JP2019117796A - 電極用バインダー樹脂、電極合剤ペースト、電極、及び電極の製造方法 - Google Patents

電極用バインダー樹脂、電極合剤ペースト、電極、及び電極の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】極性溶剤を用いることなく、比較的低温の熱処理により、集電体と電極合剤層の接着性に優れた電極を形成することが可能であり、また、電極作製時に水の生成を伴うイミド化反応を行う必要がない、ポリイミド系樹脂からなる電極用バインダー樹脂を提供する。【解決手段】本発明の電極用バインダー樹脂は、融点が３００℃以下であるポリイミド系樹脂からなる電極用バインダー樹脂である。【選択図】なし

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタなどの電気化学素子の電極用のバインダー樹脂に関する。
リチウムイオン二次電池は、高いエネルギー密度を有し、高容量であるため、移動情報端末の駆動電源などとして広く利用されている。近年は、大容量を必要とする電気・ハイブリッド自動車への搭載など産業用途での使用も広まりつつあり、更なる高容量化や高性能化のための検討がなされている。その試みの一つは、例えば負極活物質として単位体積あたりのリチウム吸蔵量の多いケイ素やスズ、或いはこれらを含む合金を用いて、充放電容量を増大させようとするものである。
しかし、ケイ素やスズ、或いはこれらを含む合金のような充放電容量の大きな活物質を用いると、充放電に伴って活物質が非常に大きな体積変化を起こすため、これまでの炭素を活物質として用いた電極で広く用いられていたポリフッ化ビニリデンやゴム系の樹脂をバインダー樹脂として用いたのでは、活物質層が破壊され易くなったり、集電体と活物質層との界面で剥離が発生し易くなったりするために、電極内の集電構造が破壊され、電極の電子伝導性が低下して電池のサイクル特性が容易に低下するという問題があった。
このため、活物質が非常に大きな体積変化を起こしても、電極の破壊や剥離を起こしにくい、電池環境下での靭性が高いバインダー樹脂の開発が望まれていた。
特許文献１に記載されているとおり、リチウムイオン二次電池の電極用の結着剤としてポリイミド樹脂を用いることは公知である。
特許文献２には、ケイ素やケイ素合金を含む活物質に対して、特定の機械的特性を有するポリイミドをバインダー樹脂として用いることが提案されている。これにより、充放電に伴って活物質が大きな体積変化を起こしても、活物質層の破壊や、集電体と活物質層の剥離を抑制できることが示されている。しかしながら、ここではポリイミドの機械的特性、ガラス転移温度、線膨張係数、及び熱分解開始温度は開示されているが、その具体的な化学構造は開示されていない。
特許文献３には、靭性が高いバインダー樹脂として、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸残基を有するポリイミド等が提案されている。
特許文献４には、固体電解質層を備える固体電池の負極の結着剤として、固体電解質に結着し、当該固体電解質に対して不活性な第１の結着剤と、負極集電体に対する結着性が第１の結着剤よりも優れた第２の結着剤とを用いることが開示されており、第２の結着剤として全芳香族ポリイミドを含む高弾性樹脂が挙げられている。
特開平６−１６３０３１号公報 国際公開第２００４／００４０３１号 国際公開第２０１１／０４０３０８号 特開２０１４−１１６１５４号公報
ポリイミドはバインダー樹脂として優れた特性を有する一方、溶媒への溶解性が高くないために取り扱いが難しいという問題がある。そのため、ポリイミド前駆体であるポリアミック酸の溶液を用いて電極合剤ペーストを作製し、これを集電体上に塗工して電極合剤層を形成した後、熱処理によりイミド化してポリイミドとする方法が採用されることが多い。しかし、イミド化反応は高温での加熱を必要とし、また、反応により水が生成するため、電極合剤層に含まれる電極活物質や固体電解質等に悪影響を与えることが懸念される。また、可溶性ポリイミドを用い、溶媒に溶解させて電極合剤ペーストを作製し、これを集電体上に塗工した後、熱処理により溶媒を除去して電極合剤層を形成する方法が採用されることもある。しかし、ポリイミドが溶解する溶媒は、一般に、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の極性溶剤であり、使用は好ましくない。
本発明の目的は、極性溶剤を用いることなく、比較的低温の熱処理により、集電体と電極合剤層の接着性に優れた電極を形成することが可能であり、また、電極作製時に水の生成を伴うイミド化反応を行う必要がない、ポリイミド系樹脂からなる電極用バインダー樹脂を提供することである。
