JPWO2018135667A1 - エネルギーデバイス用電極及びエネルギーデバイス - Google Patents
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Abstract
Description
また、正極用のバインダ樹脂として多用されるPVDFは、高温環境下で塩基性物質との接触により変質し、フッ化水素を発生する場合がある。
発生したフッ化水素は、正極活物質からの金属の溶出を引き起こし、溶出した金属は負極側で析出する。その結果、正極及び負極の容量が低下する場合がある。
また、特許文献2に開示される手法では、リチウムイオン二次電池内に容量に寄与しないアルミナ等の無機酸化物を追加することから、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を低下させることがある。さらに、酸中和剤を電極群の軸芯及び電極群の外側に配置した場合、酸中和剤の効果が局所的となることがある。
<1> 正極活物質と導電剤とバインダ樹脂とを含む正極合剤層を有し、
前記正極合剤層の総質量に占める前記バインダ樹脂の割合が、0.5質量%〜5.5質量%であり、
前記バインダ樹脂が、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂を含有するエネルギーデバイス用電極。
<2> 前記ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂が、下記式(I)で表される単量体由来の構造単位をさらに含む<1>に記載のエネルギーデバイス用電極。
<3> 前記ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂に含有される前記ニトリル基含有単量体由来の構造単位1モルに対する前記式(I)で表される単量体由来の構造単位の比率が、0.001モル〜0.2モルである<2>に記載のエネルギーデバイス用電極。
<4> 前記ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂が、下記式(II)で表される単量体由来の構造単位をさらに含む<1>〜<3>のいずれか1項に記載のエネルギーデバイス用電極。
<5> 前記ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂に含有される前記ニトリル基含有単量体由来の構造単位1モルに対する前記式(II)で表される単量体由来の構造単位の比率が、0.001モル〜0.2モルである<4>に記載のエネルギーデバイス用電極。
<6> 前記ニトリル基含有単量体が、アクリロニトリルを含む<1>〜<5>のいずれか1項に記載のエネルギーデバイス用電極。
<7> <1>〜<6>のいずれか1項に記載のエネルギーデバイス用電極を含むエネルギーデバイス。
<8> 前記エネルギーデバイスが、リチウムイオン二次電池である<7>に記載のエネルギーデバイス。
本開示において「〜」を用いて示された数値範囲には、「〜」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において各成分は該当する物質を複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、各成分の含有率は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計の含有率を意味する。
本開示において、各成分に該当する粒子は複数種含まれていてもよい。組成物中に各成分に該当する粒子が複数種存在する場合、各成分の粒子径は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の粒子の混合物についての値を意味する。
本開示において「層」又は「膜」との語には、当該層又は膜が存在する領域を観察したときに、当該領域の全体に形成されている場合に加え、当該領域の一部にのみ形成されている場合も含まれる。
本開示において「(メタ)アクリル」はアクリル及びメタクリルの少なくとも一方を意味し、「(メタ)アクリレート」はアクリレート及びメタクリレートの少なくとも一方を意味し、「(メタ)アリル」はアリル及びメタリルの少なくとも一方を意味する。
本開示のエネルギーデバイス用電極は、正極活物質と導電剤とバインダ樹脂とを含む正極合剤層を有し、前記正極合剤層の総質量に占める前記バインダ樹脂の割合が、0.5質量%〜5.5質量%であり、前記バインダ樹脂が、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂を含有する。
以下、本開示のエネルギーデバイス用電極の製法、本開示のエネルギーデバイス用電極を構成する要素等について説明する。
