JPWO2021131279A1 - 非水系二次電池電極バインダー、及び非水系二次電池電極 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2019年12月24日に、日本に出願された特願2019−233083号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
特許文献2では、アクリル酸ナトリウム−N−ビニルアセトアミド共重合体(共重合比:アクリル酸ナトリウム/N−ビニルアセトアミド=10/90質量比)を含む非水系電池電極用バインダーが開示されている。
[1] 樹脂成分を含む水溶性の非水系二次電池電極バインダーであって、
23℃における表面自由エネルギーγBは70mJ/m2以下であり、
前記表面自由エネルギーの双極子成分γp Bは26mJ/m2以下である
ことを特徴とする非水系二次電池電極バインダー。
[2] 前記表面自由エネルギーγBが66mJ/m2以下である[1]に記載の非水系二次電池電極バインダー。
[3] 前記表面自由エネルギーの前記双極子成分γp Bは22mJ/m2以下である[1]または[2]に記載の非水系二次電池電極バインダー。
[4] 前記表面自由エネルギーの水素結合成分γh Bは24mJ/m2以下である[1]〜[3]のいずれかに記載の非水系二次電池電極バインダー。
[5] 前記樹脂成分は、エチレン性不飽和結合を有する化合物の重合体を含む[1]〜[4]のいずれかに記載の非水系二次電池電極バインダー。
[6] 集電体と電極活物質層とを含む非水系二次電池電極であって、
前記電極活物質層が、[1]〜[5]のいずれかに記載の非水系二次電池電極バインダーと電極活物質とを含み、
前記電極活物質層が、前記集電体上に形成された非水系二次電池電極。
[7] 前記電極活物質層は、前記電極活物質を85質量%以上99質量%以下含む[6]に記載の非水系二次電池電極。
[8] 前記電極活物質は、Si元素を含有する材料及び炭素材料を含む[6]または[7]に記載の非水系二次電池電極。
[9] 前記集電体に対する前記電極活物質層の剥離強度は、30mN/mm以上である[6]〜[8]のいずれかに記載の非水系二次電池電極。
[10] [6]〜[9]のいずれかに記載の非水系二次電池電極を備え、アルカリ金属イオンを電荷キャリアとした非水系二次電池。
[11] アルカリ金属塩の有機溶媒溶液を電解液として含む[10]に記載の非水系二次電池。
[12] 前記電解液の有機溶媒は、炭酸エステル化合物、ニトリル化合物、カルボン酸エステルからなる群より選ばれる1種または2種以上からなる [11]に記載の非水系二次電池。
本実施形態にかかる非水系二次電池電極(以下、「電極」とすることもある)は、集電体と、集電体上に形成された電極活物質層と、を備える。電極の形状としては、例えば、積層体や捲回体が挙げられるが、特に限定されない。
集電体は、厚さ0.001〜0.5mmのシート状の金属であることが好ましく、金属としては、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス等が挙げられる。非水系二次電池電極が、リチウムイオン二次電池の負極である場合、集電体は、銅箔であることが好ましい。
本実施形態にかかる電極活物質層は、電極活物質(A)と、電極バインダー(B)と、を含む。電極活物質層はこれらの成分の他に、導電助剤等を含んでもよい。電極活物質層の集電体に対する剥離強度は、30mN/mm以上であることが好ましく、40mN/mm以上であることがより好ましく、50mN/mm以上であることがさらに好ましい。電極の加工工程、電池の組み立て工程等の製造工程、及び電池にかかる外力等によって電極活物質層が集電体から剥離することを抑制するためである。
電極活物質(A)は、電荷キャリアとなるイオンの挿入及び脱離が可能な物質である。例えば、電荷キャリアがリチウムイオンである場合、非水系二次電池は、リチウムイオン二次電池となる。電極活物質層において、電極活物質(A)の含有率は、85質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましく、92質量%以上であることがさらに好ましい。電極への電荷キャリアの挿入脱離容量を大きくし、非水系二次電池の充放電容量を大きくするためである。
