WO2021235511A1 - 非水電解質二次電池電極用結合剤、水溶液、非水電解質二次電池用電極組成物および非水電解質二次電池用電極 - Google Patents
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Definitions
- Examples of the medium mill include a vibration ball mill and the like.
- the particle size of carboxymethyl cellulose or a salt thereof is preferably small. That is, the value of 100% volume cumulative particle size (hereinafter sometimes referred to as "maximum particle size" in the present specification) measured by a laser diffraction / scattering type particle size distribution meter using methanol as a dispersion medium is less than 100 ⁇ m. It is more desirable, more preferably less than 50 ⁇ m, and even more preferably less than 45 ⁇ m. If the maximum particle size of carboxymethyl cellulose or a salt thereof is too large, the amount of undissolved matter in the aqueous solution of carboxymethyl cellulose or a salt thereof tends to increase.
- the carboxymethyl cellulose or a salt thereof may be subjected to a granulation treatment.
- the maximum particle size of carboxymethyl cellulose or its salt may be larger than the above value by performing the granulation treatment, but the maximum particle size of carboxymethyl cellulose or its salt before the granulation treatment shall be less than the above value. Is preferable.
- the lower limit of the maximum particle size is not particularly limited. The smaller it is, the more preferable it is, and it may be more than 0.
- the cumulative 50% particle size (hereinafter referred to as the average particle size) of carboxymethyl cellulose or a salt thereof measured by a laser diffraction / scattering particle size distribution meter using methanol as a dispersion medium is usually 30 ⁇ m or less, and 20 ⁇ m or less. It is preferably 15 ⁇ m or less, and more preferably 15 ⁇ m or less.
- the lower limit of the average particle size is not particularly limited, but is usually 5 ⁇ m or more, preferably 10 ⁇ m or more, and more preferably 12 ⁇ m or more.
- the timing of the above classification is not particularly limited, and it may be provided during the pulverization treatment or after the completion of the pulverization treatment. good.
- a stable oxide film can be formed on the surface of the negative electrode material such as SiOx, decomposition of the electrolytic solution is suppressed, and the SEI film (Solid Electrolyte. Interface) does not become excessively thick on the electrode surface. It is presumed that it will lead to the effect of improving battery characteristics.
- the saturated carboxylic acid when a saturated carboxylic acid lithium salt having 6 or less carbon atoms is used, the saturated carboxylic acid can exhibit neutrality or weak alkalinity when added to the electrode composition.
- the saturated carboxylic acid When the saturated carboxylic acid is not in the state of a lithium salt, the electrode composition that becomes an aqueous solution becomes strongly acidic, so that the viscosity of the electrode composition decreases and the polarity is unevenly distributed. It is not preferable because unevenness is generated when applying.
- the saturated carboxylic acid having 6 or less carbon atoms is a lithium salt, impurities are less mixed when using a lithium-based active material, so that it becomes easier to exhibit electrical performance.
- the electrode binder for a non-aqueous secondary battery of the present invention preferably satisfies the following condition (I) or condition (II).
- the aqueous solution of such an electrode binder preferably has a pH in the range of 1 to 8, more preferably in the range of pH 2 to 8, further preferably in the range of pH 3 to 8, and even more preferably in the range of pH 6 to 8.
- the range of 8 is particularly preferable. If the pH of the aqueous solution is biased toward the acidic side, the viscosity expected of the aqueous solution is less likely to be exhibited. Therefore, when the pH is in the range of 6 to 8, an aqueous solution having a particularly good balance between viscosity and solubility and excellent coatability can be obtained.
- the electrode binder of the present invention may constitute an electrode composition together with the active material of the electrode.
- the properties of the electrode composition are not particularly limited, and may be in the form of a slurry or a paste.
- the content of carboxymethyl cellulose or a salt thereof in the electrode composition is preferably 0.1 to 4.0% by mass with respect to the entire electrode composition.
- Negative electrode active materials include graphite materials such as graphite (natural graphite, artificial graphite), coke, and carbon fibers; elements capable of forming alloys with lithium, such as Al, Si, Sn, Ag, Elements such as Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Ti; compounds containing elements capable of forming alloys with the lithium; elements capable of forming alloys with the lithium and the compounds. Alloys containing carbon and / or the graphite material; lithium-containing nitrides can be used. Of these, a graphite material and / or a silicon-based compound is preferable, a graphite and / or a silicon-based compound is more preferable, and at least a silicon-based compound is preferably contained.
- LiMn 2 O 4 system, LiCoO 2 system, and LiNiO 2 system positive electrode active material examples include compounds in which LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , LiMn 2 O 4, LiCoO 2 , and LiNiO 2 are the main skeletons and substituted with various metal elements. Will be done.
- the LiMn 2 O 4 series, LiCo O 2 series, and LiNiO 2 series positive electrode active materials have excellent performance as positive electrode active materials such as excellent diffusion performance of electrons and lithium ions, and therefore have high charge / discharge efficiency and good cycle characteristics. A lithium ion secondary battery having the above can be obtained.
- the LiCoO 2 based positive electrode active material is preferable, and LiCoO 2 is more preferable.
- the content of the active material in the electrode composition is usually 90 to 99% by mass, preferably 91 to 99% by mass, and more preferably 92 to 99% by mass.
- the electrode composition may contain a binder other than an aqueous solution of carboxymethyl cellulose or a salt thereof.
- the binder in the case of the electrode composition for the negative electrode include synthetic rubber-based binders.
- synthetic rubber-based binder one or more selected from the group consisting of styrene butadiene rubber (SBR), nitrile butadiene rubber, methyl methacrylate butadiene rubber, chloroprene rubber, carboxy-modified styrene butadiene rubber and latex of these synthetic rubbers is used. can. Of these, styrene-butadiene rubber (SBR) is preferable.
