JPWO2013105623A1 - 二次電池電極用バインダ樹脂組成物、二次電池電極用スラリー、二次電池用電極、リチウムイオン二次電池 - Google Patents

二次電池電極用バインダ樹脂組成物、二次電池電極用スラリー、二次電池用電極、リチウムイオン二次電池 Download PDF

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Abstract

本発明の二次電池電極用バインダ樹脂組成物は、下記一般式(1)で表される構造単位を有する重合体(A)と、水に不溶な粒子状の重合体(B−1)、または/および、水に可溶な重合体(B−2)とを含み、重合体(B−2)が酸性基または/およびその塩を有する。本発明の二次電池電極用スラリーは、本発明の二次電池電極用バインダ樹脂組成物と、活物質と、溶媒とを含有する。本発明の二次電池用電極は、集電体と、該集電体上に設けられた電極層とを備え、電極層は、活物質と本発明の二次電池電極用バインダ樹脂組成物とを含有する。または電極層は、本発明の二次電池電極用スラリーを集電体に塗布し、乾燥させて得られるものである。本発明のリチウムイオン二次電池は、本発明の二次電池用電極を備える。
[化1]

Description

本発明は、二次電池電極用バインダ樹脂組成物、二次電池電極用スラリー、二次電池用電極、リチウムイオン二次電池に関する。
本願は、2012年1月11日に、日本に出願された特願2012−3209号、および2012年1月17日に、日本に出願された特願2012−7441号、に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、携帯電話、ビデオカメラ、ノート型パソコン等のポータブル機器や、ハイブリッド車、電気自動車などの蓄電池として、リチウムイオン二次電池が用いられている。
リチウムイオン二次電池用電極は、通常、粉体状の電極活物質材料(活物質)に結着剤(バインダ)を適当量添加した混合物に溶媒を混ぜて電極用スラリーとし、これを集電体に塗布、乾燥後、圧着させて電極層を形成することで得られる。
バインダとしては、二次電池の電解液に用いられる有機溶媒への耐溶媒性、駆動電圧内での耐酸化性や耐還元性等を満足する材料が使用される。このような材料としては、ポリフッ化ビニリデン(以下、「PVDF」と略記する。)などが用いられている。
一方、活物質やバインダ等の混合物をスラリーとするための溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン(以下、「NMP」と略記する。)等のアミド類、ウレア類といった含窒素系有機溶媒が用いられる。
しかし、NMP等の含窒素系有機溶媒は、溶媒回収コストや、環境に対する負荷が高い等の問題があった。また、例えばNMPは、沸点が204℃と高いため、乾燥時や溶媒回収精製時に多くのエネルギーを必要とするという問題があった。
こうした問題に対し、非イオン性の水溶性ポリマーをバインダとして用い、水に溶解または分散させて電極用スラリーを調製し、電極を製造することが検討されている。
例えば特許文献1には、カルボキシメチルセルロースと高分子ラテックスとを含有する結着剤が開示されている。カルボキシメチルセルロースと高分子ラテックスとを含有する結着剤は、分散安定性および塗工性に優れ、集電体に対して密着性良好な電極層が得られる。
しかし、カルボキシメチルセルロースは天然物由来であるため、供給ロット毎の品質が安定しにくく、また、貯蔵安定性に劣るなどの問題があった。
そこで、非天然物由来の水溶性バインダとして、N−ビニルアセトアミド単位を有する重合体が報告されている。
例えば特許文献2には、アミド構造を有する繰り返し構造単位を含む重合体として、ポリN−ビニルアセトアミドを含む非水電池用正極ペーストが開示されている。ポリN−ビニルアセトアミドは、ペースト安定性、結着性、電気化学的安定性など、二次電池(特に非水二次電池)における要求性能を改善できるとしている。
また特許文献3には、バインダとして、ポリN−ビニルアセトアミドと、エチレンオキサイド(EO)およびプロピレンオキサイド(PO)の共重合体とを含む樹脂成分が開示されている。このバインダによれば、結着性、低温から室温環境下での電池特性に優れるとしている。
特開平11−67213号公報 特開2002−251999号公報 特開2002−117860号公報
しかしながら、特許文献2に記載のように、アミド構造を有する繰り返し構造単位のみで構成されたポリN−ビニルアセトアミドをバインダとして用いた電極は、柔軟性(可とう性)に劣るものであった。特に、ポリN−ビニルアセトアミドを、負極用バインダとして用いた場合、電極用スラリーの安定性(スラリー安定性)や、得られる電池の電池特性が低下しやすかった。
また、特許文献3に記載のバインダでは、EO鎖あるいはPO鎖が電解液組成に類似した分子構造のため、電極を電解液に浸漬した際にEOおよびPOの共重合体の分子体積が膨潤し、結着性が低下したり、活物質の欠落により長期にわたって放電容量を高く維持できずに(サイクル特性の低下)電池性能が低下したりするという懸念があった。
ところで、一般に電極層の組成において、正極では活物質とバインダに加え、導電性を付与するためのアセチレンブラック等の導電助剤が添加されることが多い。この導電助剤はその粒子径の小ささ故に電極用スラリーにチキソ性を付与する効果もある。そのため正極用の電極用スラリー(正極用スラリー)は、静置状態で活物質等が沈降しにくく、スラリーの経時安定性が高い。
一方、負極では活物質に炭素系物質が多用されており導電性が確保されているため、導電助剤が添加されない場合が多い。そのため、負極用の電極用スラリー(負極用スラリー)はチキソ性が低く静置状態で活物質がすぐに沈降しやすく、安定性が悪い。この負極スラリーを集電体に塗布すると乾燥までの間に活物質が沈降してバインダが上部に偏在化し、電池特性、特に長期のサイクル特性に劣るという問題があった。
本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、柔軟性に優れた電極を形成でき、電池特性、特に長期のサイクル特性に優れた電池が得られ、かつ結着性に優れる二次電池電極用バインダ樹脂組成物、二次電池電極用スラリー、および二次電池用電極とこれを備えたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
また本発明は、負極に用いる場合でも安定性に優れた電極用スラリーが得られ、活物質やバインダの偏在を抑制した電極を形成でき、電池特性、特に長期のサイクル特性に優れた電池が得られる二次電池電極用バインダ樹脂組成物、二次電池電極用スラリー、および二次電池用電極とこれを備えたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
本発明者らは鋭意検討した結果、バインダとしてアミド構造単位を有する重合体と、水に不溶な粒子状の重合体とを併用することで結着性が向上するとともに、柔軟性に優れた電極を形成でき、かつ電池特性に優れた電池が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
また、本発明者らは鋭意検討した結果、バインダとしてアミド構造単位を有する重合体と、酸性基または/およびその塩を有する水に可溶な重合体(高分子体)とを併用することで、粘度が上がりにくい負極用スラリーを調製する場合においても安定性の高いスラリーが得られ、活物質やバインダの偏在が少ない電極を形成でき、かつ電池特性に優れた電池が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、以下の態様を有する。
<1> 下記一般式(1)で表される構造単位を有する重合体(A)と、水に不溶な粒子状の重合体(B−1)、または/および、水に可溶な重合体(B−2)とを含み、前記重合体(B−2)が酸性基または/およびその塩を有する、二次電池電極用バインダ樹脂組成物。
Figure 2013105623

(式(1)中、RおよびRはそれぞれ独立して、水素原子またはアルキル基である。)
<2> 前記重合体(B−1)の平均粒子径が10〜1000nmである、<1>に記載の二次電池電極用バインダ樹脂組成物。
<3> 前記重合体(A)と重合体(B−1)との質量比(重合体(A)/重合体(B−1))が5/95〜95/5である、<1>または<2>に記載の二次電池電極用バインダ樹脂組成物。
<4> 下記柔軟性試験により電極の柔軟性の評価を行ったときに、電極層に変化がない、<1>〜<3>のいずれか一項に記載の二次電池電極用バインダ樹脂組成物。
(柔軟性試験)
当該二次電池電極用バインダ樹脂組成物と水とを混練する。これに活物質を加えて混練し、さらに電極が正極の場合には導電助剤を加えて混練した後、塗工可能な粘度まで水で調整して電極用スラリーを得る。配合量は、活物質100質量部に対して、二次電池電極用バインダ樹脂組成物を2質量部とし、導電助剤を5質量部とする。
得られた電極用スラリーを集電体に塗布し、乾燥して、膜厚20〜200μmの電極層が集電体上に形成された電極を得る。
得られた電極を横3cm、縦5cmに切り出し、試験片とする。
得られた試験片の集電体面に直径5mmのマンドレルをあて、試験片の片側をテープで固定し、湿度10%以下の環境にて、集電体面が内側になるよう試験片を折り曲げたときの電極層の状態を観察し、電極の柔軟性を評価する。
<5> 前記酸性基または/およびその塩が、カルボキシル基、カルボキシル基の塩、スルホン酸基、スルホン酸基の塩、リン酸基およびリン酸基の塩からなる群より選ばれる少なくとも1つである、<1>に記載の二次電池電極用バインダ樹脂組成物。
<6> 前記重合体(A)と重合体(B−2)との質量比(重合体(A)/重合体(B−2))が5/95〜99.5/0.5である、<1>または<5>に記載の二次電池電極用バインダ樹脂組成物。
<7> 前記重合体(A)の1質量%水溶液の粘度(α)と、該水溶液に前記重合体(B−2)を重合体(A)100質量部に対して10質量部となるように添加した溶液の粘度(β)との比(β/α)が5以上である、<1>、<5>、<6>のいずれか一項に記載の二次電池電極用バインダ樹脂組成物。
<8> <1>〜<7>のいずれか一項に記載の二次電池電極用バインダ樹脂組成物と、活物質と、溶媒とを含有する、二次電池電極用スラリー。
<9> 集電体と、該集電体上に設けられた電極層とを備え、前記電極層は、活物質と、<1>〜<7>のいずれか一項に記載の二次電池電極用バインダ樹脂組成物とを含有する、二次電池用電極。
<10> <9>に記載の二次電池用電極を備える、リチウムイオン二次電池。
<11> 集電体と、該集電体上に設けられた電極層とを備え、前記電極層は、<8>に記載の二次電池電極用スラリーを集電体に塗布し、乾燥させて得られるものである、二次電池用電極。
<12> <11>に記載の二次電池用電極を備える、リチウムイオン二次電池。
本発明によれば、柔軟性に優れた電極を形成でき、電池特性、特に長期のサイクル特性に優れた電池が得られ、かつ結着性に優れる二次電池電極用バインダ樹脂組成物、二次電池電極用スラリー、および二次電池用電極とこれを備えたリチウムイオン二次電池を提供できる。
また、本発明によれば、負極に用いる場合でも安定性に優れた電極用スラリーが得られ、活物質やバインダの偏在を抑制した電極を形成でき、電池特性、特に長期のサイクル特性に優れた電池が得られる二次電池電極用バインダ樹脂組成物、二次電池電極用スラリー、および二次電池用電極とこれを備えたリチウムイオン二次電池を提供できる。
以下、本発明を詳細に説明する。
「第一の態様」
<二次電池電極用バインダ樹脂組成物>
本発明の第一の態様の二次電池電極用バインダ樹脂組成物(以下、「樹脂組成物」という。)は、以下に示す重合体(A)と重合体(B−1)とを含む。
(重合体(A))
重合体(A)は、下記一般式(1)で表される構造単位を含む重合体であり、樹脂組成物に結着性を付与する成分である。
Figure 2013105623
式(1)中、RおよびRはそれぞれ独立して、水素原子またはアルキル基である。