本願発明者らは、種々検討した結果、融点が特定の温度より低いポリイミド系樹脂をバインダー樹脂として用いることによって、極性溶剤を用いることなく、比較的低温の熱処理により、集電体と電極合剤層の接着性に優れた電極を形成することが可能であることを見出して、本発明に至った。
すなわち、本発明は以下の項に関する。
１．融点が３００℃以下であるポリイミド系樹脂からなる電極用バインダー樹脂。
２．前記ポリイミド系樹脂が、テトラカルボン酸成分とジアミン成分とから得られるポリイミドであって、テトラカルボン酸成分またはジアミン成分の少なくとも一方が、脂肪族化合物を５０モル％以上含むポリイミドを含む、前記項１に記載の電極用バインダー樹脂。
３．前記ポリイミドが、下記化学式（１）で表される構造単位１種以上からなるポリイミドである、前記項２に記載の電極用バインダー樹脂。
Figure 2019117796
 （式中、Ｒ１は、芳香環を１個または２個有する４価の基であり、Ｒ２は、炭素数１〜２０の２価のアルキレン基である。）
４．前記化学式（１）中のＲ１が、下記化学式（２）〜（５）の４価の基からなる群から選択される１種以上である、前記項３に記載の電極用バインダー樹脂。
Figure 2019117796
５．前記ポリイミド系樹脂が、平均重合度が５０以下であるイミドオリゴマーの少なくとも一方の末端に付加反応基を有する付加反応性イミドオリゴマーを含む、前記項１に記載の電極用バインダー樹脂。
６．前記付加反応基が、フェニルエチニル基、またはアセチレン結合を含む基である、前記項５に記載の電極用バインダー樹脂。
７．前記付加反応性イミドオリゴマーが、下記化学式（６）で表される付加反応性イミドオリゴマーである、前記項６に記載の電極用バインダー樹脂。
Figure 2019117796
 （式中、Ｒ３は、芳香環を１個または２個有する４価の基からなる群から選択される１種以上であり、Ｒ４は、炭素数１〜２０の２価の炭化水素基からなる群から選択される１種以上であり、Ｒ５は、アセチレン結合を含む１価の基であり、ｎは１〜１５の整数である。ここで、各構造単位に含まれるＲ３及びＲ４は、同一であっても、異なっていてもよい。）
８．前記項１〜７のいずれか１項に記載の電極用バインダー樹脂を含む電極用バインダー樹脂組成物。
９．前記項１〜７のいずれか１項に記載の電極用バインダー樹脂と、電極活物質と、溶剤とを含む電極合剤ペースト。
１０．前記溶剤が、非極性溶剤である、前記項９に記載の電極合剤ペースト。
１１．固体電解質をさらに含む、前記項９または１０に記載の電極合剤ペースト。
１２．前記項９〜１１のいずれか１項に記載の電極合剤ペーストを、金属箔からなる集電体の表面に塗布する工程と、塗布した電極合剤ペーストを、電極合剤ペーストに含まれるポリイミド系樹脂の融点以上、３５０℃以下の温度で熱処理する工程とを有することを特徴とする電極の製造方法。
１３．前記項１〜７のいずれか１項に記載の電極用バインダー樹脂と、電極活物質とを含む電極合剤層を有する電極。
１４．前記電極合剤層が、金属箔からなる集電体の表面に形成されている、前記項１３に記載の電極。
１５．前記電極合剤層が、固体電解質をさらに含む、前記項１３または１４に記載の電極。
本発明によれば、極性溶剤を用いることなく、比較的低温の熱処理により、集電体と電極合剤層の接着性に優れた電極を形成することが可能である、ポリイミド系樹脂からなる電極用バインダー樹脂を提供することができる。また、本発明の電極用バインダー樹脂は、電極作製時にイミド化反応を行う必要がないため、イミド化反応により生成する水によって、電極合剤層に含まれる電極活物質や固体電解質等に悪影響を与えるのを防ぐことが可能である。加えて、バインダー樹脂が溶媒に溶解せずに分散した状態で電極合剤層の形成に用いても、十分な結着力、集電体と電極合剤層の接着性を得ることを可能にしている。また、比較的低温の熱処理により電極を形成することが可能であり、電極作製時に極性溶剤を用いる必要がなく、水が生成するイミド化反応を行う必要もないため、電極合剤層に含まれる電極活物質や固体電解質等に与える悪影響も抑制できる。その結果、本発明によれば、良好な特性を有する電極を得ることができる。
本発明の電極用バインダー樹脂を用いて得られる電極は、リチウムイオン二次電池の電極、特に、充放電容量の大きいリチウムイオン二次電池用の電極として好適に用いることができる。
