JP7831472B2 - 電気化学素子機能層用組成物、電気化学素子用積層体及び電気化学素子 - Google Patents

電気化学素子機能層用組成物、電気化学素子用積層体及び電気化学素子

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Description

本発明は、電気化学素子機能層用組成物、電気化学素子用積層体及び電気化学素子に関するものである。
リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタなどの電気化学素子は、小型で軽量、且つエネルギー密度が高く、更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。
ここで、例えばリチウムイオン二次電池は、一般に、正極、負極、及び、正極と負極とを隔離して正極と負極との間の短絡を防ぐセパレータなどの電池部材を備えている。
そして近年では、リチウム二次電池の更なる高性能化を目的として、正極、負極、及びセパレータなどの電気化学素子部材の更なる改良が検討されている。かかる改良に際して、耐熱性、接着性といった所期の機能を発揮するための層(機能層)を、基材上に積層することが試みられてきた。例えば特許文献1~4では、コアシェル構造を有する粒子状重合体を含む機能層用の組成物が提案されている。
国際公開第2019/131348号 国際公開第2018/043200号 特開2018-200786号公報 特許第6346986号
しかし、上記従来技術に従う機能層を備える従来の電気化学素子部材は、電気化学素子の製造プロセスにおいて、セパレータなどの基材上に機能層を形成した状態で一旦保管し、その後の工程において電解液に浸漬していないドライな状態のセパレータが発揮し得る接着性(以下、「保管後プロセス接着性」と称することがある。)の点で一層の向上の余地があった。
そこで、本発明は、保管後プロセス接着性に優れる機能層を形成することができる、機能層用組成物を提供することを目的とする。
また、本発明は、保管後プロセス接着性に優れる機能層を備える電気化学素子用積層体、及び、かかる電気化学素子用積層体を備える電気化学素子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、体積平均粒子径が1.0μm以上10.0μm以下であるとともに、ガラス転移温度が最も低い中間部を、それぞれ、中間部よりも高いガラス転移温度を有する内核部及び外殻部により挟んでなる構造を有する粒子状重合体を含有する機能層用組成物によれば、保管後プロセス接着性に優れる機能層を形成す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、本発明の電気化学素子機能層用組成物は、粒子状重合体、結着材、及び、耐熱性微粒子を含む電気化学素子機能層用組成物であって、前記粒子状重合体は、体積平均粒子径が1.0μm以上10.0μm以下であるとともに、前記粒子状重合体は、内核部及び外殻部と、前記内核部と前記外殻部との間に介在する中間部を含み、前記内核部のガラス転移温度TgA及び前記外殻部のガラス転移温度TgCは、それぞれ独立して、30℃以上であり、前記中間部のガラス転移温度TgBは10℃以上であり、さらに、前記ガラス転移温度TgA、TgB、及びTgCの中で、前記ガラス転移温度TgBが最も低い、ことを特徴とする。このように体積平均粒子径が1.0μm以上10.0μm以下であるとともに、ガラス転移温度TgBがガラス転移温度TgA、TgB、及びTgCの中で最も低い粒子状重合体を機能層用組成物に配合することで、保管後プロセス接着性に優れる機能層を形成することができる。
なお、粒子状重合体の「体積平均粒子径」及び「ガラス転移温度TgA、TgB、TgC」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。
ここで、本発明の電気化学素子機能層用組成物において、前記ガラス転移温度TgBが90℃以下であることが好ましい。粒子状重合体の中間部のガラス転移温度TgBが90℃以下であれば、保管後プロセス接着性に一層優れる機能層を形成することができる。
さらに、本発明の電気化学素子機能層用組成物において、前記ガラス転移温度TgAが、前記ガラス転移温度TgBよりも5℃以上高いことが好ましい。粒子状重合体の内核部のガラス転移温度TgAが、粒子状重合体の中間部のガラス転移温度TgBよりも5℃以上高ければ、保管後プロセス接着性に一層優れる機能層を形成することができる。
また、本発明の電気化学素子機能層用組成物において、前記ガラス転移温度TgCが、60℃以上であるとともに、(ガラス転移温度TgB+5℃)≦ガラス転移温度TgC≦(ガラス転移温度TgB+200℃)の関係を満たすことが好ましい。粒子状重合体の外殻部のガラス転移温度TgCが上記範囲内であれば、得られる機能層の耐ブロッキング性及びドライ接着性を高めることができる。ここで、本明細書において、「ドライ接着性」とは、製造した機能層を、保管せず被着物との接着工程に供し、得られた積層物を電解液などに対して浸漬していない状態で機能層が発揮し得る接着性を意味する。
また、本発明の電気化学素子機能層用組成物において、前記内核部と前記中間部との質量比率が95:5~30:70の範囲内であることが好ましい。粒子状重合体の内核部と中間部との質量比率がかかる範囲内であれば、得られる機能層のドライ接着性を高めることができる。
また、本発明の電気化学素子機能層用組成物において、前記内核部及び前記中間部の合計質量と、前記外殻部の質量との比率が、99:1~50:50の範囲内であることが好ましい。粒子状重合体の内核部及び中間部の合計質量の比率と、外殻部の質量との比率が上記範囲内であれば、得られる機能層の耐ブロッキング性及びドライ接着性を高めることができる。
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、本発明の電気化学素子用積層体は、基材と、前記基材上に上述したいずれかの電気化学素子機能層用組成物を用いて形成された機能層とを備えることを特徴とする。このように、本発明の電気化学素子機能層用組成物を用いて形成した機能層を備える電気化学素子用積層体は、保管後プロセス接着性に優れる。
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、本発明の電気化学素子は、上述した電気化学素子用積層体を備えることを特徴とする。本発明の電気化学素子用積層体を備える電気化学素子は、電気化学特性に優れる。
本発明によれば、保管後プロセス接着性に優れる機能層を形成することができる、機能層用組成物を提供することができる。
また、本発明によれば、保管後プロセス接着性に優れる機能層を備える電気化学素子用積層体、及び、かかる電気化学素子用積層体を備える電気化学素子を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。ここで、本発明の電気化学素子機能層用組成物(以下、単に「機能層用組成物」とも称する。)は、本発明の電気化学素子用積層体に備えられる電気化学素子用機能層(以下、単に「機能層」とも称する。)を形成する際に用いられる。そして、本発明の電気化学素子用積層体は、本発明の電気化学素子機能層用組成物を用いて形成された機能層を備える。また、本発明の電気化学素子は、少なくとも本発明の電気化学素子用積層体を備える電気化学素子である。
(電気化学素子機能層用組成物)
本発明の電気化学素子機能層用組成物は、所定の粒子状重合体と、結着材と、耐熱性微粒子とを含有し、任意に、その他の成分を更に含み得る。そして、本発明の機能層用組成物を用いることで、保管後プロセス接着性に優れる機能層を形成することができる。
<粒子状重合体>
機能層用組成物中に含まれる粒子状重合体は、以下に詳述するように、所定の構造を満たすとともに、体積平均粒子径が所定の範囲内である、粒子状重合体である。なお、粒子状重合体は、機能層用組成物を用いて形成した機能層を介して部材同士を接着した後は、粒子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。
<<粒子状重合体の体積平均粒子径>>
粒子状重合体は、体積平均粒子径が1.0μm以上10.0μm以下である必要があり、2.5μm以上が好ましく、5.0μm以上がより好ましく、9.0μm以下が好ましく、8.0μm以下がより好ましい。粒子状重合体の体積平均粒子径が上記範囲内であれば、得られる機能層のドライ接着性を一層高めることができる。その理由は明らかではないが、粒子状重合体の体積平均粒子径が上記下限値以上であれば、機能層表面から粒子状重合体の一部を突出させることができ、これにより、機能層表面におけるドライ接着性を高めることができると考えられる。また、粒子状重合体の体積平均粒子径が上記上限値以下であれば、機能層を形成する際に粒子状重合体が機能層から脱落することを抑制することができ、得られる機能層のドライ接着性を高めることができると考えられる。
なお、粒子状重合体の体積平均粒子径は、例えば、粒子状重合体を調製する際に用いる金属水酸化物の種類や量によって調整することができる。
<<粒子状重合体の構造>>