- polytetrafluoroethylene PTFE
- PTFE polytetrafluoroethylene
- the content of the binder in the electrode composition is usually 1 to 10% by mass, preferably 1 to 6% by mass, and more preferably 1 to 2% by mass.
- the manufacturing conditions of the electrode composition are not particularly limited.
- other components constituting the electrode composition are added to an aqueous solution of carboxymethyl cellulose or a salt thereof, and if necessary, they are mixed with stirring.
- the properties of the electrode composition are also not particularly limited.
- liquid, paste, slurry and the like can be mentioned, and any of them may be used.
- the electrode composition is used in the manufacture of electrodes for non-aqueous electrolyte secondary batteries.
- the electrode for the non-aqueous electrolyte secondary battery may be manufactured by a method of laminating the electrode composition on a current collector base material (current collector). Examples of the laminating method include blade coating, bar coating, and die coating, and blade coating is preferable. For example, in the case of blade coating, a method of casting the electrode composition on a current collector substrate using a coating device such as a doctor blade is exemplified.
- the laminating method is not limited to the above specific example, and a method of ejecting and applying the electrode composition from an extrusion type injector having a slot nozzle onto a current collecting base material which is wound around a backup roll and travels.
- a method of ejecting and applying the electrode composition from an extrusion type injector having a slot nozzle onto a current collecting base material which is wound around a backup roll and travels Is also exemplified.
- the blade coating after casting, drying by heating (temperature is, for example, 80 to 120 ° C., heating time is, for example, 4 to 12 hours) or the like, and pressurization by a roll press or the like can be performed as needed.
- the shape of the electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery formed by the electrode composition is not particularly limited, but is usually in the form of a sheet.
- the thickness of the sheet-shaped electrode plate is appropriately selected depending on the composition of the composition, the production conditions, and the like. Although it is difficult to specify it uniquely, it is usually 30 to 150 ⁇ m.
- Carboxymethylated cellulose or a salt thereof was measured in a 1000 mL glass beaker and dispersed in 900 mL of distilled water to prepare an aqueous dispersion having a solid content of 1% (w / v).
- the aqueous dispersion was stirred at 25 ° C. using a stirrer at 600 rpm for 3 hours.
- a B-type viscometer manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd. was used to obtain No.
- the viscosity after 3 minutes was measured at 1 rotor / rotation speed of 30 rpm.
- the maximum particle size and the average particle size of carboxymethyl cellulose were measured by a laser diffraction / scattering type particle size distribution meter (Microtrac Model-9220-SPA, manufactured by Nikkiso Co., Ltd.).
- the maximum particle size is a value of a volume cumulative 100% particle size
- the average particle size is a value of a volume cumulative 50% particle size.
- the sample was dispersed in methanol and then ultrasonically treated for at least 1 minute. In Examples 2 and 10, the maximum particle size and the average particle size were not measured.
- solubility of electrode binder dissolved in aqueous solution was measured by measuring 100% by mass of organic acid with respect to carboxymethyl cellulose and carboxymethyl cellulose in a 300 mL glass beaker, and the solid content concentration of carboxymethyl cellulose was 2% (w / v). ) was added to obtain an aqueous dispersion of the binder for the electrode.
- the aqueous dispersion was stirred at 25 ° C. using a stirrer at 500 rpm for 1 hour.
- stepchildren of commercially available carboxymethyl cellulose dissolved powder in the form of agglomerates
- solubility was evaluated according to the following criteria. A: No stepchildren are generated and the solubility is good. B: Stepchildren are generated and the solubility is inferior.
- ⁇ pH of electrode binder dissolved in aqueous solution The pH (hydrogen ion index) of the electrode binder dissolved in the aqueous solution was measured at a temperature of 25 ° C. with a glass electrode pH meter (“HM-30P” manufactured by Toa DKK). This measurement was carried out for Examples 8 to 10.
- ⁇ Viscosity of electrode binder dissolved in aqueous solution The viscosity of the electrode binder dissolved in the aqueous solution was determined by using a B-type viscometer (manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.) using the above-mentioned aqueous dispersion of the electrode binder in the same manner as carboxymethylated cellulose. The viscosity after 3 minutes was measured at 1 rotor / rotation speed of 30 rpm.
- Electrode binders 8 to 11 obtained in Examples 8 to 10 and Comparative Example 1 were evaluated as follows.
- the obtained films 1 to 4 were allowed to stand in a room where the room temperature was 23 degrees and the humidity was 50%, respectively, and the humidity was adjusted all day and night. A test was conducted. The test was carried out under the conditions of a distance between samples of 5 cm and a speed of 1 cm / min, and an elongation rate correlated with the coating film strength was obtained.
- the electrode compositions were evaluated as follows using the electrode binders 1 to 3 and 6 to 11 obtained in Examples and Comparative Examples.
- the constant current of the discharge process was performed at 0.2 C, and the discharge capacity (mAh / g) after one cycle after the discharge was measured.
- the constant current of the discharge process was set as follows, and the discharge capacity (mAh / g) was measured after each cycle of discharge. (Constant current of discharge processing in each cycle) 2 to 10 cycles: Constant current 0.2C for discharge processing 11 to 20 cycles: constant current 1C for discharge processing 21 cycles: Constant current 0.2C for discharge processing 22-31 cycles: constant current 2C for discharge processing 32 cycles: Constant current 0.2C for discharge processing 33-42 cycles: constant current 3C for discharge processing 43-52 cycles: constant current 0.2C for discharge processing
- Example 1 Preparation of binder for electrodes> To a biaxial kneader whose rotation speed was adjusted to 100 rpm, 2720 g of isopropyl alcohol, 170 g of sodium monochloroacetate and 58 g of sodium hydroxide dissolved in 480 g of water were added, and the linter pulp was dried at 30 ° C. for 60 minutes by the dry weight. I prepared 160g. After stirring and mixing at 30 ° C. for 90 minutes to prepare mercerized cellulose, the temperature was raised to 70 ° C. and a carboxymethylation reaction was carried out for 90 minutes.
