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

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 Download PDF

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Description

本発明は、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に関するものである。
リチウムイオン二次電池は、小型で軽量、且つエネルギー密度が高く、さらに繰り返し充放電が可能という特性があり、幅広い用途に使用されている。そのため、近年では、リチウムイオン二次電池の更なる高性能化を目的として、電極などの電池部材の改良が検討されている。
ここで、リチウムイオン二次電池用の電極は、通常、集電体と、集電体上に形成された電極合材層とを備えている。そして、電極合材層は、例えば、電極活物質およびバインダー(結着材)と、必要に応じて配合される導電材などとを分散媒に分散させてなるスラリー組成物を集電体上に塗布し、乾燥させることにより形成される。そこで、近年では、リチウムイオン二次電池の更なる性能向上を達成すべく、電極合材層の形成に用いられるスラリー組成物に配合する各種材料の改良が試みられている。
そして、例えば、リチウムイオン二次電池用の負極の形成に用いられる負極用スラリー組成物について、結着材を改良することによりリチウムイオン二次電池の性能を向上させることが提案されている。具体的には、例えば特許文献1では、数平均粒子径が80〜120nmであり、ガラス転移点が5〜50℃であり、かつ、トルエンゲル含有量が70%以上である重合体ラテックス(a)と、数平均粒子径が150〜280nmであり、ガラス転移点が−50℃〜0℃であり、かつ、トルエンゲル含有量が70%以上である重合体ラテックス(b)とを含む結着材を用いた負極用スラリー組成物が提案されている。また、例えば特許文献2では、結合スチレン量が20質量%以上70質量%以下のスチレンブタジエン共重合体(a)と、結合スチレン量が80質量%以上100質量%未満のスチレンブタジエン共重合体(b)とを含む結着材を用いた負極用スラリー組成物が提案されている。
特開2010−40228号公報 特開2000−67871号公報
ここで、リチウムイオン二次電池においては、充放電に伴って、負極に含まれる電極活物質(以下「負極活物質」という。)が膨張および収縮することがある。そして、負極活物質の膨張および収縮が繰り返されると、次第に負極が膨らみ、二次電池が変形してサイクル特性などの電気的特性が低下する可能性がある。
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。
また、リチウムイオン二次電池用の負極では、充放電に伴って負極活物質が膨張および収縮する場合であっても負極活物質同士および負極活物質と集電体とを結着材で良好に結着して負極活物質が集電体から脱落するのを防止すると共に、負極を電解液に浸漬した際の電極合材層(負極合材層)内でのリチウムイオンの伝導性を確保することが求められている。即ち、リチウムイオン二次電池用負極には、負極合材層と集電体との密着性を向上させると共に電解液中における負極合材層内のリチウムイオンの伝導性を確保して、サイクル特性やレート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。
しかし、上記従来の負極用スラリー組成物を用いて形成した負極では、充放電に伴う負極の膨れの抑制と、負極合材層と集電体との密着性向上と、負極合材層内のリチウムイオンの伝導性確保との全てを十分に高いレベルで達成することができなった。そのため、上記従来の負極用スラリー組成物を用いて形成した負極および当該負極を用いたリチウムイオン二次電池には、充放電に伴う負極の膨れを抑制すると共に、サイクル特性やレート特性などの電気的特性を更に向上するという点において改善の余地があった。
そこで、本発明は、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リチウムイオン二次電池用負極を提供することを目的とする。また、本発明は、当該リチウムイオン二次電池用負極を形成することができるリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物を提供することを目的とする。
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。
本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を行った。そして、本発明者は、所定の性状を有する第1粒子状結着材と、所定の性状を有する第2粒子状結着材とを結着材として用いることにより、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を新たに見出し、本発明を完成させた。
即ち、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、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、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%以下であることを特徴とする。このように、所定の性状を有する第1粒子状結着材と、所定の性状を有する第2粒子状結着材とを結着材として含むスラリー組成物を用いれば、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リチウムイオン二次電池用負極を形成することができる。また、上述した結着材に加えて水溶性重合体も含むスラリー組成物を用いれば、スラリー組成物を用いて形成したリチウムイオン二次電池用負極の充放電に伴う膨れを更に抑制することができる。
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、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ことが好ましい。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場合、スラリー組成物を用いて形成した負極を使用する際の第2粒子状結着材の弾性を適度な大きさとして、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からである。
また、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、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質量部以下含むことが好ましい。第2粒子状結着材の量を第1粒子状結着材100質量部当たり1質量部以上100質量部以下とすれば、スラリー組成物を用いて形成したリチウムイオン二次電池用負極の充放電に伴う膨れを十分に抑制し、リチウムイオン二次電池のサイクル特性などの電気的特性を十分に向上させることができるからである。
更に、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、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以下であることが好ましい。所定の性状を有する第3粒子状結着材を第1粒子状結着材および第2粒子状結着材と併用すれば、リチウムイオン二次電池の低温出力特性などの電気的特性を向上させることができるからである。
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負極用スラリー組成物は、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質量部以下含むことが好ましい。第3粒子状結着材の量を粒子状結着材100質量部当たり5質量部以上30質量部以下とすれば、リチウムイオン二次電池の低温出力特性などの電気的特性を十分に向上させつつ、第1粒子状結着材および第2粒子状結着材の量を十分に確保して充放電に伴う負極の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することができるからである。
更に、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、前記負極活物質が、炭素系負極活物質とシリコン系負極活物質とを含むことが好ましい。負極活物質が、炭素系負極活物質とシリコン系負極活物質とを含む場合、スラリー組成物を用いて形成したリチウムイオン二次電池用負極を用いたリチウムイオン二次電池を高容量化しつつ、シリコン系負極活物質の使用による負極の膨らみの増大を、第1粒子状結着材および第2粒子状結着材、並びに、水溶性重合体により抑制することができるからである。
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、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質量部以下含むことが好ましい。負極活物質が、炭素系負極活物質100質量部当たりシリコン系負極活物質を1質量部以上100質量部以下含む場合、スラリー組成物を用いて形成したリチウムイオン二次電池用負極を用いたリチウムイオン二次電池を高容量化しつつ、シリコン系負極活物質の使用による負極の膨らみの増大を、第1粒子状結着材および第2粒子状結着材、並びに、水溶性重合体により抑制することができるからである。
また、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、前記シリコン系負極活物質が、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)を含むことが好ましい。シリコン系負極活物質がSiOxを含む場合、充放電時の負極活物質の体積変化の増大を抑制しつつ、スラリー組成物を用いて形成したリチウムイオン二次電池用負極を用いたリチウムイオン二次電池を高容量化することができるからである。
