JP7786206B2 - 非水系二次電池用バインダー組成物およびその製造方法、非水系二次電池電極用スラリー組成物、非水系二次電池用電極、並びに非水系二次電池 - Google Patents
非水系二次電池用バインダー組成物およびその製造方法、非水系二次電池電極用スラリー組成物、非水系二次電池用電極、並びに非水系二次電池Info
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Description
例えば特許文献1では、芳香族ビニル単量体単位からなるブロック領域を有し、且つ、テトラヒドロフラン不溶分量が5質量%以上40質量%以下である重合体よりなる粒子状重合体を含むバインダー組成物が開示されている。そして、特許文献1によれば、当該バインダー組成物に、親水性基を有し、且つ、重量平均分子量が15,000以上500,000以下である水溶性重合体を更に含めることで、スラリー組成物の安定性を向上させることができる。
また、本発明は、耐湿性に優れた非水系二次電池用電極を形成可能な非水系二次電池電極用スラリー組成物を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、耐湿性に優れた非水系二次電池用電極、および、当該非水系二次電池用電極を備える非水系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、重合体の「単量体単位」とは、「その単量体を用いて得た重合体中に含まれる、当該単量体由来の繰り返し単位」を意味する。
また、本発明において、バインダー組成物に含まれる酸性基含有水溶性重合体の重量平均分子量は、本明細書の実施例に記載の方法を用いて測定することができる。
なお、本発明において、バインダー組成物の固形分濃度40質量%、pH8.0における粘度は、本明細書の実施例に記載の方法を用いて測定することができる。
なお、本発明において、電導度滴定法によるバインダー組成物の酸量は、本明細書の実施例に記載の方法を用いて測定することができる。
また、本発明によれば、耐湿性に優れた非水系二次電池用電極を形成可能な非水系二次電池電極用スラリー組成物を提供することができる。
さらに、本発明によれば、耐湿性に優れた非水系二次電池用電極、および、当該非水系二次電池用電極を備える非水系二次電池を提供することができる。
ここで、本発明の非水系二次電池用バインダー組成物は、非水系二次電池の製造用途に用いられるものであり、特に、非水系二次電池の電極の製造用途に好適に用いることができる。例えば、本発明の非水系二次電池用バインダー組成物は、本発明の非水系二次電池電極用スラリー組成物の調製に用いることができる。そして、本発明のバインダー組成物を用いて調製したスラリー組成物は、リチウムイオン二次電池等の非水系二次電池の電極を製造する際に用いることができる。更に、本発明の非水系二次電池は、本発明のスラリー組成物を用いて形成した本発明の非水系二次電池用電極を用いたことを特徴とする。
なお、本発明の非水系二次電池用バインダー組成物、非水系二次電池電極用スラリー組成物および非水系二次電池用電極は、負極用であることが好ましく、本発明の非水系二次電池は、本発明の非水系二次電池用電極を負極として用いたものであることが好ましい。
本発明の非水系二次電池用バインダー組成物は、粒子状重合体、および酸性基含有水溶性重合体を含み、任意に、バインダー組成物に配合され得るその他の成分を更に含有する。また、本発明の非水系二次電池用バインダー組成物は、通常、水などの分散媒を更に含有する。
そして、本発明のバインダー組成物は、粒子状重合体が、芳香族ビニル単量体単位からなる芳香族ビニルブロック領域と、脂肪族共役ジエン単量体単位からなる脂肪族共役ジエンブロック領域とを含有するブロック共重合体を含むコア粒子に対し、酸性基含有単量体および/またはマクロモノマーをグラフト重合反応させてなるグラフト重合体よりなり、且つ、酸性基含有水溶性重合体の重量平均分子量が200,000以下であるため、耐湿性に優れた非水系二次電池用電極を形成可能である。
粒子状重合体は、結着材として機能する成分であり、例えば、バインダー組成物を含むスラリー組成物を用いて電極合材層を形成した場合に、電極活物質などの成分が電極合材層から脱離しないように保持することができる。
粒子状重合体を形成するグラフト重合体は、芳香族ビニル単量体単位からなる芳香族ビニルブロック領域と、脂肪族共役ジエン単量体単位からなる脂肪族共役ジエンブロック領域とを含有するブロック共重合体を含むコア粒子に対し、酸性基含有単量体および/またはマクロモノマーをグラフト重合反応させて酸性グラフト鎖を設けてなる。
コア粒子を構成するブロック共重合体は、芳香族ビニル単量体単位からなる芳香族ビニルブロック領域と、脂肪族共役ジエン単量体単位からなる脂肪族共役ジエンブロック領域とを含有し、任意に、芳香族ビニル単量体単位および脂肪族共役ジエン単量体単位以外の繰り返し単位が連なった高分子鎖部分(以下、「その他の領域」と略記する場合がある。)を更に含有する。そして、コア粒子には、後に詳細に説明するヒンダードフェノール系酸化防止剤およびホスファイト系酸化防止剤の少なくとも一方が含まれていてもよい。
なお、ブロック共重合体は、芳香族ビニルブロック領域を1つのみ有していてもよく、複数有していてもよい。同様に、ブロック共重合体は、脂肪族共役ジエンブロック領域を1つのみ有していてもよく、複数有していてもよい。さらに、ブロック共重合体は、その他の領域を1つのみ有していてもよく、複数有していてもよい。なお、ブロック共重合体は、芳香族ビニルブロック領域および脂肪族共役ジエンブロック領域のみを有することが好ましい。
芳香族ビニルブロック領域は、上述したように、繰り返し単位として、芳香族ビニル単量体単位のみを含む領域である。
ここで、1つの芳香族ビニルブロック領域は、1種の芳香族ビニル単量体単位のみで構成されていてもよいし、複数種の芳香族ビニル単量体単位で構成されていてもよいが、1種の芳香族ビニル単量体単位のみで構成されていることが好ましい。
また、1つの芳香族ビニルブロック領域には、カップリング部位が含まれていてもよい(すなわち、1つの芳香族ビニルブロック領域を構成する芳香族ビニル単量体単位は、カップリング部位が介在して連なっていてもよい)。
そして、重合体が複数の芳香族ビニルブロック領域を有する場合、それら複数の芳香族ビニルブロック領域を構成する芳香族ビニル単量体単位の種類および割合は、同一でも異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。
なお、芳香族ビニル単量体単位がブロック共重合体中に占める割合は、通常、芳香族ビニルブロック領域がブロック共重合体中に占める割合と一致する。
脂肪族共役ジエンブロック領域は、繰り返し単位として、脂肪族共役ジエン単量体単位を含む領域である。
なお、架橋は、ジビニルベンゼン等のポリビニル化合物;ジアリルフタレート、トリアリルトリメリテート、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート等のポリアリル化合物;エチレングリコールジアクリレート等の各種グリコール;などの架橋剤の存在下で行ってもよい。また、架橋は、γ線などの活性エネルギー線の照射を用いて行うこともできる。
なお、脂肪族共役ジエン単量体単位、脂肪族共役ジエン単量体単位を架橋してなる構造単位および脂肪族共役ジエン水素化物単位がブロック共重合体中に占める割合は、通常、脂肪族共役ジエンブロック領域がブロック共重合体中に占める割合と一致する。
その他の領域は、上述したように、繰り返し単位として、芳香族ビニル単量体単位および脂肪族共役ジエン単量体単位以外の繰り返し単位(以下、「その他の繰り返し単位」と略記する場合がある。)のみを含む領域である。
ここで、1つのその他の領域は、1種のその他の繰り返し単位で構成されていてもよいし、複数種のその他の繰り返し単位で構成されていてもよい。
また、1つのその他の領域には、カップリング部位が含まれていてもよい(すなわち、1つのその他の領域を構成するその他の繰り返し単位は、カップリング部位が介在して連なっていてもよい)。
そして、重合体が複数のその他の領域を有する場合、それら複数のその他の領域を構成するその他の繰り返し単位の種類および割合は、互いに同一でも異なっていてもよい。
上述したブロック共重合体を含むコア粒子は、例えば、有機溶媒中で上述した芳香族ビニル単量体や脂肪族共役ジエン単量体などの単量体をブロック重合して芳香族ビニルブロック領域および脂肪族共役ジエンブロック領域を有するブロック共重合体の溶液を得る工程(ブロック共重合体溶液調製工程)と、得られたブロック共重合体の溶液に水を添加して乳化することでブロック共重合体を粒子化する工程(乳化工程)とを経て調製することができる。