- CMC1 carboxymethyl cellulose
- citric acid manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.
- sodium carboxymethyl cellulose salt and sodium carboxytyl cellulose salt was measured in a 300 mL glass beaker, and the solid content concentration of carboxymethyl cellulose was 2% ().
- Distilled water was added so as to be w / v) to prepare an aqueous dispersion.
- the aqueous dispersion was stirred at 25 ° C. using a stirrer at 500 rpm for 1 hour to obtain an electrode binder 1.
- This slurry was applied to a copper foil (manufactured by Furukawa Electric Co., Ltd., NC-WS) having a length of 320 mm, a width of 170 mm, and a thickness of 17 ⁇ m with an applicator, air-dried for 30 minutes, and then dried at 60 ° C. for 30 minutes in a dryer. .. Further, using a small tabletop roll press (SA-602 manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd.), press under the conditions of 5 kN and roll peripheral speed of 50 m / min, and a negative electrode with a basis weight of 62.9 g / m 2 and an effective discharge capacity of 330 mAh / g. I got a plate 1.
- SA-602 manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd.
- a separator (polypropylene separator with a thickness of 20 ⁇ m manufactured by CS Tech) was punched out so as to have a circular shape with a diameter of 17 mm, and vacuum dried at 60 ° C. for 12 hours.
- the negative electrode plate 1 is placed in a stainless steel circular dish-shaped container with a diameter of 20.0 mm, then a separator, a positive electrode plate, a spacer (diameter 15.5 mm, thickness 1 mm), and a stainless steel washer (manufactured by Hosen Co., Ltd.).
- a separator a positive electrode plate
- a spacer spacer
- a stainless steel washer manufactured by Hosen Co., Ltd.
- Example 2 To a biaxial kneader whose rotation speed was adjusted to 100 rpm, 170 g of sodium monochloroacetate and 58 g of sodium hydroxide dissolved in 480 g of water were added, and softwood pulp (NDP-T manufactured by Nippon Paper Industries, Ltd.) was added at 30 ° C. for 60 minutes. 160 g was charged by the dry weight when dried. Mercerized cellulose was prepared by stirring and mixing at 30 ° C. for 90 minutes. Further, 2720 g of isopropyl alcohol was added with stirring, and after stirring for 30 minutes, the temperature was raised to 70 ° C. and a carboxymethylation reaction was carried out for 90 minutes.
- NDP-T manufactured by Nippon Paper Industries, Ltd.
- the mixture was neutralized with acetic acid to a pH of about 7, deflated, dried, and pulverized to have a carboxymethyl substitution degree of 0.80, and a 1% by mass aqueous solution measured with a B-type viscometer at 25 ° C.
- a sodium salt of carboxymethyl cellulose having a viscosity of 17,260 mPa ⁇ s was obtained.
- the above-mentioned sodium carboxymethyl cellulose salt and 100% by mass of citric acid (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were measured in a 300 mL glass beaker with respect to the sodium carboxymethyl cellulose salt, and the solid content concentration of carboxymethyl cellulose was 2% (w).
- Distilled water was added so as to be / v) to prepare an aqueous dispersion.
- the aqueous dispersion was stirred at 25 ° C. using a stirrer at 500 rpm for 1 hour to obtain an electrode binder 2.
- a slurry, a negative electrode plate, and a coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery were produced in the same manner as in Example 1 except that the electrode binder 2 was used instead of the electrode binder 1.
- Example 3 Commercially available carboxymethyl cellulose (1 mass% aqueous solution with B-type viscosity at 25 ° C of 4,700 mPa ⁇ s, carboxymethyl substitution degree 0.70, Nippon Paper Chemicals Co., Ltd. trade name “Sunrose”) ”) and carboxymethyl cellulose Weigh 100% by mass of citric acid (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemicals Co., Ltd.) in a 300 mL glass beaker, add distilled water so that the solid content concentration of carboxymethyl cellulose becomes 2% (w / v), and disperse the water. The body was prepared.
- a slurry, a negative electrode plate, and a coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery were produced in the same manner as in Example 1 except that the electrode binder 3 was used instead of the electrode binder 1.
- Example 4 An electrode binder 4 was obtained in the same manner as in Example 1 except that malic acid (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of citric acid.
- Example 5 An electrode binder 5 was obtained in the same manner as in Example 1 except that succinic acid (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of citric acid.
- Example 6 An electrode binder 6 was obtained in the same manner as in Example 1 except that sodium citrate (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of citric acid. Further, the slurry was prepared in the same manner as in Example 1 except that the electrode binder 6 was used instead of the electrode binder 1.
- Example 8 The above-mentioned CMC1 and 100% by mass of lithium citrate (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) are measured in a 300 mL glass beaker, and the solid content concentration of carboxymethyl cellulose becomes 2% (w / v). Distilled water was added to prepare an aqueous dispersion. The aqueous dispersion was stirred at 25 ° C. using a stirrer at 500 rpm for 1 hour to obtain an electrode binder 8.
- a slurry was prepared in the same manner as in Example 1 except that the electrode binder 8 was used instead of the electrode binder 1.
- Example 9 An electrode binder 9 was obtained in the same manner as in Example 8 except that 10% by mass of lithium citrate was used with respect to CMC1. Further, a slurry, a negative electrode plate, and a coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery were produced in the same manner as in Example 1 except that the electrode binder 9 was used instead of the electrode binder 1.