非水系二次電池電極はリチウムイオン二次電池の負極である場合、負極活物質の例として、炭素材料、チタン酸リチウム、シリコン、シリコン化合物等が挙げられる。炭素材料としては、石油コークス、ピッチコークス、石炭コークス等のコークス;有機化合物の炭化物;人造黒鉛、天然黒鉛等の黒鉛などが挙げられる。シリコン化合物としては、SiOx(0.1≦x≦2.0)等が挙げられる。なお、負極活物質として、ここで挙げた材料を2種類以上複合化してもよい。
非水系二次電池電極はリチウムイオン二次電池の正極である場合、正極活物質の例として、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケルを含むリチウム複合酸化物、スピネル型マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、オリビン型燐酸鉄リチウム、TiS2、MnO2、MoO3、V2O5等のカルコゲン化合物が挙げられる。正極活物質は、これらの化合物のいずれかを単独で含んでもよく、あるいは複数種を含んでもよい。また、その他のアルカリ金属の酸化物も使用することができる。ニッケルを含むリチウム複合酸化物として、Ni−Co−Mn系のリチウム複合酸化物、Ni−Mn−Al系のリチウム複合酸化物、Ni−Co−Al系のリチウム複合酸化物などが挙げられる。正極活物質の具体例として、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2やLiNi3/5Mn1/5Co1/5など挙げられる。
本実施形態にかかる電極バインダー(B)は、樹脂成分を含む水溶性のバインダーである。本実施形態にかかる電極バインダー(B)は、電極活物質(A)同士、及び電極活物質(A)と集電体とを結着させるために用いられる。電極活物質層において、電極バインダー(B)の含有率は、1.0質量%以上であることが好ましく、3.0質量%以上であることがより好ましい。電極活物質(A)の滑落を抑制し、電極活物質層の剥離強度を向上させるためである。電極活物質層において、電極バインダー(B)の含有率は、12.0質量%以下であることが好ましく、7.0質量%以下であることがより好ましい。電極活物質層により多くの電極活物質(A)を含めることで、電池の充放電容量を増加させるためである。
23℃における電極バインダー(B)の表面自由エネルギーγBは、70mJ/m2以下であり、66mJ/m2以下であることが好ましく、55mJ/m2以下であることがより好ましく、40mJ/m2以下であることがさらに好ましい。電池のDCRを低下させることができるためである。
電極バインダー(B)の表面自由エネルギーの求め方について説明する。北崎−畑理論によると、固体Sと液体Lとの接触角θ、及び固体S、液体Lそれぞれの表面自由エネルギーとの間で以下の式が成り立つ。
接触角は以下の手順(i)〜(iii)により測定する。
(i)ガラス板上に電極バインダー(B)10質量%水溶液を1mL滴下し、2milのアプリケーターで滴下された水溶液を薄く延ばす。
(ii)電極バインダー(B)水溶液が塗布された上記ガラス板を、60℃に設定した送風乾燥機で5分間乾燥させて皮膜を形成させる。
(iii)この皮膜を23℃×50%Rh雰囲気下で2分間静置させた後、協和界面科学(株)製接触角計「CA−VP型」を用いて、静滴法により、JIS R3257に準拠して接触角を測定する。
電極バインダー(B)は、樹脂成分を含む水溶性のバインダーである。電極バインダー(B)は、水溶性有機化合物を95質量%以上含むことが好ましい。電極バインダー(B)は、1種類の化合物からなるものでもよく、2種類以上の化合物を含んでもよい。電極においては、電極活物質層に含まれる水溶性化合物のすべてが電極バインダー(B)の成分である。なお、電極が非水系二次電池内に組み込まれている場合、電解液の溶媒に溶解する成分は、電極バインダー(B)を構成する成分に含めない。
電極活物質層は、上記成分の他に導電助剤として、カーボンブラック、気相法炭素繊維等が含まれていてもよい。気相法炭素繊維の具体例としては、VGCF(登録商標)−H(昭和電工(株))等が挙げられる。