本発明の電極用バインダー樹脂に用いるポリイミド系樹脂は、イミド化反応が実質的に完結しており、融点が３００℃以下であることを特徴とする。ポリイミド系樹脂の融点は２５０℃以下であることがより好ましく、２００℃以下であることが更に好ましい。ここで、「イミド化反応が実質的に完結」とは、電極作製時に加熱処理しても、電極合剤層に含まれる電極活物質や固体電解質等に悪影響が生じるほどには、イミド化反応が進行して水が生成することがないことを意味し、本発明の効果が得られる範囲内であれば、本発明の電極用バインダー樹脂に用いるポリイミド系樹脂は、イミド化反応前のアミック酸構造の繰り返し単位を含むものであってもよい。
本発明の電極用バインダー樹脂は、融点が３００℃以下、好ましくは２５０℃以下であるポリイミド系樹脂の１種からなるものであってもよく、融点が３００℃以下、好ましくは２５０℃以下であるポリイミド系樹脂の２種以上の混合物であってもよい。ただし、本発明の電極用バインダー樹脂は、通常、単独の融点を示すものであることが好ましい。
本発明におけるポリイミド系樹脂とは、テトラカルボン酸成分およびジアミン成分に由来する、環状イミド基を２個有する繰り返し単位、すなわち、下記の化学式で表される繰り返し単位を１個以上有するポリマーおよびオリゴマーを意味する。なお、テトラカルボン酸成分には、テトラカルボン酸に加えて、テトラカルボン酸二無水物等のテトラカルボン酸誘導体も含まれる。
Figure 2019117796
 （式中、Ａは、テトラカルボン酸成分からカルボキシル基を除いた４価の基であり、Ｂは、ジアミン成分からアミノ基を除いた２価の基である。）
前記ポリイミド系樹脂として、テトラカルボン酸成分およびジアミン成分で構成され、それらの少なくとも一方が、より好ましくはテトラカルボン酸成分またはジアミン成分のいずれか一方が、脂肪族化合物を５０モル％以上、より好ましくは８０モル％以上含むポリイミドを挙げることができる。脂肪族化合物を用いることにより、融点が３００℃以下であるポリイミドを得ることが容易となる。ある実施態様においては、芳香族テトラカルボン酸成分と脂肪族ジアミン成分とから得られるポリイミド、あるいは、脂肪族テトラカルボン酸成分と芳香族ジアミン成分とから得られるポリイミドが特に好ましいことがある。
前記テトラカルボン酸成分としては、例えば、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，３，３’，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，２’，３，３’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、ピロメリット酸二無水物、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、４，４’−オキシジフタル酸二無水物、ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、ｐ−ターフェニルテトラカルボン酸二無水物、ｍ−ターフェニルテトラカルボン酸二無水物などの芳香族テトラカルボン酸二無水物、及び、ブタン−１，２，３，４−テトラカルボン酸二無水物などの脂肪族テトラカルボン酸二無水物を挙げることができる。
前記ジアミン成分としては、例えば、１，２−プロパンジアミン、１，３−ジアミノプロパン、２−メチル−１，３−プロパンジアミン、１，４−ジアミノブタン、１，３−ジアミノペンタン、１，５−ジアミノペンタン、２−メチル−１，５−ジアミノペンタン、１，６−ジアミノヘキサン（ヘキサメチレンジアミン）、１，７−ジアミノヘプタン、１，８−ジアミノオクタン、１，９−ジアミノノナン、１，１０−ジアミノデカン、１，１１−ジアミノウンデカン、１，１２−ジアミノドデカンなどの脂肪族ジアミンを挙げることができる。
また、前記ジアミン成分としては、例えば、ｐ−フェニレンジアミン、ｍ−フェニレンジアミン、２，４−ジアミノトルエン、ｍ−キシリレンジアミン、ｐ−キシリレンジアミン、４，４’−ジアミノジフェニルエーテル、３，４’−ジアミノジフェニルエーテル、４，４’−ジアミノジフェニルメタン、３，３’−ジアミノジフェニルメタン、３，４’−ジアミノジフェニルメタン、４，４’−ジアミノジフェニルスルフィド、４，４’−ジアミノジフェニルスルホン、３，３’−ジアミノジフェニルスルホン、１，５−ジアミノナフタレン、ビス（４−アミノ−３−カルボキシフェニル）メタン、１，３−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン、１，４−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン、２，２−ビス〔４−（４−アミノフェノキシ）フェニル〕プロパン、ビス〔４−（４−アミノフェノキシ）フェニル〕スルホン、４，４’−ビス（４−アミノフェノキシ）ビフェニルなどの芳香族ジアミンを挙げることができる。
