JP6197866B2 - リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
そのため、リチウムイオン二次電池においては、充放電に伴う負極の膨れを抑制して、サイクル特性などの電気的特性を向上することが求められている。
更に、本発明は、負極の膨れを抑制することができると共に、電気的特性に優れるリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
なお、本発明において、「(メタ)アクリル酸」とは、アクリル酸および/またはメタクリル酸を意味する。
また、本発明のリチウムイオン二次電池用負極によれば、充放電に伴う膨れを抑制することができると共に、リチウムイオン二次電池の電気的特性を向上させることができる。
そして、本発明のリチウムイオン二次電池によれば、負極の膨れを抑制することができると共に、優れた電気的特性が得られる。
ここで、本発明のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物は、リチウムイオン二次電池の負極を形成する際に用いられる。そして、本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、本発明のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物を用いて製造することができる。また、本発明のリチウムイオン二次電池は、本発明のリチウムイオン二次電池用負極を用いたことを特徴とする。
本発明のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物は、水系媒体を分散媒とした水系スラリー組成物であり、負極活物質と、粒子状結着材と、水溶性重合体と、水とを含む。そして、本発明のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物は、粒子状結着材として下記(I)および(II)の粒子状結着材を併用することを特徴とする。
(I)脂肪族共役ジエン単量体単位および芳香族ビニル単量体単位を有する共重合体(A)を含み、電解液膨潤度が110質量%以上200質量%以下であり、ガラス転移点が−30℃以上60℃以下であり、かつ、ゲル含有量が70質量%以上98質量%以下である第1粒子状結着材
(II)脂肪族共役ジエン単量体単位および芳香族ビニル単量体単位を有する共重合体(B)を含み、電解液膨潤度が250質量%以上600質量%以下であり、かつ、ゲル含有量が70質量%以上98質量%以下である第2粒子状結着材
負極活物質は、負極用の電極活物質であり、リチウムイオン二次電池の負極において電子の受け渡しをする物質である。
そして、リチウムイオン二次電池の負極活物質としては、通常は、リチウムを吸蔵および放出し得る物質を用いる。リチウムを吸蔵および放出し得る物質としては、例えば、炭素系負極活物質、金属系負極活物質、およびこれらを組み合わせた負極活物質などが挙げられる。
そして、炭素質材料としては、例えば、熱処理温度によって炭素の構造を容易に変える易黒鉛性炭素や、ガラス状炭素に代表される非晶質構造に近い構造を持つ難黒鉛性炭素などが挙げられる。
ここで、易黒鉛性炭素としては、例えば、石油または石炭から得られるタールピッチを原料とした炭素材料が挙げられる。具体例を挙げると、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、メソフェーズピッチ系炭素繊維、熱分解気相成長炭素繊維などが挙げられる。
また、難黒鉛性炭素としては、例えば、フェノール樹脂焼成体、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、擬等方性炭素、フルフリルアルコール樹脂焼成体(PFA)、ハードカーボンなどが挙げられる。
そして、黒鉛質材料としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛等が挙げられる。
ここで、人造黒鉛としては、例えば、易黒鉛性炭素を含んだ炭素を主に2500℃以上で熱処理した人造黒鉛、MCMBを2000℃以上で熱処理した黒鉛化MCMB、メソフェーズピッチ系炭素繊維を2000℃以上で熱処理した黒鉛化メソフェーズピッチ系炭素繊維などが挙げられる。
粒子状結着材は、本発明のスラリー組成物を用いて集電体上に負極合材層を形成することにより製造した負極において、負極合材層に含まれる成分が負極合材層から脱離しないように保持しうる成分である。一般的に、負極合材層における粒子状結着材は、電解液に浸漬された際に、電解液を吸収して膨潤しながらも粒子状の形状を維持し、負極活物質同士を結着させ、負極活物質が集電体から脱落するのを防ぐ。また、粒子状結着材は、負極合材層に含まれる負極活物質以外の粒子をも結着し、負極合材層の強度を維持する役割も果たしている。
第1粒子状結着材は、脂肪族共役ジエン単量体単位および芳香族ビニル単量体単位を有する共重合体(A)を含む結着材、より好ましくは脂肪族共役ジエン単量体単位および芳香族ビニル単量体単位を有する共重合体(A)よりなる結着材である。
そして、第1粒子状結着材は、電解液膨潤度が110質量%以上200質量%以下であり、ガラス転移点が−30℃以上60℃以下であり、かつ、ゲル含有量が70質量%以上98質量%以下であることが必要である。
なお、共重合体(A)中における芳香族ビニル単量体単位の含有割合は、脂肪族共役ジエン単量体単位と芳香族ビニル単量体単位との合計量に対し、42質量%以上であることが好ましく、49質量%以上であることがより好ましく、55質量%以上であることが更に好ましく、87質量%以下であることが好ましく、80質量%以下であることがより好ましく、70質量%以下であることが更に好ましい。芳香族ビニル単量体単位の含有割合(芳香族ビニル単量体単位/(脂肪族共役ジエン単量体単位+芳香族ビニル単量体単位))が42質量%未満の場合、第1粒子状結着材の柔軟性が高くなりすぎて負極の膨れを抑制する機能を十分に発揮できない虞がある。また、芳香族ビニル単量体単位の含有割合が87質量%超の場合、第1粒子状結着材の柔軟性が低下して負極合材層と集電体との密着性が低下し、サイクル特性などの電気的特性が低下する虞がある。
なお、負極の膨れを十分に抑制して電気的特性を十分に向上する観点からは、電解液膨潤度は、190質量%以下であることが好ましく、180質量%以下であることがより好ましく、150質量%以下であることが更に好ましい。また、ガラス転移点は、−20℃以上であることが好ましく、−10℃以上であることがより好ましい。更に、ゲル含有量は、80質量%以上であることが好ましく、85質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることが更に好ましい。
なお、サイクル特性などの電気的特性を十分に向上する観点からは、電解液膨潤度は、120質量%以上であることが好ましく、130質量%以上であることがより好ましい。また、ガラス転移点は、40℃以下であることが好ましく、30℃以下であることがより好ましく、20℃以下であることが更に好ましい。更に、ゲル含有量は、95質量%以下であることが好ましく、93質量%以下であることがより好ましい。
なお、エチレン性不飽和カルボン酸単量体は1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
ここで、単量体組成物中の各単量体の含有割合は、通常、所望の共重合体(A)における繰り返し単位の含有割合と同様にする。
具体的には、水系溶媒としては、例えば、水;ダイアセトンアルコール、γ−ブチロラクトン等のケトン類;エチルアルコール、イソプロピルアルコール、ノルマルプロピルアルコール等のアルコール類;プロピレングリコールモノメチルエーテル、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、エチレングリコールターシャリーブチルエーテル、ブチルセロソルブ、3−メトキシ−3メチル−1−ブタノール、エチレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル等のグリコールエーテル類;1,3−ジオキソラン、1,4−ジオキソラン、テトラヒドロフラン等のエーテル類;などが挙げられる。中でも水は可燃性がなく、共重合体(A)の粒子の分散体が容易に得られやすいという観点から特に好ましい。なお、主溶媒として水を使用して、共重合体(A)の粒子の分散状態が確保可能な範囲において上記の水以外の水系溶媒を混合して用いてもよい。
