WO2022210743A1 - リチウムイオン電池用樹脂集電体、リチウムイオン電池及びリチウムイオン電池用樹脂集電体の製造方法 - Google Patents

リチウムイオン電池用樹脂集電体、リチウムイオン電池及びリチウムイオン電池用樹脂集電体の製造方法 Download PDF

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WO2022210743A1
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WO
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negative electrode
active material
electrode active
current collector
lithium ion
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PCT/JP2022/015586
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英明 堀江
萌 北場
英起 西村
佑弥 田中
勇輔 中嶋
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Apb株式会社
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    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
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    • HELECTRICITY
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    • H01M4/66Selection of materials

Definitions

  • the present invention relates to a resin current collector for lithium ion batteries, a lithium ion battery, and a method for producing a resin current collector for lithium ion batteries.
  • Lithium-ion batteries have been widely used in recent years as secondary batteries that can achieve high energy density and high output density, and various materials are being investigated to develop higher-performance lithium-ion batteries. .
  • Lithium-ion batteries have high energy density and high power density, so there is a high risk of fire when the battery is damaged. For this reason, various studies have been made to improve the safety and reliability of batteries in the event of an abnormality (Patent Documents 1 and 2).
  • Resin current collectors have the advantage of safety in that even if a short circuit occurs, the resistance of the resin current collector itself is high, so a large current does not flow toward the shorted area, and a sudden temperature rise does not occur, so there is no ignition.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and provides a resin current collector for lithium ion batteries that has sufficient conductivity and does not easily deteriorate (increase) in electrical resistance even after repeated charging and discharging. intended to
  • the present invention provides a resin current collector for a lithium ion battery comprising a resin composition containing a matrix resin and a conductive filler, wherein the conductive filler is an inorganic metal compound, and the volume resistivity of the conductive filler is is 50 ⁇ cm to 1 ⁇ cm; a lithium ion battery comprising the resin current collector for lithium ion batteries; and a method for producing the resin current collector for lithium ion batteries. .
  • the resin collector for lithium ion batteries which has sufficient electroconductivity and does not deteriorate (increase) easily in an electrical resistance value even if charging/discharging is repeated can be provided.
  • the present invention provides a resin current collector for a lithium ion battery comprising a resin composition containing a matrix resin and a conductive filler, wherein the conductive filler is an inorganic metal compound, and the conductive filler has a volume resistivity of 50 ⁇ cm.
  • a resin current collector for a lithium-ion battery characterized by having a resistance of up to 1 ⁇ cm.
  • the matrix resin is not particularly limited, and examples thereof include polyolefin resins, polyamide resins, polyimide resins, polyamideimide resins, fluororesins, and mixtures thereof.
  • the matrix resin includes ethylene, propylene, styrene chloroethylene, trichlorethylene, vinyl fluoride, vinyl chloride, vinyl acetate, vinylidene chloride, (meth)acrylonitrile, vinylidene fluoride, methyl (meth)acrylate, and ethyl (meth)acrylate.
  • the matrix resin may be used singly or in combination of two or more.
  • (meth)acrylic acid means acrylic acid and methacrylic acid
  • (meth)acrylonitrile means acrylonitrile and methacrylonitrile
  • pyromellitic acid (anhydride) means pyromellitic acid and pyromellitic acid.
  • Mellitic anhydride means pyromellitic acid and pyromellitic acid.
  • the matrix resin is preferably a resin that dissolves in at least one selected from the group consisting of N,N-dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone and xylene, from the viewpoint of current collector production.
  • resins soluble in N,N-dimethylformamide, dimethylacetamide and N-methylpyrrolidone include polyamide resins.
  • a polyolefin resin etc. are mentioned as resin which melt
  • the weight average molecular weight of the matrix resin is not particularly limited, it is preferably 50,000 to 1,000,000, more preferably 100,000 to 500,000, from the viewpoint of moldability and resin strength.
  • a weight average molecular weight means the weight average molecular weight measured by the gel permeation chromatography (GPC) method. Measurement conditions are as follows. Apparatus: high-temperature gel permeation chromatograph [“Alliance GPC V2000”, manufactured by Waters Co., Ltd.] Solvent: ortho-dichlorobenzene Reference substance: Polystyrene Sample concentration: 3 mg/ml Column stationary phase: PLgel 10 ⁇ m, MIXED-B 2 in series [manufactured by Polymer Laboratories Co., Ltd.] Column temperature: 135°C
  • the method for obtaining the matrix resin is not particularly limited, and it can be obtained by polymerizing the above-mentioned materials by a known method.
  • the content of the matrix resin is preferably 20 to 70% by weight, more preferably 20 to 55% by weight, more preferably 20 to 40% by weight, based on the weight of the resin collector for lithium ion batteries, from the viewpoint of collector strength. % by weight is particularly preferred.
  • the conductive filler in the present invention is an inorganic metal compound and has a volume resistivity of 50 ⁇ cm to 1 ⁇ cm. If the volume resistivity of the conductive filler is less than 50 ⁇ cm, it becomes difficult to ensure safety when the battery is damaged for some reason. It becomes impossible to maintain the necessary conductivity.
  • An inorganic metal compound as used herein is a compound containing a metal element and a non-metal element.
  • Metal elements include copper, titanium, zirconium, vanadium, niobium, chromium, molybdenum, and tantalum.
  • nonmetallic elements include carbon, nitrogen, sulfur, fluorine, phosphorus, bromine, and iodine.
  • inorganic metal compounds include titanium carbide, copper (I) sulfide, copper (II) sulfide, zirconium carbide, vanadium carbide, vanadium nitride, niobium carbide, niobium nitride, chromium carbide, molybdenum carbide, tantalum carbide, and molybdenum carbide. , titanium nitride, chromium nitride, and the like. Among these, inorganic metal compounds containing titanium or molybdenum are preferred from the viewpoint of difficulty in absorbing lithium ions, and titanium carbide, molybdenum carbide, and titanium nitride are more preferred.
  • the volume resistivity of the conductive filler means volume resistivity ( ⁇ cm) measured by the following method.
  • a conductive filler is placed in an electrical resistance measurement jig of ⁇ 20 and a load of 20 kN is applied. , manufactured by Nitto Seiko) to measure the volume resistivity ( ⁇ cm) of the conductive filler.
  • the volume average particle size of the conductive filler is preferably 0.1 to 15 ⁇ m, more preferably 1 to 15 ⁇ m, and 1 to 8 ⁇ m, from the viewpoint of the electrical properties and film formability of the battery. is more preferable, and 1 to 3 ⁇ m is even more preferable.
  • the volume average particle size means the particle size (Dv50) at 50% integrated value in the particle size distribution determined by the microtrack method (laser diffraction/scattering method).
  • the microtrack method is a method of obtaining a particle size distribution by utilizing scattered light obtained by irradiating particles with laser light.
  • a Microtrac manufactured by Nikkiso Co., Ltd. or the like can be used.
  • the weight ratio of the conductive filler is preferably 30 to 80% by weight based on the weight of the resin current collector for lithium ion batteries, from the viewpoint of the conductivity of the current collector and the energy density of the battery. 80% by weight is more preferred, and 60 to 80% by weight is particularly preferred.
  • the resin current collector for lithium ion batteries of the present invention may contain other components, if necessary.
  • Other components include dispersants, colorants, UV absorbers, plasticizers (phthalic acid skeleton-containing compounds, trimellitic acid skeleton-containing compounds, phosphoric acid group-containing compounds, epoxy skeleton-containing compounds, etc.).
  • Umex series manufactured by Sanyo Chemical Industries, Ltd., Hardren series manufactured by Toyobo Co., Ltd., Toyotac series, SN Sparse 70 manufactured by San Nopco Co., Ltd., and the like can be used.
  • Colorants, ultraviolet absorbers, plasticizers, and the like can be appropriately selected and used from known ones.
  • the total content of other components is preferably 0.001 to 5% by weight based on the weight of the resin current collector for lithium ion batteries.
  • the thickness of the resin current collector for lithium ion batteries of the present invention is not particularly limited, but is preferably 5 to 150 ⁇ m, more preferably 20 to 100 ⁇ m, and particularly preferably 30 to 50 ⁇ m.
  • the method for producing a resin current collector for a lithium ion battery of the present invention comprises a coating step of coating a substrate surface with a resin composition slurry containing a matrix resin, a conductive filler and a solvent, and after the coating step, and a drying step of drying the substrate coated with the resin composition slurry, wherein the conductive filler is an inorganic metal compound, and the conductive The filler has a volume resistivity of 50 ⁇ cm to 1 ⁇ cm.
  • the materials described above can be used as the matrix resin and the conductive filler.
  • the solvent examples include aromatic solvents such as benzene, toluene and xylene; cellosolve solvents such as methyl cellosolve, ethyl cellosolve and 1-methoxy-2-propanol; diacetone alcohol, acetone, cyclohexanone, methyl ethyl ketone, 4-methyl- Ketone solvents such as 2-pentanone, cyclohexanone, ethylcyclohexanone, 1,2-dimethylcyclohexane, N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, and ester solvents such as methyl lactate and ethyl lactate , 2,2,3,3-tetrafluoro-1-propanol, methylene chloride, halogen-containing solvents such as chloroform, ether solvents such as tetrahydrofuran and dioxane, and alcohol solvents such as 1-pent
  • the above solvents may be used alone or in combination of two or more.
  • N,N-dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, or xylene are preferred from the viewpoint of production stability.
  • the base material is not particularly limited, but examples thereof include polyethylene terephthalate, fluororesin, paper, metal, glass plate, polyester film, polyvinyl chloride film, and the like, which have a smooth surface and release properties.
  • a bar coater, T-die, T-die with a bar, doctor knife, Meir bar, roll coater, die coater, or the like is used on the surface of the substrate, or spraying, brushing, roll , spin coating, dipping, or the like so that the thickness is uniform. Further, when the desired film thickness cannot be obtained by one coating, the coating can be repeated.
  • the drying step is not particularly limited and generally used methods, for example, a method in which the substrate coated with the resin composition slurry is passed through a drying oven via a large number of rollers, in an oven A method such as drying with
  • the drying temperature is preferably 10 to 100° C. lower than the melting point of the matrix resin used, more preferably 50 to 80° C. lower.
  • the drying time is preferably 2 to 10 hours, more preferably 5 to 8 hours.
  • the resin current collector for lithium ion batteries of the present invention can also be produced by the following method.
  • a resin composition is obtained by mixing a matrix resin, a conductive filler, and, if necessary, other components.
  • Mixing methods include a method of obtaining a masterbatch of the conductive filler and then mixing it with the matrix resin, and a method of mixing all the raw materials at once. Suitable known mixers such as kneaders, internal mixers, Banbury mixers and rolls can be used to mix the ingredients in the form.
  • the obtained mixture may be further pelletized or pulverized by a pelletizer or the like.
  • a resin current collector for a lithium ion battery is obtained by molding the obtained resin composition into, for example, a film shape.
  • the method for forming a film include known film forming methods such as a T-die method, an inflation method and a calender method.
  • the resin current collector for lithium ion batteries can also be obtained by molding methods other than film molding.
  • the lithium ion battery of the present invention comprises the resin current collector for lithium ion batteries of the present invention.
  • the resin current collector for lithium ion batteries of the present invention can be applied to known lithium ion batteries. That is, known materials can be used as materials for the positive electrode active material, the negative electrode active material, the electrolytic solution, the separator, and the like.
  • the positive electrode active material may be a coated positive electrode active material in which the positive electrode active material is coated with a resin such as an acrylic resin, and the negative electrode active material is a negative electrode active material coated with a resin such as an acrylic resin. It may be a coated negative electrode active material.
  • transition metal elements for example, LiM a M′ b M′′ c O 2 (M, M′ and M′′ are respectively different transition metals, element and satisfies a + b
  • transition metal oxides eg MnO 2 and V 2 O 5
  • transition metal sulfides eg MoS 2 and TiS 2
  • conductive polymers eg polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene and poly-p-phenylene and polyvinyl carbazole
  • the lithium-containing transition metal phosphate may have a transition metal site partially substituted with another transition metal.
  • carbon-based materials [graphite, non-graphitizable carbon, amorphous carbon, resin baked bodies (for example, carbonized by baking phenol resin and furan resin, etc.), cokes (for example, pitch coke , needle coke and petroleum coke, etc.) and carbon fiber, etc.]
  • silicon-based materials [silicon, silicon oxide (SiO x ), silicon-carbon composites (carbon particles whose surface is coated with silicon and / or silicon carbide, silicon particles or silicon oxide particles coated with carbon and/or silicon carbide, silicon carbide, etc.) and silicon alloys (silicon-aluminum alloy, silicon-lithium alloy, silicon-nickel alloy, silicon-iron alloy, silicon-titanium alloys, silicon-manganese alloys, silicon-copper alloys and silicon-tin alloys, etc.], conductive polymers (e.g., polyacetylene and polypyrrole, etc.), metals (tin, aluminum, zirconium, titanium,
  • the lithium ion battery may have the following configuration. That is, a negative electrode having the resin current collector for a lithium ion battery of the present invention and negative electrode active material particles,
  • the negative electrode active material particles are coated negative electrode active material particles for a lithium ion battery in which at least part of the surface of the negative electrode active material particles is coated with a coating layer containing a polymer compound and a conductive aid,
  • the negative electrode active material particles contain particles made of titanium composite oxide and / or titanium oxide,
  • the weight ratio of the polymer compound in the coated negative electrode active material particles is 0.1 to 2% by weight based on the weight of the coated negative electrode active material particles,
  • the lithium ion battery may be such that the weight ratio of the conductive aid in the coated negative electrode active material particles is 3 to 15% by weight based on the weight of the coated negative electrode active material particles.
  • a titanium composite oxide is a compound containing titanium, oxygen and other elements, and examples thereof include lithium titanate and titanium niobium oxide.
  • As the lithium titanate a spinel type, a ramsdellite type, or the like can be used.
  • Lithium titanate having a spinel crystal structure includes, for example, compounds represented by the general formula Li 4+x Ti 5 O 12 ( ⁇ 1 ⁇ x ⁇ 3).
  • Lithium titanate having a ramsdellite-type crystal structure includes, for example, compounds represented by the general formula Li 2+x Ti 3 O 7 (0 ⁇ x ⁇ 1).
  • Titanium niobium oxides include Li a TiM b Nb 2+c O 7+d (0 ⁇ a ⁇ 5, 0 ⁇ b ⁇ 0.3, ⁇ 0.3 ⁇ c ⁇ 0.3, and ⁇ 0.3 ⁇ d ⁇ 0. 3, and M is one or more elements selected from Fe, V, Mo, and Ta.).
  • Titanium oxide is a compound containing only titanium and oxygen, and includes titanium oxide (TiO) and titanium dioxide (TiO 2 ).
  • the crystal system of titanium dioxide is not particularly limited, and rutile type, anatase type, and brookite type can be used.
  • titanium composite oxides and titanium oxides shown above can be used singly or in combination of two or more.
  • the volume average particle diameter of the negative electrode active material particles is preferably 0.01 to 100 ⁇ m, more preferably 0.1 to 20 ⁇ m, even more preferably 2 to 10 ⁇ m, from the viewpoint of the electrical characteristics of the battery.
  • the coated negative electrode active material particles for a lithium ion battery are particles obtained by coating at least part of the surface of the negative electrode active material particles with a coating layer containing a polymer compound and a conductive aid.
  • the weight ratio of the polymer compound in the coated negative electrode active material particles is 0.1 to 2% by weight based on the weight of the coated negative electrode active material particles. Also, the weight ratio is preferably 0.3 to 1.0% by weight.
  • the weight ratio of the conductive aid in the coated negative electrode active material particles is 3 to 15% by weight based on the weight of the coated negative electrode active material particles. Also, the weight ratio is preferably 6 to 12% by weight.
  • the electrode active material particles contain particles made of a titanium composite oxide and/or titanium oxide, and the weight ratios of the polymer compound and the conductive aid in the coated negative electrode active material particles are both within the above range, the electrode volume The discharge capacity per unit can be increased. Moreover, it is excellent in cycle characteristics.
  • the weight ratio of the polymer compound and the weight ratio of the conductive aid in the coated negative electrode active material particles can be measured by thermogravimetry.
  • the discharge capacity per electrode volume becomes low.
  • the cycle characteristics are not so high even if the negative electrode active material particles are titanium composite oxide and/or titanium oxide.
  • the weight ratio of the polymer compound in the coated negative electrode active material particles exceeds 2% by weight, the discharge capacity per electrode volume becomes low.
  • the weight ratio of the conductive aid in the coated negative electrode active material particles is less than 3% by weight, the discharge capacity per electrode volume will be low.
  • the cycle characteristics are not so high even if the negative electrode active material particles are titanium composite oxide and/or titanium oxide.
  • the discharge capacity per electrode volume becomes low.
  • the coating layer preferably contains a polymer compound and a conductive aid.
  • a polymer compound an ester compound (a11) of a monohydric aliphatic alcohol having 1 to 12 carbon atoms and (meth)acrylic acid [hereinafter referred to as the ester compound (a11)] and an anionic monomer ( It is preferably a polymer of a monomer composition comprising a12).
  • (meth)acrylic acid means acrylic acid and methacrylic acid.
  • the polymer compound may have an acid value of 250-800.
  • the acid value of the polymer compound herein is measured by the method of JIS K 0070-1992, and the acid value of the polymer compound is the anionic monomer (a12 ) can be adjusted to the above range. Further, it is more preferable that the polymer compound has an acid value of 270-780.
  • Example 1 16.3 parts by weight of 2,2-bis[4-(4-aminophenoxy)phenyl]propane was dissolved in 75 parts by weight of dehydrated dimethylacetamide, and 8.7 parts by weight of pyromellitic anhydride was further added for 48 hours. The mixture was stirred to prepare a 25% by weight polyimide precursor solution. Titanium carbide [TiC, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., volume average particle diameter: 6.0 ⁇ m, volume resistivity: 0.002 ⁇ cm] was added to 63.2 parts by weight of the prepared polyimide precursor solution as a conductive filler. was added in an amount of 36.8 parts by weight to obtain a resin composition slurry.
  • TiC Titanium carbide
  • the resulting resin composition slurry was applied onto a glass plate and dried on a hot plate at 160° C. for 1 hour to remove the solvent. Further, it was placed in an electric furnace and heated at 200° C. for 1 hour, 300° C. for 1 hour, and 325° C. for 1 hour to obtain a resin current collector having a thickness of 35 ⁇ m and a polyimide matrix resin.
  • Example 2 The same procedure as in Example 1 was performed except that titanium carbide [TiC, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., volume average particle diameter: 5.4 ⁇ m, volume resistivity: 0.0017 ⁇ cm] was used as the conductive filler. Thus, a resin current collector was produced.
  • Example 3 The procedure of Example 1 was repeated except that a mixture of 90.3 parts by weight of the polyimide precursor solution and 9.7 parts by weight of titanium carbide [TiC, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] was used as the resin composition slurry. Thus, a resin current collector was produced.
  • Example 4 The procedure of Example 1 was repeated except that a mixture of 80.0 parts by weight of the polyimide precursor solution and 20.0 parts by weight of titanium carbide [TiC, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] was used as the resin composition slurry. Thus, a resin current collector was produced.
  • Example 5 In the same manner as in Example 1, except that a mixture of 50.0 parts by weight of the polyimide precursor solution and 50.0 parts by weight of titanium carbide [TiC, manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] was used as the resin composition slurry. , a resin current collector was produced.
  • Example 6 A resin collector was prepared in the same manner as in Example 1 except that titanium carbide [TiC, manufactured by Kanto Kagaku Co., Ltd., volume average particle diameter: 0.18 ⁇ m, volume resistivity: 0.0009 ⁇ cm] was used as the conductive filler. An electric body was produced.
  • Example 7 A resin current collector was prepared in the same manner as in Example 1 except that titanium carbide [TiC, manufactured by Sigma-Aldrich, volume average particle diameter: 20.6 ⁇ m, volume resistivity: 0.012 ⁇ cm] was used as the conductive filler. made the body.