粒子状重合体は、重合体の中心部に存在する内核部、重合体の表面に位置する外殻部、及び、内核部と外殻部との間に介在する中間部を含む。ここで、内核部及び中間部は、単層であっても多層であってもよい。そして、内核部のガラス転移温度TgA及び外殻部のガラス転移温度TgCは、それぞれ独立して、30℃以上であり、中間部のガラス転移温度TgBは10℃以上であり、さらに、ガラス転移温度TgA、TgB、及びTgCの中で、ガラス転移温度TgBが最も低いことを特徴とする。このように、ガラス転移温度TgBがガラス転移温度TgA、TgB、及びTgCの中で最も低い粒子状重合体を機能層用組成物に配合することで、保管後プロセス接着性に優れる機能層を形成することができる。その理由は明らかではないが、中間層と比較してガラス転移温度の高い内核部が、機能層を保管する際に粒子状重合体がつぶれることを抑制し、中間層と比較してガラス転移温度の高い外殻部が保管時に中間層を保護することにより、保管後の接着工程に供した際に、最もガラス転移温度の低い中間層が接着能を良好に発揮することができるようにするためであると推察される。
ここで、外殻部は、粒子状重合体の表面を全体的に覆っていてもよいし、部分的に覆っていてもよい。機能層の耐ブロッキング性を高める観点からは、外殻部は、粒子状重合体の表面を全体的に被覆していることが好ましいと考えられる。さらに、中間部は内核部の表面を全体的に覆っていてもよいし部分的に覆っていてもよい。言い換えると、粒子状重合体を構成する外殻部及び内核部は、中間部によって隔てられている部分と、両者が、中間部を介さずに直接接している部分とを両方有していてもよい。保管後プロセス接着性を一層高める観点からは、中間部は内核部の表面を全体的に覆っていることが好ましい。言い換えると、外殻部及び内核部が中間部によって完全に隔てられていることが好ましい。
<<内核部のガラス転移温度>>
粒子状重合体の内核部のガラス転移温度TgAは、30℃以上である必要があり、40℃以上であることが好ましく、50℃以上であることがより好ましく、60℃以上であることがさらに好ましい。また、粒子状重合体の内核部のガラス転移温度TgAは、中間部のガラス転移温度TgBよりも5℃以上高いことが好ましく、10℃以上高いことがよりこのましい。粒子状重合体の内核部のガラス転移温度TgAが上記下限値以上であれば、機能層を有する基材を捲回して保管した際における粒子状重合体の潰れを良好に抑制することができ、これにより保管後のプロセス接着性及び得られる電気化学素子の電解液注液性を一層良好にすることができる。さらに、保管した際における粒子状重合体の潰れを良好に抑制することができることにより、電極などの被着部材に対する接着点数を十分に確保して、電極の膨潤収縮に対するクッション性を高めて、その結果、得られる電気化学素子のサイクル特性を高めることができる。なお、粒子状重合体の内核部のガラス転移温度TgAの上限は特に限定されることなく、例えば300℃以下でありうる。
ここで、上記したように、内核部は単層であっても多層であってもよい。具体的には、粒子状重合体を調製する際の重合方法としてシード重合を採用した場合には、内核部は、シード粒子を構成する重合体と、シード粒子の周囲を被覆する重合体よりなる層との2層により構成されうる。そして、内核部がシード粒子を含む場合には、シード粒子を構成する重合体及びシード粒子の周囲を被覆する重合体のうちの少なくとも一方が上記のガラス転移温度を満たすことが必要であり、双方が満たすことがより好ましい。なお、ある粒子状重合体の芯に位置する重合体がシード粒子に由来するものか判然としない場合には、中心から2層を構成する重合体のそれぞれについてガラス転移温度を測定し、得られたガラス転移温度を、各層の質量で重みづけしたうえで平均値を算出し、かかる平均値の温度を内核部のガラス転移温度TgAとする。
<<内核部の組成>>
内核部を構成する重合体(以下、「重合体A」とも称する。)は、ガラス転移温度TgAの条件が上記を満たす限りにおいて特に限定されることなく、あらゆる単量体単位によって構成されうる。なお、本明細書において、重合体が「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。また、重合体における単量体単位の含有割合は、1H-NMR及び13C-NMRなどの核磁気共鳴(NMR)法を用いて測定することができる。
重合体Aは、例えば、芳香族ビニル単量体単位、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位、及び架橋性単量体単位などを含みうる。なお、本明細書において、「(メタ)アクリル」とは、アクリル又はメタクリルを意味する。
[芳香族ビニル単量体単位]
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の例としては、特に限定されることなく、例えば、スチレン、α-メチルスチレン、スチレンスルホン酸、ブトキシスチレン、ビニルナフタレン等が挙げられ、中でも、スチレンが好ましい。
なお、これらの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。
重合体Aにおける芳香族ビニル単量体単位の含有割合は、特に限定されない。例えば、芳香族ビニル単量体単位の含有割合は、重合体Aに含有される全繰り返し単位を100質量%として、40質量%以上であってもよいし、50質量%以上であってもよいし、95質量%以下であってもよいし、90質量%以下であってもよい。重合体Aにおける芳香族ビニル単量体単位の含有割合が上記範囲内であれば、内核部の強度を適度に高めることにより保管時の粒子状重合体の潰れを一層良好に抑制することができ、その結果保管後のプロセス接着性を一層高めることができる。
[(メタ)アクリル酸エステル単量体単位]
(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、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸n-プロピル、アクリル酸イソプロピル、アクリル酸n-ブチル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸t-ブチル、アクリル酸n-アミル、アクリル酸イソアミル、アクリル酸n-ヘキシル、アクリル酸2-エチルヘキシル、アクリル酸-2-メトキシエチル、アクリル酸-2-エトキシエチル、アクリル酸ヘキシル、アクリル酸ノニル、アクリル酸ラウリル、アクリル酸ステアリル、ベンジルアクリレートなどのアクリレート;メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸イソプロピル、メタクリル酸n-ブチル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸t-ブチル、メタクリル酸n-アミル、メタクリル酸イソアミル、メタクリル酸n-ヘキシル、メタクリル酸2-エチルヘキシル、メタクリル酸オクチル、メタクリル酸イソデシル、メタクリル酸ラウリル、メタクリル酸トリデシル、メタクリル酸ステアリル、ベンジルメタクリレートなどのメタアクリレート等が挙げられる。これらの中でも、アクリル酸2-エチルヘキシルが好ましい。また、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。
重合体Aにおける(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の含有割合は、特に限定されることなく、例えば重合体Aに含有される全繰り返し単位を100質量%として、5質量%以上であることが好ましく、10質量%以上であることがより好ましく、50質量%以下が好ましく、40質量%以下がより好ましい。重合体Aにおける(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の含有割合が上記範囲内であれば、機能層のドライ接着性及び耐ブロッキング性を一層高めることができる。
[架橋性単量体単位]
さらに、重合体Aは、架橋性単量体単位を有していてもよい。架橋性単量体単位形成し得る架橋性単量体としては、例えば、当該単量体に2個以上の重合反応性基を有する多官能単量体を挙げることができる。多官能単量体としては、例えば、アリルメタクリレート、ジビニルベンゼン等のジビニル化合物;ジエチレングリコールジメタクリレート、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アクリレート、1,3-ブチレングリコールジアクリレート等のジ(メタ)アクリル酸エステル化合物;トリメチロールプロパントリメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート等のトリ(メタ)アクリル酸エステル化合物;などが挙げられる。中でも、エチレングリコールジメタクリレートが好ましい。なお、これらの架橋性単量体は、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。
重合体Aにおける架橋性単量体単位の含有割合は、特に限定されることなく、例えば重合体Aに含有される全繰り返し単位を100質量%として、0.05質量%以上であることが好ましく、10質量%以上であることがより好ましく、90質量%以下が好ましく、85質量%以下がより好ましい。重合体Aにおける架橋性単量体単位の含有割合が上記下限値以上であれば、内核部の強度を高めることにより保管時の粒子状重合体の潰れを一層良好に抑制することができ、その結果保管後のプロセス接着性を一層高めることができる。重合体Aにおける架橋性単量体単位の含有割合が上記上限値以下であれば、粒子状重合体の製造容易性を高めることができる。