具体的には、電解液膨潤度は、例えば、共重合体(A)にアクリロニトリル単量体単位を含有させることにより高めることができ、また、共重合体(A)の密度(重合体分子間の絡み合い)を高めることにより低下させることができる。
また、ガラス転移点は、使用する単量体の種類および量を変更することにより調整することができ、例えば、スチレン、アクリロニトリル等の単量体を使用するとガラス転移点を高めることができ、ブチルアクリレート、ブタジエン等の単量体を使用するとガラス転移点を低下させることができる。
更に、ゲル含有量は、重合温度、重合開始剤の種類、反応停止時の転化率(モノマー消費量)等を変更することにより調整することができ、例えば、重合時に使用する連鎖移動剤の量を少なくするとゲル含有量を高めることができ、重合時に使用する連鎖移動剤の量を多くするとゲル含有量を低下させることができる。
第2粒子状結着材は、脂肪族共役ジエン単量体単位および芳香族ビニル単量体単位を有する共重合体(B)を含む結着材、より好ましくは脂肪族共役ジエン単量体単位および芳香族ビニル単量体単位を有する共重合体(B)と、他の重合体とを含む複合重合体(異相構造体)よりなる結着材である。
そして、第2粒子状結着材は、電解液膨潤度が250質量%以上600質量%以下であり、かつ、ゲル含有量が70質量%以上98質量%以下であることが必要である。
また、共重合体(B)は、共重合体(A)と同様の単量体を使用し、電解液膨潤度およびゲル含有量を調整する以外は共重合体(A)と同様にして調製することができる。なお、共重合体(B)の電解液膨潤度およびゲル含有量は、共重合体(A)と同様にして調整することができる。
なお、電解液と接触した際に十分に膨潤して負極合材層内でのリチウムイオンの伝導性を確保し、サイクル特性などの電気的特性を十分に向上する観点からは、電解液膨潤度は、300質量%以上であることが好ましく、400質量%以上であることがより好ましく、500質量%以上であることが更に好ましい。
なお、負極の膨れを十分に抑制して電気的特性を十分に向上する観点からは、電解液膨潤度は、590質量%以下であることが好ましく、570質量%以下であることがより好ましく、550質量%以下であることが更に好ましい。また、ゲル含有量は、75質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、95質量%以下であることが好ましく、90質量%以下であることがより好ましい。
ここで、異相構造体とは、互いに異なる2つ以上の重合体が物理的または化学的に結合して形成されている単一の粒子であり、ブロック重合体などの単一の重合体から形成された単一相構造からなる粒子ではない。そして、異相構造体の具体例としては、球状の粒子であって中心部と外殻部とが異なる重合体から形成されているコアシェル構造;2つ以上の重合体が並置された構造であるサイドバイサイド構造;コアシェル構造において中心部の重合体の一部が外殻部に露出した構造である雪ダルマ構造;球状の重合体粒子の表面に別種の重合体粒子が埋め込まれて一体化した構造であるイイダコ構造;などがあるが、コアシェル構造が好ましい。
また、脂肪族共役ジエン単量体としては、上述した共重合体(A)と同様のものを使用することができる。
そして、単量体組成物に配合する脂肪族共役ジエン単量体以外の単量体としては、例えば、シアン化ビニル系単量体等が挙げられ、アクリロニトリルを用いることが特に好ましい。なお、シアン化ビニル系単量体としては、共重合体(A)の調製に使用し得るものと同様の単量体を用いることができる。
なお、第2粒子状結着材がブロック重合体よりなる場合は、既知のブロック重合体の調製方法を用いて調製することができる。
なお、本発明のスラリー組成物は、上述した第1粒子状結着材および第2粒子状結着材以外の第3粒子状結着材を粒子状結着材として含有していてもよい。
まず、粒子状結着材を含む水分散液を調製する。蒸留水で洗浄したガラス容器に、前記粒子状結着材を含む水分散液を入れ、溶液電導率計をセットして攪拌する。なお、攪拌は、後述する塩酸の添加が終了するまで継続する。
粒子状結着材を含む水分散液の電気伝導度が2.5〜3.0mSになるように、0.1規定の水酸化ナトリウム水溶液を、粒子状結着材を含む水分散液に添加する。その後、6分経過してから、電気伝導度を測定する。この値を測定開始時の電気伝導度とする。
さらに、この粒子状結着材を含む水分散液に0.1規定の塩酸を0.5mL添加して、30秒後に電気伝導度を測定する。その後、再び0.1規定の塩酸を0.5mL添加して、30秒後に電気伝導度を測定する。この操作を、30秒間隔で、粒子状結着材を含む水分散液の電気伝導度が測定開始時の電気伝導度以上になるまで繰り返し行う。
得られた電気伝導度のデータを、電気伝導度(単位「mS」)を縦軸(Y座標軸)、添加した塩酸の累計量(単位「mmol」)を横軸(X座標軸)としたグラフ上にプロットする。これにより、3つの変曲点を有する塩酸添加量−電気伝導度曲線が得られる。3つの変曲点のX座標および塩酸添加終了時のX座標を、値が小さい方から順にそれぞれP1、P2、P3およびP4とする。X座標が零から座標P1まで、座標P1から座標P2まで、座標P2から座標P3まで、および、座標P3から座標P4まで、の4つの区分内のデータについて、それぞれ、最小二乗法により近似直線L1、L2、L3およびL4を求める。近似直線L1と近似直線L2との交点のX座標をA1(mmol)、近似直線L2と近似直線L3との交点のX座標をA2(mmol)、近似直線L3と近似直線L4との交点のX座標をA3(mmol)とする。
粒子状結着材1g当たりの表面酸量は、下記の式(a)から、塩酸換算した値(mmol/g)として与えられる。なお、粒子状結着材1g当たりの水相中の酸量(粒子状結着材を含む水分散液における水相中に存在する酸の量であって粒子状結着材の固形分1g当たりの酸量、「粒子状結着材の水相中の酸量」ともいう)は、下記の式(b)から、塩酸換算した値(mmol/g)として与えられる。また、水中に分散した粒子状結着材1g当たりの総酸量は、下記式(c)に表すように、式(a)および式(b)の合計となる。
(a) 粒子状結着材1g当たりの表面酸量=(A2−A1)/水分散液中の粒子状結着材の固形分量
(b) 粒子状結着材1g当たりの水相中の酸量=(A3−A2)/水分散液中の粒子状結着材の固形分量
(c) 水中に分散した粒子状結着材1g当たりの総酸量=(A3−A1)/水分散液中の粒子状結着材の固形分量
また、架橋性単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
任意の単量体としては、例えば、スチレン、クロロスチレン、ビニルトルエン、t−ブチルスチレン、ビニル安息香酸メチル、ビニルナフタレン、クロロメチルスチレン、ヒドロキシメチルスチレン、α−メチルスチレン等のスチレン系単量体;ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、アリルスルホン酸、スルホエチルメタクリレート、スルホプロピルメタクリレート、スルホブチルメタクリレートなどのスルホン酸基含有単量体およびそのアルカリ金属塩;フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体が挙げられる。
また、共重合体(C)を含む第3粒子状結着材のゲル含有量は、好ましくは70質量%以上98質量%以下である。
更に、共重合体(C)を含む第3粒子状結着材の電解液膨潤度は、好ましくは250質量%以上450質量%以下である。