正極活物質と導電剤とバインダ樹脂と必要に応じて用いられるその他の成分を溶媒を用いずに乾式で混合してシート状に成形し、この成形体を正極集電体に圧着することでエネルギーデバイス用電極を形成することができる(乾式法)。または、正極活物質と導電剤とバインダ樹脂と必要に応じて用いられるその他の成分を溶媒に溶解又は分散させて正極合剤ペーストとし、これを正極集電体に塗布し、乾燥し、圧延することでエネルギーデバイス用電極を形成することができる(湿式法)。
塗布は、対向する電極において、正極容量と負極容量との比率(負極容量/正極容量)が1以上になるように行うことが適当である。正極合剤ペーストの片面当たりの塗布量は、例えば、正極合剤層の乾燥質量が、5g/m2〜500g/m2であることが好ましく、50g/m2〜300g/m2であることがより好ましく、100g/m2〜200g/m2であることがさらに好ましい。塗布量が多い程、容量の大きなリチウムイオン二次電池が得られやすく、塗布量が少ない程、出力の高いリチウムイオン二次電池が得られやすい傾向にある。
シート及び箔の平均厚さは特に限定されず、例えば、1μm〜500μmであることが好ましく、2μm〜100μmであることがより好ましく、5μm〜50μmであることがさらに好ましい。
オリビン型リチウム塩としては、例えば、LiFePO4が挙げられる。
カルコゲン化合物としては、例えば、二硫化チタン及び二硫化モリブデンが挙げられる。
正極活物質は1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
正極活物質としては、安全性の観点から、LixMn2O4又はリチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物を含むことがより好ましい。
また、正極活物質のBET比表面積は、特に制限されないが、正極合剤ペーストの分散性、正極合剤層の形成性、正極合剤層のかさ密度、電池性能等の観点から、0.1m2/g〜4.0m2/gであることが好ましく、0.2m2/g〜2.5m2/gであることがより好ましく、0.3m2/g〜1.5m2/gであることがさらに好ましい。
BET比表面積は、例えば、JIS Z 8830:2013に準じて窒素吸着能から測定することができる。評価装置としては、例えば、QUANTACHROME社製:AUTOSORB−1(商品名)を用いることができる。試料表面及び構造中に吸着している水分がガス吸着能に影響を及ぼすと考えられることから、BET比表面積の測定を行う際には、まず加熱による水分除去の前処理を行うことが好ましい。
前処理では、0.05gの測定試料を投入した測定用セルを、真空ポンプで10Pa以下に減圧した後、110℃で加熱し、3時間以上保持した後、減圧した状態を保ったまま常温(25℃)まで自然冷却する。この前処理を行った後、評価温度を77Kとし、評価圧力範囲を相対圧(飽和蒸気圧に対する平衡圧力)にて1未満として測定する。
炭素材料の002面の面間隔d002は、X線(CuKα線)を試料に照射し、回折線をゴニオメーターにより測定し得た回折プロファイルより、回折角2θが24°〜26°付近に現れる炭素002面に対応する回折ピークより、ブラッグの式を用いて算出することができる。
ニトリル基含有単量体に占めるアクリロニトリルの比率は、例えば、5質量%〜100質量%であることが好ましく、50質量%〜100質量%であることがより好ましく、70質量%〜100質量%であることがさらに好ましい。これらのニトリル基含有単量体は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
nは1〜50の整数を示し、2〜30の整数であることが好ましく、2〜10の整数であることがより好ましい。
R2は、水素原子又は1価の炭化水素基を示し、例えば、炭素数が1〜30である1価の炭化水素基であることが好ましく、炭素数が1〜25である1価の炭化水素基であることがより好ましく、炭素数が1〜12である1価の炭化水素基であることがさらに好ましい。なお、1価の炭化水素基が置換基を有する場合、当該1価の炭化水素基の炭素数には、置換基に含まれる炭素数は含まれないものとする。
R2が水素原子であるか、又は炭素数が1〜30である1価の炭化水素基であれば、電解液に対する十分な耐膨潤性を得ることができる傾向にある。ここで、1価の炭化水素基としては、例えば、アルキル基及びフェニル基が挙げられる。R2は、炭素数が1〜12のアルキル基又はフェニル基であることが好ましい。アルキル基は、直鎖状であっても分岐鎖状であっても環状であってもよい。
