WO2022259997A1 - リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子、リチウムイオン電池用電極及びリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子の製造方法 - Google Patents
リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子、リチウムイオン電池用電極及びリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子の製造方法 Download PDFInfo
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Classifications
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- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
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Definitions
- the present invention relates to coated electrode active material particles for lithium ion batteries, electrodes for lithium ion batteries, and methods for producing coated electrode active material particles for lithium ion batteries.
- Lithium ion batteries have come to be widely used in various applications as secondary batteries capable of achieving high energy density and high power density.
- Patent Document 1 discloses a polymer of a monomer composition comprising an ester compound of a monohydric aliphatic alcohol having 1 to 12 carbon atoms and (meth)acrylic acid and an anionic monomer. , an active material-coating resin composition comprising a polymer having an acid value of 30 to 700, and a coating layer comprising the active material-coating resin composition on at least a part of the surface of the active material.
- a coated active material is disclosed.
- Lithium-ion batteries have become widely used in a variety of applications, including, for example, high temperature environments.
- a side reaction occurs between the electrolyte and the coated active material, causing deterioration of the lithium-ion battery (specifically, internal There is a problem that the resistance value may increase), and there is room for improvement.
- the present invention provides a coated electrode for a lithium ion battery that can suppress the side reaction that occurs between the electrolytic solution and the coated electrode active material particles even when used in a high temperature environment, and can reduce the increase in the internal resistance value of the lithium ion battery.
- An object of the present invention is to provide active material particles.
- Another object of the present invention is to provide a lithium ion battery electrode containing the coated electrode active material particles for lithium ion batteries, and a method for producing the coated electrode active material particles for lithium ion batteries.
- the present inventors have made further intensive studies to solve the above problems. The inventors have found that a side reaction occurring between the electrolytic solution and the coated electrode active material particles can be suppressed, and an increase in the internal resistance value of the lithium ion battery can be effectively reduced, and the present invention has been achieved.
- the present invention provides a coated electrode active material particle for a lithium ion battery in which at least a part of the surface of the electrode active material particle is coated with a coating layer, wherein the coating layer is made of a polymer having lithium ion conductivity.
- a coated electrode active material particle for a lithium ion battery containing particles, a coating resin, and a conductive aid; and an electrode active material layer containing the coated electrode active material particle for a lithium ion battery and an electrolytic solution containing an electrolyte and a solvent.
- a lithium ion battery electrode wherein the weight ratio of the coating resin contained in the lithium ion battery electrode is 1 to 10% by weight based on the weight of the lithium ion battery electrode;
- the present invention relates to a method for producing the coated electrode active material particles for a lithium ion battery, which comprises a step of mixing the active material particles, the polymer particles having lithium ion conductivity, the coating resin, the conductive aid and the organic solvent, and then removing the solvent.
- a coated electrode active material particle for an ion battery can be provided.
- the coated electrode active material particles for lithium ion batteries of the present invention are coated electrode active material particles for lithium ion batteries in which at least a part of the surface of the electrode active material particles is coated with a coating layer, wherein the coating layer contains lithium ions It contains conductive polymer particles, a coating resin, and a conductive aid.
- Electrode active material particles examples include positive electrode active material particles and negative electrode active material particles. It can be selected as appropriate.
- transition metal elements are two kinds of composite oxides (for example, LiFeMnO 4 , LiNi 1-x Co x O 2 , LiMn 1-y Co y O 2
- 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.
- 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.
- Examples of the negative electrode active material particles include carbon-based materials [graphite, non-graphitizable carbon, amorphous carbon, baked resin 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 (SiOx), 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 alloys, silicon-lithium alloys, silicon-nickel alloys, silicon-iron alloys, 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,
- 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.
- At least part of the surface of the electrode active material particles is covered with a coating layer, and the coating layer contains particles made of a polymer having lithium ion conductivity, a coating resin, and a conductive aid.
- Particles made of polymer having lithium ion conductivity include, for example, polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), polyethylene glycol (PEG), polymethyl methacrylate (PMMA), LiPON, Li 3 N, LixLa 1- x TiO 3 (0 ⁇ x ⁇ 1) and particles made of polymers such as Li 2 S--GeS--Ga 2 S 3 and the like.
- PEO polyethylene oxide
- PAN polyacrylonitrile
- PEG polyethylene glycol
- PMMA polymethyl methacrylate
- LiPON Li 3 N, LixLa 1- x TiO 3 (0 ⁇ x ⁇ 1) and particles made of polymers such as Li 2 S--GeS--Ga 2 S 3 and the like.
- PEO polyethylene oxide
- PAN polyacrylonitrile
- PAN polyethylene glycol
- PMMA polymethyl methacrylate
- LiPON Li 3 N
- LixLa 1- x TiO 3 LixLa 1- x TiO 3 (0 ⁇ x ⁇ 1)
- Particles made of a polymer having lithium ion conductivity preferably have a volume average particle diameter of 1 to 50 ⁇ m.
- the volume-average particle size of the particles made of the polymer having lithium ion conductivity is more preferably 5 to 40 ⁇ m.
- volume average particle size means a particle size at which the cumulative volume calculated from the small size side is 50% in the particle size distribution measured by the laser diffraction method.
- Particles composed of a polymer having lithium ion conductivity may be adjusted to have the volume average particle diameter within the range described above by pulverizing, pulverizing, etc., and then classifying the particles.
- the method of pulverization, pulverization, etc. is not particularly limited, and a known method (high-speed disper, bead mill, ball mill, etc.) can be appropriately selected and used.
- the classification method is not particularly limited, and a known method such as using a multistage sieve can be appropriately selected and used.
- the weight ratio of the polymer particles having lithium ion conductivity is preferably 0.1 to 5% by weight based on the weight of the coated electrode active material particles.
- the weight ratio of the polymer particles having lithium ion conductivity is more preferably 0.5 to 4.5% by weight, more preferably 1.0 to 4.0% by weight, based on the weight of the coated electrode active material particles. % is more preferred.
- the coating resin is preferably, for example, a resin containing a polymer having the acrylic monomer (a) as an essential constituent monomer.
- the coating resin is preferably a polymer of a monomer composition containing acrylic acid (a0) as the acrylic monomer (a).
- the content of acrylic acid (a0) is preferably 90% by weight or more and 95% by weight or less based on the weight of the entire monomer. .
- the coating resin may contain, as the acrylic monomer (a), a monomer (a1) having a carboxyl group or an acid anhydride group other than acrylic acid (a0).
- Examples of the monomer (a1) having a carboxyl group or an acid anhydride group other than acrylic acid (a0) include monocarboxylic acids having 3 to 15 carbon atoms such as methacrylic acid, crotonic acid and cinnamic acid; (anhydride) maleic acid and fumaric acid; acids, (anhydrous) itaconic acid, citraconic acid, mesaconic acid, and other dicarboxylic acids with 4 to 24 carbon atoms; trivalent to tetravalent or higher valent polycarboxylic acids with 6 to 24 carbon atoms, such as aconitic acid, etc. are mentioned.
- the coating resin may contain a monomer (a2) represented by the following general formula (1) as the acrylic monomer (a).
- CH2 C( R1 ) COOR2 (1)
- R 1 is a hydrogen atom or a methyl group
- R 2 is a linear or branched alkyl group having 4 to 12 carbon atoms or 3 to 36 carbon atoms.
- R1 represents a hydrogen atom or a methyl group.
- R 1 is preferably a methyl group.
- R 2 is preferably a linear or branched alkyl group having 4 to 12 carbon atoms or a branched alkyl group having 13 to 36 carbon atoms.
- R 2 is a linear or branched alkyl group having 4 to 12 carbon atoms
- linear alkyl groups having 4 to 12 carbon atoms include butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, nonyl group, decyl group, undecyl group and dodecyl group.
- Examples of branched alkyl groups having 4 to 12 carbon atoms include 1-methylpropyl group (sec-butyl group), 2-methylpropyl group, 1,1-dimethylethyl group (tert-butyl group), 1-methylbutyl group, 1 , 1-dimethylpropyl group, 1,2-dimethylpropyl group, 2,2-dimethylpropyl group (neopentyl group), 1-methylpentyl group, 2-methylpentyl group, 3-methylpentyl group, 4-methylpentyl group , 1,1-dimethylbutyl group, 1,2-dimethylbutyl group, 1,3-dimethylbutyl group, 2,2-dimethylbutyl group, 2,3-dimethylbutyl group, 1-ethylbutyl group, 2-ethylbutyl group , 1-methylhexyl group, 2-methylhexyl group, 2-methylhexyl group, 4-methylhexyl group, 5-methylhexyl group, 1-
- Examples of the branched alkyl group having 13 to 36 carbon atoms include 1-alkylalkyl groups [1-methyldodecyl group, 1-butyleicosyl group, 1-hexyloctadecyl group, 1-octylhexadecyl group, 1-decyltetradecyl group, 1-undecyltridecyl group, etc.], 2-alkylalkyl group [2-methyldodecyl group, 2-hexyloctadecyl group, 2- Octylhexadecyl group, 2-decyltetradecyl group, 2-undecyltridecyl group, 2-dodecylhexadecyl group, 2-tridecylpentadecyl group, 2-decyloctadecyl group, 2-tetradec
- the coating resin may contain an ester compound (a3) of a monohydric aliphatic alcohol having 1 to 3 carbon atoms and (meth)acrylic acid as the acrylic monomer (a).
- ester compound (a3) of a monohydric aliphatic alcohol having 1 to 3 carbon atoms and (meth)acrylic acid as the acrylic monomer (a).
- Methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol and the like can be mentioned as the monohydric aliphatic alcohol having 1 to 3 carbon atoms constituting the ester compound (a3).
- (Meth)acrylic acid means acrylic acid or methacrylic acid.
- the coating resin is preferably a polymer of a monomer composition containing acrylic acid (a0) and at least one of monomer (a1), monomer (a2) and ester compound (a3). It is more preferably a polymer of a monomer composition containing (a0) and at least one of a monomer (a1), an ester compound (a21) and an ester compound (a3), and acrylic acid (a0) and , the monomer (a1), the monomer (a2) and the ester compound (a3). ), ester compound (a21) and ester compound (a3).
- Coating resins include, for example, a copolymer of acrylic acid and maleic acid using maleic acid as the monomer (a1), and acrylic acid and 2-ethylhexyl methacrylate using 2-ethylhexyl methacrylate as the monomer (a2). and a copolymer of acrylic acid and methyl methacrylate using methyl methacrylate as the ester compound (a3).
- the total content of the monomer (a1), the monomer (a2) and the ester compound (a3) is 2.0 to 9.9 based on the total weight of the monomers, from the viewpoint of suppressing the volume change of the negative electrode active material particles. % by weight, more preferably 2.5 to 7.0% by weight.
- the coating resin does not contain a salt (a4) of an anionic monomer having a polymerizable unsaturated double bond and an anionic group as the acrylic monomer (a).
- Structures having polymerizable unsaturated double bonds include vinyl groups, allyl groups, styrenyl groups, and (meth)acryloyl groups.
- anionic groups include sulfonic acid groups and carboxyl groups.
- An anionic monomer having a polymerizable unsaturated double bond and an anionic group is a compound obtained by combining these, examples of which include vinylsulfonic acid, allylsulfonic acid, styrenesulfonic acid and (meth)acrylic acid. be done.
- a (meth)acryloyl group means an acryloyl group or a methacryloyl group.
- Examples of cations constituting the anionic monomer salt (a4) include lithium ions, sodium ions, potassium ions and ammonium ions.
- the coating resin is a radically polymerizable resin that is copolymerizable with acrylic acid (a0), monomer (a1), monomer (a2), and ester compound (a3) as acrylic monomer (a) within a range that does not impair physical properties. It may contain a monomer (a5).
- a monomer containing no active hydrogen is preferable, and the following monomers (a51) to (a58) can be used.
- the monools include (i) linear aliphatic monools (tridecyl alcohol, myristyl alcohol, pentadecyl alcohol, cetyl alcohol, heptadecyl alcohol, stearyl alcohol, nonadecyl alcohol, arachidyl alcohol etc.), (ii) alicyclic monools (cyclopentyl alcohol, cyclohexyl alcohol, cycloheptyl alcohol, cyclooctyl alcohol, etc.), (iii) araliphatic monools (benzyl alcohol, etc.) and mixtures of two or more thereof mentioned.
- Nitrogen-containing vinyl compound (a53-1) Amido group-containing vinyl compound (i) (meth)acrylamide compounds having 3 to 30 carbon atoms, such as N,N-dialkyl (1 to 6 carbon atoms) or dialkyl (carbon atoms) 7-15) (meth)acrylamide (N,N-dimethylacrylamide, N,N-dibenzylacrylamide, etc.), diacetoneacrylamide (ii) amide group containing 4 to 20 carbon atoms, excluding the above (meth)acrylamide compounds Vinyl compounds such as N-methyl-N-vinylacetamide, cyclic amides [pyrrolidone compounds (C6-C13, such as N-vinylpyrrolidone, etc.)]