アルキル基としては、炭素数1〜5の直鎖もしくは分岐のアルキル基が好ましく、例えばメチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、n−ブチル基 、sec−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、1−メチルブチル基、2−メチルブチル基、3−メチルブチル基、1−エチルプロピル基、1,1−ジメチルプロピル基、1,2−ジメチルプロピル基、2,2−ジメチルプロピル基などが挙げられる。
得られる重合体(A)の溶解性、粘度特性、酸化安定性の観点から、RおよびRとしては、それぞれ独立して、水素原子またはメチル基が好ましい。
重合体(A)を構成する全ての構成単位の合計を100モル%とした場合、重合体(A)における上記一般式(1)で表される構造単位の含有率は、1〜100モル%が好ましく、60〜100モル%であることがより好ましい。特に、上記一般式(1)で表される構造単位の含有率が60モル%以上であれば、得られる重合体(A)の水溶性と増粘性が向上する。また、上記一般式(1)で表される構造単位の含有率が高くなるほど集電体に対する電極層の結着性が高まる傾向にあり、特に100モル%であれば、集電体に対して強い結着性を示す。
上記一般式(1)で表される構造単位の由来源となる単量体(以下、「単量体(a)」という。)としては、N−ビニルホルムアミド、N−ビニルアセトアミドなどが挙げられる。
重合体(A)は、必要に応じて、上記一般式(1)で表される構造単位以外の単位(任意単位)を含んでいてもよい。任意単位を含むことで、後述する電極層の剛性や曲げ強度等の機械的特性が向上する。
任意単位の由来源となる単量体(以下、「任意単量体」という。)としては、単量体(a)と共重合可能であれば特に限定されないが、例えばアクリロニトリル、メタクリロニトリル、α−シアノアクリレート、ジシアノビニリデン、フマロニトリル等のシアン化ビニル単量体;メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、プロピル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート、ヘキシル(メタ)アクリレート等の(メタ)アクリレート;(メタ)アクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、マレイン酸、無水マレイン酸等のカルボキシル基含有単量体及びその塩;スチレン、α−メチルスチレン等の芳香族ビニル単量体;マレイミド、フェニルマレイミド等のマレイミド類;(メタ)アリルスルホン酸、(メタ)アリルオキシベンゼンスルホン酸、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等のスルホン酸基含有ビニル単量体及びその塩;2−(メタ)アクリロイルオキシエチルアシッドホスフェート、2−(メタ)アクリロイルオキシエチルアシッドホスフェート・モノエタノールアミン塩、ジフェニル((メタ)アクリロイルオキシエチル)ホスフェート、(メタ)アクリロイルオキシプロピルアシッドホスフェート、3−クロロ−2−アシッド・ホスホオキシプロピル(メタ)アクリレート、アシッド・ホスホオキシポリオキシエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、アシッド・ホスホオキシポリオキシプロピレングリコール(メタ)アクリレート等のリン酸基を含有ビニル単量体及びその塩;ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミドの三級塩若しくは四級アンモニウム塩;(メタ)アクリルアミド、酢酸ビニル、N−ビニルピロリドンが挙げられる。
これら任意単量体は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
重合体(A)の質量平均分子量は5000〜1000万であることが好ましく、10000〜750万であることがより好ましい。重合体(A)の質量平均分子量が上記範囲内であれば、水への溶解性が十分であり、短時間で水に溶解することができ、十分な増粘効果を得ることができる。なお、質量平均分子量が1000万を超えても、増粘効果は頭打ちとなる。
重合体(A)の質量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)を用いて測定することができる。例えば、テトラヒドロフランや水等の溶媒を溶離液とし、ポリスチレン換算分子量として求めることができる。
また、重合体(A)の粘度平均分子量は1万〜1000万であることが好ましく、10万〜800万であることがより好ましい。重合体(A)の粘度平均分子量が上記下限値以上であれば結着性がより高まり、上記上限値以下であれば水溶性が高まり、あわせて導電助剤の分散性が良好となる。
重合体(A)の粘度平均分子量は、重合体(A)の水溶液の粘度から、ポリN−ビニルホルムアミド(以下、PNVFという。)を標準物質とした粘度換算分子量として算出される。粘度平均分子量の算出方法の例を以下に示す。
粘度平均分子量の算出方法:
重合体(A)の水溶液の還元粘度(ηsp/C)と、Hugginsの式(ηsp/C=[η]+K’[η]C)とから、固有粘度[η]を算出する。なお、上記式中の「C」は、重合体(A)の水溶液における重合体(A)の濃度(g/dL)である。重合体(A)の水溶液の還元粘度の測定方法は、後述のものである。
得られた固有粘度[η]、およびMark−Houwinkの式([η]=KMa)から、粘度平均分子量(式中の「M」)を算出する。
なお、1N食塩水において、PNVFのパラメータは、K=8.31×10−5、a=0.76、K’=0.31である。
還元粘度の測定方法:
まず、重合体(A)の濃度が0.1質量%となるように、1N食塩水に重合体(A)を溶解して、重合体(A)の水溶液を得る。得られた重合体(A)の水溶液について、オスワルド粘度計を用いて、25℃での流下時間(t)を測定する。
別途、ブランクとして、1N食塩水についてオスワルド粘度計を用いて、25℃での流下時間(t)を測定する。
得られた流下時間から、下記式(i)により還元粘度を算出する。
ηsp/C={(t/t)−1}/C ・・・(i)
(式(i)中、Cは、重合体(A)の水溶液における重合体(A)の濃度(g/dL)である。)
重合体(A)は、上述した単量体(a)を単独で重合する、または単量体(a)と任意単量体とを共重合することにより得られる。
重合方法は特に限定されず、原料として用いる単量体や生成する重合体の溶解性などに応じて、バルク重合、溶液重合、懸濁重合、乳化重合、光重合などの方法を採用すればよい。
重合体(A)の重合に用いる重合開始剤としては特に限定されないが、水溶性アゾ化合物、有機過酸化物、水溶性無機化酸化物、レドックス系重合開始剤等のラジカル重合開始剤を用いることができる。
水溶性アゾ化合物としては、例えば4,4’−アゾビス(4−シアノバレリックアシッド)、2,2’−ビス(2−イミダゾリン−2−イル)[2,2’−アゾビスプロパン]二塩酸塩、2,2’−ビス(2−イミダゾリン−2−イル)[2,2’−アゾビスプロパン]二硫酸塩二水和物、2,2’−アゾビス(2−アミジノプロパン)二塩酸塩、2,2’−アゾビス(2−(N−(2−カルボキシエチル)アミジノ)プロパン)、2,2’−アゾビス(2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン)、2,2’−アゾビス(2−メチル−N−(1,1−ビス(ヒドロキシメチル)−2−ヒドロキシエチル)プロピオンアミド)、2,2’−アゾビス[N−(2−ヒドロキシエチル)−2−メチルプロパンアミド]等を挙げることができる。
有機過酸化物としては、水溶性の過酸化物が好ましく、例えばtert−ブチルハイドロパーオキサイド等が挙げられる。
水溶性無機過酸化物としては、例えば過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過硫酸ナトリウム等の過硫酸塩、過酸化水素等が挙げられる。
なお、過硫酸塩等の酸化剤は、亜硫酸水素ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、ハイドロサルファイト等の還元剤、硫酸鉄等の重合促進剤と組み合わせて、レドックス系開始剤として用いることもできる。
また、重合体(A)の重合には、分子量調節等の目的で連鎖移動剤を用いたり、分散性を向上させる目的で分散剤を用いたりしてもよい。
連鎖移動剤としては、例えばメルカプタン化合物、チオグリコール、四塩化炭素、α−メチルスチレンダイマーが挙げられる。
分散剤としては、例えばメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等の水溶性セルロース樹脂、ポリビニルアルコール類、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドンポリアクリルアミド、ポリスチレンスルホン酸塩の有機物、リン酸カルシウム、炭酸カルシウム等の無機固体、グリセリン脂肪酸エステル、ソルビタンエステル、プロピレングリコール脂肪酸エステル、ショ糖脂肪酸エステル、クエン酸モノ(ジ又はトリ)ステアリンエステル、ペンタエリストール脂肪酸エステル、トリメチロールプロパン脂肪酸エステル、ポリグリセリン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレングリセリン脂肪酸エステル、ポリエステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリエチレングリコール脂肪酸エステル、ポリプロピレングリコール脂肪酸エステル、ポリオキシエチレングリコール脂肪アルコールエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、N,N−ビス(2−ヒドロキシエチレン)脂肪アミン、エチレンビスステアリン酸アミド、脂肪酸とジエタノールとの縮合生成物、ポリオキシエチレンとポリオキシプロピレンとのブロックポリマー、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等の非イオン性界面活性剤等が挙げられる。
重合体(A)の重合に用いる重合用溶媒としては特に限定されないが、例えば水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレン、アセトン、メチルエチルケトン、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、クロロホルム、四塩化炭素、二塩化エチレン、酢酸エチル、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等が挙げられる。
これら重合用溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
(重合体(B−1))
重合体(B−1)は、実質的に水に不溶な粒子状の重合体であり、電極に柔軟性を付与し、電池に電池特性、特に長期のサイクル特性を付与する成分である。
なお、本発明において、「実質的に水に不溶」とは、25℃の水100gに対する溶解度(すなわち、25℃において水100gに対して溶解する限度)が0.5g未満のことをいう。溶解度は0.1g以下が好ましい。