  • TiC titanium carbide
  • Example 8 Conducted except that copper (I) sulfide [Cu 2 S, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., volume average particle diameter: 10.1 ⁇ m, volume resistivity: 0.02 ⁇ cm] was used as the conductive filler.
  • a resin current collector was produced in the same manner as in Example 1.
  • Example 9 Polypropylene [trade name [SunAllomer PM900A], manufactured by SunAllomer Co., Ltd.] 25 parts by weight, dispersant [trade name [SN Sparse 70], manufactured by San Nopco] 5 parts by weight, titanium carbide [TiC, Fuji Film as a conductive filler Wako Pure Chemical Industries, Ltd., volume average particle diameter: 6.0 ⁇ m, volume resistivity: 0.002 ⁇ cm] was dissolved in xylene at 140° C. and mixed to obtain a casting solution. The resulting casting solution was applied onto a copper foil, heated with a hot plate at 110°C to remove the solvent, and then dried with a vacuum dryer at 80°C. The film formed on the copper foil was peeled off to obtain a resin current collector having a thickness of 20 ⁇ m and a matrix resin of polypropylene.
  • Example 10 (Example 10) Conducted except that copper (I) sulfide [Cu 2 S, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., volume average particle diameter: 10.1 ⁇ m, volume resistivity: 0.02 ⁇ cm] was used as the conductive filler.
  • a resin current collector was produced in the same manner as in Example 9.
  • Example 11 Under a nitrogen atmosphere, 5.8 parts by weight of 2-chloro-1,4-phenylenediamine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 19.2 parts by weight of 4,4'-diaminodiphenyl ether (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) It was dissolved in 75 parts by weight of 1-methyl-1-pyrrolidone (super-dehydrated, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and the solution was cooled to 0°C.
  • Example 12 Conducted except that copper (I) sulfide [Cu 2 S, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., volume average particle diameter: 10.1 ⁇ m, volume resistivity: 0.02 ⁇ cm] was used as the conductive filler.
  • a resin current collector was produced in the same manner as in Example 11.
  • Example 13 The same procedure as in Example 1 was performed except that tantalum carbide [TaC, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., volume average particle diameter: 1.5 ⁇ m, volume resistivity: 0.0029 ⁇ cm] was used as the conductive filler. Thus, a resin current collector was produced.
  • TaC tantalum carbide
  • Molybdenum carbide [Mo 2 C, manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd., volume average particle diameter: 5.9 ⁇ m, volume resistivity: 0.0007 ⁇ cm] was used as the conductive filler.
  • a resin current collector was produced in the same manner.
  • Example 15 The same procedure as in Example 1 was performed except that titanium nitride [TiN, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., volume average particle size: 2.7 ⁇ m, volume resistivity: 0.0015 ⁇ cm] was used as the conductive filler. Thus, a resin current collector was produced.
  • Example 16 The same procedure as in Example 1 was performed except that chromium nitride [CrN, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., volume average particle size: 4.7 ⁇ m, volume resistivity: 0.24 ⁇ cm] was used as the conductive filler. Thus, a resin current collector was produced.
  • Example 17 A resin current collector was produced in the same manner as in Example 7, except that the thickness was adjusted to 50 ⁇ m.
  • An electrolytic solution was prepared by dissolving LiN(FSO 2 ) 2 at a ratio of 2.0 mol/L in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) (volume ratio 1:1).
  • the reduction current value per unit area at a potential of 0 V is less than 5 ⁇ A cm ⁇ 2 and the oxidation current value per unit area at a potential of 1 V is less than 1 ⁇ A cm ⁇ 2
  • The reduction current value per unit area at a potential of 0 V is 5 ⁇ A cm ⁇ 2 or more, or the oxidation current value per unit area at a potential of 1 V is 1 ⁇ A cm ⁇ 2 or more.
  • Table 1 it was confirmed that lithium absorption into the current collector did not occur in all of the current collectors produced in Examples, and that the current collectors had reduction potential resistance.
  • ⁇ Preparation of positive electrode polymer compound for coating 95 parts by weight of lauryl methacrylate, 4.6 parts by weight of methacrylic acid, and 0.5 parts by weight of 1,6-hexanediol dimethacrylate were placed in a four-neck Kolben equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser, dropping funnel and nitrogen gas inlet tube. 4 parts by weight and 390 parts by weight of toluene were added and the temperature was raised to 75°C. 10 parts by weight of toluene, 0.200 parts by weight of 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile) and 0.200 parts by weight of 2,2'-azobis(2-methylbutyronitrile) were mixed.
  • the resulting monomer mixed solution was continuously dropped from a dropping funnel over 4 hours to carry out radical polymerization.
  • a solution of 0.800 parts by weight of 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile) dissolved in 12.4 parts by weight of toluene was added using a dropping funnel to start the polymerization. Continuous additions were made over the 8th hour. Further, the polymerization was continued for 2 hours, and 488 parts of toluene was added to obtain a copolymer solution having a resin concentration of 30% by weight (positive electrode polymer compound solution for coating).
  • positive electrode active material particles LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 powder, volume average particle size 4 ⁇ m
  • acetylene black (Denka Black (registered trademark) manufactured by Denka Co., Ltd.) as a conductive agent was added in divided portions over 2 minutes, and stirring was continued for 30 minutes. Thereafter, the pressure was reduced to 0.01 MPa while maintaining stirring, then the temperature was raised to 140°C while stirring and the degree of pressure reduction were maintained, and the volatile matter was distilled off while maintaining the stirring, the degree of pressure reduction, and the temperature for 8 hours. . The obtained powder was classified with a sieve having an opening of 200 ⁇ m to prepare a coated positive electrode active material for a lithium ion battery.
  • acetylene black Denka Black (registered trademark) manufactured by Denka Co., Ltd.
  • Non-graphitizable carbon (hard carbon) manufactured by Kureha Battery Materials Japan Co., Ltd. Carbotron (registered trademark) PS (F)
  • a universal mixer high speed mixer FS25 manufactured by Earth Technica Co., Ltd.
  • 11 parts by weight of the coating anode polymer compound solution was added dropwise over 2 minutes, and the mixture was further stirred for 5 minutes.
  • acetylene black (Denka Black (registered trademark) manufactured by Denka Co., Ltd.), which is a conductive agent, was added in portions over 2 minutes, and stirring was continued for 30 minutes. Thereafter, the pressure was reduced to 0.01 MPa while maintaining stirring, then the temperature was raised to 140°C while stirring and the degree of pressure reduction were maintained, and the volatile matter was distilled off while maintaining the stirring, the degree of pressure reduction, and the temperature for 8 hours. . The obtained powder was classified with a sieve having an opening of 200 ⁇ m to prepare a coated negative electrode active material for a lithium ion battery.
  • the mixture was further mixed at 2000 rpm for 2 minutes with a mixer, and 20 parts by weight of the electrolytic solution was added. After adding more parts, the mixture was stirred for 2 minutes with a stirrer at 2000 rpm to prepare a slurry for a negative electrode active material layer.
  • the obtained negative electrode active material layer slurry was applied to one side of the resin current collector so that the basis weight was 48 mg/cm 2 , and pressed at a pressure of 1.4 MPa for about 10 seconds to obtain a lithium slurry having a thickness of 580 ⁇ m.
  • An ion battery negative electrode (17.0 cm ⁇ 17.0 cm) was produced.
  • the charged capacity was defined as [initial charge capacity (mAh)]
  • the discharged capacity was defined as [initial discharge capacity (mAh)].
  • coated negative electrode active material particles for lithium ion batteries, negative electrodes for lithium ion batteries, and other forms of lithium ion batteries will be disclosed below.
  • Lithium ion (secondary) batteries have recently been widely used in various applications as secondary batteries capable of achieving high energy density and high output density.
  • Lithium-ion batteries have been widely used in recent years as secondary batteries that can achieve high energy density and high output density, and various materials are being investigated to develop higher-performance lithium-ion batteries. .
  • titanium composite oxides and titanium oxides have excellent input/output characteristics and cycle characteristics, so their use as an alternative to carbon-based materials that have been used as negative electrode active materials in lithium-ion batteries is being investigated.
  • Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2019-160734 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2019-160734.
  • coated electrode active material particles in which at least a part of the surface of the electrode active material particles is covered with a coating layer containing a coating resin and a conductive aid, a solvent removal step that requires a lot of time and energy is performed.
  • a method for producing an electrode for a lithium-ion battery without using Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-189325.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-189325 considers a carbon-based material as a negative electrode active material, and does not consider using a titanium composite oxide or a titanium oxide as a negative electrode active material.
  • a coating layer is formed on the surface of titanium composite oxide or titanium oxide particles by the method described in JP-A-2016-189325. When the coated electrode active material particles were formed, it was found that there was a problem that the discharge capacity per volume became insufficient.
  • a coated negative electrode active material particle for a lithium ion battery in which a titanium composite oxide or titanium oxide is used as a negative electrode active material and a coating layer is formed, Disclosed is a coated negative electrode active material particle having a sufficiently high discharge capacity per unit.
  • the inventors of the present invention have found that when titanium composite oxides and titanium oxides are used as the negative electrode active material, the electrical conductivity of these materials tends to be lower than that of carbon-based materials, so the discharge capacity per volume is reduced. As a result of making a hypothesis that the discharge capacity would be lowered and earnestly examining it based on the hypothesis, a configuration for increasing the discharge capacity per volume was found.
  • the coated negative electrode active material particles for lithium ion batteries disclosed below are coatings for lithium ion batteries in which at least part of the surface of the negative electrode active material particles is coated with a coating layer containing a polymer compound and a conductive aid.
  • Negative electrode active material particles wherein the negative electrode active material particles contain particles made of a titanium composite oxide and/or titanium oxide, and the weight ratio of the polymer compound in the coated negative electrode active material particles is the same as the coated negative electrode active material particles. It is 0.1 to 2% by weight based on the weight of the material particles, and the weight ratio of the conductive aid in the coated negative electrode active material particles is 3 to 15% by weight based on the weight of the coated negative electrode active material particles.
  • coated negative electrode active material particles for lithium ion batteries are coated negative electrode active material particles for lithium ion batteries in which a titanium composite oxide or titanium oxide is used as a negative electrode active material, and a coating layer is formed.
  • the coated negative electrode active material particles have a sufficiently high discharge capacity per unit.
  • the coated negative electrode active material particles for lithium ion batteries disclosed below are coated negative electrode active material particles for lithium ion batteries in which at least part of the surface of the negative electrode active material particles is coated with a coating layer containing a polymer compound and a conductive aid.
  • the weight ratio of the conductive aid in the coated negative electrode active material particles is 3 to 15% by weight based on the weight of the coated negative electrode active material particles.
  • the negative electrode active material particles include particles made of titanium composite oxide and/or titanium oxide.
  • a titanium composite oxide is a compound containing titanium, oxygen and other elements, and examples thereof include lithium titanate and titanium niobium oxide.
  • As the lithium titanate a spinel type, a ramsdellite type, or the like can be used.
  • Lithium titanate having a spinel crystal structure includes, for example, compounds represented by the general formula Li 4+x Ti 5 O 12 ( ⁇ 1 ⁇ x ⁇ 3).
  • Lithium titanate having a ramsdellite-type crystal structure includes, for example, compounds represented by the general formula Li 2+x Ti 3 O 7 (0 ⁇ x ⁇ 1).
  • Titanium niobium oxides include Li a TiM b Nb 2+c O 7+d (0 ⁇ a ⁇ 5, 0 ⁇ b ⁇ 0.3, ⁇ 0.3 ⁇ c ⁇ 0.3, and ⁇ 0.3 ⁇ d ⁇ 0. 3, and M is one or more elements selected from Fe, V, Mo, and Ta.).
  • Titanium oxide is a compound containing only titanium and oxygen, and includes titanium oxide (TiO) and titanium dioxide (TiO 2 ).
  • the crystal system of titanium dioxide is not particularly limited, and rutile type, anatase type, and brookite type can be used.
  • titanium composite oxides and titanium oxides shown above can be used singly or in combination of two or more.
  • the volume average particle diameter of the negative electrode active material particles is preferably 0.01 to 100 ⁇ m, more preferably 0.1 to 20 ⁇ m, even more preferably 2 to 10 ⁇ m, from the viewpoint of the electrical characteristics of the battery.
  • the coating layer contains a polymer compound and a conductive aid.
  • a polymer compound an ester compound (a11) of a monohydric aliphatic alcohol having 1 to 12 carbon atoms and (meth)acrylic acid [hereinafter referred to as the ester compound (a11)] and an anionic monomer ( It is preferably a polymer of a monomer composition comprising a12).
  • (meth)acrylic acid means acrylic acid and methacrylic acid.
  • the acid value of the polymer compound is preferably 250-800.
  • the acid value of the polymer compound is measured by the method of JIS K 0070-1992, and the acid value of the polymer compound is the content of the anionic monomer (a12) constituting the vinyl monomer contained in the monomer composition. can be adjusted to the above range. Further, it is more preferable that the polymer compound has an acid value of 270-780.
  • the ester compound (a11) is an ester of a monohydric aliphatic alcohol having 1 to 12 carbon atoms and (meth)acrylic acid, and the monohydric aliphatic alcohol having 1 to 12 carbon atoms has 1 to 12 carbon atoms.
  • monohydric branched or straight chain aliphatic alcohols such as methanol, ethanol, propanol (n-propanol, iso-propanol), butyl alcohol (n-butyl alcohol, sec-butyl alcohol, tert-butyl alcohol), pentyl alcohol (n-pentyl alcohol, 2-pentyl alcohol and neopentyl alcohol, etc.), hexyl alcohol (1-hexanol, 2-hexanol and 3-hexanol, etc.), heptyl alcohol (n-heptyl alcohol, 1-methylhexyl alcohol and 2 -methylhexyl alcohol, etc.), octyl alcohol (n-octyl alcohol, 1-methylheptanol, 1-ethylhexanol, 2-methylheptanol and 2-ethylhexanol, etc.), nonyl alcohol (n-nonyl alcohol, 1-methyl octanol, 1-
  • ester compound (a11) examples include methyl (meth)acrylate, propyl (meth)acrylate, butyl (meth)acrylate, 2-methylhexyl (meth)acrylate, and 2-ethylhexyl (meth)acrylate. , dodecyl (meth)acrylate, and more preferably methyl methacrylate, butyl methacrylate, dodecyl methacrylate, and 2-ethylhexyl methacrylate.
  • the anionic monomer (a12) will be explained.
  • the anionic monomer (a12) is a monomer having a radically polymerizable group and an anionic group, and preferable radically polymerizable groups include a vinyl group, an allyl group, a styrenyl group and a (meth) ) acryloyl group and the like, and preferred anionic groups include phosphonic acid group, sulfonic acid group and carboxyl group.
  • Preferred examples of the anionic monomer (a12) include a radically polymerizable unsaturated carboxylic acid having 3 to 9 carbon atoms, a radically polymerizable unsaturated sulfonic acid having 2 to 8 carbon atoms, and a radically polymerizable unsaturated sulfonic acid having 2 to 9 carbon atoms. at least one selected from the group consisting of polyunsaturated phosphonic acids.
  • radically polymerizable unsaturated carboxylic acids having 3 to 9 carbon atoms include radically polymerizable unsaturated aliphatic monocarboxylic acids having 3 to 9 carbon atoms and radically polymerizable unsaturated aromatic monocarboxylic acids having 9 carbon atoms.
  • Examples of radically polymerizable unsaturated aliphatic monocarboxylic acids having 3 to 9 carbon atoms include (meth)acrylic acid, butanoic acid (including substituted butanoic acids such as 2-methylbutanoic acid and 3-methylbutanoic acid), pentenoic acid ( 2-methylpentenoic acid and substituted pentenoic acids such as 3-methylpentenoic acid), hexenoic acid (including substituted hexenoic acids such as 2-methylhexenoic acid and 3-methylhexenoic acid), heptenoic acid (2- (including substituted heptenoic acids such as methylheptenoic acid and 3-methylheptenoic acid) and octenoic acid (including substituted octenoic acids such as 2-methyloctenoic acid and 3-methyloctenoic acid).
  • Examples of radically polymerizable unsaturated aromatic monocarboxylic acids having 9 carbon atoms include 3-phenylpropenoic acid
  • radically polymerizable unsaturated sulfonic acids having 2 to 8 carbon atoms include radically polymerizable unsaturated aliphatic monosulfonic acids having 2 to 8 carbon atoms and radically polymerizable unsaturated aromatic monosulfonic acids having 8 carbon atoms. .
  • Examples of radically polymerizable unsaturated aliphatic monosulfonic acids having 2 to 8 carbon atoms include vinylsulfonic acid (including substituted vinylsulfonic acids such as 1-methylvinylsulfonic acid and 2-methylvinylsulfonic acid), allylsulfonic acid ( (including substituted allylsulfonic acids such as 1-methylallylsulfonic acid and 2-methylallylsulfonic acid anions), butenesulfonic acids (including substituted butenesulfonic acids such as 1-methylbutenesulfonic acid and 2-methylbutenesulfonic acid) ), pentenesulfonic acid (including substituted pentenesulfonic acids such as 1-methylpentenesulfonic acid and 2-methylpentenesulfonic acid), hexenesulfonic acid (substituted 1-methylhexenesulfonic acid and 2-methylhexenesulfonic acid).
  • vinylsulfonic acid including substituted vinylsulf
  • hexenesulfonic acid and heptenesulfonic acid (including substituted heptenesulfonic acids such as 1-methylheptenesulfonic acid and 2-methylheptenesulfonic acid).
  • radically polymerizable unsaturated aromatic monosulfonic acid monomers having 8 carbon atoms include styrenesulfonic acid.
  • Examples of radically polymerizable unsaturated phosphonic acids having 2 to 9 carbon atoms include vinylphosphonic acid, allylphosphonic acid, vinylbenzylphosphonic acid, 1- or 2-phenylethenylphosphonic acid, (meth)acrylamidoalkylphosphonic acid, acrylamidoalkyl diphosphonic acid, phosphonomethylated vinylamine, (meth)acrylic phosphonic acid and the like.
  • a mixture of these anionic monomers may be used.
  • the toughness is improved, and the stress caused by the expansion and contraction of the active material accompanying the deinsertion reaction of lithium ions during charge and discharge is less likely to occur.
  • the anionic monomer (a12) is a radically polymerizable unsaturated carboxylic acid having 3 to 9 carbon atoms, a radically polymerizable unsaturated sulfonic acid having 2 to 8 carbon atoms, and a radically polymerizable unsaturated phosphonic acid having 2 to 9 carbon atoms. It is preferable to use at least two selected from the group consisting of acids in combination, a radically polymerizable unsaturated carboxylic acid having 3 to 9 carbon atoms and a radically polymerizable unsaturated sulfonic acid having 2 to 8 carbon atoms or 2 to 9 carbon atoms. is more preferably used in combination with a radically polymerizable unsaturated phosphonic acid.
  • the content of the ester compound (a11) contained in the polymer compound is 5 to 99 based on the total weight of the ester compound (a11) and the anionic monomer (a12), from the viewpoint of adhesion to the active material. % by weight, more preferably 20 to 80% by weight, and even more preferably 30 to 70% by weight.
  • the content of the anionic monomer (a12) contained in the monomer composition is, from the viewpoint of ion conductivity, the total weight of the ester compound (a11) and the anionic monomer (a12). It is preferably 1 to 99% by weight, more preferably 20 to 80% by weight, still more preferably 30 to 70% by weight, based on the weight.
  • the monomer composition preferably further contains an anionic monomer salt (a13).
  • the polymer compound contains the anionic monomer salt (a13)
  • the internal resistance can be reduced.
  • the anionic monomer salt (a13) will be described.
  • examples of the anion of the anionic monomer constituting the salt of the anionic monomer (a13) include the anions of the same anionic monomers as exemplified for the anionic monomer (a12) above, At least one anion selected from the group consisting of vinylsulfonate anions, allylsulfonate anions, styrenesulfonate anions and (meth)acrylate anions is preferred.