なお、重合体Aは、上記以外にその他の単量体単位を含有していてもよい。そのような単量体単位としては、特に限定されることなく、<結着材>の項目にて詳述するニトリル基含有単量体単位、及び、重合体Bの項目にて詳述するエポキシ基含有不飽和単量体単位などが挙げられる。
<<中間部のガラス転移温度>>
粒子状重合体の中間部のガラス転移温度TgBは、10℃以上である必要があり、20℃以上であることが好ましく、30℃以上であることがより好ましく、40℃以上であることがさらに好ましく、90℃以下であることが好ましく、70℃以下であることがより好ましい。粒子状重合体の中間部のガラス転移温度TgBが上記下限値以上であれば、機能層を有する基材を捲回して保管した際にブロッキングが生じることを抑制することができる。また、粒子状重合体の中間部のガラス転移温度TgBが上記上限値以下であれば、電極などの被着体とのプレスによる接着時に良好な接着性を発現することができ、機能層のドライ接着性を高めることができる。
ここで、上記したように、中間部は単層であっても多層であってもよい。中間層が複数層存在する場合には、中間層を構成する複数層のガラス転移温度について、各層質量で重みづけして算出した平均値の温度を中間層のガラス転移温度TgBとする。
<<中間部の組成>>
中間部を構成する重合体は、ガラス転移温度TgBの条件が上記を満たす限りにおいて特に限定されることなく、あらゆる単量体単位によって構成されうる。なお、以下、中間層を構成する重合体を重合体B(中間部がn層構成である場合には、各層を構成する重合体B1~重合体Bn)とも称する。重合体B1~重合体Bnの組成は、同一であっても相異なっていてもよい。
重合体B(B1~Bn;以下省略)は、例えば、重合体Aに含有されうる単位として説明したものと同様の、芳香族ビニル単量体単位及び(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を含みうる。
重合体B中における芳香族ビニル単量体単位の含有割合は、特に限定されることなく、例えば重合体Bに含有される全繰り返し単位を100質量%として、30質量%以上であることが好ましく、40質量%以上であることがより好ましく、90質量%以下であることが好ましく、80質量%以下であることがさらに好ましい。
重合体B中における(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の含有割合は、特に限定されることなく、例えば重合体Bに含有される全繰り返し単位を100質量%として、10質量%以上であることが好ましく、20質量%以上であることがより好ましく、50質量%以下であることが好ましく、40質量%以下であることがより好ましい。
さらに、重合体Bは、下記のようなエポキシ基含有不飽和単量体単位を含有していてもよい。
[エポキシ基含有不飽和単量体単位]
エポキシ基含有不飽和単量体単位を形成し得るエポキシ基含有不飽和単量体としては、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、グリシジル(2-ブテニル)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、ジエン又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;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。中でも、グリシジルメタクリレートを用いることが好ましい。なお、これらのエポキシ基含有不飽和単量体は、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。
重合体B中におけるエポキシ基含有不飽和単量体単位の含有割合は、特に限定されることなく、例えば重合体Bに含有される全繰り返し単位を100質量%として、1質量%以上であることが好ましく、5質量%以上であることがより好ましく、20質量%以下であることが好ましく、15質量%以下であることがより好ましい。重合体Bに含有されるエポキシ基含有不飽和単量体単位の含有割合がかかる範囲内であれば、得られる機能層の保管後のプロセス接着性を一層高めることができる。
なお、重合体Bは、上記以外にその他の単量体単位を含有していてもよい。そのような単量体単位としては、特に限定されることなく、<結着材>の項目にて詳述するニトリル基含有単量体単位が挙げられる。
<<外殻部のガラス転移温度>>
粒子状重合体の外殻部のガラス転移温度TgCは、30℃以上である必要があり、60℃以上であることが好ましく、70℃以上であることがより好ましく、80℃以上であることがさらに好ましく、210℃以下であることが好ましく、150℃以下であることがより好ましく、120℃以下であることがさらに好ましく、110℃以下であることが特にに好ましい。また、粒子状重合体の外殻部のガラス転移温度TgCは、中間部のガラス転移温度TgBとの相互関係が、(ガラス転移温度TgB+5℃)≦ガラス転移温度TgC≦(ガラス転移温度TgB+200℃)を満たすことが好ましく、(ガラス転移温度TgB+20℃)≦ガラス転移温度TgC≦(ガラス転移温度TgB+100℃)を満たすことがより好ましい。粒子状重合体の外殻部のガラス転移温度TgCが上記下限値以上であれば、保管時のブロッキングの発生を良好に抑制することができる。また、粒子状重合体の外殻部のガラス転移温度TgCが上記上限値以下であれば、機能層のドライ接着性を一層高めることができる。
<<外殻部の組成>>
外殻部を構成する重合体(以下、重合体Cとも称する。)は、ガラス転移温度TgCの条件が上記を満たす限りにおいて特に限定されることなく、あらゆる単量体単位によって構成されうる。そして、重合体Cは、例えば、重合体Aに含有されうる単位として説明したものと同様の(メタ)アクリル酸エステル単量体単位及び架橋性単量体を含んでいてもよい。
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含有割合は、特に限定されることなく、例えば重合体Cに含有される全繰り返し単位を100質量%として、50質量%以上であることが好ましく、60質量%以上であることがより好ましく、99.9質量%以下が好ましく、98質量%以下がより好ましい。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含有割合が上記範囲内であれば、外殻部の強度を適度に高めることにより保管時の粒子状重合体の潰れを一層良好に抑制することができ、その結果保管後のプロセス接着性を一層高めることができる。
重合体Cにおける架橋性単量体単位の含有割合は、特に限定されることなく、例えば重合体Cに含有される全繰り返し単位を100質量%として、0.05質量%以上であることが好ましく、1質量%以上であることがより好ましく、15質量%以下であることが好ましく、10質量%以下であることがより好ましい。重合体Cにおける架橋性単量体単位の含有割合が上記範囲内であれば、外殻部の強度を適度に高めることにより保管時の粒子状重合体の潰れを一層良好に抑制することができ、その結果保管後のプロセス接着性を一層高めることができる。
なお、重合体Cは、上記以外にその他の単量体単位を含有していてもよい。そのような単量体単位としては、特に限定されることなく、<結着材>の項目にて詳述するニトリル基含有単量体単位、及び、重合体Bの項目にて詳述したエポキシ基含有不飽和単量体単位などが挙げられる。
<<内核部と中間部との質量比率>>
粒子状重合体を構成する内核部と中間部との質量比率は、95:5~30:70の範囲内であることが好ましく、90:10~40:60であることがより好ましく、80:20~50:50であることがさらに好ましい。内核部の質量比率が上記下限値以上であると、保管時の粒子状重合体の潰れを一層良好に抑制することができ、その結果保管後のプロセス接着性を一層高めることができる。さらに、保管時の粒子状重合体の潰れを一層良好に抑制することができることで、得られる電気化学素子のサイクル特性も高めることができる。また、中間部の質量比率が上記下限値以上であると、保管後のプロセス接着性及びドライ接着性を一層高めることができる。
<<(内核部+中間部)質量と外殻部質量との比率>>
粒子状重合体を構成する内核部及び中間部の合計質量と、外殻部の質量との比率が99:1~50:50の範囲内であることが好ましく、95:5~60:40の範囲内であることがより好ましく、90:10~70:30の範囲内であることがさらに好ましい。内核部及び中間部の合計質量が上記下限値以上であれば、ドライ接着性及び保管後のプロセス接着性を一層高めることができる。さらに、内核部及び中間部の合計質量が上記下限値以上であれば、外殻部が過剰に厚くなることが抑制されるため機能層による接着性(ドライ接着性及び保管後のプロセス接着性)が高まり、電気化学素子において、機能層と電極などの被着部材との距離が保たれるため、電解液の進入路を確保することができ、その結果、電気化学素子の注液性を高めることができる。また、内核部及び中間部の合計質量が上記上限値以下であれば、保管時のブロッキングを一層良好に抑制することができる。