- Example 10 To a biaxial kneader whose rotation speed was adjusted to 100 rpm, 1000 g of isopropyl alcohol, 240 g of sodium monochloroacetate and 83 g of sodium hydroxide dissolved in 120 g of water were added, and the dry weight of the linter pulp was dried at 30 ° C. for 60 minutes. I prepared 160g of it. After stirring and mixing at 30 ° C. for 90 minutes to prepare mercerized cellulose, the temperature was raised to 70 ° C. and a carboxymethylation reaction was carried out for 90 minutes.
- the mixture was neutralized with acetic acid to a pH of about 7, deliquesed, dried, and pulverized to have a carboxymethyl substitution degree of 1.34, and a 1% by mass aqueous solution measured with a B-type viscometer at 25 ° C.
- a sodium salt of carboxymethyl cellulose having a viscosity of 2,800 mPa ⁇ s and a filtration residue of 46 ppm based on the dry mass of carboxymethyl cellulose dissolved in an aqueous solution was obtained.
- the above-mentioned sodium carboxymethyl cellulose salt and 150% by mass of lithium citrate (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were measured in a 300 mL glass beaker with respect to the sodium carboxymethyl cellulose salt, and the solid content concentration of carboxymethyl cellulose was 2%.
- Distilled water was added so as to be (w / v) to prepare an aqueous dispersion.
- the aqueous dispersion was stirred at 25 ° C. using a stirrer at 500 rpm for 1 hour to obtain an electrode binder 10.
- a slurry, a negative electrode plate, and a coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery were produced in the same manner as in Example 1 except that the electrode binder 10 was used instead of the electrode binder 1.
- Example 1 An electrode binder 11 was obtained in the same manner as in Example 1 except that citric acid was not added. Further, a slurry, a negative electrode plate, and a coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery were produced in the same manner as in Example 1 except that the electrode binder 11 was used instead of the electrode binder 1.
- Example 2 An electrode binder 12 was obtained in the same manner as in Example 1 except that sodium fumarate (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of citric acid. Further, a slurry, a negative electrode plate, and a coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery were produced in the same manner as in Example 1 except that the electrode binder 12 was used instead of the electrode binder 1.
- sodium fumarate manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.
- a slurry, a negative electrode plate, and a coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery were produced in the same manner as in Example 1 except that the electrode binder 12 was used instead of the electrode binder 1.
- component A carboxymethyl cellulose having a degree of carboxymethyl substitution per anhydrous glucose unit of 0.45 or more or a salt thereof
- component B saturated carboxylic acid having 6 or less carbon atoms or a salt thereof.