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、前記シリコン系負極活物質が、Si含有材料と導電性カーボンとの複合化物を含むことが好ましい。シリコン系負極活物質がSi含有材料と導電性カーボンとの複合化物を含む場合、充放電時の負極活物質の体積変化の増大を抑制しつつ、スラリー組成物を用いて形成したリチウムイオン二次電池用負極を用いたリチウムイオン二次電池を十分に高容量化することができるからである。
また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、上述したリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物の何れか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ことを特徴とする。このように、上述した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負極合材層を形成すれば、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、当該負極を使用した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、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明のリチウムイオン二次電池は、上述したリチウムイオン二次電池用負極を備えることを特徴とする。上述したリチウムイオン二次電池用負極を使用すれば、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。
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リチウムイオン二次電池用負極を形成することができる。
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。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
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。
(リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物)
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
なお、本発明において、粒子状結着材の「電解液膨潤度」、「ゲル含有量」および「ガラス転移点」は、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。また、本明細書において「単量体単位を含む」とは、「その単量体を用いて得た重合体中に単量体由来の構造単位が含まれている」ことを意味する。
<負極活物質>
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。
炭素系負極活物質とは、リチウムを挿入(「ドープ」ともいう。)可能な、炭素を主骨格とする活物質をいい、炭素系負極活物質としては、例えば炭素質材料と黒鉛質材料とが挙げられる。
炭素質材料は、炭素前駆体を2000℃以下で熱処理して炭素化させることによって得られる、黒鉛化度の低い(即ち、結晶性の低い)材料である。なお、炭素化させる際の熱処理温度の下限は特に限定されないが、例えば500℃以上とすることができる。
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。
黒鉛質材料は、易黒鉛性炭素を2000℃以上で熱処理することによって得られる、黒鉛に近い高い結晶性を有する材料である。なお、熱処理温度の上限は、特に限定されないが、例えば5000℃以下とすることができる。
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。
金属系負極活物質とは、金属を含む活物質であり、通常は、リチウムの挿入が可能な元素を構造に含み、リチウムが挿入された場合の単位質量当たりの理論電気容量が500mAh/g以上である活物質をいう。金属系活物質としては、例えば、リチウム金属、リチウム合金を形成し得る単体金属(例えば、Ag、Al、Ba、Bi、Cu、Ga、Ge、In、Ni、P、Pb、Sb、Si、Sn、Sr、Zn、Ti等)およびその合金、並びに、それらの酸化物、硫化物、窒化物、ケイ化物、炭化物、燐化物等が用いられる。
そして、金属系負極活物質の中でも、ケイ素を含む活物質(シリコン系負極活物質)が好ましい。シリコン系負極活物質を用いることにより、リチウムイオン二次電池を高容量化することができるからである。
シリコン系負極活物質としては、例えば、ケイ素(Si)、ケイ素とコバルト、ニッケル、鉄などとの合金、SiOx、Si含有材料と炭素材料との混合物、Si含有材料を導電性カーボンで被覆または複合化してなるSi含有材料と導電性カーボンとの複合化物などが挙げられる。
ここで、SiOxは、SiOおよびSiO2の少なくとも一方と、Siとを含有する化合物であり、xは、通常、0.01以上2未満である。そして、SiOxは、例えば、一酸化ケイ素(SiO)の不均化反応を利用して形成することができる。具体的には、SiOxは、SiOを、任意にポリビニルアルコールなどのポリマーの存在下で熱処理し、ケイ素と二酸化ケイ素とを生成させることにより、調製することができる。なお、熱処理は、SiOと、任意にポリマーとを粉砕混合した後、不活性ガス雰囲気下で行うことができる。
Si含有材料と炭素材料との混合物としては、ケイ素やSiOxなどのSi含有材料と、炭素質材料や黒鉛質材料などの炭素材料とを、任意にポリビニルアルコールなどのポリマーの存在下で粉砕混合したものが挙げられる。なお、炭素質材料や黒鉛質材料としては、炭素系負極活物質として使用し得る材料を用いることができる。
Si含有材料と導電性カーボンとの複合化物としては、例えば、SiOと、ポリビニルアルコールなどのポリマーと、任意に炭素材料との粉砕混合物を、例えば不活性ガス雰囲気下で熱処理してなる化合物を挙げることができる。ここで、粉砕混合物を熱処理する際の温度が高い場合には、炭化したポリマーや任意成分として配合した炭素材料よりなる導電性カーボンのマトリックス中にSiOの不均化反応により生成したSiOxが分散した複合化物(Si−SiOx−C複合体)が生成する。また、粉砕混合物を熱処理する際の温度が比較的低い場合には、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)が生成する。
ここで、炭素系負極活物質や金属系負極活物質を負極活物質として用いた場合、これらの負極活物質は充放電に伴って膨張および収縮する。そのため、これらの負極活物質を使用した場合には、通常、負極活物質の膨張および収縮の繰り返しに起因して、負極が次第に膨らみ、二次電池が変形してサイクル特性などの電気的特性が低下する可能性がある。特に、シリコン系負極活物質を負極活物質として用いた場合には、リチウムイオン二次電池の使用開始初期の負極の膨らみが大きく、電気的特性が低下する。しかし、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形成した負極では、所定の性状を有する2種類の粒子状結着材を併用し、更に、水溶性重合体を使用しているので、リチウムイオン二次電池の使用開始初期および充放電を繰り返した後の双方において、負極活物質の膨張および収縮に起因した負極の膨らみを抑制し、サイクル特性などの電気的特性を向上することができる。
なお、上記シリコン系負極活物質を用いれば、リチウムイオン二次電池を高容量化することはできるものの、一般に、シリコン系負極活物質は充放電に伴って大きく(例えば5倍程度に)膨張および収縮する。そこで、負極の膨れの発生を十分に抑制しつつリチウムイオン二次電池を高容量化する観点からは、炭素系負極活物質とシリコン系負極活物質との混合物を負極活物質として用いることが好ましい。
ここで、炭素系負極活物質とシリコン系負極活物質との混合物を負極活物質として用いる場合、負極の膨れの発生を十分に抑制しつつリチウムイオン二次電池を十分に高容量化する観点からは、炭素系負極活物質として人造黒鉛を使用することが好ましく、シリコン系負極活物質としてSi、SiOx、Si含有材料と炭素材料との混合物およびSi含有材料と導電性カーボンとの複合化物からなる群より選択される一種以上を用いることが好ましく、シリコン系負極活物質としてSi含有材料と導電性カーボンとの複合化物を用いることが更に好ましく、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(Si−SiOx−C複合体)を用いることが特に好ましい。これらの負極活物質は、比較的大量のリチウムを吸蔵および放出し得る一方で、リチウムを吸蔵および放出した際の体積変化が比較的小さい。従って、これらの負極活物質を用いれば、充放電時の負極活物質の体積変化の増大を抑制しつつ、スラリー組成物を用いて形成したリチウムイオン二次電池用負極を用いたリチウムイオン二次電池を十分に高容量化することができる。
また、炭素系負極活物質とシリコン系負極活物質との混合物を負極活物質として用いる場合、負極の膨れの発生を十分に抑制しつつリチウムイオン二次電池を十分に高容量化する観点からは、負極活物質は、炭素系負極活物質100質量部当たりシリコン系負極活物質を1質量部以上100質量部以下含むことが好ましく、1質量部以上45質量部以下含むことがより好ましく、1質量部以上20質量部以下含むことが更に好ましく、1質量部以上15質量部以下含むことが特に好ましく、1質量部以上6質量部以下含むことが最も好ましい。炭素系負極活物質100質量部当たりのシリコン系負極活物質の量を1質量部以上とすれば、リチウムイオン二次電池を十分に高容量化することができるからである。また、炭素系負極活物質100質量部当たりのシリコン系負極活物質の量を100質量部以下とすれば、負極の膨れの発生を十分に抑制することができるからである。