[粒子状重合体の調製]
粒子状重合体は、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調製することができる。ここで、単量体組成物中の各単量体の割合は、通常、粒子状重合体中の各単量体単位の割合と同様とする。
そして、重合様式は、特に限定されず、例えば、懸濁重合法、乳化重合凝集法、粉砕法などのいずれの方法も用いることができる。中でも、懸濁重合法及び乳化重合凝集法が好ましく、懸濁重合法がより好ましい。また、重合反応としては、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、粒子状重合体を調製する際に用いる単量体組成物には、連鎖移動剤、重合調整剤、重合反応遅延剤、反応性流動化剤、充填剤、難燃剤、老化防止剤、着色料などのその他の配合剤を任意の配合量で配合することができる。
ここで、一例として、懸濁重合法による粒子状重合体の調製方法について説明する。
[懸濁重合法による粒子状重合体の調製]
(1)単量体組成物の調製
はじめに、内核部の重合体Aの組成に対応する組成の単量体組成物(A)と、中間部の重合体Bの組成に対応する組成の単量体組成物(C)と、外殻部の重合体Cの組成に対応する組成の単量体組成物(B)とをそれぞれ準備する。この際、重合体A、重合体B、及び重合体Cの組成に合わせて、各種の単量体を配合し、さらに、必要に応じて添加されるその他の配合剤を混合する。
(2)液滴の形成
次に、単量体組成物(A)を、水中に分散させ、重合開始剤を添加した後、単量体組成物(A)液滴を形成する。ここで、液滴を形成する方法は特に限定されず、例えば、単量体組成物(A)を含む水を、乳化分散機などの分散機を用いて剪断攪拌することにより形成することができる。
その際、用いる重合開始剤としては、例えば、t-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート、アゾビスイソブチロニトリルなどの油溶性重合開始剤が挙げられる。なお、重合開始剤は、単量体組成物(A)が水中に分散された後、液滴を形成する前に添加してもよく、水中に分散される前の単量体組成物(A)に添加してもよい。
そして、形成された単量体組成物(A)の液滴を水中で安定化させる観点からは、分散安定剤を水中に添加して単量体組成物(A)の液滴を形成することが好ましい。その際、分散安定剤としては、例えば、水酸化マグネシウムなどの金属水酸化物や、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムなどを用いることができる。
(3)重合
そして、単量体組成物(A)の液滴を形成後、当該形成された液滴を含む水を昇温して重合を開始する。そして、重合転化率が十分に高まった段階で、単量体組成物(B)を添加して重合を継続する。さらに、重合転化率が十分に高まった段階で、単量体組成物(C)を添加して重合を継続することで、水中に所定の構造を有する粒子状重合体が形成される。その際、重合の反応温度は、好ましくは50℃以上95℃以下である。また、重合の反応時間は、好ましくは1時間以上10時間以下であり、好ましくは8時間以下、より好ましくは6時間以下である。
(4)洗浄、濾過、脱水及び乾燥工程
重合終了後、粒子状重合体を含む水を、常法に従い、洗浄、濾過、及び乾燥を行うことで、所定の構造を有する粒子状重合体を得ることができる。
なお、単量体組成物(A)、単量体組成物(B)、及び単量体組成物(C)間の量比は、上述した、「内核部と中間部との質量比率」及び「(内核部+中間部)質量と外殻部質量との比率」の好適は範囲を満たすように、適宜設定することができる。
<結着材>
結着材は、機能層中において耐熱性微粒子同士を結着させる。結着材としては、結着材として用いられる既知の重合体、例えば、共役ジエン系重合体、アクリル系重合体、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルアルコール(PVOH)が挙げられる。結着材は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。そして結着材としては、共役ジエン系重合体、アクリル系重合体、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などの、非水溶性で、水などの分散媒中に分散可能な重合体が好ましく、共役ジエン系重合体、アクリル系重合体がより好ましく、アクリル系重合体が更に好ましい。なお、機能層用組成物を用いて形成した機能層を正極に隣接させる場合には、共役ジエン系重合体以外を結着材として配合することが好ましい。
なお、本発明において、重合体が「非水溶性」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90質量%以上となることをいう。
ここで、共役ジエン系重合体とは、共役ジエン単量体単位を含む重合体を指す。そして、共役ジエン系重合体の具体例としては、特に限定されることなく、スチレン-ブタジエン共重合体(SBR)などの芳香族ビニル単量体単位及び脂肪族共役ジエン単量体単位を含む共重合体、ブタジエンゴム(BR)、アクリルゴム(NBR)(アクリロニトリル単位及びブタジエン単位を含む共重合体)、並びに、それらの水素化物などが挙げられる。
また、アクリル系重合体とは、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を含む重合体を指す。
なお、これらの結着材は、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、結着材として好ましく使用し得るアクリル系重合体としては、特に限定されることなく、例えば、上述した架橋性単量体単位、エポキシ基含有不飽和単量体単位、及び(メタ)アクリル酸エステル単量体単位と、以下に説明するニトリル基含有単量体単位及び酸性基含有単量体単位とを含有する重合体などが挙げられる。
架橋性単量体単位及び(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を形成するために用いることができる単量体としては、重合体Aの項目にて上述したものを用いることができる。また、エポキシ基含有不飽和単量体単位を形成するために用いることができる単量体としては、重合体Bの項目にて上述したものを用いることができる。
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、ニトリル基含有単量体の例としては、α,β-エチレン性不飽和ニトリル単量体が挙げられる。具体的には、α,β-エチレン性不飽和ニトリル単量体としては、ニトリル基を有するα,β-エチレン性不飽和化合物であれば特に限定されないが、例えば、アクリロニトリル;α-クロロアクリロニトリル、α-ブロモアクリロニトリルなどのα-ハロゲノアクリロニトリル;メタクリロニトリル、α-エチルアクリロニトリルなどのα-アルキルアクリロニトリル;などが挙げられる。なお、これらの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。
酸性含有単量体単位を形成し得る酸基含有単量体としては、例えば、カルボン酸基を有する単量体、スルホン酸基を有する単量体、リン酸基を有する単量体、及び、水酸基を有する単量体が挙げられる。
カルボン酸基を有する単量体としては、例えば、モノカルボン酸、ジカルボン酸などが挙げられる。モノカルボン酸としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸などが挙げられる。ジカルボン酸としては、例えば、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸などが挙げられる。
また、スルホン酸基を有する単量体としては、例えば、ビニルスルホン酸、メチルビニルスルホン酸、(メタ)アリルスルホン酸、(メタ)アクリル酸-2-スルホン酸エチル、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸、3-アリロキシ-2-ヒドロキシプロパンスルホン酸などが挙げられる。
なお、本明細書において、「(メタ)アリル」とは、アリル及び/又はメタリルを意味し、(メタ)アクリルとは、アクリル及び/又はメタクリルを意味する。
更に、リン酸基を有する単量体としては、例えば、リン酸-2-(メタ)アクリロイルオキシエチル、リン酸メチル-2-(メタ)アクリロイルオキシエチル、リン酸エチル-(メタ)アクリロイルオキシエチルなどが挙げられる。
なお、本明細書において、「(メタ)アクリロイル」とは、アクリロイル及び/又はメタクリロイルを意味する。
また、水酸基を有する単量体としては、例えば、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などが挙げられる。
なお、これらの酸基含有単量体は、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。
