WO2013011936A1 - 電気化学素子電極用複合粒子、電気化学素子電極材料、及び電気化学素子電極 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to composite particles for electrochemical element electrodes, electrochemical element electrode materials, and electrochemical element electrodes.
- Electrochemical elements such as lithium ion secondary batteries that are small and lightweight, have high energy density, and can be repeatedly charged and discharged are rapidly expanding their demands by taking advantage of their characteristics.
- Lithium ion secondary batteries are used in fields such as mobile phones, notebook personal computers, and electric vehicles because of their relatively high energy density.
- electrochemical elements are required to be further improved in accordance with expansion and development of applications, such as lowering resistance, increasing capacity, improving mechanical properties and productivity. Under such circumstances, there has been a demand for a more productive manufacturing method for electrochemical element electrodes, and various improvements have been made regarding a manufacturing method capable of high-speed molding and a material for electrochemical element electrodes suitable for the manufacturing method. It has been broken.
- Electrochemical element electrodes are usually formed by laminating an electrode active material layer formed on a current collector by binding an electrode active material and a conductive material used as necessary with a binder. It is.
- Patent Documents 1 and 2 obtain a particulate electrode material by spray drying a slurry containing an electrode active material, rubber particles, and a dispersion medium. Disclosed is a method of forming an electrode active material layer using an electrode material.
- active materials for positive electrodes are being developed for higher performance of lithium ion secondary batteries, and active materials for positive electrodes containing transition metals such as nickel are attracting attention for higher capacity. ing.
- Such a high-capacity positive electrode active material exhibits strong basicity because lithium carbonate used in the production of the active material remains in the active material.
- the present invention provides a composite particle for an electrochemical element electrode that has high fluidity, exhibits high adhesion to a current collector, has low internal resistance, and can provide an electrochemical element electrode excellent in high-temperature storage characteristics.
- the purpose is to provide.
- Another object of the present invention is to provide an electrochemical element electrode material and an electrochemical element electrode obtained by using such composite particles for electrochemical element electrodes.
- a composite particle containing an electrode active material, a water-insoluble particulate polymer, and a water-soluble polymer having a sulfonic acid group is a current collector. It has been found that when it has high adhesion to an electrode and has an electrode, the internal resistance is low and it can be excellent in high-temperature storage characteristics, and the present invention has been completed.
- a composite particle for an electrochemical element electrode comprising an electrode active material, a water-insoluble particulate polymer, and a water-soluble polymer having a sulfonic acid group.
- the water-soluble polymer preferably further contains a carboxyl group-containing monomer unit.
- the electrode active material can be configured to be a positive electrode active material containing nickel.
- the electrode active material can be configured to be a scaly electrode active material.
- the water-soluble polymer is a water-soluble polymer having a sulfonic acid group-containing monomer unit, and the sulfonic acid group-containing monomer in the water-soluble polymer.
- the unit content is preferably 2 to 15% by weight.
- the content ratio of the carboxyl group-containing monomer unit in the water-soluble polymer is preferably 20 to 60% by weight.
- the water-soluble polymer further contains a (meth) acrylic acid ester monomer unit.
- an electrochemical element electrode material comprising any one of the above-described composite particles for an electrochemical element electrode.
- an electrochemical element electrode characterized in that an electrode active material layer formed from the above electrochemical element electrode material is laminated on a current collector.
- the electrochemical element electrode of the present invention is preferably formed by laminating the electrode active material layer on the current collector by pressure molding, and is laminated by roll pressure molding. Is more preferable.
- a method for producing any one of the above composite particles for an electrochemical element electrode wherein the electrode active material, the water-insoluble particulate polymer, and the water-soluble polymer are submerged in water.
- a method for producing composite particles for an electrochemical element electrode comprising: a step of dispersing to obtain a slurry; and a step of spray-drying the slurry to granulate.
- electrochemical element electrode composite particles that exhibit high adhesion to a current collector and that can provide an electrochemical element electrode with low internal resistance and excellent high-temperature storage characteristics, and An electrochemical element electrode material obtained by using such composite particles for an electrochemical element electrode and an electrochemical element electrode can be provided.
- the composite particle for an electrochemical element electrode of the present invention is characterized by containing an electrode active material, a water-insoluble particulate polymer, and a water-soluble polymer having a sulfonic acid group.
- Electrode active material Although it does not specifically limit as an electrode active material used by this invention, the compound containing a transition metal, specifically, the oxide containing a transition metal, or lithium and a transition A composite oxide with a metal can be used. Examples of such transition metals include cobalt, manganese, nickel, iron, etc.
- a compound containing nickel, particularly an oxide containing nickel, lithium and nickel are used.
- a complex oxide or the like can be used.
- composite oxides containing lithium and nickel are preferable, which are higher than lithium cobaltate (LiCoO 2 ) that has been conventionally used as a positive electrode active material for lithium-based secondary batteries.
- Examples of the composite oxide containing lithium and nickel include those represented by the following general formula. LiNi 1-x-y Co x M y O 2 (However, 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, x + y ⁇ 1, M is at least one element selected from B, Mn, and Al)
- the electrode active material for the negative electrode examples include carbonaceous materials such as amorphous carbon, graphite, natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads, and pitch-based carbon fibers; conductive polymers such as polyacene; silicon and tin Metals such as zinc, manganese, iron, nickel and alloys thereof; oxides and sulfates of the metals or alloys; lithium transition metal nitrides; silicon; SiOC, TiOC, AlOC, Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO Ceramics such as 2 can be used.
- carbonaceous materials such as amorphous carbon, graphite, natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads, and pitch-based carbon fibers
- conductive polymers such as polyacene
- silicon and tin Metals such as zinc, manganese, iron, nickel and alloys thereof; oxides and sulfates of the metals or alloys
- lithium transition metal nitrides
- graphite-based materials such as graphite, natural graphite, artificial graphite, and mesocarbon microbeads are preferable because the balance between the capacity and the cycle characteristics is good, and the capacity can be increased. It is particularly preferable to use a graphite material in combination with SiOC.
- a scaly electrode active material may be used as the electrode active material.
- the scaly electrode active material is not particularly limited as long as the shape thereof is scaly.
- the major axis L1 has a length of 0.1 to 20 ⁇ m, preferably 0.5 to 10 ⁇ m, and a minor axis.
- the ratio of the length L2 to the thickness t (L2 / t) is 10 or more, preferably 15 or more.
- the ratio (L1 / L2) of the length of the major axis L1 to the length of the minor axis L2 is not particularly limited, but is preferably 1 to 5, and more preferably 1 to 2.
- the long diameter L1 is, for example, the length of the longest diameter on the main surface of the electrode active material
- the short diameter L2 is, for example, the length of the shortest diameter on the main surface of the electrode active material.
- the thickness t is, for example, the length in the direction orthogonal to the main surface of the electrode active material, and these can be measured, for example, by observing the electrode active material with an electron microscope.
- the fluidity of the composite particles for electrochemical device electrodes can be increased by the action of the scaly active material, thereby improving the moldability. Can be improved.
- the scaly electrode active material used in the present invention include, for example, scaly graphite, scaly lithium titanate, scaly titanium silicon alloy, scaly silicon carbide, etc.
- scaly graphite is preferable because the internal resistance of the obtained electrochemical element electrode can be lowered.
- the composite particles for electrochemical element electrodes of the present invention are composite particles for negative electrodes (for example, composite particles for negative electrodes of lithium ion secondary batteries, or lithium ions).
- the composite particles for the negative electrode of the capacitor can be suitably used.
- the water-insoluble particulate polymer used in the present invention is not particularly limited as long as it is water-insoluble and has a particle shape.
- the water-insoluble particulate polymer may be present in a state in which the particle state is maintained, that is, in a state in which the particle state is maintained on the electrode active material, in the composite particle for an electrochemical element electrode of the present invention.
- the presence of the particle state in the composite particle for an electrochemical element electrode makes it possible to bind the electrode active materials satisfactorily without inhibiting electronic conduction.
- the “state in which the particle state is maintained” does not have to be a state in which the particle shape is completely maintained, and may be in a state in which the particle shape is maintained to some extent. As a result of binding, the electrode active materials may be crushed to some extent by each other.
- water-insoluble particulate polymer examples include a polymer obtained by emulsion polymerization using water as a dispersion medium.
- the water-insoluble particulate polymer is dispersed Used in a state dispersed in water as a medium.
- Specific examples of such polymers include fluorine-based polymers, diene-based polymers, acrylate-based polymers, silicon-based polymers, among these, diene-based polymers and acrylate-based polymers. Preferably used.
- the diene polymer is a polymer containing a structural unit obtained by polymerizing a conjugated diene monomer (hereinafter sometimes referred to as “conjugated diene monomer unit”). Examples include a homopolymer of a diene monomer and a copolymer obtained by polymerizing a monomer mixture containing a conjugated diene monomer.
- conjugated diene monomer unit a polymer containing a conjugated diene monomer unit, an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer unit, and other monomer units copolymerizable therewith can be mentioned.
- the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer unit refers to a structural unit obtained by polymerizing an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer, and other monomer units copolymerizable with these are: A structural unit obtained by polymerizing other monomers copolymerizable with these.
- conjugated diene monomer forming the conjugated diene monomer unit examples include 1,3-butadiene, 2-methyl-1,3-butadiene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 1,3, and the like. -Pentadiene, 2-chloro-1,3-butadiene, substituted linear conjugated pentadienes, substituted and side chain conjugated hexadienes, and the like. These conjugated diene monomers can be used alone or in combination of two or more. Of these, 1,3-butadiene is preferred.
- the content ratio of the conjugated diene monomer unit in the diene polymer is preferably 20 to 60% by weight, more preferably 30 to 55% by weight.
- Examples of the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer that forms the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer unit include monocarboxylic acids such as acrylic acid, methacrylic acid, crotonic acid, maleic acid, fumaric acid, and itaconic acid, and dicarboxylic acids. Or the anhydride of dicarboxylic acid etc. are mentioned. These ethylenically unsaturated carboxylic acid monomers can be used alone or in combination of two or more. Among these, methacrylic acid and itaconic acid are preferable, and methacrylic acid is more preferable.
- the content of the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer unit in the diene polymer is preferably 0.5 to 10% by weight, more preferably 1 to 8% by weight, still more preferably 2 to 7% by weight. It is.
- Other monomers that form other copolymerizable monomer units include aromatic vinyl monomers, vinyl cyanide monomers, unsaturated carboxylic acid alkyl ester monomers, and hydroxyalkyl groups. And unsaturated monomers containing carboxylic acid amide monomers. These other monomers can be used alone or in combination of two or more. Among these, aromatic vinyl monomers and vinyl cyanide monomers are preferable, and aromatic vinyl monomers are more preferable.
- Examples of the aromatic vinyl monomer include styrene, ⁇ -methylstyrene, ⁇ -methylstyrene, vinyltoluene and the like.
- Examples of the vinyl cyanide monomer include acrylonitrile, methacrylonitrile, ⁇ -chloroacrylonitrile, ⁇ -ethylacrylonitrile and the like.
- unsaturated carboxylic acid alkyl ester monomers include methyl acrylate, methyl methacrylate, ethyl acrylate, ethyl methacrylate, butyl acrylate, glycidyl methacrylate, dimethyl fumarate, diethyl fumarate, dimethyl maleate, diethyl maleate, and dimethyl itaco. Nate, monomethyl fumarate, monoethyl fumarate, 2-ethylhexyl acrylate and the like.
- Examples of the unsaturated monomer containing a hydroxyalkyl group include ⁇ -hydroxyethyl acrylate, ⁇ -hydroxyethyl methacrylate, hydroxypropyl acrylate, hydroxypropyl methacrylate, hydroxybutyl acrylate, hydroxybutyl methacrylate, 3-chloro-2- Examples thereof include hydroxypropyl methacrylate, di- (ethylene glycol) maleate, di- (ethylene glycol) itaconate, 2-hydroxyethyl maleate, bis (2-hydroxyethyl) maleate, and 2-hydroxyethyl methyl fumarate.
- Examples of the unsaturated carboxylic acid amide monomer include acrylamide, methacrylamide, N-methylol acrylamide, N-methylol methacrylamide, N, N-dimethylacrylamide and the like.
- the content of other copolymerizable monomer units in the diene polymer is preferably 30 to 79.5% by weight, more preferably 35 to 69% by weight.
- the acrylate polymer is a polymer containing a structural unit obtained by polymerizing a (meth) acrylic acid ester monomer (hereinafter sometimes referred to as “(meth) acrylic acid ester monomer unit”). Specifically, (meth) acrylic acid ester monomer [meaning acrylic acid ester and / or methacrylic acid ester. The same applies hereinafter. ] Or a copolymer obtained by polymerizing a monomer mixture containing these.
- the (meth) acrylate monomer examples include methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, propyl (meth) acrylate, isopropyl (meth) acrylate, and n- (meth) acrylate.
- Acrylic acid ester 2- (meth) acryloyloxyethylphthalic acid, carboxylic acid-containing (meth) acrylic acid ester such as 2- (meth) acryloyloxyethylphthalic acid; (meth) acrylic acid perfluorooctylethyl, etc. Fluorine group-containing (meth) acrylic acid ester; Phosphoric acid group-containing (meth) acrylic acid ester such as ethyl acrylate phosphate; Epoxy group-containing (meth) acrylic acid ester such as glycidyl (meth) acrylate; Amino group content such as dimethylaminoethyl (meth) acrylate ( (Meth) acrylic acid ester; and the like.
- acrylic acid ester monomers can be used alone or in combination of two or more.
- the water-insoluble particulate polymer can be made less swellable with respect to the electrolytic solution, thereby improving the cycle characteristics when used as an electrode.
- Acrylic acid alkyl esters are preferred, and (meth) acrylic acid alkyl esters having an alkyl group with 6 to 12 carbon atoms are more preferred.
- the content ratio of the (meth) acrylic acid ester monomer unit in the acrylate polymer is preferably 50 to 95% by weight, more preferably 60 to 90% by weight.
- the acrylate polymer may be a copolymer of the above-mentioned (meth) acrylic acid ester monomer and a monomer copolymerizable therewith.
- the monomer include an ⁇ , ⁇ -unsaturated nitrile monomer, a vinyl monomer having an acid component, and the like.
- Examples of the ⁇ , ⁇ -unsaturated nitrile monomer include acrylonitrile, methacrylonitrile, ⁇ -chloroacrylonitrile, ⁇ -bromoacrylonitrile and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, acrylonitrile and methacrylonitrile are preferable, and acrylonitrile is more preferable.
- the content ratio of ⁇ , ⁇ -unsaturated nitrile monomer units (structural units obtained by polymerizing ⁇ , ⁇ -unsaturated nitrile monomers) in the acrylate polymer is preferably 3 to 40% by weight, more preferably Is from 5 to 30% by weight.
- vinyl monomer having an acid component examples include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, maleic acid, and fumaric acid. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, acrylic acid, methacrylic acid, and itaconic acid are preferable, and methacrylic acid and itaconic acid are more preferable.
- the content ratio of the vinyl monomer unit having an acid component in the acrylate polymer is preferably 1.0 to 7.0% by weight, more preferably Is 1.5 to 5.0% by weight.
- the acrylate polymer may be a copolymer of other monomers copolymerizable with the above-described monomers.
- examples of such other monomers include 2 Examples include carboxylic acid esters having one or more carbon-carbon double bonds, aromatic vinyl monomers, amide monomers, olefins, diene monomers, vinyl ketones, and heterocyclic ring-containing vinyl compounds. It is done.
- the weight average molecular weight of the water-insoluble particulate polymer is preferably 10,000 to 1,000,000, more preferably 20,000 to 500,000. By setting the weight average molecular weight of the water-insoluble particulate polymer in the above range, the strength in the case of an electrochemical element electrode can be made sufficient.
- the weight average molecular weight of the water-insoluble particulate polymer can be determined by gel permeation chromatography (GPC) as a value in terms of polystyrene using tetrahydrofuran as a developing solvent.
- the average particle diameter of the water-insoluble particulate polymer is preferably 50 to 500 nm, more preferably 70 to 400 nm when the water-insoluble particulate polymer is a diene polymer.
- the average particle diameter of the water-insoluble particulate polymer is preferably 50 to 200 nm, more preferably 60 to 185 nm, and still more preferably 70. ⁇ 160 nm.
- the content ratio of the water-insoluble particulate polymer is based on 100 parts by weight of the electrode active material when the electrode active material is a positive electrode active material.
- the amount is preferably 0.1 to 10 parts by weight, more preferably 0.5 to 5 parts by weight, still more preferably 0.8 to 3 parts by weight.
- the content ratio of the water-insoluble particulate polymer is preferably 0.3 to 8 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the electrode active material.
- the amount is preferably 0.4 to 7 parts by weight, more preferably 0.5 to 5 parts by weight.
- the content ratio of the water-insoluble particulate polymer in the above range, the ionic conduction in the case of an electrochemical element electrode is improved, while the binding force between the electrode active materials and the adhesion to the current collector are improved. The improvement effect can be further enhanced.
- the content ratio of the water-insoluble particulate polymer may be the same as that when the electrode active material is an active material for a negative electrode.
- the water-soluble polymer having a sulfonic acid group used in the present invention is not particularly limited as long as it has a sulfonic acid group and exhibits water solubility.
- a water-soluble polymer having a structural unit obtained by polymerizing a sulfonic acid group-containing monomer hereinafter sometimes referred to as “sulfonic acid group-containing monomer unit”
- sulfonic acid group-containing monomer unit a water-soluble polymer with a sulfone group.
- Examples thereof include a water-soluble polymer to which a compound containing an acid group is added, a water-soluble polymer obtained by polymerization using a polymerization initiator containing a sulfonic acid group, and the like.
- a water-soluble polymer having a sulfonic acid group-containing monomer unit is preferable.
- the water-soluble polymer having a sulfonic acid group acts as a dispersant, and by containing the water-soluble polymer having a sulfonic acid group, the slurry is produced by the action of the sulfonic acid group (—SO 3 H).
- the water-soluble polymer having a sulfonic acid group contains nickel in the production process of the composite particle for an electrochemical element electrode, for example, when an active material containing nickel is used as the electrode active material. Together with the active material and the water-insoluble particulate polymer, it acts as a dispersant and a pH adjuster when dispersed in water to form a slurry. And, in the present invention, when slurried, conventionally, a manufacturing apparatus such as a spray drying apparatus corrodes due to an increase in pH of the slurry due to the influence of nickel contained in the active material. Can be effectively prevented by the action of the water-soluble polymer having a sulfonic acid group as a pH adjuster.
- sulfonic acid group-containing monomer forming the sulfonic acid group-containing monomer unit examples include sulfonic acid groups such as vinyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid, allyl sulfonic acid, sulfoethyl methacrylate, sulfopropyl methacrylate, and sulfobutyl methacrylate.
- AMPS 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid
- HAPS 3-allyloxy-2-hydroxypropanesulfonic acid
- These lithium salts, sodium salts, potassium salts, and the like can also be used. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (AMPS) is preferred.
- the content ratio of the sulfonic acid group-containing monomer unit in the water-soluble polymer having a sulfonic acid group is preferably 2 to 15% by weight, more preferably 2 to 10% by weight, still more preferably 2 to 8% by weight. %.
- the water-soluble polymer having a sulfonic acid group used in the present invention is a structural unit obtained by polymerizing a carboxyl group-containing monomer in addition to the sulfonic acid group-containing monomer unit (hereinafter referred to as “carboxyl group-containing monomer”). It may be further described as “body unit”).
- carboxyl group-containing monomer a carboxyl group-containing monomer in addition to the sulfonic acid group. Due to the repulsion, the dispersibility of the electrode active material when slurryed can be further improved.
- Examples of the carboxyl group-containing monomer that forms the carboxyl group-containing monomer unit include monocarboxylic acids such as acrylic acid, methacrylic acid, and crotonic acid; 2-ethylacrylic acid, isocrotonic acid, ⁇ -acetoxyacrylic acid, Derivatives of monocarboxylic acids such as ⁇ -trans-aryloxyacrylic acid, ⁇ -chloro- ⁇ -E-methoxyacrylic acid and ⁇ -diaminoacrylic acid; dicarboxylic acids such as maleic acid, fumaric acid and itaconic acid; maleic anhydride , Acrylic anhydride, methylmaleic anhydride, dimethylmaleic anhydride and other dicarboxylic acid anhydrides; methylmaleic acid, dimethylmaleic acid, phenylmaleic acid, chloromaleic acid, dichloromaleic acid, fluoromaleic acid, maleic acid Diphenyl, nonyl maleate, decyl maleate , De
- the content ratio of the carboxyl group-containing monomer unit in the water-soluble polymer having a sulfonic acid group is preferably 20 to 60% by weight, more preferably 20 to 50% by weight, still more preferably 20 to 40% by weight. It is. By setting the content ratio of the carboxyl group-containing monomer unit in the above range, the adhesion to the current collector can be further improved.
- the water-soluble polymer having a sulfonic acid group used in the present invention is further a (meth) acrylic acid ester monomer. It is preferable to contain a structural unit obtained by polymerizing (hereinafter referred to as “(meth) acrylic acid ester monomer unit”).
- the (meth) acrylate monomer that forms the (meth) acrylate monomer unit includes methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, and (meth) acrylic.
- (Meth) acrylic acid alkyl esters such as acid hexyl and (meth) acrylic acid-2-ethylhexyl; carboxyls having two or more carbon-carbon double bonds such as ethylene glycol dimethacrylate, diethylene glycol dimethacrylate, trimethylolpropane triacrylate Acid esters; and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
- (meth) acrylic acid alkyl ester is preferable, and methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, and butyl (meth) acrylate are more preferable.
- those containing fluorine are distinguished from (meth) acrylate monomers as fluorine-containing (meth) acrylate monomers.
- the content ratio of the (meth) acrylic acid ester monomer unit in the water-soluble polymer having a sulfonic acid group is preferably 25 to 78% by weight, more preferably 45 to 75% by weight, still more preferably 60 to 70% by weight.
- the weight average molecular weight of the water-soluble polymer having a sulfonic acid group is preferably 1,000 to 100,000, more preferably 1,500 to 80,000, still more preferably 2,000 to 75,000. By making a weight average molecular weight into the said range, the adhesive improvement effect with respect to an electrical power collector can be heightened more.
- the weight average molecular weight of the water-soluble polymer having a sulfonic acid group was determined by developing a solution in which 0.85 g / ml sodium nitrate was dissolved in a 10% by volume aqueous solution of dimethylformamide by gel permeation chromatography (GPC). It can obtain
- the glass transition temperature of the water-soluble polymer having a sulfonic acid group is preferably 0 to 70 ° C., more preferably 0 to 50 ° C., and further preferably 0 to 40 ° C. By setting the glass transition temperature within the above range, flexibility in the case of an electrochemical element electrode can be improved.
- the water-soluble polymer which has a sulfonic acid group Although it does not specifically limit as a manufacturing method of the water-soluble polymer which has a sulfonic acid group, For example, it can manufacture by emulsion polymerization which uses water as a dispersion medium.
- the content ratio of the water-soluble polymer having a sulfonic acid group in the composite particle for an electrochemical element electrode of the present invention is based on 100 parts by weight of the electrode active material when the electrode active material is a positive electrode active material.