ここで、負極活物質の粒子径や比表面積は、特に限定されることなく、従来使用されている負極活物質と同様とすることができる。
<粒子状結着材>
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。
そして、本発明のスラリー組成物では、当該スラリー組成物を用いて形成した負極の充放電に伴う膨れを抑制すると共に、当該負極を用いたリチウムイオン二次電池の電気的特性(例えば、サイクル特性や充電受入性など)を向上させるために、粒子状結着材として、以下の第1粒子状結着材と第2粒子状結着材とを併用することを特徴とする。なお、本発明のスラリー組成物は、粒子状結着材として、以下の第1粒子状結着材および第2粒子状結着材以外の第3粒子状結着材を含んでいてもよい。
[第1粒子状結着材]
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。
ここで、本発明のスラリー組成物を用いて負極を形成した際に、第1粒子状結着材は、負極合材層と集電体との密着性や、負極を電解液に浸漬した際の負極合材層内でのリチウムイオンの伝導性を確保しつつ、負極の膨れを抑制する機能を発揮する。
そのため、第1粒子状結着材では、剛性が低くて柔軟な繰り返し単位であり、負極合材層と集電体との密着性を高めることが可能な脂肪族共役ジエン単量体単位と、重合体の電解液への溶解性を低下させて粒子状結着材の安定性を高めることが可能な芳香族ビニル単量体単位とを有する共重合体(A)を用いる。
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。
また、第1粒子状結着材は、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観点から、電解液膨潤度を200質量%以下とし、ガラス転移点を−30℃以上とし、かつ、ゲル含有量を70質量%以上とする。電解液膨潤度、ガラス転移点およびゲル含有量の少なくとも一つが上記範囲を外れた場合には、負極の膨れを抑制することができず、リチウムイオン二次電池の電気的特性が低下する。
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。
更に、第1粒子状結着材では、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する観点から、電解液膨潤度を110質量%以上とする必要がある。電解液膨潤度が上記範囲を外れた場合には、負極合材層内でのリチウムイオンの伝導性を確保することができず、サイクル特性などの電気的特性が低下する。また、第1粒子状結着材では、負極合材層と集電体との密着性を確保しつつ、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観点から、ゲル含有量を98質量%以下とし、かつ、ガラス転移点を60℃以下とする。ゲル含有量が上記範囲を外れた場合には、負極合材層と集電体との密着性が低下してサイクル特性などの電気的特性が低下する。また、ガラス転移点が上記範囲を外れた場合には、極板の割れが発生してサイクル特性などの電気的特性が低下する。
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。
ここで、共重合体(A)の脂肪族共役ジエン単量体単位を形成し得る脂肪族共役ジエン単量体としては、特に限定されることなく、1,3−ブタジエン、2−メチル−1,3−ブタジエン、2,3−ジメチル−1,3ブタジエン、2−クロル−1,3−ブタジエン、置換直鎖共役ペンタジエン類、置換および側鎖共役ヘキサジエン類などが挙げられ、中でも1,3−ブタジエンが好ましい。なお、脂肪族共役ジエン単量体は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。
また、共重合体(A)の芳香族ビニル単量体単位を形成し得る芳香族ビニル単量体としては、特に限定されることなく、スチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン、ジビニルベンゼン等が挙げられ、中でもスチレンが好ましい。なお、芳香族ビニル単量体は、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。
そして、共重合体(A)は、脂肪族共役ジエン単量体単位として1,3−ブタジエン単位を含み、芳香族ビニル単量体単位としてスチレン単位を含むスチレン−ブタジエン共重合体であることが好ましい。
なお、第1粒子状結着材として用いる共重合体(A)は、上述した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以外の単量体単位を有していてもよい。
具体的には、共重合体(A)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に加え、エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位を含むことが好ましい。エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位は、負極活物質および集電体への吸着性を高めるカルボキシル基(−COOH基)を含み、強度が高い繰り返し単位である。従って、エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位を有する共重合体(A)を用いた第1粒子状結着材は、負極合材層からの負極活物質の脱離を安定して防止でき、また、負極の強度を向上させることができる。更に、負極の膨れをより良好に抑制することができる。
エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位を有する共重合体(A)の製造に使用し得るエチレン性不飽和カルボン酸単量体としては、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸などのモノカルボン酸およびジカルボン酸、並びに、その無水物等が挙げられる。中でも、本発明のスラリー組成物の安定性の観点から、エチレン性不飽和カルボン酸単量体としては、アクリル酸、メタクリル酸およびイタコン酸が好ましい。
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。
なお、共重合体(A)において、エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位の含有割合は、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは1質量%以上、特に好ましくは2質量%以上であり、好ましくは10質量%以下、より好ましくは8質量%以下、特に好ましくは7質量%以下である。エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位の含有割合を0.5質量%以上とすることによって、本発明のスラリー組成物の安定性を高めることができる。また、10質量%以下とすることによって、本発明のスラリー組成物の粘度が過度に高くなることを防止して、取り扱い易くすることができる。
また、共重合体(A)は、本発明の効果を著しく損なわない限り、上述した以外にも任意の繰り返し単位を含んでいてもよい。前記の任意の繰り返し単位に対応する単量体としては、例えば、シアン化ビニル系単量体、不飽和カルボン酸アルキルエステル単量体、ヒドロキシアルキル基を含有する不飽和単量体、不飽和カルボン酸アミド単量体等が挙げられる。なお、これらは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。
シアン化ビニル系単量体としては、例えば、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、α−クロロアクリロニトリル、α−エチルアクリロニトリルなどが挙げられる。中でも、アクリロニトリル、メタクリロニトリルが好ましい。なお、これらは、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。
不飽和カルボン酸アルキルエステル単量体としては、例えば、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルアクリレート、エチルメタクリレート、ブチルアクリレート、グリシジルメタクリレート、ジメチルフマレート、ジエチルフマレート、ジメチルマレエート、ジエチルマレエート、ジメチルイタコネート、モノメチルフマレート、モノエチルフマレート、2−エチルヘキシルアクリレート等が挙げられる。中でも、メチルメタクリレートが好ましい。なお、これらは、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。
ヒドロキシアルキル基を含有する不飽和単量体としては、例えば、β−ヒドロキシエチルアクリレート、β−ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート、ヒドロキシブチルアクリレート、ヒドロキシブチルメタクリレート、3−クロロ−2−ヒドロキシプロピルメタクリレート、ジ−(エチレングリコール)マレエート、ジ−(エチレングリコール)イタコネート、2−ヒドロキシエチルマレエート、ビス(2−ヒドロキシエチル)マレエート、2−ヒドロキシエチルメチルフマレートなどが挙げられる。中でも、β−ヒドロキシエチルアクリレートが好ましい。なお、これらは、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。
不飽和カルボン酸アミド単量体としては、例えば、アクリルアミド、メタクリルアミド、N−メチロールアクリルアミド、N−メチロールメタクリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミド等が挙げられる。中でも、アクリルアミド、メタクリルアミドが好ましい。なお、これらは、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。