このような重合体(B−1)としては、例えばスチレン、α−メチルスチレン、p−メチルスチレンなどの芳香族ビニル化合物類、ブタジエンなどの共役ジオレフィン類、塩化ビニル、塩化ビニリデンなどの含塩素ビニル化合物類、フッ化ビニリデン、六フッ化プロピレン、三フッ化エチレン、三フッ化塩化エチレン、フッ化ビニル、パーフルオロアルキルビニルエーテルなどの含フッ素ビニル化合物類、酢酸ビニルなどの酢酸エステル類、アクリロニトリル、メタクリロニトリルなどの不飽和ニトリル化合物類、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、プロピルメタクリレート、ブチルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、2−ヒドロキシエチルメタクリレート、グリシジルメタクリレート、アリルメタクリレートなどのメタクリル酸エステル類、メチルアクリレート、エチルアクリレート、プロピルアクリレート、ブチルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、2−ヒドロキシエチルアクリレート、グリシジルアクリレート、アリルアクリレートなどのアクリル酸エステル類、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、フマル酸、マレイン酸などの不飽和酸類、アクリルアミド、メタクリルアミドなどの不飽和アミド類、ジビニルベンゼン、エチレングリコールジメタクリレート、エチレングリコールジアクリレート、1,3−ブタンジオールジメタクリレート、1,3−ブタンジオールジアクリレート、1,4−ブタンジオールジメタクリレート、1,4−ブタンジオールジアクリレート、1,6−ヘキサンジオールジメタクリレート、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート、トリアリルイソシアヌレートなどの架橋性単量体類等の単量体を1種以上用い、乳化重合や懸濁重合によって重合された粒子状の重合体が挙げられるが、溶液重合や塊状重合、あるいはその他の方法によって重合された重合体を粒子状にしたものを用いることも可能である。例えば、懸濁重合により得られたポリアクリロニトリル粉体を水に分散させて湿式微粒化装置によって強制的に乳化させた粒子を用いることができる。
また、重合体(B−1)として、ポリブタジエン等の共役ジエン、ポリ(メタ)アクリル酸エステル、またはポリオルガノシロキサン等のゴム存在下でスチレン、(メタ)アクリル酸エステル、またはアクリロニトリル等のビニル単量体をグラフト重合して得られるグラフト共重合体を用いることも可能である。前記ゴムとしては、アクリル酸エステル類またはメタクリル酸エステル類成分及びポリオルガノシロキサン成分からなる複合ゴムを用いることも可能である。
グラフト共重合体中のゴム含有量は40〜90質量%が好ましく、50〜90質量%がより好ましい。
重合体(B−1)としては、芳香族ビニル化合物類、含フッ素ビニル化合物類もしくは不飽和ニトリル化合物類の重合体またはグラフト共重合体が好ましく、中でも、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリルまたはグラフト共重合体がより好ましい。
重合体(B−1)の平均粒子径は、10〜1000nmであることが好ましく、50〜500nmであることがより好ましく、70〜300nmであることがさらに好ましい。重合体(B−1)の平均粒子径が上記範囲内であれば、詳しくは後述するが電極の製造において樹脂組成物をバインダとして使用する際に、重合体(B−1)が沈降したり凝集したりするのを抑制できる、安定な樹脂組成物を得ることができる。
なお、重合体(B−1)の平均粒子径は、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて測定される体積平均1次粒子径である。
(割合)
本発明の第一の態様の樹脂組成物における、重合体(A)と重合体(B−1)の質量比(重合体(A)/重合体(B−1))は、固形分換算で5/95〜95/5が好ましく、25/75〜75/25がより好ましく、25/75〜50/50が特に好ましい。重合体(A)と重合体(B−1)の質量比が上記範囲内であれば、樹脂組成物を用いて電極用スラリー(二次電池電極用スラリー)を調製して電極を製造する際に、電極用スラリーの取り扱い性、集電体への塗工性が良好となる。加えて、電極用スラリーより形成される電極層内部の均一性が高まる。
樹脂組成物は、例えば重合体(A)と重合体(B−1)とを混合することで得られる。また、詳しくは後述するが、電極用スラリーの調製のタイミングにおいて、重合体(A)と、重合体(B−1)と、活物質等とを溶媒に分散してもよい。
また、樹脂組成物は、重合体(A)と重合体(B−1)とからなるものでもよいが、後述する重合体(B−2)を含んでいてもよい。
以上説明したように、本発明の第一の態様の樹脂組成物は重合体(A)と重合体(B−1)とを含むので、結着性に優れる。しかも、重合体(A)と重合体(B−1)とを含む樹脂組成物を用いて製造した電極は柔軟性に優れるとともに、該電極を備えた電池は電池特性(特に長期のサイクル特性)に優れる。
よって、本発明の第一の態様の樹脂組成物は、結着性に優れ、かつ、柔軟性に優れた電極を形成でき、電池特性(特に長期のサイクル特性)に優れた電池が得られる。具体的には、下記柔軟性試験により電極の柔軟性の評価を行ったときに、電極層に変化がない電極を形成できる。
ここで、「電極層に変化がない」とは、光学顕微鏡で60倍の倍率で観察したときに電極層に割れ、欠け等の変化が見られないことを意味する。
(柔軟性試験)
当該二次電池電極用バインダ樹脂組成物と水とを混練する。これに活物質を加えて混練し、さらに電極が正極の場合には導電助剤を加えて混練した後、塗工可能な粘度まで水で調整して電極用スラリーを得る。配合量は、活物質100質量部に対して、二次電池電極用バインダ樹脂組成物を2質量部とし、導電助剤を5質量部とする。
得られた電極用スラリーを集電体に塗布し、乾燥して、膜厚20〜200μmの電極層が集電体上に形成された電極を得る。
得られた電極を横3cm、縦5cmに切り出し、試験片とする。
得られた試験片の集電体面に直径5mmのマンドレルをあて、試験片の片側をテープで固定し、湿度10%以下の環境にて、集電体面が内側になるよう試験片を折り曲げたときの電極層の状態を観察し、電極の柔軟性を評価する。
本発明の第一の態様の樹脂組成物は、リチウムイオン二次電池の正極および負極の両方の電極用のバインダとして好適である。
<二次電池電極用スラリー>
本発明の第一の態様の二次電池電極用スラリー(以下、「電極用スラリー」という。)は、上述した本発明の第一の態様の樹脂組成物と、活物質と、溶媒とを含有する。また、電極用スラリーは、重合体(A)および重合体(B−1)以外のバインダ樹脂(他のバインダ樹脂)や、粘度調整剤、結着性向上剤、分散剤等を含有していてもよい。また、電極用スラリーを正極用として用いる場合には、電極用スラリーに導電助剤を含有させてもよい。
本発明の第一の態様の電極用スラリーに用いる樹脂組成物は、上述した本発明の第一の態様の樹脂組成物であり、ここでの詳細な説明は省略する。
電極用スラリー中の樹脂組成物の割合(すなわち、重合体(A)と重合体(B−1)の合計)は、活物質100質量部に対して、0.1〜10質量部が好ましく、0.2〜5質量部がより好ましい。樹脂組成物の割合が0.1質量部以上であれば、集電体への密着性、活物質間の結着性が良好となる。一方、樹脂組成物の割合が10質量部以下であれば、電極中の抵抗が悪化するのを抑制できる。
電極用スラリーに用いる活物質は、正極と、負極との電位が異なるものであればよい。
正極用の活物質(正極活物質)としては、例えば鉄、コバルト、ニッケル、マンガンから選ばれる少なくとも1種類以上の金属と、リチウムを含有するリチウム含有金属複合酸化物が挙げられる。
一方、負極用の活物質(負極活物質)としては、例えば黒鉛、非晶質炭素、炭素繊維、コークス、活性炭等の炭素材料;前記炭素材料とシリコン、錫、銀等の金属、またはこれらの酸化物との複合物が挙げられる。
正極活物質および負極活物質は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
他のバインダ樹脂としては、例えばアクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)、アクリルゴム系ラテックスなどが挙げられる。また、他のバインダ樹脂として、酢酸ビニル共重合体、スチレンブタジエンブロック共重合体(SBR)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の実質的に水に不溶で、かつ粒子状ではない重合体を用いることもできる。
粘度調整剤としては、例えば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等のセルロース系重合体及びこれらのアンモニウム塩;ポリ(メタ)アクリル酸ナトリウム等のポリ(メタ)アクリル酸塩;ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、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、マレイン酸又はフマル酸とビニルアルコールの共重合体、変性ポリビニルアルコール、変性ポリアクリル酸、ポリエチレングリコール、ポリカルボン酸などが挙げられる。前記粘度調整剤は、その他のバインダ樹脂としても使用可能である。
導電助剤としては、例えば黒鉛、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、アセチレンブラック、導電性高分子などが挙げられる。
これら導電助剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
溶媒としては、例えば水;水、NMP、N,N−ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルスルホルアミド、テトラメチル尿素、アセトン、メチルエチルケトン、N−メチルピロリドンの1種以上と、エステル系溶媒(酢酸エチル、酢酸n−ブチル、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート等)との混合溶媒;NMPとグライム系溶媒(ジグライム、トリグライム、テトラグライム等)との混合溶媒等が挙げられる。中でも、溶媒回収コスト、環境負荷、乾燥時等のエネルギーを軽減できる観点から、水が好ましい。
これら溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
以上説明した本発明の第一の態様の電極用スラリーは、本発明の第一の態様の樹脂組成物を含むので、結着性に優れ、かつ、柔軟性に優れた電極を形成でき、電池特性(特に長期のサイクル特性)に優れた電池が得られる。
<二次電池用電極>
本発明の第一の態様の二次電池用電極(以下、「電極」という。)は、集電体と、該集電体上に設けられた電極層とを備える。
電極層は、活物質と、バインダとして本発明の第一の態様の樹脂組成物とを少なくとも含有する層であり、必要に応じて、重合体(A)および重合体(B−1)以外のバインダ樹脂(他のバインダ樹脂)や、粘度調整剤、結着性向上剤、分散剤等の公知の添加剤を含有していてもよい。
活物質、他のバインダ樹脂、粘度調整剤としては、本発明の第一の態様の電極用スラリーの説明において先に例示した活物質、他のバインダ樹脂、粘度調整剤が挙げられる。
なお、正極の電極層は、導電助剤を含有してもよい。導電助剤を含有することで、電池性能をより高めることができる。
導電助剤としては、本発明の第一の態様の電極用スラリーの説明において先に例示した導電助剤が挙げられる。
電極層は、例えば板状の集電体の少なくとも一方の面上に形成された層であり、その厚みは0.1〜500μmが好ましいが、これに限定されるものではない。なお、正極は負極と比べ活物質の容量が小さいため、正極の電極層は、負極の電極層より厚くされることが好ましい。
集電体の材料としては、導電性を有する物質であればよく、金属が使用できる。金属としては、リチウムと合金ができ難い金属が好ましく、具体的には、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、あるいはこれらの合金が挙げられる。
集電体の形状としては、薄膜状、網状、繊維状が挙げられる。この中では、薄膜状が好ましい。集電体の厚みは、5〜30μmが好ましく、8〜25μmがより好ましい。