なお、アクリル系重合体における(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50質量%以上、より好ましくは55質量%以上、更に好ましくは58質量%以上であり、好ましくは98質量%以下、より好ましくは97質量%以下、更に好ましくは96質量%以下である。(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の割合を上記範囲の下限値以上にすることにより、機能層の接着性(ドライ接着性及び保管後のプロセス接着性を高くすることができる。また、上限値以下にすることにより、機能層を備える電気化学素子の電気化学特性をより高めることができる。
また、アクリル系重合体における架橋性単量体単位及びエポキシ基含有不飽和単量体単位の合計含有割合は、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは1.0質量%以上であり、好ましくは3.0質量%以下、より好ましくは2.5質量%以下である。架橋性単量体単位の割合を上記限以上にすることにより、機能層を備える電気化学素子の電気化学特性を更に高めることができる。また、架橋性単量体単位の割合を上記上限値以下にすることにより、機能層の接着性(ドライ接着性及び保管後のプロセス接着性)を高くすることができる。
また、アクリル系重合体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0.3質量%以上、更に好ましくは0.5質量%以上であり、好ましくは20質量%以下、より好ましくは10質量%以下、更に好ましくは5質量%以下である。ニトリル基含有単量体単位の割合を上記範囲内とすることにより、機能層の接着性(ドライ接着性及び保管後のプロセス接着性を高くすることができる。
そして、アクリル系重合体における酸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0.3質量%以上、更に好ましくは0.5質量%以上であり、好ましくは20質量%以下、より好ましくは10質量%以下、更に好ましくは5質量%以下である。酸基含有単量体単位の割合を上記下限以上にすることにより、機能層用組成物中及び機能層中における結着材の分散性を高め、機能層を備える電気化学素子の電気化学特性を十分に高めることができる。また、酸基含有単量体単位の割合を上記上限値以下にすることにより、機能層の残存水分量を低減して電気化学素子の電気化学特性を十分に高めることができる。
なお、アクリル系重合体は、その他の単量体単位を含んでいてもよい。
<<結着材のガラス転移温度>>
そして、結着材のガラス転移温度(Tg)は、好ましくは-100℃以上であり、より好ましくは-90℃以上であり、更に好ましくは-80℃以上であり、好ましくは30℃未満であり、より好ましくは20℃以下であり、更に好ましくは15℃以下である。結着材のガラス転移温度が上記下限以上であれば、結着材の接着性(ドライ接着性及び保管後のプロセス接着性)及び強度を高めることができる。一方、結着材のガラス転移温度が上記上限以下であれば、機能層の柔軟性を高めることができる。
<<結着材の体積平均粒子径>>
結着材の体積平均粒子径は、特に限定されることなく、例えば1.0μm未満であり、0.8μm以下であることが好ましく、0.5μm以下であることがより好ましく、0.3μm以下であることがさらに好ましく、0.05μm以上であることが好ましく0.1μm以上であることがさらに好ましい。結着材の体積平均粒子径が上記上限を満たしていれば、結着材の接着性(ドライ接着性及び保管後のプロセス接着性)及び強度を高めることができる。結着材の体積平均粒子径が上記下限値以上であれば、得られる電気化学素子の出力特性を高めることができる。なお、結着材の体積平均粒子径は、実施例に記載の方法により測定することができる。
[結着材の含有量]
そして、結着材の含有量は、耐熱性微粒子100質量部あたり、好ましくは0.1質量部以上、より好ましくは0.2質量部以上、更に好ましくは0.5質量部以上であり、好ましくは20質量部以下、より好ましくは15質量部以下、更に好ましくは10質量部以下である。結着材の含有量が上記下限以上であれば、粒子状重合体が機能層から脱落するのを十分に防止するとともに、機能層の接着性を十分に高めることができる。一方、結着材の含有量が上記上限以下であれば、機能層のイオン伝導性が低下するのを抑制し、電気化学素子の出力特性が低下するのを抑制することができる。
なお、結着材は、特に限定されることなく、例えば、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調製することができる。ここで、単量体組成物中の各単量体の割合は、通常、結着材中の各単量体単位の割合と同様とする。
そして、重合方法及び重合反応としては、特に限定されず、例えば、上述した粒子状重合体の重合方法で挙げた重合方法及び重合反応を用いることができる。
また、結着材の形状は、粒子状であってもよく、非粒子状であってもよいが、機能層に含まれる成分が脱落することを良好に抑制する観点からは、結着材の形状は粒子状であることが好ましい。
<<耐熱性微粒子>>
ここで、機能層中に含まれる耐熱性微粒子としては、特に限定されることなく、電気化学素子の使用環境下で安定に存在し電気化学的に安定である、無機材料からなる微粒子(即ち、無機微粒子)及び有機材料からなる微粒子(即ち、有機微粒子)が挙げられる。
なお、耐熱性微粒子としては、無機微粒子及び有機微粒子をそれぞれ単独で使用してもよいし、無機微粒子と有機微粒子を組み合わせて使用してもよい。
[無機微粒子]
無機微粒子としては、酸化アルミニウム(アルミナ、Al2O3)、酸化アルミニウムの水和物(ベーマイト、AlOOH)、ギブサイト(Al(OH)3)、酸化ケイ素、酸化マグネシウム(マグネシア)、水酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化チタン(チタニア)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、ZrO、アルミナ-シリカ複合酸化物等の無機酸化物粒子;窒化アルミニウム、窒化ホウ素等の窒化物粒子;シリコン、ダイヤモンド等の共有結合性結晶粒子;硫酸バリウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム等の難溶性イオン結晶粒子;タルク、モンモリロナイト等の粘土微粒子;などが挙げられる。これらの粒子は、必要に応じて元素置換、表面処理、固溶体化等が施されていてもよい。なお、無機微粒子は、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
[有機微粒子]
有機微粒子は、上述した所定の粒子状重合体及び結着材とは異なり、接着性を有さない重合体からなる微粒子である。
ここで、有機微粒子としては、架橋ポリメタクリル酸メチル、架橋ポリスチレン、架橋ポリジビニルベンゼン、スチレン-ジビニルベンゼン共重合体架橋物、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ベンゾグアナミン-ホルムアルデヒド縮合物などの各種架橋高分子粒子や、ポリスルフォン、ポリアクリロニトリル、ポリアラミド、ポリアセタール、熱可塑性ポリイミドなどの耐熱性高分子粒子、並びにこれらの変性体及び誘導体が挙げられる。なお、有機微粒子は、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
なお、上述した通り、有機微粒子は接着性を有さない重合体で構成される。具体的に、有機微粒子を構成する重合体のガラス転移温度は、150℃以上であることが好ましい。
上述した耐熱性微粒子の中でも、積層体からなる素子部材の耐熱性を更に向上させる観点から、無機微粒子、ガラス転移温度が150℃以上である重合体で構成される有機微粒子が好ましく、無機微粒子がより好ましく、アルミナからなる粒子(アルミナ粒子)、ベーマイトからなる粒子(ベーマイト粒子)、硫酸バリウムからなる粒子(硫酸バリウム粒子)、及び水酸化マグネシウムからなる粒子(水酸化マグネシウム粒子)が更に好ましい。
[耐熱性微粒子の性状]
耐熱性微粒子は、体積平均粒子径が、0.1μm以上であることが好ましく、0.2μm以上であることがより好ましく、0.3μm以上であることが更に好ましく、1.0μm以下であることが好ましく、0.9μm以下であることがより好ましく、0.8μm以下であることが更に好ましい。耐熱性微粒子の体積平均粒子径が0.1μm以上であれば、機能層中で耐熱性微粒子が過度に密に充填されることに起因して機能層のイオン伝導性が低下するのを抑制し、電気化学素子に優れた出力特性を発揮させることができる。一方、耐熱性微粒子の体積平均粒子径が1.0μm以下であれば、機能層を薄くした場合でも、当該機能層を備える積層体からなる素子部材に優れた耐熱性を十分に発揮させることができる。したがって、素子部材の耐熱性を十分に確保しつつ、電気化学素子の容量を高めることができる。
<耐熱性微粒子と粒子状重合体との混合比率>
そして、機能層用組成物中の耐熱性微粒子と粒子状重合体との混合比率は、体積比(耐熱性微粒子:粒子状重合体)で、75:25~60:40であることが好ましく、70:30~65:35であることがより好ましい。耐熱性微粒子と粒子状重合体との混合比率が体積比で上記範囲内であれば、機能層の耐熱性と接着性のバランスが良好になる。
<その他の成分>