さらに、共重合体(A)は、例えば、エチレン、プロピレン、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、塩化ビニル、塩化ビニリデン等の通常の乳化重合において使用される単量体を用いて製造してもよい。なお、これらは、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。
そして、共重合体(A)を含む第1粒子状結着材は、例えば、上述した単量体を含む単量体組成物を水系溶媒中で重合することにより製造される。
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。
水系溶媒は、調製された共重合体(A)が粒子状態で分散可能なものであれば格別限定されることはなく、通常、常圧における沸点が通常80℃以上、好ましくは100℃以上であり、通常350℃以下、好ましくは300℃以下の水系溶媒から選ばれる。
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。
重合方法は、特に限定されず、例えば溶液重合法、懸濁重合法、塊状重合法、乳化重合法などのいずれの方法も用いることができる。重合方法としては、例えばイオン重合、ラジカル重合、リビングラジカル重合などいずれの方法も用いることができる。なお、高分子量体が得やすいこと、並びに、重合物がそのまま水に分散した状態で得られるので再分散化の処理が不要であり、そのままスラリー組成物の製造に供することができることなど、製造効率の観点からは、乳化重合法が特に好ましい。なお、乳化重合は、常法に従い行うことができる。
そして、重合に使用される乳化剤、分散剤、重合開始剤、重合助剤、連鎖移動剤などは、一般に用いられるものを使用することができ、その使用量も、一般に使用される量とする。また重合に際しては、シード粒子を採用してシード重合を行ってもよい。また、重合条件も、重合方法および重合開始剤の種類などにより任意に選択することができる。
ここで、上述した重合方法によって得られる共重合体(A)の粒子の水系分散体は、例えばアルカリ金属(例えば、Li、Na、K、Rb、Cs)の水酸化物、アンモニア、無機アンモニウム化合物(例えばNH4Clなど)、有機アミン化合物(例えばエタノールアミン、ジエチルアミンなど)などを含む塩基性水溶液を用いて、pHが通常5〜10、好ましくは5〜9の範囲になるように調整してもよい。なかでも、アルカリ金属水酸化物によるpH調整は、集電体と負極活物質との結着性(ピール強度)を向上させるので、好ましい。
なお、第1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(A)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。
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]
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。
ここで、本発明のスラリー組成物を用いて負極を形成した際に、第2粒子状結着材は、負極合材層と集電体との密着性や、負極の膨れを抑制しつつ、負極を電解液に浸漬した際の負極合材層内でのリチウムイオンの伝導性を確保する機能を発揮する。
そのため、第2粒子状結着材では、第1粒子状結着材と同様に、剛性が低くて柔軟な繰り返し単位であり、負極合材層と集電体との密着性を高めることが可能な脂肪族共役ジエン単量体単位と、重合体の電解液への溶解性を低下させて粒子状結着材の安定性を高めることが可能な芳香族ビニル単量体単位とを有する共重合体(B)を少なくとも用いる。
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。
ここで、第2粒子状結着材は、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する観点から、電解液膨潤度を250質量%以上と大きくする必要がある。電解液膨潤度が上記範囲を外れた場合には、負極合材層内でのリチウムイオンの伝導性を確保することができず、サイクル特性などの電気的特性が低下する。
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。
更に、第2粒子状結着材では、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観点から、電解液膨潤度を600質量%以下とし、かつ、ゲル含有量を70質量%以上とする。電解液膨潤度およびゲル含有量の少なくとも一つが上記範囲を外れた場合には、第1粒子状結着材と併用した場合であっても、負極の膨れを抑制することができず、リチウムイオン二次電池の電気的特性が低下する。また、第2粒子状結着材では、負極合材層と集電体との密着性を確保する観点から、ゲル含有量を98質量%以下とする。ゲル含有量が上記範囲を外れた場合には、負極合材層と集電体との密着性が低下してサイクル特性などの電気的特性が低下する。
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、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、上述した性状を有する第2粒子状結着材は、共重合体(B)のみからなる粒子状結着材であってもよいが、第2粒子状結着材は、好ましくは、共重合体(B)と、共重合体(B)とは異なる1種類以上の重合体とからなる複合重合体よりなる粒子状結着材であることが好ましい。第2粒子状結着材を複合重合体よりなる粒子状結着材とすれば、各重合体の特性を併せ持つ結着材が得られるので、例えば弾性の異なる二つの重合体部分の存在を利用して、第2粒子状結着材を負極活物質の膨張および収縮に良好に追従させることができるからである。
なお、複合重合体は、少なくとも1種類の単量体成分を常法に従い重合した後、引き続き、他の少なくとも1種の単量体成分を常法に従い重合させる方法(二段重合法)などによって容易に製造することができる。そして、複合重合体よりなる粒子は、粒子の内部に互いに異なる重合体部分が存在する異相構造体となる。
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。
具体的には、第2粒子状結着材として用い得る複合重合体は、例えば、少なくとも脂肪族共役ジエン単量体を含む単量体組成物を常法に従い重合させ、引き続き、共重合体(B)を常法に従い重合させることにより、調製することができる。このようにすれば、少なくとも脂肪族共役ジエン単量体を含む単量体組成物を用いて調製された、剛性が低くて柔軟な重合体部分と、当該重合体部分よりも剛性が高くて弾性が大きい、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)よりなる部分とを有する複合重合体を得ることができる。従って、負極活物質の膨張および収縮に対し、剛性が低くて柔軟な重合体部分を利用して良好に追従すると共に、共重合体(B)よりなる部分を利用して負極が膨れるのを抑制することができる。
ここで、少なくとも脂肪族共役ジエン単量体を含む単量体組成物としては、例えば、芳香族ビニル単量体を含まない組成物、或いは、芳香族ビニル単量体の含有量が共重合体(B)の調製に使用する単量体組成物よりも少ない組成物を用いることができる。
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粒子状結着材が上述した複合重合体よりなる場合や、ブロック重合体よりなる場合、第2粒子状結着材がガラス転移点を2つ以上有することがある。その場合、第2粒子状結着材は、−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、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ことが好ましい。上記2つの温度範囲内にガラス転移点を有すれば、リチウムイオン二次電池の負極として使用する際の第2粒子状結着材の弾性を適度な大きさとして、負極の膨れを抑制しつつ、負極合材層と集電体との密着性を確保することができる。その結果、スラリー組成物を用いて形成した負極を使用する際の、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。
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。
ここで、第2粒子状結着材が上述した複合重合体よりなる場合や、ブロック重合体よりなる場合には、第2粒子状結着材の電解液膨潤度、ゲル含有量およびガラス転移点は、複合重合体を構成する各重合体部分の調製条件(例えば、使用する単量体、重合条件など)や、ブロック重合体の調製条件(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、共重合体(A)と同様に適宜調整することができる。具体的には、例えば、共重合体(B)におけるシアン化ビニル系単量体単位の割合を、好ましくは20質量%以上50質量%以下、より好ましくは25質量%以上45質量%以下、特に好ましくは30質量%以上40質量%以下にして、第2粒子状結着材の電解液膨潤度、ゲル含有量およびガラス転移点などを調整することができる。
そして、本発明のスラリー組成物では、上述した第1粒子状結着材および第2粒子状結着材は、個数平均粒子径が、好ましくは50nm以上、より好ましくは70nm以上であり、好ましくは500nm以下、より好ましくは400nm以下である。個数平均粒子径が上記範囲にあることで、得られる負極の強度および柔軟性を良好にできる。なお、個数平均粒子径は、透過型電子顕微鏡法やコールターカウンター、レーザー回折散乱法などによって容易に測定することができる。
