KR20210059635A - 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제, 리튬이온전지 전극용 슬러리, 리튬이온전지용 전극 및 리튬이온전지 - Google Patents

리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제, 리튬이온전지 전극용 슬러리, 리튬이온전지용 전극 및 리튬이온전지 Download PDF

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Abstract

(과제)
본 발명은, 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제, 리튬이온전지 전극용 슬러리, 리튬이온전지용 전극 및 리튬이온전지를 제공하는 것이다.
(해결수단)
본 발명은, (메타)아크릴아미드기 함유 화합물(a)에서 유래하는 구성단위를 2∼60㏖％, 및 불포화 술폰산 또는 그 염(b)에서 유래하는 구성단위를 10∼70㏖％ 포함하고, 중량평균분자량이 1만∼30만인 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)를 포함하는 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제를 제공한다.

Description

리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제, 리튬이온전지 전극용 슬러리, 리튬이온전지용 전극 및 리튬이온전지{DISPERSANT OF CONDUCTIVE CARBON MATERIAL FOR LITHIUM ION BATTERY, SLURRY FOR ELECTRODE OF LITHIUM ION BATTERY, ELECTRODE FOR LITHIUM ION BATTERY AND LITHIUM ION BATTERY}
본 개시는, 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제, 리튬이온전지 전극용 슬러리, 리튬이온전지용 전극 및 리튬이온전지에 관한 것이다.
리튬이온전지는, 소형으로 경량이며 에너지 밀도가 높고, 또한 반복하여 충방전이 가능하다고 하는 특성이 있어, 폭넓은 용도로 사용되고 있다. 그 때문에, 최근에는 리튬이온전지의 보다 강력한 고성능화를 목적으로 하여, 전극 등의 전지부재의 개량이 검토되고 있다.
리튬이온전지의 정극(正極) 및 부극(負極)은, 어느 것이나 전극 활물질(電極 活物質)과 바인더 수지를 용매에 분산시켜 슬러리로 한 것을 집전체(集電體)(예를 들면, 금속박(金屬箔)) 상에 양면으로 도포하고, 용매를 건조시켜 제거함으로써 전극층(電極層)을 형성한 후에, 이를 롤 프레스기 등으로 압축성형하여 제조된다.
리튬이온전지용 슬러리에는, 도전조제로서 도전성 탄소재료가 포함될 수 있다. 도전성 탄소재료는, 카본블랙 등이 예시된다.
리튬이온전지용 슬러리에 도전성 탄소재료가 포함될 때에, 당해 도전성 탄소재료가 슬러리 중에 분산되지 않는 경우가 있다. 이 경우에, 도전성 탄소재료는 도전조제로서의 역할을 충분하게 할 수 없다. 그 때문에, 도전성 탄소재료를 분산시키기 위한 분산제가 필요하게 된다. 또한 이 분산제는 리튬이온전지에 사용되기 때문에, 리튬이온전지의 전해액에 대하여 팽윤성(膨潤性)이 낮고, 내전해액성(耐電解液性)이 양호한 것이 바람직하다.
그래서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 리튬이온전지용 도전성 탄소재료를 양호하게 분산시켜, 리튬이온전지의 전해액에 대하여 팽윤성이 낮고, 내전해액성이 양호한 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제를 제공하는 것이다.
본 발명자들은 예의 검토를 거듭한 결과, 특정의 성분을 사용함으로써 상기 과제를 해결할 수 있다는 것을 발견하였다.
본 개시에 의하여 이하의 항목이 제공된다.
(항목1)
(메타)아크릴아미드기 함유 화합물(a)에서 유래하는 구성단위를 2∼60㏖％, 및 불포화 술폰산 또는 그 염(b)에서 유래하는 구성단위를 10∼70㏖％ 포함하고,
중량평균분자량이 1만∼30만인
수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)를 포함하는
리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제.
(항목2)
상기 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)가,
(메타)아크릴산에스테르(c)에서 유래하는 구성단위를 20∼70㏖％ 포함하는
상기 항목에 기재되어 있는 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제.
(항목3)
상기 항목 중의 어느 하나에 기재되어 있는 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제,
폴리머(A-2),
전극 활물질(電極 活物質)(B-1),
도전성 탄소재료(B-2), 및
물을 포함하는
리튬이온전지 전극용 슬러리.
(항목4)
상기 폴리머(A-2)가,
(메타)아크릴아미드기 함유 화합물(a)에서 유래하는 구성단위를 포함하는 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-2A)인
상기 항목에 기재되어 있는 리튬이온전지 전극용 슬러리.
(항목5)
상기 항목 중의 어느 하나에 기재되어 있는 리튬이온전지 전극용 슬러리를 집전체(集電體)에 도포하고 건조시킴으로써 얻어지는 리튬이온전지용 전극.
(항목6)
상기 항목에 기재되어 있는 리튬이온전지용 전극을 포함하는 리튬이온전지.
본 개시에 있어서 상기한 하나 또는 복수의 특징은, 명시된 조합에 부가하여, 더 조합시켜 제공될 수 있다.
본 발명의 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제는, 리튬이온전지용 도전성 탄소재료를 양호하게 분산시킨다. 그리고 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제는, 전해액 팽윤율이 낮고, 내전해액성이 높다. 또한 본 발명의 리튬이온전지 전극용 슬러리는, 우수한 저장 안정성을 구비한다. 또한 본 발명의 전극은 우수한 전극 밀착성을 구비한다. 그리고 본 발명의 전지는, 우수한 방전용량 유지율을 구비한다.
본 개시의 전체에 걸쳐 각 물성값, 함유량 등의 수치의 범위는, 적절하게(예를 들면, 하기의 각 항목에 기재되어 있는 상한 및 하한의 값에서 선택하여) 설정될 수 있다. 구체적으로는, 수치α에 대하여 수치α의 상한 및 하한으로서 A4, A3, A2, A1(A4＞A3＞A2＞A1로 한다) 등이 예시되는 경우에, 수치α의 범위는 A4 이하, A3 이하, A2 이하, A1 이상, A2 이상, A3 이상, A1∼A2, A1∼A3, A1∼A4, A2∼A3, A2∼A4, A3∼A4 등이 예시된다.
[리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제 : 분산제라고도 한다]
본 개시는, (메타)아크릴아미드기 함유 화합물(a)에서 유래하는 구성단위를 2∼60㏖％, 및
불포화 술폰산 또는 그 염(b)에서 유래하는 구성단위를 10∼70㏖％ 포함하고,
중량평균분자량이 1만∼30만인
수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)를 포함하는
리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제를 제공한다.
〈수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1) : (A-1)성분이라고도 한다〉
(A-1)성분은, 단독 또는 2종 이상으로 사용될 수 있다.
본 개시에 있어서 「수용성」은, 25℃에 있어서 그 화합물 0.5g을 100g의 물에 용해시켰을 때에 불용분(不溶分)이 0.5질량％ 미만(2.5㎎ 미만)인 것을 의미한다.
본 개시에 있어서 「(메타)아크릴」은, 「아크릴 및 메타크릴로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1개」를 의미한다. 마찬가지로 「(메타)아크릴레이트」는, 「아크릴레이트 및 메타크릴레이트로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1개」를 의미한다. 또한 「(메타)아크릴로일」은, 「아크릴로일 및 메타크릴로일로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1개」를 의미한다.
〈(메타)아크릴아미드기 함유 화합물(a) : (a)성분이라고도 한다〉
본 개시에 있어서 「(메타)아크릴아미드기 함유 화합물」은, (메타)아크릴아미드기를 구비하는 화합물을 의미한다. (메타)아크릴아미드기 함유 화합물은, 각종 공지의 것을 특별한 제한 없이 사용할 수 있고, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다.
하나의 실시형태에 있어서, (메타)아크릴아미드기 함유 화합물은 하기 구조식으로 나타낸다.
Figure pat00001
(식 중에서, R1은 수소원자 또는 메틸기이고, R2 및 R3은 각각 독립하여, 수소원자, 치환 혹은 비치환의 알킬기 또는 아세틸기이거나, 아니면 R2 및 R3이 함께 환구조(環構造)를 형성하는 기이며, R4 및 R5는 각각 독립하여, 수소원자, 치환 혹은 비치환의 알킬기, 히드록시기, 아미노기(-NRaRb(Ra 및 Rb는 각각 독립하여, 수소원자, 또는 치환 혹은 비치환의 알킬기이다)), 아세틸기이다. 치환 알킬기의 치환기는 히드록시기, 아미노기, 아세틸기 등이 예시된다. 또한 R2 및 R3이 함께 환구조를 형성하는 기는 모르폴릴기(morpholyl基) 등이 예시된다)
알킬기는, 직쇄(直鎖) 알킬기, 분기(分岐) 알킬기, 시클로알킬기 등이 예시된다.
직쇄 알킬기는, -CnH2n+1(n은 1 이상의 정수)의 일반식으로 나타낸다. 직쇄 알킬기는, 메틸기, 에틸기, 프로필기, n-부틸기, n-펜틸기, n-헥실기, n-헵틸기, n-옥틸기, n-노닐기, n-데카메틸기 등이 예시된다.
분기 알킬기는, 직쇄 알킬기 중의 적어도 1개의 수소원자가 알킬기로 치환된 기이다. 분기 알킬기는, i-프로필기, i-부틸기, s-부틸기, t-부틸기, 디에틸펜틸기, 트리메틸부틸기, 트리메틸펜틸기, 트리메틸헥실기 등이 예시된다.
시클로알킬기는, 단환(單環) 시클로알킬기, 가교환(架橋環) 시클로알킬기, 축합환(縮合環) 시클로알킬기 등이 예시된다.
본 개시에 있어서 단환은, 탄소의 공유결합에 의하여 형성되는 내부에 다리구조(bridged structure)를 구비하지 않는 환상구조를 의미한다. 또한 축합환은, 2개 이상의 단환이 2개의 원자를 공유하고 있는(즉, 각각의 고리의 변(邊)을 서로 1개만 공유(축합)하고 있다) 환상구조를 의미한다. 가교환은, 2개 이상의 단환이 3개 이상의 원자를 공유하고 있는 환상구조를 의미한다.
단환 시클로알킬기는, 시클로펜틸기, 시클로헥실기, 시클로헵틸기, 시클로데실기, 3,5,5-트리메틸시클로헥실기 등이 예시된다.
가교환 시클로알킬기는, 트리시클로데실기, 아다만틸기, 노르보르닐기 등이 예시된다.
축합환 시클로알킬기는, 비시클로데실기 등이 예시된다.
상기 (메타)아크릴아미드기 함유 화합물(a)은, (메타)아크릴아미드, N-이소프로필(메타)아크릴아미드, N,N-디메틸(메타)아크릴아미드, N,N-디에틸(메타)아크릴아미드, N,N-디메틸아미노프로필(메타)아크릴아미드, N-메틸올(메타)아크릴아미드, 디아세톤(메타)아크릴아미드, 말레인산아미드, (메타)아크릴로일모르폴린, 히드록시에틸(메타)아크릴아미드, 및 그 염 등이 예시되고, 상기 염은, 디메틸아미노프로필(메타)아크릴아미드염화메틸 4급염, 디메틸아미노에틸(메타)아크릴레이트벤질클로라이드 4급염 등이 예시된다. 이들 중에서도 (메타)아크릴아미드, 특히 아크릴아미드를 사용하면, 수용성을 유지한 채로 흡수성을 저감시킬 뿐만 아니라 불가역용량도 저감시켜, 전극 활물질과의 상호작용이 높고, 슬러리의 분산성이나 전극 내부에 있어서의 전극 활물질 상호간의 결착성(結着性)이 높은 바인더를 제조할 수 있다.
(A-1)성분의 전(全) 구성단위 100㏖％에 대한 (메타)아크릴아미드기 함유 화합물에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 60, 59, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 9, 5, 3, 2㏖％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 2∼60㏖％가 바람직하다.
(A-1)성분의 전 구성단위 100질량％에 대한 (메타)아크릴아미드기 함유 화합물에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 9, 5, 4, 2, 1질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 1∼70질량％가 바람직하다.
〈불포화 술폰산 또는 그 염(b) : (b)성분이라고도 한다〉
(b)성분은, 각종 공지의 것을 특별한 제한 없이 사용할 수 있고, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다. 또한 본 개시에 있어서 화합물A가 (a)성분에도 (b)성분에도 해당하는 경우에, 당해 화합물A는 (b)성분으로 한다.
