WO2016103559A1 - 非水系二次電池機能層用組成物、非水系二次電池用セパレータおよび非水系二次電池 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a composition for a non-aqueous secondary battery functional layer, a separator for a non-aqueous secondary battery, and a non-aqueous secondary battery.
- Non-aqueous secondary batteries such as lithium ion secondary batteries (hereinafter sometimes abbreviated as “secondary batteries”) have the characteristics of being small and lightweight, having high energy density, and capable of repeated charge and discharge. It is used for a wide range of purposes.
- the secondary battery generally includes a battery member such as a positive electrode, a negative electrode, and a separator that separates the positive electrode and the negative electrode and prevents a short circuit between the positive electrode and the negative electrode.
- Patent Document 1 a functional layer composition containing inorganic fine particles and a particulate polymer A having a melting point of 80 ° C. or lower and 100 ° C. or lower is applied onto a separator substrate made of a thermoplastic resin and dried. It describes that a separator having a functional layer for the purpose of improving heat resistance is produced. And this separator is used for a secondary battery together with a positive electrode provided with a positive electrode mixture layer comprising a positive electrode active material and a particulate polymer B having a melting point within a specific range.
- the porosity of the functional layer before immersion in the electrolyte is set to 30% or more and 70% or less, so that the ion conductivity between the positive electrode and the negative electrode is improved and the secondary battery is improved.
- the internal temperature rises excessively it is possible to secure a shutdown function that blocks ion conduction and prevents thermal runaway of the secondary battery.
- the functional layer formed using the functional layer composition has poor adhesion after being immersed in the electrolyte, and the electrode and the separator are sufficiently disposed in the secondary battery via the functional layer. It was difficult to make it adhere to. Moreover, in the said patent document 1, it was also difficult to exhibit battery characteristics, such as the high temperature cycle characteristic and low temperature output characteristic which were excellent in the secondary battery. That is, the above-described conventional technology has room for improvement in terms of enhancing the battery characteristics of the secondary battery while improving the adhesion of the functional layer after being immersed in the electrolyte solution.
- the present invention provides a composition for a functional layer of a non-aqueous secondary battery that can form a functional layer that can exhibit excellent adhesive properties after immersion in an electrolyte and can provide excellent battery characteristics to a secondary battery.
- the purpose is to do.
- the present invention also provides a separator for a non-aqueous secondary battery that can exhibit excellent battery characteristics for a non-aqueous secondary battery while firmly adhering to an electrode through a functional layer after immersion in an electrolytic solution. Objective.
- an object of this invention is to provide the non-aqueous secondary battery which is excellent in a battery characteristic.
- the present inventor has intensively studied for the purpose of solving the above problems. Then, the present inventor firstly, the functional layer including organic particles having a specific core-shell structure including a core portion having a specific electrolyte solution swelling degree and a shell portion and a binder for the functional layer is immersed in the electrolyte solution. The idea was to improve the battery characteristics of the secondary battery with excellent adhesion later.
- the present inventors have further studied and have come to pay attention to the viscous behavior of the functional layer composition. Specifically, for the purpose of reducing the functional layer ion diffusibility and cost, the functional layer has been conventionally thinned, but the present inventor should apply the functional layer composition thinly on the substrate. If the viscosity of the functional layer composition is simply reduced, the particulate component (such as the functional layer binder) in the functional layer composition settles after application to the base material. It was found that the ion diffusibility of the separator and the like is impaired by clogging.
- the present inventor has determined that the viscosity component ⁇ 0 under a low shear condition (shear rate of 100 sec ⁇ 1 ) is within a specific range, so that the particulate component in the composition for a functional layer after coating.
- Viscosity ⁇ 1 under high shear conditions (shear rate 10000 sec ⁇ 1 ) in view of the fact that high shear is normally applied to the composition for the functional layer at the time of application to the substrate, while preventing clogging of the voids by suppressing sedimentation of the voids by but setting the ratio of eta 0 for such eta 1 falls within the range it is easy coating ( ⁇ 0 / ⁇ 1), the battery characteristics of the adhesive and the secondary battery after the electrolyte immersing the functional layer further It was newly found that it becomes possible to increase.
- the present inventor forms a functional layer on the separator base material from the viewpoint of ensuring ion diffusibility in the electrolyte as the whole separator in the separator having the functional layer on the separator base material.
- the idea was that it was important to estimate the degree of voids inherent in the porous separator base material after immersion in the electrolyte. And by keeping the degree of change of the porosity within a specific range, the ion diffusion property of the separator as a whole is enhanced while ensuring the adhesiveness after immersion of the functional layer in the electrolyte solution, and the battery characteristics of the secondary battery It was newly found that it is possible to further increase
- the composition for non-aqueous secondary battery functional layers of this invention is a non-aqueous type
- the organic particles having the specific core-shell structure including the core portion and the shell portion having the specific electrolyte swelling degree and the binder for the functional layer, and the values of ⁇ 0 and ⁇ 0 / ⁇ 1 can be formed by using a functional layer composition having a specific range within a specific range, which is excellent in adhesiveness after immersion in an electrolytic solution and can exhibit battery characteristics excellent in a secondary battery. .
- the “electrolyte swelling degree” of the polymer of the core part and the shell part of the organic particles can be measured by using the measuring method described in the examples of the present specification.
- the "viscosity eta 1 at a shear rate of 10000 sec -1" and “viscosity eta 0 at a shear rate of 100 sec -1" functional layer composition is a viscosity at a measurement temperature of 25 ° C. at each shear rate, the It can measure using the measuring method as described in the Example of a specification.
- the glass transition temperature of the polymer in the core part is ⁇ 50 ° C. or more and 150 ° C. or less, and the glass transition temperature of the polymer in the shell part is 50 ° C. or more and 200 ° C. or less is preferable. This is because if the glass transition temperatures of the polymer in the core part and the shell part are within the above-mentioned ranges, the adhesion of the functional layer after immersion in the electrolyte and the battery characteristics of the secondary battery can be further improved.
- the “glass transition temperature” of the polymer of the core part and the shell part of the organic particles can be measured using the measuring method described in the examples of the present specification.
- the polymer of the core part preferably includes at least one of a reactive surfactant monomer unit and a macromonomer structural unit.
- the polymer of the shell part preferably includes at least one of a reactive surfactant monomer unit and a macromonomer structural unit.
- the polymer constituting the organic particles includes at least one of a reactive surfactant monomer unit and a macromonomer structural unit, an appropriate viscosity is imparted to the functional layer composition, and the functional layer This is because it is possible to further improve the adhesion and the battery characteristics of the secondary battery after immersion of the electrolyte.
- “comprising a monomer unit” means “a polymer-derived structural unit is contained in a polymer obtained using the monomer”.
- “including a macromonomer structural unit” means “a polymer obtained using the macromonomer contains a structural unit derived from a macromonomer”.
- the separator for non-aqueous secondary batteries of this invention is a separator base material, On the surface of at least one of the said separator base material, A separator for a non-aqueous secondary battery comprising a functional layer including organic particles and a functional layer binder, wherein the organic particles partially cover the core portion and the outer surface of the core portion.
- the core portion is made of a polymer having a swelling degree with respect to the electrolytic solution of 5 to 30 times, and the shell portion has a swelling degree with respect to the electrolytic solution of more than 1 times 4
- a porosity M 0 after immersion of the separator substrate in the electrolyte solution and a porosity M 1 after immersion of the electrolyte solution in the non-aqueous secondary battery separator ( 1 ) Porosity change ratio calculated in 1) Characterized in that C is 5 to 50%.
- a functional layer containing organic particles having a specific core-shell structure including a core portion and a shell portion having a specific degree of electrolyte swelling and a binder for a functional layer is provided on the separator substrate, and the above formula (1) a separator value of M C is within a specific range obtained from the after electrolyte immersion, firmly adhered to the electrode through the functional layer, also to exhibit excellent battery characteristics to the secondary battery be able to.
- the porosity M 0 after immersion in the electrolyte solution” of the separator substrate and “the porosity M 1 after immersion in the electrolyte solution” of the separator for the non-aqueous secondary battery are the same as those in the present specification It can be measured using the measurement method described in the examples.
- the glass transition temperature of the polymer in the core portion is ⁇ 50 ° C. or more and 150 ° C. or less, and the glass transition temperature of the polymer in the shell portion is 50 ° C.
- the temperature is preferably 200 ° C. or lower. If the glass transition temperatures of the polymer in the core and shell are within the above ranges, the battery characteristics of the secondary battery can be further improved while further improving the adhesion between the separator and the electrode after immersion in the electrolyte. Because you can.
- the polymer of the core part includes at least one of a reactive surfactant monomer unit and a macromonomer structural unit.
- the polymer of the shell portion includes at least one of a reactive surfactant monomer unit and a macromonomer structural unit.
- the nonaqueous secondary battery of this invention is equipped with one of the separators for nonaqueous secondary batteries mentioned above, It is characterized by the above-mentioned. .
- a secondary battery including any of the above-described separators for non-aqueous secondary batteries is excellent in battery characteristics such as high-temperature cycle characteristics and low-temperature output characteristics.
- a composition for a non-aqueous secondary battery functional layer capable of forming a functional layer that can exhibit excellent adhesive properties after immersion in an electrolytic solution and provide excellent battery characteristics to a secondary battery. can do.
- a separator for a non-aqueous secondary battery capable of exhibiting excellent battery characteristics for a non-aqueous secondary battery while firmly adhering to an electrode through a functional layer after immersion in an electrolytic solution. be able to.
- the non-aqueous secondary battery excellent in a battery characteristic can be provided.
- the composition for a nonaqueous secondary battery functional layer of the present invention is used as a material for preparing a functional layer constituting a battery member such as a separator or an electrode.
- the functional layer formed using the nonaqueous secondary battery functional layer composition of the present invention may be a porous film layer for improving the heat resistance and strength of battery members such as separators and electrodes.
- an adhesive layer for adhering battery members may be used, or a layer that exhibits both functions of the porous membrane layer and the adhesive layer may be used.
- the separator for non-aqueous secondary batteries of the present invention comprises a separator base material and a functional layer on the separator base material, and the functional layer is, for example, the composition for a non-aqueous secondary battery functional layer of the present invention. It is formed using things.
- the non-aqueous secondary battery of this invention is equipped with the separator for non-aqueous secondary batteries of this invention at least.
- composition for functional layer of non-aqueous secondary battery contains at least organic particles having a specific structure and a binder for a functional layer other than the organic particles, optionally containing other components, water and the like as a dispersion medium Slurry composition. Further, the nonaqueous secondary battery functional layer composition, a ratio of the eta 0 on the viscosity eta 1 at viscosity eta 0, and shear rate 10000 sec -1 at a shear rate of 100 sec -1 is within a specific range, respectively It is characterized by that.
- the functional layer formed using the composition for a non-aqueous secondary battery functional layer of the present invention has contributed to the properties of the organic particles and the viscous behavior of the functional layer composition described above, after immersion in the electrolyte solution. Exhibits excellent adhesive properties, and can provide excellent battery characteristics to the secondary battery. Specifically, since the functional layer formed using the composition for a non-aqueous secondary battery functional layer of the present invention contains predetermined organic particles that exhibit excellent adhesiveness in the electrolytic solution, Even after immersion in the electrolytic solution, excellent adhesiveness can be exhibited, and excellent battery characteristics can be exhibited in the non-aqueous secondary battery.
- the composition for a non-aqueous secondary battery functional layer of the present invention has a viscosity ⁇ 0 at a shear rate of 100 sec ⁇ 1 within a specific range, and the ⁇ against the viscosity ⁇ 1 at a shear rate of 10000 sec ⁇ 1. Since the ratio of 0 is within a specific range, it is possible to suppress sedimentation of the particulate component after application while ensuring applicability to the base material of the composition for the functional layer. Can be improved.
- Organic particles contained in the composition for a non-aqueous secondary battery functional layer bear a function of exerting excellent adhesiveness in a functional layer formed using the composition for a non-aqueous secondary battery functional layer.
- the organic particles have a core-shell structure including a core portion and a shell portion that partially covers the outer surface of the core portion, and the electrolyte swelling degree of the core portion is not less than 5 times and not more than 30 times.
- the shell part is made of a polymer having an electrolyte solution swelling degree of more than 1 and 4 times or less.
- the organic particles having the above structure and properties exhibit excellent adhesiveness in the electrolytic solution, and further, the elution of components into the electrolytic solution is small, and excellent adhesiveness can be maintained for a long time.
- the functional layer obtained using the composition for functional layers can improve the battery characteristic of a secondary battery favorably.
- the functional layer obtained using the functional layer composition does not exhibit a large adhesive force before being immersed in the electrolytic solution, the functional layer itself and the member including the functional layer are blocked (functional layer). Or sticking between members via the functional layer), and handling properties are excellent.
- the polymer constituting the shell portion of the organic particles swells to some extent with respect to the electrolytic solution.
- the functional group of the polymer of the swollen shell part is activated, and the separator base or electrode base on which the functional layer is formed, or the electrode or separator adhered to the battery member having the functional layer, etc.
- the shell part can be firmly bonded to the battery member due to factors such as causing a chemical or electrical interaction with a functional group on the surface of the battery member.
- the shell portion does not exhibit a large adhesive force before it swells in the electrolytic solution.
- the functional layer containing the said organic particle it is guessed that it is possible to adhere
- the polymer of the shell part and the polymer of the core part both have an electrolyte solution swelling degree set to a predetermined value or less, and do not swell excessively with respect to the electrolyte solution. Therefore, for example, it is speculated that the excellent adhesiveness described above can be sufficiently exhibited even after the secondary battery is operated for a long time.
- the polymer constituting the core part of the organic particles swells greatly with respect to the electrolytic solution.
- the gap between the molecules of the polymer becomes large, and ions easily pass between the molecules.
- the polymer in the core part of the organic particles is not completely covered by the shell part. Therefore, ions easily pass through the core portion in the electrolytic solution, so that the organic particles can exhibit high ion diffusibility. Therefore, if the organic particles are used, it is possible to suppress an increase in resistance due to the functional layer and to suppress a decrease in battery characteristics such as low-temperature output characteristics.
- an organic particle exhibits the outstanding adhesiveness by swelling to electrolyte solution, and does not exhibit big adhesive force before being immersed in electrolyte solution.
- the organic particles do not exhibit adhesiveness unless they are swollen in the electrolytic solution, and are heated to a certain temperature or higher (for example, 50 ° C. or higher) even if they are not swollen in the electrolytic solution. Therefore, adhesiveness can be expressed.
- the organic particles have a core-shell structure including a core part and a shell part that covers the outer surface of the core part.
- the shell portion partially covers the outer surface of the core portion. That is, the shell part of the organic particles covers the outer surface of the core part, but does not cover the entire outer surface of the core part. Even if it appears that the outer surface of the core part is completely covered by the shell part, the shell part is outside the core part as long as a hole that communicates the inside and outside of the shell part is formed.
- a shell part that partially covers the surface Therefore, for example, organic particles including a shell portion having pores communicating from the outer surface of the shell portion (that is, the peripheral surface of the organic particle) to the outer surface of the core portion are included in the organic particles.
- the organic particles 100 have a core-shell structure including a core part 110 and a shell part 120.
- the core part 110 is a part which is inside the shell part 120 in the organic particle 100.
- the shell part 120 is a part that covers the outer surface 110 ⁇ / b> S of the core part 110, and is usually the outermost part of the organic particles 100.
- the shell portion 120 does not cover the entire outer surface 110S of the core portion 110, but partially covers the outer surface 110S of the core portion 110.
- the average ratio (coverage) at which the outer surface of the core part is covered by the shell part is preferably 10% or more, more preferably 30% or more, and even more preferably 50% or more, preferably It is 95% or less, more preferably 90% or less, and still more preferably 80% or less.
- the “coverage” of the organic particles can be measured using the measurement method described in the examples of the present specification.
- the volume average particle diameter D50 of the organic particles is preferably 0.1 ⁇ m or more, more preferably 0.2 ⁇ m or more, further preferably 0.4 ⁇ m or more, preferably 1 ⁇ m or less, more preferably 0.8 ⁇ m or less. is there.
- the volume average particle diameter D50 of the organic particles is preferably 0.1 ⁇ m or more, more preferably 0.2 ⁇ m or more, further preferably 0.4 ⁇ m or more, preferably 1 ⁇ m or less, more preferably 0.8 ⁇ m or less. is there.
- volume average particle diameter D50 of the organic particles not more than the upper limit of the above range, it is possible to improve the adhesion between battery members in the electrolytic solution and improve the high-temperature cycle characteristics of the secondary battery. Further, it is possible to bring about an improvement in adhesiveness that the functional layer before immersion in the electrolyte exhibits by heating.
- the “volume average particle diameter D50” of the organic particles can be measured using the measuring method described in the examples of the present specification.
- the shell part preferably has an average thickness that falls within a predetermined range with respect to the volume average particle diameter D50 of the organic particles.
- the average thickness (core-shell ratio) of the shell part with respect to the volume average particle diameter D50 of the organic particles is preferably 1.5% or more, more preferably 3% or more, further preferably 5% or more, preferably Is 40% or less, more preferably 30% or less, still more preferably 25% or less, and particularly preferably 15% or less.
- the “core-shell ratio” of the organic particles can be measured using the measuring method described in the examples of the present specification.
- the organic particles may include arbitrary constituent elements other than the above-described core part and shell part as long as the intended effect is not significantly impaired.
- the organic particles may have a portion formed of a polymer different from the core portion inside the core portion.
- the seed particles used when the organic particles are produced by the seed polymerization method may remain inside the core portion.
- the organic particles include only the core part and the shell part from the viewpoint of remarkably exhibiting the intended effect.
- the core part of the organic particle is made of a polymer having a predetermined degree of swelling with respect to the electrolytic solution.
- the electrolyte swelling degree of the polymer in the core part needs to be 5 times or more, preferably 6 times or more, more preferably 7 times or more, and 9.6. More preferably, it is more than double, and it is necessary that it is 30 times or less, preferably 25 times or less, and more preferably 20 times or less.
- the organic particles are swollen to some extent in the electrolytic solution, so that the adhesion of the functional layer is ensured and the high-temperature cycle characteristics of the secondary battery can be improved.
- the adhesiveness of the functional layer in electrolyte solution can be improved, and the high temperature cycling characteristic of a secondary battery can be improved by making electrolyte solution swelling degree of the polymer of a core part below the upper limit of the said range.
- the type and amount of the monomer for producing the polymer of the core part are determined. Appropriate selection can be mentioned. Generally, when the SP value of a polymer is close to the SP value of an electrolytic solution, the polymer tends to swell in the electrolytic solution. On the other hand, when the SP value of the polymer is far from the SP value of the electrolytic solution, the polymer tends to hardly swell in the electrolytic solution.
- the SP value means a solubility parameter.
- the SP value can be calculated using the method introduced in Hansen Solubility Parameters A User's Handbook, 2nd Ed (CRCPless). Further, the SP value of an organic compound can be estimated from the molecular structure of the organic compound. Specifically, it can be calculated by using simulation software (for example, “HSPiP” (http://www.hansen-solution.com)) that can calculate the SP value from the SMILE equation. In this simulation software, Hansen SOLUBILITY PARAMETERS A User's Handbook Second Edition, Charles M. et al. The SP value is obtained based on the theory described in Hansen.
- the glass transition temperature of the polymer constituting the core part of the organic particles is preferably ⁇ 50 ° C. or higher, more preferably 0 ° C. or higher, further preferably 5 ° C. or higher, more preferably 10 ° C. It is particularly preferable that the temperature is 150 ° C. or lower, more preferably 140 ° C. or lower, and more preferably 130 ° C. or lower.
- the type and amount of the monomer used for preparing the polymer of the core part are the same as the homopolymer glass of the monomer. Appropriate selection is considered in consideration of the transition temperature.
- the transition temperature of the glass tends to be low.
- (meth) acryl means acryl and / or methacryl.
- a monomer having an electrolyte solution swelling degree within the above range can be appropriately selected and used.
- monomers include vinyl chloride monomers such as vinyl chloride and vinylidene chloride; vinyl acetate monomers such as vinyl acetate; styrene, ⁇ -methylstyrene, styrenesulfonic acid, butoxystyrene, Aromatic vinyl monomers such as vinylnaphthalene; vinylamine monomers such as vinylamine; vinylamide monomers such as N-vinylformamide and N-vinylacetamide; methyl acrylate, ethyl acrylate, butyl acrylate, methacryl (Meth) acrylic acid ester monomers such as methyl acrylate, ethyl methacrylate and 2-ethylhexyl acrylate; (meth) acrylamide monomers such as acrylamide and methacrylamide
- (meth) acrylate means acrylate and / or methacrylate
- (meth) acrylonitrile means acrylonitrile and / or methacrylonitrile
- the polymer of the core part preferably contains a (meth) acrylic acid ester monomer unit or a (meth) acrylonitrile monomer unit, and more preferably contains a (meth) acrylic acid ester monomer unit. It is particularly preferred that it contains a monomer unit derived from methyl methacrylate. This makes it easy to control the degree of swelling of the polymer and further enhances the ion diffusibility of the functional layer using organic particles.
- the proportion of the (meth) acrylic acid ester monomer unit in the polymer of the core part is preferably 50% by mass or more, more preferably 60% by mass or more, still more preferably 70% by mass or more, and preferably 95% by mass. Hereinafter, it is more preferably 90% by mass or less, and further preferably 80% by mass or less.
- the ratio of the (meth) acrylic acid ester monomer unit below the upper limit of the above range, the adhesion of the functional layer in the electrolytic solution is improved, and the high-temperature cycle characteristics of the secondary battery are further improved. be able to.
- the polymer of a core part contains at least one of a reactive surfactant monomer unit and a macromonomer structural unit.
- the organic particles having the polymer in the core part into which the reactive surfactant monomer unit and / or the macromonomer structural unit are introduced can impart an appropriate viscosity to the functional layer composition. The cause of this is not clear, but by incorporating reactive surfactant monomer units and / or macromonomer structural units, the polymer having these structures has graft chains, and the functional layer composition It is presumed that the resistance to water is increased due to the contribution of the graft chain extending from the organic particles.
- the polymer of the core part preferably contains a reactive surfactant monomer unit.
- Reactive surfactant monomer units are easy to introduce into organic particles and are difficult to desorb from organic particles, increase the wettability of organic particles to electrolytes, and further improve battery characteristics such as low-temperature output characteristics. Because it is possible. In addition, since the introduction into the organic particles is easy as described above, the high temperature cycle is less likely to decrease due to the decomposition of the unreacted monomer as compared with the macromonomer. It should be noted that the reactive surfactant monomer unit can be introduced into the polymer of the shell part as will be described later, but it suppresses an excessive increase in the coverage of the organic particles and reduces the low temperature of the secondary battery. From the viewpoint of securing output characteristics, it is preferable to introduce the polymer into the core polymer.
- the reactive surfactant monomer that can form the reactive surfactant monomer unit has a polymerizable group that can be copolymerized with other monomers, and the surfactant group. It represents a monomer having (that is, a hydrophilic group and a hydrophobic group).
- the reactive surfactant monomer unit obtained by the polymerization of the reactive surfactant monomer constitutes a part of the polymer contained in the organic particles and can function as a surfactant.
- the reactive surfactant monomer has a polymerizable unsaturated group, and this polymerizable unsaturated group can also act as a hydrophobic group after polymerization.
- the polymerizable unsaturated group include vinyl group, allyl group, vinylidene group, propenyl group, isopropenyl group, and isobutylidene group.
- the type of the polymerizable unsaturated group may be one type or two or more types.
- the reactive surfactant monomer usually has a hydrophilic group as a portion that exhibits hydrophilicity.
- Reactive surfactant monomers are classified into anionic, cationic and nonionic surfactants depending on the type of hydrophilic group.
- the number average molecular weight of the reactive surfactant monomer is preferably 500 or more, more preferably 1000 or more, still more preferably 2000 or more, preferably 4000 or less, more preferably 3500 or less, and still more preferably 3000. It is as follows.
- the number average molecular weight of the reactive surfactant monomer is equal to or higher than the lower limit of the above range, so that the organic particles including the polymer containing the reactive surfactant monomer unit are good for the functional layer composition. Can be given viscosity.
- the number average molecular weight of the reactive surfactant monomer is not more than the upper limit of the above range, polymerization using the reactive surfactant monomer is facilitated.
- the “number average molecular weight” of the reactive surfactant monomer is determined by using polystyrene as a standard substance and a solution obtained by dissolving 0.85 g / ml sodium nitrate in a 10% by volume aqueous solution of dimethylformamide as a developing solvent. It can be measured by gel permeation chromatography (GPC) used.
- a reactive surfactant having a polyoxyalkylene group is preferably used from the viewpoint of easy introduction into organic particles and improvement of low-temperature output characteristics of the secondary battery.
- a compound represented by the following formula (I) is more preferable.
- R represents a divalent linking group. Examples of R include —Si—O— group, methylene group and phenylene group.
- R 1 represents a hydrophilic group. An example of R 1 includes —SO 3 NH 4 .
- n represents an integer of 1 or more and 100 or less.
- polyoxyalkylene alkenyl ether ammonium sulfate can be mentioned without being specifically limited.
- a reactive surfactant monomer may be used individually by 1 type, and may be used combining two or more types by arbitrary ratios.
- the ratio of the reactive surfactant monomer unit in the polymer of the core part is preferably 0.05% by mass or more, More preferably, it is 0.1 mass% or more, Preferably it is 5 mass% or less, More preferably, it is 4 mass% or less.
- the ratio of the reactive surfactant monomer unit is set to the lower limit of the above range or more, the viscosity imparting ability of the organic particles to the functional layer composition is secured, and the dispersibility of the organic particles is improved.
- the wettability of the organic particles to the electrolytic solution can be improved, and the low-temperature output characteristics of the secondary battery can be further improved.
- the high temperature cycling characteristic of a secondary battery can further be improved by making the ratio of a reactive surfactant monomer unit below the upper limit of the said range.
- a macromonomer that can form a macromonomer structural unit is a polymer that has a polymerizable group that can be copolymerized with other monomers, and functions as a monomer to form a new polymer by a polymerization reaction.
- the polymeric group which can be copolymerized with another monomer exists in the terminal of the polymer chain which comprises a macromonomer.
- the polymerizable group is introduced into the terminal of the polymer after obtaining a predetermined polymer, for example, and by this introduction, a macromonomer having a polymerizable group at the terminal of the polymer chain can be obtained.
- the compound included in the reactive surfactant monomer described above is not included in the macromonomer.
- the number average molecular weight of the macromonomer which is a polymer is preferably 500 or more, more preferably 600 or more, further preferably 650 or more, preferably 9000 or less, more preferably 8000 or less, and further preferably 7000 or less. It is.
- the organic particles including the polymer containing the macromonomer structural unit can impart good viscosity to the functional layer composition.
- the number average molecular weight of the macromonomer is not more than the upper limit of the above range, polymerization using the macromonomer becomes easy.
- the “number average molecular weight” of the macromonomer is measured by GPC using polystyrene as a standard substance and 0.85 g / ml sodium nitrate dissolved in a 10% by volume aqueous solution of dimethylformamide as a developing solvent. be able to.
- (meth) acrylic acid ester macromonomer containing a (meth) acrylic acid ester monomer unit (for example, 50 mass% or more), an aromatic vinyl monomer unit (for example, 50 mass) % Or more), and polycaprolactone-modified hydroxyalkyl acrylate obtained by reacting hydroxyalkyl acrylate with polycaprolactone.
- (meth) acrylic acid ester macromonomer and polycaprolactone-modified hydroxyalkyl acrylate are preferable from the viewpoint of increasing the resistance between the organic particles and water and increasing the viscosity of the functional layer composition.
- a macromonomer may be used individually by 1 type and may be used combining two or more types by arbitrary ratios.
- the ratio of the macromonomer structural unit in the polymer of the core part is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.5% by mass or more. Yes, preferably 5% by mass or less, more preferably 3% by mass or less.
- the polymer of the core part may contain either a reactive surfactant monomer unit or a macromonomer structural unit, and both the reactive surfactant monomer unit and the macromonomer structural unit. May be included.
- the total of the ratio of the reactive surfactant monomer unit and the ratio of the macromonomer structural unit in the polymer of the core part is preferably 0.05% by mass or more, more preferably 0.1% by mass or more, preferably Is 5% by mass or less, more preferably 4% by mass or less.
- the total of the ratio of the reactive surfactant monomer unit and the ratio of the macromonomer structural unit equal to or higher than the lower limit of the above range, the ability to impart viscosity to the composition for the functional layer of the organic particles is secured, The dispersibility of the particles is improved.
- the sum of the ratio of the reactive surfactant monomer unit and the ratio of the macromonomer structural unit not more than the upper limit of the above range, the high temperature cycle characteristics of the secondary battery can be further improved.
- the polymer of the core part may include an acid group-containing monomer unit.
- the acid group-containing monomer a monomer having an acid group, for example, a monomer having a carboxylic acid group, a monomer having a sulfonic acid group, a monomer having a phosphoric acid group, and And monomers having a hydroxyl group.
- Examples of the monomer having a carboxylic acid group include monocarboxylic acid and dicarboxylic acid.
- Examples of the monocarboxylic acid include acrylic acid, methacrylic acid, and crotonic acid.
- Examples of the dicarboxylic acid include maleic acid, fumaric acid, itaconic acid and the like.
- Examples of the monomer having a sulfonic acid group include vinyl sulfonic acid, methyl vinyl sulfonic acid, (meth) allyl sulfonic acid, (meth) acrylic acid-2-ethyl sulfonate, 2-acrylamido-2-methyl. Examples thereof include propanesulfonic acid and 3-allyloxy-2-hydroxypropanesulfonic acid.
- examples of the monomer having a phosphoric acid group include phosphoric acid-2- (meth) acryloyloxyethyl phosphate, methyl-2- (meth) acryloyloxyethyl phosphate, and ethyl phosphate- (meth) acryloyloxyethyl phosphate.
- examples of the monomer having a hydroxyl group include 2-hydroxyethyl acrylate, 2-hydroxypropyl acrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate, and 2-hydroxypropyl methacrylate.
- (meth) allyl means allyl and / or methallyl
- (meth) acryloyl means acryloyl and / or methacryloyl.
- an acid group-containing monomer a monomer having a carboxylic acid group is preferable, among which monocarboxylic acid is preferable, and (meth) acrylic acid is more preferable.
- an acid group containing monomer may be used individually by 1 type, and may be used combining two or more types by arbitrary ratios.