また、本発明のスラリー組成物では、粒子状結着材が第1粒子状結着材および第2粒子状結着材からなる場合、第2粒子状結着材を、第1粒子状結着材100質量部(固形分換算)当たり、固形分換算で、1質量部以上含むことが好ましく、5質量部以上含むことがより好ましく、10質量部以上含むことが更に好ましく、15質量部以上含むことが特に好ましく、また、100質量部以下含むことが好ましく、90質量部以下含むことがより好ましく、70質量部以下含むことが更に好ましく、50質量部以下含むことがより一層好ましく、30質量部以下含むことが特に好ましい。第1粒子状結着材100質量部当たりの第2粒子状結着材の量を100質量部超とした場合、第1粒子状結着材の量が少なくなって負極の膨れを十分に抑制できず、サイクル特性などの電気的特性が低下する場合がある。また、第1粒子状結着材100質量部当たりの第2粒子状結着材の量を1質量部未満とした場合には、原因は明らかではないが負極の膨れを十分に抑制できず、サイクル特性などの電気的特性が低下する場合がある。
[第3粒子状結着材]
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。
ここで、第3粒子状結着材としては、上述した共重合体(A)および共重合体(B)を含有しない粒子状結着材(即ち、第1粒子状結着材および第2粒子状結着材に該当しない粒子状結着材)であれば、任意の粒子状結着材を用いることができる。中でも、第3粒子状結着材としては、(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)を含む結着材が好ましく、(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)よりなる結着材がより好ましい。そして、第3粒子状結着材は、表面酸量が0.01mmol/g以上0.10mmol/g以下であることが更に好ましい。
そこで、以下では、第3粒子状結着材の一例として、表面酸量が0.01mmol/g以上0.10mmol/g以下であり、かつ、(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)よりなる結着材について説明する。
そして、本発明のスラリー組成物において、以下に詳細に説明するような共重合体(C)よりなる第3粒子状結着材を使用した場合には、原因は明らかではないが、リチウムイオン二次電池の低温出力特性などの電気的特性を向上させることができる。
ここで、共重合体(C)よりなる第3粒子状結着材は、表面酸量が0.01mmol/g以上0.10mmol/g以下である。そして、第3粒子状結着材の表面酸量は、好ましくは0.02mmol/g以上であり、好ましくは0.097mmol/g以下である。
なお、本発明において、「表面酸量」とは、粒子状結着材の固形分1g当たりの表面酸量を指し、以下の方法で算出することができる。
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
そして、表面酸量は、例えば、共重合体(C)の調製に使用する単量体の種類および割合を変更することにより制御することができる。具体例を挙げると、例えば、エチレン性不飽和カルボン酸単量体などの酸性基含有単量体を使用して共重合体(C)を調製することにより、表面酸量を制御することができる。なお、通常、エチレン性不飽和カルボン酸単量体の使用量を増加させれば、共重合体(C)中のエチレン性不飽和カルボン酸単量体単位の割合が増加し、表面酸量が増加する。
ここで、エチレン性不飽和カルボン酸単量体としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸等のエチレン性不飽和モノカルボン酸単量体が挙げられる。中でも、アクリル酸およびメタクリル酸が好ましい。また、エチレン性不飽和モノ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、共重合体(C)におけるエチレン性不飽和カルボン酸単量体単位の割合は、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.2質量%以上、特に好ましくは0.3質量%以上であり、好ましくは10質量%以下、より好ましくは8質量%以下、特に好ましくは5質量%以下である。
そして、共重合体(C)は、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を含む。ここで、共重合体(C)の(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を形成し得る(メタ)アクリル酸エステル単量体としては、特に限定されることなく、メチルアクリレート、エチルアクリレート、n−プロピルアクリレート、イソプロピルアクリレート、n−ブチルアクリレート、t−ブチルアクリレート、ペンチルアクリレート、ヘキシルアクリレート、ヘプチルアクリレート、オクチルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、ノニルアクリレート、デシルアクリレート、ラウリルアクリレート、n−テトラデシルアクリレート、ステアリルアクリレート等のアクリル酸アルキルエステル、並びに、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、n−プロピルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、n−ブチルメタクリレート、t−ブチルメタクリレート、ペンチルメタクリレート、ヘキシルメタクリレート、ヘプチルメタクリレート、オクチルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、ノニルメタクリレート、デシルメタクリレート、ラウリルメタクリレート、n−テトラデシルメタクリレート、ステアリルメタクリレート等のメタクリル酸アルキルエステルなどが挙げられる。これらの中でも、アクリル酸アルキルエステルが好ましく、エチルアクリレート、n−ブチルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレートがより好ましい。(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、共重合体(C)における(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の割合は、好ましくは80質量%以上、より好ましくは85質量%以上であり、また、好ましくは99質量%以下、より好ましくは98質量%以下である。
そして、共重合体(C)は、上述した(メタ)アクリル酸エステル単量体単位やエチレン性不飽和カルボン酸単量体単位に加え、任意に、ニトリル基含有単量体単位、架橋性単量体単位およびその他任意の単量体単位を含み得る。
ここで、ニトリル基含有単量体単位を形成し得るニトリル基含有単量体としては、例えば不飽和ニトリル単量体が挙げられ、中でもα,β−エチレン性不飽和ニトリル単量体が好ましい。また、ニトリル基含有単量体の炭素原子数は、3以上18以下が好ましい。ニトリル基含有単量体の具体例を挙げると、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、α−クロロアクリロニトリル等が挙げられ、中でもアクリロニトリルが好ましい。ニトリル基含有単量体は、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。
そして、共重合体(C)におけるニトリル基含有単量体単位の割合は、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.2質量%以上であり、好ましくは10質量%以下、より好ましくは5質量%以下である。
また、架橋性単量体単位を形成し得る架橋性単量体としては、通常、熱架橋性を有する単量体が挙げられる。より具体的には、架橋性単量体としては、熱架橋性の架橋性基および1分子あたり1つのオレフィン性二重結合を有する単官能性単量体、並びに、1分子あたり2つ以上のオレフィン性二重結合を有する多官能性単量体が挙げられる。
熱架橋性の架橋性基の例としては、エポキシ基、N−メチロールアミド基、オキセタニル基、オキサゾリン基、および、これらの組み合わせが挙げられる。これらの中でも、エポキシ基が、架橋および架橋密度の調節が容易な点でより好ましい。
熱架橋性の架橋性基としてエポキシ基を有し、かつ、オレフィン性二重結合を有する架橋性単量体の例としては、ビニルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、ブテニルグリシジルエーテル、o−アリルフェニルグリシジルエーテル等の不飽和グリシジルエーテル;ブタジエンモノエポキシド、クロロプレンモノエポキシド、4,5−エポキシ−2−ペンテン、3,4−エポキシ−1−ビニルシクロヘキセン、1,2−エポキシ−5,9−シクロドデカジエン等のジエンまたはポリエンのモノエポキシド;3,4−エポキシ−1−ブテン、1,2−エポキシ−5−ヘキセン、1,2−エポキシ−9−デセン等のアルケニルエポキシド;並びにグリシジルアクリレート、グリシジルメタクリレート、グリシジルクロトネート、グリシジル−4−ヘプテノエート、グリシジルソルベート、グリシジルリノレート、グリシジル−4−メチル−3−ペンテノエート、3−シクロヘキセンカルボン酸のグリシジルエステル、4−メチル−3−シクロヘキセンカルボン酸のグリシジルエステル等の不飽和カルボン酸のグリシジルエステル類;などが挙げられる。
熱架橋性の架橋性基としてN−メチロールアミド基を有し、かつオレフィン性二重結合を有する架橋性単量体の例としては、N−メチロール(メタ)アクリルアミド等のメチロール基を有する(メタ)アクリルアミド類などが挙げられる。
熱架橋性の架橋性基としてオキセタニル基を有し、かつオレフィン性二重結合を有する架橋性単量体の例としては、3−((メタ)アクリロイルオキシメチル)オキセタン、3−((メタ)アクリロイルオキシメチル)−2−トリフロロメチルオキセタン、3−((メタ)アクリロイルオキシメチル)−2−フェニルオキセタン、2−((メタ)アクリロイルオキシメチル)オキセタン、および、2−((メタ)アクリロイルオキシメチル)−4−トリフロロメチルオキセタンなどが挙げられる。