機能層用組成物は、上述した成分以外に、任意のその他の成分を含んでいてもよい。その他の成分は、電気化学素子における電気化学反応に影響を及ぼさないものであれば特に限定されず、例えば、分散剤、粘度調整剤、濡れ剤などの既知の添加剤が挙げられる。これらのその他の成分は、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。
<電気化学素子機能層用組成物の調製方法>
機能層用組成物の調製方法は、特に限定されることなく、例えば、上述した粒子状重合体と、結着材と、耐熱性微粒子と、分散媒としての水と、必要に応じて用いられるその他の成分とを混合することにより調製できる。なお、水系溶媒中で単量体組成物を重合して粒子状重合体や結着材を調製した場合には、粒子状重合体や結着材は、水分散体の状態でそのまま他の成分と混合してもよい。また、粒子状重合体や結着材を水分散体の状態で混合する場合には、水分散体中の水を分散媒として用いてもよい。
ここで、上述した成分の混合方法は特に制限されないが、各成分を効率よく分散させるべく、混合装置として分散機を用いて混合を行うことが好ましい。そして、分散機は、上記成分を均一に分散及び混合できる装置が好ましい。分散機としては、ボールミル、サンドミル、顔料分散機、擂潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサーなどが挙げられる。
さらに、上述した所定の粒子状重合体を耐熱性微粒子及び結着剤と混合することに先立って、ノニオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、及び両性界面活性剤などの分散剤と予混合することが好ましい。分散剤としては、これらの中でも、アニオン性界面活性剤を好適に用いることができる。アニオン性界面活性剤の具体例としては、ナトリウムラウリルサルフェート、アンモニウムラウリルサルフェート、ナトリウムドデシルサルフェート、アンモニウムドデシルサルフェート、ナトリウムオクチルサルフェート、ナトリウムデシルサルフェート、ナトリウムテトラデシルサルフェート、ナトリウムヘキサデシルサルフェート、ナトリウムオクタデシルサルフェートなどの高級アルコールの硫酸エステル塩;ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ラウリルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ヘキサデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムなどのアルキルベンゼンスルホン酸塩;ラウリルスルホン酸ナトリウム、ドデシルスルホン酸ナトリウム、テトラデシルスルホン酸ナトリウムなどの脂肪族スルホン酸塩;などが挙げられる。そして、分散剤の配合量は、粒子状重合体100質量部に対して、0.01質量部以上が好ましく、0.05質量部以上がより好ましく、0.1質量部以上がさらに好ましく、0.5質量部以下が好ましく、0.4質量部以下がより好ましく、0.3質量部以下がさらに好ましい。そして、分散剤の配合量が上記下限値以上であれば、機能層中における粒子状重合体の偏在を抑制し、得られる電気化学素子のサイクル特性を高めることができる。分散剤の配合量が上記上限値以下であれば、得られる電気化学素子の内部抵抗が上昇することを抑制することができ、出力特性の悪化を抑制することができる。
(電気化学素子用積層体)
電気化学素子用積層体は、基材と、上述した機能層用組成物を用いて基材上に形成された電気化学素子用機能層とを備える。電気化学素子用機能層には、少なくとも、上述した粒子状重合体、結着材、耐熱性微粒子と、必要に応じて用いられるその他の成分とが含まれている。なお、機能層中に含まれている各成分は、上記機能層用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、機能層用組成物中の各成分の好適な存在比と同じである。電気化学素子用積層体は、上述した機能層用組成物を用いて形成された機能層を備えるため、保管後のプロセス接着性に優れる。
<基材>
基材は、本発明の積層体を用いる電気化学素子部材の種類に応じて適宜選択すればよい。例えば、本発明の積層体をセパレータとして用いる場合、基材としてはセパレータ基材を使用する。また例えば、本発明の積層体を電極として用いる場合、基材としては電極基材を使用する。
<<セパレータ基材>>
セパレータ基材としては、特に限定されず、有機セパレータ基材などの既知のセパレータ基材が挙げられる。有機セパレータ基材は、有機材料からなる多孔性部材であり、有機セパレータ基材の例を挙げると、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリ塩化ビニル等のポリオレフィン系樹脂、芳香族ポリアミド樹脂などを含む微多孔膜又は不織布などが挙げられる。
これらの中でも、電気化学素子内の電極活物質の比率を高くして体積当たりの容量を高くすることができるという観点から、ポリオレフィン系樹脂からなる微多孔膜が好ましい。
なお、セパレータ基材の厚さは、任意の厚さとすることができ、好ましくは5μm以上30μm以下であり、より好ましくは5μm以上20μm以下であり、更に好ましくは5μm以上18μm以下である。
<<電極基材>>
電極基材(正極基材及び負極基材)としては、特に限定されないが、集電体上に電極合材層が形成された電極基材が挙げられる。
ここで、集電体、電極合材層中の電極活物質(正極活物質、負極活物質)及び電極合材層用結着材(正極合材層用結着材、負極合材層用結着材)、並びに、集電体上への電極合材層の形成方法には、既知のものを用いることができ、例えば特開2013-145763号公報に記載のものを用いることができる。
<積層体の製造方法>
本発明の積層体を製造する方法は、特に限定されず、例えば離型シート上に機能層を形成し、当該機能層を基材上に転写するといった方法を用いることもできる。しかしながら、転写の作業を不要とし製造効率を高める観点から、積層体は、機能層用組成物を基材上に供給する工程(供給工程)と、基材上に供給された機能層用組成物を乾燥する工程(乾燥工程)を経て製造することが好ましい。
<<供給工程>>
供給工程では、上述した本発明の機能層用組成物を基材上に供給して、当該基材上に機能層用組成物の被膜を形成する。基材上に機能層用組成物を供給する方法は、特に限定されず、機能層用組成物を基材の表面に塗布してもよいし、機能層用組成物に基材を浸漬させてもよい。そして、製造される機能層の厚みを制御し易いことから、機能層用組成物を基材の表面に塗布することが好ましい。
機能層用組成物を基材の表面に塗布する方法としては、特に制限は無く、例えば、ドクターブレード法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビアコート法、バーコート法、エクストルージョン法、ハケ塗り法などの方法が挙げられる。
なお、供給工程においては、基材の一方の面のみに機能層用組成物の被膜を形成してもよいし、基材の両面に機能層用組成物の被膜を形成してもよい。
<<乾燥工程>>
乾燥工程では、供給工程で基材上に形成された機能層用組成物の被膜を乾燥して分散媒を除去し、機能層を形成する。
機能層用組成物の被膜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。乾燥条件は特に限定されないが、乾燥温度は好ましくは50~150℃で、乾燥時間は好ましくは1~30分である。
なお、本発明の積層体を製造するに際しては、基材の一方の面に対して、供給工程及び乾燥工程を実施して機能層を形成した後に、更に、基材の他方の面に対して、供給工程及び乾燥工程を実施して機能層を形成してもよい。
ここで、機能層用組成物を用いて形成した機能層において、通常、複数の耐熱性微粒子が機能層の厚み方向に積み重なるようにして配置されている。そして、耐熱性微粒子が機能層の厚み方向に積み重なってなる層(以下、「耐熱性微粒子層」ともいう。)の厚みは、好ましくは0.5μm以上、より好ましくは0.8μm以上、更に好ましくは1μm以上であり、好ましくは6μm以下、より好ましくは5μm以下、更に好ましくは3.5μm以下である。耐熱性微粒子層の厚みが上記下限以上であれば、機能層の耐熱性が極めて良好となる。一方、耐熱性微粒子層の厚みが上記上限以下であれば、機能層のイオン拡散性を確保して、電気化学素子の出力特性を更に高めることができる。
(電気化学素子)
本発明の電気化学素子は、電極と、セパレータを備え、電極とセパレータの少なくとも一方として、上述した本発明の積層体を備えることを特徴とする。本発明の電気化学素子は、電極とセパレータの少なくとも何れかの素子部材として上述した本発明の積層体を用いているため、電気化学特性に優れる。
そして、本発明の電気化学素子は、特に限定されることなく、例えば、リチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ及びリチウムイオンキャパシタであり、好ましくはリチウムイオン二次電池である。
ここで、以下では、本発明の電気化学素子の一例としてのリチウムイオン二次電池を挙げつつ、当該リチウムイオン二次電池のセパレータとして、上述した本発明の積層体を用いた場合について説明するが、本発明の電気化学素子はこれに限定されるものではない。
<正極及び負極>
正極及び負極としては、「基材」の項で上述した既知の電極基材(正極基材及び負極基材)からなる電極を用いることができる。
<電解液>