- (a53-2) (meth)acrylate compound (i) dialkyl (1 to 4 carbon atoms) aminoalkyl (1 to 4 carbon atoms) (meth)acrylate [N,N-dimethylaminoethyl (meth)acrylate, N,N -Diethylaminoethyl (meth)acrylate, t-butylaminoethyl (meth)acrylate, morpholinoethyl (meth)acrylate, etc.] (ii) quaternary ammonium group-containing (meth)acrylate ⁇ tertiary amino group-containing (meth)acrylate [N,N-dimethylaminoethyl (meth)acrylate, N,N-diethylaminoethyl (meth)acrylate, etc.] compounds (those quaternized using a quaternizing agent such as methyl chloride, dimethyl sulfate, benzyl chloride, and dimethyl carbonate), etc. ⁇
- pyridine compounds having 7 to 14 carbon atoms, such as 2- or 4-vinylpyridine
- imidazole compounds having 5 to 12 carbon atoms, such as N-vinylimidazole
- pyrrole compounds having carbon atoms 6-13, such as N-vinylpyrrole
- pyrrolidone compounds C6-13, such as N-vinyl-2-pyrrolidone
- Nitrile group-containing vinyl compounds Nitrile group-containing vinyl compounds having 3 to 15 carbon atoms, such as (meth)acrylonitrile, cyanostyrene, cyanoalkyl (1 to 4 carbon atoms) acrylates
- Nitro group-containing vinyl compounds (carbon number 8-16, such as nitrostyrene), etc.
- (a54) vinyl hydrocarbon (a54-1) aliphatic vinyl hydrocarbon having 2 to 18 or more carbon atoms (ethylene, propylene, butene, isobutylene, pentene, heptene, diisobutylene, octene, dodecene, octadecene, etc.), Dienes having 4 to 10 or more carbon atoms (butadiene, isoprene, 1,4-pentadiene, 1,5-hexadiene, 1,7-octadiene, etc.), etc.
- cycloalkene e.g. cyclohexene
- cycloalkadiene e.g. (di)cyclopentadiene
- terpene e.g. pinene and limonene
- Aromatic unsaturated compounds having 8 to 20 or more aromatic vinyl hydrocarbon carbon atoms such as styrene, ⁇ -methylstyrene, vinyltoluene, 2,4-dimethylstyrene, ethylstyrene, isopropylstyrene, butyl Styrene, phenylstyrene, cyclohexylstyrene, benzylstyrene
- (a55) vinyl esters aliphatic vinyl esters [having 4 to 15 carbon atoms, e.g. alkenyl esters of aliphatic carboxylic acids (mono- or dicarboxylic acids) (e.g. vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, diallyl adipate, isopropenyl acetate, vinyl methoxy acetate)]
- Aromatic vinyl esters [C 9-20, e.g. alkenyl esters of aromatic carboxylic acids (mono- or dicarboxylic acids) (e.g. vinyl benzoate, diallyl phthalate, methyl-4-vinyl benzoate), aromatic ring-containing aliphatic carboxylic acids ester (e.g. acetoxystyrene)]
- Vinyl ether Aliphatic vinyl ether [C3-C15, such as vinyl alkyl (C1-10) ether (vinyl methyl ether, vinyl butyl ether, vinyl 2-ethylhexyl ether, etc.), vinyl alkoxy (C1-6) Alkyl (C 1-4) ethers (vinyl-2-methoxyethyl ether, methoxybutadiene, 3,4-dihydro-1,2-pyran, 2-butoxy-2'-vinyloxydiethyl ether, vinyl-2-ethyl mercaptoethyl ether, etc.), poly(2-4)(meth)allyloxyalkanes (having 2-6 carbon atoms) (diallyloxyethane, triaryloxyethane, tetraallyloxybutane, tetramethallyloxyethane, etc.)], Aromatic vinyl ethers (8-20 carbon atoms, eg vinyl phenyl ether, phenyl
- Unsaturated dicarboxylic acid diester Unsaturated dicarboxylic acid diester having 4 to 34 carbon atoms, such as dialkyl fumarate (the two alkyl groups are linear, branched or alicyclic groups having 1 to 22 carbon atoms) ), dialkyl maleates (wherein the two alkyl groups are linear, branched or alicyclic groups having 1 to 22 carbon atoms)
- the radically polymerizable monomer (a5) When the radically polymerizable monomer (a5) is contained, its content is preferably 0.1 to 3.0% by weight based on the total weight of the monomers.
- a preferable lower limit of the weight average molecular weight of the coating resin is 3,000, a more preferable lower limit is 5,000, and a further preferable lower limit is 7,000.
- the preferred upper limit of the weight average molecular weight of the coating resin is 100,000, and the more preferred upper limit is 70,000.
- the weight average molecular weight of the coating resin can be determined by gel permeation chromatography (hereinafter abbreviated as GPC) measurement under the following conditions.
- GPC gel permeation chromatography
- Apparatus Alliance GPC V2000 (manufactured by Waters) Solvents: ortho-dichlorobenzene, DMF, THF Standard substance: polystyrene sample concentration: 3 mg/ml
- Column stationary phase PLgel 10 ⁇ m, MIXED-B 2 in series (manufactured by Polymer Laboratories) Column temperature: 135°C
- the coating resin is a known polymerization initiator ⁇ azo initiator [2,2′-azobis(2-methylpropionitrile), 2,2′-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile), 2,2′ -azobis (2-methylbutyronitrile), etc.], peroxide-based initiators (benzoyl peroxide, di-t-butyl peroxide, lauryl peroxide, etc.) etc. ⁇ using known polymerization methods (bulk polymerization, solution polymerization, emulsion polymerization, suspension polymerization, 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 coating resin is a cross-linking agent (A') ⁇ preferably a polyepoxy compound (a'1) [polyglycidyl ether (bisphenol A diglycidyl ether, propylene glycol di glycidyl 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) (ethylene glycol or the like) ⁇ may be a crosslinked polymer.
- a'1 polyglycidyl ether (bisphenol A diglycidyl ether, propylene glycol di glycidyl ether and glycerin triglycidyl ether, etc.) and polyglycidylamines (N,N-diglycidylaniline and 1,3-bis (N,N-diglycidylamino
- Examples of the method of cross-linking the coating resin using the cross-linking agent (A′) include a method of coating the negative electrode active material particles with the coating resin and then cross-linking the particles. Specifically, a resin solution containing the negative electrode active material particles and the coating resin is mixed and the solvent is removed to produce the coated active material particles, and then a solution containing the cross-linking agent (A′) is applied to the coated active material particles. A method of mixing and heating to cause desolvation and a cross-linking reaction to cause a cross-linking reaction of the coating resin with the cross-linking agent (A') on the surface of the negative electrode active material particles can be exemplified.
- 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 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.
- aluminum, stainless steel, carbon, silver, gold, copper, titanium and mixtures thereof are more preferable
- silver, gold, aluminum, stainless steel and carbon are more preferable, and particularly Carbon is preferred.
- 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 aid” means the maximum distance L among the distances between arbitrary two points on the outline of the conductive aid.
- 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.
- the ratio of the coating resin and the conductive aid is not particularly limited, but from the viewpoint of the internal resistance of the battery, etc., the weight ratio of the coating resin (resin solid content weight): conductive aid is 1:0.01 to 1. :50, more preferably 1:0.2 to 1:3.0.
- the electrode active material particles, the polymer particles having lithium ion conductivity, the coating resin, the conductive aid, and the organic solvent are mixed, and then the solvent is removed. have a process.
- the organic solvent is not particularly limited as long as it is an organic solvent capable of dissolving the coating resin, and a known organic solvent can be appropriately selected and used.
- electrode active material particles for lithium ion batteries of the present invention
- electrode active material particles polymer particles having lithium ion conductivity, a coating resin, and a conductive aid are mixed in an organic solvent.
- the order of mixing the electrode active material particles, the particles made of a polymer having lithium ion conductivity, the coating resin and the conductive aid is not particularly limited, and for example, the previously mixed coating resin, the polymer having lithium ion conductivity
- a resin composition comprising particles and a conductive aid may be further mixed with the electrode active material particles, or the electrode active material particles, particles made of a polymer having lithium ion conductivity, and a conductive aid may be mixed at the same time.
- the electrode active material particles may be mixed with a coating resin, and further mixed with polymer particles having lithium ion conductivity and a conductive aid.
- the coated electrode active material particles for a lithium ion battery of the present invention are obtained by coating the electrode active material particles with a coating layer containing a coating resin, particles made of a polymer having lithium ion conductivity, and a conductive aid.
- the electrode active material particles are placed in a universal mixer and stirred at 30 to 500 rpm, and the resin solution containing the coating resin is dropped and mixed over 1 to 90 minutes to obtain a polymer having lithium ion conductivity. It can be obtained by mixing particles and a conductive aid, heating to 50 to 200 ° C. while stirring, reducing the pressure to 0.007 to 0.04 MPa, holding for 10 to 150 minutes, and removing the solvent. .
- the mixing ratio of the electrode active material particles and the resin composition containing the polymer particles having lithium ion conductivity, the coating resin, and the conductive aid is not particularly limited, but the weight ratio of the electrode active material particles :
- the resin composition is preferably 1:0.001 to 0.1.
- the coverage of the coated electrode active material particles for a lithium ion battery of the present invention is preferably 30 to 95% obtained by the following formula.
- Coverage (%) ⁇ 1-[BET specific surface area of coated active material particles/(BET specific surface area of electrode active material x weight ratio of electrode active material contained in coated electrode active material particles + having lithium ion conductivity BET specific surface area of polymer x weight ratio of polymer having lithium ion conductivity contained in coated electrode active material particles + BET specific surface area of conductive aid x weight of conductive aid contained in coated electrode active material particles ratio)] ⁇ 100
- the lithium ion battery electrode of the present invention is a lithium ion battery electrode comprising an electrode active material layer containing the coated electrode active material particles for a lithium ion battery of the present invention and an electrolytic solution containing an electrolyte and a solvent,
- the weight ratio of the coating resin contained in the lithium ion battery electrode is 1 to 10% by weight based on the weight of the lithium ion battery electrode.
- the lithium ion battery electrode of the present invention comprises an electrode active material layer containing the coated electrode active material particles for a lithium ion battery of the present invention and an electrolytic solution containing an electrolyte and a solvent.
- coated electrode active material particles for lithium ion batteries include coated positive electrode active material particles and coated negative electrode active material particles, and can be appropriately selected depending on whether it is used for the positive electrode or the negative electrode.
- the coated electrode active material particles for the lithium ion battery should have a weight ratio of the coating resin contained in the lithium ion battery electrode that is equal to that of the lithium ion battery electrode. It is preferably contained in an amount of 1 to 10% by weight based on the weight.
- the weight ratio of the coating resin contained in the positive electrode for lithium ion batteries is 1 based on the weight of the positive electrode for lithium ion batteries. More preferably, it is contained in an amount of up to 5% by weight.
- the weight ratio of the coating resin contained in the negative electrode for lithium ion batteries is based on the weight of the negative electrode for lithium ion batteries. It is more preferable that it is contained so as to be 5 to 10% by weight.
- 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 electrode active material layer may further contain a conductive aid in addition to the conductive aid contained in the coating layer of the coated electrode active material particles described above.
- the conductive additive contained in the coating layer is integrated with the coated electrode active material particles, whereas the conductive additive contained in the electrode active material layer is contained separately from the coated electrode active material particles.
- As the conductive aid that the electrode active material layer may contain, those described in ⁇ Coated Electrode Active Material Particles for Lithium Ion Battery> can be used.
- the electrode active material layer preferably does not contain a binder.
- the binder means an agent that cannot reversibly fix the coated electrode active material particles to each other and the coated electrode active material particles to the current collector, and includes starch, polyvinylidene fluoride, Known solvent-drying type binders for lithium ion batteries such as polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, styrene-butadiene rubber, polyethylene and polypropylene are included. These 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 electrode active material particles together and the coated electrode active material particles and the current collector. is fixed to
- the 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 electrode active material particles is fixed to the surfaces of the electrode active material particles, the adhesive resin reversibly fixes the surfaces of the electrode active material particles to each other. The adhesive resin can be easily separated from the surface of the 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. When the adhesive resin is used, it is preferable to use 0.01 to 10% by weight of the adhesive resin with respect to the total weight of the electrode active material particles.