- the amount is preferably 0.1 to 1.5 parts by weight, more preferably 0.2 to 1.3 parts by weight, still more preferably 0.3 to 1 part by weight.
- the content of the water-soluble polymer having a sulfonic acid group is preferably 0.01 to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the electrode active material. More preferably, it is 0.03 to 1 part by weight, still more preferably 0.05 to 0.5 part by weight.
- the effect of improving the dispersibility of the electrode active material when slurried and the effect of improving the adhesion with the current collector are more appropriate. Furthermore, it is possible to further enhance the effect of improving the binding force between the electrode active materials and the adhesion to the current collector while improving the ionic conduction when the electrode is an electrochemical element. .
- the content ratio of the water-soluble polymer having a sulfonic acid group is the same as in the case where the electrode active material is an active material for a negative electrode. Good.
- the ratio of the water-insoluble particulate polymer described above to the water-soluble polymer having a sulfonic acid group is “insoluble in water” when the electrode active material is an active material for a positive electrode.
- the ratio by weight of the particulate polymer / water-soluble polymer having a sulfonic acid group ” is preferably 70/30 to 90/10, more preferably 70/30 to 85/15, still more preferably 70/30 to 80. / 20.
- the weight ratio of “water-insoluble particulate polymer / water-soluble polymer having a sulfonic acid group” is preferably 80/20 to 99.9.
- the dispersibility of the electrode active material when slurryed can be further improved.
- the ratio of the water-insoluble particulate polymer to the water-soluble polymer having a sulfonic acid group is such that the electrode active material is an active material for the negative electrode. It may be the same as in the case of a substance.
- the composite particle for an electrochemical element electrode of the present invention may contain a conductive material, if necessary, in addition to the above components.
- the conductive material is not particularly limited as long as it is a particulate material having conductivity.
- conductive carbon black such as furnace black, acetylene black, and ketjen black
- graphite such as natural graphite and artificial graphite
- carbon fibers such as polyacrylonitrile-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, and vapor-grown carbon fibers.
- the average particle diameter of the conductive material is not particularly limited, but is preferably smaller than the average particle diameter of the electrode active material, usually 0.001 to 10 ⁇ m, more preferably 0.05 to 5 ⁇ m, and still more preferably 0.01. It is in the range of ⁇ 1 ⁇ m. When the average particle diameter of the conductive material is in the above range, sufficient conductivity can be expressed with a smaller amount of use.
- the content ratio of the conductive material in the composite particle for an electrochemical element electrode of the present invention is preferably 0.1 to 50 parts by weight, more preferably 0.5 to 15 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the electrode active material. More preferably, it is 1 to 10 parts by weight.
- the composite particle for an electrochemical element electrode of the present invention comprises an electrode active material, a water-insoluble particulate polymer, and a water-soluble polymer having a sulfonic acid group, each of which exists as an independent particle. Instead, at least two components, preferably three components, of an electrode active material, a water-insoluble particulate polymer, and a water-soluble polymer having a sulfonic acid group form one particle.
- a water-soluble polymer having a sulfonic acid group may also exist in the form of particles.
- a plurality of (particularly several to several tens of) electrode active materials are formed of water-insoluble particles by combining a plurality of the three component individual particles to form secondary particles. It is preferable that the particles are bound together by a water-soluble polymer having a chain polymer and / or a sulfonic acid group to form massive particles.
- the shape and structure of the composite particles are not particularly limited, but from the viewpoint of fluidity, the shape is preferably nearly spherical, and the structure is a water-insoluble particulate polymer and a water-soluble polymer having a sulfonic acid group. However, a structure that is uniformly dispersed in the composite particles without being unevenly distributed on the surface of the composite particles is preferable.
- the method for producing the composite particle for electrochemical element electrode of the present invention is not particularly limited, but according to the spray drying granulation method described below, the composite particle for electrochemical element electrode of the present invention can be obtained relatively easily. This is preferable.
- the spray drying granulation method will be described.
- a slurry for composite particles containing an electrode active material, a water-insoluble particulate polymer and a water-soluble polymer having a sulfonic acid group is prepared.
- the slurry for composite particles is prepared by dispersing or dissolving an electrode active material, a water-insoluble particulate polymer, a water-soluble polymer having a sulfonic acid group, and a conductive material added as necessary in a solvent. be able to.
- the water-insoluble particulate polymer when the water-insoluble particulate polymer is dispersed in water as a dispersion medium, it can be added in a state dispersed in water.
- the water-soluble polymer having a sulfonic acid group is in a state dissolved in water, it can be added in a state dissolved in water.
- the solvent used for obtaining the composite particle slurry water is usually used, but a mixed solvent of water and an organic solvent may be used.
- the organic solvent that can be used in this case include alkyl alcohols such as methyl alcohol, ethyl alcohol, and propyl alcohol; alkyl ketones such as acetone and methyl ethyl ketone; ethers such as tetrahydrofuran, dioxane, and diglyme; diethylformamide, And amides such as dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone and dimethylimidazolidinone; sulfur solvents such as dimethylsulfoxide and sulfolane; and the like.
- alcohols are preferable.
- the drying rate can be increased during spray drying. Further, the dispersibility of the water-insoluble particulate polymer and the solubility of the water-soluble polymer having a sulfonic acid group can be changed depending on the amount or type of the organic solvent used in combination with water. And thereby, the viscosity and fluidity
- the amount of the solvent used when preparing the composite particle slurry is such that the solid content concentration in the composite particle slurry is preferably 1 to 50% by weight, more preferably 5 to 50% by weight, and still more preferably 10 to 30%.
- the amount is in the range of% by weight.
- the viscosity of the slurry for composite particles is preferably in the range of 10 to 3,000 mPa ⁇ s, more preferably 30 to 1,500 mPa ⁇ s, and still more preferably 50 to 1,000 mPa ⁇ s at room temperature.
- the productivity of the spray drying granulation step can be increased.
- a dispersant or a surfactant other than the above-described water-soluble polymer having a sulfonic acid group may be added as necessary.
- the dispersant other than the water-soluble polymer having a sulfonic acid group is not particularly limited as long as it is a resin that can be dissolved in a solvent.
- a resin that can be dissolved in a solvent.
- carboxymethylcellulose, methylcellulose, ethylcellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, and the like Cellulosic polymers, and ammonium salts or alkali metal salts thereof; ammonium salts or alkali metal salts of polyacrylic acid or polymethacrylic acid; polyvinyl alcohol, modified polyvinyl alcohol, polyethylene oxide; polyvinyl pyrrolidone, polycarboxylic acid, oxidized starch, Examples include phosphate starch, casein, various modified starches, chitin, and chitosan derivatives.
- dispersants can be used alone or in combination of two or more.
- a cellulose polymer is preferable and carboxymethylcellulose or its ammonium salt or alkali metal salt is especially preferable.
- the amount of the dispersant other than the water-soluble polymer having a sulfonic acid group depends on the content of the water-soluble polymer having a sulfonic acid group, and “dispersant other than the water-soluble polymer having a sulfonic acid group /
- the weight ratio of the “water-soluble polymer having a sulfonic acid group” is preferably 3/7 or less.
- examples of the surfactant include amphoteric surfactants such as anionic, cationic, nonionic, and nonionic anions, and those which are easily thermally decomposed by anionic or nonionic surfactants are preferable.
- the compounding amount of the surfactant is preferably 50 parts by weight or less, more preferably 0.1 to 10 parts by weight, and further preferably 0.5 to 5 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the electrode active material. .
- the method or order of dispersing or dissolving the electrode active material, the water-insoluble particulate polymer, the water-soluble polymer having a sulfonic acid group, and the conductive material added as necessary in a solvent is not particularly limited.
- a mixing apparatus a ball mill, a sand mill, a bead mill, a pigment disperser, a crusher, an ultrasonic disperser, a homogenizer, a homomixer, a planetary mixer, etc. can be used, for example.
- Mixing is usually carried out in the range of room temperature to 80 ° C. for 10 minutes to several hours.
- Spray drying is a method of spraying and drying a slurry in hot air.
- An atomizer is used as an apparatus used for spraying slurry.
- a rotating disk system slurry is introduced almost at the center of the disk that rotates at high speed, and the slurry is removed from the disk by the centrifugal force of the disk. In this case, the slurry is atomized.
- the rotational speed of the disk depends on the size of the disk, but is usually 5,000 to 30,000 rpm, preferably 15,000 to 30,000 rpm.
- a pin-type atomizer is a type of centrifugal spraying device that uses a spraying plate, and the spraying plate has a plurality of spraying rollers removably mounted on a concentric circle along its periphery between upper and lower mounting disks. It consists of The slurry for composite particles is introduced from the center of the spray disk, adheres to the spray roller by centrifugal force, moves outward on the roller surface, and finally sprays away from the roller surface.
- the pressurization method is a method in which the composite particle slurry is pressurized and sprayed from a nozzle to be dried.
- the temperature of the slurry for composite particles to be sprayed is usually room temperature, but may be heated to a temperature higher than room temperature.
- the hot air temperature at the time of spray drying is usually 80 to 250 ° C., preferably 100 to 200 ° C.
- the method of blowing hot air is not particularly limited.
- the method in which the hot air and the spraying direction flow side by side the method in which the hot air is sprayed at the top of the drying tower and descends with the hot air, and the sprayed droplets and hot air are countercurrently flowed. Examples include a contact method, and a method in which sprayed droplets first flow in parallel with hot air, then drop by gravity and contact countercurrent.
- water-insoluble particles In addition to the method of spraying the slurry for composite particles containing the electrode active material, the water-insoluble particulate polymer, and the water-soluble polymer having a sulfonic acid group as a spraying method, water-insoluble particles A method of spraying a slurry containing a polymer, a water-soluble polymer having a sulfonic acid group, and, if necessary, other additives onto a flowing electrode active material can also be used. From the standpoint of ease of particle size control, productivity, and reduction in particle size distribution, an optimal method may be appropriately selected according to the components of the composite particles.
- the average particle diameter of the composite particle for electrochemical element electrode of the present invention is preferably 0.1 to 1,000 ⁇ m, more preferably 1 to 80 ⁇ m, and further preferably 10 to 40 ⁇ m.
- the average particle size of the composite particle for an electrochemical element electrode is a volume average particle size calculated by measuring with a laser diffraction particle size distribution analyzer (for example, SALD-3100; manufactured by Shimadzu Corporation). *
- the electrochemical element electrode material of the present invention comprises the above-described composite particle for an electrochemical element electrode of the present invention.
- the composite particle for an electrochemical element electrode of the present invention is used as an electrochemical element electrode material by including other binders or other additives alone or as necessary.
- the content of the composite particle for an electrochemical element electrode contained in the electrochemical element electrode material is preferably 50% by weight or more, more preferably 70% by weight or more, and further preferably 90% by weight or more.
- a water-insoluble particulate polymer contained in the above-described composite particle for an electrochemical element electrode of the present invention can be used. Since the composite particles for electrochemical element electrodes of the present invention already contain a water-insoluble particulate polymer as a binder, other binders are separately added when preparing the electrochemical element electrode material. Although it is not necessary to add, other binders may be added to increase the binding force between the composite particles for electrochemical element electrodes. Further, when the other binder is added, the amount of the other binder added is 100 parts by weight of the electrode active material in total with the water-insoluble particulate polymer in the composite particles for electrochemical device electrodes. The amount is preferably 0.01 to 10 parts by weight, more preferably 0.1 to 5 parts by weight. Other additives include molding aids such as water and alcohol, and these can be added by appropriately selecting an amount that does not impair the effects of the present invention.
- the electrochemical element electrode of the present invention is formed by laminating an electrode active material layer made of the above-described electrochemical element electrode material of the present invention on a current collector.
- a current collector material for example, metal, carbon, conductive polymer and the like can be used, and metal is preferably used.
- metal aluminum, platinum, nickel, tantalum, titanium, stainless steel, other alloys, etc. are usually used. Among these, it is preferable to use aluminum or an aluminum alloy in terms of conductivity and voltage resistance. In addition, when high voltage resistance is required, high-purity aluminum disclosed in JP 2001-176757 A can be suitably used.
- the current collector is in the form of a film or a sheet, and the thickness is appropriately selected according to the purpose of use, but is usually 1 to 200 ⁇ m, preferably 5 to 100 ⁇ m, more preferably 10 to 50 ⁇ m.
- the electrochemical element electrode material When the electrode active material layer is laminated on the current collector, the electrochemical element electrode material may be formed into a sheet shape and then laminated on the current collector.
- a method in which the electrode material is directly pressure-molded is preferred.
- pressure molding for example, a roll-type pressure molding apparatus provided with a pair of rolls is used, and the electrochemical element electrode material is roll-type pressure molded with a supply device such as a screw feeder while feeding the current collector by the roll.
- a roll pressure forming method for forming the electrode active material layer on the current collector, or spraying the electrochemical element electrode material on the current collector, and the electrochemical element electrode material with a blade or the like examples thereof include a method of adjusting the thickness and then forming with a pressurizing apparatus, a method of filling the mold with an electrochemical element electrode material, and pressurizing and forming the mold.
- the roll pressure molding method is preferable.
- the composite particles for electrochemical element electrodes of the present invention have high fluidity, the high fluidity enables molding by roll press molding, thereby improving productivity. It becomes.
- the temperature at the time of roll pressing is preferably 25 to 200 ° C., more preferably 50 to 150 ° C., and still more preferably 80 to 80 ° C. when a diene polymer is used as the water-insoluble particulate polymer. 120 ° C.
- the temperature at the time of roll pressing is preferably 0 to 200 ° C., and the glass transition temperature of the water-insoluble particulate polymer. More preferably, the temperature is 20 ° C. or higher.
- the press linear pressure between the rolls during roll press molding is preferably 10 to 1,000 kN / m, more preferably 200 to 900 kN / m when a diene polymer is used as the water-insoluble particulate polymer. m, more preferably 300 to 600 kN / m.
- the press linear pressure between rolls during roll press molding is preferably 0.2 to 30 kN / cm (20 to 3000 kN / m). ), More preferably 1.5 to 15 kN / cm (150 to 1500 kN / m).
- the molding speed at the time of roll press molding is preferably 0.1 to 20 m / min, more preferably 1 to 10 m / min, and further preferably 4 to 10 m / min.
- post-pressurization may be further performed as necessary in order to eliminate variations in the thickness of the formed electrochemical element electrode and increase the density of the electrode active material layer to increase the capacity.
- the post-pressing method is generally a press process using a roll. In the roll pressing step, two cylindrical rolls are arranged vertically in parallel with a narrow interval, each is rotated in the opposite direction, and pressure is applied by interposing an electrode therebetween. In this case, the temperature of the roll may be adjusted as necessary, such as heating or cooling.
- the electrochemical element electrode of the present invention thus obtained is obtained by using the composite particle for an electrochemical element electrode of the present invention described above, so that the electrode active material layer and the current collector are obtained. It has high adhesion to the body, low internal resistance, and excellent high-temperature storage characteristics. Therefore, the electrochemical device electrode of the present invention can be suitably used as an electrode for various electrochemical devices such as lithium ion secondary batteries.
- the water-soluble polymer having a sulfonic acid group is blended with the composite particle for an electrochemical element electrode, for example, a positive electrode active material containing nickel is used as the electrode active material. Even when used, it can effectively prevent the occurrence of corrosion of spray drying equipment due to the influence of the positive electrode active material containing nickel and the deterioration of characteristics due to the inclusion of foreign substances resulting from this, and as a result, the above characteristics are achieved. It can be done.
- the reaction was stopped by cooling to obtain an aqueous dispersion of the water-insoluble particulate polymer (A1).
- the composition of the obtained water-insoluble particulate polymer (A1) was 50% styrene units, 47% 1,3-butadiene units, and 3% methacrylic acid units.
- the emulsion prepared in the polymerization can B is sequentially added to the polymerization can A over about 240 minutes, and then stirred for about 30 minutes.
- the reaction is completed by cooling.
- an aqueous dispersion of the water-insoluble particulate polymer (A5) was obtained.
- the obtained water-insoluble particulate polymer (A5) has a glass transition temperature of ⁇ 30 ° C. and a dispersed particle size of 100 nm, and its composition is 2-ethylhexyl acrylate unit 77.75%, acrylonitrile unit 20. 25% and methacrylic acid unit 2%.
- pH was adjusted to 10.5 by adding 4 weight% sodium hydroxide aqueous solution to the aqueous dispersion liquid of the obtained water-insoluble particulate polymer (A5).
- the polymerization conversion is 99%, the glass transition temperature is 38 ° C., the weight average molecular weight is 25,000, and the composition of the water-soluble polymer (B1) having a sulfonic acid group is 30% methacrylic acid unit, They were 35% ethyl acrylate units, 32.5% butyl acrylate units, and 2.5% 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid units.
- the polymerization conversion is 99%, the glass transition temperature is 45 ° C., the weight average molecular weight is 50,000, and the composition of the water-soluble polymer (B2) having a sulfonic acid group is 30% methacrylic acid unit, They were 33% ethyl acrylate units, 30% butyl acrylate units and 7% 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid units.
- the polymerization conversion is 99%, the glass transition temperature is 58 ° C., the weight average molecular weight is 70,000, and the composition of the water-soluble polymer (B3) having a sulfonic acid group is 30% methacrylic acid unit, They were 35% ethyl acrylate units, 32.5% butyl acrylate units, and 2.5% styrene sulfonic acid units.
- the polymerization conversion is 99%, the glass transition temperature is 55 ° C., the weight average molecular weight is 40,000, and the composition of the water-soluble polymer (B4) having a sulfonic acid group is 30% methacrylic acid unit, They were 35% ethyl acrylate units, 32.5% butyl acrylate units and 2.5% 4-sulfobutyl methacrylate units.
- the polymerization conversion was 99%, the glass transition temperature was 38 ° C., the weight average molecular weight was 25,000, and the composition of the water-soluble polymer (B6) having a sulfonic acid group was 35 parts of ethyl acrylate unit, There were 32.5 parts of butyl acrylate units and 32.5 parts of 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid units.
- the polymerization conversion is 99%, the glass transition temperature is 38 ° C., the weight average molecular weight is 20,000, and the composition of the water-soluble polymer (B8) having a sulfonic acid group is 18% methacrylic acid unit, They were 41% ethyl acrylate units, 38.5% butyl acrylate units and 2.5% 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid units.
- the polymerization conversion is 99%, the weight average molecular weight is 30,000, and the composition of the water-soluble polymer (B9) having a sulfonic acid group is methacrylic acid unit 60%, ethyl acrylate unit 16%, butyl. 14% acrylate units and 10% 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid units.
- the polymerization conversion is 99%, the weight average molecular weight is 50,000, and the composition of the water-soluble polymer (B10) having a sulfonic acid group is 64% methacrylic acid unit, 18% ethyl acrylate unit, butyl. 1% acrylate units and 1% 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid units.
- Voltage drop amount is less than 0.2V
- B Voltage drop amount is 0.2V or more and less than 0.3V
- C Voltage drop amount is 0.3V or more and less than 0.5V
- D Voltage drop amount is 0.5V or more
- ⁇ C C 1 / C 0 ⁇ 100 (%), to calculate a capacity retention rate, the following criteria were evaluated for high-temperature storage characteristics. It can be judged that the higher the capacity retention rate, the better the high-temperature storage characteristics.
- Example 1-1 Production of composite particles for negative electrode 10 parts of SiOC (volume average particle diameter: 12 ⁇ m) and artificial graphite (average particle diameter: 24.5 ⁇ m, graphite interlayer distance (surface spacing of (002) plane by X-ray diffraction method) as negative electrode active material (D value)): 0.354 nm) 90 parts, 2.7 parts of the water-insoluble particulate polymer (A1) obtained in Production Example 1 in terms of solid content, and obtained in Production Example 6.
- a water-soluble polymer (B1) having a sulfonic acid group is mixed in an amount of 0.3 part in terms of solid content, and ion-exchanged water is further added to a solid content concentration of 20%, followed by mixing and dispersion.
- a slurry was obtained. Then, the obtained slurry for composite particles was sprayed using a spray dryer (Okawara Chemical Co., Ltd.) and a rotating disk type atomizer (diameter 65 mm), rotating at 25,000 rpm, hot air temperature 150 ° C., particle recovery. Spray drying granulation was performed under conditions of an outlet temperature of 90 ° C. to obtain composite particles for a negative electrode. The average volume particle diameter of the obtained composite particles was 40 ⁇ m.
- the negative electrode composite particles obtained above were applied to a roll (rolling rough surface heat roll, manufactured by Hirano Giken Kogyo Co., Ltd.) in a roll (roll temperature 100 ° C., press linear pressure 4.0 kN / cm). , Supplied together with an electrolytic copper foil (thickness: 20 ⁇ m) as a current collector, formed into a sheet on an electrolytic copper foil as a current collector at a molding speed of 20 m / min, and a negative electrode active material having a thickness of 80 ⁇ m A negative electrode having a layer was obtained.
- the negative electrode plate is cut out into a disk shape with a diameter of 15 mm, and a separator made of a disk-shaped polypropylene porous film with a diameter of 18 mm and a thickness of 25 ⁇ m is formed on the negative electrode active material layer surface side of the negative electrode.
- Metals were laminated in order, and this was stored in a stainless steel coin-type outer container (diameter 20 mm, height 1.8 mm, stainless steel thickness 0.25 mm) provided with polypropylene packing.
- a stainless steel cap with a thickness of 0.2 mm is put on and fixed to the outer container, and the battery can is sealed to produce a half cell (secondary battery) for measuring the initial capacity with a diameter of 20 mm and a thickness of about 2 mm. did.
- the positive electrode obtained above was cut into a disk shape with a diameter of 13 mm and the negative electrode with a diameter of 14 mm, and the positive electrode active material layer side of this positive electrode had a disk-like polypropylene porous shape with a diameter of 18 mm and a thickness of 25 ⁇ m.
- the separator made of a film and the negative electrode obtained above were laminated in order, and this was stored in a stainless steel coin-type outer container provided with a polypropylene packing.
- a 0.2 mm thick stainless steel cap was put on the outer container and fixed, and the battery can was sealed to manufacture a coin-type lithium ion secondary battery having a diameter of 20 mm and a thickness of about 3.2 mm.
- Example 1-2 As in Example 1-1, SiOC was not used as the negative electrode active material, and the amount of artificial graphite was changed from 90 parts to 100 parts. A secondary battery was manufactured and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 1.
- Examples 1-3 to 1-5) Instead of the water-insoluble particulate polymer (A1), the water-insoluble particulate polymer (A2) obtained in Production Example 2 (Example 1-3) and the water-insoluble particle obtained in Production Example 3 Example 1 except that the polymer (A3) (Example 1-4) and the water-insoluble particulate polymer (A4) (Example 1-5) obtained in Production Example 4 were used, respectively.
- -2 composite particles for negative electrode, negative electrode, half cell and lithium ion secondary battery were produced and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 1.