- the ratio of the acid group content body unit in the polymer of the core part is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 1% by mass or more, further preferably 3% by mass or more, and preferably 20% by mass. Hereinafter, it is more preferably 10% by mass or less, and further preferably 7% by mass or less.
- the polymer of the core part preferably contains a crosslinkable monomer unit in addition to the monomer unit.
- a crosslinkable monomer is a monomer that can form a crosslinked structure during or after polymerization by heating or irradiation with energy rays. By including a crosslinkable monomer unit, the degree of swelling of the polymer can be easily within the above range.
- crosslinkable monomer examples include polyfunctional monomers having two or more polymerization reactive groups in the monomer.
- polyfunctional monomers include divinyl compounds such as divinylbenzene; di (meth) acrylic acid esters such as diethylene glycol dimethacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, diethylene glycol diacrylate, and 1,3-butylene glycol diacrylate.
- di (meth) acrylic acid esters such as diethylene glycol dimethacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, diethylene glycol diacrylate, and 1,3-butylene glycol diacrylate.
- tri (meth) acrylic acid ester compounds such as trimethylolpropane trimethacrylate and trimethylolpropane triacrylate
- ethylenically unsaturated monomers containing epoxy groups such as allyl glycidyl ether and glycidyl methacrylate; and the like.
- ethylene glycol dimethacrylate, allyl glycidyl ether, and glycidyl methacrylate are preferable, and ethylene glycol dimethacrylate is more preferable from the viewpoint of easily controlling the degree of electrolyte solution swelling of the polymer in the core portion.
- these may be used individually by 1 type and may be used combining two or more types by arbitrary ratios.
- the ratio of the crosslinkable monomer unit is preferably determined in consideration of the type and amount of the monomer used.
- the specific ratio of the crosslinkable monomer unit in the polymer of the core part is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.2% by mass or more, and further preferably 0.5% by mass or more. Preferably it is 5 mass% or less, More preferably, it is 4 mass% or less, More preferably, it is 3 mass% or less.
- the shell part of the organic particle is made of a polymer having a predetermined electrolyte solution swelling degree smaller than the electrolyte solution swelling degree of the core part.
- the electrolyte solution swelling degree of the polymer of the shell portion needs to be more than 1 time, preferably 1.1 times or more, more preferably 1.2 times or more. 1.3 times or more, more preferably 4 times or less, 3.5 times or less, and more preferably 3 times or less.
- the electrolyte swelling degree of the polymer of the shell part exceed the lower limit of the above range, the adhesion of the organic particles in the electrolyte can be secured, and the high temperature cycle characteristics of the secondary battery can be improved.
- the electrolyte solution swelling degree of the polymer of the shell part below the upper limit of the above range, the adhesion between the battery members through the functional layer in the electrolyte solution is improved, and the high temperature cycle characteristics of the secondary battery Can be improved.
- the kind and amount of the monomer for producing the polymer of the shell part are determined. Appropriate selection can be mentioned.
- the glass transition temperature of the polymer constituting the shell part of the organic particles is preferably 50 ° C. or higher, more preferably 60 ° C. or higher, still more preferably 70 ° C. or higher, and 200 It is preferably not higher than ° C., more preferably not higher than 180 ° C., and further preferably not higher than 150 ° C.
- the glass transition temperature of the polymer of the shell part equal to or higher than the lower limit value of the above range, in addition to suppressing the occurrence of blocking between battery members, the high-temperature cycle characteristics of the secondary battery can be further improved.
- the adhesiveness of the functional layer in electrolyte solution can further be improved by making a glass transition temperature below into the upper limit of the said range.
- the type and amount of the monomer used for preparing the polymer of the shell part are the same as the homopolymer glass of the monomer. Appropriate selection is considered in consideration of the transition temperature.
- a monomer having an electrolyte solution swelling degree within the above range can be appropriately selected and used.
- examples of such a monomer include the same monomers as those exemplified as monomers that can be used to produce the core polymer.
- such a monomer may be used individually by 1 type, and may be used combining two or more types by arbitrary ratios.
- an aromatic vinyl monomer is preferable as the monomer used for the preparation of the shell polymer. That is, the polymer of the shell part preferably includes an aromatic vinyl monomer unit.
- aromatic vinyl monomers styrene derivatives such as styrene and styrene sulfonic acid are more preferable. If an aromatic vinyl monomer is used, it is easy to control the degree of electrolyte swelling of the polymer. Moreover, the adhesiveness of the functional layer can be further enhanced.
- the ratio of the aromatic vinyl monomer unit in the polymer of the shell part is preferably 20% by mass or more, more preferably 40% by mass or more, further preferably 50% by mass or more, and still more preferably 60% by mass or more. Particularly preferably, it is 80% by mass or more, preferably 100% by mass or less, more preferably 99.5% by mass or less, and further preferably 99% by mass or less.
- the polymer of a shell part contains at least one of a reactive surfactant monomer unit and a macromonomer structural unit.
- the organic particles having the polymer in the shell portion into which the reactive surfactant monomer unit and / or the macromonomer structural unit are introduced can impart an appropriate viscosity to the functional layer composition.
- the polymer of a shell part contains a macromonomer structural unit from a viewpoint of suppressing the excessive raise of the coverage of an organic particle, and ensuring the low temperature output characteristic of a secondary battery.
- the reactive surfactant monomer capable of forming the reactive surfactant monomer unit the same monomer as the reactive surfactant monomer described above in the section of “core part” is used.
- a reactive surfactant monomer may be used individually by 1 type, and may be used combining two or more types by arbitrary ratios.
- the reactive surfactant monomer is a reactive surfactant monomer having a polyoxyalkylene group from the viewpoint of easy introduction into organic particles and improvement of low-temperature output characteristics of a secondary battery. Is preferable, and the compound represented by the above formula (I) is more preferable.
- the ratio of the reactive surfactant monomer unit in the polymer of the shell part is preferably 0.25% by mass or more, more preferably It is 0.5 mass% or more, preferably 25 mass% or less, more preferably 20 mass% or less.
- examples of the macromonomer that can form the macromonomer structural unit include the same monomers as the macromonomer described above in the section “core part”.
- a macromonomer may be used individually by 1 type and may be used combining two or more types by arbitrary ratios.
- (meth) acrylic acid ester macromonomer and polycaprolactone-modified hydroxyalkyl acrylate are preferable from the viewpoint of increasing the resistance between the organic particles and water and increasing the viscosity of the functional layer composition.
- the ratio of the macromonomer structural unit in the polymer of the shell part is preferably 0.5% by mass or more, more preferably 2.5% by mass or more. Yes, preferably 25% by mass or less, more preferably 15% by mass or less.
- the polymer of the shell part may contain either a reactive surfactant monomer unit or a macromonomer structural unit, or both of the reactive surfactant monomer unit and the macromonomer structural unit. May be included.
- the total of the ratio of the reactive surfactant monomer unit and the ratio of the macromonomer structural unit in the polymer of the shell part is preferably 0.5% by mass or more, more preferably 2.5% by mass or more, preferably Is 25% by mass or less, more preferably 15% by mass or less.
- the total of the ratio of the reactive surfactant monomer unit and the ratio of the macromonomer structural unit equal to or higher than the lower limit of the above range, the ability to impart viscosity to the composition for the functional layer of the organic particles is secured, The dispersibility of the particles is improved.
- the sum of the ratio of the reactive surfactant monomer unit and the ratio of the macromonomer structural unit not more than the upper limit of the above range, the high temperature cycle characteristics of the secondary battery can be further improved.
- the polymer of the shell part may contain an acid group-containing monomer unit in addition to the aromatic vinyl monomer unit, the reactive surfactant monomer unit, and the macromonomer structural unit.
- the acid group-containing monomer a monomer having an acid group, for example, a monomer having a carboxylic acid group, a monomer having a sulfonic acid group, a monomer having a phosphoric acid group, and And monomers having a hydroxyl group.
- examples of the acid group-containing monomer include monomers similar to the monomers that can constitute the acid group-containing monomer unit that can be included in the core portion.
- the acid group-containing monomer is preferably a monomer having a carboxylic acid group, more preferably a monocarboxylic acid, and even more preferably (meth) acrylic acid.
- an acid group containing monomer may be used individually by 1 type, and may be used combining two or more types by arbitrary ratios.
- the ratio of the acid group-containing monomer unit in the polymer of the shell part is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 1% by mass or more, still more preferably 3% by mass or more, and preferably 20% by mass. Hereinafter, it is more preferably 10% by mass or less, and further preferably 7% by mass or less.
- the polymer of the shell part may contain a crosslinkable monomer unit.
- the crosslinkable monomer include monomers similar to those exemplified as the crosslinkable monomer that can be used in the core polymer.
- crosslinked monomer may be used individually by 1 type, and may be used combining two or more types by arbitrary ratios.
- the ratio of the crosslinkable monomer unit in the polymer of the shell part is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.2% by mass or more, further preferably 0.5% by mass or more, preferably Is 5% by mass or less, more preferably 4% by mass or less, and still more preferably 3% by mass or less.
- the form of the shell part is not particularly limited, but the shell part is preferably composed of polymer particles.
- the shell part is composed of polymer particles, a plurality of particles constituting the shell part may overlap in the radial direction of the organic particles. However, in the radial direction of the organic particles, it is preferable that the particles constituting the shell portion do not overlap each other, and those polymer particles constitute the shell portion as a single layer.
- the organic particles having the core-shell structure described above use, for example, a polymer monomer in the core part and a polymer monomer in the shell part, and change the ratio of these monomers over time.
- the organic particles can be prepared by a continuous multi-stage emulsion polymerization method and a multi-stage suspension polymerization method in which the polymer of the previous stage is sequentially coated with the polymer of the subsequent stage.
- an emulsifier for example, an anionic surfactant such as sodium dodecylbenzenesulfonate and sodium dodecylsulfate, a nonionic surfactant such as polyoxyethylene nonylphenyl ether and sorbitan monolaurate, or Cationic surfactants such as octadecylamine acetate can be used.
- anionic surfactant such as sodium dodecylbenzenesulfonate and sodium dodecylsulfate
- a nonionic surfactant such as polyoxyethylene nonylphenyl ether and sorbitan monolaurate
- Cationic surfactants such as octadecylamine acetate
- polymerization initiator examples include peroxides such as t-butylperoxy-2-ethylhexanoate, potassium persulfate, cumene peroxide, 2,2′-azobis (2-methyl-N- (2 An azo compound such as -hydroxyethyl) -propionamide) or 2,2'-azobis (2-amidinopropane) hydrochloride can be used.
- a monomer and an emulsifier that form a core part are mixed, and emulsion polymerization is performed at once to obtain a particulate polymer constituting the core part.
- the organic particle which has the core shell structure mentioned above can be obtained by superposing
- the monomer that forms the polymer of the shell portion is divided into a plurality of times or continuously supplied to the polymerization system.
- the monomer that forms the polymer of the shell part is divided into a polymerization system or continuously supplied, whereby the polymer constituting the shell part is formed into particles, and these particles are bonded to the core part. Thereby, the shell part which covers a core part partially can be formed.
- the monomer for forming the polymer of the shell part is divided and supplied in a plurality of times, it is possible to control the average thickness of the shell part according to the ratio of dividing the monomer.
- the monomer that forms the polymer of the shell part it is possible to control the average thickness of the shell part by adjusting the monomer supply amount per unit time. is there.
- the volume average particle diameter D50 of the organic particles after forming the shell portion can be set to a desired range by adjusting the amount of the emulsifier, the amount of the monomer, and the like. Furthermore, the average ratio (coverage) by which the outer surface of the core part is covered by the shell part is adjusted by, for example, adjusting the amount of the emulsifier and the amount of the monomer that forms the polymer of the shell part. Can range.
- composition for a non-aqueous secondary battery functional layer of the present invention needs to contain a binder for a functional layer (excluding the organic particles described above).
- the organic particles are not swollen in the electrolytic solution and usually do not exhibit adhesiveness when not heated. Therefore, from the viewpoint of suppressing organic particles from falling off the functional layer immediately after the formation of the functional layer (before heating or before immersion in the electrolytic solution), the functional layer composition is not swollen in the electrolytic solution. And it is preferable that the binder for functional layers which exhibits adhesiveness in the state which is not heated is included. By using the binder for the functional layer, it is possible to prevent components such as organic particles from falling off the functional layer even when the electrolyte is not swollen and not heated.
- the functional layer binder that can be used in combination with the organic particles includes a known binder that is water-insoluble and dispersible in a dispersion medium such as water, for example, a thermoplastic elastomer.
- a thermoplastic elastomer a conjugated diene polymer and an acrylic polymer are preferable, and an acrylic polymer is more preferable.
- the conjugated diene polymer refers to a polymer containing a conjugated diene monomer unit.
- Specific examples of the conjugated diene polymer include aromatic vinyl such as styrene-butadiene copolymer (SBR).
- Examples thereof include a polymer containing a monomer unit and an aliphatic conjugated diene monomer unit, and an acrylic rubber (NBR) (a polymer containing an acrylonitrile unit and a butadiene unit).
- an acrylic polymer refers to the polymer containing a (meth) acrylic acid ester monomer unit.
- the (meth) acrylate monomer that can form a (meth) acrylate monomer unit is the same as the monomer used to prepare the polymer of the core part of the organic particles. Can be used.
- These functional layer binders may be used alone or in combination of two or more. However, when a functional layer binding material combining two or more types is used, the polymer as the functional layer binding material is different from the organic particles having the core-shell structure made of the predetermined polymer described above. is there.
- the acrylic polymer as the binder for the functional layer includes a (meth) acrylonitrile monomer unit. Thereby, the intensity
- the amount of the (meth) acrylonitrile monomer unit relative to the total amount of the (meth) acrylonitrile monomer unit and the (meth) acrylic acid ester monomer unit is preferably 1% by mass or more, more preferably 2% by mass or more, preferably 30% by mass or less, more preferably 25% by mass or less.
- the acrylic polymer as the binder for the functional layer is appropriately swollen with respect to the electrolytic solution by setting the ratio to be equal to or less than the upper limit of the above range, the ion diffusibility of the functional layer is reduced. A decrease in the low-temperature output characteristics of the secondary battery can be suppressed.
- the glass transition temperature of the functional layer binder is preferably ⁇ 100 ° C. or higher, more preferably ⁇ 90 ° C. or higher, still more preferably ⁇ 80 ° C. or higher, and particularly preferably ⁇ 50 ° C. or higher. Also, it is preferably 25 ° C. or lower, more preferably 5 ° C. or lower, and further preferably ⁇ 10 ° C. or lower.
- the volume average particle diameter D50 of the functional layer binder is preferably 0.1 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less.
- the volume average particle diameter D50 of the binder for functional layers can be equal to or greater than the lower limit of the above range.
- the dispersibility of the binder for functional layers can be enhanced.
- the adhesiveness of the binder for functional layers can be improved by making volume average particle diameter D50 below the upper limit of the said range.
- the “volume average particle diameter D50” of the functional layer binder can be measured using the method described in the examples of the present specification.
- content of the binder for functional layers in the composition for functional layers is 1 mass part or more with respect to 100 mass parts of organic particles mentioned above, and it is more preferably 5 mass parts or more. Preferably, it is 10 parts by mass or more, more preferably 30 parts by mass or less, more preferably 25 parts by mass or less, and further preferably 20 parts by mass or less.
- Examples of the method for producing the functional layer binder include a solution polymerization method, a suspension polymerization method, and an emulsion polymerization method.
- the emulsion polymerization method and the suspension polymerization method can be polymerized in water, and an aqueous dispersion containing a particulate functional layer binder can be suitably used as a material for the functional layer composition as it is. preferable.
- the reaction system contains a dispersing agent.
- the functional layer binder is usually formed of a polymer substantially constituting the functional layer binder, but may be accompanied by optional components such as additives used in the polymerization.
- composition for non-aqueous secondary battery functional layers may contain arbitrary other components besides the component mentioned above.
- the other components are not particularly limited as long as they do not affect the battery reaction, and known components can be used. Moreover, these other components may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more types. Examples of the other components include known additives such as an electrolytic solution additive, and water-soluble polymers and non-conductive particles described later.
- Water-soluble polymer Viscosity can be imparted to the functional layer composition by blending the water-soluble polymer into the functional layer composition that is an aqueous slurry composition.
- the water-soluble polymer has adhesiveness and electrolytic solution resistance, it can play a role in assisting adhesion between the components in the functional layer and between the battery members in the secondary battery.
- a substance in the present invention is “water-soluble” means that an insoluble content is less than 1.0% by mass when 0.5 g of the substance is dissolved in 100 g of water at 25 ° C. Say.
- a substance whose solubility changes depending on the pH of water is considered to be “water-soluble” if it falls under the above-mentioned “water-soluble” at least at any pH.
- water-soluble polymer include natural polymers, semi-synthetic polymers, and synthetic polymers.
- natural polymers include plant- or animal-derived polysaccharides and proteins, fermentation-treated products of these microorganisms, and heat-treated products thereof. These natural polymers can be classified into plant-based natural polymers, animal-based natural polymers, and microorganism-produced natural polymers.
- plant-based natural polymers include gum arabic, gum tragacanth, galactan, guar gum, carob gum, caraya gum, carrageenan, pectin, cannan, quince seed (malmello), arche colloid (gasso extract), starch (rice, corn, potato, wheat) Etc.) and glycyrrhizin.
- animal natural polymers include collagen, casein, albumin, and gelatin.
- microorganism-produced natural polymer include xanthan gum, dextran, succinoglucan, and bullulan.
- the semisynthetic polymer examples include cellulose semisynthetic polymers.
- the cellulose semisynthetic polymer can be classified into nonionic cellulose semisynthetic polymer, anionic cellulose semisynthetic polymer and cationic cellulose semisynthetic polymer.
- Nonionic cellulose-based semisynthetic polymers include, for example, alkyl celluloses such as methyl cellulose, methyl ethyl cellulose, ethyl cellulose, and microcrystalline cellulose; hydroxyethyl cellulose, hydroxybutyl methyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, hydroxyethyl methyl cellulose, hydroxy Examples thereof include hydroxyalkylcelluloses such as propylmethylcellulose stearoxy ether, carboxymethylhydroxyethylcellulose, alkylhydroxyethylcellulose, and nonoxynylhydroxyethylcellulose.
- anionic cellulose semisynthetic polymer examples include substituted products obtained by substituting the above nonionic cellulose semisynthetic polymer with various derivative groups and salts thereof (sodium salt, ammonium salt, etc.). Specific examples include sodium cellulose sulfate, methyl cellulose, methyl ethyl cellulose, ethyl cellulose, carboxymethyl cellulose (CMC) and salts thereof.
- Examples of the cationic cellulose semisynthetic polymer include low nitrogen hydroxyethylcellulose dimethyl diallylammonium chloride (polyquaternium-4), chloride O- [2-hydroxy-3- (trimethylammonio) propyl] hydroxyethylcellulose (polyquaternium-10). ), And O- [2-hydroxy-3- (lauryldimethylammonio) propyl] hydroxyethylcellulose (polyquaternium-24) chloride.
- Synthetic polymers include polyacrylates such as sodium polyacrylate, polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, acrylic acid or copolymers of acrylate and vinyl alcohol, maleic anhydride, maleic acid or fumaric acid.
- polyacrylates such as sodium polyacrylate, polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, acrylic acid or copolymers of acrylate and vinyl alcohol, maleic anhydride, maleic acid or fumaric acid.
- water-soluble polymers carboxymethyl cellulose and its salts, and acrylamide polymers into which carboxylic acid groups have been introduced are preferred.
- the water-soluble polymer has properties of imparting viscosity to the functional layer composition and improving the adhesion of the functional layer as described above.
- the addition of the water-soluble polymer may impair the flexibility and ion diffusibility of the functional layer, which may reduce the adhesion of the functional layer and / or battery characteristics such as low-temperature output characteristics. . Therefore, in the present invention, from the viewpoint of securing the battery characteristics of the secondary battery, the content of the water-soluble polymer in the functional layer composition is preferably 5 parts by mass or less per 100 parts by mass of the organic particles. More preferably, it is 3 mass parts or less, More preferably, it is 0.1 mass part or less.
- the lower limit of the content of the water-soluble polymer in the composition for the functional layer when adding a water-soluble polymer for the purpose of viscosity adjustment is preferably 0.05 parts by mass or more per 100 parts by mass of the organic particles. More preferably, it is 0.1 mass part or more.
- the functional layer composition may contain non-conductive particles.
- the non-conductive particles to be blended in the functional layer composition are not particularly limited, and known non-conductive particles used for non-aqueous secondary batteries can be exemplified.
- the non-conductive particles both inorganic fine particles and organic fine particles other than the organic particles and the functional layer binder described above can be used, but inorganic fine particles are usually used.
- the material which exists stably in the use environment of a non-aqueous secondary battery and is electrochemically stable is preferable.
- non-conductive particle material examples include aluminum oxide (alumina), hydrated aluminum oxide (boehmite), silicon oxide, magnesium oxide (magnesia), calcium oxide, titanium oxide (titania).
- Oxide particles such as BaTiO 3 , ZrO, alumina-silica composite oxide; nitride particles such as aluminum nitride and boron nitride; covalently bonded crystal particles such as silicon and diamond; barium sulfate, calcium fluoride, barium fluoride Insoluble ion crystal particles such as; clay fine particles such as talc and montmorillonite;
- these particles may be subjected to element substitution, surface treatment, solid solution, and the like as necessary.
- the nonelectroconductive particle mentioned above may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more types.
- the method for preparing the composition for the functional layer is not particularly limited. Usually, the organic particles, the binder for the functional layer, water as a dispersion medium, and other components used as necessary are mixed. Thus, a composition for a functional layer is prepared.
- the mixing method is not particularly limited, in order to disperse each component efficiently, mixing is usually performed using a disperser as a mixing device.
- the disperser is preferably an apparatus capable of uniformly dispersing and mixing the above components. Examples include a ball mill, a sand mill, a pigment disperser, a crusher, an ultrasonic disperser, a homogenizer, and a planetary mixer.
- a high dispersion apparatus such as a bead mill, a roll mill, or a fill mix is also included.
- the viscosity ⁇ 0 at a shear rate of 100 sec ⁇ 1 of the obtained composition for a non-aqueous secondary battery functional layer needs to be 10 mPa ⁇ s or more and 100 mPa ⁇ s or less, preferably 15 mPa ⁇ s or more. More preferably, it is 20 mPa ⁇ s or more, more preferably 31 mPa ⁇ s or more, and preferably 80 mPa ⁇ s or less, more preferably 50 mPa ⁇ s or less.
- ⁇ 0 is equal to or more than the lower limit of the above range, sedimentation of particulate components in the functional layer composition applied onto the substrate can be suppressed, and clogging of the substrate can be prevented. Therefore, the space
- the nonaqueous secondary battery functional layer composition viscosity eta 0 ratio of a shear rate 100 sec -1 for viscosities eta 1 at a shear rate of 10000sec -1 ( ⁇ 0 / ⁇ 1 ) is 1 to 5
- ⁇ 0 / ⁇ 1 is not less than the lower limit of the above range, high viscosity under high shear conditions is suppressed, and applicability of the functional layer composition on the substrate is ensured.
- ⁇ 0 / ⁇ 1 is not more than the upper limit of the above range, an excessive increase in voids in the obtained functional layer can be suppressed, and adhesion of the functional layer in the electrolytic solution is ensured. Therefore, battery characteristics such as low-temperature output characteristics can be improved.
- ⁇ 0 , ⁇ 1 and ⁇ 0 / ⁇ 1 are the contents of the organic particles and the water-soluble polymer in the functional layer composition, the reactive surfactant monomer unit and the macromonomer structure in the organic particles. It can adjust suitably by adjusting content of a unit.
- a functional layer can be formed on a suitable base material using the composition for a non-aqueous secondary battery functional layer described above.
- the functional layer for a non-aqueous secondary battery can be formed by drying the composition for a non-aqueous secondary battery functional layer on an appropriate substrate. That is, the functional layer for a non-aqueous secondary battery of the present invention comprises a dried product of the above-described composition for a non-aqueous secondary battery functional layer, and usually contains the organic particles and the functional layer binder. Optionally, the above other components are contained.
- the polymer and / or functional layer binder in the organic particles includes a crosslinkable monomer unit
- the polymer and / or functional layer binder in the organic particles is a slurry.
- the composition may be crosslinked at the time of drying or at the time of heat treatment optionally performed after drying (that is, the functional layer for a non-aqueous secondary battery is composed of the organic particles and / or the functional layer binder described above). It may contain a cross-linked product).
- the suitable abundance ratio of each component contained in the functional layer for non-aqueous secondary battery is the same as the suitable abundance ratio of each component in the composition for non-aqueous secondary battery functional layer.
- the functional layer for a non-aqueous secondary battery according to the present invention can provide high blocking resistance to a battery member, and can exhibit excellent adhesion after being immersed in an electrolytic solution.
- the battery characteristics (high temperature cycle characteristics and low temperature output characteristics) excellent in the secondary battery can be exhibited.
- the base material for forming the functional layer is not particularly limited.
- the separator base material can be used as the base material.
- an electrode substrate formed by forming an electrode mixture layer on a current collector can be used as the substrate.
- a functional layer may be formed on a separator base material etc.
- the functional layer may be formed on the substrate and used as an electrode, or the functional layer formed on the release substrate may be once peeled off from the substrate and attached to another substrate to be used as a battery member. .
- a separator substrate or an electrode substrate as the substrate.
- the functional layer provided on the separator substrate or electrode substrate functions as a protective layer that increases the heat resistance and strength of the separator or electrode, and particularly as an adhesive layer that firmly bonds the separator and the electrode in the electrolytic solution. It can be suitably used as a single layer that simultaneously exhibits the above functions.
- the separator base material for forming the functional layer is not particularly limited, and for example, those described in JP 2012-204303 A can be used. Among these, the film thickness of the entire separator can be reduced, thereby increasing the ratio of the electrode active material in the secondary battery and increasing the capacity per volume.
- a microporous film made of a resin such as polyethylene, polypropylene, polybutene, or polyvinyl chloride is preferable.
- the separator base material may contain an arbitrary layer that can exhibit an intended function other than the functional layer.
- Electrode substrate Although it does not specifically limit as an electrode base material (a positive electrode base material and a negative electrode base material) which forms a functional layer, The electrode base material with which the electrode compound-material layer was formed on the electrical power collector is mentioned.
- the current collector, the components in the electrode mixture layer (for example, the electrode active material (positive electrode active material, negative electrode active material) and the electrode mixture layer binder (positive electrode mixture layer binder, negative electrode composite) As the material layer binder) and the like, and the method for forming the electrode mixture layer on the current collector known ones can be used, for example, those described in JP2013-145663A be able to.
- the electrode base material may include an arbitrary layer having an intended function other than the functional layer in a part thereof.
- Examples of the method for forming a functional layer on a substrate such as the separator substrate and electrode substrate described above include the following methods. : 1) A method in which the composition for a functional layer is applied to the surface of a separator substrate or an electrode substrate (in the case of an electrode substrate, the surface on the electrode mixture layer side, the same shall apply hereinafter) and then dried; 2) A method of drying a separator substrate or electrode substrate after immersing the separator layer or electrode substrate in the functional layer composition; 3) A method for producing a functional layer by applying and drying a composition for a functional layer on a release substrate, and transferring the obtained functional layer to the surface of a separator substrate or an electrode substrate.
- the method 1) is particularly preferable because the thickness of the functional layer can be easily controlled.
- the method 1) includes a step of applying a functional layer composition on a separator substrate or electrode substrate (application step), and a function layer applied on the separator substrate or electrode substrate.
- a step of drying the composition to form a functional layer (drying step) is provided.
- the method for coating the functional layer composition on the separator substrate or the electrode substrate is not particularly limited.
- spray coating method, doctor blade method, reverse roll method, direct roll method, gravure method examples include an extrusion method and a brush coating method.
- the gravure method is preferable from the viewpoint of forming a thinner functional layer.
- the method for drying the composition for the functional layer on the substrate is not particularly limited, and a known method can be used. For example, drying with warm air, hot air, low-humidity air, vacuum drying, infrared rays, A drying method by irradiation with an electron beam or the like can be mentioned.
- the drying conditions are not particularly limited, but the drying temperature is preferably 30 to 80 ° C., and the drying time is preferably 30 seconds to 10 minutes.
- the thickness of the functional layer formed on the substrate is preferably 0.1 ⁇ m or more, more preferably 0.3 ⁇ m or more, still more preferably 0.5 ⁇ m or more, preferably 3 ⁇ m or less, more preferably 1. It is 5 ⁇ m or less, more preferably 1 ⁇ m or less.
- the thickness of the functional layer is not less than the lower limit value of the range, the strength of the functional layer can be sufficiently secured, and by being not more than the upper limit value of the range, the ion diffusibility of the functional layer is ensured.
- the low temperature output characteristics of the secondary battery can be further improved.
- the separator for a non-aqueous secondary battery according to the present invention includes a separator base material and a functional layer containing specific organic particles and a binder for a functional layer on at least one surface of the separator base material, and preferably has a function.
- the layer is a functional layer for a non-aqueous secondary battery formed by using the composition for a non-aqueous secondary battery functional layer of the present invention described above.
- the nonaqueous secondary battery separator of the present invention, the void ratio calculated by the porosity M 0 of the separator base material, the following equation from porosity M 1 Tokyo separator for a nonaqueous secondary battery (1) change ratio M C is 5 to 50%.
- M C (M 0 ⁇ M 1 ) / M 0 ⁇ 100 (1)
- Nonaqueous secondary battery separator of the present invention the contribution of the organic particles described above and, due contribution that M C is within a specific range, strongly the electrode through the functional layer in an electrolytic solution
- the battery characteristic which was excellent in the non-aqueous secondary battery can be exhibited, closely_contact
- the separator substrate As the separator substrate, the same materials as those described in the section “Functional layer for non-aqueous secondary battery” can be used.
- the porosity M 0 after electrolyte immersion of the separator substrate used in the non-aqueous secondary battery separator of the present invention are preferably 30% or more, more preferably 35% or more, more preferably 40% or more .
- M 0 is 30% or more, the low-temperature output characteristics of the secondary battery including the non-aqueous secondary battery separator can be improved.
- M 0 after electrolyte immersion can be adjusted in a known manner, such as changing the production conditions of the separator substrate.
- the functional layer provided on the separator substrate contains at least organic particles having a specific structure and a binder for the functional layer, and optionally contains other components.