本発明の第一の態様の電極は、公知の方法を用いて製造することができる。例えば、本発明の第一の態様の樹脂組成物と、活物質と、必要に応じて他のバインダ樹脂や、粘度調整剤、導電助剤等の添加剤とを溶媒に分散して二次電池電極用スラリー(電極用スラリー)を調製し(スラリー調製工程)、該電極用スラリーを集電体に塗布し(塗布工程)、溶媒を除去して(溶媒除去工程)、本発明の第一の態様の樹脂組成物で活物質等を保持した層(電極層)が集電体上に形成された電極を得る。
スラリー調製工程は、本発明の第一の態様の樹脂組成物と、活物質と、必要に応じて他のバインダ樹脂や、粘度調整剤、導電助剤等の添加剤とを溶媒に分散して電極用スラリーを得る工程である。このとき、上述した重合体(A)および重合体(B−1)は予め混合して樹脂組成物としておいてもよいし、スラリー調製工程において重合体(A)と重合体(B−1)とを活物質などと共に溶媒に分散してもよく、重合体(A)、重合体(B−1)、活物質等の溶媒への分散のタイミングは特に限定されない。
また、重合体(A)を水に溶解した水溶液と、重合体(B−1)を溶媒に分散した分散液と、活物質とを混合して電極用スラリーを調製してもよい。この際、重合体(A)の水溶液と重合体(B−1)の分散液を予め混合してから、これらと活物質とを混合してもよいし、重合体(A)の水溶液と活物質とを混合した後、重合体(B−1)の分散液を混合してもよいが、活物質の分散が良好となり均質な電極用スラリーを調製することができる点で、重合体(A)の水溶液と活物質とを混合した後、重合体(B−1)の分散液を混合する方が好ましい。
本発明の第一の態様の樹脂組成物の割合(すなわち、重合体(A)と重合体(B−1)の合計)は、活物質100質量部に対して、0.1〜10質量部が好ましく、0.2〜5質量部がより好ましい。樹脂組成物の割合が0.1質量部以上であれば、集電体への密着性、活物質間の結着性が良好となる。一方、樹脂組成物の割合が10質量部以下であれば、電極中の抵抗が悪化するのを抑制できる。
スラリー調製工程に用いる溶媒としては、本発明の第一の態様の電極用スラリーの説明において先に例示した溶媒が挙げられる。
電極用スラリーは、少なくとも本発明の第一の態様の樹脂組成物と活物質とを溶媒の存在下で混錬することで得られる。
混錬方法としては、樹脂組成物と活物質とを十分に混練できる方法であれば特に限定されないが、例えば自公転攪拌機、プラネタリミキサ、ホモジナイザー、ボールミル、サンドミル、ロールミル等の各種分散機で混練する方法が挙げられる。
塗布工程は、スラリー調製工程で得られた電極用スラリーを集電体に塗布する工程である。
塗布方法は、電極層の厚みが0.1〜500μmとなるように電極用スラリーを集電体に塗布できる方法であれば特に限定されない。例えばバーコート法、ドクターブレード法、ナイフ法、ディップ法、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、カーテン法、浸漬法、ハケ塗り法などが挙げられる。
溶媒除去工程は、集電体に塗布した電極用スラリー中の溶媒を除去する工程である。
除去方法としては、溶媒を除去できれば一般に採用されている方法を利用することができる。特に、熱風、真空、赤外線、遠赤外線、電子線および低温風を単独あるいは組み合わせて用いることが好ましい。
除去条件は、溶媒が十分に除去可能で、かつ重合体(A)および重合体(B−1)が分解しない条件であれば特に限定されないが、40〜120℃、好ましくは60〜100℃で、1分間〜10時間、加熱処理することが好ましい。この条件であれば、重合体(A)および重合体(B−1)が分解することなく、活物質と集電体、あるいは活物質間の高い密着性を付与することができる。また、集電体が腐食しにくい。
溶媒除去工程の後、必要に応じて電極層をプレスしてもよい(プレス工程)。プレス工程を設けることで、電極層の面積を広げ、かつ任意の厚みに調節でき、電極層表面の平滑度および電気密度を高めることができる。プレス方法としては、金型プレスやロールプレス等が挙げられる。
さらに、必要に応じて、得られた電池用電極を任意の寸法に切断してもよい(スリット加工工程)。
このようにして得られる本発明の第一の態様の電極は、バインダとして本発明の第一の態様の樹脂組成物を用いているので、電極層の集電体に対する結着性が高く、かつ柔軟性に優れる。また、活物質が欠落しにくいので、長期にわたって放電容量を高く維持できる。
本発明の第一の態様の電極は、リチウムイオン二次電池用の電極として好適である。
<リチウムイオン二次電池>
本発明の第一の態様のリチウムイオン二次電池は、本発明の第一の態様の電極を備える。
リチウムイオン二次電池としては、例えば、正極と負極とを、透過性のセパレータ(例えば、ポリエチレンあるいはポリプロピレン製の多孔性フィルム)を間に介して配置し、これに非水系の電解液を含浸させた非水系二次電池;集電体の両面に電極層が形成された負極/セパレータ/集電体の両面に電極層が形成された正極/セパレータからなる積層体をロール状(渦巻状)に巻回した巻回体が、電解液と共に有底の金属ケーシングに収容された筒状の非水系二次電池などが挙げられる。
電解液としては、例えばリチウムイオン二次電池の場合、電解質としてのリチウム塩を1M程度の濃度で非水系有機溶媒に溶解したものが用いられる。
リチウム塩としては、例えばLiClO、LiBF、LiI、LiPF、LiCFSO、LiCFCO、LiAsF、LiSbF、LiAlCl、LiCl、LiBr、LiB(C)、LiCHSO、LiCSO、Li(CFSO)N、Li[(CO)]Bなどが挙げられる。
一方、非水系有機溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等のカーボネート類;γ−ブチロラクトン等のラクトン類;トリメトキシメタン、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、2−エトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等のエーテル類;ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類;1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン等のオキソラン類;アセトニトリル、ニトロメタン、NMP等の含窒素類;ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、リン酸トリエステル等のエステル類;ジグライム、トリグライム、テトラグライム等のグライム類;アセトン、ジエチルケトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン類;スルホラン等のスルホン類;3−メチル−2−オキサゾリジノン等のオキサゾリジノン類;1,3−プロパンスルトン、4−ブタンスルトン、ナフタスルトン等のスルトン類などが挙げられる。
電解液は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
リチウムイオン二次電池は、例えば正極と負極とを、透過性のセパレータを間に介して配置し、これに非水系の電解液を含浸させることで得られる。
また、筒状の場合は以下のようにして得られる。
まず、集電体の両面に電極層が形成された負極/セパレータ/集電体の両面に電極層が形成された正極/セパレータからなる積層体をロール状(渦巻状)に巻回して巻回体とする。得られた巻回体を有底の金属ケーシング(電池缶)に収容し、負極を負極端子に、正極を正極端子に接続する。ついで、金属ケーシングに電解液を含浸させた後、金属ケーシングを封止することにより筒状のリチウムイオン二次電池とする。
このようにして得られる本発明の第一の態様のリチウムイオン二次電池は、バインダとして本発明の第一の態様の樹脂組成物を用いた電極を備えているので、電池性能に優れる。電池性能に優れるのは、電極が柔軟性に優れるので応力が加わっても電極が割れにくく、かつ電極層の集電体に対する結着性が高く、加えて、電極を電解液に浸漬しても樹脂組成物が膨潤しにくく、長期にわたって放電容量を高く維持できるためである。
「第二の態様」
<二次電池電極用バインダ樹脂組成物>
本発明の第二の態様の二次電池電極用バインダ樹脂組成物(以下、「樹脂組成物」という。)は、以下に示す重合体(A)と重合体(B−2)とを含む。
(重合体(A))
重合体(A)は、上記一般式(1)で表される構造単位を含む重合体である。
本発明の第二の態様の樹脂組成物に用いる重合体(A)は、本発明の第一の態様の樹脂組成物に用いる重合体(A)と同じであり、ここでの詳細な説明は省略する。
(重合体(B−2))
重合体(B−2)は、実質的に水に可溶な高分子体(重合体)であり、酸性基または/およびその塩を有するものである。重合体(B−2)は、二次電池電極用スラリー(電極用スラリー)に適度な粘度を付与し、電極用スラリーの安定性や電池特性、特に長期のサイクル特性を付与する成分である。
なお、本発明において、「実質的に水に可溶」とは、25℃の水100gに対する溶解度(すなわち、25℃において水100gに対して溶解する限度)が0.5g以上のことをいう。溶解度は1g以上が好ましい。
重合体(B−2)が有する酸性基または/およびその塩としては、カルボキシル基、カルボキシル基の塩、スルホン酸基、スルホン酸基の塩、リン酸基、リン酸基の塩が好ましい。重合体(B−2)は、これらのうち1種を単独で含有していてもよく、2種以上を混在して含有していてもよい。
酸性基の塩としては、酸性基のアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アンモニウム塩、置換アンモニウム塩などが挙げられる。
アルカリ金属としては、例えばリチウム、ナトリウム、カリウムなどが挙げられる。
アルカリ土類金属としては、例えばマグネシウム、カルシウムなどが挙げられる。
置換アンモニウムとしては、例えば脂式アンモニウム類、環式飽和アンモニウム類、環式不飽和アンモニウム類などが挙げられる。
このような重合体(B−2)としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリイタコン酸、ポリフマル酸、ポリクロトン酸、ポリマレイン酸、(メタ)アクリル酸−イタコン酸共重合体、(メタ)アクリル酸−(無水)マレイン酸共重合体等のカルボキシル基含有高分子体及びその塩;ポリ(メタ)アリルスルホン酸、ポリ(メタ)アリルオキシベンゼンスルホン酸、ポリ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重合体等のスルホン酸基含有高分子体及びその塩;2−(メタ)アクリロイルオキシエチルアシッドホスフェート重合体、2−(メタ)アクリロイルオキシエチルアシッドホスフェート・モノエタノールアミン重合体、ジフェニル((メタ)アクリロイルオキシエチル)ホスフェート重合体、(メタ)アクリロイルオキシプロピルアシッドホスフェート重合体、3−クロロ−2−アシッド・ホスホオキシプロピル(メタ)アクリレート重合体、アシッド・ホスホオキシポリオキシエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート重合体、アシッド・ホスホオキシポリオキシプロピレングリコール(メタ)アクリレート重合体等のリン酸基含有高分子体及びその塩等が挙げられる。
また、重合体(B−2)としては、下記一般式(2)で表される、スルホン酸基または/およびカルボキシル基を有するアニリン系ポリマーも好適に使用可能である。
Figure 2013105623