불포화 술폰산은, 비닐술폰산, 스티렌술폰산, (메타)알릴술폰산 등의 α,β-에틸렌성 불포화 술폰산; (메타)아크릴아미드t-부틸술폰산, 2-(메타)아크릴아미드-2-메틸프로판술폰산, 2-(메타)아크릴아미드-2-히드록시프로판술폰산, 3-술포프로판(메타)아크릴산에스테르, 비스-(3-술포프로필)이타콘산에스테르 등이 예시된다.
불포화 술폰산의 염은, 불포화 술폰산의 무기염 등이 예시된다. 불포화 술폰산의 무기염은, 카티온부(cation部)가 금속 카티온인 염을 말한다. 무기염은, 전형금속염, 전이금속염 등이 예시된다.
전형금속염은, 알칼리 금속염, 알칼리토류 금속염, 13족 금속염 등이 예시된다.
알칼리 금속염은, 리튬염, 나트륨염, 칼륨염 등이 예시된다.
알칼리토류 금속염은, 마그네슘염, 칼슘염 등이 예시된다.
13족 금속염은, 알루미늄염 등이 예시된다.
전이금속염은, 철염 등이 예시된다.
(A-1)성분의 전 구성단위 100㏖％에 대한 불포화 술폰산 또는 그 염(b)에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 70, 69, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10㏖％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 10∼70㏖％가 바람직하다.
(A-1)성분의 전 구성단위 100질량％에 대한 불포화 술폰산 또는 그 염(b)에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 5∼70질량％가 바람직하다.
〈(메타)아크릴산에스테르(c) : (c)성분이라고도 한다〉
(c)성분은, 각종 공지의 것을 특별한 제한 없이 사용할 수 있고, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다.
(메타)아크릴산에스테르는, 치환기 비함유 (메타)아크릴산에스테르, 치환기 함유 (메타)아크릴산에스테르 등이 예시된다.
본 개시에 있어서 치환기 비함유 (메타)아크릴산에스테르는, 당해 화합물을 형성하고 있는 원자가 에스테르 결합을 형성하는 산소원자를 제외하고는 전부 탄소원자 및 수소원자인 (메타)아크릴산에스테르를 의미한다. 치환기 함유 (메타)아크릴산에스테르는, 치환기 비함유 (메타)아크릴산에스테르가 아닌 (메타)아크릴산에스테르를 의미한다.
치환기 비함유 (메타)아크릴산에스테르는, (메타)아크릴산메틸, (메타)아크릴산에틸, (메타)아크릴산프로필, (메타)아크릴산이소프로필, (메타)아크릴산n-부틸, (메타)아크릴산이소부틸, (메타)아크릴산s-부틸, (메타)아크릴산t-부틸, (메타)아크릴산n-헥실, (메타)아크릴산2-에틸헥실, (메타)아크릴산라우릴 등이 예시된다.
치환기 함유 (메타)아크릴산에스테르는, 수산기 함유 (메타)아크릴산에스테르, 알콕시기 함유 (메타)아크릴산에스테르 등이 예시된다.
수산기 함유 (메타)아크릴산에스테르는, (메타)아크릴산1-히드록시에틸, (메타)아크릴산2-히드록시에틸, (메타)아크릴산1-히드록시프로필, (메타)아크릴산2-히드록시프로필, (메타)아크릴산3-히드록시프로필, (메타)아크릴산2-히드록시-1-메틸에틸, (메타)아크릴산1-히드록시-2-메틸에틸, (메타)아크릴산1-히드록시부틸, (메타)아크릴산2-히드록시부틸, (메타)아크릴산3-히드록시부틸, (메타)아크릴산4-히드록시부틸, (메타)아크릴산1-히드록시-1-메틸-프로필, (메타)아크릴산2-히드록시-1-메틸-프로필, (메타)아크릴산3-히드록시-1-메틸-프로필, (메타)아크릴산1-에틸-2-히드록시에틸, (메타)아크릴산1-히드록시-2-메틸-프로필, (메타)아크릴산2-히드록시-2-메틸-프로필, (메타)아크릴산3-히드록시-2-메틸-프로필, (메타)아크릴산1,1-디메틸-2-히드록시에틸, (메타)아크릴산3-히드록시-1-아다만틸, 1,4-시클로헥산디메탄올모노(메타)아크릴레이트, 글리세린모노(메타)아크릴레이트, 글리세린디(메타)아크릴레이트, (메타)아크릴산2-히드록시-3-페녹시프로필, 트리(메타)아크릴산펜타에리스리톨, 폴리에틸렌글리콜-모노(메타)아크릴레이트, 폴리프로필렌글리콜-모노(메타)아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜-프로필렌글리콜-모노(메타)아크릴레이트 등이 예시된다.
알콕시기 함유 (메타)아크릴산에스테르는, 메톡시메틸(메타)아크릴레이트, 2-메톡시에틸(메타)아크릴레이트, 1-메톡시에틸(메타)아크릴레이트, 3-메톡시프로필(메타)아크릴레이트, 2-메톡시프로필(메타)아크릴레이트, 1-메톡시프로필(메타)아크릴레이트, 4-메톡시부틸(메타)아크릴레이트, 3-메톡시부틸(메타)아크릴레이트, 2-메톡시부틸(메타)아크릴레이트, 1-메톡시부틸(메타)아크릴레이트, 에톡시메틸(메타)아크릴레이트, 2-에톡시에틸(메타)아크릴레이트, 1-에톡시에틸(메타)아크릴레이트, 3-에톡시프로필(메타)아크릴레이트, 2-에톡시프로필(메타)아크릴레이트, 1-에톡시프로필(메타)아크릴레이트, 프로폭시메틸(메타)아크릴레이트, 2-프로폭시에틸(메타)아크릴레이트, 1-프로폭시에틸(메타)아크릴레이트, 부톡시메틸(메타)아크릴레이트 등이 예시된다.
하나의 실시형태에 있어서, (메타)아크릴산에스테르는 하기 구조식으로 나타낸다.
Figure pat00002
[식 중에서, Rα1은 수소원자 또는 메틸기이고, Rα2는 알킬기, 히드록시알킬기, 알콕시알킬기 또는
Figure pat00003
(식 중에서, q는 1∼3의 정수이고, n은 0∼100의 정수이며, 바람직하게는 0∼10이다)
로 나타내는 폴리옥시알킬렌기이며, Rα3 및 Rα4는 각각 독립하여, 수소원자, 치환 혹은 비치환의 알킬기, 카르복시기, 히드록시기, 아미노기〔-NRaRb(Ra 및 Rb는 각각 독립하여, 수소원자, 또는 치환 혹은 비치환의 알킬기이다)〕, 아세틸기이다. 치환 알킬기의 치환기는 히드록시기, 알콕시기, 아미노기, 아세틸기 등이 예시된다]
히드록시알킬기는, 알킬기 중의 적어도 1개의 수소원자가 히드록시기(수산기)로 치환된 기이다.
알콕시알킬기는, 알킬기 중의 적어도 1개의 수소원자가 알콕시기로 치환된 기이다.
알콕시기는, 알킬기가 산소원자에 결합하고 있는 1가의 기이다.
(A-1)성분의 전 구성단위 100㏖％에 대한 (메타)아크릴산에스테르(c)에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20㏖％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 20∼70㏖％가 바람직하다.
(A-1)성분의 전 구성단위 100질량％에 대한 (메타)아크릴산에스테르(c)에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 20∼80질량％가 바람직하다.
〈(a)성분, (b)성분, (c)성분 이외의 단량체 : (d)성분이라고도 한다〉
(A-1)성분의 전 구성단위에 있어서는, (a)성분, (b)성분, (c)성분 중 어디에도 해당하지 않는 단량체((d)성분)에서 유래하는 구성단위를, 본 발명의 원하는 효과를 손상시키지 않는 한 사용할 수 있다. (d)성분은, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다. (d)성분은, 불포화 카르복시산, 불포화 인산, α,β-불포화 니트릴, 공역 디엔, 비닐에테르, 방향족 비닐 화합물 등이 예시된다.
불포화 카르복시산은, (메타)아크릴산, 크로톤산, 말레인산, 푸마르산, 이타콘산 등이 예시된다.
(A-1)성분의 전 구성단위 100㏖％에 대한 불포화 카르복시산에서 유래하는 구성단위의 함유량은, 40㏖％ 미만(예를 들면, 30, 25, 20, 19, 15, 10, 5, 1㏖％ 미만, 0㏖％)이 바람직하다.
(A-1)성분의 전 구성단위 100질량％에 대한 불포화 카르복시산에서 유래하는 구성단위의 함유량은, 40질량％ 미만(예를 들면, 30, 25, 20, 19, 15, 10, 5, 1질량％ 미만, 0질량％)이 바람직하다.
불포화 인산은, 비닐포스폰산, 비닐포스페이트, 비스((메타)아크릴옥시에틸)포스페이트, 디페닐-2-(메타)아크릴로일옥시에틸포스페이트, 디부틸-2-(메타)아크릴로일옥시에틸포스페이트, 디옥틸-2-(메타)아크릴로일옥시에틸포스페이트, 모노메틸-2-(메타)아크릴로일옥시에틸포스페이트, 3-(메타)아크릴옥시-2-히드록시프로판인산 등이 예시된다.
(A-1)성분의 전 구성단위 100㏖％에 대한 불포화 인산에서 유래하는 구성단위의 함유량은, 40㏖％ 미만(예를 들면, 30, 25, 20, 19, 15, 10, 5, 1㏖％ 미만, 0㏖％)이 바람직하다.
(A-1)성분의 전 구성단위 100질량％에 대한 불포화 인산에서 유래하는 구성단위의 함유량은, 40질량％ 미만(예를 들면, 30, 25, 20, 19, 15, 10, 5, 1질량％ 미만, 0질량％)이 바람직하다.
α,β-불포화 니트릴은, 전극에 유연성(柔軟性)을 부여할 목적으로 적합하게 사용할 수 있다. α,β-불포화 니트릴은, (메타)아크릴로니트릴, α-클로로(메타)아크릴로니트릴, α-에틸(메타)아크릴로니트릴, 시안화비닐리덴 등이 예시된다. 이들 중에서 (메타)아크릴로니트릴이 바람직하고, 특히 아크릴로니트릴이 바람직하다.
α,β-불포화 니트릴에서 유래하는 구성단위의 함유량은 특별히 한정되지 않지만, (A-1)성분의 전 구성단위 100㏖％에 대하여 40㏖％ 미만(예를 들면, 30, 25, 20, 19, 15, 10, 5, 1㏖％ 미만, 0㏖％)이 바람직하다.
하나의 실시형태에 있어서, (A-1)성분의 전 구성단위 100질량％에 대한 α,β-불포화 니트릴에서 유래하는 구성단위의 함유량은, 40질량％ 미만(예를 들면, 30, 25, 20, 19, 15, 10, 5, 1질량％ 미만, 0질량％)이 바람직하다.
공역 디엔은, 1,3-부타디엔, 2-메틸-1,3-부타디엔, 2,3-디메틸-1,3-부타디엔, 2-클로로-1,3-부타디엔, 치환 직쇄 공역 펜타디엔, 치환 및 측쇄 공역 헥사디엔 등이 예시된다.
공역 디엔에서 유래하는 구성단위의 함유량은 특별히 한정되지 않지만, 본 발명에 관한 리튬이온전지의 내스프링백성(耐spring back性)의 관점에서, 상기 (A-1)성분의 전 구성단위 100㏖％ 중 10㏖％ 미만이 바람직하고, 0㏖％가 더 바람직하다.
하나의 실시형태에 있어서, (A-1)성분의 전 구성단위 100질량％에 대한 공역 디엔에서 유래하는 구성단위의 함유량은, 10질량％ 미만이 바람직하고, 0질량％가 더 바람직하다.
비닐에테르는, 히드록시알킬비닐에테르, 폴리알킬렌글리콜모노비닐에테르 등이 예시된다.
히드록시알킬비닐에테르는, 히드록시 직쇄 알킬비닐에테르, 히드록시 분기 알킬비닐에테르, 히드록시시클로알킬비닐에테르 등이 예시된다.
히드록시 직쇄 알킬비닐에테르는, 2-히드록시에틸비닐에테르, 3-히드록시프로필비닐에테르, 4-히드록시부틸비닐에테르, 5-히드록시펜틸비닐에테르 등이 예시된다.
히드록시 분기 알킬비닐에테르는, 2-히드록시프로필비닐에테르, 2-히드록시-2-메틸프로필비닐에테르, 4-히드록시-2-메틸부틸비닐에테르 등이 예시된다.
히드록시시클로알킬비닐에테르는, 4-히드록시시클로펜틸비닐에테르 등이 예시된다.
폴리알킬렌글리콜모노비닐에테르는, 폴리메틸렌글리콜모노비닐에테르, 폴리에틸렌글리콜모노비닐에테르, 폴리프로필렌글리콜모노비닐에테르 등이 예시된다.