熱架橋性の架橋性基としてオキサゾリン基を有し、かつオレフィン性二重結合を有する架橋性単量体の例としては、2−ビニル−2−オキサゾリン、2−ビニル−4−メチル−2−オキサゾリン、2−ビニル−5−メチル−2−オキサゾリン、2−イソプロペニル−2−オキサゾリン、2−イソプロペニル−4−メチル−2−オキサゾリン、2−イソプロペニル−5−メチル−2−オキサゾリン、および、2−イソプロペニル−5−エチル−2−オキサゾリンなどが挙げられる。
2つ以上のオレフィン性二重結合を有する多官能性単量体の例としては、アリル(メタ)アクリレート、エチレンジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、テトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパン−トリ(メタ)アクリレート、ジプロピレングリコールジアリルエーテル、ポリグリコールジアリルエーテル、トリエチレングリコールジビニルエーテル、ヒドロキノンジアリルエーテル、テトラアリルオキシエタン、トリメチロールプロパン−ジアリルエーテル、前記以外の多官能性アルコールのアリルまたはビニルエーテル、トリアリルアミン、メチレンビスアクリルアミド、および、ジビニルベンゼンなどが挙げられる。
中でも特に、架橋性単量体としては、熱架橋性の架橋性基としてエポキシ基を有し、かつオレフィン性二重結合を有する架橋性単量体、2つ以上のオレフィン性二重結合を有する多官能性単量体が好ましく、アリルメタクリレート、エチレンジメタクリレート、アリルグリシジルエーテル、および、グリシジルメタクリレートが特に好ましい。
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。
共重合体(C)において、架橋性単量体単位の割合は、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.2質量%以上であり、好ましくは2質量%以下、より好ましくは1.5質量%以下である。
任意の単量体単位の例としては、下記の任意の単量体を重合して得られる単量体単位が挙げられる。また、任意の単量体は、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。
共重合体(C)における任意の単量体単位の割合は、好ましくは0質量%以上30質量%以下、より好ましくは0質量%以上25質量%以下である。
そして、上述した共重合体(C)よりなる第3粒子状結着材は、例えば、上述した共重合体(A)と同様に、単量体を含む単量体組成物を水系溶媒中で重合することにより製造することができる。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(C)における繰り返し単位の含有割合と同様にする。
なお、共重合体(C)を含む第3粒子状結着材のガラス転移点は、好ましくは−75℃以上、より好ましくは−55℃以上、特に好ましくは−38℃以上であり、好ましくは20℃以下、より好ましくは15℃以下である。
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。
そして、本発明のスラリー組成物では、上述した第3粒子状結着材は、個数平均粒子径が、好ましくは50nm以上、より好ましくは70nm以上であり、好ましくは500nm以下、より好ましくは400nm以下である。なお、個数平均粒子径は、透過型電子顕微鏡法やコールターカウンター、レーザー回折散乱法などによって容易に測定することができる。
また、本発明のスラリー組成物では、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、第3粒子状結着材を、粒子状結着材100質量部(固形分換算)当たり、固形分換算で、5質量部以上30質量部以下含むことが好ましい。第3粒子状結着材の量を粒子状結着材100部当たり5質量部以上とすれば、リチウムイオン二次電池の低温出力特性などの電気的特性を十分に向上させることができるからである。一方で、第3粒子状結着材の量を粒子状結着材100部当たり30質量部以下とすれば、粒子状結着材中で第1粒子状結着材および第2粒子状結着材が占める割合を十分に確保して、第1粒子状結着材および第2粒子状結着材により、充放電に伴う負極の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することができるからである。
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。
そして、本発明のスラリー組成物では、第1粒子状結着材と、第2粒子状結着材と、任意に第3粒子状結着材とを含む粒子状結着材の含有量は、負極活物質100質量部当たり、好ましくは0.5質量部以上、より好ましくは0.8質量部以上であり、好ましくは10質量部以下、より好ましくは3質量部以下である。負極活物質100質量部当たりの粒子状結着材の含有量を0.5質量部以上とすることにより、負極合材層と集電体との密着性を十分に確保することができる。また、粒子状結着材の含有量を10質量部以下とすることにより、スラリー組成物を用いて形成した負極を使用したリチウムイオン二次電池の内部抵抗が増加するのを抑制して、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。
<水溶性重合体>
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。
ここで、上記水溶性重合体としては、特に限定されることなく、セルロース系ポリマー、酸性基含有単量体単位を有するポリマー、或いは、それらの混合物を挙げることができる。
セルロース系ポリマーとしては、例えば、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなどが挙げられる。これらの中でも、スラリー組成物の安定性を高める観点から、カルボキシメチルセルロースが好ましい。
酸性基含有単量体単位を有するポリマーとしては、ポリスチレンスルホン酸などのスルホン酸系ポリマーや、エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位と、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位と、フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体単位とを含むポリマーなどが挙げられる。
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。
エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位を形成し得るエチレン性不飽和カルボン酸単量体としては、例えば、エチレン性不飽和モノカルボン酸およびその誘導体、エチレン性不飽和ジカルボン酸およびその酸無水物並びにそれらの誘導体などが挙げられる。エチレン性不飽和モノカルボン酸の例としては、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸などが挙げられる。エチレン性不飽和モノカルボン酸の誘導体の例としては、2−エチルアクリル酸、イソクロトン酸、α−アセトキシアクリル酸、β−trans−アリールオキシアクリル酸、α−クロロ−β−E−メトキシアクリル酸、β−ジアミノアクリル酸などが挙げられる。エチレン性不飽和ジカルボン酸の例としては、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸などが挙げられる。エチレン性不飽和ジカルボン酸の酸無水物の例としては、無水マレイン酸、アクリル酸無水物、メチル無水マレイン酸、ジメチル無水マレイン酸などが挙げられる。エチレン性不飽和ジカルボン酸の誘導体の例としては、メチルマレイン酸、ジメチルマレイン酸、フェニルマレイン酸、クロロマレイン酸、ジクロロマレイン酸、フルオロマレイン酸等のマレイン酸メチルアリル;マレイン酸ジフェニル、マレイン酸ノニル、マレイン酸デシル、マレイン酸ドデシル、マレイン酸オクタデシル、マレイン酸フルオロアルキル等のマレイン酸エステルなどが挙げられる。これらの中でも、アクリル酸、メタクリル酸等のエチレン性不飽和モノカルボン酸が好ましい。得られるポリマーの水に対する分散性をより高めることができるからである。
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。
ここで、エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位の含有割合は、好ましくは15質量%以上、より好ましくは20質量%以上、特に好ましくは25質量%以上であり、好ましくは50質量%以下、より好ましくは45質量%以下、特に好ましくは40質量%以下である。エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位の量を15質量%以上とすることによりポリマーの負極活物質への吸着性を高めて負極活物質の分散性および集電体への密着性を高めることができる。また、50質量%以下とすることによりポリマーの柔軟性を高めることができるので、負極の柔軟性を向上させて負極が欠けたり割れたりすることを防止して、耐久性を向上させることができる。
(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を形成し得る(メタ)アクリル酸エステル単量体としては、例えば、メチルアクリレート、エチルアクリレート、n−プロピルアクリレート、イソプロピルアクリレート、n−ブチルアクリレート、t−ブチルアクリレート、ペンチルアクリレート、ヘキシルアクリレート、ヘプチルアクリレート、オクチルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、ノニルアクリレート、デシルアクリレート、ラウリルアクリレート、n−テトラデシルアクリレート、ステアリルアクリレート等のアクリル酸アルキルエステル;メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、n−プロピルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、n−ブチルメタクリレート、t−ブチルメタクリレート、ペンチルメタクリレート、ヘキシルメタクリレート、ヘプチルメタクリレート、オクチルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、ノニルメタクリレート、デシルメタクリレート、ラウリルメタクリレート、n−テトラデシルメタクリレート、ステアリルメタクリレート等のメタクリル酸アルキルエステルなどが挙げられる。