一般式(2)中、Rはスルホン酸基、カルボキシル基、およびこれらのアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アンモニウム塩および置換アンモニウム塩からなる群より選ばれた1つの基であり、Rはメチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、n−ブチル基、iso−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ドデシル基、テトラコシル基、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシ基、n−ブトキシ基、iso−ブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基、ペントキシ基、ヘキソキシ基、オクトキシ基、ドデコキシ基、テトラデコキシ基、フルオロ基、クロロ基およびブロモ基からなる群より選ばれた1つの基を示し、xは0<x<1の任意の数を示し、nは重合度を示し3以上である。
さらに、重合体(B−2)として、ポリエチレンジオキシチオフェンポリスチレンスルフェートを用いてもよい。該ポリマーは、高分子の骨格にスルホン酸基は導入されていないが、ドーパントとしてポリスチレンスルホン酸が付与されている構造を有している。
重合体(B−2)としては、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
(割合)
本発明の第二の態様の樹脂組成物における、重合体(A)と重合体(B−2)の質量比(重合体(A)/重合体(B−2))は、固形分換算で5/95〜99.5/0.5が好ましく、50/50〜99/1がより好ましく、60/40〜99/1がさらに好ましく、80/20〜99/1が特に好ましい。重合体(A)と重合体(B−2)の質量比が上記範囲内であれば、電極用スラリーの安定性が向上し、樹脂組成物を用いて電極用スラリーを調製して電極を製造する際に、電極用スラリーの取り扱い性、集電体への塗工性が良好となる。加えて、電極用スラリーより形成される電極層内部の均一性が高まる。
(粘度比)
本発明の第二の態様の樹脂組成物における、重合体(A)の1質量%水溶液の粘度(α)と、該水溶液に重合体(B−2)を重合体(A)100質量部に対して10質量部となるように添加した溶液の粘度(β)との比(β/α)は、5以上が好ましく、7以上が好ましい。β/αが5以上であれば、電極用スラリーの安定性が向上し、集電体への塗工性および集電体への電極層の密着性が高まる。β/αの上限値については、電極用スラリーの取り扱い性が良好となる点で、1000以下が好ましく、700以下がより好ましい。
粘度(α)は、以下のようにして重合体(A)の1質量%水溶液の粘度を測定することで求められる。
まず、重合体(A)の濃度が1質量%となるように、イオン交換水に重合体(A)を溶解して、重合体(A)の1質量%水溶液を得る。得られた重合体(A)の1質量%水溶液について、B型粘度計を用いて、25℃での粘度を測定する。使用するローターおよび回転数は、測定可能な粘度範囲を考慮して決定すればよい。
一方、粘度(β)は、以下のようにして重合体(A)の1質量%水溶液に重合体(B−2)を添加した溶液の粘度を測定することで求められる。
まず、重合体(A)の濃度が1質量%となるように、イオン交換水に重合体(A)を溶解して、重合体(A)の1質量%水溶液を得る。この水溶液に、重合体(B−2)を重合体(A)100質量部に対して10質量部となるように添加して溶液を得る。得られた溶液について、重合体(A)の1質量%水溶液と同様にして粘度を測定する。
樹脂組成物は、例えば重合体(A)と重合体(B−2)とを混合することで得られる。また、詳しくは後述するが、電極用スラリーの調製のタイミングにおいて、重合体(A)と、重合体(B−2)と、活物質等とを溶媒に分散してもよい。
また、樹脂組成物は、重合体(A)と重合体(B−2)とからなるものでもよいが、上述した重合体(B−1)を含んでいてもよい。
以上説明したように、本発明の第二の態様の樹脂組成物は重合体(A)と重合体(B−2)とを含むので、負極用の電極用スラリーを調製する場合でもスラリーの分離や活物質の沈降が起こりにくい程度の粘度となるため、安定性に優れた電極用スラリーが得られる。しかも、重合体(A)と重合体(B−2)とを含む樹脂組成物を用いて製造した電極は活物質やバインダの偏在が少ないため該電極を備えた電池は電池特性(特に長期のサイクル特性)に優れる。
よって、本発明の樹脂組成物を用いると、安定性に優れた電極用スラリーが得られ、活物質やバインダの偏在が少なく均一性に優れた電極層を備えた電極を形成でき、電池特性(特に長期のサイクル特性)に優れた電池が得られる。
本発明の第二の態様の樹脂組成物は、リチウムイオン二次電池の正極および負極の両方の電極用のバインダとして好適である。
<二次電池電極用スラリー>
本発明の第二の態様の二次電池電極用スラリー(以下、「電極用スラリー」という。)は、上述した本発明の第二の態様の樹脂組成物と、活物質と、溶媒とを含有する。また、電極用スラリーは、重合体(A)および重合体(B−2)以外のバインダ樹脂(他のバインダ樹脂)や、粘度調整剤、結着性向上剤、分散剤等を含有していてもよい。また、電極用スラリーを正極用として用いる場合には、電極用スラリーに導電助剤を含有させてもよい。
本発明の第二の態様の電極用スラリーに用いる樹脂組成物は、上述した本発明の第二の態様の樹脂組成物であり、ここでの詳細な説明は省略する。
電極用スラリー中の樹脂組成物の割合(すなわち、重合体(A)と重合体(B−2)の合計)は、活物質100質量部に対して、0.1〜10質量部が好ましく、0.2〜5質量部がより好ましい。樹脂組成物の割合が0.1質量部以上であれば、集電体への密着性、活物質間の結着性が良好となる。一方、樹脂組成物の割合が10質量部以下であれば、電極中の抵抗が悪化するのを抑制できる。
電極用スラリーに用いる活物質、導電助剤、溶媒としては、本発明の第一の態様の電極用スラリーの説明において先に例示した活物質、導電助剤、溶媒が挙げられる。
他のバインダ樹脂としては、例えばアクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)、アクリルゴム系ラテックスなどが挙げられる。
粘度調整剤としては、例えば、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等のセルロース系重合体及びこれらのアンモニウム塩;ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、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、マレイン酸又はフマル酸とビニルアルコールの共重合体、変性ポリビニルアルコール、変性ポリアクリル酸、ポリエチレングリコールなどが挙げられる。前記粘度調整剤は、その他のバインダ樹脂としても使用可能である。
以上説明した本発明の第二の態様の電極用スラリーは、本発明の第二の態様の樹脂組成物を含むので、負極に用いる場合でも安定性に優れ、活物質やバインダの偏在を抑制した電極を形成でき、電池特性、特に長期のサイクル特性に優れた電池が得られる。
<二次電池用電極>
本発明の第二の態様の二次電池用電極(以下、「電極」という。)は、集電体と、該集電体上に設けられた電極層とを備える。
電極層は、活物質と、バインダとして本発明の第二の態様の樹脂組成物とを少なくとも含有する層であり、必要に応じて、重合体(A)および重合体(B−2)以外のバインダ樹脂(他のバインダ樹脂)や、粘度調整剤、結着性向上剤、分散剤等の公知の添加剤を含有していてもよい。
活物質としては、本発明の第一の態様の電極用スラリーの説明において先に例示した活物質が挙げられる。
他のバインダ樹脂、粘度調整剤としては、本発明の第二の態様の電極用スラリーの説明において先に例示した他のバインダ樹脂、粘度調整剤が挙げられる。
なお、電極(特に正極)の電極層は、導電助剤を含有してもよい。導電助剤を含有することで、電池性能をより高めることができる。
導電助剤としては、本発明の第一の態様の電極用スラリーの説明において先に例示した導電助剤が挙げられる。
電極層は、例えば板状の集電体の少なくとも一方の面上に形成された層であり、その厚みは0.1〜500μmが好ましいが、これに限定されるものではない。なお、正極は、負極と比べ活物質の容量が小さいため、正極の電極層は、負極の電極層より厚くされることが好ましい。
集電体の材料としては、導電性を有する物質であればよく、金属が使用できる。金属としては、リチウムと合金ができ難い金属が好ましく、具体的には、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、あるいはこれらの合金が挙げられる。
集電体の形状としては、薄膜状、網状、繊維状が挙げられる。この中では、薄膜状が好ましい。集電体の厚みは、5〜30μmが好ましく、8〜25μmがより好ましい。
本発明の第二の態様の電極は、公知の方法を用いて製造することができる。例えば、本発明の第二の態様の樹脂組成物と、活物質と、必要に応じて他のバインダ樹脂や、粘度調整剤、導電助剤等の添加剤とを溶媒に分散して二次電池電極用スラリー(電極用スラリー)を調製し(スラリー調製工程)、該電極用スラリーを集電体に塗布し(塗布工程)、溶媒を除去して(溶媒除去工程)、本発明の第二の態様の樹脂組成物で活物質等を保持した層(電極層)が集電体上に形成された電極を得る。
スラリー調製工程は、本発明の第二の態様の樹脂組成物と、活物質と、必要に応じて他のバインダ樹脂や、粘度調整剤、導電助剤等の添加剤とを溶媒に分散して電極用スラリーを得る工程である。このとき、上述した重合体(A)および重合体(B−2)は予め混合して樹脂組成物としておいてもよいし、スラリー調製工程において重合体(A)と重合体(B−2)とを活物質などと共に溶媒に分散してもよく、重合体(A)、重合体(B−2)、活物質等の溶媒への分散のタイミングは特に限定されない。
本発明の第二の態様の樹脂組成物の割合(すなわち、重合体(A)と重合体(B−2)の合計)は、活物質100質量部に対して、0.1〜10質量部が好ましく、0.2〜5質量部がより好ましい。樹脂組成物の割合が0.1質量部以上であれば、集電体への密着性、活物質間の結着性が良好となる。一方、樹脂組成物の割合が10質量部以下であれば、電極中の抵抗が悪化するのを抑制できる。
スラリー調製工程に用いる溶媒としては、本発明の第一の態様の電極用スラリーの説明において先に例示した溶媒が挙げられる。
電極用スラリーは、少なくとも本発明の第二の態様の樹脂組成物と活物質とを溶媒の存在下で混錬することで得られる。
混錬方法としては、樹脂組成物と活物質とを十分に混練できる方法であれば特に限定されないが、例えば自公転攪拌機、プラネタリミキサ、ホモジナイザー、ボールミル、サンドミル、ロールミル等の各種分散機で混練する方法が挙げられる。
塗布工程は、スラリー調製工程で得られた電極用スラリーを集電体に塗布する工程である。
塗布方法は、電極層の厚みが0.1〜500μmとなるように電極用スラリーを集電体に塗布できる方法であれば特に限定されない。例えばバーコート法、ドクターブレード法、ナイフ法、ディップ法、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、カーテン法、浸漬法、ハケ塗り法などが挙げられる。
溶媒除去工程は、集電体に塗布した電極用スラリー中の溶媒を除去する工程である。
除去方法としては、溶媒を除去できれば一般に採用されている方法を利用することができる。特に、熱風、真空、赤外線、遠赤外線、電子線および低温風を単独あるいは組み合わせて用いることが好ましい。
除去条件は、溶媒が十分に除去可能で、かつ重合体(A)および重合体(B−2)が分解しない条件であれば特に限定されないが、40〜120℃、好ましくは60〜100℃で、1分間〜10時間、加熱処理することが好ましい。この条件であれば、重合体(A)および重合体(B−2)が分解することなく、活物質と集電体、あるいは活物質間の高い密着性を付与することができる。また、集電体が腐食しにくい。
溶媒除去工程の後、必要に応じて電極層をプレスしてもよい(プレス工程)。プレス工程を設けることで、電極層の面積を広げ、かつ任意の厚みに調節でき、電極層表面の平滑度および電気密度を高めることができる。プレス方法としては、金型プレスやロールプレス等が挙げられる。
さらに、必要に応じて、得られた電極を任意の寸法に切断してもよい(スリット加工工程)。