비닐에테르에서 유래하는 구성단위의 함유량은 특별히 한정되지 않지만, (A-1)성분의 전 구성단위 100㏖％ 중 30㏖％ 미만이 바람직하고, 0㏖％가 더 바람직하다.
하나의 실시형태에 있어서, (A-1)성분의 전 구성단위 100질량％에 대한 비닐에테르에서 유래하는 구성단위의 함유량은, 30질량％ 미만이 바람직하고, 0질량％가 더 바람직하다.
방향족 비닐 화합물은, 스티렌, α-메틸스티렌, p-메틸스티렌, 비닐톨루엔, 클로로스티렌, 디비닐벤젠 등이 예시된다.
방향족 비닐 화합물에서 유래하는 구성단위의 함유량은 특별히 한정되지 않지만, (A-1)성분의 전 구성단위 100㏖％ 중 10㏖％ 미만이 바람직하고, 0㏖％가 더 바람직하다.
하나의 실시형태에 있어서, (A-1)성분의 전 구성단위 100질량％에 대한 방향족 비닐 화합물에서 유래하는 구성단위의 함유량은, 10질량％ 미만이 바람직하고, 0질량％가 더 바람직하다.
상기 불포화 카르복시산, 불포화 인산, α,β-불포화 니트릴, 공역 디엔, 비닐에테르, 방향족 비닐 화합물 이외의 (d)성분에서 유래하는 구성단위가 (A-1)성분의 전 구성단위에서 차지하는 비율은, (A-1)성분의 전 구성단위 100㏖％에 대하여 10㏖％ 미만, 5㏖％ 미만, 1㏖％ 미만, 0.1㏖％ 미만, 0.01㏖％ 미만, 0㏖％이고, (A-1)성분의 전 구성단위 100질량％에 대하여 10질량％ 미만, 5질량％ 미만, 1질량％ 미만, 0.5질량％ 미만, 0.1질량％ 미만, 0.01질량％ 미만, 0질량％이다.
수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)는, 각종 공지의 중합법, 바람직하게는 라디칼 중합법으로 합성할 수 있다. 중합반응은, (a)성분, 및 (b)성분 그리고 필요에 따라 (c)성분, (d)성분을 포함하는 단량체 혼합액에 라디칼 중합개시제 및 필요에 따라 연쇄이동제를 가하고, 교반하면서 반응온도 50∼100℃ 정도에서 하면 좋다. 반응시간은 특별히 한정되지 않고, 1∼10시간 정도가 바람직하다. 하나의 실시형태에 있어서 (A-1)성분은, 단량체를 포함하는 용액과 개시제를 포함하는 용액을 동시에 적하(滴下)하여, 중합반응을 시킴으로써 제조하는 것이 바람직하다.
라디칼 중합개시제는, 각종 공지의 것이 특별한 제한 없이 사용된다. 라디칼 중합개시제는, 과황산칼륨 및 과황산암모늄 등의 과황산염; 상기 과황산염과 아황산수소나트륨 등의 환원제를 조합시킨 레독스계 중합개시제; 2,2′-아조비스-2-아미디노프로판 이염산염 등의 아조계 개시제 등이 예시된다. 라디칼 중합개시제의 사용량은 특별히 제한되지 않지만, (A-1)성분을 부여하는 (A-1)성분의 전 구성단위 100질량％에 대하여 0.05∼5.0질량％가 바람직하고, 0.1∼3.0질량％가 더 바람직하다.
라디칼 중합반응 전 및/또는 얻어진 (A-1)성분을 수용화(水溶化)할 때 등에 제조 안정성을 향상시킬 목적으로, 암모니아나 유기아민, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화리튬 등의 일반적인 중화제로 반응용액의 pH를 조정하여도 좋다. 그 경우에, pH는 2∼11이 바람직하다. 또한 동일한 목적으로, 금속이온 실링제인 EDTA 또는 그 염 등을 사용하는 것도 가능하다.
〈수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)의 물성 등〉
수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)의 글라스 전이온도의 상한 및 하한은, 160, 155, 150, 145, 140, 135, 130, 125, 120, 115, 110, 105, 100, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 0℃ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 0℃ 이상이 바람직하고, 기계적 강도, 내열성의 관점에서 30℃ 이상이 더 바람직하다.
수용성 폴리(메타)아크릴아미드의 글라스 전이온도는, 모노머의 조합에 의하여 조정이 가능하다. 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)에 있어서 글라스 전이온도는, 모노머의 호모폴리머의 글라스 전이온도(Tg)(절대온도 : K)와 그들의 질량분율로부터, 이하에 나타내는 Fox식에 의거하여 구할 수 있다.
1/Tg＝(W1/Tg1)＋(W2/Tg2)＋(W3/Tg3)＋···＋(Wn/Tgn)
[식 중에서, Tg는 구하고자 하는 폴리머의 글라스 전이온도(K), W1∼Wn은 각 단량체의 질량분율, Tg1∼Tgn은 각 단량체의 호모폴리머의 글라스 전이온도(K)를 나타낸다]
예를 들면 글라스 전이온도는, 아크릴아미드의 호모폴리머에서는 165℃, 아크릴산의 호모폴리머에서는 106℃, 아크릴산히드록시에틸의 호모폴리머에서는 -15℃, 아크릴로니트릴의 호모폴리머에서는 105℃이다. 원하는 글라스 전이온도를 갖는 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)를 얻을 수 있도록, 그것을 구성하는 모노머의 조성을 결정할 수 있다. 또한 단량체의 호모폴리머의 글라스 전이온도는, DSC(시차주사열량측정장치), DTA(시차열분석장치), TMA(열기계측정장치) 등에 의하여, 예를 들면 -100℃에서 300℃로 승온시키는 조건(승온속도 10℃/min)에서 측정할 수 있다. 또한 문헌에 기재되어 있는 값을 사용할 수도 있다. 문헌은 「화학편람 기초편Ⅱ 일본화학회 편찬(개정5판)」, p.325 등이 예시된다.
수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)의 중량평균분자량(Mw)의 상한 및 하한은, 30만, 29만, 25만, 20만, 15만, 10만, 9만, 5만, 4만, 3만, 2만, 1만 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)의 중량평균분자량(Mw)은 1만∼30만이 바람직하고, 도전성 탄소재료의 분산성을 향상시켜 응집물이 생성되기 어렵게 한다는 관점에서 1만 이상 30만 미만이 더 바람직하다.
수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)의 수평균분자량(Mn)의 상한 및 하한은, 11만, 10만, 9만, 7만, 5만, 3만, 2만, 1만, 9000, 7000, 5000 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)의 수평균분자량(Mn)은 5000∼11만이 바람직하다.
중량평균분자량 및 수평균분자량은, 예를 들면 겔 투과 크로마토그래피(GPC)에 의하여 적절한 용매하에서 측정한 폴리아크릴산 환산값으로서 구할 수 있다.
수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)의 분자량 분포(Mw/Mn)의 상한 및 하한은, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7.5, 6, 5, 4, 3, 2.9, 2.5, 2, 1.5, 1.1 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)의 분자량 분포(Mw/Mn)는 1.1∼15가 바람직하다.
수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)를 포함하는 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제의 B형 점도의 상한 및 하한은, 500, 450, 400, 350, 300, 250, 200, 150, 100, 50, 25, 10mPa·s 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 B형 점도는 10∼500mPa·s가 바람직하다.
B형 점도는, 도키 산교 가부시키가이샤(Toki Sangyo Co.,Ltd) 제품인 제품명 「B형 점도계 모델 TVB-10M」 등의 B형 점도계에 의하여 측정된다.
리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제의 pH의 상한 및 하한은, 7, 6.9, 6.5, 6, 5.9, 5.6, 5.5, 5.4, 5.2, 5.1, 5 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서 상기 pH는, 용액 안정성의 관점에서 pH5∼7이 바람직하고, pH5 이상 7 미만이 더 바람직하다.
pH는, 글라스전극 pH 미터(예를 들면, 가부시키가이샤 호리바 세이사쿠쇼(HORIBA, Ltd.) 제품, 제품명 「pH 미터 D-52」)를 사용하여 25℃에서 측정될 수 있다.
리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제 100질량％에 대한 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)의 함유량의 상한 및 하한은, 100, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 19, 17, 15, 13, 10, 9, 7, 5질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 5∼100질량％가 바람직하다.
하나의 실시형태에 있어서, 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제는 물을 포함할 수 있다. 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제 100질량％에 대한 물의 함유량의 상한 및 하한은, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 0질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼95질량％가 바람직하다.
리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제에 포함되는 물과 (A-1)성분의 질량비〔물의 질량/(A-1)성분의 질량〕의 상한 및 하한은, 19, 17, 15, 13, 10, 9, 7, 5, 3, 2, 1, 0.9, 0.7, 0.5, 0.3, 0.1, 0 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 질량비는 0∼19가 바람직하다.
하나의 실시형태에 있어서, 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제는 유기용매를 포함할 수 있다.
유기용매는, 에테르 용매, 케톤 용매, 알코올 용매, 아미드 용매 등이 예시된다. 에테르 용매는, 디옥산, 테트라하이드로퓨란(THF) 등이 예시된다. 케톤 용매는, 아세톤, 메틸에틸케톤(MEK) 등이 예시된다. 알코올 용매는, 메탄올, 에탄올, 2-프로판올, 이소프로필알코올 등이 예시된다. 아미드 용매는, N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 등이 예시된다.
상기 (A-1)성분 100질량％에 대한 유기용매의 함유량의 상한 및 하한은, 200, 175, 150, 125, 100, 75, 50, 25, 0질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼200질량％가 바람직하다.
〈중화제〉
하나의 실시형태에 있어서, 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제는 중화제를 포함할 수 있다.
중화제는, 알칼리 금속염, 알칼리토류 금속염 등이 예시된다.
알칼리 금속염은, 리튬염, 나트륨염, 칼륨염 등이 예시된다.
리튬염은, 수산화리튬, 염화리튬, 불화리튬, 브롬화리튬, 아세트산리튬, 황산리튬, 탄산리튬, 인산리튬, 탄산수소리튬 등이 예시된다.
나트륨염은, 수산화나트륨, 염화나트륨, 불화나트륨, 브롬화나트륨, 아세트산나트륨, 황산나트륨, 탄산나트륨, 인산나트륨, 탄산수소나트륨 등이 예시된다.
칼륨염은, 수산화칼륨, 염화칼륨, 불화칼륨, 브롬화칼륨, 아세트산칼륨, 황산칼륨, 탄산칼륨, 인산칼륨, 탄산수소칼륨 등이 예시된다.
알칼리토류 금속염은, 칼슘염, 마그네슘염 등이 예시된다.
마그네슘염은, 수산화마그네슘, 염화마그네슘, 불화마그네슘, 브롬화마그네슘, 아세트산마그네슘, 황산마그네슘, 탄산마그네슘, 인산마그네슘, 탄산수소마그네슘 등이 예시된다.
칼슘염은, 수산화칼슘, 염화칼슘, 불화칼슘, 브롬화칼슘, 아세트산칼슘, 황산칼슘, 탄산칼슘, 인산칼슘, 탄산수소칼슘 등이 예시된다.
상기 (A-1)성분에 포함되는 산성기(酸性基) 100㏖％에 대한 중화제의 함유량의 상한 및 하한은, 100, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 0㏖％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼100㏖％가 바람직하다.
(A-1)성분에 포함되는 산성기는, 술폰산기, 카르복시산기, 인산기 등이 예시된다.
〈첨가제〉
리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제에는, (A-1)성분, 물, 유기용매, 중화제 중의 어디에도 해당하지 않는 것을 첨가제로서 포함시킬 수 있다. 첨가제는, 후술하는 것 등이 예시된다. 첨가제의 함유량은, (A-1)성분 100질량％에 대하여 0∼5질량％, 1질량％ 미만, 0.1질량％ 미만, 0.01질량％ 미만, 0질량％ 등이 예시되고, 또한 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제 100질량％에 대하여 0∼5질량％, 1질량％ 미만, 0.1질량％ 미만, 0.01질량％ 미만, 0질량％ 등이 예시된다.
상기 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제는, 리튬이온전지 전극용 도전성 탄소재료 분산제, 리튬이온전지 부극용 도전성 탄소재료 분산제, 리튬이온전지 정극용 도전성 탄소재료 분산제로서 사용될 수 있다.
도전성 탄소재료는, 후술하는 것 등이 예시된다.
[리튬이온전지 전극용 슬러리 : 슬러리라고도 한다]
본 개시는,
상기 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제,
폴리머(A-2),
전극 활물질(B-1),
도전성 탄소재료(B-2), 및
물을 포함하는
리튬이온전지 전극용 슬러리를 제공한다.