R2で示されるアルキル基及びフェニル基は、一部の水素原子が置換基で置換されていてもよい。R2がアルキル基である場合の置換基としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、窒素原子を含む置換基、リン原子を含む置換基、芳香環などが挙げられる。R2がフェニル基である場合の置換基としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、窒素原子を含む置換基、リン原子を含む置換基、芳香環、炭素数が3〜10の直鎖状、分岐鎖状又は環状のアルキル基などが挙げられる。
これらの中では、アクリロニトリル等のニトリル基含有単量体と共重合させる場合の反応性などの点から、メトキシトリエチレングリコールアクリレート(一般式(I)のR1がH、R2がCH3、nが3)がより好ましい。これらの式(I)で表される単量体は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
R4で示されるアルキル基は、直鎖状であっても分岐鎖状であっても環状であってもよい。
R4で示されるアルキル基は、一部の水素原子が置換基で置換されていてもよい。置換基としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、窒素原子を含む置換基、リン原子を含む置換基、芳香環、炭素数が3〜10のシクロアルキル基などが挙げられる。例えば、R4で示されるアルキル基としては、直鎖状、分岐鎖状又は環状のアルキル基の他、フルオロアルキル基、クロロアルキル基、ブロモアルキル基、ヨウ化アルキル基等のハロゲン化アルキル基などが挙げられる。
また、R4がフルオロアルキル基である場合、1,1−ビス(トリフルオロメチル)−2,2,2−トリフルオロエチルアクリレート、2,2,3,3,4,4,4−ヘプタフルオロブチルアクリレート、2,2,3,4,4,4−へキサフルオロブチルアクリレート、ノナフルオロイソブチルアクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5−オクタフルオロペンチルアクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,5−ノナフルオロペンチルアクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,6−ウンデカフルオロヘキシルアクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8−ペンタデカフルオロオクチルアクリレート、3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10−ヘプタデカフルオロデシルアクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10−ノナデカフルオロデシルアクリレート等のアクリレート化合物、ノナフルオロ−t−ブチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,4−ヘプタフルオロブチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5−オクタフルオロペンチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7−ドデカフルオロヘプチルメタクリレート、ヘプタデカフルオロオクチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8−ペンタデカフルオロオクチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9−ヘキサデカフルオロノニルメタクリレート等のメタクリレート化合物などが挙げられる。
式(II)で表されるこれらの単量体は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
カルボキシ基含有単量体としては、特に制限はなく、アクリル酸、メタクリル酸等のアクリル系カルボキシ基含有単量体、クロトン酸等のクロトン系カルボキシ基含有単量体、マレイン酸及びその無水物等のマレイン系カルボキシ基含有単量体、イタコン酸及びその無水物等のイタコン系カルボキシ基含有単量体、シトラコン酸及びその無水物等のシトラコン系カルボキシ基含有単量体などが挙げられる。
これらの中では、重合のし易さ、コストパフォーマンス、電極の柔軟性、可とう性等の点で、アクリル酸が好ましい。カルボキシ基含有単量体は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂がカルボキシ基含有単量体としてアクリル酸とメタクリル酸とを併用する場合、アクリル酸の含有率は、カルボキシ基含有単量体の全量に対して、例えば、5質量%〜95質量%であることが好ましく、50質量%〜95質量%であることがより好ましい。