  • the cations constituting the anionic monomer salt (a13) include monovalent inorganic cations, preferably alkali metal cations and ammonium ions, more preferably lithium ions, sodium ions, potassium ions and ammonium ions, Lithium ion is more preferred.
  • the anionic monomer salt (a13) may be used alone or in combination, and when the anionic monomer salt (a13) has a plurality of anions, the cations are lithium ions and sodium ions. , potassium ions and ammonium ions.
  • the content of the ester compound (a11) contained in the monomer composition is from the viewpoint of properties and the like, it is preferably 5 to 95% by weight, more preferably 5 to 95% by weight based on the total weight of the ester compound (a11), the anionic monomer (a12) and the salt of the anionic monomer (a13). is 20 to 80% by weight, more preferably 30 to 70% by weight.
  • the content of the anionic monomer (a12) contained in the monomer composition is from the viewpoint of, the ester compound (a11), the anionic monomer (a12) and the anionic monomer salt (a13) are preferably 10 to 90% by weight based on the total weight, more preferably 20 80% by weight, more preferably 30 to 70% by weight.
  • the content of the anionic monomer salt (a13) contained in the monomer composition is From the viewpoint of resistance etc., it is preferably 0.1 to 10% by weight based on the total weight of the ester compound (a11), the anionic monomer (a12) and the salt of the anionic monomer (a13), More preferably 0.5 to 10% by weight, still more preferably 1 to 10% by weight.
  • Polymer compounds include, for example, known polymerization initiators ⁇ azo initiators [2,2′-azobis(2-methylpropionitrile), 2,2′-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile), 2 , 2'-azobis(2-methylbutyronitrile), 2,2'-azobis(2-methylpropionamidine) dihydrochloride, etc.], peroxide initiators (benzoyl peroxide, di-t-butyl peroxide , lauryl peroxide, etc.), etc.) by known polymerization methods (bulk polymerization, solution polymerization, emulsion polymerization, suspension polymerization, etc.).
  • known polymerization initiators ⁇ azo initiators [2,2′-azobis(2-methylpropionitrile), 2,2′-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile), 2 , 2'-azobis(2-methylbutyronitrile), 2,2'-azobis(2-methylpropionamidine) dihydrochloride, etc.]
  • the amount of the polymerization initiator used is preferably 0.01 to 5% by weight, more preferably 0.05 to 2% by weight, based on the total weight of the monomers, from the viewpoint of adjusting the weight average molecular weight to a preferred range. It is more preferably 0.1 to 1.5% by weight, and the polymerization temperature and polymerization time are adjusted according to the type of polymerization initiator. 30 to 120° C.), and the reaction time is preferably 0.1 to 50 hours (more preferably 2 to 24 hours).
  • solvents used in solution polymerization include esters (having 2 to 8 carbon atoms, such as ethyl acetate and butyl acetate), alcohols (having 1 to 8 carbon atoms, such as methanol, ethanol and octanol), hydrocarbons (having 4 to 8, such as n-butane, cyclohexane and toluene), amides (such as N,N-dimethylformamide (hereinafter abbreviated as DMF)) and ketones (having 3 to 9 carbon atoms, such as methyl ethyl ketone), and the weight average
  • the amount used is preferably 5 to 900% by weight, more preferably 10 to 400% by weight, and still more preferably 30 to 300% by weight, based on the total weight of the monomers.
  • the monomer concentration is preferably 10 to 95% by weight, more preferably 20 to 90% by weight, and still more
  • Dispersion media in emulsion polymerization and suspension polymerization include water, alcohols (eg, ethanol), esters (eg, ethyl propionate), light naphtha, etc.
  • Emulsifiers include higher fatty acid (C10-24) metal salts. (e.g. sodium oleate and sodium stearate), higher alcohol (C10-24) sulfate metal salt (e.g. sodium lauryl sulfate), ethoxylated tetramethyldecyndiol, sodium sulfoethyl methacrylate, dimethylaminomethyl methacrylate, etc. is mentioned.
  • the monomer concentration of the solution or dispersion is preferably 5 to 95% by weight, more preferably 10 to 90% by weight, still more preferably 15 to 85% by weight, and the amount of the polymerization initiator used is based on the total weight of the monomers. is preferably 0.01 to 5% by weight, more preferably 0.05 to 2% by weight.
  • known chain transfer agents such as mercapto compounds (dodecyl mercaptan, n-butyl mercaptan, etc.) and/or halogenated hydrocarbons (carbon tetrachloride, carbon tetrabromide, benzyl chloride, etc.) can be used. .
  • the polymer compound is a cross-linking agent (A') ⁇ preferably a polyepoxy compound (a'1) [polyglycidyl ether (bisphenol A diglycidyl ether, propylene glycol diglycidyl ether and glycerin triglycidyl ether, etc.) and polyglycidylamines (N,N-diglycidylaniline and 1,3-bis(N,N-diglycidylaminomethyl), etc.)] and/or polyol compounds (a' 2) It may be a crosslinked polymer obtained by crosslinking with (ethylene glycol, etc.).
  • a'1 polyglycidyl ether (bisphenol A diglycidyl ether, propylene glycol diglycidyl ether and glycerin triglycidyl ether, etc.) and polyglycidylamines (N,N-diglycidylaniline and 1,3-bis(N,N-diglycidyla
  • Examples of the method for cross-linking the polymer compound using the cross-linking agent (A′) include a method in which the negative electrode active material particles are coated with the polymer compound and then cross-linked. Specifically, the coated negative electrode active material particles are produced by mixing the negative electrode active material particles and a resin solution containing a polymer compound and removing the solvent, and then the solution containing the cross-linking agent (A′) is added to the coated negative electrode active material. There is a method in which solvent removal and cross-linking reaction are caused by mixing with substance particles and heating to cause cross-linking reaction of the polymer compound with the cross-linking agent (A′) on the surface of the negative electrode active material particles.
  • the heating temperature is adjusted according to the type of cross-linking agent, and is preferably 70° C. or higher when using the polyepoxy compound (a′1) as the cross-linking agent, and when using the polyol compound (a′2) It is preferably 120° C. or higher.
  • the weight-average molecular weight of the polymer compound is preferably 20,000 to 96,000 from the viewpoint of adhesiveness with the active material, etc., and the weight-average molecular weight is preferably controlled by setting the polymerization conditions of the polymer within a preferable range. can be a range.
  • the weight average molecular weight of the polymer compound is measured by gel permeation chromatography (hereinafter abbreviated as GPC) under the following conditions.
  • the coating layer contains a conductive aid.
  • the conductive aid is preferably selected from materials having conductivity.
  • Preferable conductive aids include metals [aluminum, stainless steel (SUS), silver, gold, copper, titanium, etc.], carbon [graphite and carbon black (acetylene black, ketjen black, furnace black, channel black, thermal lamp black, carbon nanofibers, etc.), and mixtures thereof.
  • metals aluminum, stainless steel (SUS), silver, gold, copper, titanium, etc.]
  • carbon graphite and carbon black (acetylene black, ketjen black, furnace black, channel black, thermal lamp black, carbon nanofibers, etc.), and mixtures thereof.
  • One of these conductive aids may be used alone, or two or more thereof may be used in combination.
  • these alloys or metal oxides may be used.
  • conductive aids may also be those obtained by coating a conductive material [preferably a metal one of the above-described conductive aids] around a particulate ceramic material or a resin material by plating or the like.
  • the shape (form) of the conductive aid is not limited to a particle form, and may be in a form other than a particle form, such as carbon nanofibers, carbon nanotubes, etc., which are practically used as so-called filler-type conductive aids. may
  • the average particle size of the conductive aid is not particularly limited, it is preferably about 0.01 to 10 ⁇ m from the viewpoint of the electrical characteristics of the battery.
  • the “particle diameter of the conductive additive” means the maximum distance L among the distances between any two points on the outline of the conductive additive.
  • the value of "average particle size” is the average value of the particle size of particles observed in several to several tens of fields of view using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The calculated value shall be adopted.
  • a coated negative electrode active material particle for a lithium ion battery (hereinafter also simply referred to as a coated negative electrode active material particle) is such that at least part of the surface of the negative electrode active material particle is coated with a coating layer containing a polymer compound and a conductive aid. It is a particle that becomes The weight ratio of the polymer compound in the coated negative electrode active material particles is 0.1 to 2% by weight based on the weight of the coated negative electrode active material particles. Also, the weight ratio is preferably 0.3 to 1.0% by weight. The weight ratio of the conductive aid in the coated negative electrode active material particles is 3 to 15% by weight based on the weight of the coated negative electrode active material particles.
  • the weight ratio is preferably 6 to 12% by weight.
  • the negative electrode active material particles contain particles made of a titanium composite oxide and/or titanium oxide, and the weight ratios of the polymer compound and the conductive aid in the coated negative electrode active material particles are both within the above range, the electrode volume The discharge capacity per unit can be increased. Moreover, it is excellent in cycle characteristics.
  • the weight ratio of the polymer compound and the weight ratio of the conductive aid in the coated negative electrode active material particles can be measured by thermogravimetry.
  • the discharge capacity per electrode volume becomes low.
  • the cycle characteristics are not so high even if the negative electrode active material particles are titanium composite oxide and/or titanium oxide.
  • the weight ratio of the polymer compound in the coated negative electrode active material particles exceeds 2% by weight, the discharge capacity per electrode volume becomes low.
  • the weight ratio of the conductive aid in the coated negative electrode active material particles is less than 3% by weight, the discharge capacity per electrode volume will be low.
  • the cycle characteristics are not so high even if the negative electrode active material particles are titanium composite oxide and/or titanium oxide.
  • the discharge capacity per electrode volume becomes low.
  • the method for producing the coated negative electrode active material particles for a lithium ion battery disclosed below is not particularly limited, but is produced by mixing the negative electrode active material particles, the polymer compound and the conductive aid, and then removing the solvent. be able to.
  • the order in which the negative electrode active material particles, the polymer compound, and the conductive aid are mixed is not particularly limited. Further mixing may be performed, the negative electrode active material particles, the polymer compound and the conductive aid may be mixed at the same time, or the negative electrode active material particles may be mixed with the polymer compound and further mixed with the conductive aid. good.
  • the coated negative electrode active material particles described above can be obtained by coating the negative electrode active material particles with a polymer compound.
  • a resin solution containing a polymer compound is dropped and mixed over 1 to 90 minutes, and if necessary, a conductive agent is mixed, and the temperature is raised to 50 to 200° C. while stirring to 0.007 to 0.04 MPa. It can be obtained by holding for 10 to 150 minutes after reducing the pressure.
  • the lithium ion battery negative electrode disclosed below has the above-described coated negative electrode active material particles.
  • the lithium ion battery negative electrode described above preferably includes a negative electrode active material layer containing coated negative electrode active material particles, an electrolytic solution containing an electrolyte and a solvent, and a negative electrode current collector.
  • the negative electrode active material layer includes coated negative electrode active material particles and an electrolytic solution.
  • the electrolytic solution contains an electrolyte and a solvent.
  • electrolytes used in known electrolytic solutions can be used.
  • Lithium salts of organic anions such as (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 and LiC(CF 3 SO 2 ) 3 are included.
  • LiN(FSO 2 ) 2 is preferable from the viewpoint of battery output and charge/discharge cycle characteristics.
  • non-aqueous solvents used in known electrolytic solutions can be used.
  • amide compounds, sulfones, sulfolane and mixtures thereof can be used.
  • lactone compounds examples include 5-membered ring ( ⁇ -butyrolactone, ⁇ -valerolactone, etc.) and 6-membered ring ( ⁇ -valerolactone, etc.) lactone compounds.
  • Cyclic carbonates include propylene carbonate, ethylene carbonate (EC) and butylene carbonate (BC).
  • Chain carbonates include dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), diethyl carbonate (DEC), methyl-n-propyl carbonate, ethyl-n-propyl carbonate and di-n-propyl carbonate.
  • DMC dimethyl carbonate
  • MEC methyl ethyl carbonate
  • DEC diethyl carbonate
  • methyl-n-propyl carbonate ethyl-n-propyl carbonate
  • di-n-propyl carbonate ethyl-n-propyl carbonate
  • Chain carboxylic acid esters include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate and methyl propionate.
  • Cyclic ethers include tetrahydrofuran, tetrahydropyran, 1,3-dioxolane and 1,4-dioxane.
  • Chain ethers include dimethoxymethane and 1,2-dimethoxyethane.
  • Phosphate esters include trimethyl phosphate, triethyl phosphate, ethyldimethyl phosphate, diethylmethyl phosphate, tripropyl phosphate, tributyl phosphate, tri(trifluoromethyl) phosphate, tri(trichloromethyl) phosphate, Tri(trifluoroethyl) phosphate, tri(triperfluoroethyl) phosphate, 2-ethoxy-1,3,2-dioxaphospholan-2-one, 2-trifluoroethoxy-1,3,2- dioxaphospholan-2-one, 2-methoxyethoxy-1,3,2-dioxaphospholan-2-one and the like.
  • Acetonitrile etc. are mentioned as a nitrile compound.
  • DMF etc. are mentioned as an amide compound.
  • Sulfones include dimethylsulfone, diethylsulfone, and the like.
  • One of these solvents may be used alone, or two or more thereof may be used in combination.
  • the concentration of the electrolyte in the electrolytic solution is preferably 1.2 to 5.0 mol/L, more preferably 1.5 to 4.5 mol/L, and 1.8 to 4.0 mol/L. more preferably 2.0 to 3.5 mol/L.
  • the negative electrode active material layer may further contain a conductive support agent in addition to the conductive support agent contained in the coating layer of the coated negative electrode active material particles described above. It can be distinguished in that the conductive aid contained in the coating layer is integrated with the coated negative electrode active material particles, whereas the conductive aid contained in the negative electrode active material layer is contained separately from the coated negative electrode active material particles.
  • the conductive aid that the negative electrode active material layer may contain, those described in ⁇ Coated Negative Electrode Active Material Particles for Lithium Ion Battery> can be used.
  • the negative electrode active material layer preferably does not contain a binder.
  • the binder means an agent that cannot reversibly fix the coated negative electrode active material particles together and the coated negative electrode active material particles and the current collector, and includes starch, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, and carboxymethyl cellulose. , polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, styrene-butadiene rubber, polyethylene, polypropylene, and other known solvent-drying binders for lithium ion batteries.
  • binders are used by being dissolved or dispersed in a solvent, and are solidified by volatilizing and distilling off the solvent to irreversibly bind the coated negative electrode active material particles together and the coated negative electrode active material particles and the current collector. is fixed to
  • the negative electrode active material layer may contain an adhesive resin.
  • the tacky resin means a resin that does not solidify and has tackiness even when the solvent component is volatilized and dried, and is a material different from the binder. Further, while the coating layer constituting the coated negative electrode active material particles is fixed to the surfaces of the negative electrode active material particles, the adhesive resin reversibly fixes the surfaces of the negative electrode active material particles to each other. The adhesive resin can be easily separated from the surface of the negative electrode active material particles, but the coating layer cannot be easily separated. Therefore, the coating layer and the adhesive resin are different materials.
  • the adhesive resin contains at least one low Tg monomer selected from the group consisting of vinyl acetate, 2-ethylhexyl acrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, butyl acrylate and butyl methacrylate as an essential constituent monomer. is 45% by weight or more based on the total weight of the constituent monomers.
  • the adhesive resin it is preferable to use 0.01 to 10% by weight of the adhesive resin with respect to the total weight of the negative electrode active material particles.
  • the thickness of the negative electrode active material layer is preferably 150 to 600 ⁇ m, more preferably 200 to 450 ⁇ m.
  • the negative electrode active material layer may contain other types of negative electrode active material particles in addition to the coated negative electrode active material particles described above.
  • Other types of negative electrode active material particles include carbon-based negative electrode active material particles and silicon-based negative electrode active material particles. These other types of negative electrode active material particles can be blended within a range that does not affect the cycle characteristics of the battery. Further, the other types of negative electrode active material particles may be coated negative electrode active material particles.
  • a negative electrode for a lithium ion battery preferably includes a negative electrode current collector, and a negative electrode active material layer is provided on the surface of the negative electrode current collector.
  • Materials constituting the negative electrode current collector include metallic materials such as copper, aluminum, titanium, stainless steel, nickel and alloys thereof, baked carbon, conductive polymer materials, conductive glass, and the like.
  • the shape of the negative electrode current collector is not particularly limited.
  • the lithium ion battery negative electrode described above includes a resin current collector made of a conductive polymer material, and a negative electrode active material layer is provided on the surface of the resin current collector.
  • the conductive polymer material constituting the resin current collector for example, a resin to which a conductive material is added can be used.
  • the conductive material that constitutes the conductive polymer material the same materials as the conductive aid, which is an optional component of the coating layer, can be preferably used.
  • resins constituting the conductive polymer material include polyethylene (PE), polypropylene (PP), polymethylpentene (PMP), polycycloolefin (PCO), polyethylene terephthalate (PET), polyethernitrile (PEN), poly Tetrafluoroethylene (PTFE), styrene butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinylidene fluoride (PVdF), epoxy resin, silicone resin or mixtures thereof etc.
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • PMP polymethylpentene
  • PCO polycycloolefin
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethernitrile
  • PTFE poly Tetrafluoroethylene
  • SBR polyacrylonitrile
  • PAN polymethyl acrylate
  • PMA polymethyl methacrylate
  • PVdF polyvinylidene fluoride
  • polyethylene (PE), polypropylene (PP), polymethylpentene (PMP) and polycycloolefin (PCO) are preferred, and polyethylene (PE), polypropylene (PP) and polymethylpentene are more preferred.
  • PMP polyethylene
  • the resin current collector can be obtained by known methods described in JP-A-2012-150905, WO 2015/005116, and the like.
  • the thickness of the negative electrode current collector is not particularly limited, it is preferably 5 to 150 ⁇ m.
  • the negative electrode for a lithium ion battery described above is produced, for example, by applying a powder (negative electrode precursor) obtained by mixing the above-described coated negative electrode active material particles and, if necessary, a conductive aid, etc. to a negative electrode current collector and pressing it with a press. It can be produced by injecting an electrolytic solution after forming a negative electrode active material layer.
  • the negative electrode precursor may be applied onto a release film and pressed to form a negative electrode active material layer, the negative electrode active material layer may be transferred to the negative electrode current collector, and then the electrolytic solution may be injected.
  • the lithium ion battery disclosed below has the lithium ion battery negative electrode described above.
  • the lithium ion battery described above preferably includes the lithium ion battery negative electrode described above, a separator, and a positive electrode.
  • Separators include porous films made of polyethylene or polypropylene, laminated films of porous polyethylene film and porous polypropylene, non-woven fabrics made of synthetic fibers (polyester fibers, aramid fibers, etc.) or glass fibers, and silica on their surfaces. , alumina, titania, and other known separators for lithium ion batteries.
  • the positive electrode preferably includes a positive electrode active material layer and a positive electrode current collector.
  • the positive electrode active material layer contains positive electrode active material particles.
  • LiNiPO 4 transition metal oxides (eg MnO 2 and V 2 O 5 ), transition metal sulfides (eg MoS 2 and TiS 2 ) and conductive polymers (eg polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene and poly-p- phenylene and polyvinylcarbazole) and the like, and two or more of them may be used in combination.
  • the lithium-containing transition metal phosphate may have a transition metal site partially substituted with another transition metal.
  • the volume average particle diameter of the positive electrode active material particles is preferably 0.01 to 100 ⁇ m, more preferably 0.1 to 35 ⁇ m, and further preferably 2 to 30 ⁇ m, from the viewpoint of the electrical characteristics of the battery. preferable.
  • the positive electrode active material particles may be coated positive electrode active material particles in which at least part of the surface is coated with a coating layer containing a polymer compound. When the positive electrode active material particles are covered with the coating layer, the volume change of the positive electrode is moderated, and the expansion of the positive electrode can be suppressed.
  • the same coating layer as described for the coated negative electrode active material particles for lithium ion batteries can be suitably used.