ブロック共重合体溶液調製工程におけるブロック重合の方法は、特に限定されない。例えば、第一の単量体成分を重合させた溶液に、第一の単量体成分とは異なる第二の単量体成分を加えて重合を行い、必要に応じて、単量体成分の添加と重合とを更に繰り返すことより、ブロック共重合体を調製することができる。なお、反応溶媒として使用される有機溶媒も特に限定されず、単量体の種類等に応じて適宜選択することができる。
ここで、上記のようにブロック重合して得られたブロック共重合体を、後述する乳化工程に先んじて、カップリング剤を用いたカップリング反応に供することが好ましい。カップリング反応を行えば、例えば、ブロック共重合体中に含まれるジブロック構造体同士の末端をカップリング剤により結合させて、トリブロック構造体に変換することができる(すなわち、ジブロック量を低減することができる)。
2官能のカップリング剤としては、例えば、ジクロロシラン、モノメチルジクロロシラン、ジクロロジメチルシラン等の2官能性ハロゲン化シラン;ジクロロエタン、ジブロモエタン、メチレンクロライド、ジブロモメタン等の2官能性ハロゲン化アルカン;ジクロロスズ、モノメチルジクロロスズ、ジメチルジクロロスズ、モノエチルジクロロスズ、ジエチルジクロロスズ、モノブチルジクロロスズ、ジブチルジクロロスズ等の2官能性ハロゲン化スズ;が挙げられる。
3官能のカップリング剤としては、例えば、トリクロロエタン、トリクロロプロパンなどの3官能性ハロゲン化アルカン;メチルトリクロロシラン、エチルトリクロロシランなどの3官能性ハロゲン化シラン;メチルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシランなどの3官能性アルコキシシラン;が挙げられる。
4官能のカップリング剤としては、例えば、四塩化炭素、四臭化炭素、テトラクロロエタンなどの4官能性ハロゲン化アルカン;テトラクロロシラン、テトラブロモシランなどの4官能性ハロゲン化シラン;テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランなどの4官能性アルコキシシラン;テトラクロロスズ、テトラブロモスズなどの4官能性ハロゲン化スズ;が挙げられる。
5官能以上のカップリング剤としては、例えば、1,1,1,2,2-ペンタクロロエタン、パークロロエタン、ペンタクロロベンゼン、パークロロベンゼン、オクタブロモジフェニルエーテル、デカブロモジフェニルエーテルなどが挙げられる。
これらは1種を単独で、または、2種以上を組み合わせて用いることができる。
これらのヒンダードフェノール系酸化防止剤は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
なお、ヒンダードフェノール系酸化防止剤の使用量は、本発明の所望の効果が得られる範囲内で適宜調整することができる。
これらのホスファイト系酸化防止剤は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
なお、ホスファイト系酸化防止剤の使用量は、本発明の所望の効果が得られる範囲内で適宜調整することができる。
乳化工程における乳化の方法は、特に限定されないが、例えば、上述したブロック共重合体溶液調製工程で得られたブロック共重合体の溶液と、乳化剤の水溶液との予備混合物を転送乳化する方法が好ましい。ここで、上述した通り、ブロック共重合体の溶液には、ヒンダードフェノール系酸化防止剤およびホスファイト系酸化防止剤の少なくとも一方、好ましくはそれらの両方が含まれていてもよい。そして、転相乳化には、例えば既知の乳化剤および乳化分散機を用いることができる。具体的には、乳化分散機としては、特に限定されることなく、例えば、商品名「ホモジナイザー」(IKA社製)、商品名「ポリトロン」(キネマティカ社製)、商品名「TKオートホモミキサー」(特殊機化工業社製)等のバッチ式乳化分散機;商品名「TKパイプラインホモミキサー」(特殊機化工業社製)、商品名「コロイドミル」(神鋼パンテック社製)、商品名「スラッシャー」(日本コークス工業社製)、商品名「トリゴナル湿式微粉砕機」(三井三池化工機社製)、商品名「キャビトロン」(ユーロテック社製)、商品名「マイルダー」(太平洋機工社製)、商品名「ファインフローミル」(太平洋機工社製)等の連続式乳化分散機;商品名「マイクロフルイダイザー」(みずほ工業社製)、商品名「ナノマイザー」(ナノマイザー社製)、商品名「APVガウリン」(ガウリン社製)、「LAB1000」(SPXFLOW社製)等の高圧乳化分散機;商品名「膜乳化機」(冷化工業社製)等の膜乳化分散機;商品名「バイブロミキサー」(冷化工業社製)等の振動式乳化分散機;商品名「超音波ホモジナイザー」(ブランソン社製)等の超音波乳化分散機;などを用いることができる。なお、乳化分散機による乳化操作の条件(例えば、処理温度、および処理時間など)は、特に限定されず、所望の分散状態になるように適宜選定すればよい。
そして、転相乳化後に得られる乳化液から、必要に応じて、既知の方法により有機溶媒を除去する等して、ブロック共重合体を含むコア粒子の水分散液を得ることができる。
酸性グラフト鎖は、特に限定されることなく、酸性基含有単量体やマクロモノマーをブロック共重合体にグラフト重合することによりコア粒子を構成するブロック共重合体に導入することができる。
モノカルボン酸としては、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸などが挙げられる。
モノカルボン酸誘導体としては、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などが挙げられる。
ジカルボン酸としては、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸などが挙げられる。
ジカルボン酸誘導体としては、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や、マレイン酸ブチル、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などのマレイン酸モノエステルが挙げられる。
ジカルボン酸の酸無水物としては、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、無水シトラコン酸などが挙げられる。
また、カルボキシル基含有単量体としては、加水分解によりカルボキシル基を生成する酸無水物も使用できる。
さらに、カルボキシル基含有単量体としては、ブテントリカルボン酸等のエチレン性不飽和多価カルボン酸や、フマル酸モノブチル、マレイン酸モノ2-ヒドロキシプロピル等のエチレン性不飽和多価カルボン酸の部分エステルなども用いることができる。
なお、本発明において、「(メタ)アリル」とは、アリルおよび/またはメタリルを意味する。
なお、本発明において、「(メタ)アクリロイル」とは、アクリロイルおよび/またはメタクリロイルを意味する。
ここで、酸性グラフト鎖のグラフト重合は、特に限定されることなく、既知のグラフト重合方法を用いて行うことができる。具体的には、グラフト重合による酸性グラフト鎖の導入は、例えば酸化剤と還元剤とを組み合わせてなるレドックス開始剤などのラジカル開始剤を用いて行うことができる。そして、酸化剤および還元剤としては、芳香族ビニル単量体単位からなるブロック領域と、脂肪族共役ジエンブロック領域とを含むブロック重合体の架橋に使用し得るものとして上述した酸化剤および還元剤と同様のものを用いることができる。
なお、芳香族ビニルブロック領域および脂肪族共役ジエンブロック領域を有するブロック共重合体に対してレドックス開始剤を用いてグラフト重合を行う場合には、グラフト重合による酸性グラフト鎖の導入時にブロック共重合体中の脂肪族共役ジエン単量体単位を架橋させてもよい。なお、グラフト重合体の調製時にはグラフト重合と同時に架橋を進行させなくてもよく、ラジカル開始剤の種類や反応条件を調整してグラフト重合のみを進行させてもよい。
酸性基含有水溶性重合体は、水系媒体中で、上述した粒子状重合体などの配合成分を良好に分散させうる成分である。
ここで、酸性基含有水溶性重合体は、特に限定されないが、合成高分子であることが好ましく、単量体の付加重合を経て製造される付加重合体であることがより好ましい。
なお、酸性基含有水溶性重合体は、塩の形態(酸性基含有水溶性重合体の塩)であってもよい。すなわち、本発明において、「酸性基含有水溶性重合体」には、当該酸性基含有水溶性重合体の塩も含まれる。また、本発明において、重合体が「水溶性」であるとは、温度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1.0質量%未満となることをいう。