その他の単量体としては、特に限定されるものではなく、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)アクリレート等の炭素数が1〜3のアルキル基を含む(メタ)アクリル酸エステル類、塩化ビニル、臭化ビニル、塩化ビニリデン等のハロゲン化ビニル類、マレイン酸イミド、フェニルマレイミド、(メタ)アクリルアミド、スチレン、α−メチルスチレン、酢酸ビニル、(メタ)アリルスルホン酸ナトリウム、(メタ)アリルオキシベンゼンスルホン酸ナトリウム、スチレンスルホン酸ナトリウム、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸及びその塩などが挙げられる。これらその他の単量体は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
ニトリル基含有単量体由来の構造単位1モルに対する式(I)で表される単量体由来の構造単位の比率が0.001モル〜0.2モルの範囲であると、正極集電体、特にアルミニウム箔を用いた正極集電体との接着性及び電解液に対する耐膨潤性に優れ、電極の柔軟性及び可とう性が良好となる傾向にある。
ニトリル基含有単量体由来の構造単位1モルに対する式(II)で表される単量体由来の構造単位の比率が、0.001モル〜0.2モルの範囲であると、正極集電体、特にアルミニウム箔を用いた正極集電体との接着性及び電解液に対する耐膨潤性に優れ、電極の柔軟性及び可とう性が良好となる傾向にある。
ニトリル基含有単量体由来の構造単位1モルに対するカルボキシ基含有単量体由来であってカルボキシ基を含む構造単位の比率が0.01モル〜0.2モルの範囲であると、正極集電体、特にアルミニウム箔を用いた正極集電体との接着性及び電解液に対する耐膨潤性に優れ、電極の柔軟性及び可とう性が良好となる傾向にある。
ある態様では、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂における、ニトリル基含有単量体由来の構造単位1モルに対するカルボキシ基含有単量体由来であってカルボキシ基を含む構造単位の比率は、0.01モル未満であってもよく、0.005モル以下であってもよく、0モルであってもよい。
以下、水中沈殿重合について詳細に説明する。
水溶性重合開始剤としては、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム等の過硫酸塩、過酸化水素等の水溶性過酸化物、2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオンアミジンハイドロクロライド)等の水溶性アゾ化合物、過硫酸塩等の酸化剤と亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸水素アンモニウム、チオ硫酸ナトリウム、ハイドロサルファイト等の還元剤と硫酸、硫酸鉄、硫酸銅等の重合促進剤とを組合せた酸化還元型(レドックス型)などが挙げられる。
なお、ニトリル基含有単量体としてアクリロニトリルを選択し、カルボキシ基含有単量体としてアクリル酸を選択し、式(I)で表される単量体としてメトキシトリエチレングリコールアクリレートを選択して水中沈殿重合を行った場合、単量体(モノマーともいう)の状態では3者ともに水溶性であることから、水溶性重合開始剤が有効に作用し、重合がスムーズに始まる。そして、重合が進むにつれて重合物が析出してくるため、反応系が懸濁状態となり、最終的に未反応物の少ないニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂が高収率で得られる。
水以外の溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド等のアミド類、N,N−ジメチルエチレンウレア、N,N−ジメチルプロピレンウレア、テトラメチルウレア等のウレア類、γ−ブチロラクトン、γ−カプロラクトン等のラクトン類、プロピレンカーボネート等のカーボネート類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、酢酸メチル、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、エチルセロソルブアセテート、エチルカルビトールアセテート等のエステル類、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、トルエン、キシレン、シクロヘキサン等の炭化水素類、ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類、スルホラン等のスルホン類、メタノール、イソプロパノール、n−ブタノール等のアルコール類などが挙げられる。これらの溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本開示において、重量平均分子量は下記方法により測定された値をいう。