- the binder for non-aqueous electrolyte secondary battery electrodes has excellent solubility and good elongation when formed into a film, and the composition (slurry) using this binder for electrodes has excellent coatability. Further, the non-aqueous electrolyte secondary battery using the binder for the electrode for the negative electrode plate was excellent in the capacity retention rate.
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Abstract
Description
すなわち、本発明によれば、
〔1〕 成分A:無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度が0.45以上であるカルボキシメチルセルロース又はその塩と、成分B:炭素数6以下の飽和カルボン酸又はその塩とを含む、非水電解質二次電池電極用結合剤、
〔2〕 前記成分Bが、炭素数6以下の飽和カルボン酸リチウム塩を少なくとも含むことを特徴とする、〔1〕記載の非水電解質二次電池電極用結合剤、
〔3〕 下記条件(I)を満たすことを特徴とする、〔1〕または〔2〕に記載の非水電解質二次電池電極用結合剤、
条件(I):前記成分Aがカルボキシメチル置換度0.45以上1.0以下のカルボキシメチルセルロース又はその塩である際に、前記成分A100重量部に対し、前記成分Bが1~100重量部の範囲で含まれること
〔4〕 下記条件(II)を満たすことを特徴とする、〔1〕または〔2〕に記載の非水電解質二次電池電極用結合剤、
条件(II):前記成分Aがカルボキシメチル置換度1.0超のカルボキシメチルセルロース又はその塩である際に、前記成分A100重量部に対し、前記成分Bが1~200重量部の範囲で含まれること、
〔5〕 前記成分Bが、炭素数6以下のヒドロキシ酸リチウム塩であることを特徴とする、〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池電極用結合剤、
〔6〕 前記成分Bが、クエン酸リチウム塩を少なくとも含むことを特徴とする、〔1〕~〔5〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池電極用結合剤、
〔7〕 前記カルボキシメチルセルロース又はその塩が、メタノールを分散媒としてレーザー回折・散乱式粒度分布計で測定される体積累積100%粒子径が100μm未満であることを特徴とする、〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池電極用結合剤、
〔8〕 前記カルボキシメチルセルロース又はその塩は、25℃においてB型粘度計(30rpm)で測定された1質量%水溶液の粘度が1,000~20,000mPa・sであることを特徴とする〔1〕記載の、非水電解質二次電池電極用結合剤、
〔9〕 前記カルボキシメチルセルロース又はその塩が、メタノールを分散媒としてレーザー回折・散乱式粒度分布計で測定される体積累積100%粒子径が50μm未満であることを特徴とする、〔1〕または〔8〕に記載の非水電解質二次電池電極用結合剤、
〔10〕 前記カルボキシメチルセルロース又はその塩に対し、前記飽和カルボン酸又はその塩が、10~120重量%の範囲で含まれることを特徴とする〔1〕、〔8〕または〔9〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池電極用結合剤
〔11〕 前記カルボキシメチルセルロース又はその塩が、乾燥質量mの該カルボキシメチルセルロース又はその塩の0.3質量%水溶液2リットルを調製して-200mmHgの減圧条件にて250メッシュのフィルターですべて濾過し、濾過後の前記フィルター上の残渣の乾燥質量Mを測定した際に、前記乾燥質量mに対する乾燥質量Mの比率が50ppm未満である、ことを特徴とする〔1〕~〔10〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池電極用結合剤、
〔12〕 前記カルボキシメチルセルロース又はその塩が機械的な粉砕処理物である、〔1〕~〔11〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池電極用結合剤、
〔13〕 〔1〕~〔12〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池電極用結合剤を含む、水溶液、
〔14〕 〔13〕に記載の水溶液であって、pH2~8の範囲であることを特徴とする水溶液、
〔15〕 〔13〕または〔14〕に記載の水溶液を含む、非水電解質二次電池用電極組成物、
〔16〕 ケイ素系活物質を含むことを特徴とする、〔15〕に記載の非水電解質二次電池用電極組成物、
〔17〕 〔15〕または〔16〕記載の電極組成物により形成される、非水電解質二次電池用電極、
が提供される。
本発明において、カルボキシメチルセルロース又はその塩は、セルロースを構成するグルコース残基中の水酸基がカルボキシメチルエーテル基に置換された構造を持つ。カルボキシメチルセルロースは、塩の形態であってもよい。カルボキシメチルセルロースの塩としては、例えばカルボキシメチルセルロースナトリウム塩などの金属塩などを挙げ得る。
本発明において、カルボキシメチルセルロース又はその塩は、上述したようなカルボキシメチルセルロース又はその塩をそのまま用いてもよいが、さらに粉砕処理が施されたもの(粉砕処理物)であってもよい。粉砕処理は、通常は機械を用いて行われる機械的粉砕処理である。カルボキシメチルセルロース又はその塩の粉砕処理の方法としては、粉体の状態で処理する乾式粉砕法と、液体に分散、あるいは溶解させた状態で処理する湿式粉砕法との両方法が例示される。本発明においてはこれらのいずれを選択してもよい。
本発明において、カルボキシメチルセルロース又はその塩の粒径は、小さい方が好ましい。すなわち、メタノールを分散媒としてレーザー回折・散乱式粒度分布計で測定される体積累積100%粒子径の値(本明細書においては、以降「最大粒子径」ということがある)が100μm未満であることが望ましく、50μm未満であることがより望ましく、45μm未満であることがさらに望ましい。カルボキシメチルセルロース又はその塩の最大粒子径が大きすぎるとカルボキシメチルセルロース又はその塩の水溶液中の未溶解物が増加する傾向がある。