  • the positive electrode active material layer preferably does not contain a binder.
  • the binder means the one described for the negative electrode.
  • the positive electrode active material layer may contain an adhesive resin.
  • the adhesive resin the same adhesive resin as an optional component of the negative electrode active material layer can be preferably used.
  • the positive electrode active material layer may contain a conductive aid.
  • a conductive aid a conductive material similar to the conductive filler contained in the negative electrode active material layer can be preferably used.
  • the weight ratio of the conductive aid in the positive electrode active material layer is preferably 2 to 10% by weight.
  • the positive electrode active material layer may contain an electrolytic solution.
  • the electrolytic solution those described for the negative electrode active material layer can be appropriately selected and used.
  • the thickness of the positive electrode active material layer is not particularly limited, it is preferably 150 to 600 ⁇ m, more preferably 200 to 450 ⁇ m, from the viewpoint of battery performance.
  • the positive electrode current collector a known metal current collector and a resin current collector composed of a conductive resin composition containing a conductive material and a resin (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-150905 and International Publication No. 2015/005116 etc.) can be used.
  • the positive electrode current collector is preferably a resin current collector from the viewpoint of battery characteristics and the like.
  • the thickness of the positive electrode current collector is not particularly limited, it is preferably 5 to 150 ⁇ m.
  • the positive electrode can be produced, for example, by a method of applying a mixture containing positive electrode active material particles and an electrolytic solution to the surface of a positive electrode current collector or a substrate and removing excess electrolytic solution.
  • the positive electrode active material layer may be combined with the positive current collector by a method such as transfer.
  • the mixture may contain a conductive aid, an adhesive resin, and the like, if necessary.
  • the lithium ion battery described above can be manufactured, for example, by stacking the positive electrode, the separator and the negative electrode for a lithium ion battery in this order, and then injecting an electrolytic solution as necessary.
  • a solution of 7 parts dissolved in 29.15 parts of DMF and a solution of initiator dissolved in 29.15 parts of DMF were continuously added dropwise over 2 hours with stirring into a four-necked flask with a dropping funnel to carry out radical polymerization. After the dropwise addition was completed, the reaction was continued at 75° C. for 3 hours. Then, the temperature was raised to 80° C., and an initiator solution prepared by dissolving 1.7 parts of 2,2′-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile) in 29.15 parts of DMF was again stirred with a dropping funnel for 2 hours. dripped continuously. After dropping, the reaction was continued for 3 hours to obtain a solution of polymer compound A with a resin concentration of 30%.
  • a monomer composition containing 4.0 parts of lithium methacrylate and 20 parts of DMF, 0.6 parts of 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile) and 2,2′-azobis (2 -Methylbutyronitrile) was dissolved in 10.0 parts of DMF and an initiator solution was continuously added dropwise over 2 hours with a dropping funnel while blowing nitrogen into a four-necked flask. Radical polymerization was performed. After completion of dropping, the temperature was raised to 80° C. and the reaction was continued for 5 hours to obtain a solution of polymer compound C with a resin concentration of 50%.
  • LiPF 6 was dissolved at a ratio of 1 mol/L in a mixed solvent of ethylene carbonate and propylene carbonate (volume ratio 1:1) to prepare an electrolytic solution for a lithium ion battery.
  • the materials used for producing the coated negative electrode active material particles are as follows.
  • LTO Lithium titanate
  • TNO Titanium niobium oxide
  • HC Hard carbon (conductive aid)
  • AB Acetylene black KB: Ketjen black
  • CNF Carbon nanofiber
  • Examples 18-28, Comparative Examples 5-13 The negative electrode active material particles were placed in a universal mixer High Speed Mixer FS25 [manufactured by Earthtechnica Co., Ltd.], and while stirring at room temperature and 720 rpm, the solution of the polymer compound was added dropwise over 2 minutes, followed by further stirring for 5 minutes. . Then, while being stirred, the conductive additive was added in portions over 26 minutes, and the stirring was continued for 30 minutes. Thereafter, the pressure was reduced to 0.01 MPa while maintaining stirring, then the temperature was raised to 140°C while stirring and the degree of pressure reduction were maintained, and the volatile matter was distilled off while maintaining the stirring, the degree of pressure reduction, and the temperature for 8 hours. .
  • the obtained powder was classified with a sieve having an opening of 212 ⁇ m to obtain coated negative electrode active material particles.
  • Table 3 shows the blending ratio (% by weight) of each material used for producing the coated negative electrode active material particles. In Comparative Examples 5 to 7, no polymer compound was used, so no coating layer was formed. Therefore, these particles cannot be regarded as coated negative electrode active material particles.
  • the step of adding 0.14 g of the electrolyte and mixing for 1 minute at 1500 rpm was repeated twice, and a total of 0.28 g of the electrolyte was added to obtain a negative electrode composition.
  • 0.055 g of the above negative electrode composition was weighed, placed in a cylindrical bottomed container having an inner diameter of 15 mm, and compressed by a pressure device to obtain a cylindrical negative electrode active material layer.
  • ⁇ Cycle characteristics evaluation> A 1 mm thick PP sheet (manufactured by AS ONE) was cut into a 2 cm square, and a hole of ⁇ 18 mm was provided in the center.
  • the prepared negative electrode active material layer and the Li foil cut to ⁇ 15 mm are placed on both electrodes with a PP separator (manufactured by Celgard) of ⁇ 18 mm sandwiched between them.
  • the electrolytic solution is injected so that the volume of the voids in the negative electrode active material layer and the separator is 110% by volume, and the resin current collector and copper foil are placed on the outside of the negative electrode active material layer and the Li foil, respectively.
  • a piece cut into 2 cm squares was arranged.
  • the lithium ion batteries produced using the coated negative electrode active material particles for lithium ion batteries of Examples have a sufficiently high discharge capacity per electrode volume and a high discharge capacity retention rate. Recognize.
  • Examples 27 and 28 in which titanium niobium oxide was used as the negative electrode active material the discharge capacity per electrode volume was particularly high.
  • Comparative Examples 5 and 6 did not use a polymer compound, and the discharge capacity and the discharge capacity retention rate were low.
  • Comparative Example 7 used neither a polymer compound nor a conductive aid, and did not function as a negative electrode. In Comparative Example 8, the content of the conductive aid was too small, and the discharge capacity per electrode volume was low.
  • Comparative Examples 9 and 10 the content of the conductive aid was too large, and the discharge capacity per electrode volume was low.
  • Comparative Example 11 the amount of polymer compound used was too small, and the discharge capacity per electrode volume was low.
  • Comparative Example 12 the amount of the polymer compound used was too large, and the amount of the conductive aid used was too large, resulting in a low discharge capacity per electrode volume. Since Comparative Example 13 uses a carbon-based negative electrode active material as the negative electrode active material, the discharge capacity retention rate is low.
  • a resin current collector for a lithium ion battery made of a resin composition containing a matrix resin and a conductive filler,
  • the conductive filler is an inorganic metal compound
  • a resin current collector for a lithium ion battery wherein the conductive filler has a volume resistivity of 50 ⁇ cm to 1 ⁇ cm.
  • the resin current collector for a lithium ion battery according to (1-1) wherein the conductive filler has a volume average particle size of 1 to 15 ⁇ m.
  • Resin current collector for ion batteries. (1-4) The resin current collector for lithium ion batteries according to any one of (1-1) to (1-3), wherein the conductive filler is an inorganic metal compound containing titanium or copper.
  • the matrix resin is a resin soluble in at least one selected from the group consisting of N,N-dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone and xylene (1-1) to (1- 4)
  • the resin current collector for a lithium ion battery according to any one of items 4).
  • a lithium ion battery comprising the resin current collector for a lithium ion battery according to any one of (1-1) to (1-5).
  • a method for producing a resin current collector for a lithium ion battery comprising, after the coating step, a drying step of drying the substrate coated with the resin composition slurry,
  • the conductive filler is an inorganic metal compound, A method for producing a resin current collector for a lithium ion battery, wherein the conductive filler has a volume resistivity of 50 ⁇ cm to 1 ⁇ cm.
  • a coated negative electrode active material particle for a lithium ion battery in which at least part of the surface of the negative electrode active material particle is coated with a coating layer containing a polymer compound and a conductive aid,
  • the negative electrode active material particles contain particles made of titanium composite oxide and / or titanium oxide,
  • the weight ratio of the polymer compound in the coated negative electrode active material particles is 0.1 to 2% by weight based on the weight of the coated negative electrode active material particles
  • Coated negative electrode active material particles for lithium ion batteries wherein the weight ratio of the conductive aid in the coated negative electrode active material particles is 3 to 15% by weight based on the weight of the coated negative electrode active material particles.