測定対象をN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)製フィルタ〔例えば、倉敷紡績株式会社製、HPLC(高速液体クロマトグラフィー)前処理用、クロマトディスク、型番:13N、孔径:0.45μm〕を通して不溶分を除去する。GPC〔例えば、ポンプ:L6200 Pump(株式会社日立製作所製)、検出器:示差屈折率検出器L3300 RI Monitor(株式会社日立製作所製)、カラム:TSKgel−G5000HXLとTSKgel−G2000HXL(計2本)(共に東ソー株式会社製)を直列に接続、カラム温度:30℃、溶離液:N−メチル−2−ピロリドン、流速:1.0ml/分、標準物質:ポリスチレン〕を用い、重量平均分子量を測定する。
まず、測定対象1gを精秤した後、その測定対象にアセトンを30g添加し、測定対象を溶解する。次いで、指示薬であるフェノールフタレインを測定対象の溶液に適量添加して、0.1NのKOH水溶液を用いて滴定する。そして、滴定結果より下記式(A)により酸価を算出する(式中、Vfはフェノールフタレインの滴定量(mL)を示し、Wpは測定対象の溶液の質量(g)を示し、Iは測定対象の溶液の不揮発分の割合(質量%)を示す。)。
酸価(mgKOH/g)=10×Vf×56.1/(Wp×I) (A)
なお、測定対象の溶液の不揮発分は、測定対象の溶液をアルミパンに約1ml量り取り、160℃に加熱したホットプレート上で15分間乾燥させ、残渣質量から算出する。
本開示のエネルギーデバイスは、本開示のエネルギーデバイス用電極を含む。
本開示のエネルギーデバイスとしては、リチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ、太陽電池、燃料電池等が挙げられる。
正極としての本開示のエネルギーデバイス用電極と、エネルギーデバイス用負極と、セパレータと、電解液とを組み合わせることで、本開示のエネルギーデバイスの一例であるリチウムイオン二次電池を得ることができる。
リチウムイオン二次電池は、例えば、エネルギーデバイス用正極と、エネルギーデバイス用負極と、エネルギーデバイス用正極とエネルギーデバイス用負極との間に介在するセパレータと、電解液と、を備える。エネルギーデバイス用正極として、本開示のエネルギーデバイス用電極が用いられる。
これらの中でも、負極活物質としては、炭素材料が好ましい。炭素材料としては、天然黒鉛(鱗片状黒鉛等)、人造黒鉛等の黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック、非晶質炭素、炭素繊維などが挙げられる。
炭素材料の平均粒子径は、0.1μm〜60μmであることが好ましく、0.3μm〜45μmであることがより好ましく、0.5μm〜30μmであることがさらに好ましい。
また、炭素材料のBET比表面積は、1m2/g〜10m2/gであることが好ましい。
炭素材料の中でも特に、リチウムイオン二次電池の放電容量をより向上できる観点からは、X線広角回折法における炭素六角平面の間隔(d002)が3.35Å〜3.40Åであり、c軸方向の結晶子(Lc)が100Å以上である黒鉛が好ましい。
一方、炭素材料の中でも特に、サイクル特性及び安全性をより向上できる観点からは、X線広角回折法における炭素六角平面の間隔(d002)が3.50Å〜3.95Åである非晶質炭素が好ましい。
塗布は、対向する電極において、正極容量と負極容量との比率(負極容量/正極容量)が1以上になるように行うことが適当である。負極合剤ペーストの片面当たりの塗布量は、例えば、負極合剤層の乾燥質量が、5g/m2〜300g/m2であることが好ましく、25g/m2〜200g/m2であることがより好ましく、50g/m2〜150g/m2であることがさらに好ましい。塗布量が多い程、容量の大きなリチウムイオン二次電池が得られやすく、塗布量が少ない程、出力の高いリチウムイオン二次電池が得られやすい傾向にある。
薄膜形状の基材としては、平均孔径が0.01μm〜1μmであり、平均厚さが5μm〜50μmのものが好適に用いられる。また、例えば、繊維形状又は粒子形状の上記無機物を、バインダ樹脂を用いて複合多孔層としたものをセパレータとして用いることができる。さらに、この複合多孔層を、正極又は負極の表面に形成し、セパレータとしてもよい。あるいは、この複合多孔層を他のセパレータの表面に形成し、多層セパレータとしてもよい。例えば、90%粒子径(D90)が1μm未満のアルミナ粒子を、フッ素樹脂をバインダ樹脂として結着させた複合多孔層を正極の表面に形成したものを、セパレータとしてもよい。