ガラス転移点が上記下限値以上の場合、ゲル含有量が上記下限値以上の場合、および/または、電解液膨潤度が上記上限値以下の場合には、充放電に伴う負極の膨れを抑制してサイクル特性などの電気的特性を十分に向上することができるからである。また、ガラス転移点が上記上限値以下の場合、極板が硬くなり過ぎて充放電中に極板の割れが発生するのを防止することができるからである。更に、ゲル含有量が上記上限値以下の場合、負極合材層と集電体との密着性を確保してサイクル特性などの電気的特性が低下するのを抑制することができるからである。また、電解液膨潤度が上記下限値以上の場合、スラリー組成物を用いて形成した負極合材層内でのリチウムイオンの伝導性を確保してサイクル特性などの電気的特性を十分に向上することができるからである。
なお、第3粒子状結着材の電解液膨潤度、ガラス転移点およびゲル含有量は、共重合体(C)の調製条件(例えば、使用する単量体、重合条件など)を変更することにより適宜調整することができる。
なお、粒子状結着材が第1粒子状結着材、第2粒子状結着材および第3粒子状結着材からなる場合、各粒子状結着材の比率は、固形分換算で、第1粒子状結着材:第2粒子状結着材:第3粒子状結着材=25〜80:10〜70:5〜30の範囲内に含まれることが好ましい。各粒子状結着材の比率が上記範囲内であれば、充放電に伴う膨れの抑制およびリチウムイオン二次電池の電気的特性の向上を達成しつつ、リチウムイオン二次電池の低温出力特性を向上させることができるからである。
水溶性重合体は、スラリー組成物を用いて負極を形成した際に、負極活物質の膨張または収縮に追従して弾性変形し、充放電に伴う負極の膨れを抑制する。なお、水溶性重合体は、スラリー組成物の粘度を調整して集電体上へのスラリー組成物の塗布を容易にする粘度調整剤としても機能し得る。
ここで、重合体が水溶性であるとは、25℃において重合体0.5gを100gの水に溶解した際に、不溶分が10質量%未満であることをいい、不溶分は0.5質量%未満であることが好ましい。
なお、本明細書において、「(メタ)アクリル酸」とは、アクリル酸および/またはメタクリル酸を意味する。また、(メタ)アクリル酸エステル単量体の中でもフッ素を含有するものは、フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体として(メタ)アクリル酸エステル単量体とは区別する。
なお、エチレン性不飽和カルボン酸単量体は1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
なお、(メタ)アクリル酸エステル単量体は1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
なお、フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体は1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
なお、前記の共重合可能な単量体は1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
本発明のスラリー組成物は、上記成分の他に、導電剤、補強材、レベリング剤、電解液添加剤等の成分を含有していてもよい。これらは、電池反応に影響を及ぼさないものであれば特に限られず、公知のもの、例えば国際公開第2012/115096号に記載のものを使用することができる。また、これらの成分は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
本発明のスラリー組成物は、上記各成分を分散媒としての水系媒体中に分散させることにより調製することができる。具体的には、ボールミル、サンドミル、ビーズミル、顔料分散機、らい潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサー、フィルミックスなどの混合機を用いて上記各成分と水系媒体とを混合することにより、スラリー組成物を調製することができる。なお、粒子状結着材は、水分散体の状態で添加することができる。
ここで、水系媒体としては、通常は水を用いるが、任意の化合物の水溶液や、少量の有機媒体と水との混合溶液などを用いてもよい。また、スラリー組成物の固形分濃度は、各成分を均一に分散させることができる濃度、例えば、30質量%以上90質量%以下であり、より好ましくは40質量%以上80質量%以下とすることができる。更に、上記各成分と水系媒体との混合は、通常、室温〜80℃の範囲で、10分〜数時間行うことができる。
本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、本発明のスラリー組成物を使用して製造することができる。
そして、本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、集電体と、集電体上に形成された負極合材層とを備え、負極合材層には、少なくとも、負極活物質と、第1粒子状結着材および第2粒子状結着材を含む粒子状結着材と、水溶性重合体とが含まれている。なお、負極中に含まれている、負極活物質、粒子状結着材および水溶性重合体は、本発明のスラリー組成物中に含まれていたものであり、それら各成分の好適な存在比は、本発明のスラリー組成物中の各成分の好適な存在比と同じである。
上記リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物を集電体上に塗布する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができる。具体的には、塗布方法としては、ドクターブレード法、ディップ法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法、ハケ塗り法などを用いることができる。この際、スラリー組成物を集電体の片面だけに塗布してもよいし、両面に塗布してもよい。塗布後乾燥前の集電体上のスラリー膜の厚みは、乾燥して得られる負極合材層の厚みに応じて適宜に設定しうる。
集電体上のスラリー組成物を乾燥する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができ、例えば温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、赤外線や電子線などの照射による乾燥法が挙げられる。このように集電体上のスラリー組成物を乾燥することで、集電体上に負極合材層を形成し、集電体と負極合材層とを備えるリチウムイオン二次電池用負極を得ることができる。
さらに、負極合材層が硬化性の重合体を含む場合は、負極合材層の形成後に前記重合体を硬化させることが好ましい。
本発明のリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、電解液と、セパレータとを備え、負極として、本発明のリチウムイオン二次電池用負極を用いたものである。そして、本発明のリチウムイオン二次電池は、本発明のリチウムイオン二次電池用負極を用いているので、充放電の繰り返しに伴う負極の膨れを抑制することができると共に、優れた電気的特性が得られる。
リチウムイオン二次電池の正極としては、リチウムイオン二次電池用正極として用いられる既知の正極を用いることができる。具体的には、正極としては、例えば、正極合材層を集電体上に形成してなる正極を用いることができる。
なお、集電体としては、アルミニウム等の金属材料からなるものを用いることができる。また、正極合材層としては、既知の正極活物質と、導電材と、バインダーとを含む層を用いることができる。
電解液としては、溶媒に電解質を溶解した電解液を用いることができる。
ここで、溶媒としては、電解質を溶解可能な有機溶媒を用いることができる。具体的には、溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン等のアルキルカーボネート系溶媒に、2,5−ジメチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、酢酸メチル、ジメトキシエタン、ジオキソラン、プロピオン酸メチル、ギ酸メチル等の粘度調整溶媒を添加したものを用いることができる。