前記のように、テトラカルボン酸成分またはジアミン成分の少なくとも一方が、脂肪族化合物を５０モル％以上含むポリイミドは、芳香族テトラカルボン酸成分と脂肪族ジアミン成分とから得られるポリイミドであることが好ましく、電極用バインダー樹脂としての性能の点から、下記化学式（１）で表される構造単位１種以上からなるポリイミドであることが特に好ましい。
Figure 2019117796
 化学式（１）において、Ｒ１は、芳香環を１個または２個有する４価の基であり、Ｒ２は、炭素数１〜２０の２価のアルキレン基である。
化学式（１）において、Ｒ１は、芳香環としてベンゼン環を１個または２個有する４価の基であることが好ましく、下記化学式（２）〜（５）の４価の基であることがより好ましい。
Figure 2019117796
化学式（１）において、Ｒ２は、炭素数３〜１６のアルキレン基であることが好ましく、炭素数３〜１４のアルキレン基であることがより好ましい。なお、Ｒ２は、直鎖アルキレン基であっても、分岐アルキレン基であってもよい。
前記ポリイミドは、ジアミン成分とテトラカルボン酸成分とを溶剤中で反応させることにより製造することができる。反応の方法は、好ましくはジアミン成分を溶剤に溶解した溶液に、テトラカルボン酸成分を一度に、または、多段階で添加し、加熱して重合（イミド化反応）を行う方法が好適である。反応温度は、通常、１２０℃〜２２０℃が好ましく、１５０℃〜２００℃がさらに好ましく、１６０℃〜１９０℃が特に好ましい。反応温度が１２０℃より低いとイミド化反応が遅くなることから好ましくなく、２２０℃より高いと溶媒の沸点よりも高くなり好ましくない。反応時間は、通常、０．５時間〜７２時間の範囲が好ましく、１時間〜６０時間がさらに好ましく、１．５時間〜４８時間が特に好ましい。反応時間が０．５時間より短いとイミド化反応が完結しない場合があり、一方、７２時間以上の時間をかけるのは生産性の面から好ましくない。
テトラカルボン酸成分とジアミン成分とのモル比［テトラカルボン酸成分／ジアミン成分］は略等モル、具体的には０．９５〜１．０５、好ましくは０．９７〜１．０３になるようにすることが好ましい。このモル比の範囲外では、得られるポリイミドの靭性が低くなる恐れがある。
前記反応によって得られたポリイミドを含む溶液を、例えば、水、アルコール、ヘキサン等の貧溶媒と混合することによって、ポリイミドを粉末として析出させることができる。この粉末を、ろ過等の手段によって溶媒と分離し、乾燥させることによって、ポリイミドが得られる。
前記ポリイミドの調製において用いる溶媒には、公知の有機溶剤を使用することができる。例えば、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，Ｎ−ジエチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ−エチル−２−ピロリドン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、Ｎ−メチルカプロラクタム、ヘキサメチルホスホロトリアミド、１，２−ジメトキシエタン、ビス（２−メトキシエチル）エーテル、１，２−ビス（２−メトキシエトキシ）エタン、テトラヒドロフラン、ビス［２−（２−メトキシエトキシ）エチル］エーテル、１，４−ジオキサン、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、ジフェニルエーテル、スルホラン、ジフェニルスルホン、テトラメチル尿素、アニソール、ｍ−クレゾール、フェノール、γ−ブチロラクトンが挙げられる。これらの溶剤は、単独で使用してもよく、または２種以上混合して使用しても差し支えない。
また、本発明の電極用バインダー樹脂に用いるポリイミド系樹脂として、テトラカルボン酸成分およびジアミン成分で構成される平均重合度が５０以下、好ましくは４０以下、更に好ましくは３０以下であるイミドオリゴマーの少なくとも一方の末端に付加反応基を有する付加反応性イミドオリゴマーも挙げることができる。平均重合度を５０以下とすることにより、融点が３００℃以下である付加反応性イミドオリゴマーを得ることが容易となる。なお、イミドオリゴマーの重合度が５０であるとは、テトラカルボン酸成分およびジアミン成分がそれぞれ２５分子反応した状態を示す。
付加反応性イミドオリゴマーを構成するテトラカルボン酸成分およびジアミン成分としては、前述のポリイミドを構成するテトラカルボン酸成分およびジアミン成分として例示したものと同様なものを好適に用いることができる。なお、この場合は、芳香族テトラカルボン酸成分と芳香族ジアミン成分の組み合わせ（全芳香族イミドオリゴマー）も好適である。