  • (2-2) The coated negative electrode active material particles for lithium ion batteries according to (2-1), wherein the polymer compound has an acid value of 250 to 800.
  • (2-3) A negative electrode for lithium ion batteries comprising the coated negative electrode active material particles for lithium ion batteries according to (2-1) or (2-2).
  • (2-4) A lithium ion battery having the lithium ion battery negative electrode according to (2-3).
  • the resin current collector for lithium ion batteries of the present invention is particularly useful as a current collector for lithium ion batteries used in stationary power sources, mobile phones, personal computers, hybrid vehicles, and electric vehicles.

Abstract

マトリックス樹脂及び導電性フィラーを含む樹脂組成物からなるリチウムイオン電池用樹脂集電体であって、前記導電性フィラーが無機金属化合物であり、前記導電性フィラーの体積抵抗率が50μΩcm~1Ωcmであることを特徴とするリチウムイオン電池用樹脂集電体。

Description

リチウムイオン電池用樹脂集電体、リチウムイオン電池及びリチウムイオン電池用樹脂集電体の製造方法
本発明は、リチウムイオン電池用樹脂集電体、リチウムイオン電池及びリチウムイオン電池用樹脂集電体の製造方法に関する。
リチウムイオン電池は、高エネルギー密度、高出力密度が達成できる二次電池として、近年様々な用途に多用されており、より高性能のリチウムイオン電池を開発するために種々の材料が検討されている。
リチウムイオン電池は、高エネルギー密度、高出力密度であるがゆえに、電池が破損した際に火災が起こるリスクが高い。このため異常時における電池の安全性、信頼性を高める検討が種々なされてきた(特許文献1,2)。
近年、このようなリチウムイオン電池の集電体として金属箔に代わって樹脂及び導電性フィラーを含有する樹脂集電体用材料、並びに、該樹脂集電体用材料からなる樹脂集電体が提案されている(特許文献3)。
樹脂集電体は、短絡しても樹脂集電体自体の抵抗が大きいので短絡部位に向かって大電流が流れることはなく、急激な温度上昇が発生しないため発火も起きないという安全性のメリットがある。
しかしながら、導電性フィラーに炭素材料を用いる従来の樹脂集電体には、充放電に伴うリチウムイオンの出入りで導電性フィラーが膨潤、収縮することにより、樹脂集電体に体積変化が起きて導電パスが切断され、導電性が低下する等の劣化が生じるという課題があった。また、導電性フィラーにニッケル等の金属フィラーを用いる従来の樹脂集電体には、充電時又は時間の経過と共に金属フィラーが酸化あるいは合金化して、樹脂集電体の電気抵抗値(貫通抵抗値)が高くなることにより、電池性能を悪化させるという課題があった。
特開2012-150896号公報 特開2013-201062号公報 国際公開第2015/005116号
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、十分な導電性を有し、かつ充放電を繰り返しても電気抵抗値が悪化(上昇)しにくいリチウムイオン電池用樹脂集電体を提供することを目的とする。
本発明者らは、鋭意検討した結果、特定の無機金属化合物を導電性フィラーとして用いることで、前記課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。
 すなわち、本発明は、マトリックス樹脂及び導電性フィラーを含む樹脂組成物からなるリチウムイオン電池用樹脂集電体であって、前記導電性フィラーが無機金属化合物であり、前記導電性フィラーの体積抵抗率が50μΩcm~1Ωcmであることを特徴とするリチウムイオン電池用樹脂集電体;前記リチウムイオン電池用樹脂集電体を備えるリチウムイオン電池;及び前記リチウムイオン電池用樹脂集電体の製造方法である。
本発明によれば、十分な導電性を有し、かつ充放電を繰り返しても電気抵抗値が悪化(上昇)しにくいリチウムイオン電池用樹脂集電体を提供することができる。
[リチウムイオン電池用樹脂集電体]
 本発明は、マトリックス樹脂及び導電性フィラーを含む樹脂組成物からなるリチウムイオン電池用樹脂集電体であって、前記導電性フィラーが無機金属化合物であり、前記導電性フィラーの体積抵抗率が50μΩcm~1Ωcmであることを特徴とするリチウムイオン電池用樹脂集電体である。
(マトリックス樹脂)
マトリックス樹脂としては、特に制限はなく、ポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、フッ素樹脂又はこれらの混合物等が挙げられる。
前記マトリックス樹脂は、エチレン、プロピレン、スチレンクロロエチレン、トリクロロエチレン、フッ化ビニル、塩化ビニル、酢酸ビニル、塩化ビニリデン、(メタ)アクリロニトリル、フッ化ビニリデン、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸プロピル、(メタ)アクリル酸ブチル、(メタ)アクリル酸ヘキシル、(メタ)アクリル酸オクチル、(メタ)アクリル酸2-メチルヘキシル、(メタ)アクリル酸2-エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸デシル、(メタ)アクリル酸ドデシル、2,2-ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]プロパン、ピロメリット酸(無水物)、2-クロロ-1,4-フェニレンジアミン、4,4’-ジアミノジフェニルエーテル、テレフタロイルクロライド、2,6-ジメチルフェニレンオキサイド、スチレン、4,4-ジクロロベンゾフェノン、2,6-ジメチル-1,4-フェニレンエーテル、テトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデン等を単量体として重合することで得られる。
前記マトリックス樹脂は、1種単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。
なお、(メタ)アクリル酸とは、アクリル酸及びメタクリル酸を意味し、(メタ)アクリロニトリルとは、アクリロニトリル及びメタクリロニトリルを意味し、ピロメリット酸(無水物)とは、ピロメリット酸及びピロメリット酸無水物を意味する。
 前記マトリックス樹脂は、集電体製造の観点から、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン及びキシレンからなる群より選ばれる少なくとも1種に溶解する樹脂であることが好ましい。
 N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド及びN-メチルピロリドンに溶解する樹脂としては、ポリアミド樹脂等が挙げられる。キシレンに溶解する樹脂としては、ポリオレフィン樹脂等が挙げられる。
 本明細書において、樹脂が溶媒に溶解するかの判断については、140℃で溶媒100gに対して樹脂が2g以上溶解した場合に、樹脂が当該溶媒に溶解するものと判断する。
前記マトリックス樹脂の重量平均分子量としては、特に限定されないが、成形性及び樹脂強度の観点から、5万~100万であることが好ましく、10万~50万であることがより好ましい。
なお、本明細書中において、重量平均分子量は、ゲルパーミエイションクロマトグラフィー(GPC)法により測定した重量平均分子量を意味する。測定条件としては、以下の通りである。
装置:高温ゲルパーミエイションクロマトグラフ[「Alliance GPC V2000」、Waters(株)製]
溶媒:オルトジクロロベンゼン
基準物質:ポリスチレン
サンプル濃度:3mg/ml
カラム固定相:PLgel 10μm、MIXED-B 2本直列[ポリマーラボラトリーズ(株)製]
カラム温度:135℃
前記マトリックス樹脂を得る方法としては、特に制限はなく、上述した材料を公知の方法により重合する等により得ることができる。
 マトリックス樹脂の含有量は、集電体強度の観点から、前記リチウムイオン電池用樹脂集電体の重量を基準として、20~70重量%が好ましく、20~55重量%がより好ましく、20~40重量%が特に好ましい。
(導電性フィラー)
 本発明における導電性フィラーは、無機金属化合物であり、かつ前記導電性フィラーの体積抵抗率が50μΩcm~1Ωcmである。
 前記導電性フィラーの体積抵抗率が50μΩcm未満であると電池が何らかの事情で損傷した時の安全性を担保することが困難となり、前記導電性フィラーの体積抵抗率が1Ωcmを超えると集電体として必要な導電性を維持することができなくなる。
 本明細書における無機金属化合物は、金属元素と非金属元素を含む化合物である。
 金属元素としては、銅、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、クロム、モリブデン、タンタル等が挙げられる。
 非金属元素としては、炭素、窒素、硫黄、フッ素、リン、臭素、ヨウ素等が挙げられる。
 無機金属化合物の具体例としては、炭化チタン、硫化銅(I)、硫化銅(II)、炭化ジルコニウム、炭化バナジウム、窒化バナジウム、炭化ニオブ、窒化ニオブ、炭化クロム、炭化モリブデン、炭化タンタル、炭化モリブデン、窒化チタン、窒化クロム等が挙げられる。これらのうちリチウムイオン吸蔵のしにくさの観点から好ましいのは、チタン又はモリブデンを含む無機金属化合物であり、より好ましいのは炭化チタン、炭化モリブデン、窒化チタンである。
 本明細書中において、導電性フィラーの体積抵抗率は、以下の方法で測定した体積抵抗率(Ω・cm)を意味する。
Φ20の電気抵抗測定治具内に導電性フィラーを入れて20kNの荷重をかけた状態で、電気抵抗測定器(ロレスタPAシステムMCP-PD51、日東精工製)及び抵抗計(ロレスタ-GX MCP-T700、日東精工製)を用いて、導電性フィラーの体積抵抗率(Ω・cm)を測定する。
 前記導電性フィラーの体積平均粒子径は、電池の電気特性及びフィルム成型性の観点から、0.1~15μmであることが好ましく、1~15μmであることがより好ましく、1~8μmであることがさらに好ましく、1~3μmであることがよりさらに好ましい。
 本明細書において、体積平均粒子径は、マイクロトラック法(レーザー回折・散乱法)によって求めた粒度分布における積算値50%での粒径(Dv50)を意味する。マイクロトラック法とは、レーザー光を粒子に照射することによって得られる散乱光を利用して粒度分布を求める方法である。なお、体積平均粒子径の測定には、日機装(株)製のマイクロトラック等を用いることができる。
 前記導電性フィラーの重量割合は、集電体の導電性及び電池のエネルギー密度の観点から、リチウムイオン電池用樹脂集電体の重量を基準として30~80重量%であることが好ましく、45~80重量%であることがより好ましく、60~80重量%であることが特に好ましい。
(その他の成分)
本発明のリチウムイオン電池用樹脂集電体は、必要に応じて、その他の成分を含んでもよい。
その他の成分としては、分散剤、着色剤、紫外線吸収剤、可塑剤(フタル酸骨格含有化合物、トリメリット酸骨格含有化合物、リン酸基含有化合物及びエポキシ骨格含有化合物等)等が挙げられる。
分散剤としては、三洋化成工業(株)製ユーメックスシリーズ、東洋紡(株)製ハードレンシリーズ、トーヨータックシリーズ、サンノプコ社製SNスパース70等を用いることができる。
着色剤、紫外線吸収剤及び可塑剤等は、公知のものを適宜選択して用いることができる。
その他の成分の合計含有量は、リチウムイオン電池用樹脂集電体の重量を基準として0.001~5重量%であることが好ましい。
本発明のリチウムイオン電池用樹脂集電体の厚さは特に限定されないが、5~150μmであることが好ましく、20~100μmであることがより好ましく、30~50μmであることが特に好ましい。
[リチウムイオン電池用樹脂集電体の製造方法]
本発明のリチウムイオン電池用樹脂集電体の製造方法は、マトリックス樹脂、導電性フィラー及び溶媒を含む樹脂組成物スラリーを基材表面に塗工する塗工工程と、前記塗工工程の後に、前記樹脂組成物スラリーが塗工された前記基材を乾燥する乾燥工程とを有するリチウムイオン電池用樹脂集電体の製造方法であって、前記導電性フィラーが無機金属化合物であり、前記導電性フィラーの体積抵抗率が50μΩcm~1Ωcmであることを特徴とする。
 前記マトリックス樹脂及び前記導電性フィラーとしては、前述した材料を使用できる。
前記溶媒としては、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族系溶媒、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、1-メトキシ-2-プロパノール等のセロソルブ系溶媒、ジアセトンアルコール、アセトン、シクロヘキサノン、メチルエチルケトン、4-メチル-2-ペンタノン、シクロヘキサノン、エチルシクロヘキサノン、1,2-ジメチルシクロヘキサン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン等のケトン系溶媒、乳酸メチル、乳酸エチル等のエステル系溶媒、2,2,3,3-テトラフルオロ-1-プロパノール、塩化メチレン、クロロホルム等のハロゲン含有溶媒、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル系溶媒、1-ペンタノール、1-ブタノール等のアルコール系溶媒を挙げることができる。前記溶媒は単独であるいは2種以上併用して使用することができる。
これらのうち、製造安定性の観点から、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン又はキシレンが好ましい。
 前記基材としては、特に制限はないが、ポリエチレンテレフタレート、フッ素系樹脂、紙、金属、ガラス板、ポリエステルフィルム、ポリ塩化ビニルフィルム等の表面平滑な離型性基材等が挙げられる。
 前記塗工工程は、前記基材の表面上にバーコーター、Tダイ、バー付きTダイ、ドクターナイフ、メイア・バー、ロール・コーター、ダイ・コーター等を用いて、又はスプレー、刷毛刷り、ロール、スピンコート、ディッピング等により厚さが均一になるように塗工される。また、1回の塗工で所望の膜厚が得られない場合は、繰り返し塗工することもできる。
 前記乾燥工程については、特に制限はなく一般的に用いられる方法、例えば、前記樹脂組成物スラリーが塗工された前記基材を、多数のローラーを介して乾燥炉中を通過させる方法、オーブン中で乾燥する方法等が実施できる。乾燥温度は、用いるマトリックス樹脂の融点よりも10~100℃低い温度であることが好ましく、50~80℃低い温度であることがより好ましい。また、乾燥時間は、2~10時間であることが好ましく、5~8時間であることがより好ましい。
本発明のリチウムイオン電池用樹脂集電体は、また、以下の方法でも製造することができる。
マトリックス樹脂、導電性フィラー、及び、必要に応じてその他の成分を混合することにより、樹脂組成物を得る。
混合の方法としては、導電性フィラーのマスターバッチを得てから、さらにマトリックス樹脂と混合する方法、及び、全ての原料を一括して混合する方法等があり、その混合にはペレット状又は粉体状の成分を適切な公知の混合機、例えばニーダー、インターナルミキサー、バンバリーミキサー及びロールを用いることができる。
混合時の各成分の添加順序には特に限定はない。得られた混合物は、さらにペレタイザーなどによりペレット化又は粉末化してもよい。
得られた樹脂組成物を例えばフィルム状に成形することにより、リチウムイオン電池用樹脂集電体が得られる。フィルム状に成形する方法としては、Tダイ法、インフレーション法及びカレンダー法等の公知のフィルム成形法が挙げられる。なお、リチウムイオン電池用樹脂集電体は、フィルム成形以外の成形方法によっても得ることができる。
[リチウムイオン電池]
 本発明のリチウムイオン電池は、本発明のリチウムイオン電池用樹脂集電体を備える。
本発明のリチウムイオン電池用樹脂集電体は、公知のリチウムイオン電池に適用することができる。
すなわち、正極活物質、負極活物質、電解液及びセパレータ等の材料としては、公知の材料を使用することができる。
なお、正極活物質は、正極活物質がアクリル系樹脂等の樹脂で被覆された被覆正極活物質であってもよく、負極活物質は、負極活物質がアクリル系樹脂等の樹脂で被覆された被覆負極活物質であってもよい。
 正極活物質としては、リチウムと遷移金属との複合酸化物{遷移金属が1種である複合酸化物(LiCoO、LiNiO、LiAlMnO、LiMnO及びLiMn等)、遷移金属元素が2種である複合酸化物(例えばLiFeMnO、LiNi1-xCo、LiMn1-yCo、LiNi1/3Co1/3Al1/3及びLiNi0.8Co0.15Al0.05)及び遷移金属元素が3種以上である複合酸化物[例えばLiMM’M’’(M、M’及びM’’はそれぞれ異なる遷移金属元素であり、a+b+c=1を満たす。例えばLiNi1/3Mn1/3Co1/3)等]等}、リチウム含有遷移金属リン酸塩(例えばLiFePO、LiCoPO、LiMnPO及びLiNiPO)、遷移金属酸化物(例えばMnO及びV)、遷移金属硫化物(例えばMoS及びTiS)及び導電性高分子(例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン及びポリ-p-フェニレン及びポリビニルカルバゾール)等が挙げられ、2種以上を併用してもよい。
 なお、リチウム含有遷移金属リン酸塩は、遷移金属サイトの一部を他の遷移金属で置換したものであってもよい。
 また、負極活物質としては、炭素系材料[黒鉛、難黒鉛化性炭素、アモルファス炭素、樹脂焼成体(例えばフェノール樹脂及びフラン樹脂等を焼成し炭素化したもの等)、コークス類(例えばピッチコークス、ニードルコークス及び石油コークス等)及び炭素繊維等]、珪素系材料[珪素、酸化珪素(SiO)、珪素-炭素複合体(炭素粒子の表面を珪素及び/又は炭化珪素で被覆したもの、珪素粒子又は酸化珪素粒子の表面を炭素及び/又は炭化珪素で被覆したもの並びに炭化珪素等)及び珪素合金(珪素-アルミニウム合金、珪素-リチウム合金、珪素-ニッケル合金、珪素-鉄合金、珪素-チタン合金、珪素-マンガン合金、珪素-銅合金及び珪素-スズ合金等)等]、導電性高分子(例えばポリアセチレン及びポリピロール等)、金属(スズ、アルミニウム、ジルコニウム及びチタン等)、金属酸化物(チタン酸化物及びリチウム・チタン酸化物等)及び金属合金(例えばリチウム-スズ合金、リチウム-アルミニウム合金及びリチウム-アルミニウム-マンガン合金等)等及びこれらと炭素系材料との混合物等が挙げられる。
 上記負極活物質粒子のうち、内部にリチウム又はリチウムイオンを含まないものについては、予め負極活物質粒子の一部又は全部にリチウム又はリチウムイオンを含ませるプレドープ処理を施してもよい。
 また、リチウムイオン電池は、以下の構成であってもよい。
 すなわち、本発明のリチウムイオン電池用樹脂集電体と、負極活物質粒子とを有する負極を備え、
 前記負極活物質粒子は、前記負極活物質粒子の表面の少なくとも一部が高分子化合物と導電助剤とを含む被覆層で被覆されているリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子であって、
 前記負極活物質粒子がチタン複合酸化物及び/又はチタン酸化物からなる粒子を含み、
前記被覆負極活物質粒子における前記高分子化合物の重量割合が、前記被覆負極活物質粒子の重量を基準として0.1~2重量%であり、
前記被覆負極活物質粒子における前記導電助剤の重量割合が、前記被覆負極活物質粒子の重量を基準として3~15重量%である、リチウムイオン電池であってもよい。
 上記リチウムイオン電池において、負極活物質粒子が、チタン複合酸化物及び/又はチタン酸化物からなる粒子を含む場合の好ましい態様は以下の通りである。
 チタン複合酸化物とは、チタン、酸素及びその他の元素を含む化合物であり、チタン酸リチウム、チタンニオブ酸化物等が挙げられる。
 チタン酸リチウムとしては、スピネル型、ラムスデライト型等を用いることができる。
スピネル型の結晶構造を有するチタン酸リチウムとしては、例えば、Li4+xTi12(-1≦x≦3)の一般式で示される化合物等が挙げられる。
 ラムスデライト型の結晶構造を有するチタン酸リチウムとしては、例えば、Li2+xTi(0≦x≦1)の一般式で示される化合物等が挙げられる。
 チタンニオブ酸化物としては、LiTiMNb2+c7+d(0≦a≦5、0≦b≦0.3、-0.3≦c≦0.3、及び-0.3≦d≦0.3であり、Mは、Fe、V、Mo、及びTaから選択される1種又は2種以上の元素である。)の一般式で示される化合物が挙げられる。
 チタン酸化物とは、チタンと酸素のみを含む化合物であり、酸化チタン(TiO)、二酸化チタン(TiO)が挙げられる。二酸化チタンの結晶系は特に限定されるものではなく、ルチル型、アナターゼ型、ブルッカイト型を使用することができる。
 上記に示したチタン複合酸化物及びチタン酸化物は、これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
 負極活物質粒子の体積平均粒子径は、電池の電気特性の観点から、0.01~100μmが好ましく、0.1~20μmであることがより好ましく、2~10μmであることがさらに好ましい。
 上記リチウムイオン電池における、リチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子は、負極活物質粒子の表面の少なくとも一部が高分子化合物と導電助剤とを含む被覆層で被覆されてなる粒子である。
 被覆負極活物質粒子における高分子化合物の重量割合は、被覆負極活物質粒子の重量を基準として0.1~2重量%である。また、上記重量割合は0.3~1.0重量%であることが好ましい。
 被覆負極活物質粒子における導電助剤の重量割合は、被覆負極活物質粒子の重量を基準として3~15重量%である。また、上記重量割合は6~12重量%であることが好ましい。
 負極活物質粒子がチタン複合酸化物及び/又はチタン酸化物からなる粒子を含む場合に、被覆負極活物質粒子における高分子化合物と導電助剤の重量割合が共に上記範囲内であると、電極体積当たりの放電容量を高めることができる。また、サイクル特性に優れる。
 被覆負極活物質粒子における高分子化合物の重量割合及び導電助剤の重量割合は、熱重量測定で測定することができる。
 被覆負極活物質粒子における高分子化合物の重量割合が0.1重量%未満であると、電極体積当たりの放電容量が低くなる。また、サイクル特性は負極活物質粒子がチタン複合酸化物及び/又はチタン酸化物であってもそれほど高くならない。
 被覆負極活物質粒子における高分子化合物の重量割合が2重量%を超えると、電極体積当たりの放電容量が低くなる。
 被覆負極活物質粒子における導電助剤の重量割合が3重量%未満であると、電極体積当たりの放電容量が低くなる。また、サイクル特性は負極活物質粒子がチタン複合酸化物及び/又はチタン酸化物であってもそれほど高くならない。
 被覆負極活物質粒子における導電助剤の重量割合が15重量%を超えると、電極体積当たりの放電容量が低くなる。
 上記リチウムイオン電池において、被覆層は、高分子化合物と導電助剤とを含むことが好ましい。
 高分子化合物としては、炭素数1~12の1価の脂肪族アルコールと(メタ)アクリル酸とのエステル化合物(a11)[以下、エステル化合物(a11)と記載する]及びアニオン性単量体(a12)を含んでなる単量体組成物の重合体であることが好ましい。
 なお、(メタ)アクリル酸とは、アクリル酸及びメタクリル酸を意味する。
 また、上記リチウムイオン電池において、前記高分子化合物の酸価が250~800であってもよい。