酸性基含有水溶性重合体が有し得る酸性基としては、例えば、カルボキシル基、スルホン酸基、およびリン酸基が挙げられる。酸性基含有水溶性重合体は、これらの親水性基を1種類のみ有していてもよく、2種類以上有していてもよい。そしてこれらの中でも、バインダー組成物を用いて調製されるスラリー組成物の粘度安定性を高める観点から、酸性基としては、カルボキシル基、スルホン酸基が好ましく、カルボキシル基がより好ましい。
そして、酸性基含有水溶性重合体は、バインダー組成物を用いて調製されるスラリー組成物の粘度安定性を高める観点から、酸性基含有単量体単位として、カルボキシル基含有単量体単位、スルホン酸基含有単量体単位、および、リン酸基含有単量体単位からなる群より選択される少なくとも1つの酸性基含有単量体単位を含むことが好ましく、カルボキシル基含有単量体単位とスルホン酸基含有単量体単位との少なくとも一方を含むことがより好ましく、カルボキシル基含有単量体単位を含むことが特に好ましい。なお、酸性基含有水溶性重合体は、上述した酸性基含有単量体単位を1種類のみ含んでいてもよく、2種類以上含んでいてもよい。
酸性基含有水溶性重合体は、上述した酸性基含有単量体単位以外の単量体単位(その他の単量体単位)を含んでいてもよい。酸性基含有水溶性重合体に含まれるその他の単量体単位を形成しうるその他の単量体は、上述した酸性基含有単量体と共重合可能であれば特に限定されない。その他の単量体としては、例えば、(メタ)アクリル酸エステル単量体、フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体、架橋性単量体、およびヒドロキシル基含有単量体などが挙げられる。
(メタ)アクリル酸エステル単量体、フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体、架橋性単量体としては、例えば、特開2015-70245号公報で例示されたものを用いることができる。
また、ヒドロキシル基含有単量体としては、(メタ)アリルアルコール、3-ブテン-1-オール、5-ヘキセン-1-オールなどのエチレン性不飽和アルコール;アクリル酸-2-ヒドロキシエチル、アクリル酸-2-ヒドロキシプロピル、メタクリル酸-2-ヒドロキシエチル、メタクリル酸-2-ヒドロキシプロピル、マレイン酸ジ-2-ヒドロキシエチル、マレイン酸ジ-4-ヒドロキシブチル、イタコン酸ジ-2-ヒドロキシプロピルなどのエチレン性不飽和カルボン酸のアルカノールエステル類;一般式:CH2=CRa-COO-(CqH2qO)p-H(式中、pは2~9の整数、qは2~4の整数、Raは水素原子またはメチル基を表す)で表されるポリアルキレングリコールと(メタ)アクリル酸とのエステル類;2-ヒドロキシエチル-2’-(メタ)アクリロイルオキシフタレート、2-ヒドロキシエチル-2’-(メタ)アクリロイルオキシサクシネートなどのジカルボン酸のジヒドロキシエステルのモノ(メタ)アクリル酸エステル類;2-ヒドロキシエチルビニルエーテル、2-ヒドロキシプロピルビニルエーテルなどのビニルエーテル類;(メタ)アリル-2-ヒドロキシエチルエーテル、(メタ)アリル-2-ヒドロキシプロピルエーテル、(メタ)アリル-3-ヒドロキシプロピルエーテル、(メタ)アリル-2-ヒドロキシブチルエーテル、(メタ)アリル-3-ヒドロキシブチルエーテル、(メタ)アリル-4-ヒドロキシブチルエーテル、(メタ)アリル-6-ヒドロキシヘキシルエーテルなどのアルキレングリコールのモノ(メタ)アリルエーテル類;ジエチレングリコールモノ(メタ)アリルエーテル、ジプロピレングリコールモノ(メタ)アリルエーテルなどのポリオキシアルキレングリコールモノ(メタ)アリルエーテル類;グリセリンモノ(メタ)アリルエーテル、(メタ)アリル-2-クロロ-3-ヒドロキシプロピルエーテル、(メタ)アリル-2-ヒドロキシ-3-クロロプロピルエーテルなどの、(ポリ)アルキレングリコールのハロゲンおよびヒドロキシ置換体のモノ(メタ)アリルエーテル;オイゲノール、イソオイゲノールなどの多価フェノールのモノ(メタ)アリルエーテルおよびそのハロゲン置換体;(メタ)アリル-2-ヒドロキシエチルチオエーテル、(メタ)アリル-2-ヒドロキシプロピルチオエーテルなどのアルキレングリコールの(メタ)アリルチオエーテル類;N-ヒドロキシメチルアクリルアミド(N-メチロールアクリルアミド)、N-ヒドロキシメチルメタクリルアミド、N-ヒドロキシエチルアクリルアミド、N-ヒドロキシエチルメタクリルアミドなどのヒドロキシル基を有するアミド類などが挙げられる。
なお、その他の単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
酸性基含有水溶性重合体は、上述した単量体を含む単量体組成物を、例えば水などの水系溶媒中で重合することにより、製造し得る。この際、単量体組成物中の各単量体の含有割合は、酸性基含有水溶性重合体中の各単量体単位の含有割合に準じて定めることができる。
そして、重合様式は、特に制限なく、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。また、重合反応としては、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反応も用いることができる。
また、重合に使用される乳化剤、分散剤、重合開始剤、重合助剤、分子量調整剤などの添加剤は、一般に用いられるものを使用しうる。これらの添加剤の使用量も、一般に使用される量としうる。重合条件は、重合方法及び重合開始剤の種類などに応じて適宜調整しうる。
本発明のバインダー組成物に含まれる酸性基含有水溶性重合体の重量平均分子量は、200,000以下であることが必要であり、150,000以下であることが好ましく、100,000以下であることがより好ましく、85,000以下であることが更に好ましく、15,000以上であることが好ましく、20,000以上であることがより好ましく、30,000以上であることが更に好ましく、40,000以上であることが一層好ましい。酸性基含有水溶性重合体の重量平均分子量が200,000を超える場合、バインダー組成物を用いて形成される電極に優れた耐湿性を発揮させることができない。一方、酸性基含有水溶性重合体の重量平均分子量が200,000以下であると、バインダー組成物を用いて形成される電極に優れた耐湿性を発揮させることができる。また、酸性基含有水溶性重合体の重量平均分子量が15,000以上であれば、バインダー組成物を用いて調製されるスラリー組成物の粘度安定性を高めると共に、電極のピール強度を向上させることができる。
なお、酸性基含有水溶性重合体の重量平均分子量は、重合反応の際に使用する水溶性連鎖移動剤の種類および量、重合開始剤の種類および量、並びに、後述する精製工程の条件などによって調整することができる。
本発明のバインダー組成物が含有する水系媒体は、水を含んでいれば特に限定されず、水溶液や、水と少量の有機溶媒との混合溶液であってもよい。
本発明のバインダー組成物は、上記成分以外の成分(その他の成分)を含有することができる。例えば、バインダー組成物は、上述した粒子状重合体以外の、既知の粒子状結着材(スチレンブタジエンランダム共重合体、アクリル重合体など)を含んでいてもよい。
また、バインダー組成物は、既知の添加剤を含んでいてもよい。このような既知の添加剤としては、例えば、酸化防止剤、消泡剤、分散剤(上述した酸性基含有水溶性重合体に該当するものを除く。)等が挙げられる。なお、酸化防止剤としては、上述した粒子状重合体のコア粒子の調製の際に使用し得るヒンダードフェノール系酸化防止剤およびホスファイト系酸化防止剤などが挙げられる
なお、その他の成分は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
電導度滴定法によるバインダー組成物の酸量は、0.02mmоl/g以上であることが好ましく、0.10mmоl/g以上であることがより好ましく、0.20mmоl/g以上であることが更に好ましく、0.40mmоl/g以上であることが一層好ましく、0.50mmоl/g以上であることがより一層好ましく、2.00mmоl/g以下であることが好ましく、1.80mmоl/g以下であることがより好ましく、1.60mmоl/g以下であることが更に好ましく、1.40mmоl/g以下であることが更に好ましい。電導度滴定法によるバインダー組成物の酸量が上記下限以上であれば、バインダー組成物を用いて調製されるスラリー組成物の粘度安定性を高めると共に、電極のピール強度を向上させることができる。一方、電導度滴定法によるバインダー組成物の酸量が上記上限以下であれば、バインダー組成物の粘度が過度に高まることを抑制すると共に、電極の耐湿性を更に高めることができる。さらに、電導度滴定法によるバインダー組成物の酸量が上記上限以下であれば、二次電池の内部抵抗を低減することができる。