상기 슬러리 100질량％에 대한 상기 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제의 함유량의 상한 및 하한은, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 9, 5, 4, 2, 1, 0.9, 0.5, 0.4, 0.2, 0.1질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0.1∼40질량％가 바람직하다.
상기 슬러리 100질량％에 대한 상기 (A-1)성분의 함유량의 상한 및 하한은, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 9, 5, 4.5, 2, 1, 0.9, 0.5, 0.4, 0.2, 0.1질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0.1∼40질량％가 바람직하다.
〈폴리머(A-2) : (A-2)성분이라고도 한다〉
폴리머는, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다. 폴리머는, 바인더, 수계 바인더(水系 binder)로서 사용될 수 있다. 폴리머는, 물 또는 유기용매 중에서 합성된 폴리머의 고형분을 의미한다.
폴리머는, 수용성 폴리머, 비수용성 폴리머 등이 예시된다.
수용성 폴리머는, 셀룰로오스계 화합물, 전분, 스타치(starch), 알긴산, 잔탄검, 키토산, 카라기난(carrageenan), 한천, 덱스트린, 젤라틴, 폴리비닐알코올, 폴리(메타)아크릴아미드, 폴리(메타)아크릴산, 폴리술폰산, 폴리에틸렌이민, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌글리콜, 폴리스티렌술폰산, 에틸렌-아크릴산 공중합체, 에틸렌-아크릴아미드-아크릴산 공중합체, 폴리아미딘, 폴리비닐이미다졸린 등 및 그들의 유도체 또는 염을 들 수 있다.
본 개시에 있어서 「비수용성」은, 25℃에 있어서 그 화합물 0.5g을 100g의 물에 용해시켰을 때에 불용분(不溶分)이 0.5질량％ 이상인 것을 의미한다.
비수용성 폴리머는, 스티렌-부타디엔계 공중합체 라텍스, 폴리스티렌계 중합체 라텍스, 폴리부타디엔계 중합체 라텍스, 아크릴로니트릴-부타디엔계 공중합체 라텍스, 폴리우레탄계 중합체 라텍스, 폴리메틸메타크릴레이트계 중합체 라텍스, 메틸메타크릴레이트-부타디엔계 공중합체 라텍스, 폴리아크릴레이트계 중합체 라텍스, 염화비닐계 중합체 라텍스, 아세트산비닐계 중합체 에멀션, 아세트산비닐-에틸렌계 공중합체 에멀션, 폴리에틸렌 에멀션, 카르복시 변성 스티렌부타디엔 공중합수지 에멀션, 아크릴수지 에멀션, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드(PA), 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI), 방향족 폴리아미드, 알긴산과 그 염, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ETFE) 등이 예시된다.
하나의 실시형태에 있어서 상기 폴리머(A-2)는, (메타)아크릴아미드기 함유 화합물(a)에서 유래하는 구성단위를 포함하는 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-2A)이다.
〈수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-2A) : (A-2A)성분이라고도 한다〉
(A-2A)성분은, (메타)아크릴아미드기 함유 화합물(a)에서 유래하는 구성단위를 포함한다. (메타)아크릴아미드기 함유 화합물(a)은, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다. (A-1)성분과 (A-2A)성분은, 전극 밀착성의 관점에서 상용(相溶)시키는 것이 바람직하다.
(A-2A)성분의 전 구성단위 100㏖％에 대한 (메타)아크릴아미드기 함유 화합물에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 100, 99.99, 99.9, 99.7, 99.5, 99, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 9, 5, 3, 2, 1㏖％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 1∼100㏖％가 바람직하다.
(A-2A)성분의 전 구성단위 100질량％에 대한 (메타)아크릴아미드기 함유 화합물에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 100, 99.99, 99.9, 99.7, 99.5, 99, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 9, 5, 3, 2, 1질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 1∼100질량％가 바람직하다.
하나의 실시형태에 있어서 (A-2A)성분은, 불포화 유기산 또는 그 염에서 유래하는 구성단위를 포함할 수 있다. 불포화 유기산 또는 그 염은, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다.
본 개시에 있어서 불포화 유기산은, 산성기 및 중합성 불포화 결합을 구비하는 화합물을 의미한다.
불포화 유기산은, 불포화 카르복시산, 불포화 술폰산, 불포화 인산 등이 예시된다. 불포화 유기산의 염은, 불포화 유기산의 무기염 등이 예시된다. 불포화 유기산의 무기염은, 카티온부가 금속 카티온인 염을 말한다.
(A-2A)성분의 전 구성단위 100㏖％에 대한 불포화 유기산 또는 그 염에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 4, 2, 1, 0㏖％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼50㏖％가 바람직하다.
(A-2A)성분의 전 구성단위 100질량％에 대한 불포화 유기산 또는 그 염에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 4, 2, 1, 0질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼70질량％가 바람직하다.
하나의 실시형태에 있어서 (A-2A)성분은, (메타)아크릴산에스테르(c)에서 유래하는 구성단위를 포함할 수 있다. (메타)아크릴산에스테르는, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다.
(A-2A)성분의 전 구성단위 100㏖％에 대한 (메타)아크릴산에스테르(c)에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 4, 2, 1, 0㏖％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼75㏖％가 바람직하다.
(A-2A)성분의 전 구성단위 100질량％에 대한 (메타)아크릴산에스테르(c)에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 4, 2, 1, 0질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼80질량％가 바람직하다.
하나의 실시형태에 있어서 (A-2A)성분은, α,β-불포화 니트릴에서 유래하는 구성단위를 포함할 수 있다. α,β-불포화 니트릴은, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다.
(A-2A)성분의 전 구성단위 100㏖％에 대한 α,β-불포화 니트릴에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 2, 1, 0㏖％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼45㏖％가 바람직하다.
(A-2A)성분의 전 구성단위 100질량％에 대한 α,β-불포화 니트릴에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 4, 2, 1, 0질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼40질량％가 바람직하다.
하나의 실시형태에 있어서 (A-2A)성분은, 비닐기 또는 (메타)아크릴옥시기를 구비하는 이중결합 함유 트리히드록시실릴 화합물에서 유래하는 구성단위를 포함할 수 있다. 비닐기 또는 (메타)아크릴옥시기를 구비하는 이중결합 함유 트리히드록시실릴 화합물은, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다.
(A-2A)성분의 전 구성단위 100㏖％에 대한 비닐기 또는 (메타)아크릴옥시기를 구비하는 이중결합 함유 트리히드록시실릴 화합물에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 0.8, 0.7, 0.5, 0.3, 0.2, 0.1, 0.09, 0.07, 0.05, 0㏖％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼0.8㏖％가 바람직하다.
(A-2A)성분의 전 구성단위 100질량％에 대한 비닐기 또는 (메타)아크릴옥시기를 구비하는 이중결합 함유 트리히드록시실릴 화합물에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 10, 9, 7, 5, 3, 1, 0.9, 0.5, 0.3, 0.1, 0.09, 0.05, 0.01, 0.009, 0.005, 0.001, 0질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼10질량％가 바람직하다.
하나의 실시형태에 있어서 (A-2A)성분은, 수산기 함유 비닐에테르에서 유래하는 구성단위를 포함할 수 있다. 수산기 함유 비닐에테르는, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다.
(A-2A)성분의 전 구성단위 100㏖％에 대한 수산기 함유 비닐에테르에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 4, 2, 1, 0㏖％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼80㏖％가 바람직하다.
(A-2A)성분의 전 구성단위 100질량％에 대한 수산기 함유 비닐에테르에서 유래하는 구성단위의 함유량의 상한 및 하한은, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 4, 2, 1, 0질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼85질량％가 바람직하다.
(메타)아크릴아미드기 함유 화합물(a), 불포화 유기산 또는 그 염, (메타)아크릴산에스테르, α,β-불포화 니트릴, 비닐기 또는 (메타)아크릴옥시기를 구비하는 이중결합 함유 트리히드록시실릴 화합물, 수산기 함유 비닐에테르 중 어디에도 해당하지 않는 화합물에서 유래하는 구성단위가 (A-2A)성분의 전 구성단위에서 차지하는 비율은, (A-2A)성분의 전 구성단위 100㏖％에 대하여 10㏖％ 미만, 5㏖％ 미만, 1㏖％ 미만, 0.1㏖％ 미만, 0.01㏖％ 미만, 0㏖％이고, (A-2A)성분의 전 구성단위 100질량％에 대하여 10질량％ 미만, 5질량％ 미만, 1질량％ 미만, 0.5질량％ 미만, 0.1질량％ 미만, 0.01질량％ 미만, 0질량％이다.
수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-2A)는, (A-1)성분과 동일한 조건, 방법에 의하여 제조될 수 있다.
상기 (A-2A)성분에 포함되는 산성기 100㏖％에 대한 중화제의 함유량의 상한 및 하한은, 100, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 0㏖％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼100㏖％가 바람직하다.
〈수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-2A)의 물성 등〉
수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-2A)의 글라스 전이온도의 상한 및 하한은, 160, 155, 150, 145, 140, 135, 130, 125, 120, 115, 110, 105, 100, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 0℃ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 글라스 전이온도는 0℃ 이상이 바람직하고, 기계적 강도, 내열성의 관점에서 30℃ 이상이 더 바람직하다.
수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-2A)의 중량평균분자량(Mw)의 상한 및 하한은, 700만, 650만, 600만, 550만, 500만, 450만, 400만, 350만, 300만, 250만, 200만, 150만, 100만, 95만, 90만, 85만, 80만, 75만, 70만, 65만, 60만, 55만, 50만, 45만, 40만, 35만, 30만, 25만, 20만, 15만, 10만 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 중량평균분자량(Mw)은 10만∼700만이 바람직하고, 50만∼100만이 더 바람직하다.
(A-2A)성분과 (A-1)성분의 중량평균분자량의 비율[(A-2A)의 중량평균분자량/(A-1)의 중량평균분자량]의 상한 및 하한은, 600, 550, 500, 450, 400, 350, 300, 250, 200, 150, 100, 90, 75, 50, 25, 10, 5, 2, 1 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 비율은 1∼600이 바람직하다.
수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-2A)의 수평균분자량(Mn)의 상한 및 하한은, 600만, 550만, 500만, 450만, 400만, 350만, 300만, 250만, 200만, 150만, 100만, 95만, 90만, 85만, 80만, 75만, 70만, 65만, 60만, 55만, 50만, 45만, 40만, 30만, 20만, 15만, 10만, 5만, 1만 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-2A)의 수평균분자량(Mn)은 1만 이상이 바람직하고, 15만∼50만이 더 바람직하다.
(A-2A)성분과 (A-1)성분의 수평균분자량의 비율[(A-2A)의 수평균분자량/(A-1)의 수평균분자량]의 상한 및 하한은, 100, 90, 75, 50, 25, 10, 5, 2, 1, 0.9, 0.5, 0.2, 0.1, 0.09 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 비율은 0.09∼100이 바람직하다.
수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-2A)의 분자량 분포(Mw/Mn)의 상한 및 하한은, 15, 14, 13, 11, 10, 9, 7.5, 5, 4, 3, 2.9, 2.5, 2, 1.5, 1.1 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 분자량 분포(Mw/Mn)는 1.1∼15가 바람직하다.
상기 슬러리의 B형 점도의 상한 및 하한은, 10만, 9만, 8만, 7만, 6만, 5만, 4만, 3만, 2만, 1만, 9000, 8000, 7000, 6000, 5000, 4000, 3000, 2000, 1000mPa·s 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 B형 점도는 1000∼10만mPa·s가 바람직하다.
상기 슬러리의 pH의 상한 및 하한은, 9, 8, 7, 6.9, 6.5, 6, 5.9, 5.6, 5.5, 5.4, 5.2, 5.1, 5 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 pH는 용액 안정성의 관점에서 pH5∼9가 바람직하고, pH5∼7이 더 바람직하고, pH5 이상 7 미만이 더욱 바람직하다.
상기 슬러리 100질량％에 대한 상기 (A-2)성분의 함유량의 상한 및 하한은, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 9, 5, 4.5, 2질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 2∼40질량％가 바람직하다.
상기 슬러리 100질량％에 대한 상기 (A-2A)성분의 함유량의 상한 및 하한은, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 9, 5, 4.5, 2, 0질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼40질량％가 바람직하다.
상기 슬러리 중에서의 상기 (A-2A)성분과 상기 (A-1)성분의 질량비[상기 (A-2A)성분의 질량/상기 (A-1)성분의 질량]의 상한 및 하한은, 19, 17, 15, 13, 11, 10, 9, 7, 5, 4, 3, 2.5, 2.3 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 질량비는 2.3∼19가 바람직하다.