 本明細書における高分子化合物の酸価は、JIS K 0070-1992の方法で測定され、高分子化合物の酸価は単量体組成物に含まれるビニルモノマーを構成するアニオン性単量体(a12)の含有量を調整することで前記の範囲とすることができる。
 また、高分子化合物の酸価が270~780であることがより好ましい。
[実施例]
次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明は実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
 2,2-ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]プロパン16.3重量部を脱水したジメチルアセトアミド75重量部に溶解させ、さらにピロメリット酸無水物8.7重量部を加えて48時間攪拌し、25重量%のポリイミド前駆体溶液を作製した。
 作製したポリイミド前駆体溶液63.2重量部に導電性フィラーとして炭化チタン[TiC、富士フィルム和光純薬(株)製、体積平均粒子径:6.0μm、体積抵抗率:0.002Ω・cm]を36.8重量部加え、樹脂組成物スラリーとした。
 得られた樹脂組成物スラリーをガラス板上に塗布し、160℃のホットプレート上で1時間乾燥させ、溶媒を乾燥した。さらに電気炉に入れ、200℃で1時間、300℃で1時間、325℃で1時間加熱し、マトリックス樹脂がポリイミドで、厚みが35μmの樹脂集電体を得た。
(実施例2)
 導電性フィラーとして炭化チタン[TiC、富士フィルム和光純薬(株)製、体積平均粒子径:5.4μm、体積抵抗率:0.0017Ω・cm]を用いたこと以外は実施例1と同様にして、樹脂集電体を作製した。
(実施例3)
 ポリイミド前駆体溶液90.3重量部と炭化チタン[TiC、富士フィルム和光純薬(株)製]9.7重量部を混合したものを樹脂組成物スラリーとしたこと以外は実施例1と同様にして、樹脂集電体を作製した。
(実施例4)
 ポリイミド前駆体溶液80.0重量部と炭化チタン[TiC、富士フィルム和光純薬(株)製]20.0重量部を混合したものを樹脂組成物スラリーとしたこと以外は実施例1と同様にして、樹脂集電体を作製した。
(実施例5)
 ポリイミド前駆体溶液50.0部と炭化チタン[TiC、富士フィルム和光純薬(株)製]50.0重量部を混合したものを樹脂組成物スラリーとしたこと以外は実施例1と同様にして、樹脂集電体を作製した。
(実施例6)
 導電性フィラーとして炭化チタン[TiC、関東化学株式会社製、体積平均粒子径:0.18μm、体積抵抗率:0.0009Ω・cm]を用いたこと以外は実施例1と同様にして、樹脂集電体を作製した。
(実施例7)
 導電性フィラーとして炭化チタン[TiC、シグマアルドリッチ社製、体積平均粒子径:20.6μm、体積抵抗率:0.012Ω・cm]を用いたこと以外は実施例1と同様にして、樹脂集電体を作製した。
(実施例8)
 導電性フィラーとして硫化銅(I)[CuS、富士フィルム和光純薬(株)製、体積平均粒子径:10.1μm、体積抵抗率:0.02Ω・cm]を用いたこと以外は実施例1と同様にして、樹脂集電体を作製した。
(実施例9)
 ポリプロピレン[商品名[サンアロマーPM900A]、サンアロマー(株)社製]25重量部、分散剤[商品名[SNスパース70]、サンノプコ社製]5重量部、導電性フィラーとして炭化チタン[TiC、富士フィルム和光純薬(株)製、体積平均粒子径:6.0μm、体積抵抗率:0.002Ω・cm]70重量部を140℃のキシレンに溶解、混合しキャスト溶液を得た。
 得られたキャスト溶液を銅箔上に塗布し、110℃のホットプレートで加熱して溶媒を除去したのち80℃の減圧乾燥機で乾燥した。銅箔上に形成したフィルムを剥離し、マトリックス樹脂がポリプロピレンで、厚みが20μmの樹脂集電体を得た。
(実施例10)
 導電性フィラーとして硫化銅(I)[CuS、富士フィルム和光純薬(株)製、体積平均粒子径:10.1μm、体積抵抗率:0.02Ω・cm]を用いたこと以外は実施例9と同様にして、樹脂集電体を作製した。
(実施例11)
 窒素雰囲気下において、2-クロロ-1,4-フェニレンジアミン(東京化成工業株式会社製)5.8重量部と4,4’-ジアミノジフェニルエーテル(東京化成工業株式会社製)19.2重量部を1-メチル-1-ピロリドン(超脱水、富士フィルム和光純薬株式会社製)75重量部に溶解し、この溶液を0℃に冷却した。
 系内を窒素気流下、30℃以下に保った状態で、先に混合したジアミン溶液73.2重量部に対してテレフタロイルクロライド26.8重量部を添加して2時間攪拌を行い、芳香族ポリアミドを重合した。
 得られた重合溶液90.7重量部に対して、炭酸リチウム(富士フィルム和光純薬株式会社製)8.58重量部及びジエタノールアミン(東京化成工業株式会社製)0.76重量部を加えて攪拌し、中和することで、樹脂濃度25%の芳香族ポリアミドの溶液を得た。
 得られた芳香族ポリアミド溶液57.2重量部に対して分散剤[商品名[SNスパース70]、サンノプコ社製]2.8重量部、及び導電性フィラーとして炭化チタン[TiC、富士フィルム和光純薬(株)製、体積平均粒子径:6.0μm、体積抵抗率:0.002Ω・cm]40.0重量部を加えて攪拌し、樹脂組成物スラリーとした。
 得られた樹脂組成物スラリーをガラス板上に塗布し、110℃のホットプレートで加熱して溶媒を除去したのち80℃の減圧乾燥機で乾燥した。銅箔上に形成したフィルムを剥離し、マトリックス樹脂がポリアミドで厚みが30μmの樹脂集電体を得た。
(実施例12)
 導電性フィラーとして硫化銅(I)[CuS、富士フィルム和光純薬(株)製、体積平均粒子径:10.1μm、体積抵抗率:0.02Ω・cm]を用いたこと以外は実施例11と同様にして、樹脂集電体を作製した。
(実施例13)
 導電性フィラーとして炭化タンタル[TaC、富士フィルム和光純薬(株)製、体積平均粒子径:1.5μm、体積抵抗率:0.0029Ω・cm]を用いたこと以外は実施例1と同様にして、樹脂集電体を作製した。
(実施例14)
 導電性フィラーとして炭化モリブデン[MoC、富士フィルム和光純薬(株)製、体積平均粒子径:5.9μm、体積抵抗率:0.0007Ω・cm]を用いたこと以外は実施例1と同様にして、樹脂集電体を作製した。
(実施例15)
 導電性フィラーとして窒化チタン[TiN、富士フィルム和光純薬(株)製、体積平均粒子径:2.7μm、体積抵抗率:0.0015Ω・cm]を用いたこと以外は実施例1と同様にして、樹脂集電体を作製した。
(実施例16)
 導電性フィラーとして窒化クロム[CrN、富士フィルム和光純薬(株)製、体積平均粒子径:4.7μm、体積抵抗率:0.24Ω・cm]を用いたこと以外は実施例1と同様にして、樹脂集電体を作製した。
(実施例17)
厚みを50μmになるように調整したこと以外は実施例7と同様にして、樹脂集電体を作製した。
(比較例1)
 導電性フィラーとしてアセチレンブラック[デンカ(株)製 デンカブラック(登録商標)、体積平均粒子径:35μm、体積抵抗率:0.1Ω・cm]を用いたこと以外は実施例1と同様にして、樹脂集電体を作製した。
(比較例2)
 導電性フィラーとしてアセチレンブラック[デンカ(株)製 デンカブラック(登録商標)、体積平均粒子径:35μm、体積抵抗率:0.1Ω・cm]を用いたこと以外は実施例9と同様にして、樹脂集電体を作製した。
(比較例3)
 導電性フィラーとしてアセチレンブラック[デンカ(株)製 デンカブラック(登録商標)、体積平均粒子径:35μm、体積抵抗率:0.1Ω・cm]を用いたこと以外は実施例11と同様にして、樹脂集電体を作製した。
(比較例4)
 導電性フィラーとして炭化ケイ素[SiC、(株)高純度化学研究所製、体積平均粒子径:8.5μm、体積抵抗率:1.0×10Ω・cm超]を用いたこと以外は実施例1と同様にして、樹脂集電体を作製した。
<集電体の体積抵抗値の測定>
 各実施例及び比較例で得た樹脂集電体をそれぞれφ15mmの試験片に裁断し、電気抵抗測定器[井元製作所社製、型番:IMC-0240]を用いて各樹脂集電体の抵抗値を測定した。
 電気抵抗測定器に2.16kgの荷重をかけた状態での樹脂集電体の抵抗値を測定し、荷重をかけてから60秒後の値をその集電体の貫通抵抗値とした。
 サンプル厚みの差異を考慮するため、下記の式に示すように、測定した貫通抵抗値をサンプル厚みで割り、抵抗測定時の治具の接触表面の面積(1.77cm)をかけた値を体積抵抗値として算出した。
 体積抵抗値(Ω・cm)
=貫通抵抗値(Ω)÷サンプル厚み(cm)×1.77(cm
 結果は、表1に記した。
<電解液の作製>
 エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)の混合溶媒(体積比率1:1)にLiN(FSOを2.0mol/Lの割合で溶解させて電解液を作製した。
<サイクリックボルタンメトリー(CV)評価用セル(還元電位側)の作製>
 正極側から、銅箔[商品名「電解銅箔(厚み0.2mm)」、古川電機工業(株)製]、リチウム金属箔(4.0cm)[商品名「リチウムフォイル(厚み0.5mm)」、本城金属(株)製]、セパレータ[商品名#3501]、セルガード社製]、実施例及び比較例で作製した樹脂集電体、銅箔をこの順に重ね合わせ、電解液を注入したのち酸素が入らないように真空ラミネートし、還元電位側CV評価用セルを作製した。
<還元電位側CV測定による集電体へのリチウム吸蔵有無の評価>
 作製したハーフセルを用い、電位領域0~1.5V(vs.Li/Li+)、電位掃引速度35mV/sでサイクリックボルタンメトリー測定を行い、観測される電流変化を調べた。
 測定結果から、以下の基準により集電体へのリチウム吸蔵の有無を評価した。
〇:電位0Vにおける単位面積当たりの還元電流値が5μAcm-2 未満、かつ電位1Vにおける単位面積当たりの酸化電流値が1μAcm-2 未満
×:電位0Vにおける単位面積当たりの還元電流値が5μAcm-2以上、もしくは電位1Vにおける単位面積当たりの酸化電流値が1μAcm-2以上
 結果は、表1に記した。
 表1に記載の通り、実施例で作製した集電体の全てにおいて、集電体へのリチウム吸蔵が起こらず、耐還元電位性があることを確認した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
<被覆用正極高分子化合物の作製>
 撹拌機、温度計、還流冷却管、滴下ロート及び窒素ガス導入管を付した4つ口コルベンに、ラウリルメタクリレート95重量部、メタクリル酸4.6重量部、1,6-ヘキサンジオールジメタクリレート0.4重量部及びトルエン390重量部を仕込み75℃に昇温した。トルエン10重量部及び2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.200重量部及び2,2’-アゾビス(2-メチルブチロニトリル)0.200重量部を混合した。得られた単量体混合液をコルベン内に窒素を吹き込みながら、滴下ロートで4時間かけて連続的に滴下してラジカル重合を行った。滴下終了後、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.800重量部をトルエン12.4重量部に溶解した溶液を滴下ロートを用いて、重合を開始してから6~8時間目にかけて連続的に追加した。さらに重合を2時間継続し、トルエンを488部加えて樹脂濃度30重量%の共重合体溶液(被覆用正極高分子化合物溶液)を得た。
<被覆用負極高分子化合物の作製>
 撹拌機、温度計、還流冷却管、滴下ロート及び窒素ガス導入管を付した4つ口フラスコにDMF150重量部を仕込み、65℃に昇温した。次いで、アクリル酸90重量部及びメタクリル酸メチル10重量部をDMF50重量部に溶解させた単量体組成物と、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.1重量部をDMF30重量部に溶解した開始剤溶液とを4つ口フラスコ内に窒素を吹き込みながら、撹拌下、滴下ロートで2時間かけて連続的に滴下してラジカル重合を行った。滴下終了後、70℃に昇温して反応を2時間継続した。次いで、80℃に昇温して反応を2時間継続し、樹脂濃度30重量%の共重合体溶液(被覆用負極高分子化合物溶液)を得た。
<リチウムイオン電池用被覆正極活物質の作製>
 正極活物質粒子(LiNi0.8Co0.15Al0.05粉末、体積平均粒子径4μm)87.5重量部を万能混合機ハイスピードミキサーFS25[(株)アーステクニカ製]に入れ、室温、720rpmで撹拌した状態で、被覆用正極高分子化合物溶液9.4重量部を2分かけて滴下し、さらに5分撹拌した。
 次いで、撹拌した状態で導電助剤であるアセチレンブラック[デンカ(株)製 デンカブラック(登録商標)]3.1重量部を分割しながら2分間で投入し、30分撹拌を継続した。
 その後、撹拌を維持したまま0.01MPaまで減圧し、次いで撹拌と減圧度を維持したまま温度を140℃まで昇温し、撹拌、減圧度及び温度を8時間維持して揮発分を留去した。
 得られた粉体を目開き200μmの篩いで分級し、リチウムイオン電池用被覆正極活物質を作製した。
<リチウムイオン電池用被覆負極活物質の作製>
 難黒鉛化性炭素(ハードカーボン)((株)クレハ・バッテリー・マテリアルズ・ジャパン製 カーボトロン(登録商標)PS(F))80重量部を万能混合機ハイスピードミキサーFS25[(株)アーステクニカ製]に入れ、室温、720rpmで撹拌した状態で、被覆用負極高分子化合物溶液11重量部を2分かけて滴下し、さらに5分撹拌した。
 次いで、撹拌した状態で導電助剤であるアセチレンブラック[デンカ(株)製 デンカブラック(登録商標)]9重量部を分割しながら2分間で投入し、30分撹拌を継続した。
その後、撹拌を維持したまま0.01MPaまで減圧し、次いで撹拌と減圧度を維持したまま温度を140℃まで昇温し、撹拌、減圧度及び温度を8時間維持して揮発分を留去した。
 得られた粉体を目開き200μmの篩いで分級し、リチウムイオン電池用被覆負極活物質を作製した。
<リチウムイオン電池用正極の作製>
 電解液42重量部と炭素繊維[大阪ガスケミカル(株)製 ドナカーボ・ミルド S-243:平均繊維長500μm、平均繊維径13μm:電気伝導度200mS/cm]4.2部とを遊星撹拌型混合混練装置{あわとり練太郎[(株)シンキー製]}を用いて2000rpmで5分間混合し、続いて上記電解液30重量部と上記リチウムイオン電池用被覆正極活物質206重量部を追加した後、更にあわとり練太郎で2000rpmで2分間混合し、上記電解液20重量部を更に追加した後、あわとり練太郎による撹拌を2000rpmで1分間行い、更に上記電解液を2.3重量部更に追加した後あわとり練太郎による撹拌を2000rpmで2分間混合して、正極活物質層用スラリーを作製した。得られた正極活物質層用スラリーを目付量が100mg/cmとなるよう、上記樹脂集電体の片面に塗布し、1.4MPaの圧力で約10秒プレスし、厚さが420μmのリチウムイオン電池用正極(16.2cm×16.2cm)を作製した。
<リチウムイオン電池用負極の作製>
 電解液42重量部と炭素繊維[大阪ガスケミカル(株)製 ドナカーボ・ミルド S-243:平均繊維長500μm、平均繊維径13μm:電気伝導度200mS/cm]4.2重量部とを遊星撹拌型混合混練装置{あわとり練太郎[(株)シンキー製]}を用いて2000rpmで5分間混合し、続いて上記電解液30重量部と上記リチウムイオン電池用被覆負極活物質206重量部を追加した後、更にあわとり練太郎で2000rpmで2分間混合し、上記電解液を20重量部を更に追加した後、あわとり練太郎による撹拌を2000rpmで1分間行い、更に上記電解液を2.3重量部更に追加した後あわとり練太郎による撹拌を2000rpmで2分間混合して、負極活物質層用スラリーを作製した。得られた負極活物質層用スラリーを目付量が48mg/cmとなるよう、上記樹脂集電体の片面に塗布し、1.4MPaの圧力で約10秒プレスし、厚さが580μmのリチウムイオン電池用負極(17.0cm×17.0cm)を作製した。
<評価用電池の作製>
 正極側から、カーボンコートアルミ箔[商品名「カーボンコートアルミ箔」、東洋アルミニウム(株)製]、正極、セパレータ[商品名#3501、セルガード社製]、負極、実施例及び比較例で作製した樹脂集電体、銅箔をこの順に重ね合わせ、電解液を注入したのち酸素が入らないように真空ラミネートし、充放電評価用電池を作製した。
 評価用電池の正極、負極及び集電体はφ15mm(1.77cm)に打ち抜いて使用した。
<充放電による集電体機能の確認>
 集電体機能の確認のため、作製した評価用電池を用い、25℃下、充放電測定装置「HJ-SD8」[北斗電工(株)製]を用いて、以下の方法によりリチウムイオン電池の初回性能の評価を行った。
 定電流定電圧充電方式(CCCVモードともいう)で0.05Cの電流で4.2Vまで充電した後4.2Vを維持した状態で電流値が初期電流値の5%に低下するまで充電した。10分間の休止後、0.05Cの電流で1.5Vまで放電した。
 このとき充電した容量を[初回充電容量(mAh)]、放電した容量を[初回放電容量(mAh)]とした。
 上記の測定で得られた初回充電容量と初回放電容量を用い、以下の式で初回クーロン効率を算出した。
[初回クーロン効率(%)]=[初回放電容量]÷[初回充電容量]×100
 また、放電開始からの10秒間の電圧降下から、以下の式で電気抵抗値(10sDCR)を算出した。
[10sDCR(Ω・cm)]=([放電開始前の電圧(V)]-[放電開始後10秒経過時の電圧(V)])/[放電時電流値(A)]×1.77(cm
 結果は、表2に記した。
 表2の通り、実施例で作製した集電体を用いて作製した電池の全てにおいて、4.2Vまでの充放電が可能であり、実施例で作製した樹脂集電体が集電体機能を持つことを確認した。
 また、実施例で作製した樹脂集電体の全てにおいて、初回クーロン効率及び10sDCRの値が、集電体として銅箔を用いた場合(クーロン効率:70.8%、10sDCR:18.2Ω・cm)と同等であることを確認した。
 なお、比較例1~3で作製した集電体を用いて作製した電池は実施例で作製した樹脂集電体を用いた電池と比較して初回クーロン効率が低くなっていた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
以下、リチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子、リチウムイオン電池用負極及びリチウムイオン電池の別の形態について開示する。
リチウムイオン(二次)電池は、高エネルギー密度、高出力密度が達成できる二次電池として、近年様々な用途に多用されている。
リチウムイオン電池は、高エネルギー密度、高出力密度が達成できる二次電池として、近年様々な用途に多用されており、より高性能のリチウムイオン電池を開発するために種々の材料が検討されている。
なかでもチタン複合酸化物やチタン酸化物は、入出力特性及びサイクル特性が優れていることから、これまでリチウムイオン電池の負極活物質として使用されてきた炭素系材料に代わり使用が検討されている(特開2019-160734号公報)。
また、電極活物質粒子の表面の少なくとも一部が被覆用樹脂及び導電助剤を含む被覆層で覆われた被覆電極活物質粒子を用いることで、多くの時間とエネルギーを要する脱溶剤工程を経ないでリチウムイオン電池用電極を作製する方法が知られている(特開2016-189325号公報)。
特開2016-189325号公報では、負極活物質として炭素系材料を念頭に置いており、負極活物質としてチタン複合酸化物やチタン酸化物を使うことは考えられていない。
特開2016-189325号公報に記載されたような効果を享受するために、特開2016-189325号公報に記載の方法でチタン複合酸化物やチタン酸化物の粒子表面に被覆層を形成して被覆電極活物質粒子を形成してみると、体積当たりの放電容量が不充分になるという課題があることが見いだされた。
以下には、上記課題を鑑みてなされたものであり、負極活物質としてチタン複合酸化物やチタン酸化物を使用し、被覆層を形成したリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子であって、体積当たりの放電容量が充分に高い被覆負極活物質粒子を開示する。
本発明者らは、負極活物質としてチタン複合酸化物やチタン酸化物を使用した場合には、これらの材料の導電性が炭素系材料よりも低い傾向があるために、体積当たりの放電容量が低くなるのではないかという仮説を立て、当該仮説に基づき鋭意検討した結果、体積当たりの放電容量を高めることができるための構成を見出した。
すなわち、以下に開示するリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子は、負極活物質粒子の表面の少なくとも一部が高分子化合物と導電助剤とを含む被覆層で被覆されているリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子であって、上記負極活物質粒子がチタン複合酸化物及び/又はチタン酸化物からなる粒子を含み、上記被覆負極活物質粒子における上記高分子化合物の重量割合が、上記被覆負極活物質粒子の重量を基準として0.1~2重量%であり、上記被覆負極活物質粒子における上記導電助剤の重量割合が、上記被覆負極活物質粒子の重量を基準として3~15重量%であるリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子である。
また、上記リチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子を有するリチウムイオン電池用負極、及び、上記リチウムイオン電池用負極を有するリチウムイオン電池についても開示する。
以下に開示するリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子は、負極活物質としてチタン複合酸化物やチタン酸化物を使用し、被覆層を形成したリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子であって、体積当たりの放電容量が充分に高い被覆負極活物質粒子である。
<リチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子>
以下に開示するリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子は、負極活物質粒子の表面の少なくとも一部が高分子化合物と導電助剤とを含む被覆層で被覆されているリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子であって、上記負極活物質粒子がチタン複合酸化物及び/又はチタン酸化物からなる粒子を含み、上記被覆負極活物質粒子における上記高分子化合物の重量割合が、上記被覆負極活物質粒子の重量を基準として0.1~2重量%であり、上記被覆負極活物質粒子における上記導電助剤の重量割合が、上記被覆負極活物質粒子の重量を基準として3~15重量%である。
(負極活物質粒子)
負極活物質粒子は、チタン複合酸化物及び/又はチタン酸化物からなる粒子を含む。
チタン複合酸化物とは、チタン、酸素及びその他の元素を含む化合物であり、チタン酸リチウム、チタンニオブ酸化物等が挙げられる。
チタン酸リチウムとしては、スピネル型、ラムスデライト型等を用いることができる。
スピネル型の結晶構造を有するチタン酸リチウムとしては、例えば、Li4+xTi12(-1≦x≦3)の一般式で示される化合物等が挙げられる。
ラムスデライト型の結晶構造を有するチタン酸リチウムとしては、例えば、Li2+xTi(0≦x≦1)の一般式で示される化合物等が挙げられる。
チタンニオブ酸化物としては、LiTiMNb2+c7+d(0≦a≦5、0≦b≦0.3、-0.3≦c≦0.3、及び-0.3≦d≦0.3であり、Mは、Fe、V、Mo、及びTaから選択される1種又は2種以上の元素である。)の一般式で示される化合物が挙げられる。
チタン酸化物とは、チタンと酸素のみを含む化合物であり、酸化チタン(TiO)、二酸化チタン(TiO)が挙げられる。二酸化チタンの結晶系は特に限定されるものではなく、ルチル型、アナターゼ型、ブルッカイト型を使用することができる。
上記に示したチタン複合酸化物及びチタン酸化物は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