- the organic particles contained in the functional layer, the binder for the functional layer, and other components can be the same as those listed in the section “Composition for functional layer of non-aqueous secondary battery”.
- the preferred abundance ratio of each component is the same as the preferred abundance ratio of each component in the composition for a non-aqueous secondary battery functional layer.
- the functional layer can be formed on the separator substrate using the method described in the section “Functional layer for non-aqueous secondary battery”, and the suitable thickness range of the functional layer on the separator substrate is This is the same as the range disclosed in “Functional layer for non-aqueous secondary battery”.
- the porosity M 1 of the nonaqueous secondary battery separator of the present invention after immersion in the electrolyte is preferably 25% or more, more preferably 35% or more, and further preferably 38% or more.
- M 1 is 25% or more, the low-temperature output characteristics of the secondary battery including the non-aqueous secondary battery separator can be further improved.
- the upper limit of M 1 is not particularly limited, from the viewpoint of ensuring the strength of the separator for a nonaqueous secondary battery, usually not more than 50%.
- the porosity M 1 after immersion in the electrolytic solution can be adjusted by changing the ⁇ 0 / ⁇ 1 of the functional layer composition, the drying conditions of the functional layer composition, or the like.
- M C is at least as large as the lower limit of the range, adhesion to the separator base material of the functional layer after the electrolyte immersion is ensured.
- the M C is not more than the upper limit of the range, and such as clogging of the separator substrate by forming a functional layer are suppressed, ion diffusion resistance of the separator for a nonaqueous secondary battery is secured, the secondary The low temperature output characteristics of the battery are improved.
- the non-aqueous secondary battery of the present invention includes the above-described separator for non-aqueous secondary battery of the present invention. More specifically, the non-aqueous secondary battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolytic solution, and the separator includes a separator substrate and a functional layer. It is. Since the non-aqueous secondary battery of the present invention includes the non-aqueous secondary battery separator of the present invention, the battery characteristics such as high-temperature cycle characteristics and low-temperature output characteristics are excellent.
- the separator has a functional layer, but the positive electrode and the negative electrode may each have a functional layer.
- a positive electrode and a negative electrode having a functional layer an electrode in which a functional layer is provided on an electrode substrate formed by forming an electrode mixture layer on a current collector can be used.
- an electrode base material and a separator base material the thing similar to what was mentioned by the term of the "functional layer for non-aqueous secondary batteries" can be used.
- the electrode which consists of an electrode base material mentioned above can be used, without being specifically limited.
- an organic electrolytic solution in which a supporting electrolyte is dissolved in an organic solvent is usually used.
- a lithium salt is used in a lithium ion secondary battery.
- the lithium salt include LiPF 6 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , LiClO 4 , CF 3 SO 3 Li, C 4 F 9 SO 3 Li, CF 3 COOLi, (CF 3 CO) 2 NLi , (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, (C 2 F 5 SO 2 ) NLi, and the like.
- LiPF 6 , LiClO 4 , and CF 3 SO 3 Li are preferable because they are easily dissolved in a solvent and exhibit a high degree of dissociation.
- electrolyte may be used individually by 1 type and may be used in combination of 2 or more types.
- the lithium ion conductivity tends to increase as the supporting electrolyte having a higher degree of dissociation is used, so that the lithium ion conductivity can be adjusted depending on the type of the supporting electrolyte.
- the organic solvent used in the electrolytic solution is not particularly limited as long as it can dissolve the supporting electrolyte.
- dimethyl carbonate (DMC) dimethyl carbonate (DMC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC).
- Carbonates such as propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), and methyl ethyl carbonate (MEC); esters such as ⁇ -butyrolactone and methyl formate; ethers such as 1,2-dimethoxyethane and tetrahydrofuran; sulfolane, Sulfur-containing compounds such as dimethyl sulfoxide; are preferably used.
- carbonates are preferable because they have a high dielectric constant and a wide stable potential region.
- the lower the viscosity of the solvent used the higher the lithium ion conductivity tends to be, so the lithium ion conductivity can be adjusted depending on the type of solvent.
- the concentration of the electrolyte in the electrolytic solution can be adjusted as appropriate.
- the non-aqueous secondary battery is formed by stacking the positive electrode and the negative electrode through the non-aqueous secondary battery separator of the present invention, and winding and folding the battery, if necessary, into the battery container. It can be manufactured by injecting an electrolytic solution into the sealing.
- an expanded metal, an overcurrent prevention element such as a fuse or a PTC element, a lead plate, or the like may be placed in the battery container as necessary to prevent an increase in pressure inside the battery or overcharge / discharge.
- the shape of the battery may be any of a coin shape, a button shape, a sheet shape, a cylindrical shape, a square shape, a flat shape, and the like.
- a polymer to be a measurement sample under the same polymerization conditions as the polymerization conditions of the core part and the shell part (polymer and shell of the core part) Part of the polymer) was prepared.
- the obtained aqueous dispersion is put in a petri dish made of polytetrafluoroethylene, dried at a temperature of 60 ° C. for 72 hours, then taken out of the petri dish and hot-pressed for 5 minutes under the conditions of 100 ° C. and 20 kg / cm 2. A film with a thickness of 0.5 mm was produced.
- the weight of this test piece was measured and designated as W0.
- LiPF 6 dissolved at a concentration of 1 mol / L was used as the supporting electrolyte.
- Tg Glass transition temperature
- volume average particle diameter D50 The volume average particle diameter D50 of each particle is 50% of the cumulative volume calculated from the small diameter side in the particle diameter distribution measured by a laser diffraction particle size distribution measuring device (“SALD-3100” manufactured by Shimadzu Corporation). The particle diameter was taken.
- SALD-3100 laser diffraction particle size distribution measuring device
- the particle diameter was taken.
- ⁇ Core shell ratio of organic particles The core-shell ratio of the organic particles was measured by the following procedure.
- the prepared organic particles were sufficiently dispersed in a visible light curable resin (“D-800” manufactured by JEOL Ltd.) and then embedded to obtain a block piece containing organic particles. Next, the obtained block piece was cut into a thin piece having a thickness of 100 nm with a microtome equipped with a diamond blade to prepare a measurement sample.
- the measurement sample was dyed using ruthenium tetroxide.
- the dyed measurement sample was set in a transmission electron microscope (“JEM-3100F” manufactured by JEOL Ltd.), and a cross-sectional structure of organic particles was photographed at an acceleration voltage of 80 kV. The magnification of the electron microscope was set so that the cross section of one organic particle was in the visual field. Thereafter, the cross-sectional structure of the photographed organic particles was observed, and the average thickness of the shell portion of the organic particles was measured by the following procedure according to the observed configuration of the shell portion. And the core-shell ratio was calculated
- the longest diameter of the polymer particles constituting the shell portion was measured.
- the longest diameter of the polymer particles constituting the shell part was measured for 20 arbitrarily selected organic particles, and the average value of the longest diameters was taken as the average thickness of the shell part.
- the maximum thickness of the shell portion was measured.
- the maximum thickness of the shell portion was measured for 20 arbitrarily selected organic particles, and the average value of the maximum thickness was taken as the average thickness of the shell portion.
- the cross-sectional structure of the organic particles is photographed.
- the covering ratio Rc was measured for 20 arbitrarily selected organic particles, and the average value was defined as the average ratio (covering ratio) at which the outer surface of the core portion of the organic particles was covered by the shell portion.
- the covering ratio Rc can be calculated manually from the cross-sectional structure, but can also be calculated using commercially available image analysis software.
- image analysis software for example, “AnalySIS Pro” (manufactured by Olympus Corporation) can be used.
- ⁇ Viscosity of composition for functional layer> Rheometer (Anton Paar, "MCR502") was used to measure the viscosity eta 1 at a shear rate of 10000 sec -1 in viscosity eta 0 and a temperature 25 ° C. at a shear rate of 100 sec -1 at a temperature 25 ° C., respectively.
- LiPF 6 dissolved at a concentration of 1 mol / L was used as the supporting electrolyte.
- the porosity M 0 of the separator substrate and the porosity M 1 of the separator were calculated by a mercury intrusion method. The porosity measurement by the mercury intrusion method was performed under the following conditions.
- Measuring device Autopore IV 9510 manufactured by Micromeritics Measurement range: ⁇ 0.003 ⁇ m to 400 ⁇ m
- the porosity change ratio M C (M 0 ⁇ M 1 ) / M 0 ⁇ 100 was calculated.
- GPC measurement was performed using polystyrene as a standard substance, and using a solution obtained by dissolving 0.85 g / ml sodium nitrate in a 10% by volume aqueous solution of dimethylformamide as a developing solvent.
- the GPC measuring apparatus is HLC-8220GPC (manufactured by Tosoh Corporation)
- the detector is HLC-8320GPCRI detector (manufactured by Tosoh Corporation)
- the measuring column is TSKgeISsuperHZM-M (manufactured by Tosoh Corporation)
- the measurement temperature is 40 ° C.
- a separator provided with a separator base material and a functional layer was prepared, cut into a size of width 10 cm ⁇ length 10 cm, and used as a test piece. After this test piece was immersed in an electrolytic solution at 60 ° C. for 24 hours, the electrolytic solution adhering to the surface was wiped off.
- LiPF 6 dissolved at a concentration of 1 mol / L was used as the supporting electrolyte.
- a cellophane tape was attached to the surface of the functional layer of the test piece.
- a cellophane tape defined in JIS Z1522 was used.
- the cellophane tape was fixed on a horizontal test bench. Thereafter, the stress was measured when one end of the separator was pulled vertically upward at a pulling speed of 50 mm / min and peeled off.
- Peel strength is 20 N / m or more
- B Peel strength is 15 N / m or more and less than 20 N / m
- C Peel strength is less than 15 N / m ⁇ High-temperature cycle characteristics of secondary battery> The manufactured wound lithium ion secondary battery with a discharge capacity of 1000 mAh was allowed to stand in an environment of 25 ° C. for 24 hours.
- Capacity maintenance factor ⁇ C is 85% or more
- the manufactured wound lithium ion secondary battery with a discharge capacity of 1000 mAh was allowed to stand in an environment of 25 ° C. for 24 hours. Thereafter, 4.4 V, 0.1 C, and 5 hours of charging were performed in an environment of 25 ° C., and the voltage V0 at that time was measured. Thereafter, a discharge operation was performed at a discharge rate of 1 C in an environment of ⁇ 10 ° C., and the voltage V1 15 seconds after the start of discharge was measured.
- Example 1 ⁇ Preparation of organic particles> In a 5 MPa pressure vessel with a stirrer, 74 parts of methyl methacrylate as a (meth) acrylic acid ester monomer, 4 parts of methacrylic acid as an acid group-containing monomer, a crosslinkable monomer 1 part of ethylene glycol dimethacrylate as a body, polyoxyalkylene alkenyl ether ammonium sulfate as a reactive surfactant monomer (product name “Latemul (registered trademark) PD-104”, number average molecular weight 2500, manufactured by Kao Corporation) 1 And 150 parts of ion-exchanged water and 0.5 part of potassium persulfate as a polymerization initiator were added and sufficiently stirred, and then heated to 60 ° C.
- a reactive surfactant monomer product name “Latemul (registered trademark) PD-104”, number average molecular weight 2500, manufactured by Kao Corporation
- ⁇ Preparation of functional layer binder 70 parts of ion-exchanged water, 0.15 part of sodium lauryl sulfate (product name “Emal 2F” manufactured by Kao Chemical Co., Ltd.) as an emulsifier and 0.5 part of ammonium persulfate are supplied to a reactor equipped with a stirrer. The gas phase portion was replaced with nitrogen gas, and the temperature was raised to 60 ° C.
- the resulting acrylic polymer had a volume average particle diameter D50 of 0.15 ⁇ m and a glass transition temperature of ⁇ 35 ° C.
- ⁇ Preparation of functional layer composition 100 parts by weight of an aqueous dispersion containing organic particles, 15 parts by weight of an aqueous dispersion containing an acrylic polymer as a binder for a functional layer, and a surface tension adjusting agent (manufactured by San Nopco, “ SN366 ”) 1 part was mixed, and ion exchange water was further added so that the solid content concentration was 30% to obtain a composition for a functional layer. Viscosity ⁇ 0 and viscosity ⁇ 1 of the obtained functional layer composition were measured, and ⁇ 0 / ⁇ 1 was calculated.
- ⁇ Preparation of separator with functional layer> As a separator base material, a separator base material made of a polyethylene porous material (“Celguard 2500” manufactured by Celgard) was prepared. The porosity M 0 of the separator substrate was measured. The results are shown in Table 1. And the composition for functional layers was apply
- a 5% aqueous sodium hydroxide solution was added to the mixture containing the particulate binder and the pH was adjusted to 8, and then the unreacted monomer was removed by heating under reduced pressure. Then, it cooled to 30 degrees C or less, and obtained the water dispersion liquid containing a desired particulate-form binder.
- 100 parts of artificial graphite (volume average particle diameter D50: 15.6 ⁇ m) as a negative electrode active material, and a 2% aqueous solution of carboxymethylcellulose sodium salt (“MAC350HC” manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd.) as a water-soluble polymer were solidified.
- the negative electrode slurry composition obtained as described above was applied on a copper foil having a thickness of 20 ⁇ m, which is a current collector, with a comma coater so that the film thickness after drying was about 150 ⁇ m. , Dried.
- This drying was performed by conveying the copper foil in an oven at 60 ° C. at a speed of 0.5 m / min for 2 minutes. Thereafter, heat treatment was performed at 120 ° C. for 2 minutes to obtain a negative electrode raw material before pressing.
- the negative electrode raw material before pressing was rolled with a roll press to obtain a negative electrode after pressing with a negative electrode mixture layer thickness of 80 ⁇ m.
- the positive electrode slurry composition obtained as described above was applied onto a 20 ⁇ m-thick aluminum foil as a current collector with a comma coater so that the film thickness after drying was about 150 ⁇ m and dried. I let you. This drying was performed by transporting the aluminum foil in an oven at 60 ° C. at a speed of 0.5 m / min for 2 minutes. Thereafter, heat treatment was performed at 120 ° C. for 2 minutes to obtain a positive electrode raw material. The positive electrode raw material before pressing was rolled with a roll press to obtain a positive electrode after pressing with a positive electrode mixture layer thickness of 80 ⁇ m.
- the positive electrode after pressing obtained above is cut out to 49 cm ⁇ 5 cm and placed so that the surface of the positive electrode mixture layer side is on the upper side, and a separator provided with functional layers on both sides cut out to 55 cm ⁇ 5.5 cm thereon. Arranged. Further, the pressed negative electrode obtained above was cut into 50 cm ⁇ 5.2 cm, and this was placed on the separator so that the surface on the negative electrode mixture layer side faces the separator. This was wound with a winding machine to obtain a wound body. The wound body is pressed at 60 ° C.
- Examples 2, 3, 10 and 11 In the same manner as in Example 1 except that the ratio of the monomer added for forming the core part of the organic particles was changed as shown in Table 1 when the aqueous dispersion containing the organic particles was prepared, The binder for functional layers, the composition for functional layers, the separator provided with a functional layer, a negative electrode, a positive electrode, and the lithium ion secondary battery were manufactured. Various evaluations were performed in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