なお、電導度滴定法によるバインダー組成物の酸量は、上述した粒子状重合体を構成するグラフト重合体を調製する際の酸性基含有単量体の添加量、および後述する精製工程の条件などによって調整することができる。
また、バインダー組成物中の酸の含有量は、粒子状重合体のコア粒子100質量部に対して、0.2質量部以上であることが好ましく、1質量部以上であることがより好ましく、2質量部以上であることが更に好ましく、4質量部以上であることが一層好ましく、5質量部以上であることがより一層好ましく、20質量部以下であることが好ましく、18質量部以下であることがより好ましく、16質量部以下であることが更に好ましく、14質量部以下であることが一層好ましい。バインダー組成物中の酸の含有量が上記下限以上であれば、バインダー組成物を用いて調製されるスラリー組成物の粘度安定性を高めると共に、電極のピール強度を向上させることができる。一方、バインダー組成物中の酸の含有量が上記上限以下であれば、バインダー組成物の粘度が過度に高まることを抑制すると共に、電極の耐湿性を更に高めることができる。さらに、バインダー組成物中の酸の含有量が上記上限以下であれば、二次電池の内部抵抗を低減することができる。
なお、バインダー組成物中の酸の含有量は、本明細書の実施例に記載の方法により測定することができる。
また、バインダー組成物中の酸の含有量は、上述した粒子状重合体を構成するグラフト重合体を調製する際の酸性基含有単量体の添加量、および後述する精製工程の条件などによって調整することができる。
バインダー組成物を固形分濃度40質量%、pH8.0に調整したときの粘度は、3000mPa・s以下であることが好ましく、1500mPa・s以下であることがより好ましく、1000mPa・s以下であることが更に好ましく、250mPa・s以下であることが一層好ましく、20mPa・s以上であることが好ましく、40mPa・s以上であることがより好ましく、60mPa・s以上であることが更に好ましい。固形分濃度40質量%、pH8.0におけるバインダー組成物の粘度が上記上限以下であれば、電極の耐湿性を更に高めると共に、二次電池の内部抵抗を低減することができる。一方、固形分濃度40質量%、pH8.0におけるバインダー組成物の粘度が上記下限以上であれば、バインダー組成物を用いて調製されるスラリー組成物の粘度安定性を高めると共に、電極のピール強度を向上させることができる。
なお、バインダー組成物の固形分濃度40質量%、pH8.0における粘度は、上述した粒子状重合体の調製の際の酸性基含有単量体の使用量、水溶性連鎖移動剤の種類および量、並びに、後述する精製工程の条件などによって調整することができる。
バインダー組成物のpHは、6.0以上であることが好ましく、7.0以上であることがより好ましく、10.0以下であることが好ましく、9.0以下であることがより好ましい。バインダー組成物のpHが上記所定範囲内であれば、バインダー組成物を用いて調製されるスラリー組成物の粘度安定性を高めることができる。
本発明のバインダー組成物の製造方法は、上述した本発明のバインダー組成物の製造方法であって、水溶性連鎖移動剤の存在下で、コア粒子に対し、酸性基含有単量体および/またはマクロモノマーをグラフト重合反応させて、粒子状重合体の分散液を得る工程(グラフト重合工程)を含む。本発明のバインダー組成物の製造方法によれば、所定のグラフト重合体からなる粒子状重合体と、重量平均分子量が所定値以下である酸性基含有水溶性重合体とを含むバインダー組成物を容易に製造することができる。したがって、耐湿性に優れた非水系二次電池用電極を形成可能な非水系二次電池用バインダー組成物を容易に得ることができる。
なお、本発明のバインダー組成物の製造方法は、上述した精製工程以外のその他の工程を更に含んでいてもよい。
また、上述した本発明のバインダー組成物は、本発明のバインダー組成物の製造方法以外の方法で製造することもできる。
グラフト重合工程では、水溶性連鎖移動剤の存在下で、コア粒子に対し、酸性基含有単量体および/またはマクロモノマーをグラフト重合反応させて、粒子状重合体の分散液を得る。水溶性連鎖移動剤の存在下で、コア粒子に対し、酸性基含有単量体および/またはマクロモノマーをグラフト重合反応させて粒子状重合体の分散液を調製すれば、コア粒子を構成するブロック共重合体にグラフト重合されなかった酸性含有単量体および/またはマクロモノマー同士の重合反応を適度に抑制し、副生成物として形成される酸性基含有水溶性重合体の重量平均分子量が過度に増大することを抑制することができる。したがって、製造されるバインダー組成物に含まれる酸性基含有水溶性重合体の重量平均分子量を上述した所定値以下に容易に調整することができる。よって、バインダー組成物を用いて形成された電極は優れた耐湿性を発揮することができる。また、副生成物として形成される酸性基含有水溶性重合体の重量平均分子量が過度に増大することを抑制することにより、後述する精製工程として精密濾過を行った場合に、バインダー組成物から酸性基含有水溶性重合体が適度に除去されるため、二次電池の内部抵抗を低減することもできる。
また、グラフト重合反応に使用するラジカル開始剤、水溶性連鎖移動剤、酸性基含有単量体およびマクロモノマーの種類および使用量は、「バインダー組成物」の項で上述した粒子状重合体を構成するグラフト重合体の調製方法で使用し得る各成分の種類および使用量と同じとすることができる。
本発明のバインダー組成物の製造方法は、上述したグラフト重合工程以外のその他の工程を更に含んでいてもよい。そして、本発明のバインダー組成物の製造方法は、その他の工程として、グラフト重合工程で得られた粒子状重合体の分散液を精製する工程(精製工程)を更に含んでいることが好ましい。なお、グラフト重合工程で得られた粒子状重合体の水分散液は、精製工程を経ることなく、本発明のバインダー組成物として利用することもできる。
精製工程では、粒子状重合体の分散液を精製する。ここで、上述したグラフト重合工程で得られた粒子状重合体の分散液は、粒子状重合体と、副生成物として形成された酸性基含有水溶性重合体と、水系媒体(例えば水)との混合物である。そして、精製工程では、当該粒子状重合体の分散液を精製することで、副生成物として形成された酸性基含有水溶性重合体の一部を除去することができる。このように、粒子状重合体の分散液から副生成物として形成された酸性基含有水溶性重合体の一部を除去することで、得られるバインダー組成物に残留する酸性基含有水溶性重合体の重量平均分子量を更に低減して、上述した所定値以下に更に容易に調整することができる。したがって、製造されるバインダー組成物を用いて形成された電極の耐湿性を更に高めると共に、二次電池の内部抵抗を更に低減することもできる。
そして、精密濾過に用いるシステムとしては、旭化成社製「マイクローザペンシルモジュール型モジュール用卓上濾過ユニットPX-02001」などを用いることができる。
なお、システムが備える濾過膜の孔径は、本発明の所望の効果が得られる範囲内で適宜設定することができる。
また、精密濾過における循環流量、濾過圧力、濾過時間等の条件も、本発明の所望の効果が得られる範囲内で適宜調整することができる。
本発明のスラリー組成物は、電極の電極合材層の形成用途に用いられる組成物であり、上述した本発明のバインダー組成物を含み、電極活物質を更に含有する。即ち、本発明のスラリー組成物は、上述した粒子状重合体と、酸性基含有水溶性重合体と、電極活物質と、水系媒体とを含有し、任意に、その他の成分を更に含有する。そして、本発明のスラリー組成物は、上述した本発明のバインダー組成物を含んでいるので、耐湿性に優れた電極を形成可能である。
バインダー組成物としては、所定のグラフト重合体からなる粒子状重合体と、重量平均分子量が200,000以下である酸性基含有水溶性重合体を含む、上述した本発明のバインダー組成物を用いる。
なお、スラリー組成物中のバインダー組成物の配合量は、特に限定されない。例えば、バインダー組成物の配合量は、電極活物質100質量部当たり、固形分換算で、0.5質量部以上15質量部以下となる量とすることができる。
そして、電極活物質としては、特に限定されることなく、二次電池に用いられる既知の電極活物質を使用することができる。具体的には、例えば、二次電池の一例としてのリチウムイオン二次電池の電極合材層において使用し得る電極活物質としては、特に限定されることなく、以下の電極活物質を用いることができる。