なお、最大粒子径の下限は特には限定されない。小さければ小さいほど好ましく、0を超えていればよい。
本発明の電極用結合剤は、炭素数6以下の飽和カルボン酸又はその塩を含むことが重要である。本発明における炭素数6以下の飽和カルボン酸とは、炭素数が6以下の脂肪族ヒドロキシ酸や芳香族ヒドロキシ酸、飽和脂肪酸、ジカルボン酸、トリカルボン酸などをあらわし、炭素数6以下の脂肪族ヒドロキシ酸がより好ましい。そのような脂肪族ヒドロキシ酸とは、クエン酸、リンゴ酸、グルコン酸、コハク酸などを挙げることができる。
本発明の非水電解質二次電池電極用結合剤は、上述する成分A:カルボキシメチルセルロース又はその塩と、成分B:炭素数6以下の飽和カルボン酸又はその塩とを含むことが重要である。そのような電極用結合剤は、カルボキシメチルセルロース又はその塩に対し、炭素数6以下の飽和カルボン酸又はその塩が、10~120重量%の範囲で含まれることが好ましく、20~100重量%の範囲がより好ましく、30~50重量%の範囲がさらに好ましい。配合比が本範囲であると、前述するカルボキシメチルセルロースと炭素数6以下の飽和カルボン酸又はその塩との架橋構造体の形成がより効果的に発生すると推測される。
条件(I):成分Aがカルボキシメチル置換度0.45以上1.0以下のカルボキシメチルセルロース又はその塩である際に、成分A100重量部に対し、成分Bが1~100重量部の範囲で含まれること。
条件(II):成分Aがカルボキシメチル置換度1.0超のカルボキシメチルセルロース又はその塩である際に、成分A100重量部に対し、成分Bが1~200重量部の範囲で含まれること。
本発明の電極用結合剤は、電極の活物質と共に電極組成物を構成し得る。電極組成物の性状は特に限定されず、スラリー状、ペースト状のいずれであってもよい。
この負電極および/または正電極として、前記した電極組成物により形成された負電極および/または正電極が用いられうる。かかる非水電解質二次電池は、溶解性に優れるカルボキシメチルセルロース又はその塩が用いられ、フィルターによる濾過などの工程を省略できるので生産性に優れると共に、初期不可逆容量が顕著に改善され、高い電池特性を発揮しうるものである。
<カルボキシメチル置換度(CM-DS)の測定方法>
カルボキシメチルセルロース粉砕処理物の試料約2.0gを精秤して、300mL共栓付き三角フラスコに入れた。メタノール(メタノール1000mLに特級濃硝酸100mLを加えた液)100mLを加え、3時間振とうして、カルボキシメチルセルロース塩(CMC塩)をH-CMC(カルボキシメチルセルロース)にした。絶乾したH-CMCを1.5~2.0g精秤し、300mL共栓付き三角フラスコに入れた。80%メタノール15mLでH-CMCを湿潤し、0.1NのNaOHを100mL加え、室温で3時間振とうした。指示薬として、フェノールフタレインを用いて、0.1NのH2SO4で過剰のNaOHを逆滴定した。CM-DSを、次式1によって算出した。
(式1)
A=[(100×F-(0.1NのH2SO4(mL))×F’)×0.1]/(H-CMCの絶乾重量(g))
カルボキシメチル置換度(CM-DS)=0.162×A/(1-0.058×A)
A:1gのH-CMCの中和に要する1NのNaOH量(mL)
F’:0.1NのH2SO4のファクター
F:0.1NのNaOHのファクター
カルボキシメチル化セルロース又はその塩を、1000mL容ガラスビーカーに測りとり、蒸留水900mLに分散し、固形分1%(w/v)となるように水分散体を調製した。水分散体を25℃で撹拌機を用いて600rpmで3時間撹拌した。その後、JIS-Z-8803の方法に準じて、B型粘度計(東機産業社製)を用いて、No.1ローター/回転数30rpmで3分後の粘度を測定した。
カルボキシメチルセルロースの最大粒子径、及び平均粒子径は、レーザー回折・散乱式粒度分布計(マイクロトラック Model-9220-SPA、日機装(株)製)により行った。ここで、最大粒子径とは体積累積100%粒子径の値を、平均粒子径とは体積累積50%粒子径の値を示した。測定に当たっては、試料をメタノールに分散させた後、超音波処理を少なくとも1分以上行ったものについて測定を行った。なお、実施例2および10では、最大粒子径、平均粒子径の測定を行わなかった。
カルボキシメチルセルロース又はその塩の0.3質量%(カルボキシメチルメチルセルロース又はその塩の乾燥質量を基準とした質量%)水溶液2リットルを調製した。この水溶液2リットルを-200mmHgの減圧条件にて、濾過器(「セパロート」桐山製作所製)を用いて、250メッシュのフィルター(ステンレス製、目開き63μm)にて濾過した。250メッシュのフィルターに残存した残渣を、温度105℃で、16時間送風乾燥させた後、乾燥した残渣の質量を測定し、カルボキシメチルセルロース水溶液中のカルボキシメチルセルロースの質量に対する質量パーセント(ppm)で表示した。
水溶液に溶解させた電極用結合剤の溶解性は、カルボキシメチルセルロースとカルボキシメチルセルロースに対して100質量%の有機酸を300mL容ガラスビーカーに測りとり、カルボキシメチルセルロースの固形分濃度が2%(w/v)となるように蒸留水を加え電極用結合剤の水分散体を得た。水分散体を25℃で撹拌機を用いて500rpmで1時間撹拌した。その後、市販カルボキシメチルセルロースの継子(溶解粉末が塊まり状となったもの)の有無を目視判断し、下記基準で溶解性の評価とした。
A:継子の発生がなく、溶解性が良好。
B:継子が発生し、溶解性に劣る。
水溶液中に溶解させた電極用結合剤のpH(水素イオン指数)は、ガラス電極pH計(東亜DKK製「HM-30P」)にて温度25℃で測定された。なお、本測定は、実施例8~10について行った。
水溶液中に溶解させた電極用結合剤の粘度は,上述する電極用結合剤の水分散体を、カルボキシメチル化セルロースと同様にB型粘度計(東機産業社製)を用いて、No.1ローター/回転数30rpmで3分後の粘度を測定した。
(電極用結合剤のフィルム化)
得られた電極用結合剤1~4は、それぞれカルボキシメチルセルロースの固形分濃度2%(w/v)となるように調整した後、カルボキシメチルセルロースに対し固形分量で50重量%となるようにグリセロールを添加し、溶解するまでよく攪拌した。
次いで、マゼルスター(倉敷紡績製、KK-250S)を用いて脱泡を行い、直径14cmのポリテトラフルオロエチレン製シャーレに80g流し込み、気泡が入らないようにシャーレ全面に流し広めた後、送風乾燥機にて30℃/30時間乾燥させて、電極用結合剤1~4のフィルム1~4を得た。
得られたフィルム1~4を、それぞれ室温が23度、湿度が50%に保たれた部屋に静置して一昼夜調湿し、1.5cm幅に断裁した後、テンシロン万能試験機にて引張試験を行った。試験はサンプル間距離5cm、速度1cm/minの条件で実施し、塗膜強度に相関する伸び率を得た。