電解質としては、リチウム塩を用いることができる。リチウム塩としては、例えば、特開2012−204303号公報に記載のものを用いることができる。これらのリチウム塩の中でも、有機溶媒に溶解しやすく、高い解離度を示すという点より、電解質としてはLiPF6、LiClO4、CF3SO3Liが好ましい。
セパレータとしては、例えば、特開2012−204303号公報に記載のものを用いることができる。これらの中でも、セパレータ全体の膜厚を薄くすることができ、これにより、二次電池内の電極活物質の比率を高くして体積あたりの容量を高くすることができるという点より、ポリオレフィン系の樹脂(ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリ塩化ビニル)からなる微多孔膜が好ましい。
本発明のリチウムイオン二次電池は、例えば、正極と、負極とを、セパレータを介して重ね合わせ、これを必要に応じて電池形状に応じて巻く、折るなどして電池容器に入れ、電池容器に電解液を注入して封口することにより製造することができる。リチウムイオン二次電池の内部の圧力上昇、過充放電等の発生を防止するために、必要に応じて、ヒューズ、PTC素子等の過電流防止素子、エキスパンドメタル、リード板などを設けてもよい。二次電池の形状は、例えば、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角形、扁平型など、何れであってもよい。
実施例および比較例において、粒子状結着材の電解液膨潤度、ガラス転移点、ゲル含有量および表面酸量、並びに、リチウムイオン二次電池の初期膨らみ、初期サイクル特性、サイクル特性、サイクル後膨らみ、レート特性および低温レート特性は、それぞれ以下の方法を使用して評価した。
粒子状結着材を含む水分散体を用意し、この水分散体を50%湿度、23〜25℃の環境下で3日間乾燥させて、厚み3±0.3mmに成膜した。成膜したフィルムを直径12mmに裁断し、精秤した。
裁断により得られたフィルム片の質量をW0とする。このフィルム片を、50gの電解液(組成:濃度1.0MのLiPF6溶液(溶媒はエチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート=3/7(体積比)の混合溶媒、添加剤としてビニレンカーボネート2質量%(溶媒比)を添加))に、60℃の環境下で72時間浸漬し、膨潤させた。その後、引き揚げたフィルム片(膨潤後)を軽く拭いた後、質量W1を計測した。
そして、下記式にしたがって膨潤度(質量%)を算出した。
膨潤度(質量%)=(W1/W0)×100
<ガラス転移点>
粒子状結着材を含む水分散体を用意し、この水分散体を50%湿度、23〜25℃の環境下で3日間乾燥させてフィルムを得た。該フィルムを、120℃の熱風オーブンで1時間乾燥させた後、厚み1.0±0.1mm、長さ50±2mm、幅5±0.1mmの短冊片を切り出して動的粘弾性測定用の試験片とする。
動的粘弾性測定装置として、粘弾性スペクトロメータ(DMS) EXSTAR DMS5800(セイコーインスツル株式会社製)を用いて、変形モード:引っ張り、周波数:1Hz、測定温度:−100℃〜180℃、昇温速度:3℃/分の条件で、貯蔵弾性率、損失弾性率およびtanδを測定する。
そして、得られたtanδのピークトップの温度をガラス転移点と定義する。
<ゲル含有量>
粒子状結着材を含む水分散体を用意し、この水分散体を50%湿度、23〜25℃の環境下で乾燥させて、厚み3±0.3mmに成膜した。成膜したフィルムを1mm角に裁断し、約1gを精秤した。
裁断により得られたフィルム片の質量をw0とする。このフィルム片を、100gのテトラヒドロフラン(THF)に24時間、25℃にて浸漬した。その後、THFから引き揚げたフィルム片を105℃で3時間真空乾燥して、不溶分の質量w1を計測した。
そして、下記式にしたがってゲル含有量(質量%)を算出した。
ゲル含有量(質量%)=(w1/w0)×100
<表面酸量>
まず、粒子状結着材を含む水分散液(固形分濃度:2質量%)を調製した。蒸留水で洗浄した容量150mLのガラス容器に、前記粒子状結着材を含む水分散液を50g入れ、溶液電導率計をセットして攪拌した。なお、攪拌は、後述する塩酸の添加が終了するまで継続した。
粒子状結着材を含む水分散液の電気伝導度が2.5〜3.0mSになるように、0.1規定の水酸化ナトリウム水溶液を、粒子状結着材を含む水分散液に添加した。その後、6分経過してから、電気伝導度を測定した。この値を測定開始時の電気伝導度とした。
さらに、この粒子状結着材を含む水分散液に0.1規定の塩酸を0.5mL添加して、30秒後に電気伝導度を測定した。その後、再び0.1規定の塩酸を0.5mL添加して、30秒後に電気伝導度を測定した。この操作を、30秒間隔で、粒子状結着材を含む水分散液の電気伝導度が測定開始時の電気伝導度以上になるまで繰り返し行った。
得られた電気伝導度データを、電気伝導度(単位「mS」)を縦軸(Y座標軸)、添加した塩酸の累計量(単位「mmol」)を横軸(X座標軸)としたグラフ上にプロットした。これにより、3つの変曲点を有する塩酸添加量−電気伝導度曲線が得られた。3つの変曲点のX座標を、値が小さい方から順にそれぞれP1、P2およびP3とした。X座標が零から座標P1まで、座標P1から座標P2まで、および、座標P2から座標P3まで、の3つの区分内のデータについて、それぞれ、最小二乗法により近似直線L1、L2およびL3を求めた。近似直線L1と近似直線L2との交点のX座標をA1(mmol)、近似直線L2と近似直線L3との交点のX座標をA2(mmol)とした。
粒子状結着材1g当たりの表面酸量は、下記の式から、塩酸換算した値(mmol/g)として求めた。
粒子状結着材1g当たりの表面酸量=A2−A1
<初期膨らみ>
作製したラミネートセル型のリチウムイオン二次電池を、25℃環境下で5時間静置させた後、25℃環境下で、4.2V、1Cのレートで充電を行った。
その後、充電状態のセルを解体して負極を取り出し、負極(集電体の厚みを除く)の厚み(d1)を測定した。そして、リチウムイオン二次電池の作製前の負極(集電体の厚みを除く)の厚み(d0)に対する変化率(初期膨らみ特性={(d1−d0)/d0}×100(%))を求め、以下の基準により判定した。初期膨らみ特性が小さいほど、初期の負極の膨らみが小さいことを示す。
A:初期膨らみ特性が30%未満
B:初期膨らみ特性が30%以上35%未満
C:初期膨らみ特性が35%以上40%未満
D:初期膨らみ特性が40%以上
<初期サイクル特性>
作製したラミネートセル型のリチウムイオン二次電池を25℃の環境下で5時間静置させた後、25℃の環境下で、4.2V、1Cの充電レート、3.0V、1Cの放電レートにて充放電の操作を行い、初期容量C0を測定した。さらに、45℃の環境下で同様の充放電を繰り返し、20サイクル後の容量C2を測定した。
初期サイクル特性は、ΔCC=(C2/C0)×100(%)で示す容量変化率ΔCCを算出し、以下の基準で評価した。この容量変化率ΔCCの値が高いほど、初期サイクル特性に優れることを示す。
A:ΔCCが93%以上
B:ΔCCが88%以上93%未満
C:ΔCCが83%以上88%未満
D:ΔCCが83%未満
<サイクル特性>
作製したラミネートセル型のリチウムイオン二次電池を25℃の環境下で5時間静置させた後、25℃の環境下で、4.2V、1Cの充電レート、3.0V、1Cの放電レートにて充放電の操作を行い、初期容量C0を測定した。さらに、45℃の環境下で同様の充放電を繰り返し、100サイクル後の容量C3を測定した。
サイクル特性は、ΔC=(C3/C0)×100(%)で示す容量変化率ΔCを算出し、以下の基準で評価した。この容量変化率ΔCの値が高いほど、サイクル特性に優れることを示す。
A:ΔCが86%以上
B:ΔCが80%以上86%未満
C:ΔCが75%以上80%未満
D:ΔCが75%未満
<サイクル後膨らみ>