リチウムイオン二次電池の正極の正極合材層に配合される正極活物質としては、例えば、遷移金属を含有する化合物、例えば、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、リチウムと遷移金属との複合金属酸化物などを用いることができる。なお、遷移金属としては、例えば、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo等が挙げられる。
具体的には、正極活物質としては、特に限定されることなく、リチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、リチウム含有ニッケル酸化物(LiNiO2)、Co-Ni-Mnのリチウム含有複合酸化物、Ni-Mn-Alのリチウム含有複合酸化物、Ni-Co-Alのリチウム含有複合酸化物、オリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、オリビン型リン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)、Li1+xMn2-xO4(0<X<2)で表されるリチウム過剰のスピネル化合物、Li[Ni0.17Li0.2Co0.07Mn0.56]O2、LiNi0.5Mn1.5O4等が挙げられる。
なお、上述した正極活物質は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
リチウムイオン二次電池の負極の負極合材層に配合される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、非炭素系負極活物質、および、これらを組み合わせた活物質などが挙げられる。
ここで、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。
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。
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2800℃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。
また、本発明においては、炭素系負極活物質として、その表面の少なくとも一部が非晶質炭素で被覆された天然黒鉛(非晶質コート天然黒鉛)を用いてもよい。
非炭素系負極活物質は、炭素質材料または黒鉛質材料のみからなる炭素系負極活物質を除く活物質であり、非炭素系負極活物質としては、例えば金属系負極活物質を挙げることができる。
スラリー組成物に配合し得るその他の成分としては、特に限定することなく、導電材や、本発明のバインダー組成物に配合し得るその他の成分と同様のものが挙げられる。なお、その他の成分は、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方法は、特に限定はされない。
例えば、バインダー組成物と、電極活物質と、必要に応じて用いられるその他の成分とを、水系媒体の存在下で混合してスラリー組成物を調製することができる。
なお、スラリー組成物の調製の際に用いる水系媒体には、バインダー組成物に含まれていたものも含まれる。また、混合方法は特に制限されないが、通常用いられうる攪拌機や、分散機を用いて混合することができる。
本発明の非水系二次電池用電極は、上述した非水系二次電池電極用スラリー組成物を用いて形成した電極合材層を備える。したがって、電極合材層は、上述したスラリー組成物の乾燥物よりなり、通常、電極活物質と、粒子状重合体に由来する成分と、酸性基含有水溶性重合体とを含有し、任意に、その他の成分を含有する。なお、電極合材層中に含まれている各成分は、上記非水系二次電池電極用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、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。また、粒子状重合体は、スラリー組成物中では粒子形状で存在するが、スラリー組成物を用いて形成された電極合材層中では、粒子形状であってもよいし、その他の任意の形状であってもよい。
そして、本発明の非水系二次電池用電極は、上述した非水系二次電池電極用スラリー組成物を使用して電極合材層を形成しているので、耐湿性に優れている。
ここで、本発明の非水系二次電池用電極の電極合材層は、例えば、以下の方法を用いて形成することができる。
1)本発明のスラリー組成物を集電体の表面に塗布し、次いで乾燥する方法;
2)本発明のスラリー組成物に集電体を浸漬後、これを乾燥する方法;および
3)本発明のスラリー組成物を離型基材上に塗布し、乾燥して電極合材層を製造し、得られた電極合材層を集電体の表面に転写する方法。
これらの中でも、前記1)の方法が、電極合材層の層厚制御をしやすいことから特に好ましい。前記1)の方法は、詳細には、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スラリー組成物を乾燥させて集電体上に電極合材層を形成する工程(乾燥工程)を含む。
上記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、乾燥して得られる電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、低湿風による乾燥法、真空乾燥法、赤外線や電子線などの照射による乾燥法を用いることができる。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、集電体上に電極合材層を形成し、集電体と電極合材層とを備える非水系二次電池用電極を得ることができる。
本発明の非水系二次電池は、正極と、負極と、電解液と、セパレータとを備えており、上述した非水系二次電池用電極を正極および負極の少なくとも一方として用いる。そして、本発明の非水系二次電池は、上述した非水系二次電池用電極を正極および負極の少なくとも一方として用いて製造されるため、優れた電池特性を発揮し得る。
なお、以下では、一例として二次電池がリチウムイオン二次電池である場合について説明するが、本発明は下記の一例に限定されるものではない。
ここで、本発明の非水系二次電池で使用し得る、上述した本発明の非水系二次電池用電極以外の電極としては、特に限定されることなく、二次電池の製造に用いられている既知の電極を用いることができる。具体的には、上述した本発明の非水系二次電池用電極以外の電極としては、既知の製造方法を用いて集電体上に電極合材層を形成してなる電極などを用いることができる。
電解液としては、通常、有機溶媒に支持電解質を溶解した有機電解液が用いられる。リチウムイオン二次電池の支持電解質としては、例えば、リチウム塩が用いられる。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6、LiAlCl4、LiClO4、CF3SO3Li、C4F9SO3Li、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)NLiなどが挙げられる。なかでも、溶媒に溶けやすく高い解離度を示すので、LiPF6、LiClO4、CF3SO3Liが好ましい。なお、電解質は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。通常は、解離度の高い支持電解質を用いるほどリチウムイオン伝導度が高くなる傾向があるので、支持電解質の種類によりリチウムイオン伝導度を調節することができる。
なお、電解液中の電解質の濃度は適宜調整することができる。また、電解液には、既知の添加剤を添加することができる。
セパレータとしては、特に限定されることなく、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(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)の樹脂からなる微多孔膜が好ましい。
また、複数種類の単量体を重合して製造される重合体において、ある単量体を重合して形成される単量体単位の前記重合体における割合は、別に断らない限り、通常は、その重合体の重合に用いる全単量体に占める当該ある単量体の比率(仕込み比)と一致する。
そして、実施例および比較例において、酸性基含有水溶性重合体の重量平均分子量、電導度滴定法によるバインダー組成物の酸量、バインダー組成物中の酸の含有量、バインダー組成物の粘度、スラリー組成物の粘度安定性、電極のピール強度および耐湿性、並びに、二次電池の内部抵抗は、以下の方法で測定および評価した。