- Example 4 When preparing the aqueous dispersion containing the organic particles, the ratio of the monomer added for forming the core part and the shell part of the organic particles was changed as shown in Table 1, and dodecylbenzenesulfone was used as an emulsifier when forming the core part. Except for using 1 part of acid sodium, as in Example 1, organic particles, functional layer binder, functional layer composition, separator provided with functional layer, negative electrode, positive electrode, and lithium ion secondary battery Manufactured. Various evaluations were performed in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
- Example 5 Instead of 1 part of polyoxyalkylene alkenyl ether ammonium sulfate as the reactive surfactant monomer added for forming the shell part of the organic particles during the preparation of the aqueous dispersion containing the organic particles, methyl methacrylate as the macromonomer, respectively.
- 1 part of a macromonomer manufactured by Toagosei Co., Ltd., “AA-6”, number average molecular weight 6000
- 1 part of polycaprolactone-modified hydroxyalkyl acrylate manufactured by Daicel, “Placcel (registered trademark) FA5”, molecular weight 689) was used.
- Example 7 When preparing the aqueous dispersion containing the organic particles, the ratio of the monomer added for forming the core portion of the organic particles was changed as shown in Table 1, and sodium dodecylbenzenesulfonate was used as an emulsifier when forming the core portion.
- An aqueous solution containing an acrylamide polymer (produced by Arakawa Chemical Co., Ltd., “Polystron (registered trademark) 117”) having a carboxylic acid group introduced as a water-soluble polymer at the time of preparing a functional layer composition was used.
- Example 9 When preparing the functional layer composition, an aqueous solution containing carboxymethyl cellulose sodium salt (manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd., “MAC800LC”) instead of the acrylamide polymer into which the carboxylic acid group was introduced was used as the water-soluble polymer. Except for adding 0.2 part, in the same manner as in Example 7, organic particles, binder for functional layer, composition for functional layer, separator provided with functional layer, negative electrode, positive electrode, and lithium ion secondary battery Manufactured. Various evaluations were performed in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
- Example 12 In the same manner as in Example 1 except that the ratio of the monomer added for forming the shell part of the organic particles was changed as shown in Table 1 when preparing the aqueous dispersion containing the organic particles, The binder for functional layers, the composition for functional layers, the separator provided with a functional layer, a negative electrode, a positive electrode, and the lithium ion secondary battery were manufactured. Various evaluations were performed in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
- Example 1 In the same manner as in Example 1 except that the ratio of the monomer added for forming the shell part of the organic particles was changed as shown in Table 1 when preparing the aqueous dispersion containing the organic particles, The binder for functional layers, the composition for functional layers, the separator provided with a functional layer, a negative electrode, a positive electrode, and the lithium ion secondary battery were manufactured. Various evaluations were performed in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
- Example 2 In the same manner as in Example 1 except that the ratio of the monomer added for forming the core part of the organic particles was changed as shown in Table 1 when the aqueous dispersion containing the organic particles was prepared, The binder for functional layers, the composition for functional layers, the separator provided with a functional layer, a negative electrode, a positive electrode, and the lithium ion secondary battery were manufactured. Various evaluations were performed in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
- Example 3 In the same manner as in Example 5, except that the ratio of the monomer added for forming the shell part of the organic particles was changed as shown in Table 1 when the aqueous dispersion containing the organic particles was prepared, The binder for functional layers, the composition for functional layers, the separator provided with a functional layer, a negative electrode, a positive electrode, and the lithium ion secondary battery were manufactured. Various evaluations were performed in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
- Comparative Example 4 Organic particles were prepared in the same manner as in Comparative Example 3 except that 7 parts of an aqueous solution containing an acrylamide polymer having a carboxylic acid group introduced as a water-soluble polymer was added as a water-soluble polymer at the time of preparation of the functional layer composition.
- the binder for functional layers, the composition for functional layers, the separator provided with a functional layer, the negative electrode, the positive electrode, and the lithium ion secondary battery were manufactured.
- Various evaluations were performed in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
- MMA indicates methyl methacrylate
- MAA indicates methacrylic acid
- EDMA refers to ethylene glycol dimethacrylate
- PD-104 indicates Latemul PD-104 manufactured by Kao Corporation.
- SDBS sodium dodecylbenzenesulfonate
- ST indicates styrene
- AN indicates acrylonitrile
- AA-6 indicates AA-6 manufactured by Toagosei Co., Ltd.
- FA5 indicates Placel FA5 manufactured by Daicel Corporation.
- ACL indicates an acrylic polymer
- Polystron indicates PORISTORON 117 manufactured by Arakawa Chemical Co., Ltd.
- CMC indicates MAC800LC manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd.
- PE indicates polyethylene.
- a predetermined core-shell structure comprising a core part and a shell part respectively formed of a polymer having an electrolyte solution swelling degree within a predetermined range is obtained. And a functional layer composition having a value of ⁇ 0 and ⁇ 0 / ⁇ 1 within a predetermined range, and an organic electrolyte swelling degree within a predetermined range.
- the functional layer consisting of a core part and a shell part formed respectively by a polymer having a comprises organic particles and the functional layer binder having a predetermined core-shell structure, functional layer M 0 and M C is within a predetermined range
- the functional layer exhibits good adhesion after immersion in the electrolyte, and the secondary battery has excellent high-temperature cycle characteristics and low-temperature output characteristics. It can be shown that That. Further, from Examples 1 to 3, 10, and 11 in Table 1 above, by changing the composition of the core part of the organic particles, the adhesion of the functional layer, the high temperature cycle characteristics and the low temperature output characteristics of the secondary battery can be improved. It can be seen that it can be improved.
- a composition for a non-aqueous secondary battery functional layer capable of forming a functional layer that can exhibit excellent adhesive properties after immersion in an electrolytic solution and provide excellent battery characteristics to a secondary battery. can do.
- a separator for a non-aqueous secondary battery capable of exhibiting excellent battery characteristics for a non-aqueous secondary battery while firmly adhering to an electrode through a functional layer after immersion in an electrolytic solution. be able to.
- the non-aqueous secondary battery excellent in a battery characteristic can be provided.
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Abstract
本発明は、電解液浸漬後の接着性に優れ、かつ、電池特性の向上に寄与する機能層の材料となる非水系二次電池機能層用組成物の提供を目的とする。当該組成物は、有機粒子および機能層用結着材を含む。ここで有機粒子は、電解液膨潤度が5倍以上30倍以下の重合体からなるコア部と、電解液膨潤度が1倍超4倍以下の重合体からなるシェル部とを備え、シェル部はコア部の外表面を部分的に覆う。そして、当該組成物のせん断速度100sec-1での粘度η0が10mPa・s以上100mPa・s以下であり、且つせん断速度10000sec-1での粘度η1に対する前記η0の比が1以上5以下である。
Description
本発明は、非水系二次電池機能層用組成物、非水系二次電池用セパレータおよび非水系二次電池に関するものである。
リチウムイオン二次電池などの非水系二次電池(以下、「二次電池」と略記する場合がある)は、小型で軽量、且つエネルギー密度が高く、さらに繰り返し充放電が可能という特性があり、幅広い用途に使用されている。そして二次電池は、一般に、正極、負極、および、正極と負極とを隔離して正極と負極との間の短絡を防ぐセパレータなどの電池部材を備えている。
ここで、近年、二次電池においては、耐熱性や強度の向上を目的とした多孔膜層や、電池部材間の接着性の向上を目的とした接着層などの機能層を備える電池部材が使用されている。
具体的には、集電体上に電極合材層を設けてなる電極基材上にさらに機能層を形成してなる電極や、セパレータ基材上に機能層を形成してなるセパレータが電池部材として使用されている。そしてこの機能層は、通常、結着材成分と、水などの分散媒とを含有するスラリー状の非水系二次電池機能層用組成物(以下、「機能層用組成物」と略記する場合がある)を、電極基材またはセパレータ基材などの適切な基材上に供給し、乾燥することで形成される(例えば、特許文献1参照)。
具体的には、集電体上に電極合材層を設けてなる電極基材上にさらに機能層を形成してなる電極や、セパレータ基材上に機能層を形成してなるセパレータが電池部材として使用されている。そしてこの機能層は、通常、結着材成分と、水などの分散媒とを含有するスラリー状の非水系二次電池機能層用組成物(以下、「機能層用組成物」と略記する場合がある)を、電極基材またはセパレータ基材などの適切な基材上に供給し、乾燥することで形成される(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1では、無機微粒子と、融点が80℃以下100℃以下である粒子状重合体Aとを含む機能層用組成物を、熱可塑性樹脂からなるセパレータ基材上に塗布し乾燥させて、耐熱性の向上を目的とした機能層を備えるセパレータを製造することが記載されている。そしてこのセパレータを、正極活物質と、特定範囲内の融点を有する粒子状重合体Bとを含んでなる正極合材層を備える正極とあわせて、二次電池に使用している。
ここで特許文献1によれば、電解液浸漬前の上記機能層の空隙率を30%以上70%以下とすることで、正極と負極との間のイオン伝導性を向上させつつ、二次電池内部の温度が過度に上昇した際にイオン伝導を遮断して二次電池の熱暴走を防ぐシャットダウン機能を確保することができる。
ここで特許文献1によれば、電解液浸漬前の上記機能層の空隙率を30%以上70%以下とすることで、正極と負極との間のイオン伝導性を向上させつつ、二次電池内部の温度が過度に上昇した際にイオン伝導を遮断して二次電池の熱暴走を防ぐシャットダウン機能を確保することができる。
しかしながら、上記特許文献1においては、機能層用組成物を用いて形成される機能層は電解液浸漬後における接着性に乏しく、当該機能層を介して電極とセパレータとを二次電池内で十分に密着させることが困難であった。また上記特許文献1においては、二次電池に優れた高温サイクル特性および低温出力特性などの電池特性を発揮させることも困難であった。
すなわち、上記従来の技術には、機能層の電解液浸漬後における接着性を向上させつつ、二次電池の電池特性を高めるという点において、改善の余地があった。
すなわち、上記従来の技術には、機能層の電解液浸漬後における接着性を向上させつつ、二次電池の電池特性を高めるという点において、改善の余地があった。
そこで、本発明は、電解液浸漬後において優れた接着性を発揮して二次電池に優れた電池特性をもたらすことができる機能層を形成可能な非水系二次電池機能層用組成物を提供することを目的とする。
また、本発明は、電解液浸漬後において機能層を介して電極と強固に密着しつつ、非水系二次電池に優れた電池特性を発揮させうる非水系二次電池用セパレータを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、電池特性に優れる非水系二次電池を提供することを目的とする。
また、本発明は、電解液浸漬後において機能層を介して電極と強固に密着しつつ、非水系二次電池に優れた電池特性を発揮させうる非水系二次電池用セパレータを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、電池特性に優れる非水系二次電池を提供することを目的とする。
本発明者は、上記課題を解決することを目的として鋭意検討を行った。そして、本発明者は、まず、特定の電解液膨潤度を有するコア部とシェル部とを備える特定のコアシェル構造を有する有機粒子と機能層用結着材とを含む機能層が、電解液浸漬後における接着性に優れ、且つ二次電池の電池特性を向上させることに着想した。
その上で、本発明者はさらに検討を重ね、機能層用組成物の粘性挙動に着目するに至った。具体的には、機能層のイオン拡散性や低コスト化を目的として機能層の薄膜化が従来から検討されているが、本発明者は機能層用組成物を基材上に薄く塗布すべく機能層用組成物の粘度を単に低下させると、基材への塗布後に機能層用組成物中の粒子状成分(機能層用結着材など)が沈降し、例えばセパレータ基材などの空隙を目詰まりさせることで逆にセパレータなどのイオン拡散性が損なわれることを見出した。このような問題に対し、本発明者は、低せん断条件(せん断速度100sec-1)における粘度η0を特定の範囲内とすることで、塗布後の機能層用組成物中での粒子状成分の沈降を抑制して空隙の目詰まりを防止しつつ、基材への塗布時には機能層用組成物に通常高いせん断がかかる点を鑑み、高せん断条件(せん断速度10000sec-1)における粘度η1が塗布容易である範囲内となるようなη1に対するη0の比(η0/η1)を設定することで、機能層の電解液浸漬後における接着性および二次電池の電池特性をさらに高めることが可能となることを新たに見出した。
加えて、本発明者は、セパレータ基材上に機能層を備えてなるセパレータにおいて、セパレータ全体としての電解液中におけるイオン拡散性を確保するという観点からは、セパレータ基材上に機能層を形成することで多孔性のセパレータ基材が本来有する空隙がどの程度が損なわれたかを、電解液浸漬後に見積もることが重要であることに着想した。そして、この空隙率の変化の度合いを特定の範囲内に収めることで、機能層の電解液浸漬後における接着性を確保しつつ、セパレータ全体としてのイオン拡散性を高め、二次電池の電池特性をさらに高めることが可能であることを新たに見出した。
上記新たに見出した知見などをもとに、本発明者は鋭意検討し、本発明を完成させるに至った。
即ち、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、有機粒子および機能層用結着材を含む非水系二次電池機能層用組成物であって、前記有機粒子が、コア部と、前記コア部の外表面を部分的に覆うシェル部とを備えるコアシェル構造を有しており、前記コア部が、電解液膨潤度が5倍以上30倍以下の重合体からなり、前記シェル部が、電解液膨潤度が1倍超4倍以下の重合体からなり、そして、せん断速度100sec-1での粘度η0が10mPa・s以上100mPa・s以下であり、且つせん断速度10000sec-1での粘度η1に対する前記η0の比が1以上5以下であることを特徴とする。このように、特定の電解液膨潤度を有するコア部とシェル部とを備える特定のコアシェル構造を有する有機粒子および機能層用結着材を含み、かつ、η0およびη0/η1の値がそれぞれ特定の範囲内である機能層用組成物を用いれば、電解液浸漬後における接着性に優れ、且つ二次電池に優れた電池特性を発揮させることができる機能層を形成することができる。
ここで、本発明において、有機粒子のコア部およびシェル部の重合体の「電解液膨潤度」は、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。また機能層用組成物の「せん断速度100sec-1での粘度η0」および「せん断速度10000sec-1での粘度η1」は、それぞれのせん断速度における測定温度25℃での粘度であり、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。
ここで、本発明において、有機粒子のコア部およびシェル部の重合体の「電解液膨潤度」は、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。また機能層用組成物の「せん断速度100sec-1での粘度η0」および「せん断速度10000sec-1での粘度η1」は、それぞれのせん断速度における測定温度25℃での粘度であり、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。
そして、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、前記コア部の重合体のガラス転移温度が、-50℃以上150℃以下であり、前記シェル部の重合体のガラス転移温度が、50℃以上200℃以下であることが好ましい。コア部およびシェル部の重合体のガラス転移温度がそれぞれ上述の範囲内であれば、機能層の電解液浸漬後における接着性および二次電池の電池特性をさらに向上させることができるからである。
ここで、本発明において、有機粒子のコア部およびシェル部の重合体の「ガラス転移温度」は、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。
ここで、本発明において、有機粒子のコア部およびシェル部の重合体の「ガラス転移温度」は、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。
さらに、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、前記コア部の重合体が、反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の少なくとも一方を含むことが好ましい。
加えて、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、前記シェル部の重合体が、反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の少なくとも一方を含むことが好ましい。
このように、有機粒子を構成する重合体が反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の少なくとも一方を含めば、機能層用組成物に適度な粘性が付与され、また、機能層の電解液浸漬後における接着性および二次電池の電池特性をさらに向上させることができるからである。
なお、本発明において、「単量体単位を含む」とは、「その単量体を用いて得た重合体中に単量体由来の構造単位が含まれている」ことを意味する。また、本発明において、「マクロモノマー構造単位を含む」とは、「そのマクロモノマーを用いて得た重合体中にマクロモノマー由来の構造単位が含まれている」ことを意味する。
加えて、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、前記シェル部の重合体が、反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の少なくとも一方を含むことが好ましい。
このように、有機粒子を構成する重合体が反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の少なくとも一方を含めば、機能層用組成物に適度な粘性が付与され、また、機能層の電解液浸漬後における接着性および二次電池の電池特性をさらに向上させることができるからである。
なお、本発明において、「単量体単位を含む」とは、「その単量体を用いて得た重合体中に単量体由来の構造単位が含まれている」ことを意味する。また、本発明において、「マクロモノマー構造単位を含む」とは、「そのマクロモノマーを用いて得た重合体中にマクロモノマー由来の構造単位が含まれている」ことを意味する。
また、この発明は上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の非水系二次電池用セパレータは、セパレータ基材と、前記セパレータ基材の少なくとも一方の表面上に、有機粒子および機能層用結着材を含む機能層とを備えてなる非水系二次電池用セパレータであって、前記有機粒子が、コア部と、前記コア部の外表面を部分的に覆うシェル部とを備えるコアシェル構造を有しており、前記コア部が、電解液に対する膨潤度が5倍以上30倍以下の重合体からなり、前記シェル部が、電解液に対する膨潤度が1倍超4倍以下の重合体からなり、そして、前記セパレータ基材の電解液浸漬後の空隙率M0と、前記非水系二次電池用セパレータの電解液浸漬後の空隙率M1とから以下の式(1)で算出される空隙率変化割合MCが5%以上50%以下であることを特徴とする。
MC=(M0-M1)/M0×100 ・・・(1)
このように、特定の電解液膨潤度を有するコア部とシェル部とを備える特定のコアシェル構造を有する有機粒子および機能層用結着材を含む機能層をセパレータ基材上に備え、かつ上記式(1)より得られるMCの値が特定の範囲内であるセパレータは、電解液浸漬後において、機能層を介して電極と強固に密着し、また二次電池に優れた電池特性を発揮させることができる。
ここで、本発明において、セパレータ基材の「電解液浸漬後の空隙率M0」、非水系二次電池用セパレータの「電解液浸漬後の空隙率M1」は、それぞれ本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。
MC=(M0-M1)/M0×100 ・・・(1)
このように、特定の電解液膨潤度を有するコア部とシェル部とを備える特定のコアシェル構造を有する有機粒子および機能層用結着材を含む機能層をセパレータ基材上に備え、かつ上記式(1)より得られるMCの値が特定の範囲内であるセパレータは、電解液浸漬後において、機能層を介して電極と強固に密着し、また二次電池に優れた電池特性を発揮させることができる。
ここで、本発明において、セパレータ基材の「電解液浸漬後の空隙率M0」、非水系二次電池用セパレータの「電解液浸漬後の空隙率M1」は、それぞれ本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。
そして、本発明の非水系二次電池用セパレータは、前記コア部の重合体のガラス転移温度が、-50℃以上150℃以下であり、前記シェル部の重合体のガラス転移温度が、50℃以上200℃以下であることが好ましい。コア部およびシェル部の重合体のガラス転移温度がそれぞれ上述の範囲内であれば、電解液浸漬後におけるセパレータと電極との密着性をさらに高めつつ、二次電池の電池特性を一層向上させることができるからである。
さらに、本発明の非水系二次電池用セパレータは、前記コア部の重合体が、反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の少なくとも一方を含むことが好ましい。
加えて、本発明の非水系二次電池用セパレータは、前記シェル部の重合体が、反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の少なくとも一方を含むことが好ましい。
このように、有機粒子を構成する重合体が反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の少なくとも一方を含めば、電解液浸漬後におけるセパレータと電極との密着性をさらに高めつつ、二次電池の電池特性を一層向上させることができるからである。
加えて、本発明の非水系二次電池用セパレータは、前記シェル部の重合体が、反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の少なくとも一方を含むことが好ましい。
このように、有機粒子を構成する重合体が反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の少なくとも一方を含めば、電解液浸漬後におけるセパレータと電極との密着性をさらに高めつつ、二次電池の電池特性を一層向上させることができるからである。
また、この発明は上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の非水系二次電池は、上述した何れかの非水系二次電池用セパレータを備えることを特徴とする。上述した何れかの非水系二次電池用セパレータを備える二次電池は、高温サイクル特性、低温出力特性などの電池特性に優れる。
本発明によれば、電解液浸漬後において優れた接着性を発揮して二次電池に優れた電池特性をもたらすことができる機能層を形成可能な非水系二次電池機能層用組成物を提供することができる。
また、本発明によれば、電解液浸漬後において機能層を介して電極と強固に密着しつつ、非水系二次電池に優れた電池特性を発揮させうる非水系二次電池用セパレータを提供することができる。
さらに、本発明によれば、電池特性に優れる非水系二次電池を提供することができる。
また、本発明によれば、電解液浸漬後において機能層を介して電極と強固に密着しつつ、非水系二次電池に優れた電池特性を発揮させうる非水系二次電池用セパレータを提供することができる。
さらに、本発明によれば、電池特性に優れる非水系二次電池を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
ここで、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、セパレータや電極等の電池部材を構成する機能層を調製する際の材料として用いられる。なお、本発明の非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成される機能層は、セパレータや電極等の電池部材の耐熱性および強度を向上させるための多孔膜層であってもよいし、電池部材同士を接着させるための接着層であってもよいし、多孔膜層と接着層との双方の機能を発揮する層であってもよい。
また、本発明の非水系二次電池用セパレータは、セパレータ基材と当該セパレータ基材上の機能層とを備えてなり、当該機能層は、例えば本発明の非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成される。そして、本発明の非水系二次電池は、少なくとも本発明の非水系二次電池用セパレータを備えるものである。
ここで、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、セパレータや電極等の電池部材を構成する機能層を調製する際の材料として用いられる。なお、本発明の非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成される機能層は、セパレータや電極等の電池部材の耐熱性および強度を向上させるための多孔膜層であってもよいし、電池部材同士を接着させるための接着層であってもよいし、多孔膜層と接着層との双方の機能を発揮する層であってもよい。
また、本発明の非水系二次電池用セパレータは、セパレータ基材と当該セパレータ基材上の機能層とを備えてなり、当該機能層は、例えば本発明の非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成される。そして、本発明の非水系二次電池は、少なくとも本発明の非水系二次電池用セパレータを備えるものである。
(非水系二次電池機能層用組成物)
非水系二次電池機能層用組成物は、少なくとも特定構造の有機粒子および当該有機粒子以外の機能層用結着材を含有し、任意に、その他の成分を含有する、水などを分散媒としたスラリー組成物である。さらに、非水系二次電池機能層用組成物は、せん断速度100sec-1での粘度η0、およびせん断速度10000sec-1での粘度η1に対する前記η0の比がそれぞれ特定の範囲内であることを特徴とする。
そして、本発明の非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成される機能層は、上述の有機粒子の性状および機能層用組成物の粘性挙動などの寄与により、電解液浸漬後においても優れた接着性を発揮し、また、二次電池に優れた電池特性をもたらすことができる。具体的には、本発明の非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成される機能層は、電解液中において優れた接着性を発揮する所定の有機粒子を含有しているので、電解液への浸漬後においても優れた接着性を発揮し、非水系二次電池に優れた電池特性を発揮させることができる。また、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、せん断速度100sec-1での粘度η0が特定の範囲内であり、かつ、せん断速度10000sec-1での粘度η1に対する前記η0の比が特定の範囲内であるため、機能層用組成物の基材への塗布性を確保しつつ塗布後の粒子状成分の沈降を抑制することができ、二次電池の電池特性を向上させることができる。
非水系二次電池機能層用組成物は、少なくとも特定構造の有機粒子および当該有機粒子以外の機能層用結着材を含有し、任意に、その他の成分を含有する、水などを分散媒としたスラリー組成物である。さらに、非水系二次電池機能層用組成物は、せん断速度100sec-1での粘度η0、およびせん断速度10000sec-1での粘度η1に対する前記η0の比がそれぞれ特定の範囲内であることを特徴とする。
そして、本発明の非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成される機能層は、上述の有機粒子の性状および機能層用組成物の粘性挙動などの寄与により、電解液浸漬後においても優れた接着性を発揮し、また、二次電池に優れた電池特性をもたらすことができる。具体的には、本発明の非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成される機能層は、電解液中において優れた接着性を発揮する所定の有機粒子を含有しているので、電解液への浸漬後においても優れた接着性を発揮し、非水系二次電池に優れた電池特性を発揮させることができる。また、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、せん断速度100sec-1での粘度η0が特定の範囲内であり、かつ、せん断速度10000sec-1での粘度η1に対する前記η0の比が特定の範囲内であるため、機能層用組成物の基材への塗布性を確保しつつ塗布後の粒子状成分の沈降を抑制することができ、二次電池の電池特性を向上させることができる。