このようにして得られる本発明の電極は、バインダとして本発明の第二の態様の樹脂組成物を用いているので、負極用の電極用スラリーを調製する場合でもスラリーの分離や活物質の沈降が起こりにくい程度の粘度となるため、安定性に優れた電極用スラリーを用いて製造される。よって、本発明の第二の態様の電極は、活物質やバインダの偏在が少なく均一性に優れた電極層を備えるので、長期にわたって放電容量を高く維持できる電池が得られる。
本発明の第二の態様の電極は、リチウムイオン二次電池用の電極として好適である。
<リチウムイオン二次電池>
本発明の第二の態様のリチウムイオン二次電池は、本発明の第二の態様の電極を備える。
リチウムイオン二次電池としては、例えば、正極と負極とを、透過性のセパレータ(例えば、ポリエチレンあるいはポリプロピレン製の多孔性フィルム)を間に介して配置し、これに非水系の電解液を含浸させた非水系二次電池;集電体の両面に電極層が形成された負極/セパレータ/集電体の両面に電極層が形成された正極/セパレータからなる積層体をロール状(渦巻状)に巻回した巻回体が、電解液と共に有底の金属ケーシングに収容された筒状の非水系二次電池などが挙げられる。
電解液としては、例えばリチウムイオン二次電池の場合、電解質としてのリチウム塩を1M程度の濃度で非水系有機溶媒に溶解したものが用いられる。
リチウム塩、非水系有機溶媒としては、本発明の第一の態様のリチウムイオン二次電池の説明において、先に例示したリチウム塩、非水系有機溶媒が挙げられる。
リチウムイオン二次電池は、例えば正極と負極とを、透過性のセパレータを間に介して配置し、これに非水系の電解液を含浸させることで得られる。
また、筒状の場合は、本発明の第一の態様のリチウムイオン二次電池の説明において先に例示した方法により得られる。
このようにして得られる本発明の第二の態様のリチウムイオン二次電池は、バインダとして本発明の第二の態様の樹脂組成物を用いた電極を備えているので、電池性能に優れる。電池性能に優れるのは、安定性に優れた電極用スラリーを用いて電極を製造できるので、活物質等が沈降しにくく、電極層の均一性がよく、加えて、電極を電解液に浸漬しても樹脂組成物が膨潤しにくく、長期にわたって放電容量を高く維持できるためである。
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
「試験1」
<重合体(A)の製造>
(製造例1:N−ビニルホルムアミド重合体(A1)の製造)
脱イオン水70質量部に対し、N−ビニルホルムアミド30質量部を混合した単量体水溶液を、リン酸によりpH=6.3となるよう調節し、単量体調節液を得た。この単量体調節液を5℃まで冷却した後、温度計を取り付けた断熱反応容器に入れ、15分間窒素曝気を行った。その後、4、4’−アゾビス(4−シアノバレリックアシッド)(和光純薬工業株式会社製、「V−501」)12質量%水溶液を0.4質量部添加し、次いで、tert−ブチルハイドロパーオキサイド10質量%水溶液および亜硫酸水素ナトリウム10質量%水溶液をそれぞれ0.1質量部添加して重合を行った。内温がピークを超えた後さらに1時間熟成し、ゲルを取り出しミートチョッパーで粉砕した後、60℃で10時間乾燥し、得られた固体を粉砕し、N−ビニルホルムアミド重合体(A1)を得た。
(製造例2:N−ビニルアセトアミド重合体(A2)の製造)
シクロヘキサン95質量部、脱イオン水5質量部の溶液に対して、乳化剤としてポリオキシアルキレンアルキルエーテル1.5質量部を混合した水溶液を55℃に加温し、1時間窒素曝気を行った。その後、重合開始剤として4、4’−アゾビス(4−シアノバレリックアシッド)(和光純薬工業株式会社製、「V−501」)の12質量%水溶液0.8質量部を添加した。ついで、N−ビニルアセトアミド75質量%水溶液30質量部を1時間かけて滴下した。滴下終了後、55℃で2時間保温した後に冷却し、重合体懸濁液を得た。得られた重合体懸濁液をろ過し、得られた固体を真空下60℃で乾燥させ、N−ビニルアセトアミド重合体(A2)を得た。
<測定・評価方法>
(平均粒子径の測定)
レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて重合体(B−1)の体積平均1次粒子径を測定し、これを重合体(B−1)の平均粒子径とした。
(剥離強度の測定)
得られた電極について、以下の方法で剥離強度を評価した。
各例の正極または負極を幅2cmに切り出し、試験片1とした。この試験片1を両面テープ(積水化学工業株式会社製、「#570」)でポリカーボネート板(2.5cm×10cm×厚さ1mm)に貼着して、測定用試験片を得た。この際、電極層がポリカーボネート板に接するように、正極または負極をポリカーボネート板に貼着した。
テンシロン万能試験機(株式会社オリエンテック製、「RTC−1210A」)を用い、集電体を測定用試験片から剥離した際の荷重を測定した。5個の試験片について測定を行い、その平均値を剥離強度とした。測定条件は、剥離速度10mm/分、剥離角度180°、環境温度23℃、環境湿度40%RHとした。剥離強度が大きいほど、電極層が集電体により強固に結着していることを意味する。
(柔軟性の評価)
得られた電極について、以下の方法で柔軟性を評価した。
各例の正極または負極を横3cm、縦5cmになるように切り出し、試験片2とした。この試験片2について、JIS K−5600−5−1:1999(ISO 1519:1973)の塗料一般試験方法耐屈曲性(円筒形マンドレル法)を参考にして柔軟性を評価した。
正極の柔軟性を評価する場合、得られた試験片2の集電体面に直径5mmのマンドレルをあて、試験片2の片側をテープで固定し、湿度10%以下の環境にて、集電体面が内側になるよう試験片2を折り曲げたときの電極層の状態を60倍のマイクロスコープ(スリー・アールシステム株式会社製、「ワイヤレスデジタル顕微鏡」)を用いて観察し、以下の評価基準にて正極の柔軟性を評価した。
負極の柔軟性を評価する場合、得られた試験片2の集電体面に直径3mmのマンドレルをあてた以外は、正極の場合と同様にして評価した。
○:電極層に割れ、欠け等の変化が見られない。
×:電極層に割れ、欠け等の変化が見られた。
(電池特性の評価)
得られた電極について、以下の方法で、電池特性を評価した。
各例の正極および市販の金属リチウム電極(負極)、または各例の負極および市販の金属リチウム電極(正極)を、セパレータ(セルガード♯2400)を介して対向させた。電解液として1Mの六フッ化リン酸リチウム(エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=1/2(体積比))を用いて、2032型コイン電池を作製した。
得られた2032型コイン電池について、60℃で充放電レートを0.5Cとし、定電流法(電流密度:0.6mA/g−活物質)で試験した。
各例の正極を用いた2032型コイン電池の場合、4.2Vに充電し、3Vまで放電する充放電を50回繰り返し、50サイクル目の電池容量を測定した。
各例の負極を用いた2032型コイン電池の場合、3.0Vに充電し、0Vまで放電する充放電を50回繰り返し、50サイクル目の電池容量を測定した。
1サイクル目の電池容量に対する50サイクル目の電池容量の割合を百分率で表し、これを容量維持率とした。
<実施例1−1>
(正極用スラリーの調製)
軟膏容器に、重合体(A)としてN−ビニルホルムアミド重合体(A1)の4質量%水溶液を50質量部(固形分換算で2質量部)と、脱イオン水40質量部とを計量し、これにコバルト酸リチウム(日本化学工業株式会社製、「セルシードC−5H」)100質量部と、アセチレンブラック(電気化学工業株式会社製)5質量部を加え、自公転攪拌機(Thinky社製、「泡とり練太郎」)を用い、自転1000rpm、公転2000rpmの条件にて混練した。十分に混錬した後、重合体(B−1)としてポリフッ化ビニリデンラテックス(アルケマ社製、平均粒子径127nm、固形分49.6質量%)を4質量部(固形分換算で2質量部)添加し、自公転攪拌機で攪拌しながら、塗工可能な粘度になるまで脱イオン水を用いて粘度調節し、正極用スラリーを得た。
正極用スラリーの配合組成を表1に示す。
(正極の作製)
得られた正極用スラリーを集電体(アルミニウム箔、19cm×25cm、厚み20μm)上にドクターブレードを用いて塗布し、循環式熱風乾燥機中60℃で30分間乾燥させ、さらに真空乾燥機にて80℃で12時間減圧乾燥させて、膜厚80μmの電極層が集電体(アルミニウム箔)上に形成された正極を得た。
得られた正極について、剥離強度を測定し、柔軟性および電池特性を評価した。結果を表2に示す。
<実施例1−2>
軟膏容器に、N−ビニルホルムアミド重合体(A1)の4質量%水溶液を25質量部(固形分換算で1質量部)と、脱イオン水40質量部とを計量した以外は、実施例1−1と同様にして正極用スラリーを調製し、正極を作製し、各種測定・評価を行った。正極用スラリーの配合組成を表1に示す。また、評価測定・結果を表2に示す。
<実施例1−3>
重合体(A)としてN−ビニルホルムアミド重合体(A1)の代わりに、N−ビニルアセトアミド重合体(A2)を用いた以外は、実施例1−1と同様にして正極用スラリーを調製し、正極を作製し、各種測定・評価を行った。正極用スラリーの配合組成を表1に示す。また、測定・評価結果を表2に示す。
<実施例1−4>
重合体(B−1)としてポリフッ化ビニリデンラテックスの代わりに、ブチルアクリレート成分およびポリオルガノシロキサン成分からなる複合ゴムに、メチルメタクリレートをグラフト重合して得られるアクリルシリコーンラテックス(平均粒子径166nm、固形分25質量%)を8質量部(固形分換算で2質量部)用いた以外は、実施例1−1と同様にして正極用スラリーを調製し、正極を作製し、各種測定・評価を行った。正極用スラリーの配合組成を表1に示す。また、測定・評価結果を表2に示す。
<実施例1−5>
重合体(B−1)としてポリフッ化ビニリデンラテックスの代わりに、懸濁重合によって得られたポリアクリロニトリル粉体を水に分散させ、湿式微粒化装置によって強制的に乳化させて得られたポリアクリロニトリルラテックス(平均粒子径400nm、固形分7.5質量%)を27質量部(固形分換算で2質量部)用いた以外は、実施例1−1と同様にして正極用スラリーを調製し、正極を作製し、各種測定・評価を行った。正極用スラリーの配合組成を表1に示す。また、測定・評価結果を表2に示す。
<実施例1−6>
(負極用スラリーの調製)
軟膏容器に、重合体(A)としてN−ビニルホルムアミド重合体(A1)の4質量%水溶液を50質量部(固形分換算で2質量部)と、脱イオン水50質量部とを計量し、これに天然の黒鉛系負極活物質(三菱化学株式会社製、「MPGC16」)100質量部を加え、自公転攪拌機(Thinky社製、「泡とり練太郎」)を用い、自転1000rpm、公転2000rpmの条件にて混練した。十分に混錬した後、重合体(B−1)としてポリフッ化ビニリデンラテックス(アルケマ社製、平均粒子径127nm、固形分49.6質量%)を4質量部(固形分換算で2質量部)添加し、自公転攪拌機で攪拌しながら、塗工可能な粘度になるまで脱イオン水を用いて粘度調節し、負極用スラリーを得た。
負極用スラリーの配合組成を表1に示す。
(負極の作製)
得られた負極用スラリーを集電体(銅箔、19cm×25cm、厚み18μm)上にドクターブレードを用いて塗布し、循環式熱風乾燥機中60℃で30分間乾燥させ、さらに真空乾燥機にて80℃で12時間減圧乾燥させて、膜厚80μmの電極層が集電体(銅箔)上に形成された負極を得た。
得られた負極について、剥離強度を測定し、柔軟性および電池特性を評価した。結果を表2に示す。
<実施例1−7>
N−ビニルホルムアミド重合体(A1)の代わりに、N−ビニルアセトアミド重合体(A2)を用いた以外は、実施例1−6と同様にして負極用スラリーを調製し、負極を作製し、各種測定・評価を行った。
負極用スラリーの配合組成を表1に示す。また、測定・評価結果を表2に示す。
<実施例1−8>