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。支持電解質としては、例えば、リチウムイオン二次電池においては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等が挙げられる。なかでも、溶媒に溶けやすく高い解離度を示すことから、LiPF6、LiClO4、CF3SO3Liが好ましい。なお、電解質は1種を単独で用いてもよく、2種以上を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。
電解液に使用する有機溶媒としては、支持電解質を溶解できるものであれば特に限定されないが、例えばリチウムイオン二次電池においては、ジメチルカーボネート(DMC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、メチルエチルカーボネート(エチルメチルカーボネート(EMC))、ビニレンカーボネート等のカーボネート類;γ-ブチロラクトン、ギ酸メチル等のエステル類;1,2-ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等のエーテル類;スルホラン、ジメチルスルホキシド等の含硫黄化合物類;等が好適に用いられる。
またこれらの溶媒の混合液を用いてもよい。中でも、誘電率が高く、安定な電位領域が広いことから、カーボネート類が好ましい。通常、用いる溶媒の粘度が低いほどリチウムイオン伝導度が高くなる傾向があるので、溶媒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してもよい。
<電気化学素子の製造方法>
本発明の電気化学素子を製造する方法は、特に限定されない。例えば、上述した本発明の電気化学素子の一例としてのリチウムイオン二次電池は、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、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で製造することができる。なお、正極、負極、セパレータのうち、少なくとも一つの素子部材を本発明の積層体とする。また、電池容器には、必要に応じてエキスパンドメタルや、ヒューズ、PTC素子などの過電流防止素子、リード板などを入れ、電池内部の圧力上昇、過充放電の防止をしてもよい。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。
また、複数種類の単量体を共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構造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。
実施例及び比較例において、各種属性の測定及び評価は、以下に従って実施した。
<粒子状重合体及び結着材のガラス転移温度>
実施例及び比較例で調製した粒子状重合体及び結着材を測定試料とした。測定試料10mgをアルミパンに計量し、示差熱分析測定装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー社製「EXSTAR DSC6220」)にて、リファレンスとして空のアルミパンを用い、測定温度範囲-100℃~500℃の間で、昇温速度10℃/分で、JIS Z 8703に規定された条件下で測定を実施し、示差走査熱量分析(DSC)曲線を得た。この昇温過程で、微分信号(DDSC)が0.05mW/分/mg以上となるDSC曲線の吸熱ピークが出る直前のベースラインと、吸熱ピーク後に最初に現れる変曲点でのDSC曲線の接線との交点を、ガラス転移温度(℃)として求めた。
なお、内核部、中間部、及び外殻部などの多層構造を有する粒子状重合体については、以下のようにして調製した測定試料を用いた。すなわち、各部の形成に用いた単量体及び各種添加剤等を使用し、各部の重合条件と同様の重合条件で、測定試料となる重合体を含む水分散液をそれぞれ調製した。そして、調製した水分散液を乾固させて、測定試料とした。
<結着材の体積平均粒子径>
実施例で調製した結着材の体積平均粒子径は、レーザー回折法にて測定した。具体的には、調製した結着材を含む水分散溶液(固形分濃度0.1質量%に調整)を試料とした。そして、レーザー回折式粒子径分布測定装置(ベックマン・コールター社製、「LS-230」)を用いて測定された粒子径分布(体積基準)において、小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径D50を、体積平均粒子径とした。
<粒子状重合体の体積平均粒子径>
実施例及び比較例で調製した粒子状重合体を測定試料とした。測定試料0.1g相当量を秤量し、ビーカーに取り、分散剤としてアルキルベンゼンスルホン酸水溶液(富士フイルム社製、「ドライウエル」)0.1mLを加えた。上記ビーカーに、更に、希釈液(ベックマン・コールター社製、「アイソトンII」)を10~30mL加え、20W(Watt)の超音波分散機で3分間分散させた。その後、粒径測定機(ベックマン・コールター社製、「マルチサイザー」)を用いて、アパーチャー径:20μm、媒体:アイソトンII、測定粒子個数:100,000個の条件下で、測定試料の体積平均粒子径を測定した。体積平均粒子径としては、小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径(D50)を採用した。
<耐熱性微粒子の体積平均粒子径>
レーザー回折法にて測定した粒子径分布(体積基準)において、小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径(D50)を、耐熱性微粒子の体積平均粒子径とした。
<耐熱性微粒子層の厚み>
機能層付きセパレータの断面を、上記電界放出型走査電子顕微鏡(FE-SEM)を用いて観察し、得られたSEM画像から、耐熱性微粒子層の厚みを算出した。なお、耐熱性微粒子層の厚みは、機能層が形成されたセパレータ基材の表面から鉛直方向に最も離れた耐熱性微粒子までの距離とした。
<機能層中の粒子状重合体の体積平均粒子径と耐熱性微粒子層の厚みとの比>
上述のようにして得た機能層中の粒子状重合体の体積平均粒子径、及び耐熱性微粒子層の厚みに基づいて、機能層中の粒子状重合体の体積平均粒子径と耐熱性微粒子層の厚みとの比(粒子状重合体の体積平均粒子径/耐熱性微粒子層の厚み)を求めた。
<耐熱性微粒子と粒子状重合体との体積比及び質量比>
スラリー組成物を調製した際の耐熱性微粒子(アルミナ/有機微粒子)及び粒子状重合体の仕込量から、耐熱性微粒子と粒子状重合体との体積比(耐熱性微粒子/粒子状重合体)及び質量比(耐熱性微粒子/粒子状重合体)を求めた。なお、アルミナの密度は4g/cm3として計算した。また、実施例12にて耐熱性微粒子として用いた有機微粒子の密度は1として計算した。
<ドライ接着性>
実施例及び比較例で作成した正極、負極、及び機能層付きセパレータを、それぞれ10mm幅、長さ50mm幅に切り出し、正極及び機能層付きセパレータを積層させ、温度60℃、荷重8kN/m、プレス速度30m/分の条件で、ロールプレスを用いてプレスし、正極と機能層付きセパレータとを一体化させた一体化物を得た。なお、正極と機能層付きセパレータの表面とが向き合うようにして積層させた。なお、機能層付きセパレータは作製直後のものを使用した。
得られた一体化物を、正極の集電体側の面を下にして、電極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に規定されるものを用いた。また、セロハンテープは水平な試験台に固定しておいた。その後、機能層付きセパレータ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。
また、実施例及び比較例で作製した負極に対しても、正極を用いた場合と同様の操作を行い、応力を測定した。なお、負極と機能層付きセパレータの裏面とが向き合うようにして積層させた。
上述の応力の測定を、正極及び機能層付きセパレータの一体化物、並びに、負極及び機能層付きセパレータの一体化物でそれぞれ3回、計6回行い、応力の平均値を求めて、得られた平均値をピール強度(N/m)とした。
そして、算出されたピール強度を用いて、以下の基準により電極と機能層付きセパレータとのドライ接着性を評価した。ピール強度が大きいほど、機能層がドライ接着性(二次電池の製造プロセス中の、電解液に浸漬していない状態における機能層を介した電池部材同士の接着性)に優れることを示す。
A:ピール強度3N/m以上
B:ピール強度2N/m以上3N/m未満
C:ピール強度1N/m以上2N/m未満
D:ピール強度1N/m未満
<保管後のプロセス接着性>
実施例及び比較例で作成した正極、負極、及び機能層付きセパレータを、それぞれ10mm幅、長さ50mm幅に切り出し、正極及び機能層付きセパレータを積層させ、温度60℃、荷重8kN/m、プレス速度30m/分の条件で、ロールプレスを用いてプレスし、正極と機能層付きセパレータとを一体化させた一体化物を得た。なお、正極と機能層付きセパレータの表面とが向き合うようにして積層させた。なお、機能層付きセパレータとしては、40℃50%RHの条件下に載置して、168時間経過したものを使用した。