<有機粒子>
非水系二次電池機能層用組成物に含有される有機粒子は、非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成された機能層に優れた接着性を発揮させる機能を担う。
そして、有機粒子は、コア部と、前記コア部の外表面を部分的に覆うシェル部とを備えるコアシェル構造を有しており、前記コア部は、電解液膨潤度が5倍以上30倍以下の重合体からなり、前記シェル部は、電解液膨潤度が1倍超4倍以下の重合体からなることを特徴とする。
非水系二次電池機能層用組成物に含有される有機粒子は、非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成された機能層に優れた接着性を発揮させる機能を担う。
そして、有機粒子は、コア部と、前記コア部の外表面を部分的に覆うシェル部とを備えるコアシェル構造を有しており、前記コア部は、電解液膨潤度が5倍以上30倍以下の重合体からなり、前記シェル部は、電解液膨潤度が1倍超4倍以下の重合体からなることを特徴とする。
ここで、上記構造および性状を有する有機粒子は、電解液中において優れた接着性を発揮し、しかも電解液への成分の溶出が少なく、優れた接着性を長期に亘り保持することができる。そして、機能層用組成物を用いて得られる機能層は、二次電池の電池特性を良好に向上させることができる。また、この機能層用組成物を用いて得られる機能層は、電解液への浸漬前には大きな接着力を発揮しないので、当該機能層自体および当該機能層を備える部材は、ブロッキング(機能層同士、或いは機能層を介した部材同士などの膠着)を生じ難く、ハンドリング性にも優れている。
なお、上記有機粒子を使用することで上述したような優れた効果が得られる理由は、明らかではないが、以下の通りであると推察される。
即ち、上記有機粒子のシェル部を構成する重合体は、電解液に対してある程度膨潤する。このとき、例えば膨潤したシェル部の重合体が有する官能基が活性化して、機能層が形成されるセパレータ基材または電極基材、或いは、機能層を有する電池部材と接着される電極またはセパレータ等の表面にある官能基と化学的または電気的な相互作用を生じるなどの要因により、シェル部は電池部材と強固に接着できる。一方、シェル部は、電解液に膨潤する前には大きな接着力を発揮しない。そのため、当該有機粒子を含む機能層では、ブロッキングの発生を抑制しつつ、電池部材同士(例えば、セパレータと電極)を電解液中において強力に接着することが可能となっているものと推察される。
また、シェル部の重合体およびコア部の重合体はいずれも電解液膨潤度が所定の値以下に設定されており、電解液に対して過度に膨潤することもない。そのため、例えば二次電池の長時間稼働後にも上述した優れた接着性を十分に発揮することができると推察される。
そして、上記有機粒子を含む機能層を使用した場合、上述したように電解液中において電池部材同士を強力に接着することができるので、当該機能層を備える二次電池では、機能層を介して接着された電池部材間(例えば、セパレータと電極との間)に空隙を生じ難い。そのため、当該有機粒子を含む機能層を使用した二次電池では、二次電池内において正極と負極との距離が大きくなり難く、二次電池の内部抵抗を小さくできると共に、電極における電気化学反応の反応場が不均一になり難い。さらに、当該二次電池では、充放電を繰り返してもセパレータと電極との間に空隙ができ難く、電池容量が低下しにくい。これにより、優れた高温サイクル特性などの電池特性を実現できるものと推察される。
さらに、上記有機粒子のコア部を構成する重合体は、電解液に対して大きく膨潤する。そして、重合体は、電解液に大きく膨潤した状態では、重合体の分子間の隙間が大きくなり、その分子間をイオンが通り易くなる。また、有機粒子のコア部の重合体は、シェル部によって完全に覆われてはいない。そのため、電解液中においてイオンがコア部を通りやすくなるので、有機粒子は高いイオン拡散性を発現できる。従って、上記有機粒子を使用すれば、機能層による抵抗の上昇を抑制し、低温出力特性などの電池特性の低下を抑制することも可能である。
なお、上述した通り、有機粒子は電解液に膨潤することで優れた接着性を発揮し、電解液への浸漬前には大きな接着力を発揮しない。しかし、有機粒子は、電解液に膨潤しない限りは接着性を全く発揮しないというものではなく、電解液に膨潤していない状態であっても、例えば一定温度以上(例えば50℃以上)に加熱されることにより、接着性を発現し得る。
即ち、上記有機粒子のシェル部を構成する重合体は、電解液に対してある程度膨潤する。このとき、例えば膨潤したシェル部の重合体が有する官能基が活性化して、機能層が形成されるセパレータ基材または電極基材、或いは、機能層を有する電池部材と接着される電極またはセパレータ等の表面にある官能基と化学的または電気的な相互作用を生じるなどの要因により、シェル部は電池部材と強固に接着できる。一方、シェル部は、電解液に膨潤する前には大きな接着力を発揮しない。そのため、当該有機粒子を含む機能層では、ブロッキングの発生を抑制しつつ、電池部材同士(例えば、セパレータと電極)を電解液中において強力に接着することが可能となっているものと推察される。
また、シェル部の重合体およびコア部の重合体はいずれも電解液膨潤度が所定の値以下に設定されており、電解液に対して過度に膨潤することもない。そのため、例えば二次電池の長時間稼働後にも上述した優れた接着性を十分に発揮することができると推察される。
そして、上記有機粒子を含む機能層を使用した場合、上述したように電解液中において電池部材同士を強力に接着することができるので、当該機能層を備える二次電池では、機能層を介して接着された電池部材間(例えば、セパレータと電極との間)に空隙を生じ難い。そのため、当該有機粒子を含む機能層を使用した二次電池では、二次電池内において正極と負極との距離が大きくなり難く、二次電池の内部抵抗を小さくできると共に、電極における電気化学反応の反応場が不均一になり難い。さらに、当該二次電池では、充放電を繰り返してもセパレータと電極との間に空隙ができ難く、電池容量が低下しにくい。これにより、優れた高温サイクル特性などの電池特性を実現できるものと推察される。
さらに、上記有機粒子のコア部を構成する重合体は、電解液に対して大きく膨潤する。そして、重合体は、電解液に大きく膨潤した状態では、重合体の分子間の隙間が大きくなり、その分子間をイオンが通り易くなる。また、有機粒子のコア部の重合体は、シェル部によって完全に覆われてはいない。そのため、電解液中においてイオンがコア部を通りやすくなるので、有機粒子は高いイオン拡散性を発現できる。従って、上記有機粒子を使用すれば、機能層による抵抗の上昇を抑制し、低温出力特性などの電池特性の低下を抑制することも可能である。
なお、上述した通り、有機粒子は電解液に膨潤することで優れた接着性を発揮し、電解液への浸漬前には大きな接着力を発揮しない。しかし、有機粒子は、電解液に膨潤しない限りは接着性を全く発揮しないというものではなく、電解液に膨潤していない状態であっても、例えば一定温度以上(例えば50℃以上)に加熱されることにより、接着性を発現し得る。
[有機粒子の構造]
ここで、有機粒子は、コア部と、コア部の外表面を覆うシェル部とを備えるコアシェル構造を有している。また、シェル部は、コア部の外表面を部分的に覆っている。即ち、有機粒子のシェル部は、コア部の外表面を覆っているが、コア部の外表面の全体を覆ってはいない。外観上、コア部の外表面がシェル部によって完全に覆われているように見える場合であっても、シェル部の内外を連通する孔が形成されていれば、そのシェル部はコア部の外表面を部分的に覆うシェル部である。したがって、例えば、シェル部の外表面(即ち、有機粒子の周面)からコア部の外表面まで連通する細孔を有するシェル部を備える有機粒子は、上記有機粒子に含まれる。
ここで、有機粒子は、コア部と、コア部の外表面を覆うシェル部とを備えるコアシェル構造を有している。また、シェル部は、コア部の外表面を部分的に覆っている。即ち、有機粒子のシェル部は、コア部の外表面を覆っているが、コア部の外表面の全体を覆ってはいない。外観上、コア部の外表面がシェル部によって完全に覆われているように見える場合であっても、シェル部の内外を連通する孔が形成されていれば、そのシェル部はコア部の外表面を部分的に覆うシェル部である。したがって、例えば、シェル部の外表面(即ち、有機粒子の周面)からコア部の外表面まで連通する細孔を有するシェル部を備える有機粒子は、上記有機粒子に含まれる。
具体的には、有機粒子の一例の断面構造を図1に示すように、有機粒子100は、コア部110およびシェル部120を備えるコアシェル構造を有する。ここで、コア部110は、この有機粒子100においてシェル部120よりも内側にある部分である。また、シェル部120は、コア部110の外表面110Sを覆う部分であり、通常は有機粒子100において最も外側にある部分である。そして、シェル部120は、コア部110の外表面110Sの全体を覆っているのではなく、コア部110の外表面110Sを部分的に覆っている。
[[被覆率]]
ここで、有機粒子では、コア部の外表面がシェル部によって覆われる平均割合(被覆率)は、好ましくは10%以上、より好ましくは30%以上、さらに好ましくは50%以上であり、好ましくは95%以下、より好ましくは90%以下、さらに好ましくは80%以下である。被覆率を前記範囲の下限値以上とすることにより、電池部材同士のブロッキングの発生を抑制するとともに、電解液中での電池部材同士の接着性を高め、二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。また、被覆率を前記範囲の上限値以下にすることにより、機能層に高いイオン拡散性を発現させて二次電池の低温出力特性を向上させることができる。
ここで、有機粒子では、コア部の外表面がシェル部によって覆われる平均割合(被覆率)は、好ましくは10%以上、より好ましくは30%以上、さらに好ましくは50%以上であり、好ましくは95%以下、より好ましくは90%以下、さらに好ましくは80%以下である。被覆率を前記範囲の下限値以上とすることにより、電池部材同士のブロッキングの発生を抑制するとともに、電解液中での電池部材同士の接着性を高め、二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。また、被覆率を前記範囲の上限値以下にすることにより、機能層に高いイオン拡散性を発現させて二次電池の低温出力特性を向上させることができる。
なお、有機粒子の「被覆率」は、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。
[[体積平均粒子径D50]]
また、有機粒子の体積平均粒子径D50は、好ましくは0.1μm以上、より好ましくは0.2μm以上、さらに好ましくは0.4μm以上であり、好ましくは1μm以下、より好ましくは0.8μm以下である。有機粒子の体積平均粒子径D50を前記範囲の下限値以上にすることにより、機能層の内部抵抗の上昇を抑制し、二次電池の低温出力特性をさらに向上させることができる。また、有機粒子の体積平均粒子径D50を前記範囲の上限値以下にすることにより、電解液中での電池部材同士の接着性を高め、二次電池の高温サイクル特性を向上させることができるとともに、電解液浸漬前の機能層が加熱により発揮する接着性の向上をもたらすことができる。
なお、有機粒子の「体積平均粒子径D50」は、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。
また、有機粒子の体積平均粒子径D50は、好ましくは0.1μm以上、より好ましくは0.2μm以上、さらに好ましくは0.4μm以上であり、好ましくは1μm以下、より好ましくは0.8μm以下である。有機粒子の体積平均粒子径D50を前記範囲の下限値以上にすることにより、機能層の内部抵抗の上昇を抑制し、二次電池の低温出力特性をさらに向上させることができる。また、有機粒子の体積平均粒子径D50を前記範囲の上限値以下にすることにより、電解液中での電池部材同士の接着性を高め、二次電池の高温サイクル特性を向上させることができるとともに、電解液浸漬前の機能層が加熱により発揮する接着性の向上をもたらすことができる。
なお、有機粒子の「体積平均粒子径D50」は、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。
[[コアシェル比率]]
さらに、シェル部は、有機粒子の体積平均粒子径D50に対して、所定の範囲に収まる平均厚みを有することが好ましい。具体的には、有機粒子の体積平均粒子径D50に対するシェル部の平均厚み(コアシェル比率)は、好ましくは1.5%以上、より好ましくは3%以上、さらに好ましくは5%以上であり、好ましくは40%以下、より好ましくは30%以下、さらに好ましくは25%以下、特に好ましくは15%以下である。コアシェル比率を前記範囲の下限値以上にすることにより、電解液中での機能層の接着性をさらに高め、二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。また、コアシェル比率を前記範囲の上限値以下にすることにより、二次電池の低温出力特性をさらに高めることができる。
さらに、シェル部は、有機粒子の体積平均粒子径D50に対して、所定の範囲に収まる平均厚みを有することが好ましい。具体的には、有機粒子の体積平均粒子径D50に対するシェル部の平均厚み(コアシェル比率)は、好ましくは1.5%以上、より好ましくは3%以上、さらに好ましくは5%以上であり、好ましくは40%以下、より好ましくは30%以下、さらに好ましくは25%以下、特に好ましくは15%以下である。コアシェル比率を前記範囲の下限値以上にすることにより、電解液中での機能層の接着性をさらに高め、二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。また、コアシェル比率を前記範囲の上限値以下にすることにより、二次電池の低温出力特性をさらに高めることができる。
ここで、有機粒子の「コアシェル比率」は、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。
なお、有機粒子は、所期の効果を著しく損なわない限り、上述したコア部およびシェル部以外に任意の構成要素を備えていてもよい。具体的には、例えば、有機粒子は、コア部の内部に、コア部とは別の重合体で形成された部分を有していてもよい。具体例を挙げると、有機粒子をシード重合法で製造する場合に用いたシード粒子が、コア部の内部に残留していてもよい。ただし、所期の効果を顕著に発揮する観点からは、有機粒子はコア部およびシェル部のみを備えることが好ましい。
[コア部]
[[コア部の重合体の電解液膨潤度]]
有機粒子のコア部は、電解液に対して所定の膨潤度を有する重合体からなる。具体的には、コア部の重合体の電解液膨潤度は、5倍以上であることが必要であり、6倍以上であることが好ましく、7倍以上であることがより好ましく、9.6倍以上であることがさらに好ましく、また、30倍以下であることが必要であり、25倍以下であることが好ましく、20倍以下であることがより好ましい。コア部の重合体の電解液膨潤度を前記範囲の下限値以上にすることにより、機能層に高いイオン拡散性を発現させて二次電池の低温出力特性を向上させることができる。くわえて電解液中で有機粒子がある程度膨潤することで機能層の接着性が確保され、二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。また、コア部の重合体の電解液膨潤度を前記範囲の上限値以下にすることにより、電解液中における機能層の接着性を高め、二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。
[[コア部の重合体の電解液膨潤度]]
有機粒子のコア部は、電解液に対して所定の膨潤度を有する重合体からなる。具体的には、コア部の重合体の電解液膨潤度は、5倍以上であることが必要であり、6倍以上であることが好ましく、7倍以上であることがより好ましく、9.6倍以上であることがさらに好ましく、また、30倍以下であることが必要であり、25倍以下であることが好ましく、20倍以下であることがより好ましい。コア部の重合体の電解液膨潤度を前記範囲の下限値以上にすることにより、機能層に高いイオン拡散性を発現させて二次電池の低温出力特性を向上させることができる。くわえて電解液中で有機粒子がある程度膨潤することで機能層の接着性が確保され、二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。また、コア部の重合体の電解液膨潤度を前記範囲の上限値以下にすることにより、電解液中における機能層の接着性を高め、二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。
なお、コア部の重合体の電解液膨潤度を調整する方法としては、例えば、電解液のSP値を考慮して、当該コア部の重合体を製造するための単量体の種類および量を適切に選択することが挙げられる。一般に、重合体のSP値が電解液のSP値に近い場合、その重合体はその電解液に膨潤しやすい傾向がある。他方、重合体のSP値が電解液のSP値から離れていると、その重合体はその電解液に膨潤し難い傾向がある。
ここでSP値とは、溶解度パラメーターのことを意味する。
そして、SP値は、Hansen Solubility Parameters A User’s Handbook,2ndEd(CRCPress)で紹介される方法を用いて算出することができる。
また、有機化合物のSP値は、その有機化合物の分子構造から推算することも可能である。具体的には、SMILEの式からSP値を計算できるシミュレーションソフトウェア(例えば「HSPiP」(http=//www.hansen-solubility.com))を用いて計算しうる。このシミュレーションソフトウェアでは、Hansen SOLUBILITY PARAMETERS A User’s Handbook SecondEdition、Charles M.Hansenに記載の理論に基づき、SP値が求められている。
そして、SP値は、Hansen Solubility Parameters A User’s Handbook,2ndEd(CRCPress)で紹介される方法を用いて算出することができる。
また、有機化合物のSP値は、その有機化合物の分子構造から推算することも可能である。具体的には、SMILEの式からSP値を計算できるシミュレーションソフトウェア(例えば「HSPiP」(http=//www.hansen-solubility.com))を用いて計算しうる。このシミュレーションソフトウェアでは、Hansen SOLUBILITY PARAMETERS A User’s Handbook SecondEdition、Charles M.Hansenに記載の理論に基づき、SP値が求められている。
[[コア部の重合体のガラス転移温度]]
また、有機粒子のコア部を構成する重合体のガラス転移温度は、-50℃以上であることが好ましく、0℃以上であることがより好ましく、5℃以上であることがさらに好ましく、10℃以上であることが特に好ましく、また、150℃以下であることが好ましく、140℃以下であることがより好ましく、130℃以下であることがより好ましい。コア部の重合体のガラス転移温度を前記範囲の下限値以上にすることにより、機能層の接着性や耐ブロッキング性を一層向上させることができる。そして、二次電池の低温出力特性を向上させることができる。また、コア部の重合体のガラス転移温度を上記範囲の上限値以下にすることにより、機能層の電解液中での接着性および二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。
また、有機粒子のコア部を構成する重合体のガラス転移温度は、-50℃以上であることが好ましく、0℃以上であることがより好ましく、5℃以上であることがさらに好ましく、10℃以上であることが特に好ましく、また、150℃以下であることが好ましく、140℃以下であることがより好ましく、130℃以下であることがより好ましい。コア部の重合体のガラス転移温度を前記範囲の下限値以上にすることにより、機能層の接着性や耐ブロッキング性を一層向上させることができる。そして、二次電池の低温出力特性を向上させることができる。また、コア部の重合体のガラス転移温度を上記範囲の上限値以下にすることにより、機能層の電解液中での接着性および二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。
なお、コア部の重合体のガラス転移温度を調整する方法としては、例えば、コア部の重合体を調製するために用いる単量体の種類および量を、当該単量体の単独重合体のガラス転移温度を考慮して、適切に選択することが挙げられる。例えば、コア部の重合体の調製に(メタ)アクリル酸エステル単量体を使用する場合、(メタ)アクリル酸エステル単量体のアルコールに由来する部分の炭素数が多いほど、得られる重合体のガラス転移温度が低くなる傾向がある。ここで、本発明において、(メタ)アクリルとは、アクリルおよび/またはメタクリルを意味する。
[[コア部の重合体の組成]]
コア部の重合体を調製するために用いる単量体としては、その重合体の電解液膨潤度が上記範囲となるものを適宜選択して用いうる。そのような単量体としては、例えば、塩化ビニル、塩化ビニリデン等の塩化ビニル系単量体;酢酸ビニル等の酢酸ビニル系単量体;スチレン、α-メチルスチレン、スチレンスルホン酸、ブトキシスチレン、ビニルナフタレン等の芳香族ビニル単量体;ビニルアミン等のビニルアミン系単量体;N-ビニルホルムアミド、N-ビニルアセトアミド等のビニルアミド系単量体;アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、2-エチルヘキシルアクリレート等の(メタ)アクリル酸エステル単量体;アクリルアミド、メタクリルアミド等の(メタ)アクリルアミド単量体;アクリロニトリル、メタクリロニトリル等の(メタ)アクリロニトリル単量体;2-(パーフルオロヘキシル)エチルメタクリレート、2-(パーフルオロブチル)エチルアクリレート等のフッ素含有(メタ)アクリレート単量体;マレイミド;フェニルマレイミド等のマレイミド誘導体;1,3-ブタジエン、イソプレン等のジエン系単量体;などが挙げられる。また、これらは、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
なお、本発明において、(メタ)アクリレートとは、アクリレートおよび/またはメタクリレートを意味し、(メタ)アクリロニトリルとは、アクリロニトリルおよび/またはメタクリロニトリルを意味する。
コア部の重合体を調製するために用いる単量体としては、その重合体の電解液膨潤度が上記範囲となるものを適宜選択して用いうる。そのような単量体としては、例えば、塩化ビニル、塩化ビニリデン等の塩化ビニル系単量体;酢酸ビニル等の酢酸ビニル系単量体;スチレン、α-メチルスチレン、スチレンスルホン酸、ブトキシスチレン、ビニルナフタレン等の芳香族ビニル単量体;ビニルアミン等のビニルアミン系単量体;N-ビニルホルムアミド、N-ビニルアセトアミド等のビニルアミド系単量体;アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、2-エチルヘキシルアクリレート等の(メタ)アクリル酸エステル単量体;アクリルアミド、メタクリルアミド等の(メタ)アクリルアミド単量体;アクリロニトリル、メタクリロニトリル等の(メタ)アクリロニトリル単量体;2-(パーフルオロヘキシル)エチルメタクリレート、2-(パーフルオロブチル)エチルアクリレート等のフッ素含有(メタ)アクリレート単量体;マレイミド;フェニルマレイミド等のマレイミド誘導体;1,3-ブタジエン、イソプレン等のジエン系単量体;などが挙げられる。また、これらは、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
なお、本発明において、(メタ)アクリレートとは、アクリレートおよび/またはメタクリレートを意味し、(メタ)アクリロニトリルとは、アクリロニトリルおよび/またはメタクリロニトリルを意味する。
これらの単量体の中でも、コア部の重合体の調製に用いられる単量体としては、(メタ)アクリル酸エステル単量体、(メタ)アクリロニトリル単量体を用いることが好ましく、(メタ)アクリル酸エステル単量体を用いることがより好ましい。即ち、コア部の重合体は、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位または(メタ)アクリロニトリル単量体単位を含むことが好ましく、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を含むことがより好ましく、メタクリル酸メチル由来の単量体単位を含むことが特に好ましい。これにより、重合体の膨潤度の制御が容易になると共に、有機粒子を用いた機能層のイオン拡散性を一層高めることができる。
コア部の重合体における(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の割合は、好ましくは50質量%以上、より好ましくは60質量%以上、さらに好ましくは70質量%以上であり、好ましくは95質量%以下、より好ましくは90質量%以下、さらに好ましくは80質量%以下である。(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の割合を前記範囲の下限値以上にすることにより、機能層のイオン拡散性を高め、二次電池の低温出力特性をさらに向上させることができる。また、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の割合を前記範囲の上限値以下にすることにより、電解液中での機能層の接着性を高め、二次電池の高温サイクル特性をさらに向上させることができる。
また、コア部の重合体は、反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の少なくとも一方を含むことが好ましい。反応性界面活性剤単量体単位および/またはマクロモノマー構造単位が導入されたコア部の重合体を有する有機粒子は、機能層用組成物に適度な粘性を付与することができる。この原因は定かではないが、反応性界面活性剤単量体単位および/またはマクロモノマー構造単位が組み込まれることにより、これらの構造を備える重合体がグラフト鎖を備えることとなり、機能層用組成物中において、有機粒子から伸びたグラフト鎖の寄与により水との抵抗が高まるためと推察される。
そしてこれらの中でも、コア部の重合体は反応性界面活性剤単量体単位を含むことが好ましい。反応性界面活性剤単量体単位は有機粒子への導入が容易であり且つ有機粒子から脱離し難く、また有機粒子の電解液に対する濡れ性を高め、低温出力特性などの電池特性をさらに向上させうるからである。加えて、上記のように有機粒子への導入が容易であるため、マクロモノマーに比して未反応単量体の分解に起因する高温サイクルの低下も起こり難い。
なお、反応性界面活性剤単量体単位は、後述するようにシェル部の重合体に導入することも可能であるが、有機粒子の被覆率の過度な上昇を抑制し、二次電池の低温出力特性を確保する観点から、コア部の重合体に導入することが好ましい。
そしてこれらの中でも、コア部の重合体は反応性界面活性剤単量体単位を含むことが好ましい。反応性界面活性剤単量体単位は有機粒子への導入が容易であり且つ有機粒子から脱離し難く、また有機粒子の電解液に対する濡れ性を高め、低温出力特性などの電池特性をさらに向上させうるからである。加えて、上記のように有機粒子への導入が容易であるため、マクロモノマーに比して未反応単量体の分解に起因する高温サイクルの低下も起こり難い。
なお、反応性界面活性剤単量体単位は、後述するようにシェル部の重合体に導入することも可能であるが、有機粒子の被覆率の過度な上昇を抑制し、二次電池の低温出力特性を確保する観点から、コア部の重合体に導入することが好ましい。
ここで、反応性界面活性剤単量体単位を形成しうる反応性界面活性剤単量体とは、他の単量体と共重合しうる重合性の基を有し、且つ、界面活性基(即ち、親水性基および疎水性基)を有する単量体を表す。反応性界面活性剤単量体の重合により得られる反応性界面活性剤単量体単位は、有機粒子に含まれる重合体の一部を構成し、且つ界面活性剤として機能しうる。
通常、反応性界面活性剤単量体は重合性不飽和基を有し、この重合性不飽和基が重合後に疎水性基としても作用しうる。重合性不飽和基の例としては、ビニル基、アリル基、ビニリデン基、プロペニル基、イソプロペニル基、およびイソブチリデン基が挙げられる。かかる重合性不飽和基の種類は、1種類でもよく、2種類以上でもよい。
また、反応性界面活性剤単量体は、親水性を発現する部分として、通常は親水性基を有する。反応性界面活性剤単量体は、親水性基の種類により、アニオン系、カチオン系、ノニオン系の界面活性剤に分類される。
なお、反応性界面活性剤単量体の数平均分子量は、好ましくは500以上、より好ましくは1000以上、さらに好ましくは2000以上であり、好ましくは4000以下、より好ましくは3500以下、さらに好ましくは3000以下である。反応性界面活性剤単量体の数平均分子量が前記範囲の下限値以上であることで、反応性界面活性剤単量体単位を含む重合体を備える有機粒子が、機能層用組成物に良好に粘性を付与することができる。また、反応性界面活性剤単量体の数平均分子量が前記範囲の上限値以下であることで、反応性界面活性剤単量体を用いた重合が容易となる。
なお、反応性界面活性剤単量体の「数平均分子量」は、標準物質にポリスチレンを用い、展開溶媒に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用いたゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定することができる。
なお、反応性界面活性剤単量体の数平均分子量は、好ましくは500以上、より好ましくは1000以上、さらに好ましくは2000以上であり、好ましくは4000以下、より好ましくは3500以下、さらに好ましくは3000以下である。反応性界面活性剤単量体の数平均分子量が前記範囲の下限値以上であることで、反応性界面活性剤単量体単位を含む重合体を備える有機粒子が、機能層用組成物に良好に粘性を付与することができる。また、反応性界面活性剤単量体の数平均分子量が前記範囲の上限値以下であることで、反応性界面活性剤単量体を用いた重合が容易となる。
なお、反応性界面活性剤単量体の「数平均分子量」は、標準物質にポリスチレンを用い、展開溶媒に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用いたゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定することができる。
反応性界面活性剤単量体の例としては、有機粒子への導入の容易さ、および二次電池の低温出力特性を向上させる観点から、好ましくはポリオキシアルキレン基を有する反応性界面活性剤単量体が挙げられ、より好ましくは下記の式(I)で表される化合物が挙げられる。
式(I)において、Rは2価の結合基を表す。Rの例としては、-Si-O-基、メチレン基およびフェニレン基等が挙げられる。また、式(I)において、R1は親水性基を表す。R1の例としては、-SO3NH4が挙げられる。さらに、式(I)において、nは1以上100以下の整数を表す。なお、式(I)で表される化合物としては、特に限定されることなく、ポリオキシアルキレンアルケニルエーテル硫酸アンモニウムを挙げることができる。
また、反応性界面活性剤単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
また、反応性界面活性剤単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
ここで、コア部の重合体が反応性界面活性剤単量体単位を含む場合、コア部の重合体における反応性界面活性剤単量体単位の割合は、好ましくは0.05質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上であり、好ましくは5質量%以下、より好ましくは4質量%以下である。反応性界面活性剤単量体単位の割合を前記範囲の下限値以上にすることにより、有機粒子の機能層用組成物に対する粘性付与能が確保され、また有機粒子の分散性が向上する。加えて、有機粒子の電解液に対する濡れ性を高め、二次電池の低温出力特性をさらに向上させることができる。また、反応性界面活性剤単量体単位の割合を前記範囲の上限値以下にすることにより、二次電池の高温サイクル特性をさらに向上させることができる。
マクロモノマー構造単位を形成しうるマクロモノマーとは、重合体でありながら他の単量体と共重合しうる重合性の基を有し、単量体として機能して重合反応により新たな重合体の一部を構成しうる化合物を表す。なお、他の単量体と共重合しうる重合性の基は、マクロモノマーを構成する高分子鎖の末端に存在することが好ましい。当該重合性の基は、例えば所定の重合体を得た後に当該重合体の末端に導入され、この導入により、高分子鎖の末端に重合性の基を有するマクロモノマーが得ることができる。なお、本発明において、上述した反応性界面活性剤単量体に含まれる化合物は、マクロモノマーには含まれないものとする。
ここで、重合体であるマクロモノマーの数平均分子量は、好ましくは500以上、より好ましくは600以上、さらに好ましくは650以上であり、好ましくは9000以下、より好ましくは8000以下、さらに好ましくは7000以下である。マクロモノマーの数平均分子量が前記範囲の下限値以上であることで、マクロモノマー構造単位を含む重合体を備える有機粒子が、機能層用組成物に良好に粘性を付与することができる。また、マクロモノマーの数平均分子量が前記範囲の上限値以下であることで、マクロモノマーを用いた重合が容易となる。
なお、マクロモノマーの「数平均分子量」は、標準物質にポリスチレンを用い、展開溶媒に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用いたGPCで測定することができる。
ここで、重合体であるマクロモノマーの数平均分子量は、好ましくは500以上、より好ましくは600以上、さらに好ましくは650以上であり、好ましくは9000以下、より好ましくは8000以下、さらに好ましくは7000以下である。マクロモノマーの数平均分子量が前記範囲の下限値以上であることで、マクロモノマー構造単位を含む重合体を備える有機粒子が、機能層用組成物に良好に粘性を付与することができる。また、マクロモノマーの数平均分子量が前記範囲の上限値以下であることで、マクロモノマーを用いた重合が容易となる。
なお、マクロモノマーの「数平均分子量」は、標準物質にポリスチレンを用い、展開溶媒に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用いたGPCで測定することができる。
マクロモノマーの種類は特に限定されないが、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を(例えば50質量%以上)含む(メタ)アクリル酸エステルマクロモノマー、芳香族ビニル単量体単位を(例えば50質量%以上)含む芳香族ビニルマクロモノマー、およびヒドロキシアルキルアクリレートとポリカプロラクトンを反応させて得られるポリカプロラクトン変性ヒドロキシアルキルアクリレートなどが挙げられる。これらの中でも、有機粒子と水との抵抗を高めて機能層用組成物の粘度を高める観点から、(メタ)アクリル酸エステルマクロモノマー、ポリカプロラクトン変性ヒドロキシアルキルアクリレートが好ましい。また、マクロモノマーは、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
ここで、コア部の重合体がマクロモノマー構造単位を含む場合、コア部の重合体におけるマクロモノマー構造単位の割合は、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.5質量%以上であり、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下である。マクロモノマー構造単位の割合を前記範囲の下限値以上にすることにより、有機粒子の機能層用組成物に対する粘性付与能が確保され、また有機粒子の分散性が向上する。一方、マクロモノマー構造単位の割合を前記範囲の上限値以下にすることにより、二次電池の高温サイクル特性をさらに向上させることができる。
なお、コア部の重合体は、反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の何れか一方を含んでいてもよく、反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の双方を含んでいてもよい。
コア部の重合体における反応性界面活性剤単量体単位の割合とマクロモノマー構造単位の割合の合計は、好ましくは0.05質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上であり、好ましくは5質量%以下、より好ましくは4質量%以下である。反応性界面活性剤単量体単位の割合とマクロモノマー構造単位の割合の合計を前記範囲の下限値以上にすることにより、有機粒子の機能層用組成物に対する粘性付与能が確保され、また有機粒子の分散性が向上する。一方、反応性界面活性剤単量体単位の割合とマクロモノマー構造単位の割合の合計を前記範囲の上限値以下にすることにより、二次電池の高温サイクル特性をさらに向上させることができる。
コア部の重合体における反応性界面活性剤単量体単位の割合とマクロモノマー構造単位の割合の合計は、好ましくは0.05質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上であり、好ましくは5質量%以下、より好ましくは4質量%以下である。反応性界面活性剤単量体単位の割合とマクロモノマー構造単位の割合の合計を前記範囲の下限値以上にすることにより、有機粒子の機能層用組成物に対する粘性付与能が確保され、また有機粒子の分散性が向上する。一方、反応性界面活性剤単量体単位の割合とマクロモノマー構造単位の割合の合計を前記範囲の上限値以下にすることにより、二次電池の高温サイクル特性をさらに向上させることができる。
また、コア部の重合体は、酸基含有単量体単位を含みうる。ここで、酸基含有単量体としては、酸基を有する単量体、例えば、カルボン酸基を有する単量体、スルホン酸基を有する単量体、リン酸基を有する単量体、および、水酸基を有する単量体が挙げられる。
そして、カルボン酸基を有する単量体としては、例えば、モノカルボン酸、ジカルボン酸などが挙げられる。モノカルボン酸としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸などが挙げられる。ジカルボン酸としては、例えば、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸などが挙げられる。
また、スルホン酸基を有する単量体としては、例えば、ビニルスルホン酸、メチルビニルスルホン酸、(メタ)アリルスルホン酸、(メタ)アクリル酸-2-スルホン酸エチル、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸、3-アリロキシ-2-ヒドロキシプロパンスルホン酸などが挙げられる。
さらに、リン酸基を有する単量体としては、例えば、リン酸-2-(メタ)アクリロイルオキシエチル、リン酸メチル-2-(メタ)アクリロイルオキシエチル、リン酸エチル-(メタ)アクリロイルオキシエチルなどが挙げられる。
また、水酸基を有する単量体としては、例えば、アクリル酸-2-ヒドロキシエチル、アクリル酸-2-ヒドロキシプロピル、メタクリル酸-2-ヒドロキシエチル、メタクリル酸-2-ヒドロキシプロピルなどが挙げられる。
なお、本発明において、(メタ)アリルとは、アリルおよび/またはメタリルを意味し、(メタ)アクリロイルとは、アクリロイルおよび/またはメタクリロイルを意味する。
また、スルホン酸基を有する単量体としては、例えば、ビニルスルホン酸、メチルビニルスルホン酸、(メタ)アリルスルホン酸、(メタ)アクリル酸-2-スルホン酸エチル、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸、3-アリロキシ-2-ヒドロキシプロパンスルホン酸などが挙げられる。