付加反応性イミドオリゴマーの末端の付加反応基は、加熱によって付加重合反応（硬化反応）を行う基であれば特に限定されないが、電極用バインダー樹脂の性能の点から、好ましくはフェニルエチニル基等のアセチレン結合を含む基、ナジック酸基、及びマレイミド基からなる群から選ばれるいずれかの反応基であり、より好ましくはフェニルエチニル基等のアセチレン結合を含む基であり、更に好ましくはフェニルエチニル基である。
これらの付加反応基は、分子内に付加反応基と共に酸無水物基又はアミノ基を有する化合物が、イミドオリゴマーの末端のアミノ基又は酸無水物基と反応することによって、イミドオリゴマーの末端に導入される。この反応は、好ましくはイミド環を形成する反応である。分子内に付加反応基と共に酸無水物基又はアミノ基を有する化合物は、例えば、４−（２−フェニルエチニル）無水フタル酸、フェニルエチニルトリメリット酸無水物、４−（２−フェニルエチニル）アニリン、４−エチニル−無水フタル酸、４−エチニルアニリン、ナジック酸無水物、マレイン酸無水物が挙げられる。
本発明の電極用バインダー樹脂に用いる付加反応性イミドオリゴマーは、下記化学式（６）で表される付加反応性イミドオリゴマーであることが好ましい。
Figure 2019117796
 化学式（６）において、Ｒ３は、芳香環を１個または２個有する４価の基からなる群から選択される１種以上であり、Ｒ４は、炭素数１〜２０の２価の炭化水素基からなる群から選択される１種以上であり、Ｒ５は、アセチレン結合を含む１価の基、好ましくはフェニルエチニル基を有する１価の基であり、ｎは１〜１５の整数である。ただし、各構造単位に含まれるＲ３及びＲ４は、同一であっても、異なっていてもよい。
化学式（６）において、Ｒ３は、芳香環としてベンゼン環を１個または２個有する４価の基であることが好ましく、前記化学式（２）〜（５）の４価の基であることがより好ましい。Ｒ４は、ベンゼン環を１個〜３個有する２価の基、または炭素数１〜２０のアルキレン基であることが好ましい。
前記の付加反応性イミドオリゴマーは、テトラカルボン酸成分としてのテトラカルボン酸二無水物、ジアミン成分、及び分子内に付加反応基と共に酸無水物基又はアミノ基を有する化合物を、各酸無水物基の合計と各アミノ基の合計とが概略等量、具体的には、使用する化合物に含まれる酸無水物基の合計量とアミノ基の合計量との比［酸無水物基の合計量／アミノ基の合計量］が０．９５〜１．０５、好ましくは０．９７〜１．０３となるように使用して、好適には溶媒中で反応させることによって容易に製造することができる。反応の方法は、前述のポリイミドの製造と同様な方法が好適であり、溶媒も同様なものを用いることができる。
本発明の電極用バインダー樹脂組成物は、前述のような本発明の電極用バインダー樹脂を含むものであり、本発明の電極合剤ペーストは、本発明の電極用バインダー樹脂と、電極活物質と、溶剤とを含むものである。溶剤は、非極性溶剤であることが好ましい。本発明の電極用バインダー樹脂、または電極用バインダー樹脂組成物と電極活物質と溶剤とを混合することにより、電極合剤ペーストを調製することができる。
ここで、高容量を得るには、電極中の電極活物質の量が多いことが望ましく、したがって、より少ない量のバインダー樹脂で十分な結着力を得ることが望ましい。電極の作製において、粉末の状態のバインダー樹脂よりも、溶媒に溶解した状態のバインダー樹脂を用いる方が、少量であっても、バインダー樹脂の偏在がなく、高い結着力を容易に得ることができるため、ポリイミド系のバインダー樹脂の場合は、従来、ポリイミド前駆体であるポリアミック酸の溶液、または、可溶性ポリイミドの溶液を用いて電極合剤ペーストが作製されている。しかしながら、ポリアミック酸の溶液、及び、可溶性ポリイミドの溶液の使用には、前記のような問題がある。ポリイミドは、一般的に、融点が存在しないか、４００℃以上、さらには５００℃以上と非常に高いが、本発明においては、融点が３００℃以下、好ましくは２５０℃以下である特殊なポリイミド系樹脂を電極用バインダー樹脂にすることにより、極性溶剤を用いることなく、すなわち、バインダー樹脂が溶媒に溶解せずに分散した状態で電極合剤層の形成に用いても、十分な結着力、集電体と電極合剤層の接着性を得ることを可能にしている。また、比較的低温の熱処理により電極を形成することが可能であり、電極作製時に極性溶剤を用いる必要がなく、水が生成するイミド化反応を行う必要もないため、電極合剤層に含まれる電極活物質や固体電解質等に与える悪影響も抑制できる。その結果、本発明によれば、良好な特性を有する電極を得ることができる。