- the thickness of the electrode active material layer is preferably 150 to 600 ⁇ m, more preferably 200 to 450 ⁇ m.
- the lithium ion battery electrode includes a current collector, and an electrode active material layer is provided on the surface of the current collector.
- Materials constituting the current collector include metallic materials such as copper, aluminum, titanium, stainless steel, nickel, and alloys thereof, as well as calcined carbon, conductive polymer materials, conductive glass, and the like.
- the shape of the current collector is not particularly limited, and may be a sheet-like current collector made of the above material or a deposited layer made of fine particles made of the above material.
- the lithium-ion battery electrode of the present invention preferably includes a resin current collector made of a conductive polymer material, and an 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 material as the conductive aid contained in 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 current collector is not particularly limited, it is preferably 5 to 150 ⁇ m.
- the lithium ion battery electrode of the present invention is, for example, a slurry for an electrode active material layer containing the coated electrode active material particles for a lithium ion battery of the present invention, an electrolytic solution containing an electrolyte and a solvent, and optionally a conductive aid and the like.
- a slurry for an electrode active material layer containing the coated electrode active material particles for a lithium ion battery of the present invention, an electrolytic solution containing an electrolyte and a solvent, and optionally a conductive aid and the like.
- the slurry for the electrode active material layer is coated on the current collector with a coating device such as a bar coater, and then the nonwoven fabric is left standing on the electrode active material particles to absorb the solvent.
- a coating device such as a bar coater
- a powder (electrode precursor) obtained by mixing the coated electrode active material particles for a lithium ion battery of the present invention and, if necessary, a conductive agent or the like is applied to a current collector and pressed with a press to activate the electrode. It can also be produced by injecting an electrolytic solution after forming a material layer.
- the slurry for the electrode active material layer or the electrode precursor is applied onto a release film and pressed to form an electrode active material layer, the electrode active material layer is transferred to a current collector, and then an electrolytic solution is injected. You may
- the lithium ion battery electrode of the present invention can be used as a lithium ion battery by combining a separator with an electrode paired with the lithium ion battery electrode of the present invention.
- a known electrode can be used, but the lithium ion battery electrode of the present invention is preferred.
- 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.
- a lithium ion battery is produced by, for example, stacking the lithium ion battery electrode of the present invention, a separator, and an electrode paired with the lithium ion battery electrode of the present invention in this order, and then, if necessary, injecting an electrolytic solution. can be manufactured.
- ⁇ Particles made of polymer having lithium ion conductivity The following materials were prepared as particles composed of a polymer having lithium ion conductivity.
- PEO Polyethylene oxide
- Alcox manufactured by Meisei Chemical Industry Co., Ltd.
- ⁇ Particles made of polymer not having lithium ion conductivity The following materials were prepared as particles composed of a polymer having no lithium ion conductivity.
- (polyester resin) 673 parts of 2 mol bisphenol A propylene oxide adduct, 15 parts of 5 mol propylene oxide adduct of phenolic novolac resin (about 5 nuclei), terephthalic 157 parts of acid, 37 parts of maleic anhydride, 152 parts of dodecenylsuccinic anhydride and 2 parts of dibutyltin oxide were added and reacted under normal pressure at 220° C. for 8 hours, and further reacted under reduced pressure of 0.001 to 0.002 MPa for 5 hours. .
- polyester resin was cut into pieces of about 1 cm ⁇ 1 cm with scissors and pulverized with a tablet crusher for 5 minutes.
- the obtained powder was placed in a disposable cup and pulverized together with a zirconia pulverizing ball with an Awatori Mixer at 1000 rpm for 10 sec. After that, the mixture was allowed to cool, and crushed again with the Thread Mixer at 1000 rpm for 10 seconds. This was repeated 6 times, and the pulverized materials obtained were each classified with a sieve having an opening of 50 ⁇ m.
- Polyacrylic acid Polyacrylic acid [product name: Polyacrylic acid 5000, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] was placed in a disposable cup and crushed together with zirconia crushing balls with an Awatori Mixer at 1000 rpm for 10 sec. After that, the mixture was allowed to cool, and crushed again with the Thread Mixer at 1000 rpm for 10 seconds. This was repeated 6 times, and the pulverized materials obtained were each classified with a sieve having an opening of 50 ⁇ m. The classified material was used in the following comparative examples as particles composed of a polymer having no lithium ion conductivity. Table 1 or 2 shows the volume-average particle size after pulverization and classification of the polymer particles having no lithium ion conductivity used in Comparative Examples.
- Example 1 ⁇ Production of coated positive electrode active material particles for lithium ion batteries> One part of the coating resin was dissolved in 3 parts of toluene to obtain a coating resin solution. 92 parts of positive electrode active material particles (LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 powder, volume average particle size 4 ⁇ m) were placed in a universal mixer high speed mixer FS25 [manufactured by Earth Technica Co., Ltd.], room temperature, While being stirred at 720 rpm, 12 parts of the coating resin solution was added dropwise over 2 minutes and further stirred for 5 minutes.
- a universal mixer high speed mixer FS25 manufactured by Earth Technica Co., Ltd.
- 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 prepared positive electrode for a lithium ion battery was combined with a Li metal counter electrode via a separator (#3501 manufactured by Celgard) to prepare a laminate cell.
- Examples 2-9, Comparative Examples 1-3 Coated positive electrode active material particles were produced in the same manner as in Example 1, except that the type and amount of particles made of a polymer having lithium ion conductivity were changed as shown in Table 1. Thereafter, a positive electrode for a lithium ion battery and a lithium ion battery were produced in the same manner as in Example 1, except that the coated positive electrode active material particles thus produced were used.
- a polyester resin was used as the polymer having no lithium ion conductivity instead of the polymer having lithium ion conductivity. As shown in the "type of polymer" column in Table 1, this polyester resin is a polymer that does not have lithium ion conductivity.
- Example 10 ⁇ Production of coated negative electrode active material particles for lithium ion batteries> (Example 10) One part of the coating resin was dissolved in 3 parts of toluene to obtain a coating resin solution. 80 parts of negative electrode active material particles (hard carbon powder, volume average particle diameter 25 ⁇ m) are placed in a universal mixer High Speed Mixer FS25 [manufactured by Earth Technica Co., Ltd.], and stirred at room temperature and 720 rpm, 32 parts of a coating resin solution. was added dropwise over 2 minutes, and the mixture was further stirred for 5 minutes.
- a coating resin solution 80 parts of negative electrode active material particles (hard carbon powder, volume average particle diameter 25 ⁇ m) are placed in a universal mixer High Speed Mixer FS25 [manufactured by Earth Technica Co., Ltd.], and stirred at room temperature and 720 rpm, 32 parts of a coating resin solution. was added dropwise over 2 minutes, and the mixture was further stirred for 5 minutes.