さらに、リン酸基を有する単量体としては、例えば、リン酸-2-(メタ)アクリロイルオキシエチル、リン酸メチル-2-(メタ)アクリロイルオキシエチル、リン酸エチル-(メタ)アクリロイルオキシエチルなどが挙げられる。
また、水酸基を有する単量体としては、例えば、アクリル酸-2-ヒドロキシエチル、アクリル酸-2-ヒドロキシプロピル、メタクリル酸-2-ヒドロキシエチル、メタクリル酸-2-ヒドロキシプロピルなどが挙げられる。
なお、本発明において、(メタ)アリルとは、アリルおよび/またはメタリルを意味し、(メタ)アクリロイルとは、アクリロイルおよび/またはメタクリロイルを意味する。
これらの中でも、酸基含有単量体としては、カルボン酸基を有する単量体が好ましく、中でもモノカルボン酸が好ましく、(メタ)アクリル酸がより好ましい。
また、酸基含有単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
また、酸基含有単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
また、コア部の重合体における酸基含有量体単位の割合は、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは1質量%以上、さらに好ましくは3質量%以上であり、好ましくは20質量%以下、より好ましくは10質量%以下、さらに好ましくは7質量%以下である。酸基含有量体単位の割合を前記範囲に収めることにより、有機粒子の調製時に、コア部の重合体の分散性を高め、コア部の重合体の外表面に対し、コア部の外表面を部分的に覆うシェル部を形成し易くすることができる。
また、コア部の重合体は、上記単量体単位に加え、架橋性単量体単位を含んでいることが好ましい。架橋性単量体とは、加熱またはエネルギー線の照射により、重合中または重合後に架橋構造を形成しうる単量体である。架橋性単量体単位を含むことにより、重合体の膨潤度を、前記の範囲に容易に収めることができる。
架橋性単量体としては、例えば、当該単量体に2個以上の重合反応性基を有する多官能単量体が挙げられる。このような多官能単量体としては、例えば、ジビニルベンゼン等のジビニル化合物;ジエチレングリコールジメタクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、1,3-ブチレングリコールジアクリレート等のジ(メタ)アクリル酸エステル化合物;トリメチロールプロパントリメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート等のトリ(メタ)アクリル酸エステル化合物;アリルグリシジルエーテル、グリシジルメタクリレート等のエポキシ基を含有するエチレン性不飽和単量体;などが挙げられる。これらの中でも、コア部の重合体の電解液膨潤度を容易に制御する観点から、エチレングリコールジメタクリレート、アリルグリシジルエーテル、グリシジルメタクリレートが好ましく、エチレングリコールジメタクリレートがより好ましい。また、これらは、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
ここで、一般に、重合体において架橋性単量体単位の割合が増えると、その重合体の電解液に対する膨潤度は小さくなる傾向がある。従って、架橋性単量体単位の割合は、使用する単量体の種類および量を考慮して決定することが好ましい。コア部の重合体における架橋性単量体単位の具体的な割合は、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.2質量%以上、さらに好ましくは0.5質量%以上であり、好ましくは5質量%以下、より好ましくは4質量%以下、さらに好ましくは3質量%以下である。架橋性単量体単位の割合を前記範囲の下限値以上にすることにより、機能層の接着性を高めることができる。また、架橋性単量体単位の割合を前記範囲の上限値以下にすることにより、非水系二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
[シェル部]
[[シェル部の重合体の電解液膨潤度]]
有機粒子のシェル部は、コア部の電解液膨潤度よりも小さい所定の電解液膨潤度を有する重合体からなる。具体的には、シェル部の重合体の電解液膨潤度は、1倍超であることが必要であり、1.1倍以上であることが好ましく、1.2倍以上であることがより好ましく、1.3倍以上であることがさらに好ましく、また、4倍以下であることが必要であり、3.5倍以下であることが好ましく、3倍以下であることがより好ましい。シェル部の重合体の電解液膨潤度を前記範囲の下限値超にすることにより、有機粒子の電解液中での接着性が確保され、二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。加えて機能層に高いイオン拡散性を発現させて二次電池の低温出力特性を向上させることができる。また、シェル部の重合体の電解液膨潤度を前記範囲の上限値以下にすることにより、電解液中での機能層を介した電池部材同士の接着性を高め、二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。
[[シェル部の重合体の電解液膨潤度]]
有機粒子のシェル部は、コア部の電解液膨潤度よりも小さい所定の電解液膨潤度を有する重合体からなる。具体的には、シェル部の重合体の電解液膨潤度は、1倍超であることが必要であり、1.1倍以上であることが好ましく、1.2倍以上であることがより好ましく、1.3倍以上であることがさらに好ましく、また、4倍以下であることが必要であり、3.5倍以下であることが好ましく、3倍以下であることがより好ましい。シェル部の重合体の電解液膨潤度を前記範囲の下限値超にすることにより、有機粒子の電解液中での接着性が確保され、二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。加えて機能層に高いイオン拡散性を発現させて二次電池の低温出力特性を向上させることができる。また、シェル部の重合体の電解液膨潤度を前記範囲の上限値以下にすることにより、電解液中での機能層を介した電池部材同士の接着性を高め、二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。
なお、シェル部の重合体の電解液膨潤度を調整する方法としては、例えば、電解液のSP値を考慮して、当該シェル部の重合体を製造するための単量体の種類および量を適切に選択することが挙げられる。
[[シェル部の重合体のガラス転移温度]]
また、有機粒子のシェル部を構成する重合体のガラス転移温度は、50℃以上であることが好ましく、60℃以上であることがより好ましく、70℃以上であることがさらに好ましく、また、200℃以下であることが好ましく、180℃以下であることがより好ましく、150℃以下であることがさらに好ましい。シェル部の重合体のガラス転移温度を前記範囲の下限値以上にすることにより、電池部材同士のブロッキングの発生を抑制できることに加え、二次電池の高温サイクル特性をさらに向上させることができる。また、ガラス転移温度を前記範囲の上限値以下にすることにより、電解液中における機能層の接着性をさらに高めることができる。
また、有機粒子のシェル部を構成する重合体のガラス転移温度は、50℃以上であることが好ましく、60℃以上であることがより好ましく、70℃以上であることがさらに好ましく、また、200℃以下であることが好ましく、180℃以下であることがより好ましく、150℃以下であることがさらに好ましい。シェル部の重合体のガラス転移温度を前記範囲の下限値以上にすることにより、電池部材同士のブロッキングの発生を抑制できることに加え、二次電池の高温サイクル特性をさらに向上させることができる。また、ガラス転移温度を前記範囲の上限値以下にすることにより、電解液中における機能層の接着性をさらに高めることができる。
なお、シェル部の重合体のガラス転移温度を調整する方法としては、例えば、シェル部の重合体を調製するために用いる単量体の種類および量を、当該単量体の単独重合体のガラス転移温度を考慮して、適切に選択することが挙げられる。
シェル部の重合体を調製するために用いる単量体としては、その重合体の電解液膨潤度が前記範囲となるものを適宜選択して用いうる。そのような単量体としては、例えば、コア部の重合体を製造するために用いうる単量体として例示した単量体と同様の単量体が挙げられる。また、このような単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
これらの単量体の中でも、シェル部の重合体の調製に用いられる単量体としては、芳香族ビニル単量体が好ましい。即ち、シェル部の重合体は、芳香族ビニル単量体単位を含むことが好ましい。また、芳香族ビニル単量体の中でも、スチレンおよびスチレンスルホン酸等のスチレン誘導体がより好ましい。芳香族ビニル単量体を用いれば、重合体の電解液膨潤度を制御し易い。また、機能層の接着性を一層高めることができる。
そして、シェル部の重合体における芳香族ビニル単量体単位の割合は、好ましくは20質量%以上、より好ましくは40質量%以上、さらに好ましくは50質量%以上、より一層好ましくは60質量%以上、特に好ましくは80質量%以上 であり、好ましくは100質量%以下、より好ましくは99.5質量%以下、さらに好ましくは99質量%以下である。芳香族ビニル単量体単位の割合を前記範囲に収めることにより、シェル部の重合体の電解液膨潤度およびガラス転移温度を所望の範囲に制御しやすい。また、電解液中における機能層の接着性をより高めることができる。
また、シェル部の重合体は、反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の少なくとも一方を含むことが好ましい。反応性界面活性剤単量体単位および/またはマクロモノマー構造単位が導入されたシェル部の重合体を有する有機粒子は、機能層用組成物に適度な粘性を付与することができる。
そして、これらの中でも、有機粒子の被覆率の過度な上昇を抑制し、二次電池の低温出力特性を確保する観点から、シェル部の重合体は、マクロモノマー構造単位を含むことが好ましい。
そして、これらの中でも、有機粒子の被覆率の過度な上昇を抑制し、二次電池の低温出力特性を確保する観点から、シェル部の重合体は、マクロモノマー構造単位を含むことが好ましい。
ここで、反応性界面活性剤単量体単位を形成しうる反応性界面活性剤単量体としては、「コア部」の項で上述した反応性界面活性剤単量体と同様の単量体が挙げられる。反応性界面活性剤単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
中でも、反応性界面活性剤単量体としては、有機粒子への導入の容易さ、および二次電池の低温出力特性を向上させる観点から、ポリオキシアルキレン基を有する反応性界面活性剤単量体が好ましく、上述の式(I)で表される化合物がより好ましい。
中でも、反応性界面活性剤単量体としては、有機粒子への導入の容易さ、および二次電池の低温出力特性を向上させる観点から、ポリオキシアルキレン基を有する反応性界面活性剤単量体が好ましく、上述の式(I)で表される化合物がより好ましい。
シェル部の重合体が反応性界面活性剤単量体単位を含む場合、シェル部の重合体における反応性界面活性剤単量体単位の割合は、好ましくは0.25質量%以上、より好ましくは0.5質量%以上であり、好ましくは25質量%以下、より好ましくは20質量%以下である。反応性界面活性剤単量体単位の割合を前記範囲の下限値以上にすることにより、有機粒子の機能層用組成物に対する粘性付与能が確保され、また有機粒子の分散性が向上する。加えて、有機粒子の電解液に対する濡れ性を高め、二次電池の低温出力特性をさらに向上させることができる。また、反応性界面活性剤単量体単位の割合を前記範囲の上限値以下にすることにより、二次電池の高温サイクル特性をさらに向上させることができる。
また、マクロモノマー構造単位を形成しうるマクロモノマーとしては、「コア部」の項で上述したマクロモノマーと同様の単量体が挙げられる。マクロモノマーは、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
中でも、有機粒子と水との抵抗を高めて機能層用組成物の粘度を高める観点から、(メタ)アクリル酸エステルマクロモノマー、ポリカプロラクトン変性ヒドロキシアルキルアクリレートが好ましい。
中でも、有機粒子と水との抵抗を高めて機能層用組成物の粘度を高める観点から、(メタ)アクリル酸エステルマクロモノマー、ポリカプロラクトン変性ヒドロキシアルキルアクリレートが好ましい。
ここで、シェル部の重合体がマクロモノマー構造単位を含む場合、シェル部の重合体におけるマクロモノマー構造単位の割合は、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは2.5質量%以上であり、好ましくは25質量%以下、より好ましくは15質量%以下である。マクロモノマー構造単位の割合を前記範囲の下限値以上にすることにより、有機粒子の機能層用組成物に対する粘性付与能が確保され、また有機粒子の分散性が向上する。また、マクロモノマー構造単位の割合を前記範囲の上限値以下にすることにより、二次電池の高温サイクル特性をさらに向上させることができる。
なお、シェル部の重合体は、反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の何れかを含んでいてもよいし、反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の双方を含んでいてもよい。
シェル部の重合体における反応性界面活性剤単量体単位の割合とマクロモノマー構造単位の割合の合計は、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは2.5質量%以上であり、好ましくは25質量%以下、より好ましくは15質量%以下である。反応性界面活性剤単量体単位の割合とマクロモノマー構造単位の割合の合計を前記範囲の下限値以上にすることにより、有機粒子の機能層用組成物に対する粘性付与能が確保され、また有機粒子の分散性が向上する。一方、反応性界面活性剤単量体単位の割合とマクロモノマー構造単位の割合の合計を前記範囲の上限値以下にすることにより、二次電池の高温サイクル特性をさらに向上させることができる。
シェル部の重合体における反応性界面活性剤単量体単位の割合とマクロモノマー構造単位の割合の合計は、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは2.5質量%以上であり、好ましくは25質量%以下、より好ましくは15質量%以下である。反応性界面活性剤単量体単位の割合とマクロモノマー構造単位の割合の合計を前記範囲の下限値以上にすることにより、有機粒子の機能層用組成物に対する粘性付与能が確保され、また有機粒子の分散性が向上する。一方、反応性界面活性剤単量体単位の割合とマクロモノマー構造単位の割合の合計を前記範囲の上限値以下にすることにより、二次電池の高温サイクル特性をさらに向上させることができる。
また、シェル部の重合体は、芳香族ビニル単量体単位、反応性界面活性剤単量体単位、マクロモノマー構造単位以外に、酸基含有単量体単位を含みうる。ここで、酸基含有単量体としては、酸基を有する単量体、例えば、カルボン酸基を有する単量体、スルホン酸基を有する単量体、リン酸基を有する単量体、および、水酸基を有する単量体が挙げられる。具体的には、酸基含有単量体としては、コア部に含み得る酸基含有単量体単位を構成しうる単量体と同様の単量体が挙げられる。
これらの中でも、酸基含有単量体としては、カルボン酸基を有する単量体が好ましく、中でもモノカルボン酸がより好ましく、(メタ)アクリル酸がさらに好ましい。
また、酸基含有単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
また、酸基含有単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
シェル部の重合体中の酸基含有単量体単位の割合は、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは1質量%以上、さらに好ましくは3質量%以上であり、好ましくは20質量%以下、より好ましくは10質量%以下、さらに好ましくは7質量%以下である。酸基含有単量体単位の割合を前記範囲に収めることにより、機能層中での有機粒子の分散性を向上させ、機能層全面に渡って良好な接着性を発現させることができる。
また、シェル部の重合体は、架橋性単量体単位を含みうる。架橋性単量体としては、例えば、コア部の重合体に用いうる架橋性単量体として例示したものと同様の単量体が挙げられる。また、架橋性単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
そして、シェル部の重合体における架橋性単量体単位の割合は、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.2質量%以上、さらに好ましくは0.5質量%以上であり、好ましくは5質量%以下、より好ましくは4質量%以下、さらに好ましくは3質量%以下である。
[[シェル部の形態]]
また、シェル部の形態は特に制限されないが、シェル部は、重合体の粒子によって構成されていることが好ましい。シェル部が重合体の粒子によって構成されている場合、有機粒子の径方向にシェル部を構成する粒子が複数重なり合っていてもよい。ただし、有機粒子の径方向では、シェル部を構成する粒子同士が重なり合わず、それらの重合体の粒子が単層でシェル部を構成していることが好ましい。
また、シェル部の形態は特に制限されないが、シェル部は、重合体の粒子によって構成されていることが好ましい。シェル部が重合体の粒子によって構成されている場合、有機粒子の径方向にシェル部を構成する粒子が複数重なり合っていてもよい。ただし、有機粒子の径方向では、シェル部を構成する粒子同士が重なり合わず、それらの重合体の粒子が単層でシェル部を構成していることが好ましい。
[有機粒子の調製方法]
そして、上述したコアシェル構造を有する有機粒子は、例えば、コア部の重合体の単量体と、シェル部の重合体の単量体とを用い、経時的にそれらの単量体の比率を変えて段階的に重合することにより、調製することができる。具体的には、有機粒子は、先の段階の重合体を後の段階の重合体が順次に被覆するような連続した多段階乳化重合法および多段階懸濁重合法によって調製することができる。
そして、上述したコアシェル構造を有する有機粒子は、例えば、コア部の重合体の単量体と、シェル部の重合体の単量体とを用い、経時的にそれらの単量体の比率を変えて段階的に重合することにより、調製することができる。具体的には、有機粒子は、先の段階の重合体を後の段階の重合体が順次に被覆するような連続した多段階乳化重合法および多段階懸濁重合法によって調製することができる。
そこで、以下に、多段階乳化重合法により上記コアシェル構造を有する有機粒子を得る場合の一例を示す。
重合に際しては、常法に従って、乳化剤として、例えば、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ドデシル硫酸ナトリウム等のアニオン性界面活性剤、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ソルビタンモノラウレート等のノニオン性界面活性剤、またはオクタデシルアミン酢酸塩等のカチオン性界面活性剤を用いることができる。また、重合開始剤として、例えば、t-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート、過硫酸カリウム、キュメンパーオキサイド等の過酸化物、2,2’-アゾビス(2-メチル-N-(2-ハイドロキシエチル)-プロピオンアミド)、2,2’-アゾビス(2-アミジノプロパン)塩酸塩等のアゾ化合物を用いることができる。
そして、重合手順としては、まず、コア部を形成する単量体および乳化剤を混合し、一括で乳化重合することによってコア部を構成する粒子状の重合体を得る。さらに、このコア部を構成する粒子状の重合体の存在下にシェル部を形成する単量体の重合を行うことによって、上述したコアシェル構造を有する有機粒子を得ることができる。
この際、コア部の外表面をシェル部によって部分的に覆う観点から、シェル部の重合体を形成する単量体は、複数回に分割して、もしくは、連続して重合系に供給することが好ましい。シェル部の重合体を形成する単量体を重合系に分割して、もしくは、連続で供給することにより、シェル部を構成する重合体が粒子状に形成され、この粒子がコア部と結合することで、コア部を部分的に覆うシェル部を形成することができる。
なお、シェル部の重合体を形成する単量体を複数回に分割して供給する場合には、単量体を分割する割合に応じてシェル部の平均厚みを制御することが可能である。また、シェル部の重合体を形成する単量体を連続で供給する場合には、単位時間あたりの単量体の供給量を調整することで、シェル部の平均厚みを制御することが可能である。
また、シェル部を形成した後の有機粒子の体積平均粒子径D50は、例えば、乳化剤の量、単量体の量などを調整することで、所望の範囲にすることができる。さらに、コア部の外表面がシェル部によって覆われる平均割合(被覆率)は、例えば、乳化剤の量、および、シェル部の重合体を形成する単量体の量を調整することで、所望の範囲にすることができる。
<機能層用結着材>
本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、機能層用結着材(上述した有機粒子を除く)を含むことを必要とする。
本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、機能層用結着材(上述した有機粒子を除く)を含むことを必要とする。
ここで、上述した通り、有機粒子は、電解液に膨潤しておらず、且つ、加熱されていない状態では、通常、接着性を発現しない。そのため、機能層の形成直後(加熱前または電解液への浸漬前)に有機粒子が機能層から脱落するのを抑制する観点からは、機能層用組成物は、電解液に膨潤しておらず、且つ、加熱されていない状態においても接着性を発揮する機能層用結着材を含むことが好ましい。機能層用結着材を用いることにより、電解液に膨潤しておらず、且つ、加熱されていない状態においても有機粒子等の成分が機能層から脱落するのを抑制することができる。
そして、上記有機粒子と併用し得る機能層用結着材としては、非水溶性で、水などの分散媒中に分散可能な既知の結着材、例えば、熱可塑性エラストマーが挙げられる。そして、熱可塑性エラストマーとしては、共役ジエン系重合体およびアクリル系重合体が好ましく、アクリル系重合体がより好ましい。
ここで、共役ジエン系重合体とは、共役ジエン単量体単位を含む重合体を指し、共役ジエン系重合体の具体例としては、スチレン-ブタジエン共重合体(SBR)などの、芳香族ビニル単量体単位および脂肪族共役ジエン単量体単位を含む重合体や、アクリルゴム(NBR)(アクリロニトリル単位およびブタジエン単位を含む重合体)などが挙げられる。また、アクリル系重合体とは、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を含む重合体を指す。ここで、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を形成し得る(メタ)アクリル酸エステル単量体としては、有機粒子のコア部の重合体を調製するために用いる単量体と同様のものを用いることができる。
なお、これらの機能層用結着材は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。ただし、2種類以上を組み合わせた機能層用結着材を用いる場合、かかる機能層用結着材としての重合体は、上述した所定の重合体からなるコアシェル構造を有する有機粒子とは異なるものである。
ここで、共役ジエン系重合体とは、共役ジエン単量体単位を含む重合体を指し、共役ジエン系重合体の具体例としては、スチレン-ブタジエン共重合体(SBR)などの、芳香族ビニル単量体単位および脂肪族共役ジエン単量体単位を含む重合体や、アクリルゴム(NBR)(アクリロニトリル単位およびブタジエン単位を含む重合体)などが挙げられる。また、アクリル系重合体とは、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を含む重合体を指す。ここで、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を形成し得る(メタ)アクリル酸エステル単量体としては、有機粒子のコア部の重合体を調製するために用いる単量体と同様のものを用いることができる。
なお、これらの機能層用結着材は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。ただし、2種類以上を組み合わせた機能層用結着材を用いる場合、かかる機能層用結着材としての重合体は、上述した所定の重合体からなるコアシェル構造を有する有機粒子とは異なるものである。
さらに、機能層用結着材としてのアクリル系重合体は、(メタ)アクリロニトリル単量体単位を含むことがさらに好ましい。これにより、機能層の強度を高めることができる。
ここで、機能層用結着材としてのアクリル系重合体において、(メタ)アクリロニトリル単量体単位および(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の合計量に対する(メタ)アクリロニトリル単量体単位の量の割合は、好ましくは1質量%以上、より好ましくは2質量%以上であり、好ましくは30質量%以下、より好ましくは25質量%以下である。前記割合を前記範囲の下限値以上にすることにより、機能層用結着材としてのアクリル系重合体の強度を高め、当該アクリル系重合体を用いた機能層の強度をより高くすることができる。また、前記割合を前記範囲の上限値以下にすることにより、機能層用結着材としてのアクリル系重合体が電解液に対して適度に膨潤するため、機能層のイオン拡散性の低下および二次電池の低温出力特性の低下を抑制することができる。
また、機能層用結着材のガラス転移温度は、好ましくは-100℃以上であり、より好ましくは-90℃以上であり、さらに好ましくは-80℃以上であり、特に好ましくは-50℃以上であり、また、好ましくは25℃以下であり、より好ましくは5℃以下であり、さらに好ましくは-10℃以下である。機能層用結着材のガラス転移温度を前記範囲の下限値以上にすることにより、機能層用結着材の接着性および強度を高めることができる。また、機能層用結着材のガラス転移温度を前記範囲の上限値以下にすることにより、機能層の柔軟性を高めることができる。
なお、機能層用結着材の「ガラス転移温度」は、本明細書の実施例に記載の方法を用いて測定することができる。
なお、機能層用結着材の「ガラス転移温度」は、本明細書の実施例に記載の方法を用いて測定することができる。
さらに、機能層用結着材の体積平均粒子径D50は、好ましくは0.1μm以上0.5μm以下である。機能層用結着材の体積平均粒子径D50を前記範囲の下限値以上にすることにより、機能層用結着材の分散性を高めることができる。また、体積平均粒子径D50を前記範囲の上限値以下にすることにより、機能層用結着材の接着性を高めることができる。
なお、機能層用結着材の「体積平均粒子径D50」は、本明細書の実施例に記載の方法を用いて測定することができる。
なお、機能層用結着材の「体積平均粒子径D50」は、本明細書の実施例に記載の方法を用いて測定することができる。
そして、機能層用組成物中の機能層用結着材の含有量は、前述した有機粒子100質量部に対して、1質量部以上であることが好ましく、5質量部以上であることがより好ましく、10質量部以上であることがさらに好ましく、また、30質量部以下であることが好ましく、25質量部以下であることがより好ましく、20質量部以下であることがさらに好ましい。機能層用結着材の含有量を前記範囲の下限値以上にすることにより、機能層の接着性を向上させ、加熱前または電解液への浸漬前に有機粒子が機能層から脱落するのを十分に防止することができる。また、機能層用結着材の含有量を前記範囲の上限値以下にすることにより、二次電池の低温出力特性が低下することを抑制することができる。
機能層用結着材の製造方法としては、例えば、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法などが挙げられる。中でも、水中で重合をすることができ、粒子状の機能層用結着材を含む水分散液をそのまま機能層用組成物の材料として好適に使用できるので、乳化重合法および懸濁重合法が好ましい。また、機能層用結着材としての重合体を製造する際、その反応系は分散剤を含むことが好ましい。機能層用結着材は、通常、実質的にそれを構成する重合体により形成されるが、重合に際して用いた添加剤等の任意の成分を同伴していてもよい。
<その他の成分>
そして、非水系二次電池機能層用組成物は、上述した成分以外にも、任意のその他の成分を含んでいてもよい。前記その他の成分は、電池反応に影響を及ぼさないものであれば特に限られず、公知のものを使用することができる。また、これらのその他の成分は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
前記その他の成分としては、電解液添加剤などの既知の添加剤、並びに後述する水溶性重合体および非導電性粒子が挙げられる。
そして、非水系二次電池機能層用組成物は、上述した成分以外にも、任意のその他の成分を含んでいてもよい。前記その他の成分は、電池反応に影響を及ぼさないものであれば特に限られず、公知のものを使用することができる。また、これらのその他の成分は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
前記その他の成分としては、電解液添加剤などの既知の添加剤、並びに後述する水溶性重合体および非導電性粒子が挙げられる。
[水溶性重合体]
水系のスラリー組成物である機能層用組成物に水溶性重合体を配合することで、機能層用組成物に粘性を付与することができる。加えて、水溶性重合体は接着性および耐電解液性を備えているため、二次電池中において、機能層中の各成分同士および電池部材同士の接着を補助する役割を果たすことができる。
ここで、本発明においてある物質が「水溶性」であるとは、25℃において、その物質0.5gを100gの水に溶解した際に、不溶分が1.0質量%未満であることをいう。なお、水のpHによって溶解性が変わる物質については、少なくともいずれかのpHにおいて上述した「水溶性」に該当するのであれば、その物質は「水溶性」であるとする。
そして水溶性重合体としては、例えば、天然高分子、半合成高分子および合成高分子を挙げることができる。
水系のスラリー組成物である機能層用組成物に水溶性重合体を配合することで、機能層用組成物に粘性を付与することができる。加えて、水溶性重合体は接着性および耐電解液性を備えているため、二次電池中において、機能層中の各成分同士および電池部材同士の接着を補助する役割を果たすことができる。
ここで、本発明においてある物質が「水溶性」であるとは、25℃において、その物質0.5gを100gの水に溶解した際に、不溶分が1.0質量%未満であることをいう。なお、水のpHによって溶解性が変わる物質については、少なくともいずれかのpHにおいて上述した「水溶性」に該当するのであれば、その物質は「水溶性」であるとする。
そして水溶性重合体としては、例えば、天然高分子、半合成高分子および合成高分子を挙げることができる。
-天然高分子-
天然高分子としては、例えば、植物または動物由来の多糖類および蛋白質、並びにこれらの微生物等による発酵処理物、これらの熱処理物が挙げられる。
そしてこれらの天然高分子は、植物系天然高分子、動物系天然高分子および微生物産出天然高分子等に分類することができる。
植物系天然高分子としては、例えば、アラビアガム、トラガカントガム、ガラクタン、グアガム、キャロブガム、カラヤガム、カラギーナン、ペクチン、カンナン、クインスシード(マルメロ)、アルケコロイド(ガッソウエキス)、澱粉(コメ、トウモロコシ、馬鈴薯、小麦等に由来するもの)、グリチルリチンが挙げられる。動物系天然高分子としては、コラーゲン、カゼイン、アルブミン、ゼラチンが挙げられる。微生物産生天然高分子としては、キサンタンガム、デキストラン、サクシノグルカン、ブルランが挙げられる。
天然高分子としては、例えば、植物または動物由来の多糖類および蛋白質、並びにこれらの微生物等による発酵処理物、これらの熱処理物が挙げられる。
そしてこれらの天然高分子は、植物系天然高分子、動物系天然高分子および微生物産出天然高分子等に分類することができる。
植物系天然高分子としては、例えば、アラビアガム、トラガカントガム、ガラクタン、グアガム、キャロブガム、カラヤガム、カラギーナン、ペクチン、カンナン、クインスシード(マルメロ)、アルケコロイド(ガッソウエキス)、澱粉(コメ、トウモロコシ、馬鈴薯、小麦等に由来するもの)、グリチルリチンが挙げられる。動物系天然高分子としては、コラーゲン、カゼイン、アルブミン、ゼラチンが挙げられる。微生物産生天然高分子としては、キサンタンガム、デキストラン、サクシノグルカン、ブルランが挙げられる。
-半合成高分子-
半合成高分子としては、セルロース系半合成高分子が挙げられる。そしてセルロース系半合成高分子は、ノニオン性セルロース系半合成高分子、アニオン性セルロース系半合成高分子およびカチオン性セルロース系半合成高分子に分類することができる。
半合成高分子としては、セルロース系半合成高分子が挙げられる。そしてセルロース系半合成高分子は、ノニオン性セルロース系半合成高分子、アニオン性セルロース系半合成高分子およびカチオン性セルロース系半合成高分子に分類することができる。
ノニオン性セルロース系半合成高分子としては、例えば、メチルセルロース、メチルエチルセルロース、エチルセルロース、マイクロクリスタリンセルロース、等のアルキルセルロース類;ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシブチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースステアロキシエーテル、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース、アルキルヒドロキシエチルセルロース、ノノキシニルヒドロキシエチルセルロース等のヒドロキシアルキルセルロース類が挙げられる。
アニオン性セルロース系半合成高分子としては、上記のノニオン性セルロース系半合成高分子を各種誘導基により置換した置換体およびその塩(ナトリウム塩、アンモニウム塩など)が挙げられる。具体的には、セルロース硫酸ナトリウム、メチルセルロース、メチルエチルセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)およびそれらの塩が挙げられる。
カチオン性セルロース系半合成高分子としては、例えば、低窒素ヒドロキシエチルセルロースジメチルジアリルアンモニウムクロリド(ポリクオタニウム-4)、塩化O-[2-ヒドロキシ-3-(トリメチルアンモニオ)プロピル]ヒドロキシエチルセルロース(ポリクオタニウム-10)、塩化O-[2-ヒドロキシ-3-(ラウリルジメチルアンモニオ)プロピル]ヒドロキシエチルセルロース(ポリクオタニウム-24)が挙げられる。
-合成高分子-
合成系高分子としては、ポリアクリル酸ナトリウムなどのポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、アクリル酸またはアクリル酸塩とビニルアルコールとの共重合体、無水マレイン酸またはマレイン酸もしくはフマル酸と酢酸ビニルとの共重合体の完全または部分ケン化物、変性ポリビニルアルコール、変性ポリアクリル酸、ポリエチレングリコール、ポリカルボン酸、エチレン-ビニルアルコール共重合体、酢酸ビニル重合体、カルボン酸基が導入されたアクリルアミド重合体などが挙げられる。
合成系高分子としては、ポリアクリル酸ナトリウムなどのポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、アクリル酸またはアクリル酸塩とビニルアルコールとの共重合体、無水マレイン酸またはマレイン酸もしくはフマル酸と酢酸ビニルとの共重合体の完全または部分ケン化物、変性ポリビニルアルコール、変性ポリアクリル酸、ポリエチレングリコール、ポリカルボン酸、エチレン-ビニルアルコール共重合体、酢酸ビニル重合体、カルボン酸基が導入されたアクリルアミド重合体などが挙げられる。
そしてこれらの水溶性重合体の中でも、カルボキシルメチルセルロースおよびその塩、カルボン酸基が導入されたアクリルアミド重合体が好ましい。
ここで、水溶性重合体は、上述したように機能層用組成物に粘度を付与し、また機能層の接着性を向上させる性質を有する。しかしながら一方で、水溶性重合体の添加により、機能層の柔軟性およびイオン拡散性が損なわれ、機能層の接着性が低下したり、低温出力特性などの電池特性が損なわれたりする虞がある。
したがって、本発明においては、二次電池の電池特性を確保する観点からは、機能層用組成物中の水溶性重合体の含有量は、有機粒子100質量部当たり、好ましくは5質量部以下、より好ましくは3質量部以下、さらに好ましくは0.1質量部以下である。
なお、粘度調整を目的として水溶性重合体を添加する場合の機能層用組成物中の水溶性重合体の含有量の下限は、有機粒子100質量部当たり、好ましくは0.05質量部以上、より好ましくは0.1質量部以上である。
したがって、本発明においては、二次電池の電池特性を確保する観点からは、機能層用組成物中の水溶性重合体の含有量は、有機粒子100質量部当たり、好ましくは5質量部以下、より好ましくは3質量部以下、さらに好ましくは0.1質量部以下である。
なお、粘度調整を目的として水溶性重合体を添加する場合の機能層用組成物中の水溶性重合体の含有量の下限は、有機粒子100質量部当たり、好ましくは0.05質量部以上、より好ましくは0.1質量部以上である。
[非導電性粒子]
さらに、機能層が多孔膜層としても機能する場合には、機能層用組成物は、非導電性粒子を含んでいてもよい。機能層用組成物に配合される非導電性粒子としては、特に限定されることなく、非水系二次電池に用いられる既知の非導電性粒子を挙げることができる。
具体的には、非導電性粒子としては、無機微粒子と、上述した有機粒子および機能層用結着材以外の有機微粒子との双方を用いることができるが、通常は無機微粒子が用いられる。なかでも、非導電性粒子の材料としては、非水系二次電池の使用環境下で安定に存在し、電気化学的に安定である材料が好ましい。このような観点から非導電性粒子の材料の好ましい例を挙げると、酸化アルミニウム(アルミナ)、水和アルミニウム酸化物(ベーマイト)、酸化ケイ素、酸化マグネシウム(マグネシア)、酸化カルシウム、酸化チタン(チタニア)、BaTiO3、ZrO、アルミナ-シリカ複合酸化物等の酸化物粒子;窒化アルミニウム、窒化ホウ素等の窒化物粒子;シリコン、ダイヤモンド等の共有結合性結晶粒子;硫酸バリウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム等の難溶性イオン結晶粒子;タルク、モンモリロナイト等の粘土微粒子;などが挙げられる。また、これらの粒子は必要に応じて元素置換、表面処理、固溶体化等が施されていてもよい。
なお、上述した非導電性粒子は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
さらに、機能層が多孔膜層としても機能する場合には、機能層用組成物は、非導電性粒子を含んでいてもよい。機能層用組成物に配合される非導電性粒子としては、特に限定されることなく、非水系二次電池に用いられる既知の非導電性粒子を挙げることができる。
具体的には、非導電性粒子としては、無機微粒子と、上述した有機粒子および機能層用結着材以外の有機微粒子との双方を用いることができるが、通常は無機微粒子が用いられる。なかでも、非導電性粒子の材料としては、非水系二次電池の使用環境下で安定に存在し、電気化学的に安定である材料が好ましい。このような観点から非導電性粒子の材料の好ましい例を挙げると、酸化アルミニウム(アルミナ)、水和アルミニウム酸化物(ベーマイト)、酸化ケイ素、酸化マグネシウム(マグネシア)、酸化カルシウム、酸化チタン(チタニア)、BaTiO3、ZrO、アルミナ-シリカ複合酸化物等の酸化物粒子;窒化アルミニウム、窒化ホウ素等の窒化物粒子;シリコン、ダイヤモンド等の共有結合性結晶粒子;硫酸バリウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム等の難溶性イオン結晶粒子;タルク、モンモリロナイト等の粘土微粒子;などが挙げられる。また、これらの粒子は必要に応じて元素置換、表面処理、固溶体化等が施されていてもよい。