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。
(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の含有割合は、好ましくは30質量%以上、より好ましくは35質量%以上、特に好ましくは40質量%以上であり、また、好ましくは70質量%以下である。(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の含有割合を30質量%以上とすることにより負極活物質の集電体への密着性を高くすることができ、70質量%以下とすることにより負極の柔軟性を高めることができる。
フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を形成し得るフッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体としては、例えば、下記式:
Figure 0006197866
[式中、R1は、水素原子またはメチル基を表し、R2は、フッ素原子を含有する炭化水素基を表す。]で表される単量体が挙げられる。なお、炭化水素基の炭素数は、通常1以上であり、通常18以下である。また、R2が含有するフッ素原子の数は、1個でもよく、2個以上でもよい。
上記式で表されるフッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体の例を挙げると、(メタ)アクリル酸フッ化アルキル、(メタ)アクリル酸フッ化アリール、(メタ)アクリル酸フッ化アラルキルなどが挙げられる。なかでも(メタ)アクリル酸フッ化アルキルが好ましい。このような単量体の具体例としては、(メタ)アクリル酸トリフルオロメチル、(メタ)アクリル酸2,2,2−トリフルオロエチル、(メタ)アクリル酸β−(パーフルオロオクチル)エチル、(メタ)アクリル酸2,2,3,3−テトラフルオロプロピル、(メタ)アクリル酸2,2,3,4,4,4−ヘキサフルオロブチル、(メタ)アクリル酸1H,1H,9H−パーフルオロ−1−ノニル、(メタ)アクリル酸1H,1H,11H−パーフルオロウンデシル、(メタ)アクリル酸パーフルオロオクチル、(メタ)アクリル酸3[4〔1−トリフルオロメチル−2、2−ビス〔ビス(トリフルオロメチル)フルオロメチル〕エチニルオキシ〕ベンゾオキシ]2−ヒドロキシプロピル等の(メタ)アクリル酸パーフルオロアルキルエステルなどが挙げられる。
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。
フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の含有割合は、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは1質量%以上であり、好ましくは10質量%以下、より好ましくは5質量%以下である。フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の含有割合を0.5質量%以上とすることにより二次電池の低温出力特性を改善できる。また、10質量%以下とすることによりポリマーが過度に柔らかくなって負極の耐久性が低下することを防止できる。
なお、エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位と、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位と、フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体単位とを含むポリマーは、本発明の効果を著しく損なわない限り、上述したエチレン性不飽和カルボン酸単量体単位、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位およびフッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体単位以外の繰り返し単位を含んでいてもよい。このような繰り返し単位を形成し得る単量体は、エチレン性不飽和カルボン酸単量体、(メタ)アクリル酸エステル単量体またはフッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体と共重合可能な単量体である。
前記の共重合可能な単量体としては、例えば、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート等の、2つ以上の炭素−炭素二重結合を有するカルボン酸エステル単量体;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、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、ジビニルベンゼン等のスチレン系単量体;アクリルアミド、N−メチロールアクリルアミド、アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸等のアミド系単量体;アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のシアン化ビニル系単量体;エチレン、プロピレン等のオレフィン類単量体;塩化ビニル、塩化ビニリデン等のハロゲン原子含有単量体;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、安息香酸ビニル等のビニルエステル類単量体;メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、ブチルビエルエーテル等のビニルエーテル類単量体;メチルビニルケトン、エチルビニルケトン、ブチルビニルケトン、ヘキシルビニルケトン、イソプロペニルビニルケトン等のビニルケトン類単量体;N−ビニルピロリドン、ビニルピリジン、ビニルイミダゾール等の複素環含有ビニル化合物単量体などが挙げられる。
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。
エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位およびフッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体単位以外の繰り返し単位の含有割合は、好ましくは0質量%以上10質量%以下、より好ましくは0質量%以上5質量%以下である。
なお、エチレン性不飽和カルボン酸単量体単位と、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位と、フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体単位とを含むポリマーの製造方法としては、例えば、上述したエチレン性不飽和カルボン酸単量体、(メタ)アクリル酸エステル単量体およびフッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体を含む単量体組成物を、水系溶媒中で重合する方法が挙げられる。水系溶媒および重合方法は、例えば、共重合体(A)の製造と同様のものを用いることができる。これにより、通常は水系溶媒にポリマーが溶解した水溶液が得られる。こうして得られた水溶液からポリマーを取り出してもよいが、通常は、水系溶媒に溶解した状態のポリマーを用いてスラリー組成物を製造し、そのスラリー組成物を用いて負極を製造する。
なお、上記ポリマーを水系溶媒中に含む前記の水溶液は通常は酸性であるので、必要に応じて、pH7〜pH13にアルカリ化してもよい。これにより水溶液の取り扱い性を向上させることができ、また、スラリー組成物の塗工性を改善することができる。pH7〜pH13にアルカリ化する方法としては、例えば、水酸化リチウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液等のアルカリ金属水溶液;水酸化カルシウム水溶液、水酸化マグネシウム水溶液等のアルカリ土類金属水溶液;アンモニア水溶液などのアルカリ水溶液を混合する方法が挙げられる。なお、前記のアルカリ水溶液は、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。
そして、上述したようなセルロース系ポリマーや、酸性基含有単量体単位を有するポリマーなどの水溶性重合体は、スラリー組成物中に、負極活物質100質量部当たり0.05質量部以上の割合で含まれていることが好ましく、0.08質量部以上の割合で含まれていることが更に好ましく、10質量部以下の割合で含まれていることが好ましく、3質量部以下の割合で含まれていることが更に好ましい。水溶性重合体の含有量が負極活物質100質量部当たり0.05質量部以上であれば、負極の膨れを十分に抑制しつつ、負極合材層と集電体との密着性を向上することができるからである。また、水溶性重合体の含有量が負極活物質100質量部当たり10質量部以下であれば、スラリー組成物を用いて形成した負極を使用したリチウムイオン二次電池の内部抵抗が増加するのを抑制して、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。
<その他の成分>
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。
<スラリー組成物の調製>
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。