- the obtained powder was classified with a sieve having an opening of 200 ⁇ m to prepare coated negative electrode active material particles.
- the prepared negative electrode for lithium ion battery was combined with a Cu metal counter electrode via a separator (#3501 manufactured by Celgard) to prepare a laminate cell.
- Example 11-18 Coated positive electrode active material particles were produced in the same manner as in Example 10, except that the type and amount of particles made of a polymer having lithium ion conductivity were changed as shown in Table 2. Thereafter, a negative electrode for a lithium ion battery and a lithium ion battery were produced in the same manner as in Example 10, except that the coated negative electrode active material particles thus produced were used.
- polyacrylic acid was used as a polymer having no lithium ion conductivity instead of the polymer having lithium ion conductivity. As shown in the "type of polymer” column in Table 2, this polyacrylic acid is a polymer that does not have lithium ion conductivity.
- coated electrode active material particles for lithium ion batteries of the present invention can reduce the increase in the internal resistance value of the lithium ion battery even when used in a high temperature environment. can be used extensively for
Abstract
高温環境下で用いたとしても、電解液と被覆電極活物質粒子との間で起こる副反応を抑制することができ、リチウムイオン電池の内部抵抗値の上昇を低減できるリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を提供する。 電極活物質粒子表面の少なくとも一部が被覆層で被覆されたリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子であって、上記被覆層が、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子と被覆樹脂と導電助剤とを含むリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子。
Description
本発明は、チウムイオン電池用被覆電極活物質粒子、リチウムイオン電池用電極及びリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子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、様々な用途に広範に使用されるようになっている。
例えば、特許文献1には、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及びアニオン性単量体を含んでなる単量体組成物の重合体であり、酸価が30~700である重合体を含んでなる活物質被覆用樹脂組成物、及び、上記活物質被覆用樹脂組成物を含んでなる被覆層を活物質の表面の少なくとも一部に有する被覆活物質が開示されている。
リチウムイオン電池は、様々な用途に広範に使用されるようになっており、例えば、高温環境下で使用されることもある。
従来の被覆活物質を用いたリチウムイオン電池では、高温環境下で使用される場合に、電解液と被覆活物質との間で副反応が起こり、リチウムイオン電池が劣化(具体的には、内部抵抗値が上昇)することがあるといった課題があり、改善の余地があった。
従来の被覆活物質を用いたリチウムイオン電池では、高温環境下で使用される場合に、電解液と被覆活物質との間で副反応が起こり、リチウムイオン電池が劣化(具体的には、内部抵抗値が上昇)することがあるといった課題があり、改善の余地があった。
本発明は、高温環境下で用いたとしても、電解液と被覆電極活物質粒子との間で起こる副反応を抑制し、リチウムイオン電池の内部抵抗値の上昇を低減できるリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を提供することを目的とする。本発明はまた、上記リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を含むリチウムイオン電池用電極、及び、上記リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、電極活物質粒子と電解液とが直接接触することにより生じる反応生成物(SEI:Solid Electrolyte Interphase)の堆積が、リチウムイオン電池の内部抵抗値の上昇の要因であることを見出した。
本発明者らは、電極活物質粒子表面の少なくとも一部が被覆層で被覆されたリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子において、被覆層を構成する被覆樹脂により、電極活物質粒子と電解液との接触を妨げて、電解液と被覆電極活物質粒子との間で起こる副反応を抑制することを検討したが、リチウムイオン電池の内部抵抗値の上昇を十分に低減することはできなかった。
そこで、本発明者らは、上記課題を解決するために更に鋭意検討を重ねた結果、被覆層がリチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子と被覆樹脂と導電助剤とを含むことにより、電解液と被覆電極活物質粒子との間で起こる副反応を抑制することができ、リチウムイオン電池の内部抵抗値の上昇を効果的に低減できることを見出し、本発明に到達した。
本発明者らは、電極活物質粒子表面の少なくとも一部が被覆層で被覆されたリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子において、被覆層を構成する被覆樹脂により、電極活物質粒子と電解液との接触を妨げて、電解液と被覆電極活物質粒子との間で起こる副反応を抑制することを検討したが、リチウムイオン電池の内部抵抗値の上昇を十分に低減することはできなかった。
そこで、本発明者らは、上記課題を解決するために更に鋭意検討を重ねた結果、被覆層がリチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子と被覆樹脂と導電助剤とを含むことにより、電解液と被覆電極活物質粒子との間で起こる副反応を抑制することができ、リチウムイオン電池の内部抵抗値の上昇を効果的に低減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、電極活物質粒子表面の少なくとも一部が被覆層で被覆されたリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子であって、上記被覆層が、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子と被覆樹脂と導電助剤とを含むリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子;上記リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子と、電解質及び溶媒を含有する電解液とを含む電極活物質層を備えるリチウムイオン電池用電極であって、上記リチウムイオン電池用電極に含まれる被覆樹脂の重量割合が、上記リチウムイオン電池用電極の重量を基準として1~10重量%であるリチウムイオン電池用電極;電極活物質粒子、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子、被覆樹脂、導電助剤及び有機溶剤を混合した後に脱溶剤する工程を有する上記リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子の製造方法に関する。
本発明によれば、高温環境下で用いたとしても、電解液と被覆電極活物質粒子との間で起こる副反応を抑制することができ、リチウムイオン電池の内部抵抗値の上昇を低減できるリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を提供することができる。
<リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子>
本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子は、電極活物質粒子表面の少なくとも一部が被覆層で被覆されたリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子であって、上記被覆層が、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子と被覆樹脂と導電助剤とを含む。
このような構成とすることにより、電極活物質粒子と電解液との接触を妨げて、電解液と被覆電極活物質粒子との間で起こる副反応を抑制することができ、リチウムイオン電池の内部抵抗値の上昇を効果的に低減することができる。
本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子は、電極活物質粒子表面の少なくとも一部が被覆層で被覆されたリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子であって、上記被覆層が、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子と被覆樹脂と導電助剤とを含む。
このような構成とすることにより、電極活物質粒子と電解液との接触を妨げて、電解液と被覆電極活物質粒子との間で起こる副反応を抑制することができ、リチウムイオン電池の内部抵抗値の上昇を効果的に低減することができる。
(電極活物質粒子)
電極活物質粒子としては、正極活物質粒子及び負極活物質粒子が挙げられ、本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を被覆正極活物質粒子又は被覆負極活物質粒子のいずれに用いるかによって適宜選択することができる。
電極活物質粒子としては、正極活物質粒子及び負極活物質粒子が挙げられ、本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を被覆正極活物質粒子又は被覆負極活物質粒子のいずれに用いるかによって適宜選択することができる。
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(LiCoO2、LiNiO2、LiAlMnO4、LiMnO2及びLiMn2O4等)、遷移金属元素が2種である複合酸化物(例えばLiFeMnO4、LiNi1-xCoxO2、LiMn1-yCoyO2、LiNi1/3Co1/3Al1/3O2及びLiNi0.8Co0.15Al0.05O2)及び金属元素が3種以上である複合酸化物[例えばLiMaM’bM’’cO2(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LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)等]等}、リチウム含有遷移金属リン酸塩(例えばLiFePO4、LiCoPO4、LiMnPO4及びLiNiPO4)、遷移金属酸化物(例えばMnO2及びV2O5)、遷移金属硫化物(例えばMoS2及びTiS2)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)等が挙げられる。
これらの正極活物質粒子は、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、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。
これらの正極活物質粒子は、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、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。
負極活物質粒子としては、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(SiOx)、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。
これらの負極活物質粒子は、1種単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。
これらの負極活物質粒子は、1種単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。
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。
電極活物質粒子表面の少なくとも一部は、被覆層で被覆されており、被覆層は、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子と被覆樹脂と導電助剤とを含む。
(リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子)
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子としては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、LiPON、Li3N、LixLa1-xTiO3(0<x<1)及びLi2S-GeS-Ga2S3等の高分子からなる粒子が挙げられる。
なかでも、電解液と被覆電極活物質粒子との間で起こる副反応を好適に抑制し、リチウムイオン電池の内部抵抗値の上昇を好適に低減する観点から、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)及びポリエチレングリコール(PEG)からなる群から選択される1種以上であることが好ましい。
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子としては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、LiPON、Li3N、LixLa1-xTiO3(0<x<1)及びLi2S-GeS-Ga2S3等の高分子からなる粒子が挙げられる。
なかでも、電解液と被覆電極活物質粒子との間で起こる副反応を好適に抑制し、リチウムイオン電池の内部抵抗値の上昇を好適に低減する観点から、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)及びポリエチレングリコール(PEG)からなる群から選択される1種以上であることが好ましい。
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子は、体積平均粒子径が、1~50μmであることが好ましい。
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子の体積平均粒子径が上記範囲であることにより、電極活物質粒子と電解液との接触を好適に抑制することができる。
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子の体積平均粒子径は、5~40μmであることがより好ましい。
なお、本明細書において「体積平均粒子径」とは、レーザー回折法で測定された粒子径分布において、小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径を意味する。
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子の体積平均粒子径が上記範囲であることにより、電極活物質粒子と電解液との接触を好適に抑制することができる。
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子の体積平均粒子径は、5~40μmであることがより好ましい。
なお、本明細書において「体積平均粒子径」とは、レーザー回折法で測定された粒子径分布において、小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径を意味する。
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子は、粉砕、解砕等をした後、分級をして上記体積平均粒子径の範囲に調製してもよい。
粉砕、解砕等の方法としては特に限定されず、公知の方法(高速ディスパー、ビーズミル、ボールミル等)を適宜選択して用いることができる。
また、分級方法としては特に限定されず、多段位の篩を用いる等、公知の方法を適宜選択して用いることができる。
粉砕、解砕等の方法としては特に限定されず、公知の方法(高速ディスパー、ビーズミル、ボールミル等)を適宜選択して用いることができる。
また、分級方法としては特に限定されず、多段位の篩を用いる等、公知の方法を適宜選択して用いることができる。
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子の重量割合は、被覆電極活物質粒子の重量を基準として0.1~5重量%であることが好ましい。
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子の重量割合が上記範囲であることにより、電極活物質粒子と電解液との接触を好適に抑制することができる。