なお、上述した非導電性粒子は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
<非水系二次電池機能層用組成物の調製方法>
機能層用組成物の調製方法は、特に限定はされないが、通常は、有機粒子と、機能層用結着材と、分散媒としての水と、必要に応じて用いられるその他の成分とを混合して機能層用組成物を調製する。混合方法は特に制限されないが、各成分を効率よく分散させるため、通常は混合装置として分散機を用いて混合を行う。
分散機は、上記成分を均一に分散および混合できる装置が好ましい。例を挙げると、ボールミル、サンドミル、顔料分散機、擂潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサーなどが挙げられる。また、高い分散シェアを加えることができる観点から、ビーズミル、ロールミル、フィルミックス等の高分散装置も挙げられる。
機能層用組成物の調製方法は、特に限定はされないが、通常は、有機粒子と、機能層用結着材と、分散媒としての水と、必要に応じて用いられるその他の成分とを混合して機能層用組成物を調製する。混合方法は特に制限されないが、各成分を効率よく分散させるため、通常は混合装置として分散機を用いて混合を行う。
分散機は、上記成分を均一に分散および混合できる装置が好ましい。例を挙げると、ボールミル、サンドミル、顔料分散機、擂潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサーなどが挙げられる。また、高い分散シェアを加えることができる観点から、ビーズミル、ロールミル、フィルミックス等の高分散装置も挙げられる。
<非水系二次電池機能層用組成物の性状>
ここで、得られる非水系二次電池機能層用組成物のせん断速度100sec-1での粘度η0は、10mPa・s以上100mPa・s以下であることが必要であり、好ましくは15mPa・s以上、より好ましくは20mPa・s以上、さらに好ましくは31mPa・s以上であり、また好ましくは80mPa・s以下、より好ましくは50mPa・s以下である。η0が前記範囲の下限値以上であることで、基材上に塗布された機能層用組成物中における粒子状の成分の沈降が抑制され、基材の目詰まりを防ぐことができる。よって、得られるセパレータなどの電池部材の空隙を確保することができ、イオン拡散性が高まり、低温出力特性などの電池特性を向上させることができる。また、η0が前記範囲の上限値以下であることで、得られる機能層における過度な空隙の増加を抑制することができ、電解液中での機能層の接着性が確保されるため、低温出力特性などの電池特性を向上させることができる。
ここで、得られる非水系二次電池機能層用組成物のせん断速度100sec-1での粘度η0は、10mPa・s以上100mPa・s以下であることが必要であり、好ましくは15mPa・s以上、より好ましくは20mPa・s以上、さらに好ましくは31mPa・s以上であり、また好ましくは80mPa・s以下、より好ましくは50mPa・s以下である。η0が前記範囲の下限値以上であることで、基材上に塗布された機能層用組成物中における粒子状の成分の沈降が抑制され、基材の目詰まりを防ぐことができる。よって、得られるセパレータなどの電池部材の空隙を確保することができ、イオン拡散性が高まり、低温出力特性などの電池特性を向上させることができる。また、η0が前記範囲の上限値以下であることで、得られる機能層における過度な空隙の増加を抑制することができ、電解液中での機能層の接着性が確保されるため、低温出力特性などの電池特性を向上させることができる。
また、非水系二次電池機能層用組成物の、せん断速度10000sec-1での粘度η1に対するせん断速度100sec-1での粘度η0の比(η0/η1)は、1以上5以下である必要があり、好ましくは1.1以上、より好ましくは1.2以上、さらに好ましくは1.3以上であり、好ましくは4以下、より好ましくは3以下、さらに好ましくは2.3以下である。η0/η1が前記範囲の下限値以上であることで、高せん断条件における高粘度下が抑制され、基材上への機能層用組成物の塗布性が確保される。また、η0/η1が前記範囲の上限値以下であることで、得られる機能層における過度な空隙の増加を抑制することができ、電解液中での機能層の接着性が確保されるため、低温出力特性などの電池特性を向上させることができる。
なおη0、η1およびη0/η1は、機能層用組成物中の有機粒子および水溶性重合体の含有量や、有機粒子中の反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の含有量を調節することにより、適宜調整することができる。
(非水系二次電池用機能層)
上述した非水系二次電池機能層用組成物を用い、適切な基材上に機能層を形成することができる。具体的には、非水系二次電池機能層用組成物を適切な基材上で乾燥することにより、非水系二次電池用機能層を形成することができる。即ち、本発明の非水系二次電池用機能層は、上述した非水系二次電池機能層用組成物の乾燥物よりなり、通常、上記有機粒子および上記機能層用結着材を含有し、任意に、上記その他の成分を含有する。なお、上述した有機粒子中の重合体および/または機能層用結着材が架橋性単量体単位を含む場合には、有機粒子中の重合体および/または機能層用結着材は、スラリー組成物の乾燥時、または、乾燥後に任意に実施される熱処理時に架橋されていてもよい(即ち、非水系二次電池用機能層は、上述した有機粒子および/または機能層用結着材の架橋物を含んでいてもよい)。なお、非水系二次電池用機能層中に含まれている各成分の好適な存在比は、非水系二次電池機能層用組成物中の各成分の好適な存在比と同じである。
そして本発明の非水系二次電池用機能層は、電池部材に高い耐ブロッキング性をもたらすことができる上、電解液への浸漬後において優れた接着性を発揮することができ、そして、非水系二次電池に優れた電池特性(高温サイクル特性および低温出力特性)を発揮させることができる。
上述した非水系二次電池機能層用組成物を用い、適切な基材上に機能層を形成することができる。具体的には、非水系二次電池機能層用組成物を適切な基材上で乾燥することにより、非水系二次電池用機能層を形成することができる。即ち、本発明の非水系二次電池用機能層は、上述した非水系二次電池機能層用組成物の乾燥物よりなり、通常、上記有機粒子および上記機能層用結着材を含有し、任意に、上記その他の成分を含有する。なお、上述した有機粒子中の重合体および/または機能層用結着材が架橋性単量体単位を含む場合には、有機粒子中の重合体および/または機能層用結着材は、スラリー組成物の乾燥時、または、乾燥後に任意に実施される熱処理時に架橋されていてもよい(即ち、非水系二次電池用機能層は、上述した有機粒子および/または機能層用結着材の架橋物を含んでいてもよい)。なお、非水系二次電池用機能層中に含まれている各成分の好適な存在比は、非水系二次電池機能層用組成物中の各成分の好適な存在比と同じである。
そして本発明の非水系二次電池用機能層は、電池部材に高い耐ブロッキング性をもたらすことができる上、電解液への浸漬後において優れた接着性を発揮することができ、そして、非水系二次電池に優れた電池特性(高温サイクル特性および低温出力特性)を発揮させることができる。
<基材>
機能層を形成する基材としては、特に限定されず、例えばセパレータの一部を構成する部材として機能層を使用する場合には、基材としてはセパレータ基材を用いることができ、また、電極の一部を構成する部材として機能層を使用する場合には、基材としては集電体上に電極合材層を形成してなる電極基材を用いることができる。また、基材上に形成した機能層の用法に特に制限は無く、例えばセパレータ基材等の上に機能層を形成してそのままセパレータ等の電池部材として使用してもよいし、電極基材上に機能層を形成して電極として使用してもよいし、離型基材上に形成した機能層を基材から一度剥離し、他の基材に貼り付けて電池部材として使用してもよい。
しかし、機能層から離型基材を剥がす工程を省略して電池部材の製造効率を高める観点からは、基材としてセパレータ基材又は電極基材を用いることが好ましい。セパレータ基材又は電極基材に設けられた機能層は、セパレータ又は電極の耐熱性や強度を高める保護層としての機能と、特に電解液中においてセパレータと電極とを強固に接着させる接着剤層としての機能とを同時に発現させる単一の層として、好適に使用することができる。
機能層を形成する基材としては、特に限定されず、例えばセパレータの一部を構成する部材として機能層を使用する場合には、基材としてはセパレータ基材を用いることができ、また、電極の一部を構成する部材として機能層を使用する場合には、基材としては集電体上に電極合材層を形成してなる電極基材を用いることができる。また、基材上に形成した機能層の用法に特に制限は無く、例えばセパレータ基材等の上に機能層を形成してそのままセパレータ等の電池部材として使用してもよいし、電極基材上に機能層を形成して電極として使用してもよいし、離型基材上に形成した機能層を基材から一度剥離し、他の基材に貼り付けて電池部材として使用してもよい。
しかし、機能層から離型基材を剥がす工程を省略して電池部材の製造効率を高める観点からは、基材としてセパレータ基材又は電極基材を用いることが好ましい。セパレータ基材又は電極基材に設けられた機能層は、セパレータ又は電極の耐熱性や強度を高める保護層としての機能と、特に電解液中においてセパレータと電極とを強固に接着させる接着剤層としての機能とを同時に発現させる単一の層として、好適に使用することができる。
[セパレータ基材]
機能層を形成するセパレータ基材としては、特に限定されることなく、例えば特開2012-204303号公報に記載のものを用いることができる。これらの中でも、セパレータ全体の膜厚を薄くすることができ、これにより、二次電池内の電極活物質の比率を高くして体積あたりの容量を高くすることができるという点より、ポリオレフィン系(ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリ塩化ビニル)の樹脂からなる微多孔膜が好ましい。
なお、セパレータ基材は、機能層以外の、所期の機能を発揮し得る任意の層をその一部に含んでいてもよい。
機能層を形成するセパレータ基材としては、特に限定されることなく、例えば特開2012-204303号公報に記載のものを用いることができる。これらの中でも、セパレータ全体の膜厚を薄くすることができ、これにより、二次電池内の電極活物質の比率を高くして体積あたりの容量を高くすることができるという点より、ポリオレフィン系(ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリ塩化ビニル)の樹脂からなる微多孔膜が好ましい。
なお、セパレータ基材は、機能層以外の、所期の機能を発揮し得る任意の層をその一部に含んでいてもよい。
[電極基材]
機能層を形成する電極基材(正極基材および負極基材)としては、特に限定されないが、集電体上に電極合材層が形成された電極基材が挙げられる。
ここで、集電体、電極合材層中の成分(例えば、電極活物質(正極活物質、負極活物質)および電極合材層用結着材(正極合材層用結着材、負極合材層用結着材)など)、並びに、集電体上への電極合材層の形成方法は、既知のものを用いることができ、例えば特開2013-145763号公報に記載のものを用いることができる。
なお、電極基材は、機能層以外の、所期の機能を有する任意の層をその一部に含んでいてもよい。
機能層を形成する電極基材(正極基材および負極基材)としては、特に限定されないが、集電体上に電極合材層が形成された電極基材が挙げられる。
ここで、集電体、電極合材層中の成分(例えば、電極活物質(正極活物質、負極活物質)および電極合材層用結着材(正極合材層用結着材、負極合材層用結着材)など)、並びに、集電体上への電極合材層の形成方法は、既知のものを用いることができ、例えば特開2013-145763号公報に記載のものを用いることができる。
なお、電極基材は、機能層以外の、所期の機能を有する任意の層をその一部に含んでいてもよい。
[離型基材]
機能層を形成する離型基材としては、特に限定されず、既知の離型基材を用いることができる。
機能層を形成する離型基材としては、特に限定されず、既知の離型基材を用いることができる。
<非水系二次電池用機能層の形成方法>
上述したセパレータ基材、電極基材などの基材上に機能層を形成する方法としては、以下の方法が挙げられる。:
1)機能層用組成物をセパレータ基材または電極基材の表面(電極基材の場合は電極合材層側の表面、以下同じ)に塗布し、次いで乾燥する方法;
2)機能層用組成物にセパレータ基材または電極基材を浸漬後、これを乾燥する方法;
3)機能層用組成物を、離型基材上に塗布、乾燥して機能層を製造し、得られた機能層をセパレータ基材または電極基材の表面に転写する方法。
これらの中でも、前記1)の方法が、機能層の膜厚制御をしやすいことから特に好ましい。該1)の方法は、詳細には、機能層用組成物をセパレータ基材または電極基材上に塗布する工程(塗布工程)と、セパレータ基材または電極基材上に塗布された機能層用組成物を乾燥させて機能層を形成する工程(乾燥工程)を備える。
上述したセパレータ基材、電極基材などの基材上に機能層を形成する方法としては、以下の方法が挙げられる。:
1)機能層用組成物をセパレータ基材または電極基材の表面(電極基材の場合は電極合材層側の表面、以下同じ)に塗布し、次いで乾燥する方法;
2)機能層用組成物にセパレータ基材または電極基材を浸漬後、これを乾燥する方法;
3)機能層用組成物を、離型基材上に塗布、乾燥して機能層を製造し、得られた機能層をセパレータ基材または電極基材の表面に転写する方法。
これらの中でも、前記1)の方法が、機能層の膜厚制御をしやすいことから特に好ましい。該1)の方法は、詳細には、機能層用組成物をセパレータ基材または電極基材上に塗布する工程(塗布工程)と、セパレータ基材または電極基材上に塗布された機能層用組成物を乾燥させて機能層を形成する工程(乾燥工程)を備える。
塗布工程において、機能層用組成物をセパレータ基材または電極基材上に塗布する方法は、特に制限は無く、例えば、スプレーコート法、ドクターブレード法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法、ハケ塗り法などの方法が挙げられる。なかでも、より薄い機能層を形成する点から、グラビア法が好ましい。
また乾燥工程において、基材上の機能層用組成物を乾燥する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができ、例えば温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、赤外線や電子線などの照射による乾燥法が挙げられる。乾燥条件は特に限定されないが、乾燥温度は好ましくは30~80℃で、乾燥時間は好ましくは30秒~10分である。
また乾燥工程において、基材上の機能層用組成物を乾燥する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができ、例えば温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、赤外線や電子線などの照射による乾燥法が挙げられる。乾燥条件は特に限定されないが、乾燥温度は好ましくは30~80℃で、乾燥時間は好ましくは30秒~10分である。
なお、基材上に形成された機能層の厚みは、好ましくは0.1μm以上、より好ましくは0.3μm以上、さらに好ましくは0.5μm以上であり、好ましくは3μm以下、より好ましくは1.5μm以下、さらに好ましくは1μm以下である。機能層の厚みが、前記範囲の下限値以上であることで、機能層の強度を十分に確保することができ、前記範囲の上限値以下であることで、機能層のイオン拡散性を確保し二次電池の低温出力特性をさらに向上させることができる。
(非水系二次電池用セパレータ)
本発明の非水系二次電池用セパレータは、セパレータ基材と、前記セパレータ基材の少なくとも一方の表面上に、特定の有機粒子および機能層用結着材を含む機能層を備え、好ましくは機能層が上述した本発明の非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成された非水系二次電池用機能層である。
そして、本発明の非水系二次電池用セパレータは、セパレータ基材の空隙率M0と、非水系二次電池用セパレータの空隙率M1とから以下の式(1)で算出される空隙率変化割合MCが5%以上50%以下である。
MC=(M0-M1)/M0×100 ・・・(1)
本発明の非水系二次電池用セパレータは、セパレータ基材と、前記セパレータ基材の少なくとも一方の表面上に、特定の有機粒子および機能層用結着材を含む機能層を備え、好ましくは機能層が上述した本発明の非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成された非水系二次電池用機能層である。
そして、本発明の非水系二次電池用セパレータは、セパレータ基材の空隙率M0と、非水系二次電池用セパレータの空隙率M1とから以下の式(1)で算出される空隙率変化割合MCが5%以上50%以下である。
MC=(M0-M1)/M0×100 ・・・(1)
本発明の非水系二次電池用セパレータは、上述の有機粒子などの寄与、そして、MCが特定の範囲内であることの寄与などにより、電解液中で機能層を介して電極と強固に密着しつつ、非水系二次電池に優れた電池特性を発揮させることができる。
<セパレータ基材>
セパレータ基材は、「非水系二次電池用機能層」の項で挙げたものと同様のものを用いることができる。
そして、本発明の非水系二次電池用セパレータに用いるセパレータ基材の電解液浸漬後の空隙率M0は、好ましくは30%以上、より好ましくは35%以上、さらに好ましくは40%以上である。M0が30%以上であることで、非水系二次電池用セパレータを備える二次電池の低温出力特性を向上させることができる。また、M0の上限は特に限定されないが、セパレータ基材の強度を確保する観点から、通常60%以下である。
なお、電解液浸漬後の空隙率M0は、セパレータ基材の製造条件を変更するなどの既知の方法で調節することができる。
セパレータ基材は、「非水系二次電池用機能層」の項で挙げたものと同様のものを用いることができる。
そして、本発明の非水系二次電池用セパレータに用いるセパレータ基材の電解液浸漬後の空隙率M0は、好ましくは30%以上、より好ましくは35%以上、さらに好ましくは40%以上である。M0が30%以上であることで、非水系二次電池用セパレータを備える二次電池の低温出力特性を向上させることができる。また、M0の上限は特に限定されないが、セパレータ基材の強度を確保する観点から、通常60%以下である。
なお、電解液浸漬後の空隙率M0は、セパレータ基材の製造条件を変更するなどの既知の方法で調節することができる。
<セパレータ基材上の機能層>
セパレータ基材上に設けられる機能層は、少なくとも特定構造の有機粒子および機能層用結着材を含有し、任意にその他の成分を含有する。そして、機能層に含まれる有機粒子および機能層用結着材、並びにその他の成分は、「非水系二次電池機能層用組成物」の項で列挙したものと同様のものを用いることができ、それら各成分の好適な存在比は、非水系二次電池機能層用組成物中の各成分の好適な存在比と同じである。そして機能層は、「非水系二次電池用機能層」の項で記載した方法を用いてセパレータ基材上に形成することができ、セパレータ基材上の機能層の好適な厚みの範囲も、「非水系二次電池用機能層」で開示した範囲と同様である。
セパレータ基材上に設けられる機能層は、少なくとも特定構造の有機粒子および機能層用結着材を含有し、任意にその他の成分を含有する。そして、機能層に含まれる有機粒子および機能層用結着材、並びにその他の成分は、「非水系二次電池機能層用組成物」の項で列挙したものと同様のものを用いることができ、それら各成分の好適な存在比は、非水系二次電池機能層用組成物中の各成分の好適な存在比と同じである。そして機能層は、「非水系二次電池用機能層」の項で記載した方法を用いてセパレータ基材上に形成することができ、セパレータ基材上の機能層の好適な厚みの範囲も、「非水系二次電池用機能層」で開示した範囲と同様である。
<非水系二次電池用セパレータの性状>
本発明の非水系二次電池用セパレータの電解液浸漬後の空隙率M1は、好ましくは25%以上、より好ましくは35%以上、さらに好ましくは38%以上である。M1が25%以上であることで、非水系二次電池用セパレータを備える二次電池の低温出力特性をさらに向上させることができる。また、M1の上限は特に限定されないが、非水系二次電池用セパレータの強度を確保する観点から、通常50%以下である。
なお、電解液浸漬後の空隙率M1は、機能層用組成物のη0/η1や、機能層用組成物の乾燥条件などを変更することで調節することができる。
本発明の非水系二次電池用セパレータの電解液浸漬後の空隙率M1は、好ましくは25%以上、より好ましくは35%以上、さらに好ましくは38%以上である。M1が25%以上であることで、非水系二次電池用セパレータを備える二次電池の低温出力特性をさらに向上させることができる。また、M1の上限は特に限定されないが、非水系二次電池用セパレータの強度を確保する観点から、通常50%以下である。
なお、電解液浸漬後の空隙率M1は、機能層用組成物のη0/η1や、機能層用組成物の乾燥条件などを変更することで調節することができる。
そして、セパレータ基材の空隙率M0と、前記非水系二次電池用セパレータの空隙率M1とから、式(1):MC=(M0-M1)/M0×100で算出される空隙率変化割合MCが、5%以上50%以下であることが必要であり、好ましくは10%以上、より好ましくは15%以上、さらに好ましくは16%以上であり、好ましくは35%以下、より好ましくは25%以下、さらに好ましくは22%以下である。MCが前記範囲の下限値以上であると、電解液浸漬後における機能層のセパレータ基材への接着性が確保される。また、MCが前記範囲の上限値以下であると、機能層形成によるセパレータ基材の目詰まりが抑制される等して、非水系二次電池用セパレータのイオン拡散性が確保され、二次電池の低温出力特性が向上する。
(非水系二次電池)
本発明の非水系二次電池は、上述した本発明の非水系二次電池用セパレータを備えるものである。より具体的には、本発明の非水系二次電池は、正極、負極、セパレータ、および電解液を備え、前記セパレータが、セパレータ基材と機能層を備える本発明の非水系二次電池用セパレータである。
本発明の非水系二次電池は、本発明の非水系二次電池用セパレータを備えているので、高温サイクル特性や低温出力特性などの電池特性に優れる。
本発明の非水系二次電池は、上述した本発明の非水系二次電池用セパレータを備えるものである。より具体的には、本発明の非水系二次電池は、正極、負極、セパレータ、および電解液を備え、前記セパレータが、セパレータ基材と機能層を備える本発明の非水系二次電池用セパレータである。
本発明の非水系二次電池は、本発明の非水系二次電池用セパレータを備えているので、高温サイクル特性や低温出力特性などの電池特性に優れる。
<正極および負極>
本発明の二次電池において、少なくともセパレータが機能層を有するが、正極および負極もそれぞれ機能層を有していてもよい。機能層を有する正極および負極としては、集電体上に電極合材層を形成してなる電極基材の上に機能層を設けてなる電極を用いることができる。なお、電極基材およびセパレータ基材としては、「非水系二次電池用機能層」の項で挙げたものと同様のものを用いることができる。
また、機能層を有さない正極および負極としては、特に限定されることなく、上述した電極基材よりなる電極を用いることができる。
本発明の二次電池において、少なくともセパレータが機能層を有するが、正極および負極もそれぞれ機能層を有していてもよい。機能層を有する正極および負極としては、集電体上に電極合材層を形成してなる電極基材の上に機能層を設けてなる電極を用いることができる。なお、電極基材およびセパレータ基材としては、「非水系二次電池用機能層」の項で挙げたものと同様のものを用いることができる。
また、機能層を有さない正極および負極としては、特に限定されることなく、上述した電極基材よりなる電極を用いることができる。
<電解液>
電解液としては、通常、有機溶媒に支持電解質を溶解した有機電解液が用いられる。支持電解質としては、例えば、リチウムイオン二次電池においてはリチウム塩が用いられる。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6、LiAlCl4、LiClO4、CF3SO3Li、C4F9SO3Li、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)NLiなどが挙げられる。なかでも、溶媒に溶けやすく高い解離度を示すので、LiPF6、LiClO4、CF3SO3Liが好ましい。なお、電解質は1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。通常は、解離度の高い支持電解質を用いるほどリチウムイオン伝導度が高くなる傾向があるので、支持電解質の種類によりリチウムイオン伝導度を調節することができる。
電解液としては、通常、有機溶媒に支持電解質を溶解した有機電解液が用いられる。支持電解質としては、例えば、リチウムイオン二次電池においてはリチウム塩が用いられる。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6、LiAlCl4、LiClO4、CF3SO3Li、C4F9SO3Li、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)NLiなどが挙げられる。なかでも、溶媒に溶けやすく高い解離度を示すので、LiPF6、LiClO4、CF3SO3Liが好ましい。なお、電解質は1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。通常は、解離度の高い支持電解質を用いるほどリチウムイオン伝導度が高くなる傾向があるので、支持電解質の種類によりリチウムイオン伝導度を調節することができる。
電解液に使用する有機溶媒としては、支持電解質を溶解できるものであれば特に限定されないが、例えばリチウムイオン二次電池においては、ジメチルカーボネート(DMC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、メチルエチルカーボネート(MEC)等のカーボネート類;γ-ブチロラクトン、ギ酸メチル等のエステル類;1,2-ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等のエーテル類;スルホラン、ジメチルスルホキシド等の含硫黄化合物類;などが好適に用いられる。またこれらの溶媒の混合液を用いてもよい。中でも、誘電率が高く、安定な電位領域が広いのでカーボネート類が好ましい。通常、用いる溶媒の粘度が低いほどリチウムイオン伝導度が高くなる傾向があるので、溶媒の種類によりリチウムイオン伝導度を調節することができる。
なお、電解液中の電解質の濃度は適宜調整することができる。また、電解液には、既知の添加剤を添加してもよい。
なお、電解液中の電解質の濃度は適宜調整することができる。また、電解液には、既知の添加剤を添加してもよい。
<非水系二次電池の製造方法>
非水系二次電池は、例えば、正極と負極とを本発明の非水系二次電池用セパレータを介して重ね合わせ、これを必要に応じて、巻く、折るなどして電池容器に入れ、電池容器に電解液を注入して封口することで製造し得る。ここで、電池容器には、必要に応じてエキスパンドメタルや、ヒューズ、PTC素子などの過電流防止素子、リード板などを入れ、電池内部の圧力上昇、過充放電の防止をしてもよい。電池の形状は、例えば、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角形、扁平型など、何れであってもよい。
非水系二次電池は、例えば、正極と負極とを本発明の非水系二次電池用セパレータを介して重ね合わせ、これを必要に応じて、巻く、折るなどして電池容器に入れ、電池容器に電解液を注入して封口することで製造し得る。ここで、電池容器には、必要に応じてエキスパンドメタルや、ヒューズ、PTC素子などの過電流防止素子、リード板などを入れ、電池内部の圧力上昇、過充放電の防止をしてもよい。電池の形状は、例えば、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角形、扁平型など、何れであってもよい。
以下、本発明について実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、以下の説明において、量を表す「%」および「部」は、特に断らない限り、質量基準である。
また、複数種類の単量体を共重合して製造される重合体において、ある単量体(マクロモノマーを含む)を重合して形成される構造単位の前記重合体における割合は、別に断らない限り、通常は、その重合体の重合に用いる全単量体に占める当該ある単量体の比率(仕込み比)と一致する。
実施例および比較例において、有機粒子を構成する重合体の電解液膨潤度、各重合体(コア部の重合体、シェル部の重合体および機能層用結着材)のガラス転移温度、各粒子(有機粒子および機能層用結着材)の体積平均粒子径D50、有機粒子のコアシェル比率、有機粒子の被覆率、機能層用組成物の粘度、セパレータ基材およびセパレータの電解液浸漬後の空隙率、反応性界面活性剤単量体およびマクロモノマーの数平均分子量、電解液浸漬後の機能層の接着性、並びに二次電池の高温サイクル特性および低温出力特性は、下記の方法で測定および評価した。
また、複数種類の単量体を共重合して製造される重合体において、ある単量体(マクロモノマーを含む)を重合して形成される構造単位の前記重合体における割合は、別に断らない限り、通常は、その重合体の重合に用いる全単量体に占める当該ある単量体の比率(仕込み比)と一致する。
実施例および比較例において、有機粒子を構成する重合体の電解液膨潤度、各重合体(コア部の重合体、シェル部の重合体および機能層用結着材)のガラス転移温度、各粒子(有機粒子および機能層用結着材)の体積平均粒子径D50、有機粒子のコアシェル比率、有機粒子の被覆率、機能層用組成物の粘度、セパレータ基材およびセパレータの電解液浸漬後の空隙率、反応性界面活性剤単量体およびマクロモノマーの数平均分子量、電解液浸漬後の機能層の接着性、並びに二次電池の高温サイクル特性および低温出力特性は、下記の方法で測定および評価した。
<有機粒子を構成する重合体の電解液膨潤度>
有機粒子のコア部およびシェル部の調製に使用した単量体組成物を使用し、コア部およびシェル部の重合条件と同様の重合条件で測定試料となる重合体(コア部の重合体およびシェル部の重合体)の水分散液をそれぞれ作製した。
次に、得られた水分散液を、ポリテトラフルオロエチレン製のシャーレに入れ、温度60℃で72時間乾燥した後、シャーレから取り出し100℃、20kg/cm2の条件で5分間熱プレスして、厚み0.5mmのフィルムを製造した。そして、得られたフィルムを1cm角に裁断し、試験片を得た。この試験片の重量を測定し、W0とした。また、前記試験片を電解液に温度60℃で72時間浸漬した。その後、試験片を電解液から取り出し、試験片の表面の電解液を拭き取り、浸漬後の試験片の重量W1を測定した。そして、これらの重量W0およびW1を用いて、膨潤度S(倍)を、S=W1/W0にて計算した。
なお、電解液としては、ECとDECとVCの混合溶媒(体積混合比EC/DEC/VC=68.5/30/1.5;SP値12.7(cal/cm3)1/2)に、支持電解質としてLiPF6を1mol/Lの濃度で溶かしたものを用いた。
<ガラス転移温度(Tg)>
コア部の重合体、シェル部の重合体のガラス転移温度の測定には、各重合体の調製に使用した単量体組成物を使用し、当該重合体の重合条件と同様の重合条件で、測定試料となる重合体を含む水分散液をそれぞれ作製し、当該水分散液を乾固させて得られる測定試料を使用した。
機能層用結着材のガラス転移温度の測定には、得られた機能層用結着材を含む水分散液を乾固させて得られる測定試料を使用した。
示差熱分析測定装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー社製、製品名「EXSTAR DSC6220」)を用い、上述の測定試料10mgをアルミパンに計量し、リファレンスとして空のアルミパンを用い、測定温度範囲-100℃~500℃の間で、昇温速度10℃/分、常温常湿下で、DSC曲線を測定した。この昇温過程で、微分信号(DDSC)が0.05mW/分/mg以上となるDSC曲線の吸熱ピークが出る直前のベースラインと、吸熱ピーク後に最初に現れる変曲点でのDSC曲線の接線との交点から、ガラス転移温度を求めた。
<体積平均粒子径D50>
各粒子の体積平均粒子径D50は、レーザー回折式粒子径分布測定装置(島津製作所社製「SALD-3100」)により測定された粒子径分布において、小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径とした。
<有機粒子のコアシェル比率>
有機粒子のコアシェル比率を、以下の手順で測定した。
調製した有機粒子を、可視光硬化性樹脂(日本電子株式会社製「D-800」)に十分分散させた後、包埋し、有機粒子を含有するブロック片を得た。次に、得られたブロック片を、ダイヤモンド刃を備えたミクロトームで厚さ100nmの薄片状に切り出して、測定用試料を作製した。その後、四酸化ルテニウムを用いて測定用試料に染色処理を施した。
次に、染色処理を施した測定用試料を、透過型電子顕微鏡(日本電子社製「JEM-3100F」)にセットして、加速電圧80kVにて、有機粒子の断面構造を写真撮影した。電子顕微鏡の倍率は、視野に有機粒子1個の断面が入るように倍率を設定した。その後、撮影された有機粒子の断面構造を観察し、観察されたシェル部の構成に応じて、以下の手順で有機粒子のシェル部の平均厚みを測定した。そして、測定されたシェル部の平均厚みを有機粒子の体積平均粒子径D50で割ることにより、コアシェル比率を求めた。
<<シェル部が重合体の粒子により構成されている場合>>
有機粒子の断面構造から、シェル部を構成する重合体の粒子の最長径を測定した。シェル部を構成する重合体の粒子の最長径を、任意に選択した20個の有機粒子について測定し、その最長径の平均値をシェル部の平均厚みとした。
<<シェル部が粒子以外の形状を有している場合>>
有機粒子の断面構造から、シェル部の最大厚みを測定した。シェル部の最大厚みを、任意に選択した20個の有機粒子について測定し、その最大厚みの平均値をシェル部の平均厚みとした。
<有機粒子の被覆率>
有機粒子の被覆率を、以下の手順で測定した。
上記有機粒子のコアシェル比率の測定方法と同様にして、有機粒子の断面構造を写真撮影し、撮影された有機粒子の断面構造において、コア部の周の長さD1、および、コア部の外表面とシェル部とが当接する部分の長さD2を計測し、その有機粒子のコア部の外表面がシェル部によって覆われる割合(被覆割合)Rc(%)=(D2/D1)×100を算出した。
前記の被覆割合Rcを、任意に選択した20個の有機粒子について測定し、その平均値を、有機粒子のコア部の外表面がシェル部によって覆われる平均割合(被覆率)とした。
なお、前記の被覆割合Rcは、断面構造からマニュアルで計算することもできるが、市販の画像解析ソフトを用いて計算することもできる。市販の画像解析ソフトとして、例えば「AnalySIS Pro」(オリンパス株式会社製)を用いることができる。
<機能層用組成物の粘度>
レオメーター(アントンパール社製、「MCR502」)を用いて、温度25℃におけるせん断速度100sec-1での粘度η0および温度25℃におけるせん断速度10000sec-1での粘度η1をそれぞれ測定した。そして得られたη0、η1の値を用いて、η1に対するη0の比(η0/η1)を算出した。
<セパレータ基材およびセパレータの電解液浸漬後の空隙率>
セパレータ基材、セパレータ基材と機能層とを備えるセパレータを準備し、それらをそれぞれ60℃の電解液に24時間浸漬した後、電解液から取り出し60℃で24時間乾燥させた。
なお、電解液としては、ECとDECとVCの混合溶媒(体積混合比EC/DEC/VC=68.5/30/1.5;SP値12.7(cal/cm3)1/2)に、支持電解質としてLiPF6を1mol/Lの濃度で溶かしたものを用いた。
その後、セパレータ基材の空隙率M0およびセパレータの空隙率M1を水銀圧入法により算出した。なお、水銀圧入法による空隙率測定は以下の条件で行った。
測定装置:マイクロメリティクス社製 オートポアIV 9510型
測定範囲:φ0.003μm~400μm
水銀接触角:130°
水銀表面張力:0.485N/m
そして、空隙率変化割合MC=(M0-M1)/M0×100を算出した。
<反応性界面活性剤単量体およびマクロモノマーの数平均分子量>
反応性界面活性剤単量体およびマクロモノマーを、それぞれジメチルホルムアミドに溶解させて1%溶液を調製した。これを測定サンプルとして、標準物質にポリスチレンを用い、展開溶媒に、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用いたGPC測定を行った。
なお、GPC測定装置は、HLC-8220GPC(東ソー社製)、検出器は、HLC-8320GPCRI検出器(東ソー社製)、測定カラムは、TSKgeISuperHZM-M(東ソー社製)を用い、測定温度40℃、展開溶媒流速0.6mL/min、サンプル注入量20μlの条件で測定を行った。
<電解液浸漬後の機能層の接着性>
セパレータ基材と機能層とを備えるセパレータを準備し、幅10cm×長さ10cmの大きさで切り出し、試験片とした。この試験片を60℃の電解液に24時間浸漬した後、表面に付着した電解液を拭き取った。
なお、電解液としては、ECとDECとVCの混合溶媒(体積混合比EC/DEC/VC=68.5/30/1.5;SP値12.7(cal/cm3)1/2)に、支持電解質としてLiPF6を1mol/Lの濃度で溶かしたものを用いた。
その後、この試験片の機能層の表面にセロハンテープを貼り付けた。この際、セロハンテープとしてはJIS Z1522に規定されるものを用いた。また、セロハンテープは水平な試験台に固定しておいた。その後、セパレータの一端を鉛直上方に引張り速度50mm/分で引っ張って剥がしたときの応力を測定した。この測定を3回行い、応力の平均値を求めて、当該平均値をピール強度とした。ピール強度が大きいほど、電解液に膨潤した有機粒子の接着性が優れており、機能層が優れた接着性を発揮することを示す。
A:ピール強度が20N/m以上
B:ピール強度が15N/m以上20N/m未満
C:ピール強度が15N/m未満
<二次電池の高温サイクル特性>
製造した放電容量1000mAhの捲回型リチウムイオン二次電池を、25℃の環境下で24時間静置した。次に、25℃の環境下で、4.4V、0.1Cの充電、2.75V、0.1Cの放電にて充放電の操作を行い、初期容量C0を測定した。その後、さらに、60℃の環境下で、同様の充放電の操作を繰り返し、1000サイクル後の容量C1を測定した。そして、サイクル前後での容量維持率ΔC(%)=C1/C0×100を算出し、下記の基準で評価した。容量維持率ΔCの値が大きいほど、高温サイクル特性に優れていることを示す。
A:容量維持率ΔCが85%以上
B:容量維持率ΔCが80%以上85%未満
C:容量維持率ΔCが80%未満
<二次電池の低温出力特性>
製造した放電容量1000mAhの捲回型リチウムイオン二次電池を、25℃の環境下で24時間静置した。その後、25℃の環境下で、4.4V、0.1C、5時間の充電の操作を行い、その時の電圧V0を測定した。その後、-10℃の環境下で、1Cの放電レートにて放電の操作を行い、放電開始15秒後の電圧V1を測定した。そして、ΔV=V0-V1で示す電圧変化を求め、下記の基準で評価した。この電圧変化が小さいほど、低温出力特性に優れていることを示す。
A:電圧変化ΔVが500mV以下
B:電圧変化ΔVが500mV超700mV以下
C:電圧変化ΔVが700mV超900mV以下
D:電圧変化ΔVが900mV超
有機粒子のコア部およびシェル部の調製に使用した単量体組成物を使用し、コア部およびシェル部の重合条件と同様の重合条件で測定試料となる重合体(コア部の重合体およびシェル部の重合体)の水分散液をそれぞれ作製した。
次に、得られた水分散液を、ポリテトラフルオロエチレン製のシャーレに入れ、温度60℃で72時間乾燥した後、シャーレから取り出し100℃、20kg/cm2の条件で5分間熱プレスして、厚み0.5mmのフィルムを製造した。そして、得られたフィルムを1cm角に裁断し、試験片を得た。この試験片の重量を測定し、W0とした。また、前記試験片を電解液に温度60℃で72時間浸漬した。その後、試験片を電解液から取り出し、試験片の表面の電解液を拭き取り、浸漬後の試験片の重量W1を測定した。そして、これらの重量W0およびW1を用いて、膨潤度S(倍)を、S=W1/W0にて計算した。