- Examples 1-6 to 1-9 Instead of the water-soluble polymer (B1) having a sulfonic acid group, the water-soluble polymer (B2) having a sulfonic acid group obtained in Production Example 7 (Example 1-6), obtained in Production Example 8 Water-soluble polymer (B3) having a sulfonic acid group (Example 1-7), water-soluble polymer (B4) having a sulfonic acid group obtained in Production Example 9 (Example 1-8), and Production Example In the same manner as in Example 1-2, except that the water-soluble polymer (B5) (Example 1-9) having a sulfonic acid group obtained in Step 10 was used, a negative electrode composite particle, a negative electrode, Half cells and lithium ion secondary batteries were produced and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 1.
- Examples 1-10 to 1-13 For the negative electrode in the same manner as in Example 1-2, except that the blending amount of the water-insoluble particulate polymer (A1) and the water-soluble polymer (B1) having a sulfonic acid group was changed to the amount shown in Table 2.
- Composite particles, a negative electrode, a half cell, and a lithium ion secondary battery were manufactured and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 2.
- Example 1-14 Instead of the water-soluble polymer (B1) having a sulfonic acid group, the water-soluble polymer (B6) having a sulfonic acid group obtained in Production Example 11 was used in the same manner as in Example 1-2. Then, composite particles for negative electrode, negative electrode, half cell and lithium ion secondary battery were produced and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 2.
- Example 1-1 A composite for a negative electrode in the same manner as in Example 1-2 except that the water-soluble polymer (B7) obtained in Production Example 12 was used instead of the water-soluble polymer (B1) having a sulfonic acid group. Particles, a negative electrode, a half cell, and a lithium ion secondary battery were manufactured and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 2.
- Example 1-2 In the same manner as in Example 1-2, except that carboxymethylcellulose was used instead of the water-soluble polymer (B1) having a sulfonic acid group, composite particles for negative electrode, negative electrode, half cell, and lithium ion secondary battery were prepared. Manufactured and similarly evaluated. The results are shown in Table 2.
- Example 1-3 Comparative Example 1-3
- a composite particle slurry was obtained, and the obtained composite particle slurry was applied onto an electrolytic copper foil as a current collector and dried at 110 ° C.
- a negative electrode, a half cell and a lithium ion secondary battery were produced in the same manner as in Example 1-2 except that the negative electrode layer was formed, and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 2.
- the negative electrode active material, the water-insoluble particulate polymer, and the negative electrode composite particles containing a water-soluble polymer having a sulfonic acid group are all highly fluid.
- the negative electrode obtained by using such composite particles for negative electrode had high peel strength, and also had high initial capacity when used as a battery, low internal resistance, and excellent high-temperature storage characteristics (Examples) 1-1 to 1-14).
- a negative electrode active material instead of obtaining composite particles for negative electrode and molding the obtained composite particles for negative electrode in a powder state, a negative electrode active material, a water-insoluble particulate polymer, and a water-soluble polymer having a sulfonic acid group
- the obtained negative electrode has a low peel strength, and further has an inferior internal resistance when used as a battery ( Comparative Example 1-3).
- the water-insoluble particulate polymer was not used, it was not possible to obtain a molded body capable of performing each evaluation (Comparative Example 1-4).
- peel strength was measured and evaluated according to the following criteria. It can be determined that the higher the peel strength, the higher the adhesion strength in the negative electrode active material layer and the adhesion strength between the negative electrode active material layer and the current collector.
- D Peel strength is less than 1 N / m
- ⁇ High temperature storage characteristics The capacity retention ratio ⁇ C was calculated in the same manner as in Examples 1-1 to 1-14 and Comparative Examples 1-1 to 1-4 described above, and the high temperature storage characteristics were evaluated according to the following criteria. It can be judged that the higher the capacity retention rate, the better the high-temperature storage characteristics.
- Example 2-1 Production of composite particles for negative electrode Scalar graphite (SLP-6, manufactured by Timcal Corporation, length of major axis L1: 3.5 ⁇ m, ratio of length of minor axis L2 to thickness t (L2 / t): 15) 100 parts, 2.7 parts of the water-insoluble particulate polymer (A1) obtained in Production Example 1 in terms of solid content, and a water-soluble high polymer having a sulfonic acid group obtained in Production Example 6 0.3 part of the molecule (B1) in terms of solid content was mixed, and ion-exchanged water was further added so as to have a solid content concentration of 20%, followed by mixing and dispersion to obtain a composite particle slurry.
- SLP-6 negative electrode Scalar graphite
- the obtained slurry for composite particles was sprayed using a spray dryer (Okawara Chemical Co., Ltd.) and a rotating disk type atomizer (diameter 65 mm), rotating at 25,000 rpm, hot air temperature 150 ° C., particle recovery. Spray drying granulation was performed under conditions of an outlet temperature of 90 ° C. to obtain composite particles for a negative electrode.
- the average volume particle diameter of the obtained composite particles was 40 ⁇ m.
- Example 2-2 As the negative electrode active material, instead of scaly graphite (SLP-6, manufactured by Timcal), scaly graphite (SFG-6, manufactured by Timcar, Inc., length of major axis L1: 3.7 ⁇ m, length and thickness of minor axis L2) A composite particle for negative electrode, negative electrode, half cell and lithium ion secondary battery were produced in the same manner as in Example 2-1, except that the ratio to t (L2 / t): 30) was used. Went. The results are shown in Table 3.
- Example 2-3 As the negative electrode active material, instead of scaly graphite (SLP-6, manufactured by Timcal), scaly graphite (SFG-10, manufactured by Timcar, Inc., length of major axis L1: 5.5 ⁇ m, length and thickness of minor axis L2) A composite particle for a negative electrode, a negative electrode, a half cell, and a lithium ion secondary battery were produced in the same manner as in Example 2-1, except that the ratio to t (L2 / t): 10) was used. Went. The results are shown in Table 3.
- Example 2-4 instead of the water-insoluble particulate polymer (A1), the water-insoluble particulate polymer (A2) obtained in Production Example 2 (Example 2-4) and the water-insoluble particle obtained in Production Example 3 Example 2 except that the polymer (A3) (Example 2-5) and the water-insoluble particulate polymer (A4) (Example 2-6) obtained in Production Example 4 were used, respectively.
- the polymer (A3) (Example 2-5) and the water-insoluble particulate polymer (A4) (Example 2-6) obtained in Production Example 4 were used, respectively.
- composite particles for negative electrode, negative electrode, half cell and lithium ion secondary battery were produced and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 3.
- Example 2-7 to 2-10 Instead of the water-soluble polymer (B1) having a sulfonic acid group, the water-soluble polymer (B2) having a sulfonic acid group obtained in Production Example 7 (Example 2-7), obtained in Production Example 8 Water-soluble polymer having sulfonic acid group (B3) (Example 2-8), water-soluble polymer having sulfonic acid group obtained in Production Example 9 (B4) (Example 2-9), and Production Example In the same manner as in Example 2-1, except that the water-soluble polymer (B5) (Example 2-10) having a sulfonic acid group obtained in 10 was used, a composite particle for negative electrode, a negative electrode, Half cells and lithium ion secondary batteries were produced and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 3.
- Examples 2-11 to 2-14 For the negative electrode, in the same manner as in Example 2-1, except that the blending amounts of the water-insoluble particulate polymer (A1) and the water-soluble polymer (B1) having a sulfonic acid group were changed to the amounts shown in Table 4. Composite particles, a negative electrode, a half cell, and a lithium ion secondary battery were manufactured and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 4.
- Example 2-15 Instead of the water-soluble polymer (B1) having a sulfonic acid group, the water-soluble polymer (B6) having a sulfonic acid group obtained in Production Example 11 was used in the same manner as in Example 2-1. Then, composite particles for negative electrode, negative electrode, half cell and lithium ion secondary battery were produced and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 4.
- Example 2-1 In the same manner as in Example 2-1, except that carboxymethylcellulose was used instead of the water-soluble polymer (B1) having a sulfonic acid group, composite particles for negative electrode, negative electrode, half cell, and lithium ion secondary battery were prepared. Manufactured and similarly evaluated. The results are shown in Table 4.
- Example 2-2 In the same manner as in Example 2-1, a composite particle slurry was obtained, and the obtained composite particle slurry was applied onto an electrolytic copper foil as a current collector and dried at 110 ° C. Except that the negative electrode layer was formed, a negative electrode, a half cell, and a lithium ion secondary battery were produced in the same manner as in Example 2-1, and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 4.
- the electrode composite material containing a scaly electrode active material, a water-insoluble polymer, and a water-soluble polymer having a sulfonic acid group are all highly fluid. Electrodes obtained using such composite particles for electrodes had high peel strength, low internal resistance when used as batteries, and excellent high-temperature storage characteristics (Examples 2-1 to 2- 15).
- ⁇ Corrosion suppression effect> The slurry for composite particles obtained in Examples 3-1 to 3-9 and Comparative Examples 3-1 to 3-3 was dried on an aluminum foil current collector having a thickness of 20 ⁇ m so that the film thickness after drying was about 70 ⁇ m. And a sample for evaluation was obtained by drying at 50 ° C. for 20 minutes. And about the range of 10 cm x 10 cm of the obtained sample for evaluation, by visually observing and confirming the number of locations where coating defects of 0.5 mm or more have occurred, the corrosion suppression effect is confirmed. Evaluation was performed. In addition, evaluation about the corrosion inhibitory effect was performed in accordance with the following criteria. Corrosion progresses as the number of defective coatings increases, and therefore it can be determined that it is not preferable. A: There are no occurrences of coating defects and the whole is smooth. B: One or more places where coating defects occur. Less than five places. C: Five or more places where coating defects occur. D: Coating 10 or more defective locations
- Voltage drop amount is less than 0.2V
- B Voltage drop amount is 0.2V or more and less than 0.3V
- C Voltage drop amount is 0.3V or more and less than 0.5V
- D Voltage drop amount is 0.5V or more
- the average value ⁇ C ave of the capacity retention rate of the cell was determined, and the high temperature storage characteristics were evaluated according to the following criteria. It can be judged that the higher the average value ⁇ C ave of the capacity retention rate, the better the high-temperature storage characteristics.
- ⁇ C ave is 95% or more
- the high temperature cycle characteristic was evaluated in accordance with the following criteria. It is preferable that the capacity retention rate at 100 cycles is higher because there is less deterioration at the 100th cycle when performing a cycle test at a high temperature, and it can be determined that the high temperature cycle characteristics are excellent.
- Example 3-1 Production of slurry for composite particles 100 parts of LiNiO 2 as a positive electrode active material, 2 parts of acetylene black (HS-100: Electrochemical Industry) as a conductive material, water-insoluble particulate polymer (A1) obtained in Production Example 1 1.8 parts in terms of solid content, and 0.7 parts in terms of solid content of the water-soluble polymer (B1) having a sulfonic acid group obtained in Production Example 6, and further ion-exchanged water An appropriate amount of was added and mixed and dispersed with a planetary mixer to obtain a slurry for composite particles. The obtained slurry for composite particles had a pH of 10.8.
- HS-100 Electrochemical Industry
- the composite particle slurry obtained above was sprayed using a spray dryer (Okawara Kako Co., Ltd.) and a rotating disk type atomizer (diameter 65 mm), rotating at 25,000 rpm. Then, spray drying granulation was performed under conditions of a hot air temperature of 150 ° C. and a particle recovery outlet temperature of 90 ° C. to obtain composite particles for a positive electrode.
- the average volume particle diameter of the obtained composite particles was 30 ⁇ m.
- the positive electrode obtained above was cut into a disk shape with a diameter of 16 mm, and a separator made of a polypropylene-like porous film having a disk shape with a diameter of 18 mm and a thickness of 25 ⁇ m on the positive electrode active material layer surface side of the positive electrode.
- lithium metal and expanded metal are laminated in this order, and this is placed in a stainless steel coin-type outer container (diameter 20 mm, height 1.8 mm, stainless steel thickness 0.25 mm) provided with polypropylene packing. Stowed.
- a stainless steel cap having a thickness of 0.2 mm was put on the outer container and fixed, and the battery can was sealed to produce a coin-type lithium secondary battery (half cell) having a diameter of 20 mm and a thickness of about 2 mm. .