各実施例及び比較例の負極板の作成時に得られたスラリーを銅箔に塗工し、乾燥後ロールプレス後の塗工面を目視確認し、下記の基準で評価した。
A:銅箔上のスラリー塗工面に凝集物や塗工剥がれがなく、さらに塗工ムラも全く見られない。
B:銅箔上のスラリー塗工面の一部に凝集物や塗工剥がれがみられるが電池に使用する場合に問題ない。
C:銅箔上のスラリー塗工面全体にわたり凝集物や塗工剥がれ、塗工ムラなどがみられる。
(放電容量(充放電レート試験))
実施例及び比較例で得られたコイン型非水電解質二次電池の充放電レート試験は株式会社ナガノのBTS2004を用い、25℃の恒温槽にて、コイン型非水電解質二次電池を用いて、充電処理-放電処理の順で行う充放電を1サイクルとして、52サイクルを実施した。なお、充電処理の条件としては、すべてのサイクルで、定電流定電圧(CC-CV)方式(CC電流0.2C、CV電圧4.2V、終止電流0.02C)とした。
放電処理の条件としては、終止電圧を3.0Vに設定した。最初の1サイクルは、放電処理の定電流を0.2Cで行い、放電後に1サイクル後の放電容量(mAh/g)を計測した。
その後の52サイクル目までは、下記の通り放電処理の定電流を設定し、各サイクルの放電後に放電容量(mAh/g)の計測を行った。
(各サイクルにおける放電処理の定電流)
2~10サイクル :放電処理の定電流0.2C
11~20サイクル:放電処理の定電流1C
21サイクル :放電処理の定電流0.2C
22~31サイクル:放電処理の定電流2C
32サイクル :放電処理の定電流0.2C
33~42サイクル:放電処理の定電流3C
43~52サイクル:放電処理の定電流0.2C
容量維持率は、前述される各サイクル試験での放電容量(mAh/g)から、
「容量維持率=1サイクル後の放電容量(mAh/g)/52サイクル後の放電容量(mAh/g)×100」の式より算出した。
<電極用結合剤の作製>
回転数を100rpmに調節した二軸ニーダーに、イソプロピルアルコール2720gとモノクロロ酢酸Na170gと水酸化ナトリウム58gを水480gに溶解したものとを加え、リンターパルプを30℃、60分間乾燥した際の乾燥重量で160g仕込んだ。30℃で90分間攪拌、混合しマーセル化セルロースを調製した後、70℃に昇温して90分間カルボキシメチル化反応をさせた。反応終了後、酢酸でpH7程度になるよう中和し、脱液、乾燥、粉砕して、カルボキシメチル置換度0.70であり、25℃でのB型粘度計で測定された1質量%水溶液の粘度が7,900mPa・s、水溶液に溶解させたカルボキシメチルセルロースの乾燥質量に対する濾過残渣が48ppmである、カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩(以下、「CMC1」ということがある。)を得た。上述のカルボキシメチルセルロースナトリウム塩と、カルボキシチルセルロースナトリウム塩に対して100質量%のクエン酸(富士フィルム和光純薬株式会社製)を300mLガラスビーカーに測り取り、カルボキシメチルセルロースの固形分濃度が2%(w/v)となるよう蒸留水を加え水分散体を調製した。水分散体を25℃で撹拌機を用いて500rpmで1時間攪拌し、電極用結合剤1を得た。
負極材としてSiOx、アセチレンブラック(Strem Chemicals社製)、電極用結合剤1、スチレンブタジエンゴム(SBR、JSR社製、品番S2910(E)-12-Na)の固形分重量比率が97:0.5:1.0:1.5になるように混合し、スラリー濃度が45.6質量%になるように水を添加し、マゼルスター(倉敷紡績製、KK-250S)を用いてよく攪拌し、スラリー1を得た。このスラリーをアプリケーターで縦320mm×横170mm×厚さ17μmの銅箔(古河電気工業社製、NC-WS)に塗工して30分風乾した後、乾燥機にて60℃で30分間乾燥した。更に小型卓上ロールプレス(テスター産業社製、SA-602)を用いて、5kN、ロール周速50m/minの条件でプレスし、目付量62.9g/m2、放電実効容量330mAh/gの負極板1を得た。
得られた負極板1と、LiCoO2正極板(宝泉社製、目付量110.2g/m2、放電実効容量145mAh/g)を直径16mmの円形になるように打ち抜き、打ち抜いた負極板と正極板を120℃で12時間真空乾燥を行った。
回転数を100rpmに調節した二軸ニーダーに、モノクロロ酢酸Na170gと水酸化ナトリウム58gを水480gに溶解したものとを加え、針葉樹パルプ(日本製紙(株)製、NDP-T)を30℃60分間乾燥した際の乾燥重量で160g仕込んだ。30℃で90分間攪拌、混合しマーセル化セルロースを調製した。更に攪拌しつつイソプロピルアルコール2720gを添加し、30分間攪拌した後、70℃に昇温して90分間カルボキシメチル化反応をさせた。反応終了後、酢酸でpH7程度になるよう中和し、脱液、乾燥、粉砕して、カルボキシメチル置換度0.80であり、25℃でのB型粘度計で測定された1質量%水溶液の粘度が17,260mPa・sのカルボキシメチルセルロースのナトリウム塩を得た。上述のカルボキシメチルセルロースナトリウム塩と、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩に対して100質量%のクエン酸(富士フィルム和光純薬株式会社製)を300mLガラスビーカーに測り取り、カルボキシメチルセルロースの固形分濃度が2%(w/v)となるよう蒸留水を加え水分散体を調製した。水分散体を25℃で撹拌機を用いて500rpmで1時間攪拌することで電極用結合剤2を得た。
市販カルボキシメチルセルロース(1質量%水溶液の25℃におけるB型粘度が4,700mPa・s、カルボキシメチル置換度0.70、日本製紙ケミカル(株)製 商品名「サンローズ」)」)と、カルボキシメチルセルロースに対して100質量%のクエン酸(富士フィルム和光純薬株式会社製)を300mLガラスビーカーに測り取り、カルボキシメチルセルロースの固形分濃度が2%(w/v)となるよう蒸留水を加え水分散体を調製した。さらに硫酸鉄(II)七水和物(富士フィルム和光純薬株式会社製)を、カルボキシメチルセルロースに対して50質量%となるように加え、水分散体を25℃で撹拌機を用いて500rpmで1時間攪拌し、電極用結合剤3を得た。
クエン酸の代わりにリンゴ酸(富士フィルム和光純薬株式会社製)を用いた以外は、実施例1と同様にして電極用結合剤4を得た。
クエン酸の代わりにコハク酸(富士フィルム和光純薬株式会社製)を用いた以外は、実施例1と同様にして電極用結合剤5を得た。
クエン酸の代わりにクエン酸ナトリウム(富士フィルム和光純薬株式会社製)を用いた以外は、実施例1と同様にして電極用結合剤6を得た。また、電極用結合剤1に代えて、電極用結合剤6を使用した以外は、実施例1と同様にスラリーの作製を行った。