バインダー組成物に0.1Mトリス緩衝液(pH9、0.1M塩化カリウム添加)10mlを加え、濃度が0.05%になるように調整した。その後、超遠心分離(92000G)し、上清を0.5μmフィルターにて濾過し、分子量測定サンプルとした。その後、得られた分子量測定サンプルをGPC(gel permeation chromatography)にて分子量を測定した。測定条件を以下に示す。
検出器:示差屈折率検出器RI(島津製作所製RID-20A)
カラム:TSKgel guardcolumn PWXL1本(φ6.0mm×4cm、東ソー製)、TSKgel GMPWXL2本(φ7.8mm×30cm、東ソー製)
溶媒:0.1Mトリス緩衝液(pH9、0.1M塩化カリウム添加)
流速:0.7mL/min
カラム温度:40℃
注入量:0.2mL
標準試料:昭和電工製単分散プルラン、サッカロース、グルコース
データ処理:TRC製GPCデータ処理システム
得られたバインダー組成物をイオン交換水にて希釈し、固形分濃度を3%に調整した。その後、調整したサンプルを3%水酸化ナトリウム水溶液でpH12.0に調整した。pHを調整したサンプルを100mLビーカーに、固形分換算で1.5g分取し、花王社製エマルゲン120を0.2%に希釈した水溶液3gおよび東レ・ダウコーニング社製SM5512を1%に希釈した水溶液1gを添加した。スターラーで均一に攪拌しながら0.1N塩酸水溶液を0.5mL/30秒の速度で添加し、30秒毎の電気電導度を測定した。
得られた電気伝導度データを、電気伝導度を縦軸(Y座標軸)、添加した塩酸の累計量を横軸(X座標軸)としたグラフ上にプロットした。これにより、図1のように3つの変曲点を有する塩酸量-電気伝導度曲線が得られた。3つの変曲点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、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を求めた。近似直線L1と近似直線L2との交点のX座標をA1、近似直線L2と近似直線L3との交点のX座標をA2、近似直線L3と近似直線L4との交点のX座標をA3とした。
そして、電導度滴定法によるバインダー組成物の酸量(バインダー組成物の固形分1g当たりの酸量)を、下記の式(a)から、塩酸換算した値(mmol/g)として求めた。
(a) バインダー組成物の酸量=(A3-A1)/1.5g
上記で得られた電導度滴定法によるバインダー組成物の酸量に基づいて、バインダー組成物中の酸の含有量を、粒子状重合体のコア粒子100質量部に対する相対量として、算出した。
B型粘度計(東機産業社製、製品名「TVB-10」、回転数:60rpm)を用いて、得られたバインダー組成物の粘度を測定した。
B型粘度計(東機産業社製、製品名「TVB-10」、回転数:60rpm)を用いて、得られたスラリー組成物の粘度η0を測定した。次に、粘度を測定したスラリー組成物を、プラネタリーミキサー(回転数:60rpm)を用いて24時間攪拌し、攪拌後のスラリー組成物の粘度η1を、上記と同様のB型粘度計(回転数:60rpm)を用いて測定した。そして、攪拌前後のスラリー組成物の粘度変化率Δη={(η0-η1)/η0}×100(%)を算出し、以下の基準にてスラリー組成物の粘度安定性を評価した。なお、粘度測定時の温度は25℃であった。粘度変化率の絶対値|Δη|の値が0に近いほど、スラリー組成物の粘度安定性が優れていることを示す。
A:粘度変化率の絶対値|Δη|が0%以上10%未満
B:粘度変化率の絶対値|Δη|が10%以上20%未満
C:粘度変化率の絶対値|Δη|が20%以上30%未満
D:粘度変化率の絶対値|Δη|が30%以上
作製した負極を長さ100mm、幅10mmの長方形に切り出して試験片とした。この試験片を、負極合材層の表面を下にして、負極合材層の表面にセロハンテープを貼り付けた。この際、セロハンテープとしてはJIS Z1522に規定されるセロハンテープを用いた。また、セロハンテープは試験台に固定しておいた。その後、集電体の一端を鉛直上方に引張り速度50mm/分で引っ張って剥がしたときの応力を測定した。この測定を3回行い、その平均値を求めて、当該平均値を電極のピール強度(A)とした。そして、比較例4のピール強度を基準として、下記の基準により評価を行なった。ピール強度が大きいほど、負極合材層の集電体に対する結着力が大きいこと、すなわち、密着強度が大きいことを示す。
A:比較例2のピール強度に対して、1.5倍以上
B:比較例2のピール強度に対して、0.8倍以上1.5倍未満
作製した負極を、温度25℃、湿度85%の条件に設定した恒温恒湿槽に、144時間保管した後、露点-60℃のドライルームに24時間保管した。その後、負極を長さ100mm、幅10mmの長方形に切り出して試験片とした。この試験片を、負極合材層の表面を下にして、負極合材層の表面にセロハンテープを貼り付けた。この際、セロハンテープとしてはJIS Z1522に規定されるセロハンテープを用いた。また、セロハンテープは試験台に固定しておいた。その後、集電体の一端を鉛直上方に引張り速度50mm/分で引っ張って剥がしたときの応力を測定した。この測定を3回行い、その平均値を求めて、当該平均値を高湿環境下に保管後の電極のピール強度(B)とした。そして、上述した電極のピール強度の測定方法により得られた作製直後の電極のピール強度(A)、および、高湿環境下に保管後の電極のピール強度(B)の値から、計算式:ピール強度維持率={(B)/(A)}×100(%)により、ピール強度維持率を算出し、下記の基準により評価を行なった。なお、ピール強度維持率が高いほど、電極が耐湿性に優れていることを示す。
A:ピール強度維持率が95%以上
B:ピール強度維持率が85%以上95%未満
C:ピール強度維持率が75%以上85%未満
D:ピール強度維持率が75%未満
リチウムイオン二次電池の内部抵抗を評価するために、以下のようにしてIV抵抗を測定した。温度25℃で、電圧が4.2Vとなるまで0.1Cの充電レートで充電し、10分間休止した後、0.1Cの放電レートで3.0VまでCC放電させる操作を3回繰り返すコンディショニング処理を施した。その後、-10℃雰囲気下で、1C(Cは定格容量(mA)/1時間(h)で表される数値)で3.75Vまで充電した後、3.75Vを中心として0.5C、1.0C、1.5C、2.0Cで、20秒間充電と20秒間放電とをそれぞれ行った。そして、それぞれの場合について、充電側における15秒後の電池電圧を電流値に対してプロットし、その傾きをIV抵抗(Ω)として求めた。得られたIV抵抗の値(Ω)について、比較例4のIV抵抗と比較して、下記の基準により評価を行なった。なお、IV抵抗の値が小さいほど、二次電池の内部抵抗が低いことを示す。
A:比較例2のIV抵抗に対し、85%未満
B:比較例2のIV抵抗に対し、85%以上90%未満
C:比較例2のIV抵抗に対し、90%以上95%未満
D:比較例2のIV抵抗
<非水系二次電池負極用バインダー組成物の調製>
[ブロック重合体のシクロヘキサン溶液の調製]
耐圧反応器に、シクロヘキサン233.3kg、N,N,N’,N’-テトラメチルエチレンジアミン(TMEDA)54.2mmol、および芳香族ビニル単量体としてのスチレン31.0kgを添加した。そしてこれらを40℃で攪拌しているところに、重合開始剤としてのn-ブチルリチウム1806.5mmolを添加し、50℃に昇温しながら1時間重合した。スチレンの重合転化率は100%であった。引き続き、50~60℃を保つように温度制御しながら、耐圧反応器に、脂肪族共役ジエン単量体としての1,3-ブタジエン69.0kgを1時間にわたり連続的に添加した。1,3-ブタジエンの添加を完了後、重合反応を更に1時間継続した。1,3-ブタジエンの重合転化率は100%であった。次いで、耐圧反応器に、カップリング剤としてのジクロロジメチルシラン722.6mmolを添加して2時間カップリング反応を行い、スチレン-ブタジエンカップリングブロック共重合体を形成させた。その後、活性末端を失活させるべく、反応液にメタノール3612.9mmolを添加してよく混合した。次いで、この反応液100部(重合体成分を30.0部含有)に、ヒンダードフェノール系酸化防止剤としての4-[[4,6-ビス(オクチルチオ)-1,3,5-トリアジン-2-イル]アミノ]-2,6-ジ-tert-ブチルフェノール0.05部、および、ホスファイト系酸化防止剤としての3,9-ビス(オクタデシルオキシ)-2,4,8,10-テトラオキサ-3,9-ジホスファスピロ[5.5]ウンデカン0.09部を加えて混合した。得られた混合溶液を、85~95℃の温水中に少しずつ滴下することで溶媒を揮発させて、析出物を得た。そして、この析出物を粉砕し、85℃で熱風乾燥することにより、ブロック重合体を含む乾燥物を回収した。
そして、回収した乾燥物をシクロヘキサンに溶解し、ブロック重合体の濃度が5.0%であるブロック重合体溶液を調製した。
アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウムをイオン交換水に溶解し、0.15%の水溶液を調製した。
そして、得られたブロック重合体溶液1000gと得られた水溶液1400gとをタンク内に投入し、攪拌させることで予備混合を行った。続いて、タンク内から、予備混合物を、定量ポンプを用いて、高圧乳化分散機「LAB1000」(SPXFLOW社製)へ移送し、循環することにより(パス回数:5回)、予備混合物を転相乳化した乳化液を得た。
次に、得られた乳化液中のシクロヘキサンをロータリーエバポレータにて減圧留去した。その後、留去した乳化液を遠心分離機(日立工機社製、製品名「Himac CR21N」)にて、7000rpmで10分間遠心した後、上層部分を取り出すことで濃縮を行った。
最後に、上層部分を100メッシュの金網で濾過し、粒子化したブロック重合体(コア粒子)を含有する水分散液(ブロック重合体ラテックス)を得た。
得られたブロック重合体ラテックスに、ブロック重合体100部(固形分相当量)に対して水が850部になるように、蒸留水を添加して希釈した。そして、希釈されたブロック重合体ラテックスを窒素置換された攪拌機付き重合反応容器に投入し、攪拌しながら温度を30℃にまで加温した。
また、別の容器を用い、酸性基含有単量体としてのメタクリル酸16部と蒸留水144部とを混合してメタクリル酸希釈液を調製した。このメタクリル酸希釈液を、30℃にまで加温した重合反応容器内に、30分間かけて添加することにより、ブロック重合体100部に対して、16部のメタクリル酸が添加された。その後、水溶性連鎖移動剤としての3-メルカプト-1,2-プロパンジオールをブロック重合体100部に対して1.0部添加した。
更に、別の容器を用い、蒸留水7部および還元剤としての硫酸第一鉄(中部キレスト社製、商品名「フロストFe」)0.01部を含む溶液を調製した。得られた溶液を重合反応容器内に添加した後、酸化剤としての1,1,3,3-テトラメチルブチルハイドロパーオキサイド(日本油脂社製、商品名「パーオクタH」)0.5部を添加し、30℃で1時間反応させた後、更に70℃で2時間反応させた。これにより、粒子化したブロック重合体に対してメタクリル酸をグラフト重合させると共に、ブロック重合体の架橋を行い、粒子状重合体の水分散液を得た。なお、重合転化率は99%であった。
得られた粒子状重合体の水分散液にイオン交換水を添加し、固形分濃度10%に希釈した。希釈した粒子状重合体の水分散液に5%水酸化ナトリウム水溶液を加え、pH8.0に調整した。pH調整後のバインダー組成物1500gを以下のシステムに接続した容器(原液容器)に入れ、定流量ポンプで循環させながら、以下に示す条件で精密濾過を行った。
システム:マイクローザペンシルモジュール型モジュール用卓上濾過ユニットPX-02001(旭化成社製)
濾過膜:マイクローザUSP-043(孔径0.1μm)
循環流量:1000g/分
そして、系外(濾過膜外)に排出された透過液の重量分の水を原液容器に追加しながら、30時間精密濾過を継続し、その後、原液容器への水追加を中断した状態で精密濾過を継続し、バインダー組成物の固形分濃度が40%となった時点で精密濾過を終了し、原液容器内の液をバインダー組成物として取得した。得られたバインダー組成物はpH8.0、固形分濃度40.0%であった。得られたバインダー組成物を用いて、酸性基含有水溶性重合体の重量平均分子量、電導度滴定法によるバインダー組成物の酸量、バインダー組成物中の酸の含有量、およびバインダー組成物の粘度を測定した。結果を表1に示す。
プラネタリーミキサーに、負極活物質としてのグラファイト(天然黒鉛)(容量:360mAh/g)97部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)1部(固形分相当)とを投入して混合物を得た。さらに、得られた混合物をイオン交換水で固形分濃度60%に調整した後、回転速度45rpmで60分間混練した。その後、上述で調製されたバインダー組成物を固形分相当量で1.5部投入し、回転速度40rpmで40分間混練した。そして、粘度(B型粘度計を用い、温度:25℃、ローター回転数:60rpmにて測定)が3000±500mPa・sとなるようにイオン交換水を加えることにより、負極用スラリー組成物を得た。
得られた負極用スラリー組成物の粘度安定性を評価した。結果を表1に示す。
得られた負極用スラリー組成物を、コンマコーターで、集電体である厚さ15μmの電解銅箔の上に、塗布量が11±0.5mg/cm2になるように塗布した。その後、負極用スラリー組成物が塗布された銅箔を、400mm/分の速度で、温度1200℃のオーブン内を2分間、さらに温度130℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより、銅箔上のスラリー組成物を乾燥させ、集電体上に負極合材層が形成された負極原反を得た。
その後、作製した負極原反の負極合材層側を温度25±3℃の環境下でロールプレスし、負極合材層密度が1.60g/cm3の負極を得た。このようにして得られた負極のピール強度および耐湿性を評価した。結果を表1に示す。
プラネタリーミキサーに、正極活物質としてのCo-Ni-Mnのリチウム複合酸化物系の活物質NMC532(LiNi5/10Co2/10Mn3/10O2)97部と、導電材としてのアセチレンブラック(電気化学工業社製、製品名「HS-100」)1部と、結着材としてのポリフッ化ビニリデン(クレハ社製、製品名「#7208」)2部(固形分相当)を添加し、混合した。さらに、有機溶媒としてのN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を徐々に加えて、温度25±3℃、回転数25rpmにて攪拌混合して、粘度(B型粘度計を用い、温度:25±3℃、ローター:M4、ローター回転数:60rpmにて測定)が3600mPa・sである正極用スラリー組成物を得た。
得られた正極用スラリー組成物を、コンマコーターで、集電体である厚さ20μmのアルミ箔の上に、塗布量が20±0.5mg/cm2となるように塗布した。さらに、200mm/分の速度で、温度120℃のオーブン内を2分間、さらに温度130℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより、アルミニウム箔上のスラリー組成物を乾燥させ、集電体上に正極合材層が形成された正極原反を得た。
その後、作製した正極原反の正極合材層側を温度25±3℃の環境下でロールプレスし、正極合材層密度が3.20g/cm3の正極を得た。
セパレータ基材よりなるセパレータとして、単層のポリプロピレン製セパレータ(セルガード社製、製品名「セルガード2500」)を準備した。
上記の負極および正極、セパレータを用いて、単層ラミネートセル(初期設計放電容量30mAh相当)を作製し、アルミ包材内に配置して、60℃、10時間の条件にて真空乾燥をおこなった。その後、電解液として濃度1.0MのLiPF6溶液(溶媒:エチレンカーボネート(EC)/ジエチルカーボネート(DEC)=5/5(体積比)の混合溶媒、添加剤:ビニレンカーボネート2体積%(溶媒比)を含有)を充填した。さらに、アルミ包材の開口を密封するために、温度150℃のヒートシールをしてアルミ包材を閉口し、リチウムイオン二次電池を製造した。このリチウムイオン二次電池を用いて、内部抵抗を評価した。結果を表1に示す。
実施例1の非水系二次電池負極用スラリー組成物の調製において、負極活物質として、グラファイト(天然黒鉛)に代えて、ケイ素含有合金と人造黒鉛とを、ケイ素含有合金:人造黒鉛=50:50の質量比で混合してなる負極活物質1を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、負極用バインダー組成物、負極用スラリー組成物、負極、正極、セパレータ、およびリチウムイオン二次電池を作製した。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1の非水系二次電池負極用スラリー組成物の調製において、負極活物質として、グラファイト(天然黒鉛)に代えて、ケイ素酸化物SiОxと人造黒鉛とを、SiОx:人造黒鉛=30:70の質量比で混合してなる負極活物質2を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、負極用バインダー組成物、負極用スラリー組成物、負極、正極、セパレータ、およびリチウムイオン二次電池を作製した。