作製したラミネートセル型のリチウムイオン二次電池を、25℃環境下で5時間静置させた後、4.2V、1Cの充放電レートにて45℃の環境下で100サイクル充放電の操作を行った。
100サイクル終了後、25℃環境下で、1Cにて充電を行い、充電状態のセルを解体して負極を取り出し、負極(集電体の厚みを除く)の厚み(d2)を測定した。そして、リチウムイオン二次電池の作製前の負極(集電体の厚みを除く)の厚み(d0)に対する変化率(サイクル後膨らみ特性={(d2−d0)/d0}×100(%))を求め、以下の基準により判定した。サイクル後膨らみ特性が小さいほど、サイクル後の負極の膨らみが小さいことを示す。
A:サイクル後膨らみ特性が35%未満
B:サイクル後膨らみ特性が35%以上40%未満
C:サイクル後膨らみ特性が40%以上45%未満
D:サイクル後膨らみ特性が45%以上
<レート特性>
作製したラミネートセル型のリチウムイオン二次電池を、25℃環境下で5時間静置させた後、25℃環境下で、4.2V、0.2Cのレートで充電を行い、0.2Cおよび1.5Cのレートで放電を行った。そのとき、各放電レート時の放電容量をC0.2(0.2C時の放電容量)、C1.5(1.5C時の放電容量)と定義し、放電レート特性(=(C1.5/C0.2)×100(%))を求め、以下の基準により判定した。
A:放電レート特性が80%以上
B:放電レート特性が75%以上80%未満
C:放電レート特性が70%以上75%未満
D:放電レート特性が70%未満
<低温レート特性>
作製したラミネート型セルのリチウムイオン二次電池を、25℃の環境下で24時間静置させた後、25℃の環境下で、0.1Cの定電流で5時間の充電の操作を行い、充電後の電圧V0を測定した。その後、−30℃の環境下で、0.5Cの放電レートにて放電の操作を行い、放電開始15秒後の電圧V1を測定した。そして、ΔV=V0−V1で示される電圧変化ΔVを求め、以下の基準により判定した。この電圧変化ΔVの値が小さいほど、低温レート特性に優れることを示す。
A:電圧変化ΔVが1.0V未満
B:電圧変化ΔVが1.0V以上
<負極活物質Aの調製>
ビーズミルを用いて、一酸化ケイ素((株)大阪チタニウムテクノロジー製)100部と、ポリビニルアルコール(東京化成工業(株)試薬グレード)20部とを湿式粉砕し、一酸化ケイ素粒子の表面をコーティングした。その後、混合物を窒素雰囲気化でケーク状に乾燥させた後に、アルゴン雰囲気下、950℃で加熱処理を施し、導電性カーボンのマトリックス中にSiOxが分散した複合化物(カーボンコートSiOx)を得た。そして、得られたカーボンコートSiOxを分級して325メッシュ未満のカーボンコートSiOx(x=1.1)よりなるシリコン系負極活物質Aを作製した。
そして、炭素系負極活物質としての人造黒鉛(比表面積:4m2/g、体積平均粒子径:24.5μm)95部と、5部のシリコン系負極活物質Aとを乾式粉体混合器で混合して、負極活物質Aとした。
<粒子状結着材の調製>
[第1粒子状結着材Aの調製]
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、芳香族ビニル単量体としてスチレン65部、脂肪族共役ジエン単量体として1,3−ブタジエン35部、エチレン性不飽和カルボン酸単量体としてイタコン酸4部、ヒドロキシアルキル基を含有する不飽和単量体として2−ヒドロキシエチルアクリレート1部、分子量調整剤としてt−ドデシルメルカプタン0.3部、乳化剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム5部、イオン交換水150部、および、重合開始剤として過硫酸カリウム1部を入れ、十分に攪拌した後、55℃に加温して重合を開始した。モノマー消費量が95.0%になった時点で冷却し反応を停止した。
得られた共重合体を含んだ水分散体に、5%水酸化ナトリウム水溶液を添加して、pH8に調整した。その後、加熱減圧蒸留によって未反応単量体の除去を行った。さらにその後、30℃以下まで冷却し、スチレン−ブタジエン共重合体を含む水分散体(第1粒子状結着材Aの水分散体)を得た。そして、上記の方法により第1粒子状結着材Aの電解液膨潤度、ガラス転移点およびゲル含有量を測定した。結果を表1に示す。
[第2粒子状結着材Aの調製]
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、シアン化ビニル系単量体としてアクリロニトリル35部、脂肪族共役ジエン単量体として1,3−ブタジエン65部、分子量調整剤としてt−ドデシルメルカプタン0.3部、乳化剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム5部、イオン交換水150部、および、重合開始剤として過硫酸カリウム1部を入れ、十分に攪拌した後、55℃に加温して第1の重合成分の重合を開始した。モノマー消費量が80.0%になった時点で、さらに、芳香族ビニル単量体としてスチレン27部、脂肪族共役ジエン単量体として1,3−ブタジエン15部、シアン化ビニル系単量体としてアクリロニトリル16部、エチレン性不飽和カルボン酸単量体としてアクリル酸1部およびイタコン酸2部、分子量調整剤としてt−ドデシルメルカプタン0.2部、乳化剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム5部、イオン交換水150部、並びに、重合開始剤として過硫酸カリウム1部を予混合してなる水分散体を投入して、第2の重合成分の重合を行い、全投入モノマーの消費量が95.0%になった時点で冷却して反応を停止した。得られた重合体(複合重合体)を含んだ水分散体に、5%水酸化ナトリウム水溶液を添加して、pH8に調整した。その後、加熱減圧蒸留によって未反応単量体の除去を行った。さらにその後、30℃以下まで冷却し、複合重合体を含む水分散体(第2粒子状結着材Aの水分散体)を得た。そして、上記の方法により第2粒子状結着材Aの電解液膨潤度、ガラス転移点およびゲル含有量を測定した。結果を表1に示す。
<リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物の調製>
ディスパー付きのプラネタリーミキサーに、負極活物質Aを100部、水溶性重合体としてカルボキシメチルセルロースの1%水溶液(日本製紙ケミカル株式会社製「MAC800LC」)を固形分相当で1部加えた。そして、これらの混合物をイオン交換水で固形分濃度56%に調整した後、25℃で60分混合した。
次に、混合物の固形分濃度をイオン交換水で52%に調整した後、さらに25℃で15分混合し混合液を得た。
次いで、上記の混合液に、第1粒子状結着材Aと第2粒子状結着材Aとよりなる粒子状結着材(第1粒子状結着材A/第2粒子状結着材A=100/20(質量比))を固形分相当で1.5部添加し、イオン交換水で最終固形分濃度が46%となるように調整して、さらに10分間混合した。これを減圧下で脱泡処理して、負極用スラリー組成物を得た。
<リチウムイオン二次電池用負極の作製>
調製した負極用スラリー組成物を厚さ20μmの銅箔(集電体)の上にコンマコーターで塗付量が11〜12mg/cm2となるように塗布し、乾燥させた。なお、乾燥は、60℃のオーブン内で銅箔を0.5m/分の速度で2分間かけて搬送することにより行った。その後、120℃にて2分間加熱処理して負極原反を得た。
そして、得られた原反をロールプレス機にて密度が1.50〜1.60g/cm3となるようプレスし、負極とした。
<リチウムイオン二次電池用正極の作製>
プラネタリーミキサーに、正極活物質としてLiCoO2100部、導電材としてアセチレンブラック2部(電気化学工業(株)製HS−100)、結着材としてPVDF(ポリフッ化ビニリデン、(株)クレハ化学製KF−1100)2部を投入し、さらに全固形分濃度が67%となるようにN−メチルピロリドンを加えて混合して、正極用スラリー組成物を得た。
そして、得られた正極用スラリー組成物を厚さ20μmのアルミ箔(集電体)の上にコンマコーターで塗布し、乾燥させた。なお、乾燥は、60℃のオーブン内でアルミ箔を0.5m/分の速度で2分間かけて搬送することにより行った。その後、120℃にて2分間加熱処理して正極原反を得た。