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子の重量割合は、被覆電極活物質粒子の重量を基準として0.5~4.5重量%であることがより好ましく、1.0~4.0重量%であることが更に好ましい。
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子の重量割合が上記範囲であることにより、電極活物質粒子と電解液との接触を好適に抑制することができる。
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子の重量割合は、被覆電極活物質粒子の重量を基準として0.5~4.5重量%であることがより好ましく、1.0~4.0重量%であることが更に好ましい。
(被覆樹脂)
被覆樹脂としては、例えば、アクリルモノマー(a)を必須構成単量体とする重合体を含む樹脂であることが好ましい。
具体的には、被覆樹脂は、アクリルモノマー(a)として、アクリル酸(a0)を含む単量体組成物の重合体であることが好ましい。上記単量体組成物において、被覆層の柔軟性の観点から、アクリル酸(a0)の含有量は、単量体全体の重量を基準として90重量%以上、95重量%以下であることが好ましい。
被覆樹脂としては、例えば、アクリルモノマー(a)を必須構成単量体とする重合体を含む樹脂であることが好ましい。
具体的には、被覆樹脂は、アクリルモノマー(a)として、アクリル酸(a0)を含む単量体組成物の重合体であることが好ましい。上記単量体組成物において、被覆層の柔軟性の観点から、アクリル酸(a0)の含有量は、単量体全体の重量を基準として90重量%以上、95重量%以下であることが好ましい。
被覆樹脂は、アクリルモノマー(a)として、アクリル酸(a0)以外のカルボキシル基又は酸無水物基を有するモノマー(a1)を含有してもよい。
アクリル酸(a0)以外のカルボキシル基又は酸無水物基を有するモノマー(a1)としては、メタクリル酸、クロトン酸、桂皮酸等の炭素数3~15のモノカルボン酸;(無水)マレイン酸、フマル酸、(無水)イタコン酸、シトラコン酸、メサコン酸等の炭素数4~24のジカルボン酸;アコニット酸等の炭素数6~24の3価~4価又はそれ以上の価数のポリカルボン酸等が挙げられる。
被覆樹脂は、アクリルモノマー(a)として、下記一般式(1)で表されるモノマー(a2)を含有してもよい。
CH2=C(R1)COOR2 (1)
[式(1)中、R1は水素原子又はメチル基であり、R2は炭素数4~12の直鎖又は炭素数3~36の分岐アルキル基である。]
CH2=C(R1)COOR2 (1)
[式(1)中、R1は水素原子又はメチル基であり、R2は炭素数4~12の直鎖又は炭素数3~36の分岐アルキル基である。]
上記一般式(1)で表されるモノマー(a2)において、R1は水素原子又はメチル基を表す。R1はメチル基であることが好ましい。
R2は、炭素数4~12の直鎖若しくは分岐アルキル基、又は、炭素数13~36の分岐アルキル基であることが好ましい。
R2は、炭素数4~12の直鎖若しくは分岐アルキル基、又は、炭素数13~36の分岐アルキル基であることが好ましい。
(a21)R2が炭素数4~12の直鎖又は分岐アルキル基であるエステル化合物
炭素数4~12の直鎖アルキル基としては、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基が挙げられる。
炭素数4~12の分岐アルキル基としては、1-メチルプロピル基(sec-ブチル基)、2-メチルプロピル基、1,1-ジメチルエチル基(tert-ブチル基)、1-メチルブチル基、1,1-ジメチルプロピル基、1,2-ジメチルプロピル基、2,2-ジメチルプロピル基(ネオペンチル基)、1-メチルペンチル基、2-メチルペンチル基、3-メチルペンチル基、4-メチルペンチル基、1,1-ジメチルブチル基、1,2-ジメチルブチル基、1,3-ジメチルブチル基、2,2-ジメチルブチル基、2,3-ジメチルブチル基、1-エチルブチル基、2-エチルブチル基、1-メチルヘキシル基、2-メチルヘキシル基、2-メチルヘキシル基、4-メチルヘキシル基、5-メチルヘキシル基、1-エチルペンチル基、2-エチルペンチル基、3-エチルペンチル基、1,1-ジメチルペンチル基、1,2-ジメチルペンチル基、1,3-ジメチルペンチル基、2,2-ジメチルペンチル基、2,3-ジメチルペンチル基、2-エチルペンチル基、1-メチルヘプチル基、2-メチルヘプチル基、3-メチルヘプチル基、4-メチルヘプチル基、5-メチルヘプチル基、6-メチルヘプチル基、1,1-ジメチルヘキシル基、1,2-ジメチルヘキシル基、1,3-ジメチルヘキシル基、1,4-ジメチルヘキシル基、1,5-ジメチルヘキシル基、1-エチルヘキシル基、2-エチルヘキシル基、1-メチルオクチル基、2-メチルオクチル基、3-メチルオクチル基、4-メチルオクチル基、5-メチルオクチル基、6-メチルオクチル基、7-メチルオクチル基、1,1-ジメチルヘプチル基、1,2-ジメチルヘプチル基、1,3-ジメチルヘプチル基、1,4-ジメチルヘプチル基、1,5-ジメチルヘプチル基、1,6-ジメチルヘプチル基、1-エチルヘプチル基、2-エチルヘプチル基、1-メチルノニル基、2-メチルノニル基、3-メチルノニル基、4-メチルノニル基、5-メチルノニル基、6-メチルノニル基、7-メチルノニル基、8-メチルノニル基、1,1-ジメチルオクチル基、1,2-ジメチルオクチル基、1,3-ジメチルオクチル基、1,4-ジメチルオクチル基、1,5-ジメチルオクチル基、1,6-ジメチルオクチル基、1,7-ジメチルオクチル基、1-エチルオクチル基、2-エチルオクチル基、1-メチルデシル基、2-メチルデシル基、3-メチルデシル基、4-メチルデシル基、5-メチルデシル基、6-メチルデシル基、7-メチルデシル基、8-メチルデシル基、9-メチルデシル基、1,1-ジメチルノニル基、1,2-ジメチルノニル基、1,3-ジメチルノニル基、1,4-ジメチルノニル基、1,5-ジメチルノニル基、1,6-ジメチルノニル基、1,7-ジメチルノニル基、1,8-ジメチルノニル基、1-エチルノニル基、2-エチルノニル基、1-メチルウンデシル基、2-メチルウンデシル基、3-メチルウンデシル基、4-メチルウンデシル基、5-メチルウンデシル基、6-メチルウンデシル基、7-メチルウンデシル基、8-メチルウンデシル基、9-メチルウンデシル基、10-メチルウンデシル基、1,1-ジメチルデシル基、1,2-ジメチルデシル基、1,3-ジメチルデシル基、1,4-ジメチルデシル基、1,5-ジメチルデシル基、1,6-ジメチルデシル基、1,7-ジメチルデシル基、1,8-ジメチルデシル基、1,9-ジメチルデシル基、1-エチルデシル基、2-エチルデシル基等が挙げられる。これらの中では、特に、2-エチルヘキシル基が好ましい。
炭素数4~12の直鎖アルキル基としては、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基が挙げられる。
炭素数4~12の分岐アルキル基としては、1-メチルプロピル基(sec-ブチル基)、2-メチルプロピル基、1,1-ジメチルエチル基(tert-ブチル基)、1-メチルブチル基、1,1-ジメチルプロピル基、1,2-ジメチルプロピル基、2,2-ジメチルプロピル基(ネオペンチル基)、1-メチルペンチル基、2-メチルペンチル基、3-メチルペンチル基、4-メチルペンチル基、1,1-ジメチルブチル基、1,2-ジメチルブチル基、1,3-ジメチルブチル基、2,2-ジメチルブチル基、2,3-ジメチルブチル基、1-エチルブチル基、2-エチルブチル基、1-メチルヘキシル基、2-メチルヘキシル基、2-メチルヘキシル基、4-メチルヘキシル基、5-メチルヘキシル基、1-エチルペンチル基、2-エチルペンチル基、3-エチルペンチル基、1,1-ジメチルペンチル基、1,2-ジメチルペンチル基、1,3-ジメチルペンチル基、2,2-ジメチルペンチル基、2,3-ジメチルペンチル基、2-エチルペンチル基、1-メチルヘプチル基、2-メチルヘプチル基、3-メチルヘプチル基、4-メチルヘプチル基、5-メチルヘプチル基、6-メチルヘプチル基、1,1-ジメチルヘキシル基、1,2-ジメチルヘキシル基、1,3-ジメチルヘキシル基、1,4-ジメチルヘキシル基、1,5-ジメチルヘキシル基、1-エチルヘキシル基、2-エチルヘキシル基、1-メチルオクチル基、2-メチルオクチル基、3-メチルオクチル基、4-メチルオクチル基、5-メチルオクチル基、6-メチルオクチル基、7-メチルオクチル基、1,1-ジメチルヘプチル基、1,2-ジメチルヘプチル基、1,3-ジメチルヘプチル基、1,4-ジメチルヘプチル基、1,5-ジメチルヘプチル基、1,6-ジメチルヘプチル基、1-エチルヘプチル基、2-エチルヘプチル基、1-メチルノニル基、2-メチルノニル基、3-メチルノニル基、4-メチルノニル基、5-メチルノニル基、6-メチルノニル基、7-メチルノニル基、8-メチルノニル基、1,1-ジメチルオクチル基、1,2-ジメチルオクチル基、1,3-ジメチルオクチル基、1,4-ジメチルオクチル基、1,5-ジメチルオクチル基、1,6-ジメチルオクチル基、1,7-ジメチルオクチル基、1-エチルオクチル基、2-エチルオクチル基、1-メチルデシル基、2-メチルデシル基、3-メチルデシル基、4-メチルデシル基、5-メチルデシル基、6-メチルデシル基、7-メチルデシル基、8-メチルデシル基、9-メチルデシル基、1,1-ジメチルノニル基、1,2-ジメチルノニル基、1,3-ジメチルノニル基、1,4-ジメチルノニル基、1,5-ジメチルノニル基、1,6-ジメチルノニル基、1,7-ジメチルノニル基、1,8-ジメチルノニル基、1-エチルノニル基、2-エチルノニル基、1-メチルウンデシル基、2-メチルウンデシル基、3-メチルウンデシル基、4-メチルウンデシル基、5-メチルウンデシル基、6-メチルウンデシル基、7-メチルウンデシル基、8-メチルウンデシル基、9-メチルウンデシル基、10-メチルウンデシル基、1,1-ジメチルデシル基、1,2-ジメチルデシル基、1,3-ジメチルデシル基、1,4-ジメチルデシル基、1,5-ジメチルデシル基、1,6-ジメチルデシル基、1,7-ジメチルデシル基、1,8-ジメチルデシル基、1,9-ジメチルデシル基、1-エチルデシル基、2-エチルデシル基等が挙げられる。これらの中では、特に、2-エチルヘキシル基が好ましい。
(a22)R2が炭素数13~36の分岐アルキル基であるエステル化合物
炭素数13~36の分岐アルキル基としては、1-アルキルアルキル基[1-メチルドデシル基、1-ブチルエイコシル基、1-ヘキシルオクタデシル基、1-オクチルヘキサデシル基、1-デシルテトラデシル基、1-ウンデシルトリデシル基等]、2-アルキルアルキル基[2-メチルドデシル基、2-ヘキシルオクタデシル基、2-オクチルヘキサデシル基、2-デシルテトラデシル基、2-ウンデシルトリデシル基、2-ドデシルヘキサデシル基、2-トリデシルペンタデシル基、2-デシルオクタデシル基、2-テトラデシルオクタデシル基、2-ヘキサデシルオクタデシル基、2-テトラデシルエイコシル基、2-ヘキサデシルエイコシル基等]、3~34-アルキルアルキル基(3-アルキルアルキル基、4-アルキルアルキル基、5-アルキルアルキル基、32-アルキルアルキル基、33-アルキルアルキル基及び34-アルキルアルキル基等)、並びに、プロピレンオリゴマー(7~11量体)、エチレン/プロピレン(モル比16/1~1/11)オリゴマー、イソブチレンオリゴマー(7~8量体)及びα-オレフィン(炭素数5~20)オリゴマー(4~8量体)等から得られるオキソアルコールから水酸基を除いた残基のような1又はそれ以上の分岐アルキル基を含有する混合アルキル基等が挙げられる。
炭素数13~36の分岐アルキル基としては、1-アルキルアルキル基[1-メチルドデシル基、1-ブチルエイコシル基、1-ヘキシルオクタデシル基、1-オクチルヘキサデシル基、1-デシルテトラデシル基、1-ウンデシルトリデシル基等]、2-アルキルアルキル基[2-メチルドデシル基、2-ヘキシルオクタデシル基、2-オクチルヘキサデシル基、2-デシルテトラデシル基、2-ウンデシルトリデシル基、2-ドデシルヘキサデシル基、2-トリデシルペンタデシル基、2-デシルオクタデシル基、2-テトラデシルオクタデシル基、2-ヘキサデシルオクタデシル基、2-テトラデシルエイコシル基、2-ヘキサデシルエイコシル基等]、3~34-アルキルアルキル基(3-アルキルアルキル基、4-アルキルアルキル基、5-アルキルアルキル基、32-アルキルアルキル基、33-アルキルアルキル基及び34-アルキルアルキル基等)、並びに、プロピレンオリゴマー(7~11量体)、エチレン/プロピレン(モル比16/1~1/11)オリゴマー、イソブチレンオリゴマー(7~8量体)及びα-オレフィン(炭素数5~20)オリゴマー(4~8量体)等から得られるオキソアルコールから水酸基を除いた残基のような1又はそれ以上の分岐アルキル基を含有する混合アルキル基等が挙げられる。
被覆樹脂は、アクリルモノマー(a)として、炭素数1~3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(a3)を含有してもよい。
エステル化合物(a3)を構成する炭素数1~3の1価の脂肪族アルコールとしては、メタノール、エタノール、1-プロパノール及び2-プロパノール等が挙げられる。
なお、(メタ)アクリル酸は、アクリル酸又はメタクリル酸を意味する。
エステル化合物(a3)を構成する炭素数1~3の1価の脂肪族アルコールとしては、メタノール、エタノール、1-プロパノール及び2-プロパノール等が挙げられる。
なお、(メタ)アクリル酸は、アクリル酸又はメタクリル酸を意味する。
被覆樹脂は、アクリル酸(a0)と、モノマー(a1)、モノマー(a2)及びエステル化合物(a3)のうちの少なくとも1つとを含む単量体組成物の重合体であることが好ましく、アクリル酸(a0)と、モノマー(a1)、エステル化合物(a21)及びエステル化合物(a3)のうちの少なくとも1つとを含む単量体組成物の重合体であることがより好ましく、アクリル酸(a0)と、モノマー(a1)、モノマー(a2)及びエステル化合物(a3)のうちのいずれか1つとを含む単量体組成物の重合体であることがさらに好ましく、アクリル酸(a0)と、モノマー(a1)、エステル化合物(a21)及びエステル化合物(a3)のうちのいずれか1つとを含む単量体組成物の重合体であることが最も好ましい。
被覆樹脂としては、例えば、モノマー(a1)としてマレイン酸を用いた、アクリル酸及びマレイン酸の共重合体、モノマー(a2)としてメタクリル酸2-エチルヘキシルを用いた、アクリル酸及びメタクリル酸2-エチルヘキシルの共重合体、エステル化合物(a3)としてメタクリル酸メチルを用いた、アクリル酸及びメタクリル酸メチルの共重合体等が挙げられる。
被覆樹脂としては、例えば、モノマー(a1)としてマレイン酸を用いた、アクリル酸及びマレイン酸の共重合体、モノマー(a2)としてメタクリル酸2-エチルヘキシルを用いた、アクリル酸及びメタクリル酸2-エチルヘキシルの共重合体、エステル化合物(a3)としてメタクリル酸メチルを用いた、アクリル酸及びメタクリル酸メチルの共重合体等が挙げられる。
モノマー(a1)、モノマー(a2)及びエステル化合物(a3)の合計含有量は、負極活物質粒子の体積変化抑制等の観点から、単量体全体の重量を基準として2.0~9.9重量%であることが好ましく、2.5~7.0重量%であることがより好ましい。
被覆樹脂は、アクリルモノマー(a)として、重合性不飽和二重結合とアニオン性基とを有するアニオン性単量体の塩(a4)を含有しないことが好ましい。
重合性不飽和二重結合を有する構造としてはビニル基、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る。
アニオン性基としては、スルホン酸基及びカルボキシル基等が挙げられる。
重合性不飽和二重結合とアニオン性基とを有するアニオン性単量体はこれらの組み合わせにより得られる化合物であり、例えばビニルスルホン酸、アリルスルホン酸、スチレンスルホン酸及び(メタ)アクリル酸が挙げられる。
なお、(メタ)アクリロイル基は、アクリロイル基又はメタクリロイル基を意味する。
アニオン性単量体の塩(a4)を構成するカチオンとしては、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等が挙げられる。
アニオン性基としては、スルホン酸基及びカルボキシル基等が挙げられる。
重合性不飽和二重結合とアニオン性基とを有するアニオン性単量体はこれらの組み合わせにより得られる化合物であり、例えばビニルスルホン酸、アリルスルホン酸、スチレンスルホン酸及び(メタ)アクリル酸が挙げられる。
なお、(メタ)アクリロイル基は、アクリロイル基又はメタクリロイル基を意味する。
アニオン性単量体の塩(a4)を構成するカチオンとしては、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等が挙げられる。
また、被覆樹脂は、物性を損なわない範囲で、アクリルモノマー(a)として、アクリル酸(a0)、モノマー(a1)、モノマー(a2)及びエステル化合物(a3)と共重合可能であるラジカル重合性モノマー(a5)を含有してもよい。
ラジカル重合性モノマー(a5)としては、活性水素を含有しないモノマーが好ましく、下記(a51)~(a58)のモノマーを用いることができる。
ラジカル重合性モノマー(a5)としては、活性水素を含有しないモノマーが好ましく、下記(a51)~(a58)のモノマーを用いることができる。
(a51)炭素数13~20の直鎖脂肪族モノオール、炭素数5~20の脂環式モノオール又は炭素数7~20の芳香脂肪族モノオールと(メタ)アクリル酸から形成されるハイドロカルビル(メタ)アクリレート
上記モノオールとしては、(i)直鎖脂肪族モノオール(トリデシルアルコール、ミリスチルアルコール、ペンタデシルアルコール、セチルアルコール、ヘプタデシルアルコール、ステアリルアルコール、ノナデシルアルコール、アラキジルアルコール等)、(ii)脂環式モノオール(シクロペンチルアルコール、シクロヘキシルアルコール、シクロヘプチルアルコール、シクロオクチルアルコール等)、(iii)芳香脂肪族モノオール(ベンジルアルコール等)及びこれらの2種以上の混合物が挙げられる。
上記モノオールとしては、(i)直鎖脂肪族モノオール(トリデシルアルコール、ミリスチルアルコール、ペンタデシルアルコール、セチルアルコール、ヘプタデシルアルコール、ステアリルアルコール、ノナデシルアルコール、アラキジルアルコール等)、(ii)脂環式モノオール(シクロペンチルアルコール、シクロヘキシルアルコール、シクロヘプチルアルコール、シクロオクチルアルコール等)、(iii)芳香脂肪族モノオール(ベンジルアルコール等)及びこれらの2種以上の混合物が挙げられる。