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1の非水系二次電池負極用バインダー組成物の調製におけるグラフト重合および架橋の際に、ブロック重合体100部に対して添加されるメタクリル酸の量を16部から10部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、負極用バインダー組成物、負極用スラリー組成物、負極、正極、セパレータ、およびリチウムイオン二次電池を作製した。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1の非水系二次電池負極用バインダー組成物の調製において、精密濾過を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にして、負極用バインダー組成物、負極用スラリー組成物、負極、正極、セパレータ、およびリチウムイオン二次電池を作製した。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1の非水系二次電池負極用バインダー組成物の調製におけるグラフト重合および架橋の際に、水溶性連鎖移動剤としての3-メルカプト-1,2-プロパンジオールの添加量を1.0部から0.4部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、負極用バインダー組成物、負極用スラリー組成物、負極、正極、セパレータ、およびリチウムイオン二次電池を作製した。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1の非水系二次電池負極用バインダー組成物の調製におけるグラフト重合および架橋の際に、水溶性連鎖移動剤としての3-メルカプト-1,2-プロパンジオールの添加量を1.0部から2.0部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、負極用バインダー組成物、負極用スラリー組成物、負極、正極、セパレータ、およびリチウムイオン二次電池を作製した。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1の非水系二次電池負極用バインダー組成物の調製におけるグラフト重合および架橋の際に、添加する水溶性連鎖移動剤を3-メルカプト-1,2-プロパンジオール1.0部に代えて、チオグリコール酸1.0部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、負極用バインダー組成物、負極用スラリー組成物、負極、正極、セパレータ、およびリチウムイオン二次電池を作製した。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1の非水系二次電池負極用バインダー組成物の調製におけるグラフト重合および架橋の際に、添加する水溶性連鎖移動剤を3-メルカプト-1,2-プロパンジオール1.0部に代えて、3-メルカプトプロピオン酸1.0部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、負極用バインダー組成物、負極用スラリー組成物、負極、正極、セパレータ、およびリチウムイオン二次電池を作製した。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1の非水系二次電池負極用バインダー組成物の調製における精密濾過の際に、5%水酸化ナトリウム水溶液に代えて5%アンモニア水を用いて、希釈した粒子状重合体の水分散液をpH8.0に調整したこと以外は、実施例1と同様にして、負極用バインダー組成物、負極用スラリー組成物、負極、正極、セパレータ、およびリチウムイオン二次電池を作製した。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1の非水系二次電池負極用バインダー組成物の調製におけるグラフト重合および架橋の際に、水溶性連鎖移動剤としての3-メルカプト-1,2-プロパンジオール1.0部を添加しなかったこと以外は、実施例1と同様の操作を行い、粒子状重合体の水分散液を得ようとしたが、グラフト重合中に増粘が始まり、最終的に反応容器内でプリン状に固まってしまい、粒子状重合体の水分散液として得ることができなかった。流動する液体としてサンプルを得ることが出来なかったため、その後の精密濾過を実施できなかった。そのため、プリン状固形物をそのまま負極用バインダー組成物とし、酸性基含有水溶性重合体の重量平均分子量を測定した。結果を表1に示す。
なお、上記で得られた負極用バインダー組成物は、流動しないため、電導度滴定法によるバインダー組成物の酸量、バインダー組成物中の粒子状重合体の酸の含有量、およびバインダー組成物の粘度の測定は実施することができなかった。
また、上記で得られた負極用バインダー組成物は、流動しないため、負極用スラリー組成物、負極、および二次電池を作製することができず、各種の評価を行うことができなかった。
実施例1の非水系二次電池負極用バインダー組成物の調製において、ブロック重合体のシクロヘキサン溶液の調製の際に、スチレンの添加量を31.0kgから25.0kgに変更し、1,3-ブタジエン69.0kgに代えて、イソプレン75.0kgを添加し、グラフト重合および架橋の際に、メタクリル酸の添加量を16部から20部に変更し、水溶性連鎖移動剤としての3-メルカプト-1,2-プロパンジオール1.0部を添加せず、精密濾過を行わず、得られた粒子状重合体の水分散液に5%水酸化ナトリウム水溶液を加えてpH8.0に調整すると共に、固形分濃度40%に調整して負極用バインダー組成物として用いたこと以外は、実施例1と同様にして、負極用バインダー組成物、負極用スラリー組成物、負極、正極、セパレータ、およびリチウムイオン二次電池を作製した。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。
「ST」は、スチレンを示し、
「BD」は、1,3-ブタジエンを示し、
「IP」は、イソプレンを示し、
「MAA」は、メタクリル酸を示し、
「MPD」は、「3-メルカプト-1,2-プロパンジオール」を示し、
「TGA」は「チオグリコール酸」を示し、
「MPA」は「3-メルカプトプロピオン酸」を示し、
「NaOH」は「水酸化ナトリウム」を示し、
「NH3」は「アンモニア」を示す。
一方、酸性基含有水溶性重合体の分子量が所定値を超える比較例2の負極用バインダー組成物を用いた場合、形成される負極は耐湿性に劣ることが分かる。
なお、酸性基含有水溶性重合体の分子量が所定値を大幅に超える比較例1の負極用バインダー組成物は、プリン状に固まって流動しなかったため、負極用スラリー組成物を調製することができず、結果として負極を形成することができなかった。
また、本発明によれば、耐湿性に優れた非水系二次電池用電極を形成可能な非水系二次電池電極用スラリー組成物を提供することができる。
さらに、本発明によれば、耐湿性に優れた非水系二次電池用電極、および、当該非水系二次電池用電極を備える非水系二次電池を提供することができる。
Claims (7)
- 芳香族ビニル単量体単位からなる芳香族ビニルブロック領域と、脂肪族共役ジエン単量体単位からなる脂肪族共役ジエンブロック領域とを含有するブロック共重合体を含むコア粒子に対し、酸性基含有単量体および/またはマクロモノマーをグラフト重合反応させてなる、酸性グラフト鎖を有するグラフト重合体からなる粒子状重合体と、
重量平均分子量が20,000以上85,000以下である酸性基含有水溶性重合体と、
を含み、
前記酸性基含有水溶性重合体が前記グラフト重合反応の副生成物であり、
固形分濃度40質量%、pH8.0における粘度が3000mPa・s以下であり、
電導度滴定法による酸量が0.20mmоl/g以上1.80mmоl/g以下である、非水系二次電池用バインダー組成物。 - pHが6.0以上10.0以下である、請求項1に記載の非水系二次電池用バインダー組成物。
- 請求項1または2に記載の非水系二次電池用バインダー組成物の製造方法であって、
水溶性連鎖移動剤の存在下で、前記コア粒子に対し、前記酸性基含有単量体および/またはマクロモノマーをグラフト重合反応させて、前記粒子状重合体の分散液を得る工程を含む、非水系二次電池用バインダー組成物の製造方法。 - 前記粒子状重合体の分散液を精製する工程を更に含む、請求項3に記載の非水系二次電池用バインダー組成物の製造方法。
- 電極活物質と、請求項1または2に記載の非水系二次電池用バインダー組成物とを含む、非水系二次電池電極用スラリー組成物。
- 請求項5に記載の非水系二次電池電極用スラリー組成物を用いて形成された電極合材層を備える、非水系二次電池用電極。
- 請求項6に記載の非水系二次電池用電極を備える、非水系二次電池。
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