- Example 3-2 A slurry for composite particles, a composite for positive electrode, similar to Example 3-1, except that LiNi 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 O 2 was used as the positive electrode active material instead of LiNiO 2 Particles, a positive electrode and a lithium secondary battery were manufactured and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 5.
- Examples 3-3 to 3-6 Instead of the water-soluble polymer (B1) having a sulfonic acid group, the water-soluble polymer (B5) having a sulfonic acid group obtained in Production Example 10 (Example 3-3), obtained in Production Example 14 Water-soluble polymer having sulfonic acid group (B9) (Example 3-4), water-soluble polymer having sulfonic acid group obtained in Production Example 15 (B10) (Example 3-5), and Production Example A slurry for composite particles and a positive electrode were obtained in the same manner as in Example 3-1, except that the water-soluble polymer (B3) having a sulfonic acid group obtained in 8 (Example 3-6) was used. Composite particles, a positive electrode, and a lithium secondary battery were produced and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 5.
- Examples 3-7 and 3-8 The amount of the water-soluble polymer (B1) having a sulfonic acid group was changed to 1.6 parts (Example 3-7) and 0.08 parts (Example 3-8) in terms of solid content, respectively. Except for the above, a composite particle slurry, a positive electrode composite particle, a positive electrode, and a lithium secondary battery were produced in the same manner as in Example 3-1, and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 5.
- Example 3-9 Except that the water-soluble polymer (B2) having a sulfonic acid group obtained in Production Example 7 was used instead of the water-soluble polymer (B1) having a sulfonic acid group, the same procedure as in Example 3-1 was performed.
- the composite particle slurry, the positive electrode composite particle, the positive electrode, and the lithium secondary battery were produced and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 5.
- Example 3-1 A composite particle slurry was produced in the same manner as in Example 3-1, except that carboxymethylcellulose was used instead of the water-soluble polymer (B1) having a sulfonic acid group. When manufactured, the moldability was extremely inferior, and composite particles for positive electrodes could not be obtained.
- Example 3-2 A slurry for composite particles was produced in the same manner as in Example 3-1, except that the water-insoluble particulate polymer (A1) was not blended, and then composite particles for a positive electrode were produced. The composite particles for positive electrode could not be obtained.
- Example 3-3 A slurry for composite particles, composite particles for positive electrodes, positive electrodes, and lithium secondary batteries were produced in the same manner as in Example 3-1, except that the water-soluble polymer (B1) having a sulfonic acid group was not blended. The same evaluation was performed. The results are shown in Table 5.
- the composite particle slurry in which the positive electrode active material, the water-insoluble particulate polymer, and the water-soluble polymer having a sulfonic acid group are dispersed in water are all prevented from corroding metal.
- the composite particles for positive electrode obtained using the slurry for composite particles have high peel strength when formed into a positive electrode, and further, the initial capacity and high-temperature storage characteristics when formed into a battery, It was excellent in internal resistance and high temperature cycle characteristics (Examples 3-1 to 3-9).
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Abstract
電極活物質、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体を含むことを特徴とする電気化学素子電極用複合粒子を提供する。本発明によれば、流動性が高く、集電体に対して高い密着性を示し、かつ、初期容量が高く、内部抵抗が低く、高温保存特性に優れた電気化学素子電極を与えることのできる電気化学素子電極用複合粒子が提供される。
Description
本発明は、電気化学素子電極用複合粒子、電気化学素子電極材料、及び電気化学素子電極に関する。
小型で軽量であり、エネルギー密度が高く、さらに繰り返し充放電が可能なリチウムイオン二次電池などの電気化学素子は、その特性を活かして急速に需要を拡大している。リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が比較的に大きいことから携帯電話やノート型パーソナルコンピュータ、電気自動車などの分野で利用されている。
これら電気化学素子には、用途の拡大や発展に伴い、低抵抗化、高容量化、機械的特性や生産性の向上など、より一層の改善が求められている。このような状況において、電気化学素子電極に関してもより生産性の高い製造方法が求められており、高速成形可能な製造方法及び該製造方法に適合する電気化学素子電極用材料について様々な改善が行われている。
電気化学素子電極は、通常、電極活物質と、必要に応じて用いられる導電材とを結着剤で結着することにより形成された電極活物質層を集電体上に積層してなるものである。このような電極活物質層を形成する方法として、特許文献1,2には、電極活物質、ゴム粒子及び分散媒を含むスラリーを噴霧乾燥することにより粒子状の電極材料を得て、得られた電極材料を用いて電極活物質層を形成する方法が開示されている。
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、スラリーを調製する際に、粘度調整剤を用いていないため、スラリーの粘度が低く、粒子状の電極材料中において、結着剤が表面に局在化してしまい、得られる粒子状の電極材料は流動性に劣り、そのため、均一な膜厚を有する電極を作製することができなかった。また、特許文献2に記載の技術では、分散剤としても作用する粘度調整剤としてカルボキシメチルセルロースを用いているが、粒子状の電極材料中において、カルボキシメチルセルロースが結着剤と複合化し、これにより、結着剤が硬くなってしまい、得られる粒子状の電極材料を加圧成形した時に、集電体との接着が不十分となる場合があった。
また、リチウムイオン二次電池の高性能化に向けて、正極用活物質の開発が進められており、高容量化へ向けて、ニッケル等の遷移金属を含有する正極用活物質が注目を浴びている。このような高容量向け正極用活物質は、活物質製造時に使用される炭酸リチウムが活物質中に残存することにより強い塩基性を示すものである。そのため、特許文献1,2に記載の技術のように、このような正極用活物質を用いて水系スラリーとし、得られた水系スラリーを噴霧乾燥した場合には、強い塩基性により噴霧乾燥装置など製造装置が腐食してしまい、これにより、水系スラリー中に異物が混入してしまい、電極とした際に、サイクル特性などの電池特性が低下してしまうという課題もあった。
本発明は、流動性が高く、集電体に対して高い密着性を示し、かつ、内部抵抗が低く、高温保存特性に優れた電気化学素子電極を与えることのできる電気化学素子電極用複合粒子を提供することを目的とする。また、本発明は、このような電気化学素子電極用複合粒子を用いて得られる電気化学素子電極材料、及び電気化学素子電極を提供することも目的とする。
本発明者等は、上記目的を達成するために鋭意研究した結果、電極活物質、非水溶性粒子状重合体、及びスルホン酸基を有する水溶性重合体を含有する複合粒子が、集電体に対して高い密着性を示し、かつ、電極とした場合に、内部抵抗が低く、高温保存特性に優れたものとすることができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明によれば、電極活物質、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体を含むことを特徴とする電気化学素子電極用複合粒子が提供される。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子において、前記水溶性重合体がカルボキシル基含有単量体単位をさらに含有することが好ましい。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子において、前記電極活物質が、ニッケルを含有する正極活物質であるように構成することができる。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子において、前記電極活物質が、鱗片状の電極活物質であるように構成することができる。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子において、前記水溶性重合体が、スルホン酸基含有単量体単位を有する水溶性重合体であり、前記水溶性重合体における前記スルホン酸基含有単量体単位の含有割合が、2~15重量%であることが好ましい。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子において、前記水溶性重合体におけるカルボキシル基含有単量体単位の含有割合が、20~60重量%であることが好ましい。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子において、前記水溶性重合体が、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位をさらに含有することが好ましい。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子において、前記電極活物質が、ニッケルを含有する正極活物質であるように構成することができる。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子において、前記電極活物質が、鱗片状の電極活物質であるように構成することができる。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子において、前記水溶性重合体が、スルホン酸基含有単量体単位を有する水溶性重合体であり、前記水溶性重合体における前記スルホン酸基含有単量体単位の含有割合が、2~15重量%であることが好ましい。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子において、前記水溶性重合体におけるカルボキシル基含有単量体単位の含有割合が、20~60重量%であることが好ましい。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子において、前記水溶性重合体が、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位をさらに含有することが好ましい。
本発明によれば、上記いずれかの電気化学素子電極用複合粒子を含んでなることを特徴とする電気化学素子電極材料が提供される。
また、本発明によれば、上記の電気化学素子電極材料から形成される電極活物質層を集電体上に積層してなることを特徴とする電気化学素子電極が提供される。
本発明の電気化学素子電極は、前記電極活物質層を前記集電体上に、加圧成形により積層してなるものであることが好ましく、ロール加圧成形により積層してなるものであることがより好ましい。
さらに、本発明によれば、上記いずれかの電気化学素子電極用複合粒子を製造する方法であって、前記電極活物質、前記非水溶性粒子状重合体、及び前記水溶性重合体を水に分散させてスラリーを得る工程と、前記スラリーを噴霧乾燥して造粒する工程と、を有する電気化学素子電極用複合粒子の製造方法が提供される。
また、本発明によれば、上記の電気化学素子電極材料から形成される電極活物質層を集電体上に積層してなることを特徴とする電気化学素子電極が提供される。
本発明の電気化学素子電極は、前記電極活物質層を前記集電体上に、加圧成形により積層してなるものであることが好ましく、ロール加圧成形により積層してなるものであることがより好ましい。
さらに、本発明によれば、上記いずれかの電気化学素子電極用複合粒子を製造する方法であって、前記電極活物質、前記非水溶性粒子状重合体、及び前記水溶性重合体を水に分散させてスラリーを得る工程と、前記スラリーを噴霧乾燥して造粒する工程と、を有する電気化学素子電極用複合粒子の製造方法が提供される。
本発明によれば、集電体に対して高い密着性を示し、かつ、内部抵抗が低く、高温保存特性に優れた電気化学素子電極を与えることのできる電気化学素子電極用複合粒子、ならびに、このような電気化学素子電極用複合粒子を用いて得られる電気化学素子電極材料、及び電気化学素子電極を提供することができる。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子は、電極活物質、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体を含むことを特徴とする。
(電極活物質)
本発明で用いる電極活物質としては、特に限定されないが、たとえば、正極用の電極活物質としては、遷移金属を含有する化合物、具体的には、遷移金属を含有する酸化物、又はリチウムと遷移金属との複合酸化物を用いることができる。このような遷移金属の例としては、コバルト、マンガン、ニッケル、鉄などを挙げることができるが、本発明においては、ニッケルを含有する化合物、特に、ニッケルを含有する酸化物、リチウムとニッケルとを含有する複合酸化物などを用いることができる。これらのなかでも、リチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が好ましく、これらは、従来よりリチウム系二次電池の正極活物質として用いられているコバルト酸リチウム(LiCoO2)と比較して、高容量であるため、好適である。リチウムとニッケルとを含有する複合酸化物としては、たとえば、下記一般式で表されるものが挙げられる。
LiNi1-x-yCoxMyO2
(ただし、0≦x<1、0≦y<1、x+y<1、Mは、B、Mn、及びAlから選択される少なくとも1種の元素)
本発明で用いる電極活物質としては、特に限定されないが、たとえば、正極用の電極活物質としては、遷移金属を含有する化合物、具体的には、遷移金属を含有する酸化物、又はリチウムと遷移金属との複合酸化物を用いることができる。このような遷移金属の例としては、コバルト、マンガン、ニッケル、鉄などを挙げることができるが、本発明においては、ニッケルを含有する化合物、特に、ニッケルを含有する酸化物、リチウムとニッケルとを含有する複合酸化物などを用いることができる。これらのなかでも、リチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が好ましく、これらは、従来よりリチウム系二次電池の正極活物質として用いられているコバルト酸リチウム(LiCoO2)と比較して、高容量であるため、好適である。リチウムとニッケルとを含有する複合酸化物としては、たとえば、下記一般式で表されるものが挙げられる。
LiNi1-x-yCoxMyO2
(ただし、0≦x<1、0≦y<1、x+y<1、Mは、B、Mn、及びAlから選択される少なくとも1種の元素)
また、負極用の電極活物質としては、たとえば、アモルファスカーボン、グラファイト、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、ピッチ系炭素繊維などの炭素質材料;ポリアセン等の導電性高分子;ケイ素、錫、亜鉛、マンガン、鉄、ニッケル等の金属やこれらの合金;前記金属又は合金の酸化物や硫酸塩;リチウム遷移金属窒化物;シリコン;SiOC、TiOC、AlOC、Al2O3、ZrO2、TiO2等のセラミックス;などを用いることができる。これらのなかでも、容量とサイクル特性のバランスが良好であるという点より、グラファイト、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ等の黒鉛系の材料が好ましく、高容量化が可能であるという点より、黒鉛系の材料とSiOCとを併用して用いることが特に好ましい。
あるいは、電極活物質としては、鱗片状の電極活物質を用いてもよい。鱗片状の電極活物質としては、その形状が、鱗片状であればよく特に限定されないが、たとえば、長径L1の長さが0.1~20μm、好ましくは0.5~10μmであり、短径L2の長さと厚みtとの比(L2/t)が10以上、好ましくは15以上のものを用いることができる。また、長径L1の長さと短径L2の長さとの比(L1/L2)は、特に限定されないが、好ましくは1~5であり、より好ましくは1~2である。なお、長径L1は、たとえば、電極活物質の主面において最も長い径の長さであり、また、短径L2は、たとえば、電極活物質の主面において最も短い径の長さであり、さらに、厚みtは、たとえば、電極活物質の主面と直交する方向における長さであり、これらは、たとえば、電極活物質を電子顕微鏡で観察することにより測定することができる。本発明においては、電極活物質として、鱗片状の活物質を用いることにより、鱗片状の活物質の作用により、電気化学素子電極用複合粒子の流動性を高めることができ、これにより成形性を向上させることができる。
なお、本発明で用いる鱗片状の電極活物質の具体例としては、たとえば、鱗片状黒鉛、鱗片状のチタン酸リチウム、鱗片状のチタンシリコン合金、鱗片状のシリコンカーバイトなどが挙げられ、これらの中でも、得られる電気化学素子電極の内部抵抗を低くできるという点より、鱗片状黒鉛が好ましい。なお、電極活物質として鱗片状黒鉛を用いる場合には、本発明の電気化学素子電極用複合粒子は、負極用の複合粒子(たとえば、リチウムイオン二次電池の負極用の複合粒子、又はリチウムイオンキャパシタの負極用の複合粒子)として、好適に用いることができる。
(非水溶性粒子状重合体)
本発明で用いる非水溶性粒子状重合体は、非水溶性であり、粒子形状を有する重合体であればよく特に限定されない。特に、非水溶性粒子状重合体としては、本発明の電気化学素子電極用複合粒子内において、粒子状態を保持した状態、すなわち、電極活物質上に粒子状態を保持した状態で存在できるものが好ましい。電気化学素子電極用複合粒子内において、粒子状態を保持した状態で存在することにより、電子伝導を阻害することなく、電極活物質同士を良好に結着することが可能となる。なお、本発明において、“粒子状態を保持した状態”とは、完全に粒子形状を保持した状態である必要はなく、その粒子形状をある程度保持した状態であればよく、たとえば、電極活物質同士を結着した結果、これら電極活物質同士によりある程度押しつぶされたような形状となっていてもよい。
本発明で用いる非水溶性粒子状重合体は、非水溶性であり、粒子形状を有する重合体であればよく特に限定されない。特に、非水溶性粒子状重合体としては、本発明の電気化学素子電極用複合粒子内において、粒子状態を保持した状態、すなわち、電極活物質上に粒子状態を保持した状態で存在できるものが好ましい。電気化学素子電極用複合粒子内において、粒子状態を保持した状態で存在することにより、電子伝導を阻害することなく、電極活物質同士を良好に結着することが可能となる。なお、本発明において、“粒子状態を保持した状態”とは、完全に粒子形状を保持した状態である必要はなく、その粒子形状をある程度保持した状態であればよく、たとえば、電極活物質同士を結着した結果、これら電極活物質同士によりある程度押しつぶされたような形状となっていてもよい。
このような非水溶性粒子状重合体としては、たとえば、分散媒として水を用いた乳化重合に得られた重合体などが挙げられ、この場合には、非水溶性粒子状重合体は、分散媒としての水に分散させた状態で用いられる。このような重合体の具体例としては、フッ素系重合体、ジエン系重合体、アクリレート系重合体、シリコン系重合体などが挙げられ、これらのなかでも、ジエン系重合体、アクリレート系重合体が好ましく用いられる。
ジエン系重合体は、共役ジエン単量体を重合して得られる構造単位(以下、「共役ジエン単量体単位」と記すことがある。)を含む重合体であり、具体的には、共役ジエン単量体の単独重合体、共役ジエン単量体を含む単量体混合物を重合して得られる共重合体などが挙げられる。
ジエン系重合体の中でも、共役ジエン単量体単位、エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位、及びこれらと共重合可能な他の単量体単位を含有するものが挙げられる。なお、エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位とは、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を重合して得られる構造単位をいい、これらと共重合可能な他の単量体単位とは、これらと共重合可能な他の単量体を重合して得られる構造単位をいう。
ジエン系重合体の中でも、共役ジエン単量体単位、エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位、及びこれらと共重合可能な他の単量体単位を含有するものが挙げられる。なお、エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位とは、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を重合して得られる構造単位をいい、これらと共重合可能な他の単量体単位とは、これらと共重合可能な他の単量体を重合して得られる構造単位をいう。
共役ジエン単量体単位を形成する共役ジエン単量体としては、たとえば、1,3-ブタジエン、2-メチル-1,3-ブタジエン、2,3-ジメチル-1,3-ブタジエン、1,3-ペンタジエン、2-クロル-1,3-ブタジエン、置換直鎖共役ペンタジエン類、置換及び側鎖共役ヘキサジエン類などが挙げられる。これら共役ジエン単量体は、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。これらのなかでも、1,3-ブタジエンが好ましい。
ジエン系重合体中における共役ジエン単量体単位の含有割合は、好ましくは20~60重量%であり、より好ましくは30~55重量%である。共役ジエン単量体単位の含有割合を上記範囲とすることにより、耐電解液性を良好に保ちながら、集電体との密着性を向上させることができる。
エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位を形成するエチレン性不飽和カルボン酸単量体としては、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸などのモノカルボン酸、ジカルボン酸又はジカルボン酸の無水物などが挙げられる。これらエチレン性不飽和カルボン酸単量体は、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。これらのなかでも、メタクリル酸、及びイタコン酸が好ましく、メタクリル酸がより好ましい。
ジエン系重合体中におけるエチレン性不飽和カルボン酸単量体単位の含有割合は、好ましくは0.5~10重量%であり、より好ましくは1~8重量%、さらに好ましくは2~7重量%である。エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位の含有割合を上記範囲とすることにより、スラリー化した際における粘度上昇を抑えることができ、かつ、得られるスラリーを安定なものとすることができる。
共重合可能な他の単量体単位を形成する他の単量体としては、芳香族ビニル系単量体、シアン化ビニル系単量体、不飽和カルボン酸アルキルエステル単量体、ヒドロキシアルキル基を含有する不飽和単量体、不飽和カルボン酸アミド単量体などが挙げられる。これら他の単量体は、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。これらのなかでも、芳香族ビニル系単量体、シアン化ビニル系単量体が好ましく、芳香族ビニル系単量体がより好ましい。
芳香族ビニル系単量体としては、たとえば、スチレン、α-メチルスチレン、β-メチルスチレン、ビニルトルエンなどが挙げられる。
シアン化ビニル系単量体としては、たとえば、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、α-クロロアクリロニトリル、α-エチルアクリロニトリルなどが挙げられる。
不飽和カルボン酸アルキルエステル単量体としては、たとえば、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルアクリレート、エチルメタクリレート、ブチルアクリレート、グリシジルメタクリレート、ジメチルフマレート、ジエチルフマレート、ジメチルマレエート、ジエチルマレエート、ジメチルイタコネート、モノメチルフマレート、モノエチルフマレート、2-エチルヘキシルアクリレート等が挙げられる。
シアン化ビニル系単量体としては、たとえば、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、α-クロロアクリロニトリル、α-エチルアクリロニトリルなどが挙げられる。
不飽和カルボン酸アルキルエステル単量体としては、たとえば、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルアクリレート、エチルメタクリレート、ブチルアクリレート、グリシジルメタクリレート、ジメチルフマレート、ジエチルフマレート、ジメチルマレエート、ジエチルマレエート、ジメチルイタコネート、モノメチルフマレート、モノエチルフマレート、2-エチルヘキシルアクリレート等が挙げられる。
ヒドロキシアルキル基を含有する不飽和単量体としては、たとえば、β-ヒドロキシエチルアクリレート、β-ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート、ヒドロキシブチルアクリレート、ヒドロキシブチルメタクリレート、3-クロロ-2-ヒドロキシプロピルメタクリレート、ジ-(エチレングリコール)マレエート、ジ-(エチレングリコール)イタコネート、2-ヒドロキシエチルマレエート、ビス(2-ヒドロキシエチル)マレエート、2-ヒドロキシエチルメチルフマレートなどが挙げられる。
不飽和カルボン酸アミド単量体としては、たとえば、アクリルアミド、メタクリルアミド、N-メチロールアクリルアミド、N-メチロールメタクリルアミド、N,N-ジメチルアクリルアミド等が挙げられる。
不飽和カルボン酸アミド単量体としては、たとえば、アクリルアミド、メタクリルアミド、N-メチロールアクリルアミド、N-メチロールメタクリルアミド、N,N-ジメチルアクリルアミド等が挙げられる。
ジエン系重合体中における共重合可能な他の単量体単位の含有割合は、好ましくは30~79.5重量%であり、より好ましくは35~69重量%である。共重合可能な他の単量体単位の含有割合を上記範囲とすることにより、耐電解液性を良好に保ちながら、集電体との密着性を向上させることができる。
アクリレート重合体は、(メタ)アクリル酸エステル単量体を重合して得られる構造単位(以下、「(メタ)アクリル酸エステル単量体単位」と記すことがある。)を含む重合体であり、具体的には、(メタ)アクリル酸エステル単量体〔アクリル酸エステル及び/又はメタクリル酸エステルの意。以下、同様。〕の単独重合体又はこれらを含む単量体混合物を重合して得られる共重合体である。