電極活物質は公知のものを好適に用いることができるが、リチウム含有金属複合酸化物、炭素粉末、ケイ素粉末、スズ粉末、またはケイ素若しくはスズを含む合金粉末が好ましい。電極合剤ペースト中の電極活物質の量は、特に限定されないが、通常、電極用バインダー樹脂に対して、質量基準で０．１〜１０００倍、好ましくは１〜１０００倍、より好ましくは５〜１０００倍、さらに好ましくは１０〜１０００倍である。活物質量が多すぎると活物質が集電体に十分に結着されずに脱落しやくなる。一方、活物質量が少なすぎると、集電体に形成された活物質層（電極合剤層とも言う。）に不活性な部分が多くなり、電極としての機能が不十分になることがある。
電極合剤ペーストに用いる溶剤は、本発明の電極用バインダー樹脂を溶解しないものであってもよく、非極性溶剤であることが好ましい。電極合剤ペーストの溶剤としては、例えば、キシレン、トルエン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン等の脂肪族炭化水素類等の非極性溶剤を挙げることができる。
電極合剤ペーストは、本発明の電極用バインダー樹脂に加えて、ポリイミド系樹脂以外の他のバインダー樹脂を含んでいてもよい。ポリイミド系樹脂以外のバインダー樹脂の含有量は、バインダー成分の総量に対して、５０質量％未満であることが好ましく、３０質量％未満であることがより好ましい。
前記バインダー樹脂としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、ニトリルゴム、ポリアクリロニトリル、エチレンビニルアルコール共重合樹脂、エチレンプロピレンジエンゴム、ポリウレタン、ポリアクリル酸、ポリアミド、ポリアクリレート、ポリビニルエーテル、フッ素ゴム、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースナトリウムが挙げられる。
また、電極合剤ペーストは、固体電解質を含んでいてもよい。固体電解質としては、例えば、ペロブスカイト型結晶のＬａ０．５１Ｌｉ０．３４ＴｉＯ２．９４、ガーネット型結晶のＬｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２、ＮＡＳＩＣＯＮ型結晶のＬｉ１．３Ａｌ０．３Ｔｉ１．７（ＰＯ４）３、アモルファスのＬＩＰＯＮ（Ｌｉ２．９ＰＯ３．３Ｎ０．４６）などの酸化物系固体電解質、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２系やＬｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５系などの硫化物系固体電解質が挙げられる。
電極合剤ペーストには、さらに、必要に応じて界面活性剤や粘度調整剤や導電補助剤などの添加剤を加えることができる。
本発明の電極は、前述のような本発明の電極用バインダー樹脂と、電極活物質とを含む電極合剤層を有するものである。電極合剤層は、例えば、金属箔からなる集電体の表面に形成される。本発明の電極の電極合剤層は、さらに、前述のようなポリイミド系樹脂以外の他のバインダー樹脂や固体電解質を含んでいてもよい。また、本発明の電極用バインダー樹脂が、前述のような少なくとも一方の末端に付加反応基を有する付加反応性イミドオリゴマー等、反応性の官能基を有するものである場合は、分子内もしくは分子間で反応性官能基同士が反応して生成した反応物を含むものであってもよい。
前述のような本発明の電極合剤ペーストを、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、コバルトなどの金属箔またはこれらの組み合わせからなる合金箔からなる導電性の集電体上に流延あるいは塗布し、加熱処理して溶剤を除去することにより、電極を製造することができる。加熱処理は、電極合剤ペーストに含まれるポリイミド系樹脂を溶融させ、電極活物質等の電極合剤層を形成する成分を一体化させると共に、集電体と電極合剤層を接着させることができる条件で行うことが好ましい。具体的には、用いるポリイミド系樹脂の融点以上、３５０℃以下の温度で、好ましくは加圧下で熱処理を行うことが好ましい。固体電解質などの電極、及び電池に含まれる成分の分解を抑制して、良好な特性を有する電極、及びリチウムイオン二次電池などの電気化学素子を得るためには、通常、加熱処理の温度は３５０℃以下であることが好ましい。
以下、本発明を実施例及び比較例により更に具体的に説明するが、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。
以下の例で用いた特性の測定方法を以下に示す。
＜融点測定方法（ＤＳＣ法）＞
示差走査熱量計ＤＳＣ−５０（島津製作所）を用い、室温（２５℃）から５００℃まで２０℃／ｍｉｎにて昇温を行い、融点を測定した。
＜付着性試験（クロスカット法）＞
付着性試験は、ＪＩＳ Ｋ ５６００−５−６に準拠して行った。なお、評価は目視により、評価基準（３）に準拠した分類０〜分類５（数字が小さいほど強固に付着している）で示した。