〈(A-1)성분과 (A-2A)성분을 혼합한 폴리머의 상용성〉
(A-1)성분과 (A-2A)성분은, 전극 밀착성의 관점에서 상용시키는(마이크로상분리(microphase separation)되지 않는다) 것이 바람직하다.
이 상분리구조를 확인하는 방법은, 필름의 헤이즈(HAZE)를 측정하는 방법이 예시된다.
(A-1)성분과 (A-2A)성분의 필름은, (A-1)성분과 (A-2A)성분을 포함하는 수용액을 미리 혼합한 후에, 이 수용액을 평탄한 글라스판 상에 도포하고, 80℃의 순환풍건조기 내에서 두께가 5∼30㎛가 되도록 필름을 제작하는 방법으로 얻는 것이 바람직하다. 여기에서 제작한 필름의 헤이즈는, 탁도계 「NDH-2000(닛폰 덴쇼쿠 고교 가부시키가이샤(NIPPON DENSHOKU INDUSTRIES CO., LTD.) 제품)」에 의하여 측정할 수 있다. 상기 필름의 헤이즈는 20％ 이하가 바람직하고, 10％ 이하가 특히 바람직하다.
필름의 헤이즈가 20％보다 낮으면, (A-1)성분과 (A-2A)성분이 상용되어 있다는 것을 시사한다. 한편 필름의 헤이즈가 20％보다 높으면, (A-1)성분과 (A-2A)성분은 상용되어 있지 않다(마이크로상분리되어 있다)는 것을 시사한다.
〈전극 활물질(B-1) : (B-1)성분이라고도 한다〉
전극 활물질은, 부극 활물질, 정극 활물질 등이 예시된다. 전극 활물질은, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다.
〈부극 활물질〉
부극 활물질은, 리튬을 가역적으로 흡장(吸藏) 및 방출시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않고, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다. 부극 활물질은, 목적으로 하는 축전 디바이스의 종류에 따라 적절·적합한 재료를 선택할 수 있다. 부극 활물질은, 탄소재료, 및 실리콘 재료, 리튬원자를 포함하는 산화물, 납 화합물, 주석 화합물, 비소 화합물, 안티몬 화합물 및 알루미늄 화합물 등의 리튬과 합금화하는 재료 등이 예시된다. 탄소재료나 리튬과 합금화하는 재료는, 전지를 충전할 때의 부피팽창률이 크기 때문에, 본 발명의 효과를 현저하게 발휘시킬 수 있다.
상기 탄소재료는, 고결정성 카본인 그래파이트(흑연이라고도 하며, 천연 그래파이트, 인조 그래파이트 등이 예시된다), 저결정성 카본(소프트 카본, 하드 카본), 카본블랙(케첸블랙(Ketjen black), 아세틸렌 블랙, 채널블랙, 램프블랙, 오일퍼니스 블랙, 서멀블랙 등), 풀러렌, 카본나노튜브, 카본나노파이버, 카본나노혼(carbon nanohorn), 카본피브릴(carbon fibril), 메소카본 마이크로비즈(MCMB), 피치계 탄소섬유 등이 예시된다.
상기 실리콘 재료는, 실리콘, 실리콘옥사이드, 실리콘 합금 외에도, SiC, SiOxCy(0＜x≤3, 0＜y≤5), Si3N4, Si2N2O, SiOx(0＜x≤2)로 표기되는 실리콘옥사이드 복합체(예를 들면, 일본국 공개특허 특개2004-185810호 공보나 일본국 공개특허 특개2005-259697호 공보에 기재되어 있는 재료 등), 일본국 공개특허 특개2004-185810호 공보에 기재되어 있는 실리콘 재료 등이 예시된다. 또한 일본국 특허 제5390336호 공보, 일본국 특허 제5903761호 공보에 기재되어 있는 실리콘 재료를 사용하여도 좋다.
상기 실리콘옥사이드는, 조성식 SiOx(0＜x＜2, 바람직하게는 0.1≤x≤1)로 나타내는 실리콘옥사이드가 바람직하다.
상기 실리콘 합금은, 규소와, 티탄, 지르코늄, 니켈, 구리, 철 및 몰리브덴으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 전이금속과의 합금이 바람직하다. 이들 전이금속의 실리콘 합금은, 높은 전자전도도를 가지며 또한 높은 강도를 가지기 때문에 바람직하다. 실리콘 합금은, 규소-니켈 합금 또는 규소-티탄 합금이 더 바람직하고, 규소-티탄 합금이 특히 바람직하다. 실리콘 합금에 있어서의 규소의 함유비율은, 상기 실리콘 합금 중의 금속원소 100㏖％에 대하여 10㏖％ 이상인 것이 바람직하고, 20∼70㏖％인 것이 더 바람직하다. 또한 실리콘 재료는, 단결정, 다결정 및 비정질 중의 어느 것이어도 좋다.
또한 부극 활물질로서 실리콘 재료를 사용하는 경우에는, 실리콘 재료 이외의 부극 활물질을 병용하여도 좋다. 이러한 부극 활물질은, 상기의 탄소재료; 폴리아센 등의 도전성 고분자; AXBYOZ(A는 알칼리금속 또는 전이금속, B는 코발트, 니켈, 알루미늄, 주석, 망간 등의 전이금속에서 선택되는 적어도 1종, O는 산소원자를 나타내고, X, Y 및 Z는 각각 0.05＜X＜1.10, 0.85＜Y＜4.00, 1.5＜Z＜5.00 범위의 수이다)로 나타내는 복합 금속산화물이나 그 외의 금속산화물 등이 예시된다. 부극 활물질로서 실리콘 재료를 사용하는 경우에는, 리튬의 흡장 및 방출에 따른 부피변화가 작기 때문에, 탄소재료를 병용하는 것이 바람직하다.
상기 리튬원자를 포함하는 산화물은, 삼원계 니켈코발트망간산리튬, 리튬-망간 복합산화물(LiMn2O4 등), 리튬-니켈 복합산화물(LiNiO2 등), 리튬-코발트 복합산화물(LiCoO2 등), 리튬-철 복합산화물(LiFeO2 등), 리튬-니켈-망간 복합산화물(LiNi0.5Mn0.5O2 등), 리튬-니켈-코발트 복합산화물(LiNi0.8Co0.2O2 등), 리튬-전이금속 인산화합물(LiFePO4 등), 및 리튬-전이금속 황산화합물(LixFe2(SO4)3), 리튬-티탄 복합산화물(티탄산리튬 : Li4Ti5O12) 등의 리튬-전이금속 복합산화물, 및 그 외에 종래 공지의 부극 활물질 등이 예시된다.
부극 활물질의 형상은 특별히 제한되지 않고, 미립자상(微粒子狀), 박막상(薄膜狀) 등의 임의의 형상이어도 좋지만, 미립자상이 바람직하다. 부극 활물질의 평균입자지름은 특별히 제한되지 않지만, 그 상한 및 하한은, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 4, 3, 2.9, 2, 1, 0.5, 0.1㎛ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 균일하고 얇은 도포막을 형성한다는 관점, 더 구체적으로는 0.1㎛ 이상이면 핸들링성이 양호하고, 50㎛ 이하면 전극의 도포가 용이하다는 점에서, 부극 활물질의 평균입자지름은 0.1∼50㎛가 바람직하고, 0.1∼45㎛가 더 바람직하고, 1∼10㎛가 더욱 바람직하고, 5㎛가 특히 바람직하다.
본 개시에 있어서 「입자지름」은, 입자의 윤곽선 상의 임의의 2점 사이의 거리 중 최대거리를 의미한다(이하 동일). 또한 본 개시에 있어서 「평균입자지름」은, 특별한 언급이 없는 한 주사형 전자현미경(SEM)이나 투과형 전자현미경(TEM) 등의 관찰수단을 사용하여 수∼수십 시야(視野) 중에서 관찰되는 입자의 입자지름의 평균값으로서 산출되는 값을 채용하는 것으로 한다(이하 동일).
본 발명의 효과를 현저하게 발휘하기 위해서는, 탄소재료 및/또는 리튬과 합금화하는 재료를 부극 활물질 중에 바람직하게는 50질량％ 이상, 더 바람직하게는 80질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 90질량％ 이상, 특히 바람직하게는 100질량％ 포함한다.
하나의 실시형태에 있어서, 부극 활물질에 있어서의 탄소층으로 덮인 실리콘 또는 실리콘옥사이드의 함유량은, 리튬이온전지의 전지용량을 높인다는 관점에서, 부극 활물질 100질량％에 대하여 5질량％ 이상(예를 들면, 10질량％ 이상, 20질량％ 이상, 30질량％ 이상, 40질량％ 이상, 50질량％ 이상, 60질량％ 이상, 70질량％ 이상, 80질량％ 이상, 90질량％ 이상, 100질량％)이 바람직하다.
〈정극 활물질〉
정극 활물질은, 무기 정극 활물질, 유기 정극 활물질이 예시된다. 무기 정극 활물질은, 전이금속산화물, 리튬과 전이금속의 복합산화물, 전이금속황화물 등이 예시된다. 상기 전이금속은, Fe, Co, Ni, Mn, Al 등이 예시된다. 정극 활물질에 사용되는 무기화합물은, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4, LiNi1/2Mn3/2O4, LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2, Li[Li0.1Al0.1Mn1.8]O4, LiFeVO4 등의 리튬 함유 복합 금속산화물; TiS2, TiS3, 비정질 MoS2 등의 전이금속황화물; Cu2V2O3, 비정질 V2O-P2O5, MoO3, V2O5, V6O13 등의 전이금속산화물 등이 예시된다. 이들 화합물은, 부분적으로 원소치환한 것이어도 좋다. 유기 정극 활물질은, 폴리아세틸렌, 폴리-p-페닐렌 등의 도전성 중합체가 예시된다. 전기전도성이 부족한 철계 산화물은, 환원소성 시에 탄소원 물질을 존재시킴으로써 탄소재료로 덮인 전극 활물질로 하여 사용하여도 좋다. 또한 이들 화합물은, 부분적으로 원소치환한 것이어도 좋다. 이들 중에서도, 실용성, 전기특성, 긴 수명의 점에서 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4, LiNi1/2Mn3/2O4, LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2, Li[Li0.1Al0.1Mn1.8]O4가 바람직하다.
상기 슬러리 100질량％에 대한 전극 활물질(B-1)의 함유량의 상한 및 하한은, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 20∼65질량％가 바람직하다.
〈도전성 탄소재료(B-2) : (B-2)성분이라고도 한다〉
도전성 탄소재료는, 섬유상 탄소, 카본블랙 등이 예시된다. 도전성 탄소재료는, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다. 도전성 탄소재료는, 도전조제성 탄소재료로서 사용될 수 있다.
섬유상 탄소는, 기상성장탄소섬유(VGCF), 카본나노튜브(CNT), 카본나노파이버(CNF) 등이 예시된다.
카본블랙은, 흑연입자, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 퍼니스 블랙 등이 예시된다.
상기 슬러리 100질량％에 대한 도전성 탄소재료(B-2)의 함유량의 상한 및 하한은, 5, 4, 3, 2, 1, 0.9, 0.7, 0.5, 0.3, 0.1, 0.09, 0.07, 0.05, 0.03, 0.01질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0.01∼5질량％가 바람직하다.
상기 슬러리 100질량％에 대한 물의 함유량의 상한 및 하한은, 79, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 20∼79질량％가 바람직하다.
〈슬러리 점도조정 용매〉
하나의 실시형태에 있어서, 상기 슬러리는 슬러리 점도조정 용매를 포함할 수 있다. 슬러리 점도조정 용매는, 각종 공지의 것을 특별한 제한 없이 사용할 수 있고, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다. 상기 용매는, 에테르 용매, 케톤 용매, 알코올 용매, 아미드 용매, 물 등이 예시된다.
상기 슬러리 100질량％에 대한 슬러리 점도조정 용매의 함유량의 상한 및 하한은, 10, 9, 7, 5, 3, 2, 1, 0질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼10질량％가 바람직하다.
〈히드록시실릴 화합물〉
하나의 실시형태에 있어서, 상기 슬러리는 히드록시실릴 화합물을 포함할 수 있다. 본 개시에 있어서, 히드록시실릴 화합물은 규소원자에 히드록시기(-OH)가 직접 결합하고 있는 구조를 구비하는 화합물을 의미하고, 트리히드록시실릴 화합물은 트리히드록시실릴기(-Si(OH)3)를 구비하는 화합물을 의미하고, 테트라히드록시실릴 화합물은 Si(OH)4로 나타내는 화합물을 의미한다.