(メタ)アクリル酸エステル単量体の具体例としては、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸プロピル、(メタ)アクリル酸イソプロピル、(メタ)アクリル酸n-ブチル、(メタ)アクリル酸イソブチル、(メタ)アクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリル酸2-エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸イソペンチル、(メタ)アクリル酸イソオクチル、(メタ)アクリル酸イソボニル、(メタ)アクリル酸イソデシル、(メタ)アクリル酸ラウリル、(メタ)アクリル酸ステアリル、および(メタ)アクリル酸トリデシル等の(メタ)アクリル酸アルキルエステル;(メタ)アクリル酸ブトキシエチル、(メタ)アクリル酸エトキシジエチレングリコール、(メタ)アクリル酸メトキシジプロピレングリコール、(メタ)アクリル酸メトキシポリエチレングリコール、(メタ)アクリル酸フェノキシエチル、(メタ)アクリル酸テトラヒドロフルフリル等のエーテル基含有(メタ)アクリル酸エステル;(メタ)アクリル酸-2-ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸-2-ヒドロキシプロピル、(メタ)アクリル酸-2-ヒドロキシ-3-フェノキシプロピル、2-(メタ)アクリロイロキシエチル-2-ヒドロキシエチルフタル酸等の水酸基含有(メタ)アクリル酸エステル;2-(メタ)アクリロイロキシエチルフタル酸、2-(メタ)アクリロイロキシエチルフタル酸等のカルボン酸含有(メタ)アクリル酸エステル;(メタ)アクリル酸パーフロロオクチルエチル等のフッ素基含有(メタ)アクリル酸エステル;(メタ)アクリル酸リン酸エチル等のリン酸基含有(メタ)アクリル酸エステル;(メタ)アクリル酸グリシジル等のエポキシ基含有(メタ)アクリル酸エステル;(メタ)アクリル酸ジメチルアミノエチル等のアミノ基含有(メタ)アクリル酸エステル;等が挙げられる。
これら(メタ)アクリル酸エステル単量体は、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。これらのなかでも、非水溶性粒子状重合体を電解液に対する膨潤性の低いものとすることができ、これにより、電極とした際におけるサイクル特性を向上させることができるという点より、(メタ)アクリル酸アルキルエステルが好ましく、アルキル基の炭素数が6~12である(メタ)アクリル酸アルキルエステルがより好ましい。
アクリレート系重合体中における(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の含有割合は、好ましくは50~95重量%であり、より好ましくは60~90重量%である。(メタ)アクリル酸エステル単位の含有割合を上記範囲とすることにより、電気化学素子電極とした際における柔軟性を向上させることができ、割れに対する耐性を高いものとすることができる。
また、アクリレート系重合体としては、上述した(メタ)アクリル酸エステル単量体と、これと共重合可能な単量体との共重合体であってもよく、このような共重合可能な単量体としては、たとえば、α,β-不飽和ニトリルモノマー、酸成分を有するビニルモノマーなどが挙げられる。
α,β-不飽和ニトリルモノマーとしては、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、α-クロロアクリロニトリル、α-ブロモアクリロニトリルなどが挙げられる。これらは、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。これらのなかでも、アクリロニトリル、メタクリロニトリルが好ましく、アクリロニトリルがより好ましい。
アクリレート系重合体中におけるα,β-不飽和ニトリルモノマー単位(α,β-不飽和ニトリルモノマーを重合して得られる構造単位)の含有割合は、好ましくは3~40重量%であり、より好ましくは5~30重量%である。α,β-不飽和ニトリルモノマー単位の含有割合を上記範囲とすることにより、バインダーとしての結着力をより高めることができる。
酸成分を有するビニルモノマーとしては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸などが挙げられる。これらは、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。これらのなかでも、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸が好ましく、メタクリル酸、イタコン酸がより好ましい。
アクリレート系重合体中における酸成分を有するビニルモノマー単位(酸成分を有するビニルモノマーを重合して得られる構造単位)の含有割合は、好ましくは1.0~7.0重量%であり、より好ましくは1.5~5.0重量%である。酸成分を有するビニルモノマー単位の含有割合を上記範囲とすることにより、スラリーとした際における安定性を向上させることができる。
さらに、アクリレート系重合体としては、上述した各単量体と共重合可能な他の単量体を共重合したものであってもよく、このような他の単量体としては、たとえば、2つ以上の炭素-炭素二重結合を有するカルボン酸エステル類、芳香族ビニル系単量体、アミド系単量体、オレフィン類、ジエン系単量体、ビニルケトン類、複素環含有ビニル化合物などが挙げられる。
非水溶性粒子状重合体の重量平均分子量は、好ましくは10,000~1000,000、より好ましくは20,000~500,000である。非水溶性粒子状重合体の重量平均分子量を上記範囲にすることにより、電気化学素子電極とした場合における強度を十分なものとすることができる。なお、非水溶性粒子状重合体の重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって、テトラヒドロフランを展開溶媒としたポリスチレン換算の値として求めることができる。
非水溶性粒子状重合体の平均粒子径は、非水溶性粒子状重合体がジエン系重合体である場合には、好ましくは50~500nm、より好ましくは70~400nmである。また、非水溶性粒子状重合体がアクリレート系重合体である場合には、非水溶性粒子状重合体の平均粒子径は、好ましくは50~200nm、より好ましくは60~185nm、さらに好ましくは70~160nmである。非水溶性粒子状重合体の平均粒子径を上記範囲とすることにより、電気化学素子電極とした場合における強度及び柔軟性を良好とすることができ、さらには、スラリーとした際における安定性を良好なものとしながら、バインダとしての結着力を向上させることができる。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子中における、非水溶性粒子状重合体の含有割合は、電極活物質が正極用の活物質である場合には、電極活物質100重量部に対して、好ましくは0.1~10重量部、より好ましくは0.5~5重量部、さらに好ましくは0.8~3重量部である。また、電極活物質が負極用の活物質である場合には、非水溶性粒子状重合体の含有割合は、電極活物質100重量部に対して、好ましくは0.3~8重量部、より好ましくは0.4~7重量部、さらに好ましくは0.5~5重量部である。非水溶性粒子状重合体の含有割合を上記範囲とすることで、電気化学素子電極とした際におけるイオン伝導を良好なものとしながら、電極活物質同士の結着力及び集電体に対する密着性の向上効果をより高めることができる。なお、電極活物質として、鱗片状の電極活物質を用いる場合には、非水溶性粒子状重合体の含有割合は、電極活物質が負極用の活物質である場合と同様とすればよい。
(スルホン酸基を有する水溶性重合体)
本発明で用いるスルホン酸基を有する水溶性重合体は、スルホン酸基を有し、水溶性を示すものであれば特に制限されない。例えば、スルホン酸基含有単量体を重合して得られる構造単位(以下、「スルホン酸基含有単量体単位」と記すことがある。)を有する水溶性重合体、水溶性重合体にスルホン酸基を含有する化合物を付加させた水溶性重合体、スルホン酸基を含有する重合開始剤を用いて重合して得られる水溶性重合体などが挙げられる。中でも、スルホン酸基含有単量体単位を有する水溶性の重合体が好ましい。本発明においては、スルホン酸基を有する水溶性重合体は分散剤として作用し、スルホン酸基を有する水溶性重合体を含有させることにより、スルホン酸基(-SO3H)の作用により、スラリー化した際の電極活物質の分散性を向上させる効果及び集電体との密着性を向上させる効果を奏する。
本発明で用いるスルホン酸基を有する水溶性重合体は、スルホン酸基を有し、水溶性を示すものであれば特に制限されない。例えば、スルホン酸基含有単量体を重合して得られる構造単位(以下、「スルホン酸基含有単量体単位」と記すことがある。)を有する水溶性重合体、水溶性重合体にスルホン酸基を含有する化合物を付加させた水溶性重合体、スルホン酸基を含有する重合開始剤を用いて重合して得られる水溶性重合体などが挙げられる。中でも、スルホン酸基含有単量体単位を有する水溶性の重合体が好ましい。本発明においては、スルホン酸基を有する水溶性重合体は分散剤として作用し、スルホン酸基を有する水溶性重合体を含有させることにより、スルホン酸基(-SO3H)の作用により、スラリー化した際の電極活物質の分散性を向上させる効果及び集電体との密着性を向上させる効果を奏する。
加えて、スルホン酸基を有する水溶性重合体は、たとえば、電極活物質として、ニッケルを含有する活物質を用いた場合には、電気化学素子電極用複合粒子の製造工程において、ニッケルを含有する活物質、及び非水溶性粒子状重合体とともに、水に分散させてスラリーとした際における、分散剤及びpH調整剤として作用する。そして、本発明においては、スラリー化した際に、従来であれば、活物質が含有するニッケルの影響でスラリーのpHが高くなってしまうことで噴霧乾燥装置など製造装置が腐食してしまうという不具合を、スルホン酸基を有する水溶性重合体がpH調整剤としての作用することにより有効に防止することができる。
スルホン酸基含有単量体単位を形成するスルホン酸基含有単量体としては、ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、アリルスルホン酸、スルホエチルメタクリレート、スルホプロピルメタクリレート、スルホブチルメタクリレートなどのスルホン酸基以外の官能基を有さないスルホン酸基含有化合物;2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸(AMPS)などのアミド基とスルホン酸基とを含有する化合物;3-アリロキシ-2-ヒドロキシプロパンスルホン酸(HAPS)などのヒドロキシル基とスルホン酸基とを含有する化合物;などが挙げられる。また、これらのリチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩などを用いることもできる。これらは、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。これらのなかでも、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸(AMPS)が好ましい。
スルホン酸基を有する水溶性重合体中のスルホン酸基含有単量体単位の含有割合は、好ましくは2~15重量%であり、より好ましくは2~10重量%、さらに好ましくは2~8重量%である。スルホン酸基含有単量体単位の含有割合を上記範囲とすることにより、スラリー化した際における電極活物質の分散性向上効果及び集電体に対する密着性向上効果をより高めることができる。
本発明で用いるスルホン酸基を有する水溶性重合体は、スルホン酸基含有単量体単位に加えて、カルボキシル基含有単量体を重合して得られる構造単位(以下、「カルボキシル基含有単量体単位」と記すことがある。)をさらに含有していることが好ましい。カルボキシル基含有単量体単位を含有することにより、スルホン酸基を有する水溶性重合体を、スルホン酸基に加えて、カルボキシル基を有するものとすることができ、これにより、カルボキシル基の静電反発によって、スラリー化した際における電極活物質の分散性をより向上させることができる。
カルボキシル基含有単量体単位を形成するカルボキシル基含有単量体としては、たとえば、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸などのモノカルボン酸;2-エチルアクリル酸、イソクロトン酸、α-アセトキシアクリル酸、β-trans-アリールオキシアクリル酸、α-クロロ-β-E-メトキシアクリル酸、β-ジアミノアクリル酸などのモノカルボン酸の誘導体;マレイン酸、フマル酸、イタコン酸などのジカルボン酸;無水マレイン酸、アクリル酸無水物、メチル無水マレイン酸、ジメチル無水マレイン酸などのジカルボン酸の酸無水物;メチルマレイン酸、ジメチルマレイン酸、フェニルマレイン酸、クロロマレイン酸、ジクロロマレイン酸、フルオロマレイン酸、マレイン酸ジフェニル、マレイン酸ノニル、マレイン酸デシル、マレイン酸ドデシル、マレイン酸オクタデシル、マレイン酸フルオロアルキル等のジカルボン酸の誘導体;などが挙げられる。これらは、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、アクリル酸、メタクリル酸及びイタコン酸が好ましく、アクリル酸、及びメタクリル酸がより好ましい。
スルホン酸基を有する水溶性重合体中のカルボキシル基含有単量体単位の含有割合は、好ましくは20~60重量%であり、より好ましくは20~50重量%、さらに好ましくは20~40重量%である。カルボキシル基含有単量体単位の含有割合を上記範囲とすることにより、集電体に対する密着性をより向上させることができる。
また、本発明で用いるスルホン酸基を有する水溶性重合体は、上述したスルホン酸基含有単量体単位、及びカルボキシル基含有単量体単位に加えて、さらに(メタ)アクリル酸エステル単量体を重合して得られる構造単位(以下、「(メタ)アクリル酸エステル単量体単位」と記すことがある。)を含有していることが好ましい。
(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を形成する(メタ)アクリル酸エステル単量体としては、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル、(メタ)アクリル酸ヘキシル、(メタ)アクリル酸-2エチルヘキシル等の(メタ)アクリル酸アルキルエステル;エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート等の2つ以上の炭素-炭素二重結合を有するカルボン酸エステル類;などが挙げられる。これらは、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、(メタ)アクリル酸アルキルエステルが好ましく、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、及び(メタ)アクリル酸ブチルがより好ましい。本発明において、(メタ)アクリル酸エステル単量体の中でもフッ素を含有するものは、フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体として、(メタ)アクリル酸エステル単量体とは区別する。
スルホン酸基を有する水溶性重合体中の(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の含有割合は、好ましくは25~78重量%であり、より好ましくは45~75重量%、さらに好ましくは60~70重量%である。(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の含有割合を上記範囲とすることにより、集電体に対する密着性の向上効果をより高めることができる。
スルホン酸基を有する水溶性重合体の重量平均分子量は、好ましくは1,000~100,000、より好ましくは1,500~80,000、さらに好ましくは2,000~75,000である。重量平均分子量を上記範囲とすることにより、集電体に対する密着性の向上効果をより高めることができる。なお、スルホン酸基を有する水溶性重合体の重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって、ジメチルホルムアミドの10体積%水溶液に0.85g/mlの硝酸ナトリウムを溶解させた溶液を展開溶媒としたポリスチレン換算の値として求めることができる。
また、スルホン酸基を有する水溶性重合体のガラス転移温度は、好ましくは0~70℃であり、より好ましくは0~50℃、さらに好ましくは0~40℃である。ガラス転移温度を上記範囲とすることにより、電気化学素子電極とした場合における柔軟性を向上させることができる。
スルホン酸基を有する水溶性重合体の製造方法としては、特に限定さないが、たとえば、水を分散媒とする乳化重合により製造することができる。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子中における、スルホン酸基を有する水溶性重合体の含有割合は、電極活物質が正極用の活物質である場合には、電極活物質100重量部に対して、好ましくは0.1~1.5重量部、より好ましくは0.2~1.3重量部、さらに好ましくは0.3~1重量部である。また、電極活物質が負極用の活物質である場合には、スルホン酸基を有する水溶性重合体の含有割合は、電極活物質100重量部に対して、好ましくは0.01~2重量部、より好ましくは0.03~1重量部、さらに好ましくは0.05~0.5重量部である。スルホン酸基を有する水溶性重合体の含有割合を上記範囲とすることで、スラリー化した際における電極活物質の分散性を向上させる効果及び集電体との密着性を向上させる効果をより適切に発揮させることができ、さらには、電気化学素子電極とした際におけるイオン伝導を良好なものとしながら、電極活物質同士の結着力及び集電体に対する密着性の向上効果をより高めることができる。なお、電極活物質として、鱗片状の電極活物質を用いる場合には、スルホン酸基を有する水溶性重合体の含有割合は、電極活物質が負極用の活物質である場合と同様とすればよい。
また、本発明においては、上述した非水溶性粒子状重合体と、スルホン酸基を有する水溶性重合体との割合は、電極活物質が正極用の活物質である場合には、「非水溶性粒子状重合体/スルホン酸基を有する水溶性重合体」の重量比で、好ましくは70/30~90/10、より好ましくは70/30~85/15、さらに好ましくは70/30~80/20である。また、電極活物質が負極用の活物質である場合には、「非水溶性粒子状重合体/スルホン酸基を有する水溶性重合体」の重量比で、好ましくは80/20~99.9/0.1、より好ましくは85/15~95/5、さらに好ましくは83/17~95/5である。これらの割合を上記範囲とすることにより、スラリー化した際における電極活物質の分散性をより向上させることができる。なお、電極活物質として、鱗片状の電極活物質を用いる場合には、非水溶性粒子状重合体と、スルホン酸基を有する水溶性重合体との割合は、電極活物質が負極用の活物質である場合と同様とすればよい。
(導電材)
本発明の電気化学素子電極用複合粒子は、上記各成分に加えて、必要に応じて導電材を含有していてもよい。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子は、上記各成分に加えて、必要に応じて導電材を含有していてもよい。
導電材としては、導電性を有する粒子状の材料であればよく、特に限定されないが、たとえば、ファーネスブラック、アセチレンブラック、及びケッチェンブラック等の導電性カーボンブラック;天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛;ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相法炭素繊維等の炭素繊維;が挙げられる。導電材の平均粒子径は、特に限定されないが、電極活物質の平均粒子径よりも小さいものが好ましく、通常、0.001~10μm、より好ましくは0.05~5μm、さらに好ましくは0.01~1μmの範囲である。導電材の平均粒子径が上記範囲にあると、より少ない使用量で十分な導電性を発現させることができる。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子中における、導電材の含有割合は、電極活物質100重量部に対して、好ましくは0.1~50重量部、より好ましくは0.5~15重量部、さらに好ましくは1~10重量部である。導電材の含有割合を上記範囲とすることにより、得られる電気化学素子の容量を高く保ちながら、内部抵抗を十分に低減することが可能となる。
(電気化学素子電極用複合粒子)
本発明の電気化学素子電極用複合粒子は、電極活物質、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体を含んでなるが、前記のそれぞれが個別に独立した粒子として存在するのではなく、電極活物質、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体の3成分の、少なくとも2成分、好ましくは3成分で一粒子を形成するものである。また、複合粒子中において、スルホン酸基を有する水溶性重合体も、粒子状で存在していてもよい。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子は、電極活物質、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体を含んでなるが、前記のそれぞれが個別に独立した粒子として存在するのではなく、電極活物質、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体の3成分の、少なくとも2成分、好ましくは3成分で一粒子を形成するものである。また、複合粒子中において、スルホン酸基を有する水溶性重合体も、粒子状で存在していてもよい。
具体的には、前記3成分の個々の粒子の複数個が結合して二次粒子を形成しており、複数個(好ましくは数個~数十個)の電極活物質が、非水溶性粒子状重合体及び/又はスルホン酸基を有する水溶性重合体によって結着されて塊状の粒子を形成しているものが好ましい。
また、複合粒子としての形状及び構造は特に限定されないが、流動性の観点から、形状は球状に近いものが好ましく、構造は、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体が、複合粒子の表面に偏在することなく、複合粒子内に均一に分散する構造が好ましい。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子の製造方法としては、特に限定されないが、以下に説明する噴霧乾燥造粒法によれば、本発明の電気化学素子電極用複合粒子を比較的容易に得ることができるため、好ましい。以下、噴霧乾燥造粒法について説明する。
まず、電極活物質、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体を含有する複合粒子用スラリーを調製する。複合粒子用スラリーは、電極活物質、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体、ならびに必要に応じて添加される導電材を、溶媒に分散又は溶解させることにより調製することができる。なお、この場合において、非水溶性粒子状重合体が分散媒としての水に分散されたものである場合には、水に分散させた状態で添加することができる。また、スルホン酸基を有する水溶性重合体が水に溶解した状態である場合には、水に溶解させた状態で添加することができる。
複合粒子用スラリーを得るために用いる溶媒としては、通常、水が用いられるが、水と有機溶媒との混合溶媒を用いてもよい。この場合に用いることができる有機溶媒としては、たとえば、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール等のアルキルアルコール類;アセトン、メチルエチルケトン等のアルキルケトン類;テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジグライム等のエーテル類;ジエチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチル-2-ピロリドン、ジメチルイミダゾリジノン等のアミド類;ジメチルスルホキサイド、スルホラン等のイオウ系溶剤;等が挙げられる。これらのなかでも、アルコール類が好ましい。水と、水よりも沸点の低い有機溶媒とを併用することにより、噴霧乾燥時に、乾燥速度を速くすることができる。また、水と併用する有機溶媒の量又は種類によって、非水溶性粒子状重合体の分散性やスルホン酸基を有する水溶性重合体の溶解性を変化させることができる。そして、これにより、複合粒子用スラリーの粘度や流動性を調整することができ、生産効率を向上させることができる。
複合粒子用スラリーを調製する際に使用する溶媒の量は、複合粒子用スラリー中の固形分濃度が、好ましくは1~50重量%、より好ましくは5~50重量%、さらに好ましくは10~30重量%の範囲となる量である。固形分濃度を上記範囲とすることにより、非水溶性粒子状重合体を均一に分散させることができるため、好適である。
また、複合粒子用スラリーの粘度は、室温において、好ましくは10~3,000mPa・s、より好ましくは30~1,500mPa・s、さらに好ましくは50~1,000mPa・sの範囲である。複合粒子用スラリーの粘度がこの範囲にあると、噴霧乾燥造粒工程の生産性を上げることができる。
また、本発明においては、複合粒子用スラリーを調製する際に、必要に応じて、上述したスルホン酸基を有する水溶性重合体以外の分散剤や界面活性剤を添加してもよい。
スルホン酸基を有する水溶性重合体以外の分散剤としては、溶媒に溶解可能な樹脂であればよく特に限定されないが、たとえば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、及び、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等のセルロース系ポリマー、ならびにこれらのアンモニウム塩又はアルカリ金属塩;ポリアクリル酸又はポリメタクリル酸のアンモニウム塩又はアルカリ金属塩;ポリビニルアルコール、変性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、ポリカルボン酸、酸化スターチ、リン酸スターチ、カゼイン、各種変性デンプン、キチン、キトサン誘導体等が挙げられる。これらの分散剤は、それぞれ単独で又は2種以上を組み合わせて使用できる。中でも、分散剤としては、セルロース系ポリマーが好ましく、カルボキシメチルセルロース又はそのアンモニウム塩もしくはアルカリ金属塩が特に好ましい。スルホン酸基を有する水溶性重合体以外の分散剤の使用量は、スルホン酸基を有する水溶性重合体の含有量との関係で、「スルホン酸基を有する水溶性重合体以外の分散剤/スルホン酸基を有する水溶性重合体」の重量比で、3/7以下の範囲とすることが好ましい。
また、界面活性剤としては、アニオン性、カチオン性、ノニオン性、ノニオニックアニオン等の両性の界面活性剤が挙げられるが、アニオン性又はノニオン性界面活性剤で熱分解しやすいものが好ましい。界面活性剤の配合量は、電極活物質100重量部に対して、好ましくは50重量部以下であり、より好ましくは0.1~10重量部、さらに好ましくは0.5~5重量部である。
電極活物質、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体、ならびに必要に応じて添加される導電材を溶媒に分散又は溶解する方法又は順番は、特に限定されない。また、混合装置としては、たとえば、ボールミル、サンドミル、ビーズミル、顔料分散機、らい潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、ホモミキサー、プラネタリーミキサー等を用いることができる。混合は、通常、室温~80℃の範囲で、10分~数時間行う。
次いで、得られた複合粒子用スラリーを噴霧乾燥して造粒する。噴霧乾燥は、熱風中にスラリーを噴霧して乾燥する方法である。スラリーの噴霧に用いる装置としてアトマイザーが挙げられる。アトマイザーとしては、回転円盤方式と加圧方式との二種類の装置が挙げられ、回転円盤方式は、高速回転する円盤のほぼ中央にスラリーを導入し、円盤の遠心力によってスラリーが円盤の外に放たれ、その際にスラリーを霧状にする方式である。回転円盤方式において、円盤の回転速度は円盤の大きさに依存するが、通常は5,000~30,000rpm、好ましくは15,000~30,000rpmである。円盤の回転速度が低いほど、噴霧液滴が大きくなり、得られる電気化学素子電極用複合粒子の平均粒子径が大きくなる。回転円盤方式のアトマイザーとしては、ピン型とベーン型が挙げられるが、好ましくはピン型アトマイザーである。ピン型アトマイザーは、噴霧盤を用いた遠心式の噴霧装置の一種であり、該噴霧盤が上下取付円板の間にその周縁に沿ったほぼ同心円上に着脱自在に複数の噴霧用コロを取り付けたもので構成されている。複合粒子用スラリーは噴霧盤中央から導入され、遠心力によって噴霧用コロに付着し、コロ表面を外側へと移動し、最後にコロ表面から離れ噴霧される。一方、加圧方式は、複合粒子用スラリーを加圧してノズルから霧状にして乾燥する方式である。
噴霧される複合粒子用スラリーの温度は、通常は室温であるが、加温して室温より高い温度としてもよい。また、噴霧乾燥時の熱風温度は、通常80~250℃、好ましくは100~200℃である。噴霧乾燥法において、熱風の吹き込み方法は特に制限されず、たとえば、熱風と噴霧方向が横方向に並流する方式、乾燥塔頂部で噴霧され熱風と共に下降する方式、噴霧した滴と熱風が向流接触する方式、噴霧した滴が最初熱風と並流し次いで重力落下して向流接触する方式等が挙げられる。
なお、噴霧方法としては、電極活物質、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体を含む複合粒子用スラリーを、一括して噴霧する方法以外にも、非水溶性粒子状重合体、スルホン酸基を有する水溶性重合体及び必要に応じてその他添加剤を含有するスラリーを、流動している電極活物質に噴霧する方法も用いることができる。粒子径制御の容易性、生産性、粒子径分布が小さくできる、などの観点から、複合粒子の成分等に応じて最適な方法を適宜選択すればよい。
このようにして得られる本発明の電気化学素子電極用複合粒子の平均粒子径は、好ましくは0.1~1,000μmであり、より好ましくは1~80μm、更に好ましくは10~40μmである。平均粒子径を上記範囲とすることにより、電気化学素子電極用複合粒子の流動性をより高めることができる。なお、電気化学素子電極用複合粒子の平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置(たとえば、SALD-3100;島津製作所製)にて測定し、算出される体積平均粒子径である。
<電気化学素子電極材料>
本発明の電気化学素子電極材料は、上述した本発明の電気化学素子電極用複合粒子を含んでなる。本発明の電気化学素子電極用複合粒子は、単独で又は必要に応じて他の結着剤やその他の添加剤を含有させることで、電気化学素子電極材料として用いられる。電気化学素子電極材料中に含有される電気化学素子電極用複合粒子の含有量は、好ましくは50重量%以上、より好ましくは70重量%以上、さらに好ましくは90重量%以上である。
本発明の電気化学素子電極材料は、上述した本発明の電気化学素子電極用複合粒子を含んでなる。本発明の電気化学素子電極用複合粒子は、単独で又は必要に応じて他の結着剤やその他の添加剤を含有させることで、電気化学素子電極材料として用いられる。電気化学素子電極材料中に含有される電気化学素子電極用複合粒子の含有量は、好ましくは50重量%以上、より好ましくは70重量%以上、さらに好ましくは90重量%以上である。
必要に応じて用いられる他の結着剤としては、たとえば、上述した本発明の電気化学素子電極用複合粒子に含有される非水溶性粒子状重合体を用いることができる。本発明の電気化学素子電極用複合粒子は、すでに結着剤としての非水溶性粒子状重合体を含有しているため、電気化学素子電極材料を調製する際に、他の結着剤を別途添加する必要はないが、電気化学素子電極用複合粒子同士の結着力を高めるために他の結着剤を添加してもよい。また、他の結着剤を添加する場合における該他の結着剤の添加量は、電気化学素子電極用複合粒子中の非水溶性粒子状重合体との合計で、電極活物質100重量部に対して、好ましくは0.01~10重量部、より好ましくは0.1~5重量部である。また、その他の添加剤としては、水やアルコールなどの成形助剤等が挙げられ、これらは、本発明の効果を損なわない量を適宜選択して加えることができる。
<電気化学素子電極>
本発明の電気化学素子電極は、上述した本発明の電気化学素子電極材料からなる電極活物質層を集電体上に積層してなる。集電体用材料としては、たとえば、金属、炭素、導電性高分子などを用いることができ、好適には金属が用いられる。金属としては、通常、アルミニウム、白金、ニッケル、タンタル、チタン、ステンレス鋼、その他の合金等が使用される。これらの中で導電性、耐電圧性の面からアルミニウム又はアルミニウム合金を使用するのが好ましい。また、高い耐電圧性が要求される場合には特開2001-176757号公報等で開示される高純度のアルミニウムを好適に用いることができる。集電体は、フィルム又はシート状であり、その厚みは、使用目的に応じて適宜選択されるが、通常1~200μm、好ましくは5~100μm、より好ましくは10~50μmである。