重合体(B−1)としてポリフッ化ビニリデンラテックスの代わりに、ブチルアクリレート成分及びポリオルガノシロキサン成分からなる複合ゴムに、メチルメタクリレートをグラフト重合して得られるアクリルシリコーンラテックス(平均粒子径166nm、固形分25質量%)を8質量部(固形分換算で2質量部)用いた以外は、実施例1−6と同様にして負極用スラリーを調製し、負極を作製し、各種測定・評価を行った。
負極用スラリーの配合組成を表1に示す。また、測定・評価結果を表2に示す。
<実施例1−9>
重合体(B−1)としてポリフッ化ビニリデンラテックスの代わりに、懸濁重合によって得られたポリアクリロニトリル粉体を水に分散させ、湿式微粒化装置によって強制的に乳化させて得られたポリアクリロニトリルラテックス(平均粒子径400nm、固形分7.5質量%)を27質量部(固形分換算で2質量部)用いた以外は、実施例1−6と同様にして負極用スラリーを調製し、負極を作製し、各種測定・評価を行った。
負極用スラリーの配合組成を表1に示す。また、測定・評価結果を表2に示す。
<比較例1−1>
ポリフッ化ビニリデンラテックスを用いなかった以外は、実施例1−1と同様にして正極用スラリーを調製し、正極を作製し、各種測定・評価を行った。
正極用スラリーの配合組成を表1に示す。また、測定・評価結果を表2に示す。
<比較例1−2>
重合体(A)としてN−ビニルホルムアミド重合体(A1)の代わりに、N−ビニルアセトアミド重合体(A2)を用い、かつポリフッ化ビニリデンラテックスを用いなかった以外は、実施例1−1と同様にして正極用スラリーを調製し、正極を作製し、各種測定・評価を行った。
正極用スラリーの配合組成を表1に示す。また、測定・評価結果を表2に示す。
<比較例1−3>
ポリフッ化ビニリデンラテックスを用いなかった以外は、実施例1−6と同様にして負極用スラリーを調製し、負極を作製し、各種測定・評価を行った。
負極用スラリーの配合組成を表1に示す。また、測定・評価結果を表2に示す。
<比較例1−4>
重合体(A)としてN−ビニルホルムアミド重合体(A1)の代わりに、N−ビニルアセトアミド重合体(A2)を用い、かつポリフッ化ビニリデンラテックスを用いなかった以外は、実施例1−6と同様にして負極用スラリーを調製し、負極を作製し、各種測定・評価を行った。
負極用スラリーの配合組成を表1に示す。また、測定・評価結果を表2に示す。
Figure 2013105623
Figure 2013105623
なお、表1中の略号等は以下の通りである。また、表1中の「部」とは質量部のことであり、重合体(A)および重合体(B−1)の量は固形分換算した量である。
・PVDF−Em:ポリフッ化ビニリデンラテックス(アルケマ社製、平均粒子径127nm、固形分49.6質量%)。
・アクリルシリコーン:実施例1−4で得られたアクリルシリコーンラテックス(平均粒子径166nm、固形分25質量%)。
・PAN−Em:実施例1−5で得られたポリアクリロニトリルラテックス(平均粒子径400nm、固形分7.5質量%)。
・LCO:コバルト酸リチウム(日本化学工業株式会社製、「セルシードC−5H」)。
・MPGC16:天然の黒鉛系負極活物質(三菱化学株式会社製、「MPGC16」)。
・AB:アセチレンブラック(電気化学工業株式会社製)
表2から明らかなように、重合体(A)と重合体(B−1)を用いて形成された実施例1−1〜1−5の正極、および実施例1−6〜1−9の負極は剥離強度が高く、電極層の集電体に対する結着性に優れていた。また、これらの電極は柔軟性にも優れていた。さらに、これら電極を備えた電池は、50サイクル目の電池容量が1サイクル目の電池容量の80%以上を維持しており、電池特性にも優れていた。
一方、重合体(B−1)を用いずに形成された比較例1−1、1−2の正極、および比較例1−3、1−4の負極では、実施例1−1〜1−5で得られた正極、および実施例1−6〜1−9で得られた負極に比べて結着性および柔軟性に劣るものであった。
また、比較例1−1の正極を備えた電池は実施例1−1、1−5に比べて、比較例1−2で得られた正極を備えた電池は実施例1−3に比べて、それぞれ容量維持率が低く、電池特性に劣っていた。比較例1−3の負極を備えた電池は実施例1−6、1−8、1−9に比べて、比較例1−4で得られた負極を備えた電池は実施例1−7に比べて、それぞれ容量維持率が低く、電池特性に劣っていた。
「試験2」
<重合体(A)の製造>
試験1の製造例1と同様にして、N−ビニルホルムアミド重合体(A1)を製造した。
<測定・評価方法>
(粘度の測定)
100mLねじ口ガラス瓶に、樹脂組成物の水溶液を入れ、B型粘度計(東機産業株式会社製、「TVB−10M型粘度計」)を用いて粘度を測定した。ローターはM4またはM2を使用し、回転速度3rpm、6rpm、20rpmのいずれかでの粘度を読み取った。
(粘度比の算出)
まず、重合体(A)の濃度が1質量%となるように、イオン交換水に重合体(A)を溶解して、重合体(A)の1質量%水溶液を得た。得られた重合体(A)の1質量%水溶液について、B型粘度計を用いて、25℃での粘度を測定し、その値を粘度(α)とした。
別途、重合体(A)の濃度が1質量%となるように、イオン交換水に重合体(A)を溶解して、重合体(A)の1質量%水溶液を得た。この水溶液に、重合体(B−2)を重合体(A)100質量部に対して10質量部となるように添加して溶液を得た。得られた溶液について、重合体(A)の1質量%水溶液と同様にして粘度を測定し、その値を粘度(β)とした。
上記方法により測定した粘度(α)と粘度(β)との比(β/α)を算出した。
(スラリー安定性の評価)
得られた負極用スラリーについて、以下の方法でスラリーの安定性を評価した。
各例の負極用スラリーを24時間放置した後、スラリーの分離や活物質の沈降などがないかを目視で確認し、以下の評価基準にてスラリーの安定性を評価した。
○:分離、沈降がない。
×:分離または沈降していた。
(剥離強度の測定)
得られた電極について、試験1の剥離強度の測定方法と同様にして、剥離強度を測定した。
(電池特性の評価)
得られた電極について、試験1の電池特性の評価方法と同様にして、電池特性を評価した。
<実施例2−1>
(樹脂組成物の調製)
重合体(A)としてN−ビニルホルムアミド重合体(A1)2質量部と、重合体(B−2)としてポリ(2−スルホ−5−メトキシ−1,4−イミノフェニレン)水溶液(固形分5質量%)4質量部(固形分換算で0.2質量部)と、脱イオン水94質量部とを計量し、十分に溶解して樹脂組成物の水溶液を得た。
得られた樹脂組成物の水溶液について、粘度を測定した。なお、ローターはM4を使用し、回転速度3rpmでの粘度を読み取った。また、粘度比を算出した。測定結果を表3に示す。
<実施例2−2>
重合体(A)としてN−ビニルホルムアミド重合体(A1)2質量部と、重合体(B−2)としてポリスチレンスルホン酸ナトリウム水溶液(東ソー有機化学株式会社製、「ポリナス PS−5」、固形分20質量%)1質量部(固形分換算で0.2質量部)と、脱イオン水97質量部とを計量し、十分に溶解して樹脂組成物の水溶液を得た。
得られた樹脂組成物の水溶液について、粘度を測定した。なお、ローターはM4を使用し、回転速度6rpmでの粘度を読み取った。また、粘度比を算出した。測定結果を表3に示す。
<実施例2−3>
重合体(A)としてN−ビニルホルムアミド重合体(A1)2質量部と、重合体(B−2)としてポリアクリル酸ナトリウム水溶液(和光純薬工業株式会社製、分子量100万、固形分4質量%)5質量部(固形分換算で0.2質量部)と、脱イオン水93質量部とを計量し、十分に溶解して樹脂組成物の水溶液を得た。
得られた樹脂組成物の水溶液について、粘度を測定した。なお、ローターはM4を使用し、回転速度6rpmでの粘度を読み取った。また、粘度比を算出した。測定結果を表3に示す。
<実施例2−4>
重合体(A)としてN−ビニルホルムアミド重合体(A1)2質量部と、重合体(B−2)としてポリアクリル酸リチウム水溶液(和光純薬工業株式会社製、分子量100万、固形分4質量%)5質量部(固形分換算で0.2質量部)と、脱イオン水93質量部とを計量し、十分に溶解して樹脂組成物の水溶液を得た。
得られた樹脂組成物の水溶液について、粘度を測定した。なお、ローターはM4を使用し、回転速度6rpmでの粘度を読み取った。また、粘度比を算出した。測定結果を表3に示す。
<比較例2−1>
重合体(A)としてN−ビニルホルムアミド重合体(A1)2質量部と、脱イオン水98質量部とを計量し、十分に溶解して樹脂組成物の水溶液を得た。
得られた樹脂組成物の水溶液について、粘度を測定した。なお、ローターはM2を使用し、回転速度20rpmでの粘度を読み取った。測定結果を表3に示す。
Figure 2013105623
なお、表3中の「部」とは質量部のことであり、重合体(A)および重合体(B−2)の量は固形分換算した量である。
<実施例2−5>
(負極用スラリーの調製)
軟膏容器に、重合体(A)としてN−ビニルホルムアミド重合体(A1)の4質量%水溶液を50質量部(固形分換算で2質量部)と、重合体(B−2)としてポリ(2−スルホ−5−メトキシ−1,4−イミノフェニレン)水溶液(固形分5質量%)4質量部(固形分換算で0.2質量部)と、脱イオン水40質量部とを計量し、これに天然の黒鉛系負極活物質(三菱化学株式会社製、「MPGC16」)100質量部を加え、自公転攪拌機(Thinky社製、「あわとり練太郎」)を用い、自転1000rpm、公転2000rpmの条件にて混練した。十分に混練した後、塗工可能な粘度になるまで脱イオン水を用いて粘度調節し、負極用スラリーを得た。
負極用スラリーの配合組成を表4に示す。また、得られた負極用スラリーの安定性を評価した。評価結果を表5に示す。
(負極の作製)
得られた負極用スラリーを集電体(銅箔、19cm×25cm、厚み18μm)上にドクターブレードを用いて塗布し、循環式熱風乾燥機中60℃で30分間乾燥させ、さらに真空乾燥機にて80℃で12時間減圧乾燥させて、膜厚80μmの電極層が集電体(銅箔)上に形成された負極を得た。
得られた負極について、剥離強度を測定し、電池特性を評価した。結果を表5に示す。
<実施例2−6>
重合体(B−2)としてポリスチレンスルホン酸ナトリウム水溶液(東ソー有機化学株式会社製、「ポリナス PS−5」、固形分20質量%)1質量部(固形分換算で0.2質量部)を用いた以外は、実施例2−5と同様にして負極用スラリーを調製し、負極を作製し、各種測定・評価を行った。
負極用スラリーの配合組成を表4に示す。また、測定・評価結果を表5に示す。
<実施例2−7>
重合体(B−2)としてポリアクリル酸ナトリウム水溶液(和光純薬工業株式会社製、分子量100万、固形分4質量%)5質量部(固形分換算で0.2質量部)を用い、導電助剤としてアセチレンブラック1質量部を用いた以外は、実施例2−5と同様にして負極用スラリーを調製し、負極を作製し、各種測定・評価を行った。
負極用スラリーの配合組成を表4に示す。また、測定・評価結果を表5に示す。
<実施例2−8>
重合体(B−2)としてポリアクリル酸リチウム水溶液(和光純薬工業株式会社製、分子量100万、固形分4質量%)5質量部(固形分換算で0.2質量部)を用い、導電助剤としてアセチレンブラック1質量部を用いた以外は、実施例2−5と同様にして負極用スラリーを調製し、負極を作製し、各種測定・評価を行った。
負極用スラリーの配合組成を表4に示す。また、測定・評価結果を表5に示す。
<比較例2−2>
重合体(B−2)としてポリアニリンスルホン酸水溶液を用いなかった以外は、実施例2−5と同様にして負極用スラリーを調製し、負極を作製し、各種測定・評価を行った。
負極用スラリーの配合組成を表4に示す。また、測定・評価結果を表5に示す。
Figure 2013105623
Figure 2013105623
なお、表4中の略号等は以下の通りである。また、表4中の「部」とは質量部のことであり、重合体(A)および重合体(B−2)の量は固形分換算した量である。
・MPGC16:天然の黒鉛系負極活物質(三菱化学株式会社製、「MPGC16」)。
・AB:アセチレンブラック(電気化学工業株式会社製)