得られた正極原反を、ロールプレス機にて密度が3.40〜3.50g/cm3となるようにプレスし、正極を得た。
<リチウムイオン二次電池の作製>
単層のポリプロピレン製セパレータ(幅65mm、長さ500mm、厚さ25μm;乾式法により製造;気孔率55%)を用意し、5×5cm2の正方形に切り抜いた。また、電池の外装として、アルミ包材外装を用意した。
そして、作製した正極を、4×4cm2の正方形に切り出し、集電体側の表面がアルミ包材外装に接するように配置した。次に、正極の正極合材層側の表面上に、正方形のセパレータを配置した。更に、作製した負極を、4.2×4.2cm2の正方形に切り出し、セパレータ上に、負極合材層側の表面がセパレータに向かい合うよう配置した。その後、電解液として濃度1.0MのLiPF6溶液(溶媒はエチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート=3/7(体積比)の混合溶媒、添加剤としてビニレンカーボネート2質量%(溶媒比)を添加)を充填した。更に、アルミ包材外装の開口を密封するために、150℃のヒートシールをしてアルミ包材外装を閉口し、ラミネートセル型のリチウムイオン二次電池を製造した。
作製したリチウムイオン二次電池について、初期膨らみ、初期サイクル特性、サイクル特性、サイクル後膨らみおよびレート特性を評価した。結果を表1に示す。
第1粒子状結着材Aと第2粒子状結着材Aとの配合比を表1に示す比率に変更した粒子状結着材を使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表1に示す。
第1粒子状結着材Aに替えて、スチレン65部、1,3−ブタジエン35部、イタコン酸4部および2−ヒドロキシエチルアクリレート1部に加えて更にシアン化ビニル系単量体としてのアクリロニトリル8部を単量体として用いた以外は第1粒子状結着材Aと同様にして調製した電解液膨潤度が180質量%の第1粒子状結着材Bを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表1に示す。
第1粒子状結着材Aに替えて、t−ドデシルメルカプタンの配合量を0.2部に変更した以外は第1粒子状結着材Aと同様にして調製した電解液膨潤度が120質量%の第1粒子状結着材Cを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表1に示す。
第1粒子状結着材Aに替えて、スチレン65部、1,3−ブタジエン35部、イタコン酸4部および2−ヒドロキシエチルアクリレート1部に加えて更にシアン化ビニル系単量体としてのアクリロニトリル12部を単量体として用いた以外は第1粒子状結着材Aと同様にして調製した電解液膨潤度が200質量%の第1粒子状結着材Dを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表1に示す。
第2粒子状結着材Aに替えて、第2の重合成分の重合時のアクリロニトリルの配合量を20部に変更した以外は第2粒子状結着材Aと同様にして調製した電解液膨潤度が400質量%の第2粒子状結着材Bを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表1に示す。
第2粒子状結着材Aに替えて、第2の重合成分の重合時のアクリロニトリルの配合量を40部に変更した以外は第2粒子状結着材Aと同様にして調製した電解液膨潤度が570質量%の第2粒子状結着材Cを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表1に示す。
第2粒子状結着材Aに替えて、第2の重合成分の重合時のアクリロニトリルの配合量を45部に変更した以外は第2粒子状結着材Aと同様にして調製した電解液膨潤度が600質量%の第2粒子状結着材Dを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表1に示す。
炭素系負極活物質とシリコン系負極活物質Aとの混合比を表1に示す比率とした負極活物質を使用し、粒子状結着材の配合量を表1に示す量とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表1に示す。
第1粒子状結着材Aに替えて、t−ドデシルメルカプタンの配合量を0.6部に変更した以外は第1粒子状結着材Aと同様にして調製したゲル含有量が75質量%の第1粒子状結着材Eを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
第1粒子状結着材Aに替えて、スチレンの配合量を55部とし、1,3−ブタジエンの配合量を45部とした以外は第1粒子状結着材Aと同様にして調製したガラス転移点が−10℃の第1粒子状結着材Fを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
第1粒子状結着材Aに替えて、スチレンの配合量を75部とし、1,3−ブタジエンの配合量を25部とした以外は第1粒子状結着材Aと同様にして調製したガラス転移点が30℃の第1粒子状結着材Gを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
第2粒子状結着材Aに替えて、第1の重合成分の重合時のアクリロニトリル、1,3−ブタジエンの配合量および第2の重合成分の重合時の1,3−ブタジエン、スチレンの配合量を変更して調製した、表2に示すガラス転移点を有する第2粒子状結着材E〜Hを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池をそれぞれ製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
なお、第2粒子状結着材Eでは、第1の重合成分の重合時にアクリロニトリル30部、1,3−ブタジエン70部を使用し、第2の重合成分の重合時に1,3−ブタジエン10部、スチレン33部を使用し、第2粒子状結着材Fでは、第1の重合成分の重合時にアクリロニトリル60部、1,3−ブタジエン40部を使用し、第2の重合成分の重合時に1,3−ブタジエン20部、スチレン22部を使用し、第2粒子状結着材Gでは、第1の重合成分の重合時にアクリロニトリル30部、1,3−ブタジエン70部を使用し、第2の重合成分の重合時に1,3−ブタジエン20部、スチレン22部を使用し、第2粒子状結着材Hでは、第1の重合成分の重合時にアクリロニトリル60部、1,3−ブタジエン40部を使用し、第2の重合成分の重合時に1,3−ブタジエン10部、スチレン33部を使用した。
第2粒子状結着材Aに替えて、第1の重合成分の重合時のt−ドデシルメルカプタンの配合量を0.4部に変更した以外は第2粒子状結着材Aと同様にして調製したゲル含有量が75質量%の第2粒子状結着材Iを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
水溶性重合体としてカルボキシメチルセルロースの1%水溶液(日本製紙ケミカル株式会社製「MAC350HC」)を使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
水溶性重合体としてポリスチレンスルホン酸(東ソー有機化学株式会社製、スルホン酸系ポリマー、PSS)を使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
水溶性重合体として下記の方法で調製した水溶性重合体Aを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
<水溶性重合体Aの調製>
