03-18 제온 코포레이션 2 차 전지 정극용 바인더 조성물, 2 차 전지 정극용 슬러리 조성물, 2 차 전지 정극 및 2 차 전지
JP6149730B2 (ja) * 2011-12-27 2017-06-21 日本ゼオン株式会社 二次電池用正極及びその製造方法、スラリー組成物、並びに二次電池
JP6237758B2 (ja) * 2013-02-19 2017-11-29 日本ゼオン株式会社 リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用正極の製造方法、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池
JP2014175106A (ja) * 2013-03-07 2014-09-22 Nippon Carbide Ind Co Inc リチウムイオン二次電池の電極用バインダー、電極用スラリー、リチウムイオン二次電池用電極及びリチウムイオン二次電池
JP6264744B2 (ja) * 2013-04-30 2018-01-24 日本ゼオン株式会社 二次電池正極用バインダー組成物、二次電池正極用スラリー組成物、二次電池用正極の製造方法、二次電池用正極および二次電池
CN105659418B (zh) * 2013-10-23 2018-04-17 三菱化学株式会社 二次电池电极用树脂组合物、二次电池电极用溶液或分散液、二次电池电极用浆料、二次电池用电极和二次电池
CN114678597A (zh) * 2014-10-27 2022-06-28 日立化成株式会社 锂离子电池
KR20170086652A (ko) 2014-12-08 2017-07-26 히타치가세이가부시끼가이샤 리튬 이온 이차 전지용 정극 및 그것을 사용한 리튬 이온 이차 전지
WO2016158939A1 (ja) * 2015-03-30 2016-10-06 東亞合成株式会社 非水電解質二次電池電極合剤層用組成物及びその製造方法、並びに、その用途
EP3352253B1 (en) 2015-09-16 2020-08-26 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonaqueous electrolyte secondary battery and battery pack
US10263257B2 (en) * 2016-09-22 2019-04-16 Grst International Limited Electrode assemblies
CN111082062A (zh) * 2019-12-23 2020-04-28 宣城研一新能源科技有限公司 锂离子电池用水溶型粘结剂及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08287915A (ja) * 1995-04-19 1996-11-01 Fuji Photo Film Co Ltd 非水二次電池
JP2000021408A (ja) * 1998-06-30 2000-01-21 Shin Kobe Electric Mach Co Ltd 非水電解液二次電池
JP2002110169A (ja) * 2000-07-26 2002-04-12 Nippon Zeon Co Ltd リチウムイオン二次電池電極用バインダーおよびその利用
JP2006048932A (ja) * 2004-07-30 2006-02-16 Hitachi Chem Co Ltd リチウム電池電極用バインダ樹脂組成物、電極および電池
JP2008546135A (ja) * 2005-05-17 2008-12-18 エルジー・ケム・リミテッド 多重積層電気化学セルを含む電気化学素子用のバインダー

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4281118B2 (ja) 1997-11-14 2009-06-17 日本ゼオン株式会社 電池用バインダー組成物、電池電極用スラリー、リチウム二次電池用電極およびリチウム二次電池

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08287915A (ja) * 1995-04-19 1996-11-01 Fuji Photo Film Co Ltd 非水二次電池
JP2000021408A (ja) * 1998-06-30 2000-01-21 Shin Kobe Electric Mach Co Ltd 非水電解液二次電池
JP2002110169A (ja) * 2000-07-26 2002-04-12 Nippon Zeon Co Ltd リチウムイオン二次電池電極用バインダーおよびその利用
JP2006048932A (ja) * 2004-07-30 2006-02-16 Hitachi Chem Co Ltd リチウム電池電極用バインダ樹脂組成物、電極および電池
JP2008546135A (ja) * 2005-05-17 2008-12-18 エルジー・ケム・リミテッド 多重積層電気化学セルを含む電気化学素子用のバインダー

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150143875A (ko) 2015-12-23
JP5534245B2 (ja) 2014-06-25
CN102473918A (zh) 2012-05-23
WO2011002057A1 (ja) 2011-01-06
CN102473918B (zh) 2015-04-01
KR20120030115A (ko) 2012-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5534245B2 (ja) 二次電池用正極及び二次電池
JP5783172B2 (ja) 二次電池用正極及び二次電池
JP5733219B2 (ja) 二次電池用正極及び二次電池
JP6222102B2 (ja) リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極及びその製造方法、並びにリチウムイオン二次電池
KR101762604B1 (ko) 2 차 전지용 정극 및 2 차 전지
JP5621772B2 (ja) 二次電池用電極及び二次電池
JP5617725B2 (ja) 二次電池用電極、二次電池電極用バインダー、製造方法及び二次電池
JP6149730B2 (ja) 二次電池用正極及びその製造方法、スラリー組成物、並びに二次電池
JP6048070B2 (ja) リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物及びその製造方法、リチウムイオン二次電池用負極、並びにリチウムイオン二次電池
JP5954524B2 (ja) 蓄電デバイス用負極および蓄電デバイスの製造方法
CN110088947B (zh) 非水系二次电池负极用浆料组合物及其制造方法、非水系二次电池用负极以及非水系二次电池
JPWO2011078263A1 (ja) 二次電池用電極及び二次電池
JP2011076981A (ja) 二次電池用正極の製造方法、二次電池正極用スラリー及び二次電池
KR20160021771A (ko) 축전 디바이스용 조성물, 축전 디바이스용 슬러리, 축전 디바이스 전극 및 그의 제조 방법, 보호막 및 그의 제조 방법, 및 축전 디바이스
JPWO2019004459A1 (ja) 電気化学素子用バインダー組成物、電気化学素子機能層用スラリー組成物、電気化学素子接着層用スラリー組成物、および複合膜
JP5682557B2 (ja) 二次電池用正極及び二次電池
JP6822892B2 (ja) 二次電池負極用スラリー、二次電池電極、二次電池、二次電池電極の製法、及び水溶性バインダーの二次電池負極用スラリーとしての使用
WO2014132935A1 (ja) リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池、及びリチウムイオン二次電池用正極の製造方法
WO2014112436A1 (ja) リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池
JP7143849B2 (ja) 電気化学素子用バインダー組成物、電気化学素子機能層用スラリー組成物、電気化学素子接着層用スラリー組成物、および複合膜

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130312

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140402

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5534245

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140415

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250