本発明の電気化学素子電極は、上述した本発明の電気化学素子電極材料からなる電極活物質層を集電体上に積層してなる。集電体用材料としては、たとえば、金属、炭素、導電性高分子などを用いることができ、好適には金属が用いられる。金属としては、通常、アルミニウム、白金、ニッケル、タンタル、チタン、ステンレス鋼、その他の合金等が使用される。これらの中で導電性、耐電圧性の面からアルミニウム又はアルミニウム合金を使用するのが好ましい。また、高い耐電圧性が要求される場合には特開2001-176757号公報等で開示される高純度のアルミニウムを好適に用いることができる。集電体は、フィルム又はシート状であり、その厚みは、使用目的に応じて適宜選択されるが、通常1~200μm、好ましくは5~100μm、より好ましくは10~50μmである。
電極活物質層を集電体上に積層する際には、電気化学素子電極材料をシート状に成形して、次いで集電体上に積層してもよいが、集電体上で電気化学素子電極材料を直接加圧成形する方法が好ましい。加圧成形としては、たとえば、一対のロールを備えたロール式加圧成形装置を用い、集電体をロールで送りながら、スクリューフィーダー等の供給装置で電気化学素子電極材料をロール式加圧成形装置に供給することで、集電体上で、電極活物質層を成形するロール加圧成形法や、電気化学素子電極材料を集電体上に散布し、電気化学素子電極材料をブレード等でならして厚みを調整し、次いで加圧装置で成形する方法、電気化学素子電極材料を金型に充填し、金型を加圧して成形する方法などが挙げられる。これらのなかでも、ロール加圧成形法が好ましい。特に、本発明の電気化学素子電極用複合粒子は、高い流動性を有しているため、その高い流動性により、ロール加圧成形による成形が可能であり、これにより、生産性の向上が可能となる。
ロール加圧成形時の温度は、非水溶性粒子状重合体として、ジエン系重合体を用いる場合には、好ましくは25~200℃であり、より好ましくは50~150℃、さらに好ましくは80~120℃である。また、非水溶性粒子状重合体として、アクリレート系重合体を用いる場合には、ロール加圧成形時の温度は、好ましくは0~200℃であり、非水溶性粒子状重合体のガラス転移温度よりも20℃以上高い温度とすることがより好ましい。ロール加圧成形時の温度を上記範囲とすることにより、活物質層と集電体との密着性を十分なものとすることができる。
ロール加圧成形時のロール間のプレス線圧は、非水溶性粒子状重合体として、ジエン系重合体を用いる場合には、好ましくは10~1,000kN/m、より好ましくは200~900kN/m、さらに好ましくは300~600kN/mである。また、非水溶性粒子状重合体として、アクリレート系重合体を用いる場合には、ロール加圧成形時のロール間のプレス線圧は、好ましくは0.2~30kN/cm(20~3000kN/m)、より好ましくは1.5~15kN/cm(150~1500kN/m)である。前記線圧を上記範囲とすることにより、電極活物質層の厚みの均一性を向上させることができる。さらに、ロール加圧成形時の成形速度は、好ましくは0.1~20m/分、より好ましくは1~10m/分、さらに好ましくは4~10m/分である。
また、成形した電気化学素子電極の厚みのばらつきを無くし、電極活物質層の密度を上げて高容量化をはかるために、必要に応じてさらに後加圧を行ってもよい。後加圧の方法は、ロールによるプレス工程が一般的である。ロールプレス工程では、2本の円柱状のロールをせまい間隔で平行に上下にならべ、それぞれを反対方向に回転させて、その間に電極をかみこませることにより加圧する。この際においては、必要に応じて、ロールは加熱又は冷却等、温度調節してもよい。
このようにして得られる本発明の電気化学素子電極は、電極活物質層が、上述した本発明の電気化学素子電極用複合粒子を用いて得られるものであるため、電極活物質層と集電体との間の密着性が高く、しかも、内部抵抗が低く、高温保存特性に優れたものである。そのため、本発明の電気化学素子電極は、リチウムイオン二次電池などの各種電気化学素子用の電極として好適に用いることができる。
加えて、本発明によれば、電気化学素子電極用複合粒子に、スルホン酸基を有する水溶性重合体を配合するものであるため、たとえば、電極活物質として、ニッケルを含有する正極活物質を用いた場合においても、ニッケルを含有する正極活物質の影響による噴霧乾燥装置の腐食の発生、及びこれに起因する異物の混入による特性劣化を有効に防止でき、その結果として、上記各特性を達成できるものである。
以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明についてより具体的に説明する。各例中の部及び%は、特に断りのない限り、重量基準である。
(非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性高分子の製造例)
以下の方法にしたがい、非水溶性粒子状重合体(A1)~(A5)、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)~(B10)の製造を行った。
以下の方法にしたがい、非水溶性粒子状重合体(A1)~(A5)、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)~(B10)の製造を行った。
(製造例1:非水溶性粒子状重合体(A1)の製造)
攪拌機付きの5MPa耐圧容器に、スチレン50部、1,3-ブタジエン47部、メタクリル酸3部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム4部、イオン交換水150部、連鎖移動剤としてt-ドデシルメルカプタン0.4部及び重合開始剤として過硫酸カリウム0.5部を仕込み、十分に攪拌した後、50℃に加温して重合を開始した。そして、重合転化率が96%になった時点で冷却し反応を停止して、非水溶性粒子状重合体(A1)の水分散液を得た。得られた非水溶性粒子状重合体(A1)の組成は、スチレン単位50%、1,3-ブタジエン単位47%、及びメタクリル酸単位3%であった。
攪拌機付きの5MPa耐圧容器に、スチレン50部、1,3-ブタジエン47部、メタクリル酸3部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム4部、イオン交換水150部、連鎖移動剤としてt-ドデシルメルカプタン0.4部及び重合開始剤として過硫酸カリウム0.5部を仕込み、十分に攪拌した後、50℃に加温して重合を開始した。そして、重合転化率が96%になった時点で冷却し反応を停止して、非水溶性粒子状重合体(A1)の水分散液を得た。得られた非水溶性粒子状重合体(A1)の組成は、スチレン単位50%、1,3-ブタジエン単位47%、及びメタクリル酸単位3%であった。
(製造例2:非水溶性粒子状重合体(A2)の製造)
スチレンの配合量を50部から57部に、1,3-ブタジエンの配合量を47部から40部に、それぞれ変更した以外は、製造例1と同様にして、非水溶性粒子状重合体(A2)の水分散液を得た。得られた非水溶性粒子状重合体(A2)の組成は、スチレン単位57%、1,3-ブタジエン単位47%、及びメタクリル酸単位3%であった。
スチレンの配合量を50部から57部に、1,3-ブタジエンの配合量を47部から40部に、それぞれ変更した以外は、製造例1と同様にして、非水溶性粒子状重合体(A2)の水分散液を得た。得られた非水溶性粒子状重合体(A2)の組成は、スチレン単位57%、1,3-ブタジエン単位47%、及びメタクリル酸単位3%であった。
(製造例3:非水溶性粒子状重合体(A3)の製造)
スチレンの配合量を50部から40部に、1,3-ブタジエンの配合量を47部から57部に、それぞれ変更した以外は、製造例1と同様にして、非水溶性粒子状重合体(A3)の水分散液を得た。得られた非水溶性粒子状重合体(A3)の組成は、スチレン単位40%、1,3-ブタジエン単位57%、及びメタクリル酸単位3%であった。
スチレンの配合量を50部から40部に、1,3-ブタジエンの配合量を47部から57部に、それぞれ変更した以外は、製造例1と同様にして、非水溶性粒子状重合体(A3)の水分散液を得た。得られた非水溶性粒子状重合体(A3)の組成は、スチレン単位40%、1,3-ブタジエン単位57%、及びメタクリル酸単位3%であった。
(製造例4:非水溶性粒子状重合体(A4)の製造)
1,3-ブタジエンの配合量を50部から47部に、メタクリル酸の配合量を3部から6部に、それぞれ変更した以外は、製造例1と同様にして、非水溶性粒子状重合体(A4)の水分散液を得た。得られた非水溶性粒子状重合体(A4)の組成は、スチレン単位47%、1,3-ブタジエン単位47%、及びメタクリル酸単位6%であった。
1,3-ブタジエンの配合量を50部から47部に、メタクリル酸の配合量を3部から6部に、それぞれ変更した以外は、製造例1と同様にして、非水溶性粒子状重合体(A4)の水分散液を得た。得られた非水溶性粒子状重合体(A4)の組成は、スチレン単位47%、1,3-ブタジエン単位47%、及びメタクリル酸単位6%であった。
(製造例5:非水溶性粒子状重合体(A5)の製造)
重合缶Aに、イオン交換水130部を加え、ここに、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.8部及びイオン交換水10部を加え80℃に加温した。また、これとは別の重合缶Bに、アクリル酸2-エチルヘキシル78部、アクリロニトリル20部、メタクリル酸2部、及びイオン交換水377部を加えて攪拌することで、エマルジョンを作製した。そして、重合缶B内に作製したエマルジョンを約240分かけて、重合缶Aに逐次添加した後、約30分攪拌し、モノマー消費量が95%になった時点で冷却して反応を終了することで、非水溶性粒子状重合体(A5)の水分散液を得た。得られた非水溶性粒子状重合体(A5)は、ガラス転移温度が-30℃、分散粒子径が100nmであり、その組成は、アクリル酸2-エチルヘキシル単位77.75%、アクリロニトリル単位20.25%、及びメタクリル酸単位2%であった。また、得られた非水溶性粒子状重合体(A5)の水分散液に、4重量%の水酸化ナトリウム水溶液を添加することで、pHを10.5に調整した。
重合缶Aに、イオン交換水130部を加え、ここに、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.8部及びイオン交換水10部を加え80℃に加温した。また、これとは別の重合缶Bに、アクリル酸2-エチルヘキシル78部、アクリロニトリル20部、メタクリル酸2部、及びイオン交換水377部を加えて攪拌することで、エマルジョンを作製した。そして、重合缶B内に作製したエマルジョンを約240分かけて、重合缶Aに逐次添加した後、約30分攪拌し、モノマー消費量が95%になった時点で冷却して反応を終了することで、非水溶性粒子状重合体(A5)の水分散液を得た。得られた非水溶性粒子状重合体(A5)は、ガラス転移温度が-30℃、分散粒子径が100nmであり、その組成は、アクリル酸2-エチルヘキシル単位77.75%、アクリロニトリル単位20.25%、及びメタクリル酸単位2%であった。また、得られた非水溶性粒子状重合体(A5)の水分散液に、4重量%の水酸化ナトリウム水溶液を添加することで、pHを10.5に調整した。
(製造例6:スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の製造)
攪拌機付きの5MPa耐圧容器に、イオン交換水50部、炭酸水素ナトリウム0.4部、濃度30%のドデシルジフェニルエーテルスルホン酸ナトリウム0.115部、メタクリル酸30部、エチルアクリレート35部、ブチルアクリレート32.5部、及び2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸(AMPS)2.5部からなる単量体混合物を仕込み、十分攪拌することで、エマルジョン水溶液を得た。また、上記とは別に、攪拌機、還流冷却管及び温度計を備えた容量1LのSUS製セパラブルフラスコに、脱塩水を予め仕込んで十分攪拌した後、70℃とし、過硫酸カリウム水溶液0.2部を添加し、ここに、上記にて得られたエマルジョン水溶液を過硫酸カリウム水溶液を、4時間に亘って連続的に滴下した。そして、重合転化率が90%に達したところで反応温度を80℃に変更し、さらに2時間反応を行った後、冷却して反応を停止し、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、ガラス転移温度は38℃、重量平均分子量は25,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の組成は、メタクリル酸単位30%、エチルアクリレート単位35%、ブチルアクリレート単位32.5%及び2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸単位2.5%であった。
攪拌機付きの5MPa耐圧容器に、イオン交換水50部、炭酸水素ナトリウム0.4部、濃度30%のドデシルジフェニルエーテルスルホン酸ナトリウム0.115部、メタクリル酸30部、エチルアクリレート35部、ブチルアクリレート32.5部、及び2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸(AMPS)2.5部からなる単量体混合物を仕込み、十分攪拌することで、エマルジョン水溶液を得た。また、上記とは別に、攪拌機、還流冷却管及び温度計を備えた容量1LのSUS製セパラブルフラスコに、脱塩水を予め仕込んで十分攪拌した後、70℃とし、過硫酸カリウム水溶液0.2部を添加し、ここに、上記にて得られたエマルジョン水溶液を過硫酸カリウム水溶液を、4時間に亘って連続的に滴下した。そして、重合転化率が90%に達したところで反応温度を80℃に変更し、さらに2時間反応を行った後、冷却して反応を停止し、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、ガラス転移温度は38℃、重量平均分子量は25,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の組成は、メタクリル酸単位30%、エチルアクリレート単位35%、ブチルアクリレート単位32.5%及び2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸単位2.5%であった。
(製造例7:スルホン酸基を有する水溶性高分子(B2)の製造)
エチルアクリレートの配合量を35部から33部に、ブチルアクリレートの配合量を32.5部から30部に、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸の配合量を2.5部から7部に、それぞれ変更した以外は、製造例6と同様にして、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B2)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、ガラス転移温度は45℃、重量平均分子量は50,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B2)の組成は、メタクリル酸単位30%、エチルアクリレート単位33%、ブチルアクリレート単位30%及び2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸単位7%であった。
エチルアクリレートの配合量を35部から33部に、ブチルアクリレートの配合量を32.5部から30部に、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸の配合量を2.5部から7部に、それぞれ変更した以外は、製造例6と同様にして、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B2)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、ガラス転移温度は45℃、重量平均分子量は50,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B2)の組成は、メタクリル酸単位30%、エチルアクリレート単位33%、ブチルアクリレート単位30%及び2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸単位7%であった。
(製造例8:スルホン酸基を有する水溶性高分子(B3)の製造)
2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸2.5部の代わりに、スチレンスルホン酸2.5部を使用した以外は、製造例6と同様にして、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B3)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、ガラス転移温度は58℃、重量平均分子量は70,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B3)の組成は、メタクリル酸単位30%、エチルアクリレート単位35%、ブチルアクリレート単位32.5%及びスチレンスルホン酸単位2.5%であった。
2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸2.5部の代わりに、スチレンスルホン酸2.5部を使用した以外は、製造例6と同様にして、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B3)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、ガラス転移温度は58℃、重量平均分子量は70,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B3)の組成は、メタクリル酸単位30%、エチルアクリレート単位35%、ブチルアクリレート単位32.5%及びスチレンスルホン酸単位2.5%であった。
(製造例9:スルホン酸基を有する水溶性高分子(B4)の製造)
2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸2.5部の代わりに、4-スルホブチルメタクリレート2.5部を使用した以外は、製造例6と同様にして、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B4)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、ガラス転移温度は55℃、重量平均分子量は40,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B4)の組成は、メタクリル酸単位30%、エチルアクリレート単位35%、ブチルアクリレート単位32.5%及び4-スルホブチルメタクリレート単位2.5%であった。
2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸2.5部の代わりに、4-スルホブチルメタクリレート2.5部を使用した以外は、製造例6と同様にして、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B4)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、ガラス転移温度は55℃、重量平均分子量は40,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B4)の組成は、メタクリル酸単位30%、エチルアクリレート単位35%、ブチルアクリレート単位32.5%及び4-スルホブチルメタクリレート単位2.5%であった。
(製造例10:スルホン酸基を有する水溶性高分子(B5)の製造)
メタクリル酸30部の代わりに、アクリル酸30部を使用した以外は、製造例6と同様にして、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B5)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、ガラス転移温度は38℃、重量平均分子量は25,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B5)の組成は、アクリル酸単位30%、エチルアクリレート単位35%、ブチルアクリレート単位32.5%及び2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸単位2.5%であった。
メタクリル酸30部の代わりに、アクリル酸30部を使用した以外は、製造例6と同様にして、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B5)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、ガラス転移温度は38℃、重量平均分子量は25,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B5)の組成は、アクリル酸単位30%、エチルアクリレート単位35%、ブチルアクリレート単位32.5%及び2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸単位2.5%であった。
(製造例11:スルホン酸基を有する水溶性高分子(B6)の製造)
メタクリル酸を使用せず、かつ、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸の配合量を2.5部から32.5部に変更した以外は、製造例6と同様にして、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B6)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、ガラス転移温度は38℃、重量平均分子量は25,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B6)の組成は、エチルアクリレート単位35部、ブチルアクリレート単位32.5部及び2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸単位32.5部であった。
メタクリル酸を使用せず、かつ、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸の配合量を2.5部から32.5部に変更した以外は、製造例6と同様にして、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B6)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、ガラス転移温度は38℃、重量平均分子量は25,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B6)の組成は、エチルアクリレート単位35部、ブチルアクリレート単位32.5部及び2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸単位32.5部であった。
(製造例12:水溶性高分子(B7)の製造)
2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸を使用せず、メタクリル酸の配合量を30部から32.5部に変更した以外は、製造例6と同様にして、水溶性高分子(B7)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、ガラス転移温度は38℃、重量平均分子量は25,000、また、水溶性高分子(B7)の組成は、メタクリル酸単位32.5%、エチルアクリレート単位35%、及びブチルアクリレート単位32.5%であった。
2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸を使用せず、メタクリル酸の配合量を30部から32.5部に変更した以外は、製造例6と同様にして、水溶性高分子(B7)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、ガラス転移温度は38℃、重量平均分子量は25,000、また、水溶性高分子(B7)の組成は、メタクリル酸単位32.5%、エチルアクリレート単位35%、及びブチルアクリレート単位32.5%であった。
(製造例13:スルホン酸基を有する水溶性高分子(B8)の製造)
メタクリル酸の配合量を30部から18部に、エチルアクリレートの配合量を35部から41部に、ブチルアクリレートの配合量を32.5部から38.5部に、それぞれ変更した以外は、製造例6と同様にして、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B8)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、ガラス転移温度は38℃、重量平均分子量は20,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B8)の組成は、メタクリル酸単位18%、エチルアクリレート単位41%、ブチルアクリレート単位38.5%及び2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸単位2.5%であった。
メタクリル酸の配合量を30部から18部に、エチルアクリレートの配合量を35部から41部に、ブチルアクリレートの配合量を32.5部から38.5部に、それぞれ変更した以外は、製造例6と同様にして、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B8)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、ガラス転移温度は38℃、重量平均分子量は20,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B8)の組成は、メタクリル酸単位18%、エチルアクリレート単位41%、ブチルアクリレート単位38.5%及び2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸単位2.5%であった。
(製造例14:スルホン酸基を有する水溶性高分子(B9)の製造)
メタクリル酸の配合量を30部から60部に、エチルアクリレートの配合量を35部から16部に、ブチルアクリレートの配合量を32.5部から14部に、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸の配合量を2.5部から10部に、それぞれ変更した以外は、製造例6と同様にして、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B9)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、重量平均分子量は30,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B9)の組成は、メタクリル酸単位60%、エチルアクリレート単位16%、ブチルアクリレート単位14%及び2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸単位10%であった。
メタクリル酸の配合量を30部から60部に、エチルアクリレートの配合量を35部から16部に、ブチルアクリレートの配合量を32.5部から14部に、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸の配合量を2.5部から10部に、それぞれ変更した以外は、製造例6と同様にして、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B9)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、重量平均分子量は30,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B9)の組成は、メタクリル酸単位60%、エチルアクリレート単位16%、ブチルアクリレート単位14%及び2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸単位10%であった。
(製造例15:スルホン酸基を有する水溶性高分子(B10)の製造)
メタクリル酸の配合量を30部から64部に、エチルアクリレートの配合量を35部から18部に、ブチルアクリレートの配合量を32.5部から17部に、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸の配合量を2.5部から1部に、それぞれ変更した以外は、製造例6と同様にして、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B10)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、重量平均分子量は50,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B10)の組成は、メタクリル酸単位64%、エチルアクリレート単位18%、ブチルアクリレート単位1%及び2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸単位1%であった。
メタクリル酸の配合量を30部から64部に、エチルアクリレートの配合量を35部から18部に、ブチルアクリレートの配合量を32.5部から17部に、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸の配合量を2.5部から1部に、それぞれ変更した以外は、製造例6と同様にして、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B10)を含む水系分散液を得た。なお、重合転化率は99%であり、重量平均分子量は50,000、また、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B10)の組成は、メタクリル酸単位64%、エチルアクリレート単位18%、ブチルアクリレート単位1%及び2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸単位1%であった。
(実施例1-1~1-14、比較例1-1~1-4における評価方法・評価基準)
実施例1-1~1-14、比較例1-1~1-4における各種の特性の試験は、以下の方法に従って行い、以下の基準で評価した。
実施例1-1~1-14、比較例1-1~1-4における各種の特性の試験は、以下の方法に従って行い、以下の基準で評価した。
<電極用複合粒子の流動性>
パウダテスタP-100(ホソカワミクロン社製)を使用し、振動台の上に、上から目開き250μm、150μm、76μmの順で篩をセットした。そして、振動振り巾を1.0mm、振動時間を60秒とし、電極用複合粒子2gを静かにのせて振動させ、振動停止後、それぞれの篩に残った重量を測定し、以下の基準にしたがい、電極用複合粒子の凝集度(%)を測定した。
すなわち、
α(%)=〔上段のふるい(目開き250μmのふるい)に残った粉体量〕÷2(g)×100
β(%)=〔中段のふるい(目開き150μmのふるい)に残った粉体量〕÷2(g)×100×0.6
γ(%)=〔下段のふるい(目開き76μmのふるい)に残った粉体量〕÷2(g)×100×0.2
に基づいて、α,β,γを算出し、凝集度(%)=α+β+γを算出した。そして、算出した凝集度に基づき、以下の基準で電極用複合粒子の流動性を評価した。
A:凝集度が0%以上、10%未満
B:凝集度が10%以上、30%未満
C:凝集度が30%以上、50%未満
D:凝集度が50%以上、70%未満
E:凝集度が70%以上
パウダテスタP-100(ホソカワミクロン社製)を使用し、振動台の上に、上から目開き250μm、150μm、76μmの順で篩をセットした。そして、振動振り巾を1.0mm、振動時間を60秒とし、電極用複合粒子2gを静かにのせて振動させ、振動停止後、それぞれの篩に残った重量を測定し、以下の基準にしたがい、電極用複合粒子の凝集度(%)を測定した。
すなわち、
α(%)=〔上段のふるい(目開き250μmのふるい)に残った粉体量〕÷2(g)×100
β(%)=〔中段のふるい(目開き150μmのふるい)に残った粉体量〕÷2(g)×100×0.6
γ(%)=〔下段のふるい(目開き76μmのふるい)に残った粉体量〕÷2(g)×100×0.2
に基づいて、α,β,γを算出し、凝集度(%)=α+β+γを算出した。そして、算出した凝集度に基づき、以下の基準で電極用複合粒子の流動性を評価した。
A:凝集度が0%以上、10%未満
B:凝集度が10%以上、30%未満
C:凝集度が30%以上、50%未満
D:凝集度が50%以上、70%未満
E:凝集度が70%以上
<ピール強度>