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、エチレン性不飽和カルボン酸単量体としてメタクリル酸30部、フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体として2,2,2−トリフルオロエチルメタクリレート7.5部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてブチルアクリレート60.5部、その他の単量体としてエチレンジメタクリレート(架橋性単量体)0.8部、ポリオキシアルキレンアルケニルエーテル硫酸アンモニウム(反応性界面活性剤単量体、花王製、商品名「ラテムルPD−104」)1.2部、分子量調整剤としてt−ドデシルメルカプタン0.6部、イオン交換水150部、および、重合開始剤として過硫酸カリウム0.5部を入れ、十分に攪拌した後、60℃に加温して重合を開始した。そして、モノマー消費量が96%になった時点で冷却して反応を停止し、水分散型ポリマーを含む混合物を得た。
上記水分散型ポリマーを含む混合物に、10%アンモニア水を添加して、pH8に調整し、所望の水溶性重合体Aを含む水溶液を得た。
水溶性重合体として、カルボキシメチルセルロースの1%水溶液(日本製紙ケミカル株式会社製「MAC800LC」)と水溶性重合体Aとの混合物(MAC800LC/水溶性重合体A=8/2(固形分換算での質量比))を使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
負極活物質として下記の方法で調製した負極活物質Bを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
<負極活物質Bの調製>
ビーズミルを用いて、一酸化ケイ素((株)大阪チタニウムテクノロジー製)100部と、ポリビニルアルコール(東京化成工業(株)試薬グレード)8部とを湿式粉砕し、一酸化ケイ素粒子の表面をコーティングした。その後、混合物を窒素雰囲気化でケーク状に乾燥させた後に、アルゴン雰囲気下、500℃で加熱処理を施し、導電性カーボンのマトリックス中にSiOが分散した複合化物(カーボンコートSiO)を得た。そして、得られたカーボンコートSiOを分級して325メッシュ未満のカーボンコートSiOよりなるシリコン系負極活物質Bを作製した。
そして、炭素系負極活物質としての人造黒鉛(比表面積:4m2/g、体積平均粒子径:24.5μm)95部と、5部のシリコン系負極活物質Bとを乾式粉体混合器で混合して、負極活物質Bとした。
炭素系負極活物質とシリコン系負極活物質Bとの混合比を表2に示す比率とした負極活物質を使用し、粒子状結着材の配合量を表2に示す量とした以外は、実施例28と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
負極活物質として下記の方法で調製した負極活物質Cを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
<負極活物質Cの調製>
ビーズミルを用いて、一酸化ケイ素((株)大阪チタニウムテクノロジー製)98部と、天然黒鉛20部と、ポリビニルアルコール(東京化成工業(株)試薬グレード)2部とを湿式粉砕し、一酸化ケイ素粒子の表面をコーティングした。その後、混合物を窒素雰囲気化でケーク状に乾燥させた後に、アルゴン雰囲気下、120℃で加熱処理を施し、SiO中のSiの一部が導電性カーボンで置換された複合化物(SiO−C)を得た。そして、得られたSiO−Cを分級して325メッシュ未満のSiO−Cよりなるシリコン系負極活物質Cを作製した。
そして、炭素系負極活物質としての人造黒鉛(比表面積:4m2/g、体積平均粒子径:24.5μm)95部と、5部のシリコン系負極活物質Cとを乾式粉体混合器で混合して、負極活物質Cとした。
炭素系負極活物質とシリコン系負極活物質Cとの混合比を表2に示す比率とした負極活物質を使用し、粒子状結着材の配合量を表2に示す量とした以外は、実施例31と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
負極活物質として下記の方法で調製した負極活物質Dを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
<負極活物質Dの調製>
そして、炭素系負極活物質としての人造黒鉛(比表面積:4m2/g、体積平均粒子径:24.5μm)95部と、シリコン系負極活物質DとしてのSi(高純度化学株式会社製、試薬グレード)5部とを乾式粉体混合器で混合して、負極活物質Dとした。
炭素系負極活物質とシリコン系負極活物質Dとの混合比を表2に示す比率とした負極活物質を使用し、粒子状結着材の配合量を表2に示す量とした以外は、実施例34と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表2に示す。
第1粒子状結着材Aと第2粒子状結着材Aとよりなる粒子状結着材(第1粒子状結着材A/第2粒子状結着材A=100/20(質量比))に替えて、第1粒子状結着材Aと、第2粒子状結着材Aと、下記の方法で調製した第3粒子状結着材Aとよりなる粒子状結着材(第1粒子状結着材A/第2粒子状結着材A/第3粒子状結着材A=79.2/12.5/8.3(質量比))を固形分相当で1.5部使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして初期膨らみ、初期サイクル特性、サイクル特性、サイクル後膨らみおよびレート特性を評価した。また、低温レート特性を評価し、実施例1のリチウムイオン二次電池の低温レート特性と比較した。結果を表3に示す。
<第3粒子状結着材Aの製造方法>
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてブチルアクリレート95部、ニトリル基含有単量体としてアクリロニトリル2部、架橋性単量体としてアリルメタクリレート1部、エチレン性不飽和モノカルボン酸単量体としてメタクリル酸2部、乳化剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.4部、イオン交換水150部、および、重合開始剤として過硫酸カリウム0.5部を入れ、十分に攪拌した後、50℃に加温して重合を開始した。重合転化率が96%になった時点で冷却して反応を停止した。得られた共重合体を含んだ水分散体に、5%水酸化ナトリウム水溶液を添加して、pH8に調整した。その後、加熱減圧蒸留によって未反応単量体の除去を行った。さらにその後、30℃以下まで冷却し、共重合体を含む水分散体(第3粒子状結着材Aの水分散液)を得た。そして、上記の方法により第3粒子状結着材Aのガラス転移点および表面酸量を測定した。結果を表3に示す。
第1粒子状結着材A、第2粒子状結着材Aおよび第3粒子状結着材Aの配合比を表3に示す比率に変更した粒子状結着材を使用した以外は、実施例37と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例37と同様にして評価を行った。結果を表3に示す。
第3粒子状結着材Aに替えて、ブチルアクリレート96.7部、アクリロニトリル2部、アリルメタクリレート1部およびメタクリル酸0.3部を単量体として用いた以外は第3粒子状結着材Aと同様にして調製した第3粒子状結着材Bを使用した以外は、実施例38と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例38と同様にして評価を行った。結果を表3に示す。
第3粒子状結着材Aに替えて、ブチルアクリレート93.5部、アクリロニトリル2部、アリルメタクリレート1部およびメタクリル酸3.5部を単量体として用いた以外は第3粒子状結着材Aと同様にして調製した第3粒子状結着材Cを使用した以外は、実施例38と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例38と同様にして評価を行った。結果を表3に示す。
第1粒子状結着材Aに替えて、t−ドデシルメルカプタンの配合量を0.8部に変更した以外は第1粒子状結着材Aと同様にして調製したゲル含有量が60質量%の第1粒子状結着材Hを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表4に示す。