表3から明らかなように、重合体(A)と重合体(B−2)を用いた実施例2−1〜2−4は、重合体(A)のみを用いた比較例2−1と比較して、樹脂組成物の水溶液の粘度が高い。この水溶液の粘度増加は電極用スラリーの粘度増加にも影響する。特に導電助剤を添加しない負極用スラリーにおいては、水溶液の粘度が増加することで電極用スラリーの粘度が増加し、電極用スラリーの安定性向上に繋がりやすい。
このことは表5のスラリー安定性の評価結果からも明らかである。重合体(A)と重合体(B−2)を用いた実施例2−5〜2−8は、重合体(B−2)を用いなかった比較例2−2と比較して、負極用スラリーの安定性が向上している。すなわち重合体(A)と重合体(B−2)を含む本発明の樹脂組成物を用いた電極用スラリーは安定性に優れる。
なお、比較例2−1である重合体(A)の水溶液は、2質量%程度の濃度の場合、粘度が剪断速度に依存しないニュートン流体に近いことが分かっており、B型粘度計による測定において回転速度を3rpm乃至6rpmに変えた場合においても、20rpmと同等の粘度が測定値として示されるものと思われる。
また、表5から明らかなように、重合体(A)と重合体(B−2)を用いて形成された実施例2−5〜2−8の負極は、剥離強度が高かった。さらに、これらの負極を備えた実施例2−5〜2−8の電池は、50サイクル目の電池容量が1サイクル目の電池容量の80%以上を維持しており、電池特性にも優れていた。
一方、重合体(B−2)を用いずに形成された比較例2−2の負極は剥離強度が低く、この負極を備えた電池は実施例2−5〜2−8に比べて容量維持率が低く、電池特性に劣っていた。
「試験3」
<重合体(A)の製造>
試験1の製造例1と同様にして、N−ビニルホルムアミド重合体(A1)を製造した。
<測定・評価方法>
(スラリー安定性の評価)
得られた負極用スラリーについて、試験2のスラリー安定性の評価方法と同様にして、スラリーの安定性を評価した。
(剥離強度の測定)
得られた電極について、試験1の剥離強度の測定方法と同様にして、剥離強度を測定した。
(柔軟性の評価)
得られた電極について、試験1の柔軟性の評価方法と同様にして、柔軟性を評価した。
(電池特性の評価)
得られた電極について、試験1の電池特性の評価方法と同様にして、電池特性を評価した。
<実施例3−1>
(正極用スラリーの調製)
軟膏容器に、重合体(A)としてN−ビニルホルムアミド重合体(A1)の4質量%水溶液を50質量部(固形分換算で2質量部)と、重合体(B−2)としてポリアクリル酸ナトリウム水溶液(和光純薬工業株式会社製、分子量100万、固形分4質量%)を5質量部(固形分換算で0.2質量部)と、脱イオン水40質量部とを計量し、これにコバルト酸リチウム(日本化学工業株式会社製、「セルシードC−5H」)100質量部と、アセチレンブラック(電気化学工業株式会社製)5質量部を加え、自公転攪拌機(Thinky社製、「泡とり練太郎」)を用い、自転1000rpm、公転2000rpmの条件にて混練した。十分に混錬した後、重合体(B−1)としてポリフッ化ビニリデンラテックス(アルケマ社製、平均粒子径127nm、固形分49.6質量%)を4質量部(固形分換算で2質量部)添加し、自公転攪拌機で攪拌しながら、塗工可能な粘度になるまで脱イオン水を用いて粘度調節し、正極用スラリーを得た。
正極用スラリーの配合組成を表6に示す。
(正極の作製)
得られた正極用スラリーを集電体(アルミニウム箔、19cm×25cm、厚み20μm)上にドクターブレードを用いて塗布し、循環式熱風乾燥機中60℃で30分間乾燥させ、さらに真空乾燥機にて80℃で12時間減圧乾燥させて、膜厚80μmの電極層が集電体(アルミニウム箔)上に形成された正極を得た。
得られた正極について、剥離強度を測定し、柔軟性および電池特性を評価した。結果を表7に示す。
<実施例3−2>
(負極用スラリーの調製)
軟膏容器に、重合体(A)としてN−ビニルホルムアミド重合体(A1)の4質量%水溶液を50質量部(固形分換算で2質量部)と、重合体(B−2)としてポリアクリル酸ナトリウム水溶液(和光純薬工業株式会社製、分子量100万、固形分4質量%)を5質量部(固形分換算で0.2質量部)と、脱イオン水40質量部とを計量し、これに天然の黒鉛系負極活物質(三菱化学(株)製、「MPGC16」)100質量部とアセチレンブラック(電気化学工業株式会社製)1質量部を加え、自公転攪拌機(Thinky社製、「あわとり練太郎」)を用い、自転1000rpm、公転2000rpmの条件にて混練した。十分に混練した後、重合体(B−1)としてポリフッ化ビニリデンラテックス(アルケマ社製、平均粒子径127nm、固形分49.6質量%)を4質量部(固形分換算で2質量部)添加し、自公転攪拌機で攪拌しながら、塗工可能な粘度になるまで脱イオン水を用いて粘度調節し、負極用スラリーを得た。
負極用スラリーの配合組成を表6に示す。また、得られた負極用スラリーの安定性を評価した。評価結果を表7に示す。
(負極の作製)
得られた負極用スラリーを集電体(銅箔、19cm×25cm、厚み18μm)上にドクターブレードを用いて塗布し、循環式熱風乾燥機中60℃で30分間乾燥させ、さらに真空乾燥機にて80℃で12時間減圧乾燥させて、膜厚80μmの電極層が集電体(銅箔)上に形成された負極を得た。
得られた負極について、剥離強度を測定し、柔軟性および電池特性を評価した。結果を表7に示す。
<比較例3−1>
ポリアクリル酸ナトリウム水溶液およびポリフッ化ビニリデンラテックスを用いなかった以外は、実施例3−1と同様にして正極用スラリーを調製し、正極を作製し、各種測定・評価を行った。
正極用スラリーの配合組成を表6に示す。また、測定・評価結果を表7に示す。
<比較例3−2>
ポリアクリル酸ナトリウム水溶液およびポリフッ化ビニリデンラテックスを用いなかった以外は、実施例3−2と同様にして負極用スラリーを調製し、負極を作製し、各種測定・評価を行った。
負極用スラリーの配合組成を表6に示す。また、測定・評価結果を表7に示す。
Figure 2013105623
Figure 2013105623
なお、表6中の略号等は以下の通りである。また、表6中の「部」とは質量部のことであり、重合体(A)、重合体(B−1)および重合体(B−2)の量は固形分換算した量である。
・PVDF−Em:ポリフッ化ビニリデンラテックス(アルケマ社製、平均粒子径127nm、固形分49.6質量%)。
・LCO:コバルト酸リチウム(日本化学工業株式会社製、「セルシードC−5H」)。
・MPGC16:天然の黒鉛系負極活物質(三菱化学株式会社製、「MPGC16」)。
・AB:アセチレンブラック(電気化学工業株式会社製)
表7から明らかなように、重合体(A)と、重合体(B−1)および重合体(B−2)とを用いた実施例3−1、3−2は、重合体(A)のみを用いた比較例3−1、3−2と比較して、結着性および柔軟性に優れていた。また、実施例3−2は比較例3−2と比較してもスラリー安定性が向上していた。
さらに、重合体(A)と、重合体(B−1)および重合体(B−2)を用いた実施例3−1、3−2の電極を備えた電池は、50サイクル目の電池容量が1サイクル目の電池容量の92%以上を維持しており、電池特性にも優れていた。
一方、重合体(B−1)および重合体(B−2)を用いずに形成された比較例3−2の負極を備えた電池は実施例3−2に比べて容量維持率が低く、電池特性に劣っていた。
本発明の第一の態様の二次電池電極用バインダ樹脂組成物によれば、柔軟性に優れた電極を形成でき、電池特性、特に長期のサイクル特性に優れた電池が得られ、かつ結着性に優れる。
本発明の第一の態様の二次電池電極用スラリーは、第一の態様の二次電池電極用バインダ樹脂組成物を用いて得られるものであり、柔軟性に優れた電極を形成でき、電池特性、特に長期のサイクル特性に優れた電池が得られる。
本発明の第一の態様の二次電池用電極は、柔軟性に優れる。そのため該電極を備えたリチウムイオン二次電池によれば、電池特性、特に長期のサイクル特性に優れる。
また、本発明の第二の態様の二次電池電極用バインダ樹脂組成物によれば、負極に用いる場合でも安定性に優れた電極用スラリーが得られ、活物質やバインダの偏在を抑制した電極を形成でき、電池特性、特に長期のサイクル特性に優れた電池が得られる。
本発明の第二の態様の二次電池電極用スラリーは、第二の態様の二次電池電極用バインダ樹脂組成物を用いて得られるものであり、負極に用いる場合でも安定性に優れ、活物質やバインダの偏在を抑制した電極を形成でき、電池特性、特に長期のサイクル特性に優れた電池が得られる。
本発明の第二の態様の二次電池用電極は、活物質やバインダが偏在しにくい。そのため該電極を備えたリチウムイオン二次電池によれば、電池特性、特に長期のサイクル特性に優れる。

Claims (12)

  1. 下記一般式(1)で表される構造単位を有する重合体(A)と、
    水に不溶な粒子状の重合体(B−1)、または/および、水に可溶な重合体(B−2)とを含み、
    前記重合体(B−2)が酸性基または/およびその塩を有する、二次電池電極用バインダ樹脂組成物。
    Figure 2013105623

    (式(1)中、RおよびRはそれぞれ独立して、水素原子またはアルキル基である。)
  2. 前記重合体(B−1)の平均粒子径が10〜1000nmである、請求項1に記載の二次電池電極用バインダ樹脂組成物。
  3. 前記重合体(A)と重合体(B−1)との質量比(重合体(A)/重合体(B−1))が5/95〜95/5である、請求項1に記載の二次電池電極用バインダ樹脂組成物。
  4. 下記柔軟性試験により電極の柔軟性の評価を行ったときに、電極層に変化がない、請求項1に記載の二次電池電極用バインダ樹脂組成物。
    (柔軟性試験)
    当該二次電池電極用バインダ樹脂組成物と水とを混練する。これに活物質を加えて混練し、さらに電極が正極の場合には導電助剤を加えて混練した後、塗工可能な粘度まで水で調整して電極用スラリーを得る。配合量は、活物質100質量部に対して、二次電池電極用バインダ樹脂組成物を2質量部とし、導電助剤を5質量部とする。
    得られた電極用スラリーを集電体に塗布し、乾燥して、膜厚20〜200μmの電極層が集電体上に形成された電極を得る。
    得られた電極を横3cm、縦5cmに切り出し、試験片とする。
    得られた試験片の集電体面に直径5mmのマンドレルをあて、試験片の片側をテープで固定し、湿度10%以下の環境にて、集電体面が内側になるよう試験片を折り曲げたときの電極層の状態を観察し、電極の柔軟性を評価する。
  5. 前記酸性基または/およびその塩が、カルボキシル基、カルボキシル基の塩、スルホン酸基、スルホン酸基の塩、リン酸基およびリン酸基の塩からなる群より選ばれる少なくとも1つである、請求項1に記載の二次電池電極用バインダ樹脂組成物。
  6. 前記重合体(A)と重合体(B−2)との質量比(重合体(A)/重合体(B−2))が5/95〜99.5/0.5である、請求項1に記載の二次電池電極用バインダ樹脂組成物。
  7. 前記重合体(A)の1質量%水溶液の粘度(α)と、該水溶液に前記重合体(B−2)を重合体(A)100質量部に対して10質量部となるように添加した溶液の粘度(β)との比(β/α)が5以上である、請求項1に記載の二次電池電極用バインダ樹脂組成物。
  8. 請求項1に記載の二次電池電極用バインダ樹脂組成物と、活物質と、溶媒とを含有する、二次電池電極用スラリー。
  9. 集電体と、該集電体上に設けられた電極層とを備え、
    前記電極層は、活物質と、請求項1に記載の二次電池電極用バインダ樹脂組成物とを含有する、二次電池用電極。
  10. 請求項9に記載の二次電池用電極を備える、リチウムイオン二次電池。
  11. 集電体と、該集電体上に設けられた電極層とを備え、
    前記電極層は、請求項8に記載の二次電池電極用スラリーを集電体に塗布し、乾燥させて得られるものである、二次電池用電極。
  12. 請求項11に記載の二次電池用電極を備える、リチウムイオン二次電池。
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