負極活物質粒子の体積平均粒子径は、電池の電気特性の観点から、0.01~100μmが好ましく、0.1~20μmであることがより好ましく、2~10μmであることがさらに好ましい。
(被覆層)
被覆層は、高分子化合物と導電助剤とを含む。
高分子化合物としては、炭素数1~12の1価の脂肪族アルコールと(メタ)アクリル酸とのエステル化合物(a11)[以下、エステル化合物(a11)と記載する]及びアニオン性単量体(a12)を含んでなる単量体組成物の重合体であることが好ましい。
なお、(メタ)アクリル酸とは、アクリル酸及びメタクリル酸を意味する。
また、高分子化合物の酸価が250~800であることが好ましい。
高分子化合物の酸価は、JIS K 0070-1992の方法で測定され、高分子化合物の酸価は単量体組成物に含まれるビニルモノマーを構成するアニオン性単量体(a12)の含有量を調整することで前記の範囲とすることができる。
また、高分子化合物の酸価が270~780であることがより好ましい。
まず、エステル化合物(a11)について説明する。
エステル化合物(a11)は炭素数1~12の1価の脂肪族アルコールと(メタ)アクリル酸とのエステルであり、炭素数1~12の1価の脂肪族アルコールとしては、炭素数1~12の1価の分岐又は直鎖脂肪族アルコールが挙げられ、メタノール、エタノール、プロパノール(n-プロパノール、iso-プロパノール)、ブチルアルコール(n-ブチルアルコール、sec-ブチルアルコール、tert-ブチルアルコール)、ペンチルアルコール(n-ペンチルアルコール、2-ペンチルアルコール及びネオペンチルアルコール等)、ヘキシルアルコール(1-ヘキサノール、2-ヘキサノール及び3-ヘキサノール等)、ヘプチルアルコール(n-ヘプチルアルコール、1-メチルヘキシルアルコール及び2-メチルヘキシルアルコール等)、オクチルアルコール(n-オクチルアルコール、1-メチルヘプタノール、1-エチルヘキサノール、2-メチルヘプタノール及び2-エチルヘキサノール等)、ノニルアルコール(n-ノニルアルコール、1-メチルオクタノール、1-エチルヘプタノール、1-プロピルヘキサノール及び2-エチルヘプチルアルコール等)、デシルアルコール(n-デシルアルコール、1-メチルノニルアルコール、2-メチルノニルアルコール及び2-エチルオクチルアルコール等)、ウンデシルアルコール(n-ウンデシルアルコール、1-メチルデシルアルコール、2-メチルデシルアルコール及び2-エチルノニルアルコール等)、ラウリルアルコール(n-ラウリルアルコール、1-メチルウンデシルアルコール、2-メチルウンデシルアルコール、2-エチルデシルアルコール及び2-ブチルヘキシルアルコール等)等が挙げられる。
エステル化合物(a11)として好ましいものとしては、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸プロピル、(メタ)アクリル酸ブチル、(メタ)アクリル酸2-メチルヘキシル、(メタ)アクリル酸2-エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸ドデシルが挙げられ、なかでもメタクリル酸メチル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸ドデシル、メタクリル酸2-エチルヘキシルが更に好ましい。
アニオン性単量体(a12)について説明する。
アニオン性単量体(a12)はラジカル重合性を有する重合性基とアニオン性基を有する単量体であり、ラジカル重合性基として好ましいものとしては、ビニル基、アリル基、スチレニル基及び(メタ)アクリロイル基等が挙げられ、アニオン性基として好ましいものとしては、ホスホン酸基、スルホン酸基及びカルボキシル基等が挙げられる。
アニオン性単量体(a12)として好ましいものとしては、炭素数3~9のラジカル重合性不飽和カルボン酸、炭素数2~8のラジカル重合性不飽和スルホン酸及び炭素数2~9のラジカル重合性不飽和ホスホン酸からなる群から選ばれる少なくとも1種が挙げられる。
炭素数3~9のラジカル重合性不飽和カルボン酸としては、炭素数3~9のラジカル重合性不飽和脂肪族モノカルボン酸及び炭素数9のラジカル重合性不飽和芳香族モノカルボン酸が挙げられ、炭素数3~9のラジカル重合性不飽和脂肪族モノカルボン酸としては、(メタ)アクリル酸、ブタン酸(2-メチルブタン酸及び3-メチルブタン酸等の置換ブタン酸を含む)、ペンテン酸(2-メチルペンテン酸及び3-メチルペンテン酸等の置換ペンテン酸を含む。)、ヘキセン酸(2-メチルヘキセン酸及び3-メチルヘキセン酸等の置換ヘキセン酸を含む。)、ヘプテン酸(2-メチルヘプテン酸及び3-メチルヘプテン酸等の置換ヘプテン酸を含む。)及びオクテン酸(2-メチルオクテン酸及び3-メチルオクテン酸等の置換オクテン酸を含む。)等が挙げられる。
炭素数9のラジカル重合性不飽和芳香族モノカルボン酸としては、3-フェニルプロペン酸及びビニル安息香酸等が挙げられる。
炭素数2~8のラジカル重合性不飽和スルホン酸としては、炭素数2~8のラジカル重合性不飽和脂肪族モノスルホン酸及び炭素数8のラジカル重合性不飽和芳香族モノスルホン酸が挙げられる。
炭素数2~8のラジカル重合性不飽和脂肪族モノスルホン酸としては、ビニルスルホン酸(1-メチルビニルスルホン酸及び2-メチルビニルスルホン酸等の置換ビニルスルホン酸を含む)、アリルスルホン酸 (1-メチルアリルスルホン酸及び2-メチルアリルスルホン酸アニオン等の置換アリルスルホン酸を含む。)、ブテンスルホン酸(1-メチルブテンスルホン酸及び2-メチルブテンスルホン酸等の置換ブテンスルホン酸を含む。)、ペンテンスルホン酸(1-メチルペンテンスルホン酸及び2-メチルペンテンスルホン酸等の置換ペンテンスルホン酸を含む。)ヘキセンスルホン酸(1-メチルヘキセンスルホン酸及び2-メチルヘキセンスルホン酸等の置換ヘキセンスルホン酸を含む。)及びヘプテンスルホン酸(1-メチルヘプテンスルホン酸及び2-メチルヘプテンスルホン酸等の置換ヘプテンスルホン酸を含む。)等が挙げられる。
炭素数8のラジカル重合性不飽和芳香族モノスルホン酸単量体としては、スチレンスルホン酸が挙げられる。
炭素数2~9のラジカル重合性不飽和ホスホン酸としては、ビニルホスホン酸、アリルホスホン酸、ビニルベンジルホスホン酸、1-又は2-フェニルエテニルホスホン酸、(メタ)アクリルアミドアルキルホスホン酸、アクリルアミドアルキルジホスホン酸、ホスホノメチル化ビニルアミン及び(メタ)アクリルホスホン酸等が挙げられる。
これらのアニオン性単量体は混合物であってもよい。
なお、アニオン性単量体を含有することで、靭性が向上し、充放電時のリチウムイオンの脱挿入反応に伴う活物質の膨張収縮によるストレスを受けにくくなる。
これらのアニオン性単量体は1種を単独で用いてもよく、2種以上併用してもよい。アニオン性単量体(a12)は、炭素数3~9のラジカル重合性不飽和カルボン酸、炭素数2~8のラジカル重合性不飽和スルホン酸及び炭素数2~9のラジカル重合性不飽和ホスホン酸からなる群から選ばれる少なくとも2種を併用することが好ましく、炭素数3~9のラジカル重合性不飽和カルボン酸と炭素数2~8のラジカル重合性不飽和スルホン酸又は炭素数2~9のラジカル重合性不飽和ホスホン酸とを併用することが更に好ましい。
高分子化合物に含まれるエステル化合物(a11)の含有量は、活物質との接着性等の観点から、エステル化合物(a11)及びアニオン性単量体(a12)の合計重量に基づいて5~99重量%であることが好ましく、より好ましくは20~80重量%であり、更に好ましくは30~70重量%である。
高分子化合物において、単量体組成物に含まれるアニオン性単量体(a12)の含有量は、イオン導電性の観点から、エステル化合物(a11)及びアニオン性単量体(a12)合計重量に基づいて1~99重量%であることが好ましく、より好ましくは20~80重量%であり、更に好ましくは30~70重量%である。
高分子化合物においては、前記単量体組成物が更にアニオン性単量体の塩(a13)を含むことが好ましい。
高分子化合物がアニオン性単量体の塩(a13)を含有すると、内部抵抗を低減することが出来る。
アニオン性単量体の塩(a13)について説明する。
アニオン性単量体の塩(a13)を構成するアニオン性単量体のアニオンとしては、上記のアニオン性単量体(a12)で例示したものと同じアニオン性単量体のアニオンが挙げられ、ビニルスルホン酸アニオン、アリルスルホン酸アニオン、スチレンスルホン酸アニオン及び(メタ)アクリル酸アニオンからなる群から選ばれる少なくとも1種のアニオンが好ましい。
アニオン性単量体の塩(a13)を構成するカチオンとしては、1価の無機カチオンが挙げられ、アルカリ金属カチオン及びアンモニウムイオンが好ましく、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン及びアンモニウムイオンがより好ましく、リチウムイオンが更に好ましい。
アニオン性単量体の塩(a13)は1種類を用いても複数を併用しても良く、アニオン性単量体の塩(a13)が複数のアニオンを有する場合、カチオンはリチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン及びアンモニウムイオンからなる群から選ばれる少なくとも1種のカチオンであることが好ましい。
高分子化合物において、前記単量体組成物がアニオン性単量体の塩(a13)を含む場合、単量体組成物に含まれる前記エステル化合物(a11)の含有量は、活物質との接着性等の観点から、エステル化合物(a11)、アニオン性単量体(a12)及びアニオン性単量体の塩(a13)の合計重量に基づいて5~95重量%であることが好ましく、より好ましくは20~80重量%であり、更に好ましくは30~70重量%である。
高分子化合物において、前記単量体組成物がアニオン性単量体の塩(a13)を含む場合、単量体組成物に含まれるアニオン性単量体(a12)の含有量は、イオン導電性の観点から、エステル化合物(a11)、アニオン性単量体(a12)及びアニオン性単量体の塩(a13)の合計重量に基づいて10~90重量%であることが好ましく、より好ましくは20~80重量%であり、更に好ましくは30~70重量%である。
高分子化合物において、前記単量体組成物がアニオン性単量体の塩(a13)を含む場合、単量体組成物に含まれるアニオン性単量体の塩(a13)の含有量は、内部抵抗等の観点から、エステル化合物(a11)、アニオン性単量体(a12)及びアニオン性単量体の塩(a13)の合計重量に基づいて0.1~10重量%であることが好ましく、より好ましくは0.5~10重量%であり、更に好ましくは1~10重量%である。
高分子化合物は、例えば、公知の重合開始剤{アゾ系開始剤[2,2’-アゾビス(2-メチルプロピオニトリル)、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)、2,2’-アゾビス(2-メチルブチロニトリル)、2,2’-アゾビス(2-メチルプロピオンアミジン)二塩酸塩等]、パーオキサイド系開始剤(ベンゾイルパーオキサイド、ジ-t-ブチルパーオキサイド、ラウリルパーオキサイド等)等}を使用して公知の重合方法(塊状重合、溶液重合、乳化重合、懸濁重合等)により製造することができる。
重合開始剤の使用量は、重量平均分子量を好ましい範囲に調整する等の観点から、モノマーの全重量に基づいて好ましくは0.01~5重量%、より好ましくは0.05~2重量%、さらに好ましくは0.1~1.5重量%であり、重合温度及び重合時間は重合開始剤の種類等に応じて調整されるが、重合温度は好ましくは-5~150℃、(より好ましくは30~120℃)、反応時間は好ましくは0.1~50時間(より好ましくは2~24時間)で行われる。
溶液重合の場合に使用される溶媒としては、例えばエステル(炭素数2~8、例えば酢酸エチル及び酢酸ブチル)、アルコール(炭素数1~8、例えばメタノール、エタノール及びオクタノール)、炭化水素(炭素数4~8、例えばn-ブタン、シクロヘキサン及びトルエン)、アミド(例えばN,N-ジメチルホルムアミド(以下、DMFと略記する))及びケトン(炭素数3~9、例えばメチルエチルケトン)が挙げられ、重量平均分子量を好ましい範囲に調整する等の観点から、その使用量はモノマーの合計重量に基づいて好ましくは5~900重量%、より好ましくは10~400重量%、さらに好ましくは30~300重量%であり、モノマー濃度としては、好ましくは10~95重量%、より好ましくは20~90重量%、さらに好ましくは30~80重量%である。
乳化重合及び懸濁重合における分散媒としては、水、アルコール(例えばエタノール)、エステル(例えばプロピオン酸エチル)、軽ナフサ等が挙げられ、乳化剤としては、高級脂肪酸(炭素数10~24)金属塩(例えばオレイン酸ナトリウム及びステアリン酸ナトリウム)、高級アルコール(炭素数10~24)硫酸エステル金属塩(例えばラウリル硫酸ナトリウム)、エトキシ化テトラメチルデシンジオール、メタクリル酸スルホエチルナトリウム、メタクリル酸ジメチルアミノメチル等が挙げられる。さらに安定剤としてポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン等を加えてもよい。
溶液又は分散液のモノマー濃度は好ましくは5~95重量%、より好ましくは10~90重量%、さらに好ましくは15~85重量%であり、重合開始剤の使用量は、モノマーの全重量に基づいて好ましくは0.01~5重量%、より好ましくは0.05~2重量%である。
重合に際しては、公知の連鎖移動剤、例えばメルカプト化合物(ドデシルメルカプタン、n-ブチルメルカプタン等)及び/又はハロゲン化炭化水素(四塩化炭素、四臭化炭素、塩化ベンジル等)を使用することができる。
高分子化合物は、該高分子化合物をカルボキシル基と反応する反応性官能基を有する架橋剤(A’){好ましくはポリエポキシ化合物(a’1)[ポリグリシジルエーテル(ビスフェノールAジグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル及びグリセリントリグリシジルエーテル等)及びポリグリシジルアミン(N,N-ジグリシジルアニリン及び1,3-ビス(N,N-ジグリシジルアミノメチル))等]及び/又はポリオール化合物(a’2)(エチレングリコール等)}で架橋してなる架橋重合体であってもよい。
架橋剤(A’)を用いて高分子化合物を架橋する方法としては、負極活物質粒子を、高分子化合物で被覆した後に架橋する方法が挙げられる。具体的には、負極活物質粒子と高分子化合物を含む樹脂溶液を混合し脱溶剤することにより、被覆負極活物質粒子を製造した後に、架橋剤(A’)を含む溶液を該被覆負極活物質粒子に混合して加熱することにより、脱溶剤と架橋反応を生じさせて、高分子化合物が架橋剤(A’)によって架橋される反応を負極活物質粒子の表面で起こす方法が挙げられる。
加熱温度は、架橋剤の種類に応じて調整されるが、架橋剤としてポリエポキシ化合物(a’1)を用いる場合は好ましくは70℃以上であり、ポリオール化合物(a’2)を用いる場合は好ましくは120℃以上である。
高分子化合物の重量平均分子量は、活物質との接着性等の観点から、20,000~96,000であることが好ましく、重合体の重合条件を好ましい範囲とすることで重量平均分子量を好ましい範囲にすることができる。
なお、高分子化合物の重量平均分子量は、以下の条件で測定したゲルパーミエーションクロマトグラフィ(以下、GPCと略記する)により測定される。
<GPCの測定条件>
装置:Alliance GPC V2000(Waters社製)
溶媒:オルトジクロロベンゼン
標準物質:ポリスチレン
サンプル濃度:3mg/ml
カラム固定相:PLgel 10μm、MIXED-B 2本直列(ポリマーラボラトリーズ社製)
カラム温度:135℃
被覆層は、導電助剤を含む。
導電助剤としては、導電性を有する材料から選択されることが好ましい。
導電助剤として好ましいものとしては、金属[アルミニウム、ステンレス(SUS)、銀、金、銅及びチタン等]、カーボン[グラファイト及びカーボンブラック(アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック、カーボンナノファイバー等)等]、及びこれらの混合物等が挙げられる。
これらの導電助剤は1種単独で用いられてもよいし、2種以上併用してもよい。また、これらの合金又は金属酸化物として用いられてもよい。
なかでも、電気的安定性の観点から、より好ましくはアルミニウム、ステンレス、カーボン、銀、金、銅、チタン及びこれらの混合物であり、さらに好ましくは銀、金、アルミニウム、ステンレス及びカーボンであり、特に好ましくはカーボンである。
またこれらの導電助剤としては、粒子系セラミック材料や樹脂材料の周りに導電性材料[好ましくは、上記した導電助剤のうち金属のもの]をめっき等でコーティングしたものでもよい。
導電助剤の形状(形態)は、粒子形態に限られず、粒子形態以外の形態であってもよく、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等、いわゆるフィラー系導電助剤として実用化されている形態であってもよい。
導電助剤の平均粒子径は、特に限定されるものではないが、電池の電気特性の観点から、0.01~10μm程度であることが好ましい。
「導電助剤の粒子径」とは、導電助剤の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)等の観察手段を用い、数~数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。
(リチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子)
リチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子(以下、単に被覆負極活物質粒子ともいう)は、負極活物質粒子の表面の少なくとも一部が高分子化合物と導電助剤とを含む被覆層で被覆されてなる粒子である。
被覆負極活物質粒子における高分子化合物の重量割合は、被覆負極活物質粒子の重量を基準として0.1~2重量%である。また、上記重量割合は0.3~1.0重量%であることが好ましい。
被覆負極活物質粒子における導電助剤の重量割合は、被覆負極活物質粒子の重量を基準として3~15重量%である。また、上記重量割合は6~12重量%であることが好ましい。
負極活物質粒子がチタン複合酸化物及び/又はチタン酸化物からなる粒子を含む場合に、被覆負極活物質粒子における高分子化合物と導電助剤の重量割合が共に上記範囲内であると、電極体積当たりの放電容量を高めることができる。また、サイクル特性に優れる。
被覆負極活物質粒子における高分子化合物の重量割合及び導電助剤の重量割合は、熱重量測定で測定することができる。
被覆負極活物質粒子における高分子化合物の重量割合が0.1重量%未満であると、電極体積当たりの放電容量が低くなる。また、サイクル特性は負極活物質粒子がチタン複合酸化物及び/又はチタン酸化物であってもそれほど高くならない。
被覆負極活物質粒子における高分子化合物の重量割合が2重量%を超えると、電極体積当たりの放電容量が低くなる。
被覆負極活物質粒子における導電助剤の重量割合が3重量%未満であると、電極体積当たりの放電容量が低くなる。また、サイクル特性は負極活物質粒子がチタン複合酸化物及び/又はチタン酸化物であってもそれほど高くならない。
被覆負極活物質粒子における導電助剤の重量割合が15重量%を超えると、電極体積当たりの放電容量が低くなる。
<リチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子の製造方法>
以下に開示するリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子の製造方法は、特に限定されるものではないが、負極活物質粒子、高分子化合物及び導電助剤を混合した後に脱溶剤することにより製造することができる。
負極活物質粒子、高分子化合物及び導電助剤を混合する順番は特に限定されず、例えば、事前に混合した被覆層を構成する高分子化合物と導電助剤からなる組成物を負極活物質粒子とさらに混合してもよいし、負極活物質粒子、高分子化合物及び導電助剤を同時に混合してもよいし、負極活物質粒子に高分子化合物を混合し、さらに導電助剤を混合してもよい。
上述した被覆負極活物質粒子は、負極活物質粒子を、高分子化合物で被覆することで得ることができ、例えば、負極活物質粒子を万能混合機に入れて30~500rpmで撹拌した状態で、高分子化合物を含む樹脂溶液を1~90分かけて滴下混合し、さらに必要に応じて導電助剤を混合し、撹拌したまま50~200℃に昇温し、0.007~0.04MPaまで減圧した後に10~150分保持することにより得ることができる。
<リチウムイオン電池用負極>
以下に開示するリチウムイオン電池用負極は、上述した被覆負極活物質粒子を有する。
上述したリチウムイオン電池用負極は、被覆負極活物質粒子と電解質及び溶媒を含有する電解液とを含む負極活物質層と、負極集電体とを備えることが好ましい。
(負極活物質層)
負極活物質層は、被覆負極活物質粒子と電解液とを含む。電解液は電解質と溶媒を含む。
電解質としては、公知の電解液に用いられている電解質が使用でき、例えば、LiPF、LiBF、LiSbF、LiAsF、LiClO及びLiN(FSO等の無機アニオンのリチウム塩、LiN(CFSO、LiN(CSO及びLiC(CFSO等の有機アニオンのリチウム塩が挙げられる。これらの内、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましいのはLiN(FSOである。
溶媒としては、公知の電解液に用いられている非水溶媒が使用でき、例えば、ラクトン化合物、環状又は鎖状炭酸エステル、鎖状カルボン酸エステル、環状又は鎖状エーテル、リン酸エステル、ニトリル化合物、アミド化合物、スルホン、スルホラン及びこれらの混合物を用いることができる。
ラクトン化合物としては、5員環(γ-ブチロラクトン及びγ-バレロラクトン等)及び6員環(δ-バレロラクトン等)のラクトン化合物等が挙げられる。
環状炭酸エステルとしては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート(EC)及びブチレンカーボネート(BC)等が挙げられる。
鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチル-n-プロピルカーボネート、エチル-n-プロピルカーボネート及びジ-n-プロピルカーボネート等が挙げられる。
鎖状カルボン酸エステルとしては、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル及びプロピオン酸メチル等が挙げられる。
環状エーテルとしては、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3-ジオキソラン及び1,4-ジオキサン等が挙げられる。鎖状エーテルとしては、ジメトキシメタン及び1,2-ジメトキシエタン等が挙げられる。
リン酸エステルとしては、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸エチルジメチル、リン酸ジエチルメチル、リン酸トリプロピル、リン酸トリブチル、リン酸トリ(トリフルオロメチル)、リン酸トリ(トリクロロメチル)、リン酸トリ(トリフルオロエチル)、リン酸トリ(トリパーフルオロエチル)、2-エトキシ-1,3,2-ジオキサホスホラン-2-オン、2-トリフルオロエトキシ-1,3,2-ジオキサホスホラン-2-オン及び2-メトキシエトキシ-1,3,2-ジオキサホスホラン-2-オン等が挙げられる。
ニトリル化合物としては、アセトニトリル等が挙げられる。アミド化合物としては、DMF等が挙げられる。スルホンとしては、ジメチルスルホン及びジエチルスルホン等が挙げられる。
これらの溶媒は1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
電解液中の電解質の濃度は、1.2~5.0mol/Lであることが好ましく、1.5~4.5mol/Lであることがより好ましく、1.8~4.0mol/Lであることがさらに好ましく、2.0~3.5mol/Lであることが特に好ましい。
負極活物質層は、上述した被覆負極活物質粒子の被覆層中に含まれる導電助剤とは別に、導電助剤をさらに含んでもよい。被覆層中に含まれる導電助剤が被覆負極活物質粒子と一体であるのに対し、負極活物質層が含む導電助剤は被覆負極活物質粒子と別々に含まれている点で区別できる。