なお、電解液としては、ECとDECとVCの混合溶媒(体積混合比EC/DEC/VC=68.5/30/1.5;SP値12.7(cal/cm3)1/2)に、支持電解質としてLiPF6を1mol/Lの濃度で溶かしたものを用いた。
<ガラス転移温度(Tg)>
コア部の重合体、シェル部の重合体のガラス転移温度の測定には、各重合体の調製に使用した単量体組成物を使用し、当該重合体の重合条件と同様の重合条件で、測定試料となる重合体を含む水分散液をそれぞれ作製し、当該水分散液を乾固させて得られる測定試料を使用した。
機能層用結着材のガラス転移温度の測定には、得られた機能層用結着材を含む水分散液を乾固させて得られる測定試料を使用した。
示差熱分析測定装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー社製、製品名「EXSTAR DSC6220」)を用い、上述の測定試料10mgをアルミパンに計量し、リファレンスとして空のアルミパンを用い、測定温度範囲-100℃~500℃の間で、昇温速度10℃/分、常温常湿下で、DSC曲線を測定した。この昇温過程で、微分信号(DDSC)が0.05mW/分/mg以上となるDSC曲線の吸熱ピークが出る直前のベースラインと、吸熱ピーク後に最初に現れる変曲点でのDSC曲線の接線との交点から、ガラス転移温度を求めた。
<体積平均粒子径D50>
各粒子の体積平均粒子径D50は、レーザー回折式粒子径分布測定装置(島津製作所社製「SALD-3100」)により測定された粒子径分布において、小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径とした。
<有機粒子のコアシェル比率>
有機粒子のコアシェル比率を、以下の手順で測定した。
調製した有機粒子を、可視光硬化性樹脂(日本電子株式会社製「D-800」)に十分分散させた後、包埋し、有機粒子を含有するブロック片を得た。次に、得られたブロック片を、ダイヤモンド刃を備えたミクロトームで厚さ100nmの薄片状に切り出して、測定用試料を作製した。その後、四酸化ルテニウムを用いて測定用試料に染色処理を施した。
次に、染色処理を施した測定用試料を、透過型電子顕微鏡(日本電子社製「JEM-3100F」)にセットして、加速電圧80kVにて、有機粒子の断面構造を写真撮影した。電子顕微鏡の倍率は、視野に有機粒子1個の断面が入るように倍率を設定した。その後、撮影された有機粒子の断面構造を観察し、観察されたシェル部の構成に応じて、以下の手順で有機粒子のシェル部の平均厚みを測定した。そして、測定されたシェル部の平均厚みを有機粒子の体積平均粒子径D50で割ることにより、コアシェル比率を求めた。
<<シェル部が重合体の粒子により構成されている場合>>
有機粒子の断面構造から、シェル部を構成する重合体の粒子の最長径を測定した。シェル部を構成する重合体の粒子の最長径を、任意に選択した20個の有機粒子について測定し、その最長径の平均値をシェル部の平均厚みとした。
<<シェル部が粒子以外の形状を有している場合>>
有機粒子の断面構造から、シェル部の最大厚みを測定した。シェル部の最大厚みを、任意に選択した20個の有機粒子について測定し、その最大厚みの平均値をシェル部の平均厚みとした。
<有機粒子の被覆率>
有機粒子の被覆率を、以下の手順で測定した。
上記有機粒子のコアシェル比率の測定方法と同様にして、有機粒子の断面構造を写真撮影し、撮影された有機粒子の断面構造において、コア部の周の長さD1、および、コア部の外表面とシェル部とが当接する部分の長さD2を計測し、その有機粒子のコア部の外表面がシェル部によって覆われる割合(被覆割合)Rc(%)=(D2/D1)×100を算出した。
前記の被覆割合Rcを、任意に選択した20個の有機粒子について測定し、その平均値を、有機粒子のコア部の外表面がシェル部によって覆われる平均割合(被覆率)とした。
なお、前記の被覆割合Rcは、断面構造からマニュアルで計算することもできるが、市販の画像解析ソフトを用いて計算することもできる。市販の画像解析ソフトとして、例えば「AnalySIS Pro」(オリンパス株式会社製)を用いることができる。
<機能層用組成物の粘度>
レオメーター(アントンパール社製、「MCR502」)を用いて、温度25℃におけるせん断速度100sec-1での粘度η0および温度25℃におけるせん断速度10000sec-1での粘度η1をそれぞれ測定した。そして得られたη0、η1の値を用いて、η1に対するη0の比(η0/η1)を算出した。
<セパレータ基材およびセパレータの電解液浸漬後の空隙率>
セパレータ基材、セパレータ基材と機能層とを備えるセパレータを準備し、それらをそれぞれ60℃の電解液に24時間浸漬した後、電解液から取り出し60℃で24時間乾燥させた。
なお、電解液としては、ECとDECとVCの混合溶媒(体積混合比EC/DEC/VC=68.5/30/1.5;SP値12.7(cal/cm3)1/2)に、支持電解質としてLiPF6を1mol/Lの濃度で溶かしたものを用いた。
その後、セパレータ基材の空隙率M0およびセパレータの空隙率M1を水銀圧入法により算出した。なお、水銀圧入法による空隙率測定は以下の条件で行った。
測定装置:マイクロメリティクス社製 オートポアIV 9510型
測定範囲:φ0.003μm~400μm
水銀接触角:130°
水銀表面張力:0.485N/m
そして、空隙率変化割合MC=(M0-M1)/M0×100を算出した。
<反応性界面活性剤単量体およびマクロモノマーの数平均分子量>
反応性界面活性剤単量体およびマクロモノマーを、それぞれジメチルホルムアミドに溶解させて1%溶液を調製した。これを測定サンプルとして、標準物質にポリスチレンを用い、展開溶媒に、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用いたGPC測定を行った。
なお、GPC測定装置は、HLC-8220GPC(東ソー社製)、検出器は、HLC-8320GPCRI検出器(東ソー社製)、測定カラムは、TSKgeISuperHZM-M(東ソー社製)を用い、測定温度40℃、展開溶媒流速0.6mL/min、サンプル注入量20μlの条件で測定を行った。
<電解液浸漬後の機能層の接着性>
セパレータ基材と機能層とを備えるセパレータを準備し、幅10cm×長さ10cmの大きさで切り出し、試験片とした。この試験片を60℃の電解液に24時間浸漬した後、表面に付着した電解液を拭き取った。
なお、電解液としては、ECとDECとVCの混合溶媒(体積混合比EC/DEC/VC=68.5/30/1.5;SP値12.7(cal/cm3)1/2)に、支持電解質としてLiPF6を1mol/Lの濃度で溶かしたものを用いた。
その後、この試験片の機能層の表面にセロハンテープを貼り付けた。この際、セロハンテープとしてはJIS Z1522に規定されるものを用いた。また、セロハンテープは水平な試験台に固定しておいた。その後、セパレータの一端を鉛直上方に引張り速度50mm/分で引っ張って剥がしたときの応力を測定した。この測定を3回行い、応力の平均値を求めて、当該平均値をピール強度とした。ピール強度が大きいほど、電解液に膨潤した有機粒子の接着性が優れており、機能層が優れた接着性を発揮することを示す。
A:ピール強度が20N/m以上
B:ピール強度が15N/m以上20N/m未満
C:ピール強度が15N/m未満
<二次電池の高温サイクル特性>
製造した放電容量1000mAhの捲回型リチウムイオン二次電池を、25℃の環境下で24時間静置した。次に、25℃の環境下で、4.4V、0.1Cの充電、2.75V、0.1Cの放電にて充放電の操作を行い、初期容量C0を測定した。その後、さらに、60℃の環境下で、同様の充放電の操作を繰り返し、1000サイクル後の容量C1を測定した。そして、サイクル前後での容量維持率ΔC(%)=C1/C0×100を算出し、下記の基準で評価した。容量維持率ΔCの値が大きいほど、高温サイクル特性に優れていることを示す。
A:容量維持率ΔCが85%以上
B:容量維持率ΔCが80%以上85%未満
C:容量維持率ΔCが80%未満
<二次電池の低温出力特性>
製造した放電容量1000mAhの捲回型リチウムイオン二次電池を、25℃の環境下で24時間静置した。その後、25℃の環境下で、4.4V、0.1C、5時間の充電の操作を行い、その時の電圧V0を測定した。その後、-10℃の環境下で、1Cの放電レートにて放電の操作を行い、放電開始15秒後の電圧V1を測定した。そして、ΔV=V0-V1で示す電圧変化を求め、下記の基準で評価した。この電圧変化が小さいほど、低温出力特性に優れていることを示す。
A:電圧変化ΔVが500mV以下
B:電圧変化ΔVが500mV超700mV以下
C:電圧変化ΔVが700mV超900mV以下
D:電圧変化ΔVが900mV超
(実施例1)
<有機粒子の調製>
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、有機粒子のコア部形成用として、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのメタクリル酸メチル74部、酸基含有単量体としてのメタクリル酸4部、架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート1部、反応性界面活性剤単量体としてのポリオキシアルキレンアルケニルエーテル硫酸アンモニウム(花王社製、製品名「ラテムル(登録商標)PD-104」、数平均分子量2500)1部、イオン交換水150部、および重合開始剤としての過硫酸カリウム0.5部を添加し、十分に攪拌した後、60℃に加温して重合を開始した。重合転化率が96%になった時点で、続いて、有機粒子のシェル部形成用として、芳香族ビニル単量体としてのスチレン19部と、酸基含有単量体としてのメタクリル酸1部との混合物を連続添加し、70℃に加温して重合を継続した。添加した全単量体の重合転化率が96%になった時点で、冷却し反応を停止して、有機粒子を含む水分散液を得た。
そして、得られた有機粒子の体積平均粒子径D50、コアシェル比率および被覆率を測定した。また、有機粒子を構成する重合体の電解液膨潤度およびガラス転移温度も測定した。結果を表1に示す。
<機能層用結着材の調製>
撹拌機を備えた反応器に、イオン交換水70部、乳化剤としてのラウリル硫酸ナトリウム(花王ケミカル社製、製品名「エマール2F」)0.15部、並びに過硫酸アンモニウム0.5部を、それぞれ供給し、気相部を窒素ガスで置換し、60℃に昇温した。
一方、別の容器で、イオン交換水50部、分散剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.5部、並びに、ブチルアクリレート94部、アクリロニトリル2部、メタクリル酸2部、N-メチロールアクリルアミド1部およびアリルグリシジルエーテル1部を混合して単量体混合物を得た。この単量体混合物を4時間かけて前記反応器に連続的に添加して重合を行った。添加中は、60℃で反応を行った。添加終了後、さらに70℃で3時間撹拌して反応を終了し、機能層用結着材であるアクリル系重合体を含む水分散液を調製した。
得られたアクリル系重合体の体積平均粒子径D50は0.15μm、ガラス転移温度は-35℃であった
<機能層用組成物の調製>
有機粒子を含む水分散液を固形分相当で100部、機能層用結着材としてのアクリル系重合体を含む水分散液を固形分相当で15部、表面張力調整剤(サンノプコ社製、「SN366」)1部を混合し、さらにイオン交換水を固形分濃度が30%になるように添加して、機能層用組成物を得た。得られた機能層用組成物の粘度η0、粘度η1を測定し、η0/η1を算出した。結果を表1に示す。
<機能層を備えるセパレータの作製>
セパレータ基材として、ポリエチレン製の多孔材料からなるセパレータ基材(セルガード社製、「セルガード2500」)を用意した。このセパレータ基材の空隙率M0を測定した。結果を表1に示す。
そして、用意したセパレータ基材上に、機能層用組成物をグラビア法で塗布し、50℃で1分間乾燥させた。この操作をセパレータ基材の両面に施し、セパレータ基材の両面にそれぞれ厚み0.5μmの機能層を備えるセパレータを得た。得られたセパレータを用いて、電解液浸漬後の機能層の接着性を評価した。そして得られたセパレータの空隙率M1を測定し、空隙率変化割合MCを算出した。結果を表1に示す。
<有機粒子の調製>
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、有機粒子のコア部形成用として、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのメタクリル酸メチル74部、酸基含有単量体としてのメタクリル酸4部、架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート1部、反応性界面活性剤単量体としてのポリオキシアルキレンアルケニルエーテル硫酸アンモニウム(花王社製、製品名「ラテムル(登録商標)PD-104」、数平均分子量2500)1部、イオン交換水150部、および重合開始剤としての過硫酸カリウム0.5部を添加し、十分に攪拌した後、60℃に加温して重合を開始した。重合転化率が96%になった時点で、続いて、有機粒子のシェル部形成用として、芳香族ビニル単量体としてのスチレン19部と、酸基含有単量体としてのメタクリル酸1部との混合物を連続添加し、70℃に加温して重合を継続した。添加した全単量体の重合転化率が96%になった時点で、冷却し反応を停止して、有機粒子を含む水分散液を得た。
そして、得られた有機粒子の体積平均粒子径D50、コアシェル比率および被覆率を測定した。また、有機粒子を構成する重合体の電解液膨潤度およびガラス転移温度も測定した。結果を表1に示す。
<機能層用結着材の調製>
撹拌機を備えた反応器に、イオン交換水70部、乳化剤としてのラウリル硫酸ナトリウム(花王ケミカル社製、製品名「エマール2F」)0.15部、並びに過硫酸アンモニウム0.5部を、それぞれ供給し、気相部を窒素ガスで置換し、60℃に昇温した。
一方、別の容器で、イオン交換水50部、分散剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.5部、並びに、ブチルアクリレート94部、アクリロニトリル2部、メタクリル酸2部、N-メチロールアクリルアミド1部およびアリルグリシジルエーテル1部を混合して単量体混合物を得た。この単量体混合物を4時間かけて前記反応器に連続的に添加して重合を行った。添加中は、60℃で反応を行った。添加終了後、さらに70℃で3時間撹拌して反応を終了し、機能層用結着材であるアクリル系重合体を含む水分散液を調製した。
得られたアクリル系重合体の体積平均粒子径D50は0.15μm、ガラス転移温度は-35℃であった
<機能層用組成物の調製>
有機粒子を含む水分散液を固形分相当で100部、機能層用結着材としてのアクリル系重合体を含む水分散液を固形分相当で15部、表面張力調整剤(サンノプコ社製、「SN366」)1部を混合し、さらにイオン交換水を固形分濃度が30%になるように添加して、機能層用組成物を得た。得られた機能層用組成物の粘度η0、粘度η1を測定し、η0/η1を算出した。結果を表1に示す。
<機能層を備えるセパレータの作製>
セパレータ基材として、ポリエチレン製の多孔材料からなるセパレータ基材(セルガード社製、「セルガード2500」)を用意した。このセパレータ基材の空隙率M0を測定した。結果を表1に示す。
そして、用意したセパレータ基材上に、機能層用組成物をグラビア法で塗布し、50℃で1分間乾燥させた。この操作をセパレータ基材の両面に施し、セパレータ基材の両面にそれぞれ厚み0.5μmの機能層を備えるセパレータを得た。得られたセパレータを用いて、電解液浸漬後の機能層の接着性を評価した。そして得られたセパレータの空隙率M1を測定し、空隙率変化割合MCを算出した。結果を表1に示す。
<負極の調製>
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、1,3-ブタジエン33部、イタコン酸3.5部、スチレン63.5部、乳化剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.4部、イオン交換水150部および重合開始剤としての過硫酸カリウム0.5部を入れ、十分に攪拌した後、50℃に加温して重合を開始した。重合転化率が96%になった時点で冷却して反応を停止して、負極合材層用の粒子状結着材(SBR)を含む混合物を得た。上記粒子状結着材を含む混合物に、5%水酸化ナトリウム水溶液を添加して、pH8に調整後、加熱減圧蒸留によって未反応単量体の除去を行った。その後、30℃以下まで冷却し、所望の粒子状結着材を含む水分散液を得た。
次に、負極活物質としての人造黒鉛(体積平均粒子径D50:15.6μm)100部、水溶性重合体としてのカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(日本製紙社製、「MAC350HC」)の2%水溶液を固形分相当で1部、および、イオン交換水を混合して固形分濃度が68%となるように調整した後、25℃で60分間混合した。次いで、固形分濃度が62%となるようにイオン交換水で調整し、さらに25℃で15分間混合した。その後、得られた混合液に、前述の粒子状結着材を含む水分散液を固形分相当で1.5部、およびイオン交換水を入れ、最終固形分濃度が52%となるように調整し、さらに10分間混合した。これを減圧下で脱泡処理し、流動性の良い負極用スラリー組成物を得た。
そして、前述のようにして得られた負極用スラリー組成物を、コンマコーターで、集電体である厚さ20μmの銅箔の上に、乾燥後の膜厚が150μm程度になるように塗布し、乾燥させた。この乾燥は、銅箔を0.5m/分の速度で60℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより行った。その後、120℃にて2分間加熱処理してプレス前の負極原反を得た。このプレス前の負極原反をロールプレスで圧延して、負極合材層の厚さが80μmのプレス後の負極を得た。
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、1,3-ブタジエン33部、イタコン酸3.5部、スチレン63.5部、乳化剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.4部、イオン交換水150部および重合開始剤としての過硫酸カリウム0.5部を入れ、十分に攪拌した後、50℃に加温して重合を開始した。重合転化率が96%になった時点で冷却して反応を停止して、負極合材層用の粒子状結着材(SBR)を含む混合物を得た。上記粒子状結着材を含む混合物に、5%水酸化ナトリウム水溶液を添加して、pH8に調整後、加熱減圧蒸留によって未反応単量体の除去を行った。その後、30℃以下まで冷却し、所望の粒子状結着材を含む水分散液を得た。
次に、負極活物質としての人造黒鉛(体積平均粒子径D50:15.6μm)100部、水溶性重合体としてのカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(日本製紙社製、「MAC350HC」)の2%水溶液を固形分相当で1部、および、イオン交換水を混合して固形分濃度が68%となるように調整した後、25℃で60分間混合した。次いで、固形分濃度が62%となるようにイオン交換水で調整し、さらに25℃で15分間混合した。その後、得られた混合液に、前述の粒子状結着材を含む水分散液を固形分相当で1.5部、およびイオン交換水を入れ、最終固形分濃度が52%となるように調整し、さらに10分間混合した。これを減圧下で脱泡処理し、流動性の良い負極用スラリー組成物を得た。
そして、前述のようにして得られた負極用スラリー組成物を、コンマコーターで、集電体である厚さ20μmの銅箔の上に、乾燥後の膜厚が150μm程度になるように塗布し、乾燥させた。この乾燥は、銅箔を0.5m/分の速度で60℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより行った。その後、120℃にて2分間加熱処理してプレス前の負極原反を得た。このプレス前の負極原反をロールプレスで圧延して、負極合材層の厚さが80μmのプレス後の負極を得た。
<正極の調製>
正極活物質としてのLiCoO2(体積平均粒子径D50:12μm)を100部、導電材としてのアセチレンブラック(電気化学工業社製「HS-100」)を2部、正極合材層用の粒子状結着材としてのポリフッ化ビニリデン(クレハ社製、#7208)を固形分相当で2部と、N-メチルピロリドンとを混合し、全固形分濃度を70%とした。これらをプラネタリーミキサーにより混合し、正極用スラリー組成物を調製した。
前述のようにして得られた正極用スラリー組成物を、コンマコーターで、集電体である厚さ20μmのアルミ箔の上に、乾燥後の膜厚が150μm程度になるように塗布し、乾燥させた。この乾燥は、アルミ箔を0.5m/分の速度で60℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより行った。その後、120℃にて2分間加熱処理して、正極原反を得た。このプレス前の正極原反をロールプレスで圧延して、正極合材層の厚さが80μmのプレス後の正極を得た。
正極活物質としてのLiCoO2(体積平均粒子径D50:12μm)を100部、導電材としてのアセチレンブラック(電気化学工業社製「HS-100」)を2部、正極合材層用の粒子状結着材としてのポリフッ化ビニリデン(クレハ社製、#7208)を固形分相当で2部と、N-メチルピロリドンとを混合し、全固形分濃度を70%とした。これらをプラネタリーミキサーにより混合し、正極用スラリー組成物を調製した。
前述のようにして得られた正極用スラリー組成物を、コンマコーターで、集電体である厚さ20μmのアルミ箔の上に、乾燥後の膜厚が150μm程度になるように塗布し、乾燥させた。この乾燥は、アルミ箔を0.5m/分の速度で60℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより行った。その後、120℃にて2分間加熱処理して、正極原反を得た。このプレス前の正極原反をロールプレスで圧延して、正極合材層の厚さが80μmのプレス後の正極を得た。
<リチウムイオン二次電池の製造>
上記で得られたプレス後の正極を49cm×5cmに切り出して正極合材層側の表面が上側になるように置き、その上に55cm×5.5cmに切り出した両面に機能層を備えるセパレータを配置した。さらに、上記で得られたプレス後の負極を、50cm×5.2cmに切り出し、これをセパレータ上に、負極合材層側の表面がセパレータに向かい合うよう配置した。これを捲回機により、捲回し、捲回体を得た。この捲回体を60℃、0.5MPaでプレスし、扁平体とし、電池の外装としてのアルミ包材外装で包み、電解液(溶媒:EC/DEC/VC(体積混合比)=68.5/30/1.5、電解質:濃度1MのLiPF6)を空気が残らないように注入した。さらに、アルミ包材外装の開口を密封するために、150℃のヒートシールをしてアルミ包材外装を閉口し、非水系二次電池として放電容量1000mAhの捲回型リチウムイオン二次電池を製造した。
得られたリチウムイオン二次電池を用いて、低温出力特性および高温サイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
上記で得られたプレス後の正極を49cm×5cmに切り出して正極合材層側の表面が上側になるように置き、その上に55cm×5.5cmに切り出した両面に機能層を備えるセパレータを配置した。さらに、上記で得られたプレス後の負極を、50cm×5.2cmに切り出し、これをセパレータ上に、負極合材層側の表面がセパレータに向かい合うよう配置した。これを捲回機により、捲回し、捲回体を得た。この捲回体を60℃、0.5MPaでプレスし、扁平体とし、電池の外装としてのアルミ包材外装で包み、電解液(溶媒:EC/DEC/VC(体積混合比)=68.5/30/1.5、電解質:濃度1MのLiPF6)を空気が残らないように注入した。さらに、アルミ包材外装の開口を密封するために、150℃のヒートシールをしてアルミ包材外装を閉口し、非水系二次電池として放電容量1000mAhの捲回型リチウムイオン二次電池を製造した。
得られたリチウムイオン二次電池を用いて、低温出力特性および高温サイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
(実施例2、3、10および11)
有機粒子を含む水分散液の調製時に、有機粒子のコア部形成用として添加した単量体の割合を表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
有機粒子を含む水分散液の調製時に、有機粒子のコア部形成用として添加した単量体の割合を表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例4)
有機粒子を含む水分散液の調製時に、有機粒子のコア部およびシェル部形成用として添加した単量体の割合を表1に示すように変更し、コア部形成の際に乳化剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリムを1部使用したこと以外は、実施例1と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
有機粒子を含む水分散液の調製時に、有機粒子のコア部およびシェル部形成用として添加した単量体の割合を表1に示すように変更し、コア部形成の際に乳化剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリムを1部使用したこと以外は、実施例1と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例5、6)
有機粒子を含む水分散液の調製時に、有機粒子のシェル部形成用として添加した反応性界面活性剤単量体としてのポリオキシアルキレンアルケニルエーテル硫酸アンモニウム1部に替えて、それぞれマクロモノマーとして、メチルメタクリレートマクロモノマー(東亞合成社製、「AA-6」、数平均分子量6000)1部、ポリカプロラクトン変性ヒドロキシアルキルアクリレート(ダイセル社製、「プラクセル(登録商標)FA5」、分子量689)1部を使用したこと以外は、実施例4と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
有機粒子を含む水分散液の調製時に、有機粒子のシェル部形成用として添加した反応性界面活性剤単量体としてのポリオキシアルキレンアルケニルエーテル硫酸アンモニウム1部に替えて、それぞれマクロモノマーとして、メチルメタクリレートマクロモノマー(東亞合成社製、「AA-6」、数平均分子量6000)1部、ポリカプロラクトン変性ヒドロキシアルキルアクリレート(ダイセル社製、「プラクセル(登録商標)FA5」、分子量689)1部を使用したこと以外は、実施例4と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例7、8)
有機粒子を含む水分散液の調製時に、有機粒子のコア部形成用として添加した単量体の割合を表1に示すように変更し、コア部形成の際に乳化剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリムを1部使用し、そして機能層用組成物の調製時に、水溶性重合体としてカルボン酸基が導入されたアクリルアミド重合体(荒川化学社製、「ポリストロン(登録商標)117」)を含む水溶液を固形分相当でそれぞれ0.2部、3部添加したこと以外は、実施例1と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
有機粒子を含む水分散液の調製時に、有機粒子のコア部形成用として添加した単量体の割合を表1に示すように変更し、コア部形成の際に乳化剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリムを1部使用し、そして機能層用組成物の調製時に、水溶性重合体としてカルボン酸基が導入されたアクリルアミド重合体(荒川化学社製、「ポリストロン(登録商標)117」)を含む水溶液を固形分相当でそれぞれ0.2部、3部添加したこと以外は、実施例1と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例9)
機能層用組成物の調製時に、水溶性重合体として、カルボン酸基が導入されたアクリルアミド重合体に替えてカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(日本製紙社製、「MAC800LC」)を含む水溶液を固形分相当で0.2部添加したこと以外は、実施例7と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
機能層用組成物の調製時に、水溶性重合体として、カルボン酸基が導入されたアクリルアミド重合体に替えてカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(日本製紙社製、「MAC800LC」)を含む水溶液を固形分相当で0.2部添加したこと以外は、実施例7と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例12)
有機粒子を含む水分散液の調製時に、有機粒子のシェル部形成用として添加した単量体の割合を表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
有機粒子を含む水分散液の調製時に、有機粒子のシェル部形成用として添加した単量体の割合を表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
(比較例1)
有機粒子を含む水分散液の調製時に、有機粒子のシェル部形成用として添加した単量体の割合を表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
有機粒子を含む水分散液の調製時に、有機粒子のシェル部形成用として添加した単量体の割合を表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
(比較例2)
有機粒子を含む水分散液の調製時に、有機粒子のコア部形成用として添加した単量体の割合を表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
有機粒子を含む水分散液の調製時に、有機粒子のコア部形成用として添加した単量体の割合を表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
(比較例3)
有機粒子を含む水分散液の調製時に、有機粒子のシェル部形成用として添加した単量体の割合を表1に示すように変更したこと以外は、実施例5と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
有機粒子を含む水分散液の調製時に、有機粒子のシェル部形成用として添加した単量体の割合を表1に示すように変更したこと以外は、実施例5と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
(比較例4)
機能層用組成物の調製時に、水溶性重合体としてカルボン酸基が導入されたアクリルアミド重合体を含む水溶液を固形分相当で7部添加したこと以外は、比較例3と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
機能層用組成物の調製時に、水溶性重合体としてカルボン酸基が導入されたアクリルアミド重合体を含む水溶液を固形分相当で7部添加したこと以外は、比較例3と同様にして、有機粒子、機能層用結着材、機能層用組成物、機能層を備えるセパレータ、負極、正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
なお、以下に示す表1中、
「MMA」は、メタクリル酸メチルを示し、
「MAA」は、メタクリル酸を示し、
「EDMA」は、エチレングリコールジメタクリレートを示し、
「PD-104」は、花王社製 ラテムルPD-104を示し、
「SDBS」は、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを示し、
「ST」は、スチレンを示し、
「AN」は、アクリルニトリルを示し、
「AA-6」は、東亞合成社製 AA-6を示し、
「FA5」は、ダイセル社製 プラクセルFA5を示し、
「ACL」は、アクリル系重合体を示し、
「ポリストロン」は、荒川化学社製 ポリストロン117を示し、
「CMC」は、日本製紙社製 MAC800LCを示し、
「PE」はポリエチレンを示す。
「MMA」は、メタクリル酸メチルを示し、
「MAA」は、メタクリル酸を示し、
「EDMA」は、エチレングリコールジメタクリレートを示し、
「PD-104」は、花王社製 ラテムルPD-104を示し、
「SDBS」は、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを示し、
「ST」は、スチレンを示し、
「AN」は、アクリルニトリルを示し、
「AA-6」は、東亞合成社製 AA-6を示し、
「FA5」は、ダイセル社製 プラクセルFA5を示し、
「ACL」は、アクリル系重合体を示し、
「ポリストロン」は、荒川化学社製 ポリストロン117を示し、
「CMC」は、日本製紙社製 MAC800LCを示し、
「PE」はポリエチレンを示す。
上述の表1の実施例1~12および比較例1~4より、所定の範囲内の電解液膨潤度を有する重合体によりそれぞれ形成されたコア部とシェル部とからなる、所定のコアシェル構造を有する有機粒子と機能層用結着材を含み、η0およびη0/η1の値が所定の範囲内である機能層用組成物を使用し、また、所定の範囲内の電解液膨潤度を有する重合体によりそれぞれ形成されたコア部とシェル部とからなる、所定のコアシェル構造を有する有機粒子と機能層用結着材を含み、M0およびMCが所定の範囲内である機能層をセパレータ基材上に備えるセパレータを使用した実施例1~12では、電解液浸漬後において機能層が良好な接着性を発揮し、また、二次電池が優れた高温サイクル特性および低温出力特性を発揮できていることが分かる。
また、上述の表1の実施例1~3、10、11より、有機粒子のコア部の組成を変更することで、機能層の接着性、並びに二次電池の高温サイクル特性および低温出力特性を向上させ得ることがわかる。
さらに、上述の表1の実施例1、4より、界面活性剤単量体単位を有機粒子のコア部に導入することにより、シェル部に導入した場合に比して二次電池の低温出力特性を向上させ得ることがわかる。
加えて、上述の表1の実施例1、5、6より、界面活性剤単量体単位を有機粒子のコア部に導入することにより、シェル部にマクロモノマー構造単位を導入した場合に比して二次電池の高温サイクル特性を向上させ得ることがわかる。
そして、上述の表1の実施例1、7、8、9より、水溶性重合体を用いることで、機能層の接着性、並びに二次電池の高温サイクル特性および低温出力特性を低下させる虞があることがわかる。
また、上述の表1の実施例1、12より、有機粒子のシェル部の組成を変更することで、機能層の接着性、並びに二次電池の高温サイクル特性および低温出力特性を向上させ得ることがわかる。
また、上述の表1の実施例1~3、10、11より、有機粒子のコア部の組成を変更することで、機能層の接着性、並びに二次電池の高温サイクル特性および低温出力特性を向上させ得ることがわかる。
さらに、上述の表1の実施例1、4より、界面活性剤単量体単位を有機粒子のコア部に導入することにより、シェル部に導入した場合に比して二次電池の低温出力特性を向上させ得ることがわかる。
加えて、上述の表1の実施例1、5、6より、界面活性剤単量体単位を有機粒子のコア部に導入することにより、シェル部にマクロモノマー構造単位を導入した場合に比して二次電池の高温サイクル特性を向上させ得ることがわかる。
そして、上述の表1の実施例1、7、8、9より、水溶性重合体を用いることで、機能層の接着性、並びに二次電池の高温サイクル特性および低温出力特性を低下させる虞があることがわかる。
また、上述の表1の実施例1、12より、有機粒子のシェル部の組成を変更することで、機能層の接着性、並びに二次電池の高温サイクル特性および低温出力特性を向上させ得ることがわかる。
本発明によれば、電解液浸漬後において優れた接着性を発揮して二次電池に優れた電池特性をもたらすことができる機能層を形成可能な非水系二次電池機能層用組成物を提供することができる。
また、本発明によれば、電解液浸漬後において機能層を介して電極と強固に密着しつつ、非水系二次電池に優れた電池特性を発揮させうる非水系二次電池用セパレータを提供することができる。
さらに、本発明によれば、電池特性に優れる非水系二次電池を提供することができる。
また、本発明によれば、電解液浸漬後において機能層を介して電極と強固に密着しつつ、非水系二次電池に優れた電池特性を発揮させうる非水系二次電池用セパレータを提供することができる。
さらに、本発明によれば、電池特性に優れる非水系二次電池を提供することができる。
100 有機粒子
110 コア部
110S コア部の外表面
120 シェル部
110 コア部
110S コア部の外表面
120 シェル部
Claims (9)
- 有機粒子および機能層用結着材を含む非水系二次電池機能層用組成物であって、
前記有機粒子が、コア部と、前記コア部の外表面を部分的に覆うシェル部とを備えるコアシェル構造を有しており、
前記コア部が、電解液膨潤度が5倍以上30倍以下の重合体からなり、
前記シェル部が、電解液膨潤度が1倍超4倍以下の重合体からなり、
そして、せん断速度100sec-1での粘度η0が10mPa・s以上100mPa・s以下であり、且つせん断速度10000sec-1での粘度η1に対する前記η0の比が1以上5以下であることを特徴とする、非水系二次電池機能層用組成物。 - 前記コア部の重合体のガラス転移温度が、-50℃以上150℃以下であり、前記シェル部の重合体のガラス転移温度が、50℃以上200℃以下である、請求項1に記載の非水系二次電池機能層用組成物。
- 前記コア部の重合体が、反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の少なくとも一方を含む、請求項1又は2に記載の非水系二次電池機能層用組成物。
- 前記シェル部の重合体が、反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の少なくとも一方を含む、請求項1~3の何れかに記載の非水系二次電池機能層用組成物。
- セパレータ基材と、前記セパレータ基材の少なくとも一方の表面上に、有機粒子および機能層用結着材を含む機能層とを備えてなる非水系二次電池用セパレータであって、
前記有機粒子が、コア部と、前記コア部の外表面を部分的に覆うシェル部とを備えるコアシェル構造を有しており、
前記コア部が、電解液に対する膨潤度が5倍以上30倍以下の重合体からなり、
前記シェル部が、電解液に対する膨潤度が1倍超4倍以下の重合体からなり、
そして、前記セパレータ基材の電解液浸漬後の空隙率M0と、前記非水系二次電池用セパレータの電解液浸漬後の空隙率M1とから以下の式(1)で算出される空隙率変化割合MCが5%以上50%以下であることを特徴とする、非水系二次電池用セパレータ。
MC=(M0-M1)/M0×100 ・・・(1) - 前記コア部の重合体のガラス転移温度が、-50℃以上150℃以下であり、前記シェル部の重合体のガラス転移温度が、50℃以上200℃以下である、請求項5に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 前記コア部の重合体が、反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の少なくとも一方を含む、請求項5又は6に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 前記シェル部の重合体が、反応性界面活性剤単量体単位およびマクロモノマー構造単位の少なくとも一方を含む、請求項5~7の何れかに記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 請求項5~8の何れかに記載の非水系二次電池用セパレータを備える、非水系二次電池。
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