(リチウムイオン二次電池用負極)
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。
そして、本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、負極合材層が、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、水溶性重合体とを含んでいるので、充放電に伴う膨れを抑制することができると共に、充電受入性やサイクル特性などの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。
なお、本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、例えば、上述した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工程(塗布工程)と、集電体上に塗布された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する工程(乾燥工程)とを経て製造される。
[塗布工程]
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。
ここで、スラリー組成物を塗布する集電体としては、電気導電性を有し、かつ、電気化学的に耐久性のある材料が用いられる。具体的には、集電体としては、例えば、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、タンタル、金、白金などからなる集電体を用い得る。中でも、負極に用いる集電体としては銅箔が特に好ましい。なお、前記の材料は、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。
[乾燥工程]
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。
なお、乾燥工程の後、金型プレスまたはロールプレスなどを用い、負極合材層に加圧処理を施してもよい。加圧処理により、負極合材層と集電体との密着性を向上させることができる。
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。
(リチウムイオン二次電池)
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。
<正極>
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>
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>
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。
<リチウムイオン二次電池の製造方法>
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。
以下、本発明について実施例に基づき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。なお、以下の説明において、量を表す「%」及び「部」は、特に断らない限り、質量基準である。
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。
<電解液膨潤度>
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
(実施例1)
<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。
(実施例2〜4)
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。
(実施例5)
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。
(実施例6)
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。
(実施例7)
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。
(実施例8)
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。
(実施例9)
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。
(実施例10)
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。
(実施例11〜15)
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。
(実施例16)
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。
(実施例17)
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。
(実施例18)
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。
(実施例19〜22)
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。
(実施例23)
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。
(実施例24)
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。
(実施例25)
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。
(実施例26)
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。
(実施例27)
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。
(実施例28)
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。
(実施例29〜30)
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。
(実施例31)
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。
(実施例32〜33)
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。
(実施例34)
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。
(実施例35〜36)
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。
(実施例37)
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。
(実施例38〜39)
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。
(実施例40)
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。
(実施例41)
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。
(比較例1)
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。
(比較例2)
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。
(比較例3)
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。
(比較例4)
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。
(比較例5)
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。
(比較例6)
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。
(比較例7)
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。
(比較例8)
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。
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表1〜2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、水溶性重合体とを用いた実施例1〜36では、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。
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。
特に、表1の実施例1〜4より、第1粒子状結着材と第2粒子状結着材との配合比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。
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。
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リチウムイオン二次電池用負極を形成することができる。
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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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