電解液は、例えば、エネルギーデバイスであるリチウムイオン二次電池としての機能を発揮させるものであれば特に制限はない。電解液としては、水以外の電解液、例えば、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、N−メチル−2−ピロリドン等の含窒素化合物類、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の有機溶媒に、LiClO4、LiBF4、LiI、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、LiCl、LiBr、LiB(C2H5)4、LiCH3SO3、LiC4F9SO3、Li(CF3SO2)2N、Li[(CO2)2]2B等の電解質を溶解した溶液などが挙げられる。これらの中では、カーボネート類にLiPF6を溶解した電解液が好ましい。
電解液は、例えば有機溶媒と電解質とを、それぞれ1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることで調製される。
ビニレンカーボネート(VC)を含有する場合の含有率は、電解液全量に対して、0.1質量%〜2質量%であることが好ましく、0.2質量%〜1.5質量%であることがより好ましい。
例えば、まず、正極と負極の2つの電極を、ポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを介して捲回する。得られたスパイラル状の捲回群を電池缶に挿入し、予め負極の集電体に溶接しておいたタブ端子を電池缶底に溶接する。得られた電池缶に電解液を注入する。さらに予め正極の集電体に溶接しておいたタブ端子を電池の蓋に溶接し、蓋を絶縁性のガスケットを介して電池缶の上部に配置する。次いで、蓋と電池缶とが接した部分をかしめて密閉することによってリチウムイオン二次電池を得る。
撹拌機、温度計及び冷却管を装着した0.5リットルのセパラブルフラスコ内に、精製水(和光純薬工業株式会社製)397.2gを加えた後、系内を窒素置換し、72.0℃まで昇温した。系内の水温が72.0℃になっていることを確認後、精製水2.5gに重合開始剤の過硫酸アンモニウム(和光純薬工業株式会社製)347.0mgを溶解した溶液を系内に加えた後、250回転/分で撹拌した。次いで、系内にモノマー(ニトリル基含有単量体であるアクリロニトリル(和光純薬工業株式会社製)42.8g(0.80モル))を2時間かけて滴下し、1時間かけて反応させた。次いで、精製水7.8gに重合開始剤の過硫酸アンモニウム(和光純薬工業株式会社製)420mgを溶解した溶液を系内に加えた後、1時間反応させた。次いで、系内の温度を92.0℃まで昇温し、1時間かけて反応させた。次いで、精製水1.5gに重合開始剤の過硫酸アンモニウム(和光純薬工業株式会社製)210mgを溶解した溶液を系内に加えた後、1時間反応させた。上記工程中は、系内を窒素雰囲気で保ち、250回転/分で撹拌を続けた。室温(25℃)に冷却後、反応液を吸引ろ過し、析出した樹脂をろ別した。ろ別した樹脂を精製水(和光純薬工業株式会社製)1000gで洗浄した。洗浄した樹脂を60℃、150Paに設定した真空乾燥機で24時間乾燥して、樹脂Aを得た。撹拌機、温度計及び冷却管を装着した0.5リットルのセパラブルフラスコ内に、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)423gを加え、100±5℃に昇温した後、樹脂Aの粉末27gを加え、300回転/分で5時間撹拌し、樹脂AのNMP溶液とした。
モノマーをニトリル基含有単量体であるアクリロニトリル(和光純薬工業株式会社製)41.4g(0.78モル)及び式(I)で表される単量体であるメトキシトリエチレングリコールアクリレート(新中村化学工業株式会社製、NKエステルAM−30G)1.4g(0.006モル)とした以外は、樹脂Aと同様にして、樹脂BのNMP溶液を得た。
モノマーをニトリル基含有単量体であるアクリロニトリル(和光純薬工業株式会社製)39.3g(0.74モル)、式(I)で表される単量体であるメトキシトリエチレングリコールアクリレート(新中村化学工業株式会社製、NKエステルAM−30G)1.4g(0.006モル)及びカルボキシ基含有単量体であるアクリル酸(和光純薬工業株式会社製)2.1g(0.029モル)とした以外は、樹脂Aと同様にして、樹脂CのNMP溶液を得た。
モノマーをニトリル基含有単量体であるアクリロニトリル(和光純薬工業株式会社製)40.2g(0.76モル)及び式(I)で表される単量体であるメトキシポリ(n=9)エチレングリコールアクリレート(新中村化学工業株式会社製、NKエステルAM−90G)2.6g(0.006モル)とした以外は、樹脂Aと同様にして、樹脂DのNMP溶液を得た。