以下の例で使用した化合物の略号について説明する。
ＯＤＰＡ：４，４’−オキシジフタル酸二無水物、
ｓ−ＢＰＤＡ：３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、
ａ−ＢＰＤＡ：２，３’，３，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、
ＰＭＤＡ：ピロメリット酸二無水物、
ＰＥＰＡ：４−フェニルエチニルフタル酸無水物、
ＰＥＴＡ：フェニルエチニルトリメリット酸無水物、
ＰＰＤ：ｐ−フェニレンジアミン、
ＭＰＤ：ｍ−フェニレンジアミン、
ＯＤＡ：４，４’−ジアミノジフェニルエーテル、
ＴＰＥ−Ｒ：１，３−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン、
ＤＭＤ：デカメチレンジアミン、
ＨＭＤ：ヘキサメチレンジアミン、
ＮＭＰ：Ｎ−メチル−２−ピロリドン、
ＰＶｄＦ：ポリフッ化ビニリデン、
ＳＢＲ：スチレンブタジエンゴム
〔実施例１〕
酸無水物としてｓ−ＢＰＤＡ、ジアミンとしてＤＭＤを用い（ｓ−ＢＰＤＡ：ＤＭＤ＝１：１（モル比））、ＮＭＰ中、１８０℃で１２時間重合させてイミド化が完結したポリイミド溶液を得た。この溶液を水中に分散させ、析出させたポリイミドを濾別した。水洗及び濾別を３回繰り返し、回収したポリイミドを１５０℃で２４時間乾燥させて電極用バインダー樹脂を得た。この樹脂の融点は１９０℃であった。
得られた電極用バインダー樹脂３ｇに珪素粉末７ｇ及びヘキサン９０ｇを添加して混錬し、電極合剤ペーストを調製した。このペーストを銅箔に塗布し、常圧、窒素雰囲気下の熱風乾燥機にて１２０℃で６０分間加熱処理した後、２５０℃で熱プレスして電極を作製した。この電極について付着性試験を行った結果、付着性は分類０であった。
〔実施例２〕
実施例１で得られた電極用バインダー樹脂３ｇにカルボキシメチルセルロース１ｇ、珪素粉末７ｇ及び水９０ｇを添加して混錬し、電極合剤ペーストを調製した。このペーストを用いた以外は実施例１と同様にして電極を作製した。この電極について付着性試験を行った結果、付着性は分類０であった。
〔実施例３〕
酸無水物をＯＤＰＡに変更した以外は実施例１と同様にして電極用バインダー樹脂を得た。この樹脂の融点は１５０℃であった。この電極用バインダー樹脂を用いた以外は実施例１と同様にして電極を作製した。この電極について付着性試験を行った結果、付着性は分類０であった。
〔実施例４〕
酸無水物としてａ−ＢＰＤＡ及びＰＥＰＡ、ジアミンとしてＴＰＥ−Ｒ及びＭＰＤを用いた（ａ−ＢＰＤＡ：ＰＥＰＡ：ＴＰＥ−Ｒ：ＭＰＤ＝１：２：１：１（モル比））以外は実施例１と同様にして電極用バインダー樹脂を得た。この樹脂の融点は１７５℃であった。この電極用バインダー樹脂を用いた以外は実施例１と同様にして電極を作製した。この電極について付着性試験を行った結果、付着性は分類０であった。
〔実施例５〕
酸無水物としてＯＤＰＡ及びＰＥＴＡ、ジアミンとしてＨＭＤを用いた（ＯＤＰＡ：ＰＥＴＡ：ＨＭＤ＝１：２：２（モル比））以外は実施例１と同様にして電極用バインダー樹脂を得た。この樹脂の融点は１７０℃であった。この電極用バインダー樹脂を用いた以外は実施例１と同様にして電極を作製した。この電極について付着性試験を行った結果、付着性は分類０であった。
〔実施例６〕
酸無水物としてＯＤＰＡ、ｓ−ＢＰＤＡ及びＰＥＴＡ、ジアミンとしてＯＤＡ、ＰＰＤを用いた（ＯＤＰＡ：ｓ−ＢＰＤＡ：ＰＥＴＡ：ＯＤＡ：ＰＰＤ＝５：５：２０：１４：６（モル比））以外は実施例１と同様にして電極用バインダー樹脂を得た。この樹脂の融点は２５０℃であった。この電極用バインダー樹脂を用いた以外は実施例１と同様にして電極を作製した。この電極について付着性試験を行った結果、付着性は分類０であった。
〔比較例１〕
酸無水物としてｓ−ＢＰＤＡ、ジアミンとしてＰＰＤをＮＭＰ中、１８０℃で１２時間重合させ、イミド化が完結したポリイミド分散ＮＭＰ溶液を得た。析出したポリイミドを濾別した後、水洗及び濾別を３回繰り返し実施し、回収したポリイミドを１５０℃で２４時間乾燥させてポリイミド粉末を得た。この樹脂の融点を測定したが、融点は観測されなかった。
得られたポリイミド粉末３ｇに珪素粉末７ｇ及びヘキサン９０ｇを添加して混錬し、電極合剤ペーストを調製した。このペーストを銅箔に塗布し、常圧、窒素雰囲気下の熱風乾燥機にて１２０℃で６０分間加熱処理した後、３５０℃で熱プレスしたが、電極合剤層と銅箔が接着しなかったため電極は作製できなかった。
〔比較例２〕