負極活物質層が含んでいてもよい導電助剤としては、<リチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子>で説明したものを用いることができる。
負極活物質層は、結着剤を含まないことが好ましい。
なお、結着剤とは、被覆負極活物質粒子同士及び被覆負極活物質粒子と集電体とを可逆的に固定することができない薬剤を意味し、デンプン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、スチレンブタジエンゴム、ポリエチレン及びポリプロピレン等の公知の溶剤乾燥型のリチウムイオン電池用結着剤等が挙げられる。
これらの結着剤は、溶剤に溶解又は分散して用いられ、溶剤を揮発、留去することで固体化して、被覆負極活物質粒子同士及び被覆負極活物質粒子と集電体とを不可逆的に固定するものである。
負極活物質層には、粘着性樹脂が含まれていてもよい。粘着性樹脂は、溶媒成分を揮発させて乾燥させても固体化せずに粘着性を有する樹脂を意味し、結着剤とは異なる材料であり、区別される。また、被覆負極活物質粒子を構成する被覆層が負極活物質粒子の表面に固定されているのに対して、粘着性樹脂は負極活物質粒子の表面同士を可逆的に固定するものである。負極活物質粒子の表面から粘着性樹脂は容易に分離できるが、被覆層は容易に分離できない。従って、上記被覆層と上記粘着性樹脂は異なる材料である。
粘着性樹脂としては、酢酸ビニル、2-エチルヘキシルアクリレート、2-エチルヘキシルメタクリレート、ブチルアクリレート及びブチルメタクリレートからなる群から選択された少なくとも1種の低Tgモノマーを必須構成単量体として含み上記低Tgモノマーの合計重量割合が構成単量体の合計重量に基づいて45重量%以上である重合体が挙げられる。粘着性樹脂を用いる場合、負極活物質粒子の合計重量に対して0.01~10重量%の粘着性樹脂を用いることが好ましい。
負極活物質層の厚みは、電池性能の観点から、150~600μmであることが好ましく、200~450μmであることがより好ましい。
負極活物質層には、上述した被覆負極活物質粒子以外に、他の種類の負極活物質粒子を含んでもよい。他の種類の負極活物質粒子としては、炭素系負極活物質粒子、珪素系負極活物質粒子等が挙げられる。これらの他の種類の負極活物質粒子は、電池のサイクル特性に影響のない範囲で配合させることができる。
また、上記他の種類の負極活物質粒子は、被覆負極活物質粒子であってもよい。
(負極集電体)
リチウムイオン電池用負極は、負極集電体を備え、負極集電体の表面に負極活物質層が設けられていることが好ましい。
負極集電体を構成する材料としては、銅、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル及びこれらの合金等の金属材料、並びに、焼成炭素、導電性高分子材料、導電性ガラス等が挙げられる。
負極集電体の形状は特に限定されず、上記の材料からなるシート状の集電体、及び、上記の材料で構成された微粒子からなる堆積層であってもよい。
上述したリチウムイオン電池用負極は、導電性高分子材料からなる樹脂集電体を備え、上記樹脂集電体の表面に負極活物質層が設けられていることが好ましい。
樹脂集電体を構成する導電性高分子材料としては例えば、樹脂に導電材を添加したものを用いることができる。
導電性高分子材料を構成する導電材としては、被覆層の任意成分である導電助剤と同様のものを好適に用いることができる。
導電性高分子材料を構成する樹脂としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリメチルペンテン(PMP)、ポリシクロオレフィン(PCO)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂又はこれらの混合物等が挙げられる。
電気的安定性の観点から、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリメチルペンテン(PMP)及びポリシクロオレフィン(PCO)が好ましく、さらに好ましくはポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)及びポリメチルペンテン(PMP)である。
樹脂集電体は、特開2012-150905号公報及び国際公開第2015/005116号等に記載された公知の方法で得ることができる。
負極集電体の厚さは、特に限定されないが、5~150μmであることが好ましい。
上述したリチウムイオン電池用負極は、例えば、上述した被覆負極活物質粒子及び必要に応じて導電助剤等を混合した粉体(負極前駆体)を負極集電体に塗布しプレス機でプレスして負極活物質層を形成した後に電解液を注液することによって作製することができる。
また、負極前駆体を離型フィルム上に塗布、プレスして負極活物質層を形成し、負極活物質層を負極集電体に転写した後、電解液を注液してもよい。
<リチウムイオン電池>
以下に開示するリチウムイオン電池は、上述したリチウムイオン電池用負極を有する。
上述したリチウムイオン電池は、上述したリチウムイオン電池用負極と、セパレータと、正極とを備えることが好ましい。
(セパレータ)
セパレータとしては、ポリエチレン又はポリプロピレン製の多孔性フィルム、多孔性ポリエチレンフィルムと多孔性ポリプロピレンとの積層フィルム、合成繊維(ポリエステル繊維及びアラミド繊維等)又はガラス繊維等からなる不織布、及びそれらの表面にシリカ、アルミナ、チタニア等のセラミック微粒子を付着させたもの等の公知のリチウムイオン電池用のセパレータが挙げられる。
(正極)
正極は、正極活物質層と、正極集電体とを備えることが好ましい。
正極活物質層は、正極活物質粒子を含む。
正極活物質粒子としては、リチウムと遷移金属との複合酸化物{遷移金属が1種である複合酸化物(LiCoO、LiNiO、LiAlMnO、LiMnO及びLiMn等)、遷移金属元素が2種である複合酸化物(例えばLiFeMnO、LiNi1-xCo、LiMn1-yCo、LiNi1/3Co1/3Al1/3及びLiNi0.8Co0.15Al0.05)及び遷移金属元素が3種類以上である複合酸化物[例えばLiMM’M’’(M、M’及びM’’はそれぞれ異なる遷移金属元素であり、a+b+c=1を満たす。例えばLiNi1/3Mn1/3Co1/3)等]等}、リチウム含有遷移金属リン酸塩(例えばLiFePO、LiCoPO、LiMnPO及びLiNiPO)、遷移金属酸化物(例えばMnO及びV)、遷移金属硫化物(例えばMoS及びTiS)及び導電性高分子(例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン及びポリ-p-フェニレン及びポリビニルカルバゾール)等が挙げられ、2種以上を併用してもよい。
なお、リチウム含有遷移金属リン酸塩は、遷移金属サイトの一部を他の遷移金属で置換したものであってもよい。
正極活物質粒子の体積平均粒子径は、電池の電気特性の観点から、0.01~100μmであることが好ましく、0.1~35μmであることがより好ましく、2~30μmであることがさらに好ましい。
正極活物質粒子は、その表面の少なくとも一部が高分子化合物を含む被覆層により被覆された被覆正極活物質粒子であってもよい。
正極活物質粒子の周囲が被覆層で被覆されていると、正極の体積変化が緩和され、正極の膨張を抑制することができる。
被覆層としては、上述したリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子で記載した被覆層と同様のものを好適に用いることができる。
正極活物質層は、結着剤を含まないことが好ましい。
結着剤とは、上記負極で記載したものを意味する。
正極活物質層には、粘着性樹脂が含まれていてもよい。
粘着性樹脂としては、負極活物質層の任意成分である粘着性樹脂と同様のものを好適に用いることができる。
正極活物質層は、導電助剤が含まれていてもよい。
導電助剤としては、負極活物質層に含まれる導電性フィラーと同様の導電性材料を好適に用いることができる。
正極活物質層における導電助剤の重量割合は、2~10重量%であることが好ましい。
正極活物質層は電解液を含んでもよい。
電解液としては、負極活物質層で記載したものを適宜選択して用いることができる。
正極活物質層の厚みは、特に限定されるものではないが、電池性能の観点から、150~600μmであることが好ましく、200~450μmであることがより好ましい。
正極集電体としては、公知の金属集電体及び導電材と樹脂とを含む導電性樹脂組成物から構成されてなる樹脂集電体(特開2012-150905号公報及び国際公開第2015/005116号等に記載の樹脂集電体等)を用いることができる。
正極集電体は、電池特性等の観点から、樹脂集電体であることが好ましい。
正極集電体の厚さは特に限定されないが、5~150μmであることが好ましい。
正極は、例えば、正極活物質粒子及び電解液を含む混合物を正極集電体又は基材の表面に塗布し、余分な電解液を除去する方法によって作製することができる。
基材の表面に正極活物質層を形成した場合、転写等の方法によって正極活物質層を正極集電体と組み合わせればよい。
上記混合物には、必要に応じて、導電助剤や粘着性樹脂等が含まれていてもよい。
(リチウムイオン電池の製造方法)
上述したリチウムイオン電池は、例えば、正極、セパレータ及び上述したリチウムイオン電池用負極をこの順に重ね合わせた後、必要に応じて電解液を注入することにより製造することができる。
次に、上述したリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子の一例を具体的に説明する。なお、特記しない限り部は重量部、%は重量%を意味する。
<高分子化合物Aの作製>
撹拌機、温度計、還流冷却管、滴下ロート及び窒素ガス導入管を付した4つ口フラスコにDMF66.46部を仕込み75℃に昇温した。次いで、アクリル酸10.0部、メタクリル酸-2-エチルヘキシル90.0部、及びDMF116.5部を配合したモノマー配合液と、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)1.7部をDMF29.15部に溶解した開始剤溶液とを4つ口フラスコ内に窒素を吹き込みながら、撹拌下、滴下ロートで2時間かけて連続的に滴下してラジカル重合を行った。滴下終了後、75℃で反応を3時間継続した。次いで80℃に昇温し、再び2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)1.7部をDMF29.15部に溶解した開始剤溶液を撹拌下、滴下ロートで2時間かけて連続的に滴下した。滴下後反応を3時間継続し樹脂濃度30%の高分子化合物Aの溶液を得た。
<高分子化合物Bの作製>
撹拌機、温度計、還流冷却管、滴下ロート及び窒素ガス導入管を付した4つ口フラスコにDMF70.0部を仕込み75℃に昇温した。次いで、アクリル酸100.0部及びDMF20部を配合した単量体組成物と、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.3部及び2,2’-アゾビス(2-メチルブチロニトリル)0.8部をDMF10.0部に溶解した開始剤溶液とを4つ口フラスコ内に窒素を吹き込みながら、撹拌下、滴下ロートで2時間かけて連続的に滴下してラジカル重合を行った。滴下終了後、75℃で反応を3時間継続した。次いで80℃に昇温し反応を3時間継続し樹脂濃度50%の高分子化合物Bの溶液を得た。
<高分子化合物Cの作製>
撹拌機、温度計、還流冷却管、滴下ロート及び窒素ガス導入管を付した4つ口フラスコにDMF70.0部を仕込み75℃に昇温した。次いで、メタクリル酸2-エチルヘキシル15.0部、メタクリル酸メチル40.0部、メタクリル酸ドデシル10.0部、メタクリル酸28.0部、ビニルスルホン酸2.0部、スチレンスルホン酸リチウム1.0部、メタクリル酸リチウム4.0部及びDMF20部を配合した単量体組成物と、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.6部及び2,2’-アゾビス(2-メチルブチロニトリル)1.4部をDMF10.0部に溶解した開始剤溶液とを4つ口フラスコ内に窒素を吹き込みながら、撹拌下、滴下ロートで2時間かけて連続的に滴下してラジカル重合を行った。滴下終了後、80℃に昇温し反応を5時間継続し樹脂濃度50%の高分子化合物Cの溶液を得た。
<電解液の作製>
エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの混合溶媒(体積比率1:1)にLiPFを1mol/Lの割合で溶解させ、リチウムイオン電池用電解液を作製した。
<集電体の作製>
2軸押出機にて、商品名「サンアロマーPB522M」[サンアロマー(株)製]10部、商品名「サンアロマーPM854X」[サンアロマー(株)製]25部、商品名「サンテックB680」[旭化成ケミカルズ(株)製]10部、黒鉛粒子「SNG-WXA1」40部、アセチレンブラック1「エンサコ250G」10部及び商品名「ユーメックス1001(酸変性ポリプロピレン)」[三洋化成工業(株)製]5部を180℃、100rpm、滞留時間5分の条件で溶融混練して樹脂集電体用材料を得た。
得られた樹脂集電体用材料をTダイから押し出し、50℃に温調した冷却ロールで圧延することで、樹脂集電体を得た。
<被覆負極活物質粒子の作製>
被覆負極活物質粒子の作製に用いた材料は以下の通りである。
(負極活物質粒子)
LTO:チタン酸リチウム
TNO:チタンニオブ酸化物
HC:ハードカーボン
(導電助剤)
AB:アセチレンブラック
KB:ケッチェンブラック
CNF:カーボンナノファイバー
(実施例18~28、比較例5~13)
負極活物質粒子を万能混合機ハイスピードミキサーFS25[(株)アーステクニカ製]に入れ、室温、720rpmで撹拌した状態で、高分子化合物の溶液を2分かけて滴下し、さらに5分撹拌した。
次いで、撹拌した状態で導電助剤を分割しながら26分間で投入し、30分撹拌を継続した。その後、撹拌を維持したまま0.01MPaまで減圧し、次いで撹拌と減圧度を維持したまま温度を140℃まで昇温し、撹拌、減圧度及び温度を8時間維持して揮発分を留去した。得られた粉体を目開き212μmの篩いで分級し、被覆負極活物質粒子を得た。
なお、被覆負極活物質粒子の作製に用いた各材料の配合比率(重量%)を表3に示す。
なお、比較例5~7では高分子化合物を使用していないので、被覆層は形成されていない。そのため、被覆負極活物質粒子とはみなせない粒子である。
<評価用負極の作製>
被覆負極活物質粒子5gと導電助剤である炭素繊維[大阪ガスケミカル(株)製 ドナカーボ・ミルド S-242]0.0505gとを薄片状黒鉛[日本黒鉛(株)製 UP-5-α]0.2632gを遊星撹拌型混合混練装置{あわとり練太郎[(株)シンキー製]}を用いて1500rpmで3分間混合した。
さらに、電解液0.14gを加えて1500rpmで1分間混合する工程を2回繰り返し、合計0.28gの電解液を加えて、負極組成物を得た。
上記負極組成物0.055gを秤量し、内径15mmの円筒形状の有底容器内に入れて加圧装置により圧縮することで円柱形状に成形された負極活物質層を得た。
<サイクル特性評価>
厚み1mmのPP製シート(アズワン社製)を2cm角に切り出したものを準備し、中心部にφ18mmの穴を設けた。作製した負極活物質層とφ15mmに切り出したLi箔とを、PP製セパレータ(セルガード社製)φ18mmを挟んで両極に配置した状態で、PP製シートの中心部に設けられたφ18mmの穴の中に納め、電解液を負極活物質層及びセパレータの空隙の体積に対して110体積%となるように注液し、負極活物質層及びLi箔のそれぞれの外側に樹脂集電体及び銅箔を2cm角に切り出したものを配置した。これを減圧ヒートシールして、評価用セルを作製した。
評価用セルを充放電装置に接続し、以下の条件でサイクル特性の評価を行った。
0.01Cで1.5VまでCC-CV(カットオフ電流0.01C)充電を行い、1時間休止したのち、0.1Cで0VまでCC-CV(カットオフ電流0.01C)で放電を行った。
このときの放電容量を初回容量Xとした。これを100回繰り返し、100サイクル目の容量Xを得た。このX/Xを、100サイクル放電容量維持率とした。
表3には、初回容量Xを用いて求めた電極体積あたりの放電容量と、100サイクル放電容量維持率を示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
表3の結果より、実施例のリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子を用いて製造されたリチウムイオン電池は、電極体積当たりの放電容量が充分に高く、かつ、放電容量維持率が高いことがわかる。
負極活物質としてチタンニオブ酸化物を用いた実施例27、28では電極体積当たりの放電容量が特に高くなっていた。
比較例5、6は高分子化合物を用いておらず、放電容量及び放電容量維持率が低くなっていた。
比較例7は高分子化合物及び導電助剤をともに用いておらず、負極として機能しなかった。
比較例8は導電助剤の含有量が少なすぎて、電極体積当たりの放電容量が低くなっていた。
比較例9、10は導電助剤の含有量が多すぎて、電極体積当たりの放電容量が低くなっていた。
比較例11は高分子化合物の使用量が少なすぎて、電極体積当たりの放電容量が低くなっていた。
比較例12は高分子化合物の使用量が多すぎ、また、導電助剤の使用量が多すぎて、電極体積当たりの放電容量が低くなっていた。
比較例13は負極活物質として炭素系負極活物質を使用しているため、放電容量維持率が低くなっていた。
なお、本明細書には、本国際出願の基礎出願に記載されている、以下の技術思想が記載されている。
(1-1)マトリックス樹脂及び導電性フィラーを含む樹脂組成物からなるリチウムイオン電池用樹脂集電体であって、
前記導電性フィラーが無機金属化合物であり、
前記導電性フィラーの体積抵抗率が50μΩcm~1Ωcmであることを特徴とするリチウムイオン電池用樹脂集電体。
(1-2)前記導電性フィラーの体積平均粒子径が1~15μmである(1-1)に記載のリチウムイオン電池用樹脂集電体。
(1-3)前記導電性フィラーの重量割合が、前記リチウムイオン電池用樹脂集電体の重量を基準として30~80重量%である(1-1)又は(1-2)に記載のリチウムイオン電池用樹脂集電体。
(1-4)前記導電性フィラーが、チタン又は銅を含む無機金属化合物である(1-1)~(1-3)のいずれかに記載のリチウムイオン電池用樹脂集電体。
(1-5)前記マトリックス樹脂が、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン及びキシレンからなる群より選ばれる少なくとも1種に溶解する樹脂である(1-1)~(1-4)のいずれかに記載のリチウムイオン電池用樹脂集電体。
(1-6)(1-1)~(1-5)のいずれかに記載のリチウムイオン電池用樹脂集電体を備えるリチウムイオン電池。
(1-7)マトリックス樹脂、導電性フィラー及び溶媒を含む樹脂組成物スラリーを基材表面に塗工する塗工工程と、
前記塗工工程の後に、前記樹脂組成物スラリーが塗工された前記基材を乾燥する乾燥工程とを有するリチウムイオン電池用樹脂集電体の製造方法であって、
前記導電性フィラーが無機金属化合物であり、
前記導電性フィラーの体積抵抗率が50μΩcm~1Ωcmであることを特徴とするリチウムイオン電池用樹脂集電体の製造方法。
(2-1)負極活物質粒子の表面の少なくとも一部が高分子化合物と導電助剤とを含む被覆層で被覆されているリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子であって、
前記負極活物質粒子がチタン複合酸化物及び/又はチタン酸化物からなる粒子を含み、
前記被覆負極活物質粒子における前記高分子化合物の重量割合が、前記被覆負極活物質粒子の重量を基準として0.1~2重量%であり、
前記被覆負極活物質粒子における前記導電助剤の重量割合が、前記被覆負極活物質粒子の重量を基準として3~15重量%であるリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子。
(2-2)前記高分子化合物の酸価が250~800である(2-1)に記載のリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子。
(2-3)(2-1)又は(2-2)に記載のリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子を有するリチウムイオン電池用負極。
(2-4)(2-3)に記載のリチウムイオン電池用負極を有するリチウムイオン電池。
 本発明のリチウムイオン電池用樹脂集電体は、特に、定置用電源、携帯電話、パーソナルコンピューター、ハイブリッド自動車、及び、電気自動車に用いられるリチウムイオン電池用等の集電体として有用である。

Claims (9)

  1. マトリックス樹脂及び導電性フィラーを含む樹脂組成物からなるリチウムイオン電池用樹脂集電体であって、
    前記導電性フィラーが無機金属化合物であり、
    前記導電性フィラーの体積抵抗率が50μΩcm~1Ωcmであることを特徴とするリチウムイオン電池用樹脂集電体。
  2. 前記導電性フィラーの体積平均粒子径が1~15μmである請求項1に記載のリチウムイオン電池用樹脂集電体。
  3. 前記導電性フィラーの重量割合が、前記リチウムイオン電池用樹脂集電体の重量を基準として30~80重量%である請求項1又は2に記載のリチウムイオン電池用樹脂集電体。
  4. 前記導電性フィラーが、チタン又は銅を含む無機金属化合物である請求項1~3のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池用樹脂集電体。
  5. 前記マトリックス樹脂が、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン及びキシレンからなる群より選ばれる少なくとも1種に溶解する樹脂である請求項1~4のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池用樹脂集電体。
  6. 請求項1~5のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池用樹脂集電体を備えるリチウムイオン電池。
  7. 請求項1~5のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池用樹脂集電体と、負極活物質粒子とを有する負極を備え、
    前記負極活物質粒子は、前記負極活物質粒子の表面の少なくとも一部が高分子化合物と導電助剤とを含む被覆層で被覆されているリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子であって、
    前記負極活物質粒子がチタン複合酸化物及び/又はチタン酸化物からなる粒子を含み、
    前記被覆負極活物質粒子における前記高分子化合物の重量割合が、前記被覆負極活物質粒子の重量を基準として0.1~2重量%であり、
    前記被覆負極活物質粒子における前記導電助剤の重量割合が、前記被覆負極活物質粒子の重量を基準として3~15重量%である、請求項6に記載のリチウムイオン電池。
  8. 前記高分子化合物の酸価が250~800である請求項7に記載のリチウムイオン電池。
  9. マトリックス樹脂、導電性フィラー及び溶媒を含む樹脂組成物スラリーを基材表面に塗工する塗工工程と、
    前記塗工工程の後に、前記樹脂組成物スラリーが塗工された前記基材を乾燥する乾燥工程とを有するリチウムイオン電池用樹脂集電体の製造方法であって、
    前記導電性フィラーが無機金属化合物であり、
    前記導電性フィラーの体積抵抗率が50μΩcm~1Ωcmであることを特徴とするリチウムイオン電池用樹脂集電体の製造方法。
PCT/JP2022/015586 2021-03-29 2022-03-29 リチウムイオン電池用樹脂集電体、リチウムイオン電池及びリチウムイオン電池用樹脂集電体の製造方法 WO2022210743A1 (ja)

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