モノマーをニトリル基含有単量体であるアクリロニトリル(和光純薬工業株式会社製)41.4g(0.78モル)及び式(I)で表される単量体であるメトキシポリ(n=9)エチレングリコールアクリレート(新中村化学工業株式会社製、NKエステルAM−90G)1.4g(0.003モル)とした以外は、樹脂Aと同様にして、樹脂EのNMP溶液を得た。
モノマーをニトリル基含有単量体であるアクリロニトリル(和光純薬工業株式会社製)37.7g(0.71モル)及び式(I)で表される単量体であるメトキシポリ(n=9)エチレングリコールアクリレート(新中村化学工業株式会社製、NKエステルAM−90G)5.1g(0.011モル)とした以外は、樹脂Aと同様にして、樹脂FのNMP溶液を得た。
[正極の作製]
正極の作製を以下のように行った。正極活物質であるマンガン酸リチウム(LiMn2O4、BET比表面積が0.3m2/g、平均粒子径(d50)が13.0μm、以下LMOと記載)に、導電剤としてアセチレンブラック(商品名:HS−100、平均粒子径48nm(デンカ株式会社カタログ値)、デンカ株式会社)と、バインダ樹脂として樹脂Aを順次添加し、混合することにより正極合剤を得た。質量比は、活物質:導電剤:バインダ樹脂=94.0:4.5:1.5とした。さらに正極合剤に対し、溶媒であるN−メチル−2−ピロリドンを添加し、混練することにより正極合剤ペーストを形成した。この正極合剤ペーストを正極集電体である平均厚さ20μmのアルミニウム箔の片面に実質的に均等かつ均質に塗布した。その後、乾燥処理を施し、所定密度までプレスにより圧密化して正極を得た。正極合剤層のかさ密度は2.9g/cm3とし、正極合剤層の乾燥質量は150g/m2とした。その後、正極を4cm×3.5cmに切り出した。
負極の作製を以下のように行った。金属リチウムの表面を光沢が出るまで磨き、この金属リチウムを負極集電体である銅メッシュに実質的に均等かつ均質に圧着して負極とした。その後、負極を4.1cm×3.6cmに切り出した。
得られた正極と負極を、セパレータを介して対向させた後、正極及び負極それぞれに集電用のタブ線を接続し、電極群を得た。得られた電極群をラミネートに入れ、電解液を1000μL注液した後、真空シールし、ラミネート型電池を得た。電解液には、1.0MのLiPF6を含むプロピレンカーボネート/ジエチルカーボネート=3/7混合溶液(体積比)に混合溶液全量に対してビニレンカーボネートを1.0質量%添加したものを使用した。セパレータにはポリエチレンの多孔性シートを使用した。
バインダ樹脂として樹脂Bを使用した以外は、実施例1と同様にしてラミネート型電池を作製した。
バインダ樹脂として樹脂Cを使用した以外は、実施例1と同様にしてラミネート型電池を作製した。
バインダ樹脂として樹脂Dを使用した以外は、実施例1と同様にしてラミネート型電池を作製した。
正極活物質にニッケルマンガンコバルト酸リチウム(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、BET比表面積が0.4m2/g、平均粒子径(d50)が6.5μm、以下NMCと記載)を使用した以外は、実施例1と同様にしてラミネート型電池を作製した。
正極活物質にNMCを使用した以外は、実施例2と同様にしてラミネート型電池を作製した。
正極活物質にNMCを使用した以外は、実施例3と同様にしてラミネート型電池を作製した。
正極活物質にNMCを使用した以外は、実施例4と同様にしてラミネート型電池を作製した。
バインダ樹脂としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を使用した以外は、実施例1と同様にしてラミネート型電池を作製した。
正極合剤の配合組成を活物質:導電剤:バインダ樹脂=95.3:4.5:0.2とした以外は実施例3と同様にしてラミネート型電池を作製した。
正極合剤の配合組成を活物質:導電剤:バインダ樹脂=89.5:4.5:6.0とした以外は実施例3と同様にしてラミネート型電池を作製した。
バインダ樹脂としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を使用した以外は、実施例5と同様にしてラミネート型電池を作製した。
正極合剤の配合組成を活物質:導電剤:バインダ樹脂=95.3:4.5:0.2とした以外は実施例7と同様にしてラミネート型電池を作製した。
正極合剤の配合組成を活物質:導電剤:バインダ樹脂=89.5:4.5:6.0とした以外は実施例7と同様にしてラミネート型電池を作製した。
バインダ樹脂として樹脂Eを使用した以外は、実施例1と同様にしてラミネート型電池を作製した。
バインダ樹脂として樹脂Fを使用した以外は、実施例1と同様にしてラミネート型電池を作製した。
正極活物質にNMCを使用した以外は、実施例9と同様にしてラミネート型電池を作製した。
正極活物質にNMCを使用した以外は、実施例10と同様にしてラミネート型電池を作製した。