以下、非水系二次電池電極の製造方法の一例について説明するが、上記構成の電極が得られれば、ここで説明した方法に限られない。この一例において、電極は、電極スラリーを集電体上に塗布し、乾燥させて電極シートを得た後、必要に応じて電極シートを適当な大きさ・形状に切断することにより製造できる。電極スラリーは、電極活物質(A)と、電極バインダー(B)とを含む。電極スラリーの詳細な構成については後述する。
本実施形態の電極スラリーは、電極活物質(A)と、電極バインダー(B)と、水性媒体とを含む。電極スラリーは、必要に応じて導電助剤等を含んでもよい。
電極スラリーの製造方法の一例としては、電極活物質(A)、電極バインダー(B)、必要に応じて加えられる他の成分を、水性媒体中に加えることにより混合する方法が挙げられる。この場合、各成分が水性媒体中に溶解または分散しやすいように、各成分を加える順序は適宜調整してもよく、固相で2種類以上の成分を混合した後、これらの混合物を水性媒体中に加えてもよい。各工程における混合方法としては、特に限定されないが、例えば、攪拌式、回転式、または振とう式などの混合装置を使用して必要な成分を混合する方法が挙げられる。また、混合する各成分の添加順序についても特に限定されない。
本実施形態にかかる非水系二次電池は、アルカリ金属イオンを電荷キャリアとすることが好ましく、リチウムイオンを電荷キャリアとすることがより好ましい。以下、本実施形態にかかる非水系二次電池の好ましい一例として、電荷キャリアをリチウムイオンとしたもの、すなわち、リチウムイオン二次電池について説明するが、電池の構成はここで説明したものに限られない。ここで説明する例にかかるリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、電解液と、必要に応じてセパレータ等の部品と、が外装体に収容されたものであり、正極と負極とのうち一方または両方に上記の方法により作製された非水系二次電池電極を用いる。
電解液としては、イオン伝導性を有する非水系の液体を使用する。電解液としては、電解質を有機溶媒に溶解させた溶液、イオン液体等が挙げられるが、前者が好ましい。電解液としては、下述のアルカリ金属塩を有機溶媒に溶解させた溶液(「アルカリ金属塩の有機溶媒溶液」とも言う)がより好ましい。製造コストが低く、内部抵抗の低い非水系二次電池が得られるためである。
外装体としては、例えばアルミニウム箔と樹脂フィルムとのラミネート材などを適宜使用できるが、これに限られない。電池の形状は、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角型、扁平型等、いずれの形状であってもよい。
(合成例1〜8)
共重合体(P1)〜(P8)の製造方法は同様である。冷却管、温度計、攪拌機、滴下ロートが組みつけられたセパラブルフラスコに、表1に示される組成の単量体を100質量部、2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオンアミジン)2塩酸塩を0.2質量部、過硫酸アンモニウムを0.05質量部、水を693質量部30℃で仕込んだ。これを、80℃に昇温し、4時間重合を行った。その後、室温まで冷却し、乾燥し、粉砕して粉末状の共重合体(P1)〜(P8)をそれぞれ得た。
いずれの実施例及び比較例においても、表2に示す割合で各成分を混合して負極スラリーを作製した。混合方法は、負極活物質としてSCMG(登録商標)−XRs(昭和電工(株)製)を37.65質量部、一酸化ケイ素(SiO)(Sigma−Aldrich製)を9.60質量部、電極バインダー(B)に含まれる各成分(表3及び表4に示す)を合計2.25質量部、VGCF(登録商標)−H(昭和電工(株))を0.50質量部、水を23.5質量部加えて、攪拌式混合装置(自転公転撹拌ミキサー)を用いて2000回転/分で4分間固練りを行った。さらに水を26.5質量部加え、さらに2000回転/分で4分間混ぜ、負極スラリーを作製した。
※1:CMCダイセル1110:株式会社ダイセル製、エーテル化度0.7、2%粘度100〜200(mPa・s)