하나의 실시형태에 있어서, 트리히드록시실릴 화합물은 하기 일반식으로 나타내는 화합물이다.
RSi(OH)3
(식 중에서, R은 치환 또는 무치환의 알킬기, 비닐기 또는 (메타)아크릴옥시기를 나타내고, 상기 치환기는, 아미노기, 메르캅토기, 글리시독시기, (메타)아크릴옥시기, 에폭시기 등이 예시된다)
히드록시실릴 화합물은 실란 커플링제나 테트라알콕시실란을 가수분해하여 조제하는 것이 바람직하다. 히드록시실릴 화합물은 수용성을 잃지 않는 범위 내에서, 부분적으로 축합중합하고 있어도 상관없다. 실란 커플링제는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적으로 사용되고 있는 실란 커플링제를 사용할 수 있다.
실란 커플링제는, 특별히 제한되지 않는다. 실란 커플링제로부터 제조되는 히드록시실릴 화합물은, 단독으로 사용하여도 좋고 또는 2종 이상을 병용하여도 좋다. 하나의 실시형태에 있어서, 히드록시실릴 화합물은 트리히드록시실릴프로필아민을 포함한다.
트리알콕시실란은, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리메톡시실란, N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-트리에톡시실릴-N-(1,3-디메틸-부틸리덴)프로필아민, N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-메르캅토프로필트리메톡시실란, 3-이소시아네이트프로필트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리에톡시실란, 3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란, 테트라히드록시실란 등이 예시된다.
또한 테트라알콕시실란은, 테트라메톡시실란, 테트라메톡시실란 올리고머, 테트라에톡시실란, 테트라에톡시실란 올리고머 등이 예시된다.
상기 슬러리 100질량％에 대한 히드록시실릴 화합물의 함유량의 상한 및 하한은, 15, 13, 10, 9, 7, 5, 3, 2, 1, 0.9, 0.7, 0.5, 0.3, 0.1, 0.09, 0.07, 0.05, 0.04, 0.02, 0.01, 0질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼15질량％가 바람직하다.
〈가교제〉
하나의 실시형태에 있어서, 상기 슬러리는 가교제를 포함할 수 있다. 가교제는, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다.
가교제는, 수용성 다가 알코올, 포름알데히드, 글리옥살, 헥사메틸렌테트라민, 요소 포름알데히드 수지, 메틸올멜라민 수지, 카르보디이미드, 다관능 에폭시드, 옥사졸린, 다관능 히드라지드, 이소시아네이트, 멜라민, 요소 및 이들의 혼합물 등이 예시된다.
수용성 다가 알코올은, 수산기를 2개 이상 구비하는 알코올 중 수용성인 것이다.
수용성 다가 알코올은, 메틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 이소프렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 1,4-부틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 글리세린, 디글리세린, 폴리글리세린 등이 예시된다.
이들 중에서도 일반식(B1)으로 나타내는 수용성 다가 알코올, 특히 폴리에틸렌글리콜(n＝1∼6)이 바람직하다.
Figure pat00004
(식 중에서, R은 메틸렌기, 에틸렌기 또는 프로필렌기이고, n은 1 이상의 정수이다)
상기 슬러리 100질량％에 대한 가교제의 함유량의 상한 및 하한은, 20, 19, 17, 15, 13, 10, 9, 7, 5, 3, 2, 1, 0.9, 0.7, 0.5, 0.3, 0.1, 0.09, 0.05, 0.03, 0.01, 0.009, 0.005, 0.003, 0.001, 0질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼20질량％가 바람직하다.
〈증점제〉
하나의 실시형태에 있어서, 상기 슬러리는 증점제를 포함할 수 있다. 증점제는, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다.
증점제는, 카르복시메틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스 등의 셀룰로오스계 폴리머 및 이들의 암모늄염 그리고 알칼리 금속염; (변성) 폴리(메타)아크릴산 및 이들의 암모늄염 그리고 알칼리 금속염; (변성) 폴리비닐알코올, 아크릴산 또는 아크릴산염과 비닐알코올의 공중합체, 무수말레인산 또는 말레인산 아니면 푸마르산과 비닐알코올의 공중합체 등의 폴리비닐알코올류; 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 변성 폴리아크릴산, 산화 스타치(酸化 starch), 인산 스타치, 카제인, 각종 변성 전분, 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체 수소화물 등이 예시된다.
상기 슬러리 100질량％에 대한 증점제의 함유량의 상한 및 하한은, 20, 19, 17, 15, 13, 10, 9, 7, 5, 3, 2, 1, 0.9, 0.7, 0.5, 0.3, 0.1, 0.09, 0.05, 0.03, 0.01, 0.009, 0.005, 0.003, 0.001, 0질량％ 등이 예시된다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 함유량은 0∼20질량％가 바람직하다.
〈첨가제〉
상기 슬러리에는, 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제, 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1), 폴리머(A-2), 전극 활물질(B-1), 도전성 탄소재료(B-2), 물, 슬러리 점도조정 용매, 히드록시실릴 화합물, 가교제, 증점제 중의 어디에도 해당하지 않는 것을 첨가제로서 포함시킬 수 있다.
첨가제의 함유량은, 상기 슬러리 100질량％에 대하여 0∼5질량％, 1질량％ 미만, 0.1질량％ 미만, 0.01질량％ 미만, 0질량％ 등이 예시된다.
첨가제는, 상기 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제 이외의 분산제, 레벨링제, 산화방지제 등이 예시된다.
상기 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제 이외의 분산제는, 아니온성(anion性) 분산제, 카티온성(cation性) 분산제, 비이온성 분산제, 고분자 분산제 등이 예시된다.
레벨링제는, 알킬계 계면활성제, 실리콘계 계면활성제, 불소계 계면활성제, 금속계 계면활성제 등의 계면활성제 등이 예시된다. 계면활성제를 사용함으로써, 도포 시에 발생하는 크롤링(crawling)을 방지하여, 상기 슬러리의 층(코팅층)의 평활성(平滑性)을 향상시킬 수 있다.
산화방지제는, 페놀 화합물, 하이드로퀴논 화합물, 유기 인 화합물, 유황 화합물, 페닐렌디아민 화합물, 폴리머형 페놀 화합물 등이 예시된다. 폴리머형 페놀 화합물은, 분자 내에 페놀구조를 구비하는 중합체이다. 폴리머형 페놀 화합물의 중량평균분자량은 200∼1000이 바람직하고, 600∼700이 더 바람직하다.
상기 이외의 첨가제로서는, 불포화 카르복시산, 불포화 아미드 및 이들의 염으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 화합물 등이 예시된다.
상기 슬러리의 제조방법은, 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제, 폴리머(A-2), 전극 활물질(B-1), 도전성 탄소재료(B-2) 및 물을 혼합하는 방법이나, 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1), 폴리머(A-2), 전극 활물질(B-1), 도전성 탄소재료(B-2) 및 물을 혼합하는 방법이 예시된다. 또한 상기 방법에 있어서, 혼합의 순서는 특별히 한정되지 않는다.
슬러리의 혼합수단은, 볼밀(ball mill), 샌드밀(sand mill), 안료분산기, 모르타르기(mortar machine), 초음파분산기, 호모지나이저, 플래니터리 믹서(planetary mixer), 호바트 믹서(Hobart mixer) 등이 예시된다.
상기 리튬이온전지 전극용 슬러리는, 리튬이온전지 부극용 슬러리, 리튬이온전지 정극용 슬러리로서 사용될 수 있다.
[리튬이온전지용 전극]
본 개시는, 상기 리튬이온전지 전극용 슬러리를 집전체에 도포하여 건조, 경화시킴으로써 얻어지는 리튬이온전지용 전극을 제공한다. 상기 전극은, 집전체 상에 상기 리튬이온전지 전극용 슬러리의 경화물을 구비하는 것이다.
도포수단은 특별히 한정되지 않고, 콤마 코터, 그라비아 코터, 마이크로 그라비아 코터, 다이 코터, 바 코터 등 종래 공지의 코팅장치가 예시된다.
건조수단도 특별히 한정되지 않고, 온도는 바람직하게는 80∼200℃ 정도, 더 바람직하게는 90∼180℃ 정도이며, 분위기는 건조공기 또는 불활성 분위기면 좋다. 또한 전극 밀착성을 향상시킨다는 관점에서, 원적외선에 의한 건조수단을 사용할 수도 있다.
전극(경화 도포막)의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 5∼300㎛ 정도가 바람직하고, 10∼250㎛ 정도가 더 바람직하다. 상기 범위로 함으로써, 고밀도의 전류값에 대한 충분한 Li의 흡장·방출기능을 쉽게 얻을 수 있다.
집전체는, 각종 공지의 것을 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 집전체의 재질은 특별히 한정되지 않고, 구리, 철, 알루미늄, 니켈, 스테인리스강, 니켈도금강 등의 금속재료나, 카본클로스, 카본페이퍼 등의 탄소재료가 예시된다. 집전체의 형태도 특별히 한정되지 않고, 금속재료인 경우에 금속박, 금속원기둥, 금속코일, 금속판 등이 예시되고, 탄소재료인 경우에 탄소판, 탄소박막, 탄소원기둥 등이 예시된다. 그 중에서도 전극 활물질을 부극에 사용하는 경우에는, 집전체로서 동박이 현재 공업화 제품에 사용되고 있기 때문에 바람직하다.
상기 리튬이온전지용 전극은, 리튬이온전지용 부극, 리튬이온전지용 정극으로서 사용될 수 있다.
[리튬이온전지]
본 개시는, 상기 리튬이온전지용 전극을 포함하는 리튬이온전지를 제공한다. 하나의 실시형태에 있어서, 상기 전지에는 전해액, 세퍼레이터 및 정극 등이 포함된다. 이들은 특별히 한정되지 않는다.
전해액은, 비수계 용매에 지지 전해질을 용해시킨 비수계 전해액 등이 예시된다. 또한 상기 비수계 전해액에는, 피막형성제(被膜形成劑)를 포함시켜도 좋다.
비수계 용매는, 각종 공지의 것을 특별한 제한 없이 사용할 수 있고, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다. 비수계 용매는, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트 등의 쇄상(鎖狀) 카보네이트 용매; 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 부틸렌카보네이트 등의 환상(環狀) 카보네이트 용매; 1,2-디메톡시에탄 등의 쇄상 에테르 용매; 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 술포란, 1,3-디옥솔란 등의 환상 에테르 용매; 포름산메틸, 아세트산메틸, 프로피온산메틸 등의 쇄상 에스테르 용매; γ-부티로락톤, γ-발레로락톤 등의 환상 에스테르 용매; 아세토니트릴 등이 예시된다. 이들 중에서도, 환상 카보네이트와 쇄상 카보네이트를 포함하는 혼합용매의 조합이 바람직하다.
지지 전해질은 리튬염이 사용된다. 리튬염은 각종 공지의 것을 특별한 제한 없이 사용할 수 있고, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다. 지지 전해질은, LiPF6, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAlCl4, LiClO4, CF3SO3Li, C4F9SO3Li, CF3COOLi, (CF3CO)2NLi, (CF3SO2)2NLi, (C2F5SO2)NLi 등이 예시된다. 그 중에서도, 용매에 녹기 쉬워 높은 해리도(解離度)를 나타내는 LiPF6, LiClO4, CF3SO3Li가 바람직하다. 해리도가 높은 지지 전해질을 사용할수록 리튬이온 전도도가 높아지기 때문에, 지지 전해질의 종류에 따라 리튬이온 전도도를 조절할 수 있다.
피막형성제는, 각종 공지의 것을 특별한 제한 없이 사용할 수 있고, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다. 피막형성제는, 비닐렌카보네이트, 비닐에틸렌카보네이트, 비닐에틸카보네이트, 메틸페닐카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 디플루오로에틸렌카보네이트 등의 카보네이트 화합물; 에틸렌설파이드, 프로필렌설파이드 등의 알켄설파이드; 1,3-프로판술톤, 1,4-부탄술톤 등의 술톤 화합물; 말레인산무수물, 호박산무수물 등의 산무수물 등이 예시된다. 전해액에 있어서의 피막형성제의 함유량은 특별히 한정되지 않지만, 10질량％ 이하, 8질량％ 이하, 5질량％ 이하 및 2질량％ 이하의 순으로 바람직하다. 함유량을 10질량％ 이하로 함으로써, 피막형성제의 이점인 초기 불가역용량의 억제나 저온특성 및 레이트 특성의 향상 등을 쉽게 얻을 수 있다.