酸無水物としてＰＭＤＡ、ジアミンとしてＯＤＡをＮＭＰ中、１８０℃で１２時間重合させ、イミド化が完結したポリイミド分散ＮＭＰ溶液を得た。析出したポリイミドを濾別した後、水洗及び濾別を３回繰り返し実施し、回収したポリイミドを１５０℃で２４時間乾燥させてポリイミド粉末を得た。この樹脂の融点を測定したが、融点は観測されなかった。
得られたポリイミド粉末３ｇに珪素粉末７ｇ及びヘキサン９０ｇを添加して混錬し、電極合剤ペーストを調製した。このペーストを銅箔に塗布し、常圧、窒素ガス雰囲気下の熱風乾燥機にて１２０℃で６０分間加熱処理した後、３５０℃で熱プレスしたが、電極合剤層と銅箔が接着しなかったため電極は作製できなかった。
〔比較例３〕
ＰＶｄＦ３ｇに珪素粉末７ｇ及びヘキサン９０ｇを添加して混錬し、電極合剤ペーストを調製した。このペーストを銅箔に塗布し、常圧、窒素ガス雰囲気下の熱風乾燥機にて１２０℃で６０分間加熱処理した後、２５０℃で熱プレスして電極を作製した。この電極について付着性試験を行った結果、付着性は分類５であり、接着性は非常に悪かった。
〔比較例４〕
ＳＢＲ３ｇに珪素粉末７ｇ及びヘキサン９０ｇを添加して混錬し、電極合剤ペーストを調製した。このペーストを塗布した銅箔を、常圧、窒素ガス雰囲気下の熱風乾燥機にて１２０℃で６０分間加熱処理した後、２５０℃で熱プレスして電極を作製した。この電極について付着性試験を行った結果、付着性は分類４であり、接着性は悪かった。

Claims (15)

  1. 融点が３００℃以下であるポリイミド系樹脂からなる電極用バインダー樹脂。
  2. 前記ポリイミド系樹脂が、テトラカルボン酸成分とジアミン成分とから得られるポリイミドであって、テトラカルボン酸成分またはジアミン成分の少なくとも一方が、脂肪族化合物を５０モル％以上含むポリイミドを含む、請求項１に記載の電極用バインダー樹脂。
  3. 前記ポリイミドが、下記化学式（１）で表される構造単位１種以上からなるポリイミドである、請求項２に記載の電極用バインダー樹脂。
    Figure 2019117796
     （式中、Ｒ１は、芳香環を１個または２個有する４価の基であり、Ｒ２は、炭素数１〜２０の２価のアルキレン基である。）
  4. 前記化学式（１）中のＲ１が、下記化学式（２）〜（５）の４価の基からなる群から選択される１種以上である、請求項３に記載の電極用バインダー樹脂。
    Figure 2019117796
  5. 前記ポリイミド系樹脂が、平均重合度が５０以下であるイミドオリゴマーの少なくとも一方の末端に付加反応基を有する付加反応性イミドオリゴマーを含む、請求項１に記載の電極用バインダー樹脂。
  6. 前記付加反応基が、フェニルエチニル基、またはアセチレン結合を含む基である、請求項５に記載の電極用バインダー樹脂。
  7. 前記付加反応性イミドオリゴマーが、下記化学式（６）で表される付加反応性イミドオリゴマーである、請求項６に記載の電極用バインダー樹脂。
    Figure 2019117796
     （式中、Ｒ３は、芳香環を１個または２個有する４価の基からなる群から選択される１種以上であり、Ｒ４は、炭素数１〜２０の２価の炭化水素基からなる群から選択される１種以上であり、Ｒ５は、アセチレン結合を含む１価の基であり、ｎは１〜１５の整数である。ここで、各構造単位に含まれるＲ３及びＲ４は、同一であっても、異なっていてもよい。）
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の電極用バインダー樹脂を含む電極用バインダー樹脂組成物。
  9. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の電極用バインダー樹脂と、電極活物質と、溶剤とを含む電極合剤ペースト。
  10. 前記溶剤が、非極性溶剤である、請求項９に記載の電極合剤ペースト。
  11. 固体電解質をさらに含む、請求項９または１０に記載の電極合剤ペースト。
  12. 請求項９〜１１のいずれか１項に記載の電極合剤ペーストを、金属箔からなる集電体の表面に塗布する工程と、
    塗布した電極合剤ペーストを、電極合剤ペーストに含まれるポリイミド系樹脂の融点以上、３５０℃以下の温度で熱処理する工程と
    を有することを特徴とする電極の製造方法。
  13. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の電極用バインダー樹脂と、電極活物質とを含む電極合剤層を有する電極。
  14. 前記電極合剤層が、金属箔からなる集電体の表面に形成されている、請求項１３に記載の電極。
  15. 前記電極合剤層が、固体電解質をさらに含む、請求項１３または１４に記載の電極。
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