※2:CMCダイセル1190:株式会社ダイセル製、エーテル化度0.7、1%粘度1300〜2000(mPa・s)
※3及び※4:いずれも花王株式会社製
※5:ハイテノール(登録商標)08E:第一工業製薬株式会社製
※6:カチオーゲン(登録商標)TML:第一工業製薬株式会社製
各実施例1〜9及び比較例1〜9において表3及び表4に示す組成を10質量%含む水溶液を作製した。この水溶液を用いて、接触角の測定方法の説明において上記した方法で、ガラス板上に各電極バインダー(B)の皮膜を形成した。
〔4−1.負極の作製〕
各実施例及び比較例で調製した負極スラリーを、厚さ10μmの銅箔(集電体)の片面に、乾燥後の目付量が8mg/cm2となるようにドクターブレードを用いて塗布した。負極スラリーが塗布された銅箔を、60℃で10分乾燥後、さらに100℃で5分間乾燥して負極活物質層が形成された負極シートを作製した。この負極シートを、金型プレスを用いてプレス圧1t/cm2でプレスした。プレスされた負極シートを22mm×22mmに切り出し、導電タブを取り付けて負極を作製した。
LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2を90質量部、アセチレンブラックを5質量部、及びポリフッ化ビニリデン5質量部を混合し、その後、N−メチルピロリドン100質量部を混合して正極スラリーを調製した(固形分中のLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2の割合は0.90)。
エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とフルオロエチレンカーボネート(FEC)とを体積比30:60:10で混合した。得られた混合溶媒に、LiPF6を1.0mol/L、ビニレンカーボネート(VC)を1.0質量%の濃度になるように溶解して、電解液を調製した。
ポリオレフィン多孔性フィルムからなるセパレータを介して、正極活物質層と負極活物質層とが互いに対向するように正極及び負極を配して、アルミニウム箔と樹脂フィルムとのラミネート外装体(電池パック)の中に収納した。この外装体の中に電解液を注入し、真空ヒートシーラーでパッキングし、リチウムイオン二次電池を得た。
各実施例及び比較例で作製した、電極性能、及び電池性能を評価した。評価方法は以下の通りで、評価結果は表3及び表4に示した通りである。
プレス工程後の負極シートの表面を目視して外観を確認し、5cm×20cmの長方形の範囲におけるクラックの本数を数えた。
プレス工程後の負極シートを用いて、全工程において23℃、相対湿度50質量%雰囲気で負極活物質層の剥離強度の測定を行った。試験機はテンシロン(登録商標、(株)エー・アンド・デイ製)を用いた。負極シートを幅25mm、長さ70mmで切り出し、試験片とした。試験片上の負極活物質層と、幅50mm、長さ200mmのSUS板とを両面テープ(NITTOTAPE(登録商標) No5、日東電工(株)製)を用いて、試験片の中心とSUS板の中心とが一致するように貼り合わせた。なお、両面テープは試験片の全範囲をカバーするように貼り合わせた。
電池の充放電サイクル試験は、25℃の条件下、以下の手順で行った。まず、電圧4.2Vになるまで1Cの電流で充電し(CC充電)、次に、電流1/20Cになるまで4.2Vの電圧で充電した(CV充電)。30分放置後、電圧2.75Vになるまで1Cの電流で放電した(CC放電)。CC充電、CV充電、及びCC放電の一連の操作を1サイクルとする。nサイクル目のCC充電及びCV充電における電流の時間積分値の和をnサイクル目の充電容量(mAh)、nサイクル目のCC放電における電流の時間積分値をnサイクル目の放電容量(mAh)とする。電池のnサイクル目の放電容量維持率は、1サイクル目の放電容量に対するnサイクル目の放電容量の割合(%)である。本実施例及び比較例では、100サイクル目の放電容量維持率を評価した。
電池の内部抵抗(DCR(Ω))測定は、25℃の条件下、以下の手順で行った。レストポテンシャルから3.6Vまで0.2Cの定電流充電し、充電状態を初期容量の50%(SOC50%)にした。その後、0.2C、0.5C、1Cおよび2Cの各電流値で60秒間放電を行った。これらの4種の電流値(1秒間での値)と電圧の関係からSOC50%でのDCR(Ω)を決定した。