実施例1-1~1-14及び比較例1-1~1-4で得られた負極を、負極活物質層面を上にして固定し、負極活物質層の表面にセロハンテープを貼り付けた後、試験片の一端からセロハンテープを50mm/分の速度で180°方向に引き剥がしたときの応力を測定した。そして、この測定を10回行い、その平均値を求め、これをピール強度とし、下記基準にて評価した。なお、ピール強度が高いほど、負極活物質層内における密着強度、及び負極活物質層と集電体との間の密着強度が高いと判断できる。
A:ピール強度が10N/m以上
B:ピール強度が10N/m未満、5N/m以下
C:ピール強度が5N/m未満、1N/m以下
D:ピール強度が1N/m未満
実施例1-1~1-14及び比較例1-1~1-4で得られた負極を、負極活物質層面を上にして固定し、負極活物質層の表面にセロハンテープを貼り付けた後、試験片の一端からセロハンテープを50mm/分の速度で180°方向に引き剥がしたときの応力を測定した。そして、この測定を10回行い、その平均値を求め、これをピール強度とし、下記基準にて評価した。なお、ピール強度が高いほど、負極活物質層内における密着強度、及び負極活物質層と集電体との間の密着強度が高いと判断できる。
A:ピール強度が10N/m以上
B:ピール強度が10N/m未満、5N/m以下
C:ピール強度が5N/m未満、1N/m以下
D:ピール強度が1N/m未満
<初期容量>
実施例1-1~1-14及び比較例1-1~1-4で得られたコイン型のハーフセルについて、電池作製後、室温にて24時間静置した後に、充電レート0.1Cとした定電流法により、0.01Vまで充電(負極活物質へのリチウムの挿入反応)を行ない、次いで、放電レート0.1Cにて、3.0Vまで放電(負極活物質からのリチウムの脱離反応)を行なうことにより、0.1C充放電時の電池容量を求めた。そして、得られた電池容量から、負極活物質の単位重量当たりの容量を算出し、これを初期容量とした。初期容量の評価は、以下の基準にしたがって行なった。初期容量が高いほど、リチウムイオン二次電池とした場合における電池容量が高くなるため、好ましい。
A:380mAh/g以上
B:380mAh/g未満
実施例1-1~1-14及び比較例1-1~1-4で得られたコイン型のハーフセルについて、電池作製後、室温にて24時間静置した後に、充電レート0.1Cとした定電流法により、0.01Vまで充電(負極活物質へのリチウムの挿入反応)を行ない、次いで、放電レート0.1Cにて、3.0Vまで放電(負極活物質からのリチウムの脱離反応)を行なうことにより、0.1C充放電時の電池容量を求めた。そして、得られた電池容量から、負極活物質の単位重量当たりの容量を算出し、これを初期容量とした。初期容量の評価は、以下の基準にしたがって行なった。初期容量が高いほど、リチウムイオン二次電池とした場合における電池容量が高くなるため、好ましい。
A:380mAh/g以上
B:380mAh/g未満
<内部抵抗>
実施例1-1~1-14及び比較例1-1~1-4で得られたコイン型のリチウムイオン二次電池について、電池作製後、室温にて24時間静置した後に、室温にて充電電圧4.2V、放電電圧3.0V、0.1Cの充放電レートにて充放電を行った。そして、その後、-30℃環境下で、放電電圧3.0V、0.1Cの充放電レートにて充放電を行い、放電開始10秒後の電圧降下量(ΔV)を測定することで、内部抵抗の評価を行った。放電開始10秒後の電圧降下量の値が小さいほど、内部抵抗が小さく、高速充放電が可能であると判断できる。
A:電圧降下量が0.2V未満
B:電圧降下量が0.2V以上、0.3V未満
C:電圧降下量が0.3V以上、0.5V未満
D:電圧降下量が0.5V以上、0.7V未満
E:電圧降下量が0.7V以上
実施例1-1~1-14及び比較例1-1~1-4で得られたコイン型のリチウムイオン二次電池について、電池作製後、室温にて24時間静置した後に、室温にて充電電圧4.2V、放電電圧3.0V、0.1Cの充放電レートにて充放電を行った。そして、その後、-30℃環境下で、放電電圧3.0V、0.1Cの充放電レートにて充放電を行い、放電開始10秒後の電圧降下量(ΔV)を測定することで、内部抵抗の評価を行った。放電開始10秒後の電圧降下量の値が小さいほど、内部抵抗が小さく、高速充放電が可能であると判断できる。
A:電圧降下量が0.2V未満
B:電圧降下量が0.2V以上、0.3V未満
C:電圧降下量が0.3V以上、0.5V未満
D:電圧降下量が0.5V以上、0.7V未満
E:電圧降下量が0.7V以上
<高温保存特性>
実施例1-1~1-14及び比較例1-1~1-4で得られたコイン型のリチウムイオン二次電池について、電池作製後、24時間静置した後に、充電電圧4.2V、放電電圧3.0V、0.1Cの充放電レートにて充放電を行い、初期容量C0を測定した。次いで、4.2Vまで充電し、60℃、7日間保存した後、充電電圧4.2V、放電電圧3.0V、0.1Cの充放電レートにて充放電を行い、高温保存後の容量C1を測定した。そして、ΔC=C1/C0×100(%)にしたがって、容量維持率を算出し、以下の基準にて、高温保存特性の評価を行った。容量維持率の値が高いほど高温保存特性に優れていると判断することができる。
A:ΔCが85%以上
B:ΔCが70%以上、85%未満
C:ΔCが60%以上、70%未満
D:ΔCが50%以上、60%未満
E:ΔCが50%未満
実施例1-1~1-14及び比較例1-1~1-4で得られたコイン型のリチウムイオン二次電池について、電池作製後、24時間静置した後に、充電電圧4.2V、放電電圧3.0V、0.1Cの充放電レートにて充放電を行い、初期容量C0を測定した。次いで、4.2Vまで充電し、60℃、7日間保存した後、充電電圧4.2V、放電電圧3.0V、0.1Cの充放電レートにて充放電を行い、高温保存後の容量C1を測定した。そして、ΔC=C1/C0×100(%)にしたがって、容量維持率を算出し、以下の基準にて、高温保存特性の評価を行った。容量維持率の値が高いほど高温保存特性に優れていると判断することができる。
A:ΔCが85%以上
B:ΔCが70%以上、85%未満
C:ΔCが60%以上、70%未満
D:ΔCが50%以上、60%未満
E:ΔCが50%未満
(実施例1-1)
負極電極用複合粒子の製造
負極活物質としてSiOC(体積平均粒子径:12μm)10部及び人造黒鉛(平均粒子径:24.5μm、黒鉛層間距離(X線回折法による(002)面の面間隔(d値)):0.354nm)90部、製造例1で得られた非水溶性粒子状重合体(A1)を固形分換算量で2.7部、及び、製造例6で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)を固形分換算量で0.3部を混合し、さらにイオン交換水を固形分濃度が20%となるように加え、混合分散して複合粒子用スラリーを得た。そして、得られた複合粒子用スラリーを、スプレー乾燥機(大川原化工機社製)を使用し、回転円盤方式のアトマイザ(直径65mm)を用い、回転数25,000rpm、熱風温度150℃、粒子回収出口の温度90℃の条件にて、噴霧乾燥造粒を行い、負極電極用複合粒子を得た。得られた複合粒子の平均体積粒子径は40μmであった。
負極電極用複合粒子の製造
負極活物質としてSiOC(体積平均粒子径:12μm)10部及び人造黒鉛(平均粒子径:24.5μm、黒鉛層間距離(X線回折法による(002)面の面間隔(d値)):0.354nm)90部、製造例1で得られた非水溶性粒子状重合体(A1)を固形分換算量で2.7部、及び、製造例6で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)を固形分換算量で0.3部を混合し、さらにイオン交換水を固形分濃度が20%となるように加え、混合分散して複合粒子用スラリーを得た。そして、得られた複合粒子用スラリーを、スプレー乾燥機(大川原化工機社製)を使用し、回転円盤方式のアトマイザ(直径65mm)を用い、回転数25,000rpm、熱風温度150℃、粒子回収出口の温度90℃の条件にて、噴霧乾燥造粒を行い、負極電極用複合粒子を得た。得られた複合粒子の平均体積粒子径は40μmであった。
負極の製造
上記にて得られた負極電極用複合粒子を、ロールプレス機(押し切り粗面熱ロール、ヒラノ技研工業社製)のロール(ロール温度100℃、プレス線圧4.0kN/cm)に、集電体としての電解銅箔(厚さ:20μm)とともに供給し、成形速度20m/分で、集電体としての電解銅箔上に、シート状に成形し、厚さ80μmの負極活物質層を有する負極を得た。
上記にて得られた負極電極用複合粒子を、ロールプレス機(押し切り粗面熱ロール、ヒラノ技研工業社製)のロール(ロール温度100℃、プレス線圧4.0kN/cm)に、集電体としての電解銅箔(厚さ:20μm)とともに供給し、成形速度20m/分で、集電体としての電解銅箔上に、シート状に成形し、厚さ80μmの負極活物質層を有する負極を得た。
ハーフセルの製造
そして、負極板を直径15mmの円盤状に切り抜き、この負極の負極活物質層面側に直径18mm、厚さ25μmの円盤状のポリプロピレン製多孔膜からなるセパレーター、対極としての金属リチウム、エキスパンドメタルを順に積層し、これをポリプロピレン製パッキンを設置したステンレス鋼製のコイン型外装容器(直径20mm、高さ1.8mm、ステンレス鋼厚さ0.25mm)中に収納した。次いで、この容器中に電解液(溶媒:エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=1/2(20℃での容積比)、電解質:1MのLiPF6)を空気が残らないように注入し、ポリプロピレン製パッキンを介して外装容器に厚さ0.2mmのステンレス鋼のキャップをかぶせて固定し、電池缶を封止して、直径20mm、厚さ約2mm、初期容量測定用のハーフセル(二次電池)を作製した。
そして、負極板を直径15mmの円盤状に切り抜き、この負極の負極活物質層面側に直径18mm、厚さ25μmの円盤状のポリプロピレン製多孔膜からなるセパレーター、対極としての金属リチウム、エキスパンドメタルを順に積層し、これをポリプロピレン製パッキンを設置したステンレス鋼製のコイン型外装容器(直径20mm、高さ1.8mm、ステンレス鋼厚さ0.25mm)中に収納した。次いで、この容器中に電解液(溶媒:エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=1/2(20℃での容積比)、電解質:1MのLiPF6)を空気が残らないように注入し、ポリプロピレン製パッキンを介して外装容器に厚さ0.2mmのステンレス鋼のキャップをかぶせて固定し、電池缶を封止して、直径20mm、厚さ約2mm、初期容量測定用のハーフセル(二次電池)を作製した。
正極の製造
正極活物質としてLiCoO295部に、電極合剤層用結着剤としてPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を固形分量が3部となるように加え、さらに、アセチレンブラック2部、N-メチルピロリドン20部を加えて、プラネタリーミキサーで混合して正極用スラリーを得た。この正極用スラリーを厚さ18μmのアルミニウム箔に塗布し、120℃で30分乾燥した後、ロールプレスして厚さ60μmの正極を得た。
正極活物質としてLiCoO295部に、電極合剤層用結着剤としてPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を固形分量が3部となるように加え、さらに、アセチレンブラック2部、N-メチルピロリドン20部を加えて、プラネタリーミキサーで混合して正極用スラリーを得た。この正極用スラリーを厚さ18μmのアルミニウム箔に塗布し、120℃で30分乾燥した後、ロールプレスして厚さ60μmの正極を得た。
リチウムイオン二次電池の製造
上記にて得られた正極を直径13mm、負極を直径14mmの円盤状に切り抜き、この正極の正極活物質層面側に直径18mm、厚さ25μmの円盤状のポリプロピレン製多孔膜からなるセパレーター、及び上記にて得られた負極を順に積層し、これをポリプロピレン製パッキンを設置したステンレス鋼製のコイン型外装容器中に収納した。この容器中に電解液(溶媒:エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=1/2(20℃での容積比)、電解質:1MのLiPF6)を空気が残らないように注入し、ポリプロピレン製パッキンを介して外装容器に厚さ0.2mmのステンレス鋼のキャップをかぶせて固定し、電池缶を封止して、直径20mm、厚さ約3.2mmのコイン型のリチウムイオン二次電池を製造した。
上記にて得られた正極を直径13mm、負極を直径14mmの円盤状に切り抜き、この正極の正極活物質層面側に直径18mm、厚さ25μmの円盤状のポリプロピレン製多孔膜からなるセパレーター、及び上記にて得られた負極を順に積層し、これをポリプロピレン製パッキンを設置したステンレス鋼製のコイン型外装容器中に収納した。この容器中に電解液(溶媒:エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=1/2(20℃での容積比)、電解質:1MのLiPF6)を空気が残らないように注入し、ポリプロピレン製パッキンを介して外装容器に厚さ0.2mmのステンレス鋼のキャップをかぶせて固定し、電池缶を封止して、直径20mm、厚さ約3.2mmのコイン型のリチウムイオン二次電池を製造した。
そして、上記にて得られた負極電極用複合粒子を用いて流動性の評価を、負極を用いてピール強度の評価を、ハーフセルを用いて初期容量の評価を、リチウムイオン二次電池を用いて内部抵抗及び高温保存特性の評価を、それぞれ行った。結果を表1に示す。
(実施例1-2)
負極活物質としてSiOCを使用せず、人造黒鉛の配合量を90部から100部に変更した以外は、実施例1-1と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表1に示す。
負極活物質としてSiOCを使用せず、人造黒鉛の配合量を90部から100部に変更した以外は、実施例1-1と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例1-3~1-5)
非水溶性粒子状重合体(A1)の代わりに、製造例2で得られた非水溶性粒子状重合体(A2)(実施例1-3)、製造例3で得られた非水溶性粒子状重合体(A3)(実施例1-4)、及び製造例4で得られた非水溶性粒子状重合体(A4)(実施例1-5)を、それぞれ使用した以外は、実施例1-2と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表1に示す。
非水溶性粒子状重合体(A1)の代わりに、製造例2で得られた非水溶性粒子状重合体(A2)(実施例1-3)、製造例3で得られた非水溶性粒子状重合体(A3)(実施例1-4)、及び製造例4で得られた非水溶性粒子状重合体(A4)(実施例1-5)を、それぞれ使用した以外は、実施例1-2と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例1-6~1-9)
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、製造例7で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B2)(実施例1-6)、製造例8で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B3)(実施例1-7)、製造例9で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B4)(実施例1-8)、及び製造例10で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B5)(実施例1-9)を、それぞれ使用した以外は、実施例1-2と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表1に示す。
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、製造例7で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B2)(実施例1-6)、製造例8で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B3)(実施例1-7)、製造例9で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B4)(実施例1-8)、及び製造例10で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B5)(実施例1-9)を、それぞれ使用した以外は、実施例1-2と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例1-10~1-13)
非水溶性粒子状重合体(A1)及びスルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の配合量を表2に示す量とした以外は、実施例1-2と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
非水溶性粒子状重合体(A1)及びスルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の配合量を表2に示す量とした以外は、実施例1-2と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
(実施例1-14)
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、製造例11で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B6)を使用した以外は、実施例1-2と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、製造例11で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B6)を使用した以外は、実施例1-2と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
(比較例1-1)
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、製造例12で得られた水溶性高分子(B7)を使用した以外は、実施例1-2と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、製造例12で得られた水溶性高分子(B7)を使用した以外は、実施例1-2と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
(比較例1-2)
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、カルボキシメチルセルロースを使用した以外は、実施例1-2と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、カルボキシメチルセルロースを使用した以外は、実施例1-2と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
(比較例1-3)
実施例1-2と同様にして、複合粒子用スラリーを得て、得られた複合粒子用スラリーを、集電体としての電解銅箔上に、塗布して、110℃で乾燥することにより、負極電極層を形成した以外は、実施例1-2と同様にして、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
実施例1-2と同様にして、複合粒子用スラリーを得て、得られた複合粒子用スラリーを、集電体としての電解銅箔上に、塗布して、110℃で乾燥することにより、負極電極層を形成した以外は、実施例1-2と同様にして、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
(比較例1-4)
非水溶性粒子状重合体(A1)を配合せず、かつ、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、製造例13で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B8)を使用した以外は、実施例1-2と同様にして、負極電極用複合粒子を製造したところ、成形性に極めて劣り、負極電極用複合粒子を得ることができなかった。
非水溶性粒子状重合体(A1)を配合せず、かつ、スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、製造例13で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B8)を使用した以外は、実施例1-2と同様にして、負極電極用複合粒子を製造したところ、成形性に極めて劣り、負極電極用複合粒子を得ることができなかった。
(実施例1-1~1-14、比較例1-1~1-4の評価)
表1,2に示すように、負極活物質、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体を含有する負極電極用複合粒子は、いずれも流動性が高く、また、このような負極電極用複合粒子を用いて得られた負極はピール強度が高く、さらには、電池とした際における初期容量が高く、内部抵抗が低く、高温保存特性に優れるものであった(実施例1-1~1-14)。
表1,2に示すように、負極活物質、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体を含有する負極電極用複合粒子は、いずれも流動性が高く、また、このような負極電極用複合粒子を用いて得られた負極はピール強度が高く、さらには、電池とした際における初期容量が高く、内部抵抗が低く、高温保存特性に優れるものであった(実施例1-1~1-14)。
一方、スルホン酸基を含有しない水溶性重合体を用いた場合には、負極電極用複合粒子の流動性が低く、また、負極とした際におけるピール強度、さらには、電池とした際における内部抵抗及び高温保存特性に劣るものであった(比較例1-1)。
また、スルホン酸基を有する水溶性重合体の代わりに、カルボキシメチルセルロースを用いた場合には、負極とした際におけるピール強度、及び電池とした際における内部抵抗に劣るものであった(比較例1-2)。
さらに、負極電極用複合粒子を得て、得られた負極電極用複合粒子を粉体状態で成形する代わりに、負極活物質、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体を含有するスラリーをそのまま集電体上に塗布することで、負極を得た場合には、得られる負極はピール強度が低く、さらには、電池とした際における内部抵抗に劣るものであった(比較例1-3)。
また、非水溶性粒子状重合体を用いない場合には、各評価を行えるような成形体を得ることができなかった(比較例1-4)。
また、スルホン酸基を有する水溶性重合体の代わりに、カルボキシメチルセルロースを用いた場合には、負極とした際におけるピール強度、及び電池とした際における内部抵抗に劣るものであった(比較例1-2)。
さらに、負極電極用複合粒子を得て、得られた負極電極用複合粒子を粉体状態で成形する代わりに、負極活物質、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体を含有するスラリーをそのまま集電体上に塗布することで、負極を得た場合には、得られる負極はピール強度が低く、さらには、電池とした際における内部抵抗に劣るものであった(比較例1-3)。
また、非水溶性粒子状重合体を用いない場合には、各評価を行えるような成形体を得ることができなかった(比較例1-4)。
(実施例2-1~2-15、比較例2-1~2-3における評価方法・評価基準)
実施例2-1~2-15、比較例2-1~2-3における各種の特性の試験は、以下の方法に従って行い、以下の基準で評価した。
実施例2-1~2-15、比較例2-1~2-3における各種の特性の試験は、以下の方法に従って行い、以下の基準で評価した。
<電極用複合粒子の流動性>
上述した実施例1-1~1-14、比較例1-1~1-4と同様にして、凝集度(%)を算出し、以下の基準で電極用複合粒子の流動性を評価した。
流動性が高いほど、成形性に優れると評価することができる。
A:凝集度が0%以上、5%未満
B:凝集度が5%以上、10%未満
C:凝集度が10%以上、25%未満
D:凝集度が25%以上、50%未満
E:凝集度が50%以上
上述した実施例1-1~1-14、比較例1-1~1-4と同様にして、凝集度(%)を算出し、以下の基準で電極用複合粒子の流動性を評価した。
流動性が高いほど、成形性に優れると評価することができる。
A:凝集度が0%以上、5%未満
B:凝集度が5%以上、10%未満
C:凝集度が10%以上、25%未満
D:凝集度が25%以上、50%未満
E:凝集度が50%以上
<ピール強度>
上述した実施例1-1~1-14、比較例1-1~1-4と同様にして、ピール強度を測定し、下記基準にて評価した。なお、ピール強度が高いほど、負極活物質層内における密着強度、及び負極活物質層と集電体との間の密着強度が高いと判断できる。
A:ピール強度が10N/m以上
B:ピール強度が10N/m未満、5N/m以上
C:ピール強度が5N/m未満、1N/m以上
D:ピール強度が1N/m未満
上述した実施例1-1~1-14、比較例1-1~1-4と同様にして、ピール強度を測定し、下記基準にて評価した。なお、ピール強度が高いほど、負極活物質層内における密着強度、及び負極活物質層と集電体との間の密着強度が高いと判断できる。
A:ピール強度が10N/m以上
B:ピール強度が10N/m未満、5N/m以上
C:ピール強度が5N/m未満、1N/m以上
D:ピール強度が1N/m未満
<内部抵抗>
上述した実施例1-1~1-14、比較例1-1~1-4と同様にして、放電開始10秒後の電圧降下量(ΔV)を測定することで、内部抵抗の評価を行った。放電開始10秒後の電圧降下量の値が小さいほど、内部抵抗が小さく、高速充放電が可能であると判断できる。
A:電圧降下量が0.2V未満
B:電圧降下量が0.2V以上、0.3V未満
C:電圧降下量が0.3V以上、0.5V未満
D:電圧降下量が0.5V以上、0.7V未満
E:電圧降下量が0.7V以上
上述した実施例1-1~1-14、比較例1-1~1-4と同様にして、放電開始10秒後の電圧降下量(ΔV)を測定することで、内部抵抗の評価を行った。放電開始10秒後の電圧降下量の値が小さいほど、内部抵抗が小さく、高速充放電が可能であると判断できる。
A:電圧降下量が0.2V未満
B:電圧降下量が0.2V以上、0.3V未満
C:電圧降下量が0.3V以上、0.5V未満
D:電圧降下量が0.5V以上、0.7V未満
E:電圧降下量が0.7V以上
<高温保存特性>
上述した実施例1-1~1-14、比較例1-1~1-4と同様にして、容量維持率ΔCを算出し、以下の基準にて、高温保存特性の評価を行った。容量維持率の値が高いほど高温保存特性に優れていると判断することができる。
A:ΔCが85%以上
B:ΔCが70%以上、85%未満
C:ΔCが60%以上、70%未満
D:ΔCが50%以上、60%未満
E:ΔCが50%未満
上述した実施例1-1~1-14、比較例1-1~1-4と同様にして、容量維持率ΔCを算出し、以下の基準にて、高温保存特性の評価を行った。容量維持率の値が高いほど高温保存特性に優れていると判断することができる。
A:ΔCが85%以上
B:ΔCが70%以上、85%未満
C:ΔCが60%以上、70%未満
D:ΔCが50%以上、60%未満
E:ΔCが50%未満
(実施例2-1)
負極電極用複合粒子の製造
負極活物質として鱗片状黒鉛(SLP-6、ティムカル社製、長径L1の長さ:3.5μm、短径L2の長さと厚みtとの比(L2/t):15)100部、製造例1で得られた非水溶性粒子状重合体(A1)を固形分換算量で2.7部、及び、製造例6で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)を固形分換算量で0.3部を混合し、さらにイオン交換水を固形分濃度が20%となるように加え、混合分散して複合粒子用スラリーを得た。そして、得られた複合粒子用スラリーを、スプレー乾燥機(大川原化工機社製)を使用し、回転円盤方式のアトマイザ(直径65mm)を用い、回転数25,000rpm、熱風温度150℃、粒子回収出口の温度90℃の条件にて、噴霧乾燥造粒を行い、負極電極用複合粒子を得た。得られた複合粒子の平均体積粒子径は40μmであった。
負極電極用複合粒子の製造
負極活物質として鱗片状黒鉛(SLP-6、ティムカル社製、長径L1の長さ:3.5μm、短径L2の長さと厚みtとの比(L2/t):15)100部、製造例1で得られた非水溶性粒子状重合体(A1)を固形分換算量で2.7部、及び、製造例6で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)を固形分換算量で0.3部を混合し、さらにイオン交換水を固形分濃度が20%となるように加え、混合分散して複合粒子用スラリーを得た。そして、得られた複合粒子用スラリーを、スプレー乾燥機(大川原化工機社製)を使用し、回転円盤方式のアトマイザ(直径65mm)を用い、回転数25,000rpm、熱風温度150℃、粒子回収出口の温度90℃の条件にて、噴霧乾燥造粒を行い、負極電極用複合粒子を得た。得られた複合粒子の平均体積粒子径は40μmであった。
負極の製造、ハーフセルの製造、リチウムイオン二次電池の製造
次いで、上記にて得られた負極電極用複合粒子を用いて、実施例1-1と同様にして、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造した。
次いで、上記にて得られた負極電極用複合粒子を用いて、実施例1-1と同様にして、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造した。
そして、上記にて得られた負極電極用複合粒子を用いて流動性の評価を、負極を用いてピール強度の評価を、リチウムイオン二次電池を用いて内部抵抗及び高温保存特性の評価を、それぞれ行った。結果を表3に示す。
(実施例2-2)
負極活物質として、鱗片状黒鉛(SLP-6、ティムカル社製)の代わりに、鱗片状黒鉛(SFG-6、ティムカル社製、長径L1の長さ:3.7μm、短径L2の長さと厚みtとの比(L2/t):30)を使用した以外は、実施例2-1と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表3に示す。
負極活物質として、鱗片状黒鉛(SLP-6、ティムカル社製)の代わりに、鱗片状黒鉛(SFG-6、ティムカル社製、長径L1の長さ:3.7μm、短径L2の長さと厚みtとの比(L2/t):30)を使用した以外は、実施例2-1と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表3に示す。
(実施例2-3)
負極活物質として、鱗片状黒鉛(SLP-6、ティムカル社製)の代わりに、鱗片状黒鉛(SFG-10、ティムカル社製、長径L1の長さ:5.5μm、短径L2の長さと厚みtとの比(L2/t):10)を使用した以外は、実施例2-1と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表3に示す。
負極活物質として、鱗片状黒鉛(SLP-6、ティムカル社製)の代わりに、鱗片状黒鉛(SFG-10、ティムカル社製、長径L1の長さ:5.5μm、短径L2の長さと厚みtとの比(L2/t):10)を使用した以外は、実施例2-1と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表3に示す。
(実施例2-4~2-6)
非水溶性粒子状重合体(A1)の代わりに、製造例2で得られた非水溶性粒子状重合体(A2)(実施例2-4)、製造例3で得られた非水溶性粒子状重合体(A3)(実施例2-5)、及び製造例4で得られた非水溶性粒子状重合体(A4)(実施例2-6)を、それぞれ使用した以外は、実施例2-1と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表3に示す。
非水溶性粒子状重合体(A1)の代わりに、製造例2で得られた非水溶性粒子状重合体(A2)(実施例2-4)、製造例3で得られた非水溶性粒子状重合体(A3)(実施例2-5)、及び製造例4で得られた非水溶性粒子状重合体(A4)(実施例2-6)を、それぞれ使用した以外は、実施例2-1と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表3に示す。
(実施例2-7~2-10)