第1粒子状結着材Aに替えて、スチレンの配合量を90部とし、1,3−ブタジエンの配合量を10部とした以外は第1粒子状結着材Aと同様にして調製したガラス転移点が70℃の第1粒子状結着材Iを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表4に示す。
第1粒子状結着材Aに替えて、スチレンの配合量を35部とし、1,3−ブタジエンの配合量を65部とした以外は第1粒子状結着材Aと同様にして調製したガラス転移点が−40℃の第1粒子状結着材Jを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表4に示す。
第1粒子状結着材Aに替えて、スチレン65部、1,3−ブタジエン35部、イタコン酸4部および2−ヒドロキシエチルアクリレート1部に加えて更にシアン化ビニル系単量体としてのアクリロニトリル15部を単量体として用いた以外は第1粒子状結着材Aと同様にして調製した電解液膨潤度が220質量%の第1粒子状結着材Kを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表4に示す。
第2粒子状結着材Aに替えて、第1の重合成分の重合時のアクリロニトリルの配合量を50部に変更した以外は第2粒子状結着材Aと同様にして調製した電解液膨潤度が620質量%の第2粒子状結着材Jを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表4に示す。
第2粒子状結着材Aに替えて、第1の重合成分の重合時のアクリロニトリルの配合量を5部に変更した以外は第2粒子状結着材Aと同様にして調製した電解液膨潤度が150質量%の第2粒子状結着材Kを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表4に示す。
粒子状結着材として第1粒子状結着材Aのみを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表4に示す。
粒子状結着材として第2粒子状結着材Aのみを使用した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表4に示す。
また、表3より、所定の性状を有する第1粒子状結着材および第2粒子状結着材と、第3粒子状結着材と、水溶性重合体とを用いた実施例37〜41においても、初期およびサイクル後の両方において充放電に伴う負極の膨れを抑制することができると共に、リチウムイオン二次電池の電気的特性を向上させることができることが分かる。
一方、表4より、所定の性状を有さない第1粒子状結着材および第2粒子状結着材を使用した比較例1〜6や、第1粒子状結着材と第2粒子状結着材とを併用していない比較例7〜8では、負極の膨れを抑制しつつリチウムイオン二次電池の電気的特性を向上することができないことが分かる。
また、表1〜2の実施例1、5〜10および16〜23より、第1粒子状結着材および第2粒子状結着材の電解液膨潤度、ガラス転移点、ゲル含有量を調整することにより、負極の膨れを十分に抑制しつつリチウムイオン二次電池の電気的特性を十分に向上し得ることが分かる。
更に、表1の実施例1および11〜15より、シリコン系負極活物質の配合量が多くても、負極の膨れを抑制することができることが分かる。また、表1〜2の実施例1および24〜36より、水溶性重合体やシリコン系負極活物質の種類を変更しても、充放電に伴う負極の膨れを抑制することができると共に、リチウムイオン二次電池の電気的特性を向上させることができることが分かる。
また、表3の実施例1および実施例37〜41より、第1粒子状結着材および第2粒子状結着材と、第3粒子状結着材とを併用することで、リチウムイオン二次電池の低温レート特性を向上し得ることが分かる。更に、表3の実施例37〜41より、第1粒子状結着材、第2粒子状結着材および第3粒子状結着材の配合比を調整することで、低温レート特性を向上させつつ、初期およびサイクル後の両方において充放電に伴う負極の膨れを十分に抑制し得ることが分かる。
また、本発明のリチウムイオン二次電池用負極によれば、充放電に伴う膨れを抑制することができると共に、リチウムイオン二次電池の電気的特性を向上させることができる。
そして、本発明のリチウムイオン二次電池によれば、負極の膨れを抑制することができると共に、優れた電気的特性が得られる。
Claims (11)
- 負極活物質と、粒子状結着材と、水溶性重合体と、水とを含み、
前記粒子状結着材が、第1粒子状結着材と、第2粒子状結着材とを含み、
前記第1粒子状結着材は、脂肪族共役ジエン単量体単位および芳香族ビニル単量体単位を有する共重合体(A)を含み、電解液膨潤度が110質量%以上200質量%以下であり、ガラス転移点が−30℃以上60℃以下であり、かつ、ゲル含有量が70質量%以上98質量%以下であり、
前記第2粒子状結着材は、脂肪族共役ジエン単量体単位および芳香族ビニル単量体単位を有する共重合体(B)を含み、電解液膨潤度が250質量%以上600質量%以下であり、かつ、ゲル含有量が70質量%以上98質量%以下である、
リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。 - 前記第2粒子状結着材が、−100℃以上10℃未満の範囲内に少なくとも1つのガラス転移点を有し、かつ、10℃以上100℃以下の範囲内に少なくとも1つのガラス転移点を有する、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
- 固形分換算で、前記第1粒子状結着材100質量部当たり、前記第2粒子状結着材を1質量部以上100質量部以下含む、請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
- 前記粒子状結着材が、第3粒子状結着材を更に含み、
前記第3粒子状結着材は、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を有する共重合体(C)を含み、かつ、表面酸量が0.01mmol/g以上0.10mmol/g以下である、請求項1〜3の何れかに記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。 - 固形分換算で、前記粒子状結着材100質量部当たり、前記第3粒子状結着材を5質量部以上30質量部以下含む、請求項4に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
- 前記負極活物質は、炭素系負極活物質とシリコン系負極活物質とを含む、請求項1〜5の何れかに記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
- 前記炭素系負極活物質100質量部当たり、前記シリコン系負極活物質を1質量部以上100質量部以下含む、請求項6に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
- 前記シリコン系負極活物質は、SiOおよびSiO2の少なくとも一方と、Siとを含有するSiOx(但し、0.01≦x<2)を含む、請求項6または7に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
- 前記シリコン系負極活物質は、Si含有材料と導電性カーボンとの複合化物を含む、請求項6〜8の何れかに記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
- 請求項1〜9の何れかに記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物を集電体上に塗布し、
前記集電体上に塗布された前記リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物を乾燥して集電体上に負極合材層を形成してなる、リチウムイオン二次電池用負極。 - 請求項10に記載のリチウムイオン二次電池用負極を備えるリチウムイオン二次電池。
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