いずれの実施例及び比較例にかかる電極バインダー(B)も、少なくとも樹脂成分を含む。いずれの実施例及び比較例にかかる電極バインダー(B)も水溶性である。以下、このような電極バインダー(B)における、表面自由エネルギーγB及びその各成分γd B、γp B、γh Bと、各評価で得られた数値との関係について考察する。
図1〜4は、本発明の実施例及び比較例にかかる電極バインダー(B)の表面自由エネルギーγB及びその各成分γd B、γp B、γh Bに対する、電極活物質層のクラックの数をプロットした図である。この図において実施例を●、比較例を×で示した。
図5〜8は、本発明の実施例及び比較例にかかる電極バインダー(B)の表面自由エネルギーγB及びその各成分γd B、γp B、γh Bに対する、電極活物質層の剥離強度の値をプロットした図である。この図において実施例を●、比較例を×で示した。
図9〜12は、本発明の実施例及び比較例にかかる電極バインダー(B)の表面自由エネルギーγB及びその各成分γd B、γp B、γh Bに対する、電池の放電容量維持率の値をプロットした図である。この図において実施例を●、比較例を×で示した。なお、比較例6及び7は、放電容量維持率の測定が不可能であったため、これらの比較例に対応するプロットは図9〜12には示していない。
図13〜16は、本発明の実施例及び比較例にかかる電極バインダー(B)の表面自由エネルギーγB及びその各成分γd B、γp B、γh Bに対する、電池のDCRの値をプロットした図である。この図において実施例を●、比較例を×で示した。
以上の結果を総括すると、本発明の非水系二次電池電極バインダー(B)によれば、クラックが少なく、集電体に対する剥離強度が高い電極活物質層を有し、かつ内部抵抗が低く、良好なサイクル特性を有する二次電池を得ることができると言える。
Claims (12)
- 樹脂成分を含む水溶性の非水系二次電池電極バインダーであって、
23℃における表面自由エネルギーγBは70mJ/m2以下であり、
前記表面自由エネルギーの双極子成分γp Bは26mJ/m2以下である
ことを特徴とする非水系二次電池電極バインダー。 - 前記表面自由エネルギーγBが66mJ/m2以下である請求項1に記載の非水系二次電池電極バインダー。
- 前記表面自由エネルギーの前記双極子成分γp Bは22mJ/m2以下である請求項1または2に記載の非水系二次電池電極バインダー。
- 前記表面自由エネルギーの水素結合成分γh Bは24mJ/m2以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水系二次電池電極バインダー。
- 前記樹脂成分は、エチレン性不飽和結合を有する化合物の重合体を含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水系二次電池電極バインダー。
- 集電体と電極活物質層とを含む非水系二次電池電極であって、
前記電極活物質層が、請求項1〜5のいずれか1項に記載の非水系二次電池電極バインダー及び電極活物質を含み、
前記電極活物質層が、前記集電体上に形成された非水系二次電池電極。 - 前記電極活物質層は、前記電極活物質を85質量%以上99質量%以下含む請求項6に記載の非水系二次電池電極。
- 前記電極活物質は、Si元素を含有する材料及び炭素材料を含む請求項6または7に記載の非水系二次電池電極。
- 前記集電体に対する前記電極活物質層の剥離強度は、30mN/mm以上である請求項6〜8のいずれか1項に記載の非水系二次電池電極。
- 請求項6〜9のいずれか1項に記載の非水系二次電池電極を備え、アルカリ金属イオンを電荷キャリアとした非水系二次電池。
- アルカリ金属塩の有機溶媒溶液を電解液として含む請求項10に記載の非水系二次電池。
- 前記電解液の有機溶媒は、炭酸エステル化合物、ニトリル化合物、カルボン酸エステルからなる群より選ばれる1種または2種以上からなる請求項11に記載の非水系二次電池。
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