(a52)ポリ(n=2~30)オキシアルキレン(炭素数2~4)アルキル(炭素数1~18)エーテル(メタ)アクリレート[メタノールのエチレンオキサイド(以下EOと略記)10モル付加物(メタ)アクリレート、メタノールのプロピレンオキサイド(以下POと略記)10モル付加物(メタ)アクリレート等]
(a53)窒素含有ビニル化合物
(a53-1)アミド基含有ビニル化合物
(i)炭素数3~30の(メタ)アクリルアミド化合物、例えばN,N-ジアルキル(炭素数1~6)又はジアラルキル(炭素数7~15)(メタ)アクリルアミド(N,N-ジメチルアクリルアミド、N,N-ジベンジルアクリルアミド等)、ジアセトンアクリルアミド
(ii)上記(メタ)アクリルアミド化合物を除く、炭素数4~20のアミド基含有ビニル化合物、例えばN-メチル-N-ビニルアセトアミド、環状アミド[ピロリドン化合物(炭素数6~13、例えば、N-ビニルピロリドン等)]
(a53-1)アミド基含有ビニル化合物
(i)炭素数3~30の(メタ)アクリルアミド化合物、例えばN,N-ジアルキル(炭素数1~6)又はジアラルキル(炭素数7~15)(メタ)アクリルアミド(N,N-ジメチルアクリルアミド、N,N-ジベンジルアクリルアミド等)、ジアセトンアクリルアミド
(ii)上記(メタ)アクリルアミド化合物を除く、炭素数4~20のアミド基含有ビニル化合物、例えばN-メチル-N-ビニルアセトアミド、環状アミド[ピロリドン化合物(炭素数6~13、例えば、N-ビニルピロリドン等)]
(a53-2)(メタ)アクリレート化合物
(i)ジアルキル(炭素数1~4)アミノアルキル(炭素数1~4)(メタ)アクリレート[N,N-ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N,N-ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート、t-ブチルアミノエチル(メタ)アクリレート、モルホリノエチル(メタ)アクリレート等]
(ii)4級アンモニウム基含有(メタ)アクリレート{3級アミノ基含有(メタ)アクリレート[N,N-ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N,N-ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート等]の4級化物(メチルクロライド、ジメチル硫酸、ベンジルクロライド、ジメチルカーボネート等の4級化剤を用いて4級化したもの)等}
(i)ジアルキル(炭素数1~4)アミノアルキル(炭素数1~4)(メタ)アクリレート[N,N-ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N,N-ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート、t-ブチルアミノエチル(メタ)アクリレート、モルホリノエチル(メタ)アクリレート等]
(ii)4級アンモニウム基含有(メタ)アクリレート{3級アミノ基含有(メタ)アクリレート[N,N-ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N,N-ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート等]の4級化物(メチルクロライド、ジメチル硫酸、ベンジルクロライド、ジメチルカーボネート等の4級化剤を用いて4級化したもの)等}
(a53-3)複素環含有ビニル化合物
ピリジン化合物(炭素数7~14、例えば2-又は4-ビニルピリジン)、イミダゾール化合物(炭素数5~12、例えばN-ビニルイミダゾール)、ピロール化合物(炭素数6~13、例えばN-ビニルピロール)、ピロリドン化合物(炭素数6~13、例えばN-ビニル-2-ピロリドン)
ピリジン化合物(炭素数7~14、例えば2-又は4-ビニルピリジン)、イミダゾール化合物(炭素数5~12、例えばN-ビニルイミダゾール)、ピロール化合物(炭素数6~13、例えばN-ビニルピロール)、ピロリドン化合物(炭素数6~13、例えばN-ビニル-2-ピロリドン)
(a53-4)ニトリル基含有ビニル化合物
炭素数3~15のニトリル基含有ビニル化合物、例えば(メタ)アクリロニトリル、シアノスチレン、シアノアルキル(炭素数1~4)アクリレート
炭素数3~15のニトリル基含有ビニル化合物、例えば(メタ)アクリロニトリル、シアノスチレン、シアノアルキル(炭素数1~4)アクリレート
(a53-5)その他の窒素含有ビニル化合物
ニトロ基含有ビニル化合物(炭素数8~16、例えばニトロスチレン)等
ニトロ基含有ビニル化合物(炭素数8~16、例えばニトロスチレン)等
(a54)ビニル炭化水素
(a54-1)脂肪族ビニル炭化水素
炭素数2~18又はそれ以上のオレフィン(エチレン、プロピレン、ブテン、イソブチレン、ペンテン、ヘプテン、ジイソブチレン、オクテン、ドデセン、オクタデセン等)、炭素数4~10又はそれ以上のジエン(ブタジエン、イソプレン、1,4-ペンタジエン、1,5-ヘキサジエン、1,7-オクタジエン等)等
(a54-1)脂肪族ビニル炭化水素
炭素数2~18又はそれ以上のオレフィン(エチレン、プロピレン、ブテン、イソブチレン、ペンテン、ヘプテン、ジイソブチレン、オクテン、ドデセン、オクタデセン等)、炭素数4~10又はそれ以上のジエン(ブタジエン、イソプレン、1,4-ペンタジエン、1,5-ヘキサジエン、1,7-オクタジエン等)等
(a54-2)脂環式ビニル炭化水素
炭素数4~18又はそれ以上の環状不飽和化合物、例えばシクロアルケン(例えばシクロヘキセン)、(ジ)シクロアルカジエン[例えば(ジ)シクロペンタジエン]、テルペン(例えばピネン及びリモネン)、インデン
炭素数4~18又はそれ以上の環状不飽和化合物、例えばシクロアルケン(例えばシクロヘキセン)、(ジ)シクロアルカジエン[例えば(ジ)シクロペンタジエン]、テルペン(例えばピネン及びリモネン)、インデン
(a54-3)芳香族ビニル炭化水素
炭素数8~20又はそれ以上の芳香族不飽和化合物、例えばスチレン、α-メチルスチレン、ビニルトルエン、2,4-ジメチルスチレン、エチルスチレン、イソプロピルスチレン、ブチルスチレン、フェニルスチレン、シクロヘキシルスチレン、ベンジルスチレン
炭素数8~20又はそれ以上の芳香族不飽和化合物、例えばスチレン、α-メチルスチレン、ビニルトルエン、2,4-ジメチルスチレン、エチルスチレン、イソプロピルスチレン、ブチルスチレン、フェニルスチレン、シクロヘキシルスチレン、ベンジルスチレン
(a55)ビニルエステル
脂肪族ビニルエステル[炭素数4~15、例えば脂肪族カルボン酸(モノ-又はジカルボン酸)のアルケニルエステル(例えば酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ジアリルアジペート、イソプロペニルアセテート、ビニルメトキシアセテート)]
芳香族ビニルエステル[炭素数9~20、例えば芳香族カルボン酸(モノ-又はジカルボン酸)のアルケニルエステル(例えばビニルベンゾエート、ジアリルフタレート、メチル-4-ビニルベンゾエート)、脂肪族カルボン酸の芳香環含有エステル(例えばアセトキシスチレン)]
脂肪族ビニルエステル[炭素数4~15、例えば脂肪族カルボン酸(モノ-又はジカルボン酸)のアルケニルエステル(例えば酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ジアリルアジペート、イソプロペニルアセテート、ビニルメトキシアセテート)]
芳香族ビニルエステル[炭素数9~20、例えば芳香族カルボン酸(モノ-又はジカルボン酸)のアルケニルエステル(例えばビニルベンゾエート、ジアリルフタレート、メチル-4-ビニルベンゾエート)、脂肪族カルボン酸の芳香環含有エステル(例えばアセトキシスチレン)]
(a56)ビニルエーテル
脂肪族ビニルエーテル[炭素数3~15、例えばビニルアルキル(炭素数1~10)エーテル(ビニルメチルエーテル、ビニルブチルエーテル、ビニル2-エチルヘキシルエーテル等)、ビニルアルコキシ(炭素数1~6)アルキル(炭素数1~4)エーテル(ビニル-2-メトキシエチルエーテル、メトキシブタジエン、3,4-ジヒドロ-1,2-ピラン、2-ブトキシ-2’-ビニロキシジエチルエーテル、ビニル-2-エチルメルカプトエチルエーテル等)、ポリ(2~4)(メタ)アリロキシアルカン(炭素数2~6)(ジアリロキシエタン、トリアリロキシエタン、テトラアリロキシブタン、テトラメタアリロキシエタン等)]、芳香族ビニルエーテル(炭素数8~20、例えばビニルフェニルエーテル、フェノキシスチレン)
脂肪族ビニルエーテル[炭素数3~15、例えばビニルアルキル(炭素数1~10)エーテル(ビニルメチルエーテル、ビニルブチルエーテル、ビニル2-エチルヘキシルエーテル等)、ビニルアルコキシ(炭素数1~6)アルキル(炭素数1~4)エーテル(ビニル-2-メトキシエチルエーテル、メトキシブタジエン、3,4-ジヒドロ-1,2-ピラン、2-ブトキシ-2’-ビニロキシジエチルエーテル、ビニル-2-エチルメルカプトエチルエーテル等)、ポリ(2~4)(メタ)アリロキシアルカン(炭素数2~6)(ジアリロキシエタン、トリアリロキシエタン、テトラアリロキシブタン、テトラメタアリロキシエタン等)]、芳香族ビニルエーテル(炭素数8~20、例えばビニルフェニルエーテル、フェノキシスチレン)
(a57)ビニルケトン
脂肪族ビニルケトン(炭素数4~25、例えばビニルメチルケトン、ビニルエチルケトン)、芳香族ビニルケトン(炭素数9~21、例えばビニルフェニルケトン)
脂肪族ビニルケトン(炭素数4~25、例えばビニルメチルケトン、ビニルエチルケトン)、芳香族ビニルケトン(炭素数9~21、例えばビニルフェニルケトン)
(a58)不飽和ジカルボン酸ジエステル
炭素数4~34の不飽和ジカルボン酸ジエステル、例えばジアルキルフマレート(2個のアルキル基は、炭素数1~22の、直鎖、分岐鎖又は脂環式の基)、ジアルキルマレエート(2個のアルキル基は、炭素数1~22の、直鎖、分岐鎖又は脂環式の基)
炭素数4~34の不飽和ジカルボン酸ジエステル、例えばジアルキルフマレート(2個のアルキル基は、炭素数1~22の、直鎖、分岐鎖又は脂環式の基)、ジアルキルマレエート(2個のアルキル基は、炭素数1~22の、直鎖、分岐鎖又は脂環式の基)
ラジカル重合性モノマー(a5)を含有する場合、その含有量は、単量体全体の重量を基準として0.1~3.0重量%であることが好ましい。
被覆樹脂の重量平均分子量の好ましい下限は3,000、より好ましい下限は5,000、さらに好ましい下限は7,000である。一方、被覆樹脂の重量平均分子量の好ましい上限は100,000、より好ましい上限は70,000である。
被覆樹脂の重量平均分子量は、以下の条件でゲルパーミエーションクロマトグラフィー(以下GPCと略記)測定により求めることができる。
装置:Alliance GPC V2000(Waters社製)
溶媒:オルトジクロロベンゼン、DMF、THF
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℃
装置:Alliance GPC V2000(Waters社製)
溶媒:オルトジクロロベンゼン、DMF、THF
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℃
被覆樹脂は、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)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。
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。
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。
被覆樹脂は、該被覆樹脂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’)を用いて被覆樹脂を架橋する方法としては、負極活物質粒子を、被覆樹脂で被覆した後に架橋する方法が挙げられる。具体的には、負極活物質粒子と被覆樹脂を含む樹脂溶液を混合し脱溶剤することにより、被覆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、被覆樹脂が架橋剤(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。
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。
(導電助剤)
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。
本明細書中において、「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。
本明細書中において、「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。
被覆樹脂と導電助剤の比率は特に限定されるものではないが、電池の内部抵抗等の観点から、重量比率で被覆樹脂(樹脂固形分重量):導電助剤が1:0.01~1:50であることが好ましく、1:0.2~1:3.0であることがより好ましい。
<リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子の製造方法>
本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子の製造方法は、電極活物質粒子、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子、被覆樹脂、導電助剤及び有機溶剤を混合した後に脱溶剤する工程を有する。
本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子の製造方法は、電極活物質粒子、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子、被覆樹脂、導電助剤及び有機溶剤を混合した後に脱溶剤する工程を有する。
有機溶剤としては被覆樹脂を溶解可能な有機溶剤であれば特に限定されず、公知の有機溶剤を適宜選択して用いることができる。
本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子の製造方法では、まず、電極活物質粒子、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子、被覆樹脂及び導電助剤を有機溶剤中で混合する。
電極活物質粒子、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子、被覆樹脂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樹脂、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子及び導電助剤からなる樹脂組成物を電極活物質粒子とさらに混合してもよいし、電極活物質粒子、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子及び導電助剤を同時に混合してもよいし、電極活物質粒子に被覆樹脂を混合し、さらにリチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子及び導電助剤を混合してもよい。
電極活物質粒子、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子、被覆樹脂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樹脂、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子及び導電助剤からなる樹脂組成物を電極活物質粒子とさらに混合してもよいし、電極活物質粒子、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子及び導電助剤を同時に混合してもよいし、電極活物質粒子に被覆樹脂を混合し、さらにリチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子及び導電助剤を混合してもよい。
本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子は、電極活物質粒子を、被覆樹脂とリチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子と導電助剤とを含む被覆層で被覆することで得ることができ、例えば、電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、被覆樹脂を含む樹脂溶液を1~90分かけて滴下混合し、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子及び導電助剤を混合し、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分保持して脱溶剤することにより得ることができる。
電極活物質粒子と、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子、被覆樹脂及び導電助剤を含む樹脂組成物との配合比率は特に限定されるものではないが、重量比率で電極活物質粒子:樹脂組成物=1:0.001~0.1であることが好ましい。
本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子の被覆率としては、サイクル特性の観点から、下記計算式で得られる被覆率が30~95%であることが好ましい。
被覆率(%)={1-[被覆活物質粒子のBET比表面積/(電極活物質のBET比表面積×被覆電極活物質粒子中に含まれる電極活物質の重量割合+リチウムイオン伝導性を有する高分子のBET比表面積×被覆電極活物質粒子中に含まれるリチウムイオン伝導性を有する高分子の重量割合+導電助剤のBET比表面積×被覆電極活物質粒子中に含まれる導電助剤の重量割合)]}×100
被覆率(%)={1-[被覆活物質粒子のBET比表面積/(電極活物質のBET比表面積×被覆電極活物質粒子中に含まれる電極活物質の重量割合+リチウムイオン伝導性を有する高分子のBET比表面積×被覆電極活物質粒子中に含まれるリチウムイオン伝導性を有する高分子の重量割合+導電助剤のBET比表面積×被覆電極活物質粒子中に含まれる導電助剤の重量割合)]}×100
<リチウムイオン電池用電極>
本発明のリチウムイオン電池用電極は、本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子と、電解質及び溶媒を含有する電解液とを含む電極活物質層を備えるリチウムイオン電池用電極であって、リチウムイオン電池用電極に含まれる被覆樹脂の重量割合が、上記リチウムイオン電池用電極の重量を基準として1~10重量%である。