実施例1〜実施例12及び比較例1〜比較例6で作製したラミネート型電池を25℃に設定した恒温槽内に入れ、充放電装置(東洋システム株式会社製、商品名:TOSCAT−3200)を用いて25℃で、以下の条件で充放電した。4.2V、0.1Cで定電流定電圧(CCCV)充電(充電終止条件:0.01C)を行った後、0.1Cで3.0Vまで定電流(CC)放電した。この充放電を3回繰り返し、3回目の放電で得られた容量を保存前容量とした。なお、0.1Cとは、ラミネート型電池を10時間で充電(放電)しきる電流値である。
また、バインダ樹脂にニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂を用いているが、正極合剤全量に対するバインダ樹脂割合が実施例1〜実施例12に比較して少ない比較例2及び比較例5は保存後容量及び容量回復率が低い。この結果は、バインダ樹脂が少なく電極の結着性が不十分であったために、高温保存時に正極合剤層の構造が壊れたためと推測する。
また、バインダ樹脂にニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂を用いているが、正極合剤全量に対するバインダ樹脂割合が実施例1〜実施例12に比較して多い比較例3及び比較例6は容量回復率に優れるものの、保存前容量及び保存後容量が小さい。この結果は、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂が、容量に寄与しないこと及び正極活物質を被覆しやすく正極合剤の抵抗を上昇させたことに起因すると推測する。
以上の結果から、本開示によれば、正極活物質と導電剤とバインダ樹脂とを含む正極合剤層を有し、前記正極合剤層の総質量に占める前記バインダ樹脂の割合が、0.5質量%〜5.5質量%であり、前記バインダ樹脂が、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂である場合において、常温(25℃)で高い容量が得られ、且つ高温にさらされた場合に起こりうる容量低下が抑制されるエネルギーデバイス用電極及びエネルギーデバイスが提供できることが示唆された。
また、本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
Claims (8)
- 正極活物質と導電剤とバインダ樹脂とを含む正極合剤層を有し、
前記正極合剤層の総質量に占める前記バインダ樹脂の割合が、0.5質量%〜5.5質量%であり、
前記バインダ樹脂が、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂を含有するエネルギーデバイス用電極。 - 前記ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂が、下記式(I)で表される単量体由来の構造単位をさらに含む請求項1に記載のエネルギーデバイス用電極。
(式(I)中、R1は水素原子又はメチル基を示し、R2は水素原子又は1価の炭化水素基を示し、nは1〜50の整数を示す。) - 前記ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂に含有される前記ニトリル基含有単量体由来の構造単位1モルに対する前記式(I)で表される単量体由来の構造単位の比率が、0.001モル〜0.2モルである請求項2に記載のエネルギーデバイス用電極。
- 前記ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂が、下記式(II)で表される単量体由来の構造単位をさらに含む請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のエネルギーデバイス用電極。
(式(II)中、R3は水素原子又はメチル基を示し、R4は炭素数が4〜30のアルキル基を示す。) - 前記ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂に含有される前記ニトリル基含有単量体由来の構造単位1モルに対する前記式(II)で表される単量体由来の構造単位の比率が、0.001モル〜0.2モルである請求項4に記載のエネルギーデバイス用電極。
- 前記ニトリル基含有単量体が、アクリロニトリルを含む請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のエネルギーデバイス用電極。
- 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のエネルギーデバイス用電極を含むエネルギーデバイス。
- 前記エネルギーデバイスが、リチウムイオン二次電池である請求項7に記載のエネルギーデバイス。
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