세퍼레이터는, 정극과 부극 사이에 삽입하는 물품으로서, 전극 사이의 단락(短絡)을 방지하기 위하여 사용된다. 구체적으로는, 다공막(多孔膜)이나 부직포 등의 다공성(多孔性)의 세퍼레이터를 바람직하게 사용할 수 있고, 거기에는 상기 비수계 전해액을 함침시켜 사용할 수 있다. 세퍼레이터의 재료는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀, 폴리에테르술폰 등을 사용할 수 있고, 바람직한 것은 폴리올레핀이다.
또한 부극으로서 상기 리튬이온전지 전극용 슬러리를 사용하여 제조한 부극, 정극으로서 상기 리튬이온전지 전극용 슬러리를 사용하지 않고 제조한 정극을 사용하여 리튬이온전지를 제조하는 경우에, 정극은 각종 공지의 것을 특별한 제한 없이 사용할 수 있다.
정극은, 각종 공지의 것을 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 정극은, 정극 활물질, 도전조제, 정극용 바인더를 유기용매와 혼합함으로써 슬러리를 조제하고, 조제한 슬러리를 정극 집전체에 도포, 건조, 프레스함으로써 얻어진 것 등이 예시된다.
정극용 바인더는, 각종 공지의 것을 특별한 제한 없이 사용할 수 있고, 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 병용하여도 좋다. 정극용 바인더는, 불소계 수지(폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌 등), 폴리올레핀(폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등), 불포화 결합을 구비하는 중합체(스티렌·부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 부타디엔 고무 등), 아크릴산계 중합체(아크릴산 공중합체, 메타크릴산 공중합체 등) 등이 예시된다.
정극 집전체는, 알루미늄박, 스테인리스강박 등이 예시된다.
상기 리튬이온전지의 형태는 특별히 제한되지 않는다. 리튬이온전지의 형태는, 시트전극 및 세퍼레이터를 스파이럴상으로 한 실린더 타입, 펠릿전극(pellet electrode) 및 세퍼레이터를 조합시킨 인사이드 아웃 구조의 실린더 타입, 펠릿전극 및 세퍼레이터를 적층한 코인 타입 등이 예시된다. 또한 이들 형태의 전지를 임의의 외장 케이스에 넣음으로써, 코인형, 원통형, 각형(角型) 등의 임의의 형상으로 하여 사용할 수 있다.
상기 리튬이온전지의 제조방법은 특별히 제한되지 않고, 전지의 구조에 따라 적절한 순서로 조립하면 좋다. 리튬이온전지의 제조방법은, 일본국 특허공개 특개2013-089437호 공보에 기재되어 있는 방법 등이 예시된다. 외장 케이스 상에 부극을 두고, 그 위에 전해액과 세퍼레이터를 설치하고, 거기에다 부극과 대향(對向)하도록 정극을 두고, 개스킷(gasket), 실링 플레이트(sealing plate)로 고정하여 전지를 제조할 수 있다.
(실시예)
이하에, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 다만 상기 바람직한 실시형태에 있어서의 설명 및 이하의 실시예는, 예시의 목적으로만 제공되며, 본 발명을 한정하는 목적으로 제공되는 것이 아니다. 따라서 본 발명의 범위는, 본 명세서에 구체적으로 기재되어 있는 실시형태로도 실시예로도 한정되지 않으며, 특허청구범위에 의해서만 한정된다. 또한 각 실시예 및 비교예에 있어서, 특별한 설명이 없는 한 부, ％ 등의 수치는 질량기준이다.
수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)의 제조
실시예1-1
교반기, 온도계, 환류 냉각관, 질소가스 유입관을 구비하는 반응장치에 이온교환수 387g을 넣고, 질소가스를 통하여 반응계 내의 산소를 제거한 후에, 80℃까지 승온(昇溫)시켰다.
50％ 아크릴아미드 수용액 300g(2.11㏖), 50％ 아크릴아미드t-부틸술폰산나트륨 수용액 581g(1.27㏖), 메탈릴술폰산나트륨 0.55g(0.0035㏖), 80％ 아크릴산 12.7g(0.14㏖), 이온교환수 8g, 이소프로필알코올 21g을 2L의 비커에 넣고, 30분간 교반하여 균일한 용액A를 얻었다.
300mL의 비커에 2,2′-아조비스-2-아미디노프로판 이염산염(닛포 가가쿠 가부시키가이샤(NIPPOH CHEMICALS CO., LTD.) 제품, 제품명 「NC-32」) 4.1g, 이온교환수 199g을 넣고, 30분간 교반하여 균일한 용액B를 얻었다.
반응장치에 용액A, 용액B를 3시간 동안 동시에 적하하여 중합반응을 시켰다. 그 후에, 중화제로서 48％ 수산화나트륨 수용액 5.8g(0.07㏖)을 넣어 교반하고, 고형분 농도가 30질량％가 되는 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)를 포함하는 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제를 얻었다. 이 분산제의 25℃에서의 B형 점도는 350mPa·s, pH는 5.2였다.
실시예1-1 이외의 실시예1은, 상기 실시예1-1에 있어서의 조성을 하기 표에 나타내는 것으로 변경한 것 외에는 실시예1-1과 동일하게 하여 실시하였다.
비교예1-1
교반기, 온도계, 환류 냉각관, 질소가스 유입관을 구비하는 반응장치에, 이온교환수 1310g, 50％ 아크릴아미드 수용액 80.0g(0.56㏖), 80％ 아크릴산 5.8g(0.06㏖), 50％ 아크릴아미드t-부틸술폰산나트륨 수용액 266.0g(0.58㏖), 아크릴산2-히드록시에틸 46.8g(0.40㏖), 메탈릴술폰산나트륨 0.25g(0.0016㏖)을 넣고, 질소가스를 통하여 반응계 내의 산소를 제거한 후에, 50℃까지 승온시켰다. 거기에 2,2′-아조비스-2-아미디노프로판 이염산염(닛포 가가쿠 가부시키가이샤 제품, 제품명 「NC-32」) 2.0g, 이온교환수 20g을 투입하고, 80℃까지 승온시켜 3시간 반응시켰다. 고형분 농도가 13질량％가 되는 수용성 폴리(메타)아크릴아미드를 함유하는 분산제를 얻었다. 이 분산제의 25℃에서의 B형 점도는 730mPa·s, pH는 5.1이었다.
상기 비교예1-1 이외의 비교예1은, 조성을 하기 표에 나타내는 것으로 변경한 것 외에는 실시예1-1과 동일하게 하여 실시하였다.
Figure pat00005
·AM : 아크릴아미드(미쓰비시 케미컬 가부시키가이샤(Mitsubishi Chemical Corporation) 제품, 「50％ 아크릴아미드」)
·DMAA : N,N-디메틸아크릴아미드(케이제이 케미컬즈 가부시키가이샤(KJ Chemicals Corporation) 제품, 「DMAA」)
·ATBSNa : 아크릴아미드t-부틸술폰산나트륨(토아고세이 가부시키가이샤(TOAGOSEI CO., LTD.) 제품, 「ATBS-Na」)
·SMAS : 메탈릴술폰산나트륨
·HEA : 아크릴산2-히드록시에틸(오사카 유키 가가쿠 고교 가부시키가이샤(OSAKA ORGANIC CHEMICAL INDUSTRY LTD.) 제품, 「HEA」)
·HEMA : 메타크릴산2-히드록시에틸
·AN : 아크릴로니트릴(미쓰비시 케미컬 가부시키가이샤 제품, 「아크릴로니트릴」)
·AA : 아크릴산(오사카 유키 가가쿠 고교 가부시키가이샤 제품, 「80％ 아크릴산」)
·NaOH : 수산화나트륨(간토 가가쿠 가부시키가이샤(KANTO CHEMICAL CO., INC.) 제품, 「48％ 수산화나트륨 용액」)
〈B형 점도〉
각 분산제의 점도는, B형 점도계(도키 산교 가부시키가이샤 제품, 제품명 「B형 점도계 TVB-10M」)를 사용하여, 25℃에서 이하의 조건으로 측정하였다.
점도 500mPa·s 미만인 경우 : No.2 로터 사용, 회전수 60rpm
점도 500∼1,000mPa·s 미만인 경우 : No.3 로터 사용, 회전수 30rpm
점도 1,000∼10,000mPa·s 미만인 경우 : No.3 로터 사용, 회전수 12rpm
점도 10,000mPa·s 이상인 경우 : No.3 로터 사용, 회전수 6rpm
〈중량평균분자량〉
중량평균분자량은, 겔 투과 크로마토그래피(GPC)에 의하여 0.2M 인산 완충액/아세토니트릴 용액(90/10, pH8.0)하에서 측정한 폴리아크릴산 환산값으로서 구하였다. GPC 장치는 HLC-8220(토소 가부시키가이샤(Tosoh Corporation) 제품)을, 칼럼은 SB-806M-HQ(SHODEX 제품)를 사용하였다.
〈pH〉
각 분산제의 pH는, 글라스전극 pH 미터(제품명 「핸디 pH 미터 D-52」, 가부시키가이샤 호리바 세이사쿠쇼 제품)를 사용하여, 25℃에서 측정하였다.
(A-2)성분의 제조
제조예1
교반기, 온도계, 환류 냉각관, 질소가스 유입관을 구비하는 반응장치에, 이온교환수 1007g, 50％ 아크릴아미드 수용액 100g(0.70㏖), 80％ 아크릴산 63.8g(0.70㏖), 아크릴산2-히드록시에틸 69.8g(0.60㏖), 메탈릴술폰산나트륨 0.32g(0.0020㏖)을 넣고, 질소가스를 통하여 반응계 내의 산소를 제거한 후에, 55℃까지 승온시켰다. 거기에 2,2′-아조비스-2-아미디노프로판 이염산염(닛포 가가쿠 가부시키가이샤 제품, 제품명 「NC-32」) 1.6g, 이온교환수 16g을 투입하고, 80℃까지 승온시켜 3시간 반응시켰다. 그 후에, 중화제로서 48％ 수산화나트륨 수용액 52.7g(0.63㏖)을 넣어 교반하고, 고형분 농도가 13％가 되도록 이온교환수를 넣어, 수용성 폴리(메타)아크릴아미드를 함유하는 수용액을 얻었다. 이 수용액의 25℃에서의 B형 점도는 3000mPa·s, pH는 6.0이었다.
제조예1 이외의 제조예는, 제조예1에 있어서의 조성을 하기 표에 나타내는 것으로 변경한 것 외에는 제조예1과 동일하게 하여 실시하였다.
Figure pat00006
※ 중화제의 양은, (A-2)성분에 포함되는 산성기(카르복시기) 100㏖％에 대한 값이다.
도전성 탄소재료 페이스트의 평가, 수지의 팽윤율 및 내전해액성의 평가
실시예2-1
시판되는 자전공전믹서(planetary mixer)(제품명 「아와토리 렌타로」, 가부시키가이샤 싱키(THINKY CORPORATION) 제품)를 사용하고, 당해 믹서 전용의 용기에, 실시예1-1에서 얻은 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)를 고형분 환산으로 40질량부, 도전성 탄소재료(이머리스 지시 재팬 가부시키가이샤(Imerys Graphite & Carbon) 제품, 「Super C65」) 60질량부를 투입하였다. 거기에 이온교환수를 고형분 농도 13.5％가 되도록 가하고, 당해 용기를 상기 자전공전믹서에 세팅하였다. 다음에 2000rpm으로 10분간 혼련(混練)한 후에, 도전성 탄소재료 페이스트를 얻었다.
실시예2-1 이외의 실시예2 및 비교예는, 상기 실시예2-1에 있어서의 조성을 하기 표에 나타내는 것으로 변경한 것 외에는 실시예2-1과 동일하게 하여, 도전성 탄소재료 페이스트를 조제하였다.
〈도전성 탄소재료 페이스트의 초기 분산 시험〉
시판되는 레이저 회절·산란식 입자지름분포 측정장치(제품명 「LA-960」, 가부시키가이샤 호리바 세이사쿠쇼 제품)를 사용하여, 실시예2-1에서 얻은 도전성 탄소재료 페이스트의 메디안 지름(D50)을 측정하였다. 측정한 메디안 지름의 값이 클수록, 도전조제의 초기 분산성이 나빠 응집되어 있다는 것을 나타낸다. 메디안 지름의 값이 작을수록, 도전조제의 초기 분산성이 양호하다는 것을 나타낸다. 메디안 지름(D50)의 수치를 하기 평가기준으로 평가하였다.