本発明のリチウムイオン電池用電極は、本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子と、電解質及び溶媒を含有する電解液とを含む電極活物質層を備えるリチウムイオン電池用電極であって、リチウムイオン電池用電極に含まれる被覆樹脂の重量割合が、上記リチウムイオン電池用電極の重量を基準として1~10重量%である。
(電極活物質層)
本発明のリチウムイオン電池用電極は、本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子と、電解質及び溶媒を含有する電解液とを含む電極活物質層を備える。
本発明のリチウムイオン電池用電極は、本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子と、電解質及び溶媒を含有する電解液とを含む電極活物質層を備える。
リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子は、被覆正極活物質粒子及び被覆負極活物質粒子が挙げられ、正極又は負極のいずれに用いるかによって適宜選択することができる。
リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子は、リチウムイオン電池用電極の成形性、機械強度及びエネルギー密度の観点から、リチウムイオン電池用電極に含まれる被覆樹脂の重量割合が、リチウムイオン電池用電極の重量を基準として1~10重量%となるように含まれていることが好ましい。
リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子がリチウムイオン電池用被覆正極活物質粒子である場合は、リチウムイオン電池用正極に含まれる被覆樹脂の重量割合が、リチウムイオン電池用正極の重量を基準として1~5重量%となるように含まれていることがより好ましい。
また、リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子がリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子である場合は、リチウムイオン電池用負極に含まれる被覆樹脂の重量割合が、リチウムイオン電池用負極の重量を基準として5~10重量%となるように含まれていることがより好ましい。
リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子がリチウムイオン電池用被覆正極活物質粒子である場合は、リチウムイオン電池用正極に含まれる被覆樹脂の重量割合が、リチウムイオン電池用正極の重量を基準として1~5重量%となるように含まれていることがより好ましい。
また、リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子がリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子である場合は、リチウムイオン電池用負極に含まれる被覆樹脂の重量割合が、リチウムイオン電池用負極の重量を基準として5~10重量%となるように含まれていることがより好ましい。
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、LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiClO4及びLiN(FSO2)2等の無機アニオンのリチウム塩、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2及びLiC(CF3SO2)3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(FSO2)2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。
電極活物質層は、上述した被覆電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電極活物質粒子と一体であるのに対し、電極活物質層が含む導電助剤は被覆電極活物質粒子と別々に含まれている点で区別できる。
電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電極活物質粒子>で説明したものを用いることができる。
電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電極活物質粒子>で説明したものを用いることができる。
電極活物質層は、結着剤を含まないことが好ましい。
なお、本明細書において、結着剤とは、被覆電極活物質粒子同士及び被覆電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、被覆電極活物質粒子同士及び被覆電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。
なお、本明細書において、結着剤とは、被覆電極活物質粒子同士及び被覆電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、被覆電極活物質粒子同士及び被覆電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。
電極活物質層には、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、被覆電極活物質粒子を構成する被覆層が電極活物質粒子の表面に固定されているのに対して、粘着性樹脂は電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。電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、被覆電極活物質粒子を構成する被覆層が電極活物質粒子の表面に固定されているのに対して、粘着性樹脂は電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。電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、電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。
粘着性樹脂を用いる場合、電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。
電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。
(集電体)
リチウムイオン電池用電極は、集電体を備え、集電体の表面に電極活物質層が設けられていることが好ましい。
リチウムイオン電池用電極は、集電体を備え、集電体の表面に電極活物質層が設けられていることが好ましい。
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。
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。
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。
本発明のリチウムイオン電池用電極は、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電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、被覆層に含まれ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導電材としては、被覆層に含まれ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。
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。
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。
(リチウムイオン電池用電極の製造方法)
本発明のリチウムイオン電池用電極は、例えば、本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子、電解質及び溶媒を含有する電解液、必要に応じて導電助剤等を含む電極活物質層用スラリーを集電体に塗布した後、乾燥させることによって作製することができる。
具体的には、電極活物質層用スラリーを、集電体上にバーコーター等の塗工装置で塗布後、不織布を電極活物質粒子上に静置して吸液すること等で、溶媒を除去し、必要によりプレス機でプレスする方法等が挙げられる。
また、例えば、本発明のリチウムイオン電池用被覆電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(電極前駆体)を集電体に塗布しプレス機でプレスして電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もできる。
また、上記電極活物質層用スラリー又は電極前駆体を離型フィルム上に塗布、プレスして電極活物質層を形成し、電極活物質層を集電体に転写した後、電解液を注液してもよい。
本発明のリチウムイオン電池用電極は、例えば、本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子、電解質及び溶媒を含有する電解液、必要に応じて導電助剤等を含む電極活物質層用スラリーを集電体に塗布した後、乾燥させることによって作製することができる。
具体的には、電極活物質層用スラリーを、集電体上にバーコーター等の塗工装置で塗布後、不織布を電極活物質粒子上に静置して吸液すること等で、溶媒を除去し、必要によりプレス機でプレスする方法等が挙げられる。
また、例えば、本発明のリチウムイオン電池用被覆電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(電極前駆体)を集電体に塗布しプレス機でプレスして電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もできる。
また、上記電極活物質層用スラリー又は電極前駆体を離型フィルム上に塗布、プレスして電極活物質層を形成し、電極活物質層を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>
本発明のリチウムイオン電池用電極は、セパレータと、本発明のリチウムイオン電池用電極と対となる電極と組み合わせることにより、リチウムイオン電池として用いることができる。
本発明のリチウムイオン電池用電極と対となる電極としては、公知の電極を用いることもできるが、本発明のリチウムイオン電池用電極であることが好ましい。
本発明のリチウムイオン電池用電極は、セパレータと、本発明のリチウムイオン電池用電極と対となる電極と組み合わせることにより、リチウムイオン電池として用いることができる。
本発明のリチウムイオン電池用電極と対となる電極としては、公知の電極を用いることもできるが、本発明のリチウムイオン電池用電極であることが好ましい。
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。
リチウムイオン電池は、例えば、本発明のリチウムイオン電池用電極、セパレータ、本発明のリチウムイオン電池用電極と対となる電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。なお、特記しない限り部は重量部、%は重量%を意味する。
<リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子>
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子として、以下の材料を準備した。
ポリエチレングリコール(PEG):PEG-6000P(三洋化成工業社製)、体積平均粒子径106μm
ポリアクリロニトリル(PAN):ポリアクリロニトリル粉末(Goodfellow社製)、体積平均粒子径50μm
ポリエチレンオキシド(PEO):アルコックス(明成化学工業社製)、体積平均粒子径1000μm
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子として、以下の材料を準備した。
ポリエチレングリコール(PEG):PEG-6000P(三洋化成工業社製)、体積平均粒子径106μm
ポリアクリロニトリル(PAN):ポリアクリロニトリル粉末(Goodfellow社製)、体積平均粒子径50μm
ポリエチレンオキシド(PEO):アルコックス(明成化学工業社製)、体積平均粒子径1000μm
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子として準備した材料を、それぞれディスポカップに入れ、ジルコニア粉砕ボールと一緒にあわとり練太郎(登録商標)[(株)シンキー製]で1000rpm、10secで解砕した。その後放冷し、再度あわとり練太郎にて1000rpm、10secで解砕した。これを6回繰り返し、得られた解砕物をそれぞれ目開き50μmの篩で分級した。
分級後の各材料を、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子として以下の実施例で使用した。
実施例で使用したリチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子の解砕及び分級後の体積平均粒子径を表1又は2に示す。
分級後の各材料を、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子として以下の実施例で使用した。
実施例で使用したリチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子の解砕及び分級後の体積平均粒子径を表1又は2に示す。
<リチウムイオン伝導性を有さない高分子からなる粒子>
リチウムイオン伝導性を有さない高分子からなる粒子として、以下の材料を準備した。
(ポリエステル樹脂)
冷却管、撹拌機及び窒素導入管の付いた反応槽中に、ビスフェノールAプロピレンオキサイド2モル付加物673部、フェノールノボラック樹脂(核体数約5個)のプロピレンオキサイド5モル付加物15部、テレフタル酸157部、無水マレイン酸37部、ドデセニルコハク酸無水物152部及びジブチルチンオキサイド2部を入れ、常圧下220℃で8時間反応し、さらに0.001~0.002MPaの減圧で5時間反応した。次いで、これに無水トリメリット酸32部を加えて180℃常圧で2時間反応させてポリエステル樹脂を得た。
得られたポリエステル樹脂をハサミで1cm×1cm程度にカットし、錠剤粉砕機で5分間粉砕した。
得られた粉体をディスポカップに入れ、ジルコニア粉砕ボールと一緒にあわとり練太郎で1000rpm、10secで解砕した。その後放冷し、再度あわとり練太郎にて1000rpm、10secで解砕した。これを6回繰り返し、得られた解砕物をそれぞれ目開き50μmの篩で分級した。
(ポリアクリル酸)
ポリアクリル酸[製品名:ポリアクリル酸5000、富士フイルム和光純薬(株)製]をディスポカップに入れ、ジルコニア粉砕ボールと一緒にあわとり練太郎で1000rpm、10secで解砕した。その後放冷し、再度あわとり練太郎にて1000rpm、10secで解砕した。これを6回繰り返し、得られた解砕物をそれぞれ目開き50μmの篩で分級した。
分級後の材料を、リチウムイオン伝導性を有さない高分子からなる粒子として以下の比較例で使用した。
比較例で使用したリチウムイオン伝導性を有さない高分子からなる粒子の解砕及び分級後の体積平均粒子径を表1又は2に示す。
リチウムイオン伝導性を有さない高分子からなる粒子として、以下の材料を準備した。
(ポリエステル樹脂)
冷却管、撹拌機及び窒素導入管の付いた反応槽中に、ビスフェノールAプロピレンオキサイド2モル付加物673部、フェノールノボラック樹脂(核体数約5個)のプロピレンオキサイド5モル付加物15部、テレフタル酸157部、無水マレイン酸37部、ドデセニルコハク酸無水物152部及びジブチルチンオキサイド2部を入れ、常圧下220℃で8時間反応し、さらに0.001~0.002MPaの減圧で5時間反応した。次いで、これに無水トリメリット酸32部を加えて180℃常圧で2時間反応させてポリエステル樹脂を得た。
得られたポリエステル樹脂をハサミで1cm×1cm程度にカットし、錠剤粉砕機で5分間粉砕した。
得られた粉体をディスポカップに入れ、ジルコニア粉砕ボールと一緒にあわとり練太郎で1000rpm、10secで解砕した。その後放冷し、再度あわとり練太郎にて1000rpm、10secで解砕した。これを6回繰り返し、得られた解砕物をそれぞれ目開き50μmの篩で分級した。
(ポリアクリル酸)
ポリアクリル酸[製品名:ポリアクリル酸5000、富士フイルム和光純薬(株)製]をディスポカップに入れ、ジルコニア粉砕ボールと一緒にあわとり練太郎で1000rpm、10secで解砕した。その後放冷し、再度あわとり練太郎にて1000rpm、10secで解砕した。これを6回繰り返し、得られた解砕物をそれぞれ目開き50μmの篩で分級した。
分級後の材料を、リチウムイオン伝導性を有さない高分子からなる粒子として以下の比較例で使用した。
比較例で使用したリチウムイオン伝導性を有さない高分子からなる粒子の解砕及び分級後の体積平均粒子径を表1又は2に示す。
<被覆樹脂の作製>
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つ口コルベンにトルエン65部を仕込み75℃に昇温した。次いで、ラウリルメタクリレート80部、メチルメタクリレート15部、メタクリル酸4.6部及び1,6-ヘキサンジオールジメタクリレート0.4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)0.03部をトルエン5部に溶解した開始剤溶液とを4つ口コルベン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℃に昇温し反応を1時間継続した。
次いで、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.01部をトルエン1部に溶解した開始剤溶液を滴下ロートで投入しさらに反応を3時間継続して共重合体溶液を得た。得られた共重合体溶液をテフロン(登録商標)製のバットに移した。80℃、0.09MPaで3時間、減圧乾燥でトルエンを留去した。次いで、100℃に昇温し1時間、更に120℃、0.01MPaで1時間、減圧乾燥器で加熱を行い、被覆樹脂を作製した。