クエン酸の代わりにグルコン酸カルシウム(富士フィルム和光純薬株式会社製)を用いた以外は、実施例1と同様にして電極用結合剤7を得た。また、電極用結合剤1に代えて、電極用結合剤7を使用した以外は、実施例1と同様にスラリー、負極板、コイン型非水電解質二次電池の作製を行った。
上述のCMC1と、CMC1に対して100質量%のクエン酸リチウム(富士フィルム和光純薬株式会社製)を300mLガラスビーカーに測り取り、カルボキシメチルセルロースの固形分濃度が2%(w/v)となるよう蒸留水を加え水分散体を調製した。水分散体を25℃で撹拌機を用いて500rpmで1時間攪拌することで電極用結合剤8を得た。
CMC1に対して10質量%のクエン酸リチウムを用いた以外は、実施例8と同様にして電極用結合剤9を得た。また、電極用結合剤1に代えて、電極用結合剤9を使用した以外は、実施例1と同様にスラリー、負極板、コイン型非水電解質二次電池の作製を行った。
回転数を100rpmに調節した二軸ニーダーに、イソプロピルアルコール1000gとモノクロロ酢酸Na240gと水酸化ナトリウム83gを水120gに溶解したものとを加え、リンターパルプを30℃にて60分間乾燥した際の乾燥重量で160g仕込んだ。30℃で90分間攪拌、混合しマーセル化セルロースを調製した後、70℃に昇温して90分間カルボキシメチル化反応をさせた。反応終了後、酢酸でpH7程度になるよう中和し、脱液、乾燥、粉砕して、カルボキシメチル置換度1.34であり、25℃でのB型粘度計で測定された1質量%水溶液の粘度が2,800mPa・s、水溶液に溶解させたカルボキシメチルセルロースの乾燥質量に対する濾過残渣が46ppmである、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。上述のカルボキシメチルセルロースナトリウム塩と、カルボキシチルセルロースナトリウム塩に対して150質量%のクエン酸リチウム(富士フィルム和光純薬株式会社製)を300mLガラスビーカーに測り取り、カルボキシメチルセルロースの固形分濃度が2%(w/v)となるよう蒸留水を加え水分散体を調製した。水分散体を25℃で撹拌機を用いて500rpmで1時間攪拌することで電極用結合剤10を得た。
クエン酸を添加しなかった以外は、実施例1と同様にして電極用結合剤11を得た。また、電極用結合剤1に代えて、電極用結合剤11を使用した以外は、実施例1と同様にスラリー、負極板、コイン型非水電解質二次電池の作製を行った。
クエン酸の代わりにフマル酸ナトリウム(富士フィルム和光純薬株式会社製)を用いた以外は、実施例1と同様にして電極用結合剤12を得た。また、電極用結合剤1に代えて、電極用結合剤12を使用した以外は、実施例1と同様にスラリー、負極板、コイン型非水電解質二次電池の作製を行った。
Claims (17)
- 成分A:無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度が0.45以上であるカルボキシメチルセルロース又はその塩と、成分B:炭素数6以下の飽和カルボン酸又はその塩とを含む、非水電解質二次電池電極用結合剤。
- 前記成分Bが、炭素数6以下の飽和カルボン酸リチウム塩を少なくとも含むことを特徴とする、請求項1記載の非水電解質二次電池電極用結合剤。
- 下記条件(I)を満たすことを特徴とする、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池電極用結合剤。
条件(I):前記成分Aがカルボキシメチル置換度0.45以上1.0以下のカルボキシメチルセルロース又はその塩である際に、
前記成分A100重量部に対し、前記成分Bが1~100重量部の範囲で含まれること。 - 下記条件(II)を満たすことを特徴とする、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池電極用結合剤。
条件(II):前記成分Aがカルボキシメチル置換度1.0超のカルボキシメチルセルロース又はその塩である際に、
前記成分A100重量部に対し、前記成分Bが1~200重量部の範囲で含まれること。 - 前記成分Bが、炭素数6以下のヒドロキシ酸リチウム塩であることを特徴とする、請求項1~4のいずれかに記載の非水電解質二次電池電極用結合剤。
- 前記成分Bが、クエン酸リチウム塩を少なくとも含むことを特徴とする、請求項1~5のいずれかに記載の非水電解質二次電池電極用結合剤。
- 前記カルボキシメチルセルロース又はその塩が、メタノールを分散媒としてレーザー回折・散乱式粒度分布計で測定される体積累積100%粒子径が100μm未満であることを特徴とする、請求項1~6のいずれかに記載の非水電解質二次電池電極用結合剤。
- 前記カルボキシメチルセルロース又はその塩は、25℃においてB型粘度径(30rpm)で測定された1質量%水溶液の粘度が1,000~20,000mPa・sであることを特徴とする請求項1記載の、非水電解質二次電池電極用結合剤。
- 前記カルボキシメチルセルロース又はその塩が、メタノールを分散媒としてレーザー回折・散乱式粒度分布計で測定される体積累計100%粒子径が50μm未満であることを特徴とする、請求項1または8に記載の非水電解質二次電池電極用結合剤。
- 前記カルボキシメチルセルロース又はその塩に対し、前記飽和カルボン酸又はその塩が、10~120重量%の範囲で含まれることを特徴とする請求項1、8または9のいずれかに記載の非水電解質二次電池の電極用結合剤。
- 前記カルボキシメチルセルロース又はその塩が、乾燥質量mの該カルボキシメチルセルロース又はその塩の0.3質量%水溶液2リットルを調製して-200mmHgの減圧条件にて250メッシュのフィルターですべて濾過し、濾過後の前記フィルター上の残渣の乾燥質量Mを測定した際に、前記乾燥質量mに対する前記乾燥質量Mの比率が50ppm未満である、ことを特徴とする請求項1~10のいずれかに記載の非水電解質二次電池電極用結合剤。
- 前記カルボキシメチルセルロース又はその塩が機械的な粉砕処理物である、請求項1~11のいずれかに記載の非水電解質二次電池電極用結合剤。
- 請求項1~12のいずれかに記載の非水電解質二次電池電極用結合剤を含む、水溶液。
- 請求項13に記載の水溶液であって、pH2~8の範囲であることを特徴とする水溶液。
- 請求項13または14に記載の水溶液を含む、非水電解質二次電池用電極組成物。
- ケイ素系活物質を含むことを特徴とする、請求項15に記載の非水電解質二次電池用電極組成物。
- 請求項15または16記載の電極組成物により形成される、非水電解質二次電池用電極。
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