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、製造例7で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B2)(実施例2-7)、製造例8で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B3)(実施例2-8)、製造例9で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B4)(実施例2-9)、及び製造例10で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B5)(実施例2-10)を、それぞれ使用した以外は、実施例2-1と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表3に示す。
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、製造例7で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B2)(実施例2-7)、製造例8で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B3)(実施例2-8)、製造例9で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B4)(実施例2-9)、及び製造例10で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B5)(実施例2-10)を、それぞれ使用した以外は、実施例2-1と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表3に示す。
(実施例2-11~2-14)
非水溶性粒子状重合体(A1)及びスルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の配合量を表4に示す量とした以外は、実施例2-1と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表4に示す。
非水溶性粒子状重合体(A1)及びスルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の配合量を表4に示す量とした以外は、実施例2-1と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表4に示す。
(実施例2-15)
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、製造例11で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B6)を使用した以外は、実施例2-1と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表4に示す。
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、製造例11で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B6)を使用した以外は、実施例2-1と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表4に示す。
(比較例2-1)
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、カルボキシメチルセルロースを使用した以外は、実施例2-1と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表4に示す。
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、カルボキシメチルセルロースを使用した以外は、実施例2-1と同様にして、負極電極用複合粒子、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表4に示す。
(比較例2-2)
実施例2-1と同様にして、複合粒子用スラリーを得て、得られた複合粒子用スラリーを、集電体としての電解銅箔上に、塗布して、110℃で乾燥することにより、負極電極層を形成した以外は、実施例2-1と同様にして、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表4に示す。
実施例2-1と同様にして、複合粒子用スラリーを得て、得られた複合粒子用スラリーを、集電体としての電解銅箔上に、塗布して、110℃で乾燥することにより、負極電極層を形成した以外は、実施例2-1と同様にして、負極、ハーフセル及びリチウムイオン二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表4に示す。
(比較例2-3)
非水溶性粒子状重合体(A1)を配合しなかった以外は、実施例2-1と同様にして、負極電極用複合粒子を製造したところ、成形性に極めて劣り、負極電極用複合粒子を得ることができなかった。
非水溶性粒子状重合体(A1)を配合しなかった以外は、実施例2-1と同様にして、負極電極用複合粒子を製造したところ、成形性に極めて劣り、負極電極用複合粒子を得ることができなかった。
表3,4に示すように、鱗片状の電極活物質、非水溶性重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体を含有する電極用複合粒子は、いずれも流動性が高く、また、このような電極用複合粒子を用いて得られた電極はピール強度が高く、さらには、電池とした際における内部抵抗が低く、高温保存特性に優れるものであった(実施例2-1~2-15)。
一方、スルホン酸基を有する水溶性重合体の代わりに、カルボキシメチルセルロースを用いた場合には、負極とした際におけるピール強度、及び電池とした際における、内部抵抗に劣るものであった(比較例2-1)。
また、負極電極用複合粒子を得て、得られた負極電極用複合粒子を粉体状態で成形する代わりに、鱗片状の負極電極活物質、非水溶性重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体を含有するスラリーをそのまま集電体上に塗布することで、負極を得た場合には、得られる負極はピール強度が低く、さらには、電池とした際における内部抵抗及び高温保存特性に劣るものであった(比較例2-2)。
また、非水溶性重合体を用いない場合には、各評価を行えるような成形体を得ることができなかった(比較例2-3)。
また、負極電極用複合粒子を得て、得られた負極電極用複合粒子を粉体状態で成形する代わりに、鱗片状の負極電極活物質、非水溶性重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体を含有するスラリーをそのまま集電体上に塗布することで、負極を得た場合には、得られる負極はピール強度が低く、さらには、電池とした際における内部抵抗及び高温保存特性に劣るものであった(比較例2-2)。
また、非水溶性重合体を用いない場合には、各評価を行えるような成形体を得ることができなかった(比較例2-3)。
(実施例3-1~3-9、比較例3-1~3-3における評価方法・評価基準)
実施例3-1~3-9、比較例3-1~3-3における各種の特性の試験は、以下の方法に従って行い、以下の基準で評価した。
実施例3-1~3-9、比較例3-1~3-3における各種の特性の試験は、以下の方法に従って行い、以下の基準で評価した。
<腐食抑制効果>
実施例3-1~3-9及び比較例3-1~3-3で得られた複合粒子用スラリーを、厚み20μmのアルミニウム箔集電体上に乾燥後の膜厚が70μm程度になるように塗布し、50℃にて20分乾燥を行うことで、評価用サンプルを得た。そして、得られた評価用サンプルの10cm×10cmの範囲について、目視にて観察を行い、0.5mm以上の塗工不良が発生している箇所の数を確認することにより、腐食抑制効果についての評価を行った。なお、腐食抑制効果についての評価は、以下の基準にしたがって行なった。塗工不良の発生箇所が多いほど、腐食が進行しており、そのため、好ましくないと判断することができる。
A:塗工不良の発生箇所がなく、全体がなめらか
B:塗工不良の発生箇所が1箇所以上、5箇所未満
C:塗工不良の発生箇所が5箇所以上、10箇所未満
D:塗工不良の発生箇所が10箇所以上
実施例3-1~3-9及び比較例3-1~3-3で得られた複合粒子用スラリーを、厚み20μmのアルミニウム箔集電体上に乾燥後の膜厚が70μm程度になるように塗布し、50℃にて20分乾燥を行うことで、評価用サンプルを得た。そして、得られた評価用サンプルの10cm×10cmの範囲について、目視にて観察を行い、0.5mm以上の塗工不良が発生している箇所の数を確認することにより、腐食抑制効果についての評価を行った。なお、腐食抑制効果についての評価は、以下の基準にしたがって行なった。塗工不良の発生箇所が多いほど、腐食が進行しており、そのため、好ましくないと判断することができる。
A:塗工不良の発生箇所がなく、全体がなめらか
B:塗工不良の発生箇所が1箇所以上、5箇所未満
C:塗工不良の発生箇所が5箇所以上、10箇所未満
D:塗工不良の発生箇所が10箇所以上
<ピール強度>
実施例3-1~3-9及び比較例3-1~3-3で得られた正極を、正極活物質層面を上にして固定し、正極活物質層の表面にセロハンテープを貼り付けた後、試験片の一端からセロハンテープを50mm/分の速度で180°方向に引き剥がしたときの応力を測定した。そして、この測定を20回行い、その平均値を求め、これをピール強度とし、下記基準にて評価した。なお、ピール強度が高いほど、正極活物質層内における密着強度、及び正極活物質層と集電体との間の密着強度が高いと判断できる。
A:ピール強度が10N/m以上
B:ピール強度が10N/m未満、5N/m以下
C:ピール強度が5N/m未満、1N/m以下
D:ピール強度が1N/m未満
実施例3-1~3-9及び比較例3-1~3-3で得られた正極を、正極活物質層面を上にして固定し、正極活物質層の表面にセロハンテープを貼り付けた後、試験片の一端からセロハンテープを50mm/分の速度で180°方向に引き剥がしたときの応力を測定した。そして、この測定を20回行い、その平均値を求め、これをピール強度とし、下記基準にて評価した。なお、ピール強度が高いほど、正極活物質層内における密着強度、及び正極活物質層と集電体との間の密着強度が高いと判断できる。
A:ピール強度が10N/m以上
B:ピール強度が10N/m未満、5N/m以下
C:ピール強度が5N/m未満、1N/m以下
D:ピール強度が1N/m未満
<初期容量>
実施例3-1~3-9及び比較例3-1~3-3で得られたコイン型のリチウム二次電池について、室温にて、充電レート0.1Cとした定電流法により、4.3Vまで充電を行ない、次いで、放電レート0.1Cにて、3.0Vまで放電することにより、0.1C放電時の電池容量を求めた。そして、得られた電池容量から、正極活物質層の単位重量当たりの容量を算出し、これを初期容量とした。初期容量の評価は、以下の基準にしたがって行なった。初期容量が高いほど、二次電池の電池容量が高くなるため、好ましい。
A:170mAh/g以上
B:150mAh/g以上、170mAh/g未満
C:130mAh/g以上、150mAh/g未満
D:100mAh/g以上、130mAh/g未満
E:100mAh/g未満
実施例3-1~3-9及び比較例3-1~3-3で得られたコイン型のリチウム二次電池について、室温にて、充電レート0.1Cとした定電流法により、4.3Vまで充電を行ない、次いで、放電レート0.1Cにて、3.0Vまで放電することにより、0.1C放電時の電池容量を求めた。そして、得られた電池容量から、正極活物質層の単位重量当たりの容量を算出し、これを初期容量とした。初期容量の評価は、以下の基準にしたがって行なった。初期容量が高いほど、二次電池の電池容量が高くなるため、好ましい。
A:170mAh/g以上
B:150mAh/g以上、170mAh/g未満
C:130mAh/g以上、150mAh/g未満
D:100mAh/g以上、130mAh/g未満
E:100mAh/g未満
<内部抵抗>
実施例3-1~3-9及び比較例3-1~3-3で得られたコイン型のリチウム二次電池について、室温にて、充電レート0.1Cとした定電流法により、4.2Vまで充電を行ない、その後、-30℃環境下で、1Cの定電流で放電を行い、放電開始10秒後の電圧降下量(ΔV)を測定することで、内部抵抗の評価を行った。放電開始10秒後の電圧降下量の値が小さいほど、内部抵抗が小さく、高速充放電が可能であると判断できる。
A:電圧降下量が0.2V未満
B:電圧降下量が0.2V以上、0.3V未満
C:電圧降下量が0.3V以上、0.5V未満
D:電圧降下量が0.5V以上、0.7V未満
E:電圧降下量が0.7V以上
実施例3-1~3-9及び比較例3-1~3-3で得られたコイン型のリチウム二次電池について、室温にて、充電レート0.1Cとした定電流法により、4.2Vまで充電を行ない、その後、-30℃環境下で、1Cの定電流で放電を行い、放電開始10秒後の電圧降下量(ΔV)を測定することで、内部抵抗の評価を行った。放電開始10秒後の電圧降下量の値が小さいほど、内部抵抗が小さく、高速充放電が可能であると判断できる。
A:電圧降下量が0.2V未満
B:電圧降下量が0.2V以上、0.3V未満
C:電圧降下量が0.3V以上、0.5V未満
D:電圧降下量が0.5V以上、0.7V未満
E:電圧降下量が0.7V以上
<高温保存特性>
実施例3-1~3-9及び比較例3-1~3-3で得られたコイン型のリチウム二次電池について、室温にて、充電レート0.2Cとした定電流法により、4.25Vまで充電を行ない、次いで、放電レート0.2Cにて、3.0Vまで放電することにより、0.2C放電時の初期容量C0を測定した。次いで、充電レート0.2Cとした定電流法により、4.25Vまで充電を行ない、60℃、7日間保存した後、放電電圧3.0V、0.2Cの充放電レートにて充放電を行い、高温保存後の容量C1を測定した。そして、同様の試験を10セルについて行い、10セルの初期容量C0及び高温保存後の容量C1から、ΔC=C1/C0×100(%)にしたがって容量維持率を算出し、10セルの容量維持率の平均値ΔCaveを求め、以下の基準にて、高温保存特性の評価を行った。容量維持率の平均値ΔCaveの値が高いほど高温保存特性に優れていると判断することができる。
A:ΔCaveが95%以上
B:ΔCaveが85%以上、95%未満
C:ΔCaveが70%以上、85%未満
D:ΔCaveが60%以上、70%未満
E:ΔCaveが60%未満
実施例3-1~3-9及び比較例3-1~3-3で得られたコイン型のリチウム二次電池について、室温にて、充電レート0.2Cとした定電流法により、4.25Vまで充電を行ない、次いで、放電レート0.2Cにて、3.0Vまで放電することにより、0.2C放電時の初期容量C0を測定した。次いで、充電レート0.2Cとした定電流法により、4.25Vまで充電を行ない、60℃、7日間保存した後、放電電圧3.0V、0.2Cの充放電レートにて充放電を行い、高温保存後の容量C1を測定した。そして、同様の試験を10セルについて行い、10セルの初期容量C0及び高温保存後の容量C1から、ΔC=C1/C0×100(%)にしたがって容量維持率を算出し、10セルの容量維持率の平均値ΔCaveを求め、以下の基準にて、高温保存特性の評価を行った。容量維持率の平均値ΔCaveの値が高いほど高温保存特性に優れていると判断することができる。
A:ΔCaveが95%以上
B:ΔCaveが85%以上、95%未満
C:ΔCaveが70%以上、85%未満
D:ΔCaveが60%以上、70%未満
E:ΔCaveが60%未満
<高温サイクル特性>
実施例3-1~3-9及び比較例3-1~3-3で得られたコイン型のリチウム二次電池(ハーフセル)について、温度60℃の条件にて、充電レート0.1Cとした定電流法により、4.3Vまで充電を行なった後、放電レート0.1Cにて、3.0Vまで放電する充放電試験を100回繰り返した。そして、1回目の充放電試験における放電容量Cap1stと、100回目の充放電試験における放電容量Cap100thとの比((Cap100th/Cap1st)×100%)である100サイクル時容量維持率を求めた。そして、得られた100サイクル時容量維持率に基づき、以下の基準にて、高温サイクル特性を評価した。なお、100サイクル時容量維持率が高いほど、高温でのサイクル試験を行った際の100サイクル目における劣化が少なく、高温サイクル特性に優れると判断できるため、好ましい。
A:100サイクル時容量維持率が95%以上
B:100サイクル時容量維持率が85%以上、95%未満
C:100サイクル時容量維持率が75%以上、85%未満
D:100サイクル時容量維持率が60%以上、75%未満
E:100サイクル時容量維持率が60%未満
実施例3-1~3-9及び比較例3-1~3-3で得られたコイン型のリチウム二次電池(ハーフセル)について、温度60℃の条件にて、充電レート0.1Cとした定電流法により、4.3Vまで充電を行なった後、放電レート0.1Cにて、3.0Vまで放電する充放電試験を100回繰り返した。そして、1回目の充放電試験における放電容量Cap1stと、100回目の充放電試験における放電容量Cap100thとの比((Cap100th/Cap1st)×100%)である100サイクル時容量維持率を求めた。そして、得られた100サイクル時容量維持率に基づき、以下の基準にて、高温サイクル特性を評価した。なお、100サイクル時容量維持率が高いほど、高温でのサイクル試験を行った際の100サイクル目における劣化が少なく、高温サイクル特性に優れると判断できるため、好ましい。
A:100サイクル時容量維持率が95%以上
B:100サイクル時容量維持率が85%以上、95%未満
C:100サイクル時容量維持率が75%以上、85%未満
D:100サイクル時容量維持率が60%以上、75%未満
E:100サイクル時容量維持率が60%未満
(実施例3-1)
複合粒子用スラリーの製造
正極活物質としてLiNiO2 100部、導電材としてのアセチレンブラック(HS-100:電気化学工業)2部、製造例1で得られた非水溶性粒子状重合体(A1)を固形分換算量で1.8部、及び、製造例6で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)を固形分換算量で0.7部を混合し、さらにイオン交換水を適量加え、プラネタリーミキサーにて混合分散して複合粒子用スラリーを得た。なお、得られた複合粒子用スラリーのpHは10.8であった。
複合粒子用スラリーの製造
正極活物質としてLiNiO2 100部、導電材としてのアセチレンブラック(HS-100:電気化学工業)2部、製造例1で得られた非水溶性粒子状重合体(A1)を固形分換算量で1.8部、及び、製造例6で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)を固形分換算量で0.7部を混合し、さらにイオン交換水を適量加え、プラネタリーミキサーにて混合分散して複合粒子用スラリーを得た。なお、得られた複合粒子用スラリーのpHは10.8であった。
正極電極用複合粒子の製造
上記にて得られた複合粒子用スラリーを、スプレー乾燥機(大川原化工機社製)を使用し、回転円盤方式のアトマイザ(直径65mm)を用い、回転数25,000rpm、熱風温度150℃、粒子回収出口の温度90℃の条件にて、噴霧乾燥造粒を行い、正極電極用複合粒子を得た。得られた複合粒子の平均体積粒子径は30μmであった。
上記にて得られた複合粒子用スラリーを、スプレー乾燥機(大川原化工機社製)を使用し、回転円盤方式のアトマイザ(直径65mm)を用い、回転数25,000rpm、熱風温度150℃、粒子回収出口の温度90℃の条件にて、噴霧乾燥造粒を行い、正極電極用複合粒子を得た。得られた複合粒子の平均体積粒子径は30μmであった。
正極の製造
上記にて得られた正極電極用複合粒子を、ロールプレス機(押し切り粗面熱ロール、ヒラノ技研工業社製)のロール(ロール温度100℃、プレス線圧4.0kN/cm)に、集電体としてのアルミニウム箔とともに供給し、成形速度15m/分で、集電体としてのアルミニウム箔上に、シート状に成形し、電極密度4.5g/cm3、厚さ65μmの正極活物質層を有する正極を得た。
上記にて得られた正極電極用複合粒子を、ロールプレス機(押し切り粗面熱ロール、ヒラノ技研工業社製)のロール(ロール温度100℃、プレス線圧4.0kN/cm)に、集電体としてのアルミニウム箔とともに供給し、成形速度15m/分で、集電体としてのアルミニウム箔上に、シート状に成形し、電極密度4.5g/cm3、厚さ65μmの正極活物質層を有する正極を得た。
リチウム二次電池の製造
上記にて得られた正極を直径16mmの円盤状に切り抜き、この正極の正極活物質層面側に直径18mm、厚さ25μmの円盤状のポリプロピレン製多孔膜からなるセパレーター、対極としての金属リチウム、及びエキスパンドメタルをこの順に積層し、これをポリプロピレン製パッキンを設置したステンレス鋼製のコイン型外装容器(直径20mm、高さ1.8mm、ステンレス鋼厚さ0.25mm)中に収納した。次いで、この容器中に電解液(溶媒:エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=1/2(20℃での容積比)、電解質:1MのLiPF6)を空気が残らないように注入し、ポリプロピレン製パッキンを介して外装容器に厚さ0.2mmのステンレス鋼のキャップをかぶせて固定し、電池缶を封止して、直径20mm、厚さ約2mmのコイン型のリチウム二次電池(ハーフセル)を製造した。
上記にて得られた正極を直径16mmの円盤状に切り抜き、この正極の正極活物質層面側に直径18mm、厚さ25μmの円盤状のポリプロピレン製多孔膜からなるセパレーター、対極としての金属リチウム、及びエキスパンドメタルをこの順に積層し、これをポリプロピレン製パッキンを設置したステンレス鋼製のコイン型外装容器(直径20mm、高さ1.8mm、ステンレス鋼厚さ0.25mm)中に収納した。次いで、この容器中に電解液(溶媒:エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=1/2(20℃での容積比)、電解質:1MのLiPF6)を空気が残らないように注入し、ポリプロピレン製パッキンを介して外装容器に厚さ0.2mmのステンレス鋼のキャップをかぶせて固定し、電池缶を封止して、直径20mm、厚さ約2mmのコイン型のリチウム二次電池(ハーフセル)を製造した。
そして、上記にて得られた複合粒子用スラリーを用いて腐食抑制効果の評価を、正極を用いてピール強度の評価を、リチウム二次電池を用いて初期容量、内部抵抗、高温保存特性及び高温サイクル特性の評価を、それぞれ行った。結果を表5に示す。
(実施例3-2)
正極活物質として、LiNiO2の代わりに、LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2を使用した以外は、実施例3-1と同様にして、複合粒子用スラリー、正極電極用複合粒子、正極及びリチウム二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表5に示す。
正極活物質として、LiNiO2の代わりに、LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2を使用した以外は、実施例3-1と同様にして、複合粒子用スラリー、正極電極用複合粒子、正極及びリチウム二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表5に示す。
(実施例3-3~3-6)
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、製造例10で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B5)(実施例3-3)、製造例14で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B9)(実施例3-4)、製造例15で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B10)(実施例3-5)、及び製造例8で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B3)(実施例3-6)を、それぞれ使用した以外は、実施例3-1と同様にして、複合粒子用スラリー、正極電極用複合粒子、正極及びリチウム二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表5に示す。
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、製造例10で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B5)(実施例3-3)、製造例14で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B9)(実施例3-4)、製造例15で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B10)(実施例3-5)、及び製造例8で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B3)(実施例3-6)を、それぞれ使用した以外は、実施例3-1と同様にして、複合粒子用スラリー、正極電極用複合粒子、正極及びリチウム二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表5に示す。
(実施例3-7,3-8)
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の配合量を、固形分換算で、1.6部(実施例3-7)及び0.08部(実施例3-8)に、それぞれ変更した以外は、実施例3-1と同様にして、複合粒子用スラリー、正極電極用複合粒子、正極及びリチウム二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表5に示す。
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の配合量を、固形分換算で、1.6部(実施例3-7)及び0.08部(実施例3-8)に、それぞれ変更した以外は、実施例3-1と同様にして、複合粒子用スラリー、正極電極用複合粒子、正極及びリチウム二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表5に示す。
(実施例3-9)
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、製造例7で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B2)を使用した以外は、実施例3-1と同様にして、複合粒子用スラリー、正極電極用複合粒子、正極及びリチウム二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表5に示す。
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、製造例7で得られたスルホン酸基を有する水溶性高分子(B2)を使用した以外は、実施例3-1と同様にして、複合粒子用スラリー、正極電極用複合粒子、正極及びリチウム二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表5に示す。
(比較例3-1)
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、カルボキシメチルセルロースを使用した以外は、実施例3-1と同様にして、複合粒子用スラリーを製造し、次いで、正極電極用複合粒子を製造したところ、成形性に極めて劣り、正極電極用複合粒子を得ることができなかった。
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)の代わりに、カルボキシメチルセルロースを使用した以外は、実施例3-1と同様にして、複合粒子用スラリーを製造し、次いで、正極電極用複合粒子を製造したところ、成形性に極めて劣り、正極電極用複合粒子を得ることができなかった。
(比較例3-2)
非水溶性粒子状重合体(A1)を配合しなかった以外は、実施例3-1と同様にして、複合粒子用スラリーを製造し、次いで、正極電極用複合粒子を製造したところ、成形性に極めて劣り、正極電極用複合粒子を得ることができなかった。
非水溶性粒子状重合体(A1)を配合しなかった以外は、実施例3-1と同様にして、複合粒子用スラリーを製造し、次いで、正極電極用複合粒子を製造したところ、成形性に極めて劣り、正極電極用複合粒子を得ることができなかった。
(比較例3-3)
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)を配合しなかった以外は、実施例3-1と同様にして、複合粒子用スラリー、正極電極用複合粒子、正極及びリチウム二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表5に示す。
スルホン酸基を有する水溶性高分子(B1)を配合しなかった以外は、実施例3-1と同様にして、複合粒子用スラリー、正極電極用複合粒子、正極及びリチウム二次電池を製造し、同様に評価を行った。結果を表5に示す。
表5に示すように、正極活物質、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体を水に分散してなる複合粒子用スラリーは、いずれも金属に対する腐食が抑制されており、また、該複合粒子用スラリーを用いて得られた正極電極用複合粒子は、成形して正極とした際におけるピール強度が高く、さらには、電池とした際における初期容量、高温保存特性、内部抵抗及び高温サイクル特性に優れるものであった(実施例3-1~3-9)。
一方、スルホン酸基を有する水溶性重合体の代わりに、カルボキシメチルセルロースを用いた場合、及び非水溶性粒子状重合体を配合しなかった場合には、各評価を行えるような成形体を得ることができなかった(比較例3-1,3-2)。
さらに、スルホン酸基を有する水溶性重合体を配合しなかった場合には、複合粒子用スラリーとした場合に、金属に対する腐食性が高く、また、成形して正極とした際におけるピール強度に劣り、さらには、電池とした際における高温保存特性、内部抵抗及び高温サイクル特性に劣る結果となった(比較例3-3)。
さらに、スルホン酸基を有する水溶性重合体を配合しなかった場合には、複合粒子用スラリーとした場合に、金属に対する腐食性が高く、また、成形して正極とした際におけるピール強度に劣り、さらには、電池とした際における高温保存特性、内部抵抗及び高温サイクル特性に劣る結果となった(比較例3-3)。
Claims (12)
- 電極活物質、非水溶性粒子状重合体及びスルホン酸基を有する水溶性重合体を含むことを特徴とする電気化学素子電極用複合粒子。
- 前記水溶性重合体がカルボキシル基含有単量体単位をさらに含有する請求項1に記載の電気化学素子電極用複合粒子。
- 前記電極活物質が、ニッケルを含有する正極活物質である、請求項1又は2に記載の電気化学素子電極用複合粒子。
- 前記電極活物質が、鱗片状の電極活物質である請求項1又は2に記載の電気化学素子電極用複合粒子。
- 前記水溶性重合体が、スルホン酸基含有単量体単位を有する水溶性重合体であり、前記水溶性重合体における前記スルホン酸基含有単量体単位の含有割合が、2~15重量%である、請求項1~4のいずれかに記載の電気化学素子電極用複合粒子。
- 前記水溶性重合体におけるカルボキシル基含有単量体単位の含有割合が、20~60重量%である、請求項2に記載の電気化学素子電極用複合粒子。
- 前記水溶性重合体が、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位をさらに含有する、請求項1~6のいずれかに記載の電気化学素子電極用複合粒子。
- 請求項1~7のいずれかに記載の電気化学素子電極用複合粒子を含んでなることを特徴とする電気化学素子電極材料。
- 請求項8に記載の電気化学素子電極材料から形成される電極活物質層を集電体上に積層してなることを特徴とする電気化学素子電極。
- 前記電極活物質層を前記集電体上に、加圧成形により積層してなることを特徴とする請求項9に記載の電気化学素子電極。
- 前記電極活物質層を前記集電体上に、ロール加圧成形により積層してなることを特徴とする請求項10に記載の電気化学素子電極。
- 請求項1~7のいずれかに記載の電気化学素子電極用複合粒子を製造する方法であって、前記電極活物質、前記非水溶性粒子状重合体、及び前記水溶性重合体を水に分散させてスラリーを得る工程と、前記スラリーを噴霧乾燥して造粒する工程と、を有する電気化学素子電極用複合粒子の製造方法。
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