A : 3.0㎛ 미만
B : 3.0㎛ 이상
〈도전성 탄소재료 페이스트의 분산 안전성 시험〉
실시예2-1에서 얻은 도전성 탄소재료 페이스트를 실온에서 24시간 정치(靜置)시킨 후에, 메디안 지름(D50)을 측정하였다. 측정한 메디안 지름의 값의 변화가 클수록, 도전조제의 분산 안전성이 나빠 응집되어 있다는 것을 나타낸다. 메디안 지름의 값의 변화가 작을수록, 도전조제의 분산 안정성이 양호하다는 것을 나타낸다. 메디안 지름(D50)의 변화율을 다음 식으로 계산하고, 하기 평가기준으로 평가하였다.
변화율(％)＝[{(24시간 후의 도전성 탄소재료 페이스트의 D50)－(초기 분산 시험 후의 도전성 탄소재료 페이스트의 D50)}/(초기 분산 시험 후의 도전성 탄소재료 페이스트의 D50)]×100
A : ±20％ 미만
B : ±20％ 이상
〈수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)의 전해액 팽윤율의 평가, 내전해액성의 평가〉
실시예1-1에서 얻은 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)를 샬레에 부어 넣고, 순환풍건조기 105℃, 3시간 조건으로 건조시킴으로써, 고형수지를 제작하였다. 그리고 얻어진 고형수지의 질량α를 측정하였다. 다음에 얻어진 고형수지를 디메틸카보네이트 50mL의 용매 중에 침지(浸漬)시켜, 25℃의 환경하에서 48시간 보관하였다. 그 후에 침지시켜 보관한 고형수지를 디메틸카보네이트 용매 중에서 꺼내어, 고형수지의 표면에 부착된 디메틸카보네이트를 충분히 닦아 낸 후의 질량β를 측정하였다. 그리고 닦아 낸 후의 고형수지를 순환풍건조기 105℃, 1시간 조건으로 건조시킨 후의 질량γ를 측정하였다.
측정한 질량β, γ를 사용하여 폴리머의 전해액 팽윤율＝(β/γ)×100(％)을 산출하였다. 전해액 팽윤율이 낮을수록(100％에 가까울수록) 폴리머의 전해액 팽윤성이 낮다는 것을 나타낸다.
A : 전해액 팽윤율이 110％ 미만
B : 전해액 팽윤율이 110％ 이상 120％ 미만
C : 전해액 팽윤율이 120％ 이상
마찬가지로, 측정한 질량α, γ를 사용하여 폴리머의 내전해액율＝(γ/α)×100(％)을 산출하였다. 내전해액율이 낮을수록(100％에 가까울수록) 폴리머의 전해액에 대한 용해율이 낮다는 것을 나타낸다.
A : 내전해액율이 95％ 이상
B : 내전해액율이 95％ 미만
Figure pat00007
CMC : 카르복시메틸셀룰로오스
PVP : 폴리비닐피롤리돈
리튬이온전지 전극용 슬러리의 제조 및 셀 제작과 평가
〈리튬이온전지 전극용 슬러리의 제조〉
실시예3-1
시판되는 호모 디스퍼(프라이믹스 가부시키가이샤(PRIMIX Corporation) 제품, 「호모 디스퍼 2.5형(HOMOGENIZING DISPER Model 2.5)」)를 사용하여 슬러리를 작성하였다. 용기로 사용하는 마요네즈병에 있어서, 실시예1-1에서 얻은 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)를 고형분 환산으로 0.5질량부, 제조예1에서 얻은 바인더(A-2)를 고형분 환산으로 4.5질량부, D50(메디안 지름)이 20㎛인 흑연 80질량부, D50(메디안 지름)이 5㎛인 일산화규소 입자(「CC 분말」, 가부시키가이샤 오사카 티타늄 테크놀로지스(OSAKA Titanium technologies Co., Ltd.) 제품) 20질량부, 도전성 탄소재료(이머리스 지시 재팬 가부시키가이샤 제품, 「Super C65」) 1질량부를 혼합하였다. 거기에 이온교환수를 고형분 농도 47％가 되도록 가하고, 당해 용기를 상기 호모 디스퍼에 세팅하였다. 계속하여 2000rpm으로 30분간 혼련하였다. 그 후에 자전공전믹서(가부시키가이샤 싱키 제품, 「아와토리 렌타로」)를 사용하여 1분간 탈포(脫泡)를 하여, 리튬이온전지 전극용 슬러리를 얻었다.
실시예3-1 이외의 실시예3 및 비교예는, 상기 실시예3-1에 있어서의 조성을 하기 표에 나타내는 것으로 변경한 것 외에는 실시예3-1과 동일하게 하여 실시하였다.
실시예4-1
시판되는 호모 디스퍼(프라이믹스 가부시키가이샤 제품, 「호모 디스퍼 2.5형」)를 사용하여 슬러리를 작성하였다. 용기로 사용하는 마요네즈병에 있어서, 실시예1-2에서 얻은 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)를 고형분 환산으로 0.5질량부, 제조예3에서 얻은 바인더(A-2)를 고형분 환산으로 4.5질량부, 전극 활물질(B-1)로서 니켈망간산리튬(Li[Ni1/2Mn3/2]O4, 메디안 지름(D50) : 3.7㎛) 100질량부, 도전성 탄소재료(이머리스 지시 재팬 가부시키가이샤 제품, 「Super C65」) 1질량부를 혼합하였다. 거기에 이온교환수를 고형분 농도 50％가 되도록 가하고, 당해 용기를 상기 호모 디스퍼에 세팅하였다. 계속하여 2000rpm으로 30분간 혼련하였다. 그 후에 자전공전믹서(가부시키가이샤 싱키 제품, 「아와토리 렌타로」)를 사용하여 1분간 탈포를 하여, 리튬이온전지 전극용 슬러리를 얻었다.
비교예4-1은, 상기 실시예4-1에 있어서의 조성을 표4에 나타내는 것으로 변경한 것 외에는 실시예4-1과 동일하게 하여, 슬러리를 조제하였다.
〈리튬이온전지 전극용 슬러리의 저장 안정성 시험〉
리튬이온전지 전극용 슬러리의 저장 안정성을 하기와 같이 평가하였다.
리튬이온전지 전극용 슬러리의 점도(단위 : mPa·s)를 B형 점도계로 측정한 후에, 40℃로 가온(加溫)한 오븐에 3일간 저장하였다. 저장 후에 B형 점도계로 다시 점도를 측정하고, 점도변화를 다음 식으로 계산하여, 하기 평가기준으로 평가하였다.
점도변화(％)＝{(저장 후의 전극 슬러리의 점도)/(저장 전의 전극 슬러리의 점도)}×100
A : 110％ 미만
B : 110％ 이상 120％ 미만
C : 120％ 이상
〈부극의 제조〉
동박으로 이루어지는 집전체의 표면에, 상기 슬러리를 건조 후의 막두께가 170㎛가 되도록 닥터 블레이드법에 의하여 균일하게 도포하고, 150℃에서 30분간 건조시킨 후에, 150℃/진공에서 120분간 가열처리하였다. 그 후에 막(전극 활물질층)의 밀도가 1.5g/㎤가 되도록 롤 프레스기로 프레스 가공을 함으로써, 전극을 얻었다.
〈정극의 제조〉
알루미늄박으로 이루어지는 집전체의 표면에, 상기 슬러리를 건조 후의 막두께가 110㎛가 되도록 닥터 블레이드법에 의하여 균일하게 도포하고, 150℃에서 30분간 건조시킨 후에, 150℃/진공에서 120분간 가열처리하였다. 그 후에 막(전극 활물질층)의 밀도가 3.0g/㎤가 되도록 롤 프레스기로 프레스 가공을 함으로써, 전극을 얻었다.
〈전극 밀착성 평가〉
전극 밀착성을 하기와 같이 평가하였다.
전극으로부터 폭 2㎝×길이 10㎝의 시험편을 잘라 내고, 코팅면을 위로 하여 고정시켰다. 다음에 당해 시험편의 활물질층 표면에 폭 15㎜의 점착 테이프(「셀로테이프(등록상표)」, 니치반 가부시키가이샤(Nichiban Co., Ltd.) 제품)(JIS Z1522에 규정)를 가압하면서 붙인 후에, 25℃의 조건하에서 인장시험기(가부시키가이샤 에이앤드디(A&D Company, Limited) 제품, 「텐실론 RTM-100」)를 사용하여, 시험편의 일단(一端)에서 당해 점착 테이프를 30㎜/분의 속도로 180° 방향으로 잡아떼었을 때의 응력을 측정하였다. 측정은 2회로 하고, 그 평균값을 필강도(peel strength)로서 산출하였다. 필강도가 클수록 집전체와 활물질층의 밀착강도 또는 활물질 상호간의 결착성이 높아, 집전체로부터 활물질층 또는 활물질 상호간이 박리되기 어렵다는 것을 나타낸다.
〈리튬 하프셀의 조립〉
아르곤 치환된 글러브박스(glove box) 내에 있어서, 상기 전극을 지름 16㎜로 펀칭하여 성형한 것을, 시험셀(유겐가이샤 재팬 톰셀 제품)의 Al제 하측 뚜껑 상의 패킹의 내측에 재치하였다. 다음에 지름 24㎜로 펀칭한 폴리프로필렌제의 다공막으로 이루어지는 세퍼레이터(주식회사 씨에스텍(CS TECH CO., LTD) 제품, 상품명 「Selion P2010」)를 재치하고, 공기가 들어가지 않도록 전해액을 500μL 주입한 후에, 시판되는 금속리튬박을 16㎜로 펀칭하여 성형한 것을 더 재치하고, 상기 시험셀의 외장보디를 나사로 조여 밀봉함으로써, 리튬 하프셀을 조립하였다. 여기에서 사용한 전해액은, 에틸렌카보네이트/에틸메틸카보네이트＝1/1(질량비)의 용매에 LiPF6을 1㏖/L의 농도로 용해시킨 용액이다.
〈충방전 측정〉
리튬 하프셀을 25℃의 항온조에 넣고, 정전류(0.1C)로 충전을 시작하여, 전압이 0.01V가 된 시점을 충전완료(컷오프)로 하였다. 다음에 정전류(0.1C)로 방전을 시작하여, 전압이 1.0V가 된 시점을 방전완료(컷오프)로 하는 충방전을 30회 반복하였다.
또한 상기 측정조건에 있어서 「1C」은, 어느 일정한 전기용량을 가지는 셀을 정전류 방전하여 1시간으로 방전종료가 되는 전류값을 나타낸다. 예를 들면 「0.1C」은 10시간 걸려 방전종료가 되는 전류값을 말하며, 「10C」은 0.1시간 걸려 방전완료가 되는 전류값을 말한다.
〈방전용량 유지율〉
방전용량 유지율은 이하의 식으로 구하였다.
방전용량 유지율＝{(30사이클째의 방전용량)/(1사이클째의 방전용량)}×100(％)
〈헤이즈(HAZE)〉
실시예3, 4, 비교예3, 4의 수용액을 평탄한 글라스판 상에 도포하고, 80℃의 순환풍건조기 내에서 두께가 5∼30㎛가 되도록 필름을 제작하였다. 제작한 필름의 헤이즈를 탁도계 「NDH-2000(닛폰 덴쇼쿠 고교 가부시키가이샤 제품)」에 의하여 측정하였다.
측정한 결과, 실시예3-3, 3-8, 3-9의 헤이즈는 각각 3, 6, 26이었다. 한편 상기 이외의 실시예3, 4의 헤이즈는 1 이하였다.
Figure pat00008
SBR : 스티렌-부타디엔계 공중합체 라텍스
CMC : 카르복시메틸셀룰로오스

Claims (6)

  1. (메타)아크릴아미드기 함유 화합물(a)에서 유래하는 구성단위를 2∼60㏖％, 및 불포화 술폰산 또는 그 염(b)에서 유래하는 구성단위를 10∼70㏖％ 포함하고,
    중량평균분자량이 1만∼30만인
    수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)를 포함하는
    리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-1)가,
    (메타)아크릴산에스테르(c)에서 유래하는 구성단위를 20∼70㏖％ 포함하는 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제.
  3. 제1항 또는 제2항의 리튬이온전지용 도전성 탄소재료 분산제,
    폴리머(A-2),
    전극 활물질(電極 活物質)(B-1),
    도전성 탄소재료(B-2), 및
    물을 포함하는
    리튬이온전지 전극용 슬러리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 폴리머(A-2)가,
    (메타)아크릴아미드기 함유 화합물(a)에서 유래하는 구성단위를 포함하는 수용성 폴리(메타)아크릴아미드(A-2A)인 리튬이온전지 전극용 슬러리.
  5. 제3항 또는 제4항의 리튬이온전지 전극용 슬러리를 집전체(集電體)에 도포하고 건조시킴으로써 얻어지는 리튬이온전지용 전극.
  6. 제5항의 리튬이온전지용 전극을 포함하는 리튬이온전지.
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