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つ口コルベンにトルエン65部を仕込み75℃に昇温した。次いで、ラウリルメタクリレート80部、メチルメタクリレート15部、メタクリル酸4.6部及び1,6-ヘキサンジオールジメタクリレート0.4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)0.03部をトルエン5部に溶解した開始剤溶液とを4つ口コルベン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℃に昇温し反応を1時間継続した。
次いで、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.01部をトルエン1部に溶解した開始剤溶液を滴下ロートで投入しさらに反応を3時間継続して共重合体溶液を得た。得られた共重合体溶液をテフロン(登録商標)製のバットに移した。80℃、0.09MPaで3時間、減圧乾燥でトルエンを留去した。次いで、100℃に昇温し1時間、更に120℃、0.01MPaで1時間、減圧乾燥器で加熱を行い、被覆樹脂を作製した。
(実施例1)
<リチウムイオン電池用被覆正極活物質粒子の作製>
被覆樹脂1部をトルエン3部に溶解し、被覆樹脂溶液を得た。
正極活物質粒子(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2粉末、体積平均粒子径4μm)92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、被覆樹脂溶液12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部及びリチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子(商品名「PEG-6000P」[三洋化成工業社製])1部(被覆正極活物質粒子の重量を基準として1重量%)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120℃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、被覆正極活物質粒子を作製した。
<リチウムイオン電池用被覆正極活物質粒子の作製>
被覆樹脂1部をトルエン3部に溶解し、被覆樹脂溶液を得た。
正極活物質粒子(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2粉末、体積平均粒子径4μm)92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、被覆樹脂溶液12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部及びリチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子(商品名「PEG-6000P」[三洋化成工業社製])1部(被覆正極活物質粒子の重量を基準として1重量%)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120℃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、被覆正極活物質粒子を作製した。
<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(FSO2)2を2.0mol/Lの割合で溶解させて電解液を作製した。
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(FSO2)2を2.0mol/Lの割合で溶解させて電解液を作製した。
<樹脂集電体の作製>
2軸押出機にて、ポリプロピレン[商品名「サンアロマーPL500A」、サンアロマー(株)製]70部、カーボンナノチューブ[商品名:「FloTube9000」、CNano社製]25部及び分散剤[商品名「ユーメックス1001」、三洋化成工業(株)製]5部を200℃、200rpmの条件で溶融混練して樹脂混合物を得た。
得られた樹脂混合物を、Tダイ押出しフィルム成形機に通して、それを延伸圧延することで、膜厚100μmの樹脂集電体用導電性フィルムを得た。
次いで、得られた樹脂集電体用導電性フィルムを4.0cm×3.0cmとなるように切断し、片面にニッケル蒸着を施した後、電流取り出し用の端子(5mm×3cm)を接続した樹脂集電体を作製した。
2軸押出機にて、ポリプロピレン[商品名「サンアロマーPL500A」、サンアロマー(株)製]70部、カーボンナノチューブ[商品名:「FloTube9000」、CNano社製]25部及び分散剤[商品名「ユーメックス1001」、三洋化成工業(株)製]5部を200℃、200rpmの条件で溶融混練して樹脂混合物を得た。
得られた樹脂混合物を、Tダイ押出しフィルム成形機に通して、それを延伸圧延することで、膜厚100μmの樹脂集電体用導電性フィルムを得た。
次いで、得られた樹脂集電体用導電性フィルムを4.0cm×3.0cmとなるように切断し、片面にニッケル蒸着を施した後、電流取り出し用の端子(5mm×3cm)を接続した樹脂集電体を作製した。
<リチウムイオン電池用正極の作製>
電解液34部と上記の被覆正極活物質粒子66部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、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111mg/cm2となるよう、上記樹脂集電体の片面に塗布し、62MPaの圧力で約10秒プレスし、厚さが450μmのリチウムイオン電池用正極(15φ)を作製した。
作製したリチウムイオン電池用正極における被覆樹脂の重量割合は、リチウムイオン電池用正極の重量を基準として3重量%であった。
電解液34部と上記の被覆正極活物質粒子66部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、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111mg/cm2となるよう、上記樹脂集電体の片面に塗布し、62MPaの圧力で約10秒プレスし、厚さが450μmのリチウムイオン電池用正極(15φ)を作製した。
作製したリチウムイオン電池用正極における被覆樹脂の重量割合は、リチウムイオン電池用正極の重量を基準として3重量%であった。
<リチウムイオン電池の作製>
作製したリチウムイオン電池用正極を、セパレータ(セルガード製#3501)を介し、対極Li金属と組み合わせ、ラミネートセルを作製した。
作製したリチウムイオン電池用正極を、セパレータ(セルガード製#3501)を介し、対極Li金属と組み合わせ、ラミネートセルを作製した。
(実施例2~9、比較例1~3)
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子の種類と添加量を表1に記載のように変更したこと以外は、実施例1と同様にして被覆正極活物質粒子を作製した。
その後、それぞれ作製した被覆正極活物質粒子を用いたこと以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン電池用正極及びリチウムイオン電池を作製した。
比較例2、3では、リチウムイオン伝導性を有する高分子に代えてリチウムイオン伝導性を有さない高分子としてのポリエステル樹脂を用いた。表1の「高分子の種類」の欄に示しているがこのポリエステル樹脂はリチウムイオン伝導性を有さない高分子である。
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子の種類と添加量を表1に記載のように変更したこと以外は、実施例1と同様にして被覆正極活物質粒子を作製した。
その後、それぞれ作製した被覆正極活物質粒子を用いたこと以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン電池用正極及びリチウムイオン電池を作製した。
比較例2、3では、リチウムイオン伝導性を有する高分子に代えてリチウムイオン伝導性を有さない高分子としてのポリエステル樹脂を用いた。表1の「高分子の種類」の欄に示しているがこのポリエステル樹脂はリチウムイオン伝導性を有さない高分子である。
<リチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子の作製>
(実施例10)
被覆樹脂1部をトルエン3部に溶解し、被覆樹脂溶液を得た。
負極活物質粒子(ハードカーボン粉末、体積平均粒子径25μm)80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、被覆樹脂溶液32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)]10部、カーボンナノファイバー[帝人(株)製]1部 及びリチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子(商品名「PEG-6000P」[三洋化成工業社製])1部(被覆負極活物質粒子の重量を基準として1重量%)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、被覆負極活物質粒子を作製した。
(実施例10)
被覆樹脂1部をトルエン3部に溶解し、被覆樹脂溶液を得た。
負極活物質粒子(ハードカーボン粉末、体積平均粒子径25μm)80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、被覆樹脂溶液32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)]10部、カーボンナノファイバー[帝人(株)製]1部 及びリチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子(商品名「PEG-6000P」[三洋化成工業社製])1部(被覆負極活物質粒子の重量を基準として1重量%)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、被覆負極活物質粒子を作製した。
<リチウムイオン電池用負極の作製>
電解液49部と上記の被覆負極活物質粒子51部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、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59mg/cm2となるよう、上記樹脂集電体の片面に塗布し、14MPaの圧力で約10秒プレスし、厚さが600μmのリチウムイオン電池用負極(16φ)を作製した。
作製したリチウムイオン電池用負極における被覆樹脂の重量割合は、リチウムイオン電池用負極の重量を基準として8重量%であった。
電解液49部と上記の被覆負極活物質粒子51部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、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59mg/cm2となるよう、上記樹脂集電体の片面に塗布し、14MPaの圧力で約10秒プレスし、厚さが600μmのリチウムイオン電池用負極(16φ)を作製した。
作製したリチウムイオン電池用負極における被覆樹脂の重量割合は、リチウムイオン電池用負極の重量を基準として8重量%であった。
<リチウムイオン電池の作製>
作製したリチウムイオン電池用負極を、セパレータ(セルガード製#3501)を介し、対極Cu金属と組み合わせ、ラミネートセルを作製した。
作製したリチウムイオン電池用負極を、セパレータ(セルガード製#3501)を介し、対極Cu金属と組み合わせ、ラミネートセルを作製した。
(実施例11~18、比較例4~6)
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子の種類と添加量を表2に記載のように変更したこと以外は、実施例10と同様にして被覆正極活物質粒子を作製した。
その後、それぞれ作製した被覆負極活物質粒子を用いたこと以外は実施例10と同様にして、リチウムイオン電池用負極及びリチウムイオン電池を作製した。
比較例5、6では、リチウムイオン伝導性を有する高分子に代えてリチウムイオン伝導性を有さない高分子としてのポリアクリル酸を用いた。表2の「高分子の種類」の欄に示しているがこのポリアクリル酸はリチウムイオン伝導性を有さない高分子である。
リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子の種類と添加量を表2に記載のように変更したこと以外は、実施例10と同様にして被覆正極活物質粒子を作製した。
その後、それぞれ作製した被覆負極活物質粒子を用いたこと以外は実施例10と同様にして、リチウムイオン電池用負極及びリチウムイオン電池を作製した。
比較例5、6では、リチウムイオン伝導性を有する高分子に代えてリチウムイオン伝導性を有さない高分子としてのポリアクリル酸を用いた。表2の「高分子の種類」の欄に示しているがこのポリアクリル酸はリチウムイオン伝導性を有さない高分子である。
<内部抵抗値の測定>
各実施例及び比較例で得られたリチウムイオン電池を、25℃で一度充放電を行った。その後、フル充電を行い、60℃環境下で保存した。
インピーダンス測定装置(日置電機(株)製、ケミカルインピータンスアナライザ IM3590)を使用し、0日後(フル充電直後)、7日間保存後及び14日間保存後の周波数1000Hzにおける内部抵抗値を測定した。
また、0日後(フル充電直後)と14日保存後の内部抵抗値の差(14日目の内部抵抗値-0日後の内部抵抗値)を求めた。
その結果を表3に示した。
各実施例及び比較例で得られたリチウムイオン電池を、25℃で一度充放電を行った。その後、フル充電を行い、60℃環境下で保存した。
インピーダンス測定装置(日置電機(株)製、ケミカルインピータンスアナライザ IM3590)を使用し、0日後(フル充電直後)、7日間保存後及び14日間保存後の周波数1000Hzにおける内部抵抗値を測定した。
また、0日後(フル充電直後)と14日保存後の内部抵抗値の差(14日目の内部抵抗値-0日後の内部抵抗値)を求めた。
その結果を表3に示した。
実施例1~9と比較例1~3との比較より、本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子をリチウムイオン電池用被覆正極活物質粒子として用いたリチウムイオン電池では、高温環境下で長期間保存したとしても、内部抵抗値の上昇を低減できることが確認された。
また、実施例10~18と比較例4~6との比較より、本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子をリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子として用いたリチウムイオン電池では、高温環境下で長期間保存したとしても、内部抵抗値の上昇を低減できることが確認された。
また、実施例10~18と比較例4~6との比較より、本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子をリチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子として用いたリチウムイオン電池では、高温環境下で長期間保存したとしても、内部抵抗値の上昇を低減できることが確認された。
本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子は、高温環境下で用いたとしても、リチウムイオン電池の内部抵抗値の上昇を低減できるので、リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子として様々な用途に広範に使用することができる。
Claims (6)
- 電極活物質粒子表面の少なくとも一部が被覆層で被覆されたリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子であって、
前記被覆層が、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子と被覆樹脂と導電助剤とを含むリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子。 - 前記リチウムイオン伝導性を有する高分子が、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル及びポリエチレングリコールからなる群から選択される1種以上である請求項1に記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子。
- 前記リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子の体積平均粒子径が、1~50μmである請求項1又は2に記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子。
- 前記リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子の重量割合が、前記被覆電極活物質粒子の重量を基準として0.1~5重量%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被覆電極活物質粒子。
- 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被覆電極活物質粒子と、電解質及び溶媒を含有する電解液とを含む電極活物質層を備えるリチウムイオン電池用電極であって、
前記リチウムイオン電池用電極に含まれる被覆樹脂の重量割合が、前記リチウムイオン電池用電極の重量を基準として1~10重量%であるリチウムイオン電池用電極。 - 電極活物質粒子、リチウムイオン伝導性を有する高分子からなる粒子、被覆樹脂、導電助剤及び有機溶剤を混合した後に脱溶剤する工程を有する請求項1~4のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子の製造方法。
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- 2021-06-07 JP JP2021095140A patent/JP2022187229A/ja active Pending
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2022
- 2022-06-06 WO PCT/JP2022/022742 patent/WO2022259997A1/ja unknown
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