得られた一体化物を、正極の集電体側の面を下にして、電極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に規定されるものを用いた。また、セロハンテープは水平な試験台に固定しておいた。その後、機能層付きセパレータ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。
また、実施例及び比較例で作製した負極に対しても、正極を用いた場合と同様の操作を行い、応力を測定した。なお、負極と機能層付きセパレータの裏面とが向き合うようにして積層させた。
上述の応力の測定を、正極及び機能層付きセパレータの一体化物、並びに、負極及び機能層付きセパレータの一体化物でそれぞれ3回、計6回行い、応力の平均値を求めて、得られた平均値をピール強度(N/m)とした。
そして、算出されたピール強度を用いて、以下の基準により電極と機能層付きセパレータとの接着性を評価した。ピール強度が大きいほど、機能層が保管後プロセス接着性(二次電池の製造プロセス中、機能層の形成後に所定時間の保管を経た後、電解液に浸漬していないドライな状態における機能層を介した電池部材同士の接着性)に優れることを示す。
A:ピール強度3N/m以上
B:ピール強度2N/m以上3N/m未満
C:ピール強度1N/m以上2N/m未満
D:ピール強度1N/m未満
<機能層の耐ブロッキング性>
実施例及び比較例で作製した機能層付きセパレータを幅4cm×長さ4cmのサイズに2枚切り出して試験片とした。得られた2枚の試験片を、機能層側が対向するようにして重ね合わせた後に、温度40℃、荷重8kNで平板プレスを用いて、2分間プレスしてプレス体を得た。得られたプレス体の一方端を固定し、プレス端の他方端を引張速度50mm/分で鉛直上方に引っ張って剥がしたときの応力を測定し、得られた応力をブロッキング強度とした 。そして、ブロッキング強度を、以下の基準で評価した。ブロッキング強度が小さいほど、機能層はブロッキングの発生を良好に抑制する、即ち、機能層の耐ブロッキング性が高いことを示す。
A:2N/m未満
B:2N/m以上3N/m未満
C:3N/m以上4N/m未満
D:4N/m以上
<電解液注液性>
実施例及び比較例で作製したリチウムイオン二次電池に電解液を注液した。そして、リチウムイオン二次電池の内部を-100kPaまで減圧しその状態で1分間保持した。その後ヒートシールを実施した。そして10分後に電極(正極)を解体し、電極における電解液の含浸状態を目視で確認した。そして以下の基準により評価した。電極において、電解液が含浸されている部分が多いほど、電解液注液性が高いことを示す。
A:電解液が電極のすべての面に含浸されている。
B:電極において、電解液が含浸されていない部分が、1cm2未満残っている(すべての面に含浸されていることを除く)。
C:電極において、電解液が含浸されていない部分が、1cm2以上残っている。
<二次電池のサイクル特性>
実施例及び比較例で作製したリチウムイオン二次電池を、電解液注液後、温度25℃で5時間静置した。次に、温度25℃、0.2Cの定電流法にて、セル電圧3.65Vまで充電し、その後、温度60℃で12時間エージング処理を行った。そして、温度25℃、0.2Cの定電流法にて、セル電圧3.00Vまで放電した。その後、0.2Cの定電流法にて、CC-CV充電(上限セル電圧4.20V)を行い、0.2Cの定電流法にて3.00VまでCC放電した。この0.2Cにおける充放電を3回繰り返し実施した。
その後、温度25℃の環境下、セル電圧4.20-3.00V、1.0Cの充放電レートにて充放電の操作を100サイクル行った。その際、第1回目のサイクルの放電容量をX1,第100回目のサイクルの放電容量をX2と定義した。
そして、放電容量X1及び放電容量X2を用いて、容量維持率ΔC´=(X2/X1)×100(%)を求め、以下の基準により評価した。容量維持率ΔC´の値が大きいほど、二次電池が100サイクル時のサイクル特性に優れていることを示す。なお、二次電池の100サイクル時のサイクル特性が優れているのは、二次電池が備える機能層が電解液を良好に保持し得るためと推察される。
A:容量維持率ΔC´が93%以上
B:容量維持率ΔC´が90%以上93%未満
C:容量維持率ΔC´が90%未満
(実施例1)
<粒子状重合体(A)の調製>
[内核部用単量体組成物(A)の調製]
芳香族ビニル単量体としてのスチレン40.8部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルヘキシルアクリレート7.15部、及び架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート0.05部を混合し内核部単量体組成物(A)を調製した。
[中間部用単量体組成物(B)の調製]
芳香族ビニル単量体としてのスチレン20.8部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルヘキシルアクリレート8部、エポキシ基含有不飽和単量体としてのグリシジルメタクリレート3.2部を混合し中間部用単量体組成物(B)を調製した。
[外殻部用単量体組成物(C)の調製]
(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのメチルメタクリレート19部、架橋性単量体としてのアリルメタクリレート1部を混合し、外殻部用単量体組成物(C)を調製した。
[金属水酸化物の調製]
イオン交換水200部に塩化マグネシウム8.0部を溶解してなる水溶液(A1)に、イオン交換水50部に水酸化ナトリウム5.6部を溶解してなる水溶液(A2)を攪拌下で徐々に添加して、金属水酸化物としての水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(A)を調製した。
[懸濁重合法]
懸濁重合法により粒子状重合体を調製した。具体的には、上記水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(A)に、上述のようにして得た内核部用単量体組成物(A)を投入し、更に攪拌した後、重合開始剤としてのt-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート(日油社製、「パーブチルO」)2.0部を添加して混合液を得た。得られた混合液を、インライン型乳化分散機(太平洋機工社製、「キャビトロン」)を用いて15,000rpmの回転数で1分間高剪断攪拌して、水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(A)中に、内核部用単量体組成物(A)の液滴を形成した。
上記内核部用単量体組成物(A)の液滴が形成された、水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(A)を反応器に入れ、90℃に昇温して重合反応を行なった。重合転化率が90%以上となったときに、中間部用単量体組成物(B)を添加した。中間部用単量体組成物(B)添加後、再び重合転化率が95%以上となった段階で外殻部用単量体組成物(C)及びイオン交換水10部に溶解した外殻部用重合開始剤である2,2’-アゾビス〔2-メチル-N-(2-ヒドロキシエチル)-プロピオンアミド〕(和光純薬社製、商品名:VA-086、水溶性開始剤)0.1部を添加し、90℃で4時間反応を継続した後、水冷して反応を停止しその後、粒子状重合体を含む水分散液を得た。
更に、上記粒子状重合体を含む水分散液を攪拌しながら、室温(25℃)下で硫酸を滴下し、pHが6.5以下となるまで酸洗浄を行った。次いで、濾過分離を行い、得られた固形分にイオン交換水500部を加えて再スラリー化させて、水洗浄処理(洗浄、濾過及び脱水)を数回繰り返し行った。それから、濾過分離を行い、得られた固形分を乾燥器の容器内に入れ、40℃で48時間乾燥を行い、乾燥した粒子状重合体を得た。
得られた粒子状重合体のガラス転移温度、体積平均粒子径を測定した。結果を表1に示す。
<結着材(α)を含む水分散液の調製>
攪拌機を備えた反応器に、イオン交換水70部、乳化剤としてのラウリル硫酸ナトリウム(花王ケミカル社製、「エマール(登録商標)2F」)0.15部、及び重合開始剤としての過硫酸アンモニウム0.5部を供給し、気相部を窒素ガスで置換し、60℃に昇温した。
一方、別の容器で、イオン交換水50部、分散安定剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.5部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのn-ブチルアクリレート94部、酸基含有単量体としてのメタクリル酸2部、及びニトリル基含有単量体としてのアクリロニトリル2部、並びに架橋性単量体としてのアリルメタクリレート1部及びエポキシ基含有不飽和単量体としてのアリルグリシジルエーテル1部を混合して、単量体組成物(α)を調製した。
得られた単量体組成物(α)を4時間かけて上述した攪拌機を備えた反応器に連続的に添加して重合を行った。添加中は、60℃で反応を行った。添加終了後、更に70℃で3時間攪拌してから反応を終了し、アクリル重合体としての粒子状の結着材(α)を含む水分散液を得た。得られた結着材(α)は、体積平均粒子径が0.25μmであり、ガラス転移温度は-40℃であった。
<スラリー組成物(機能層用組成物)の調製>
耐熱性微粒子としてのアルミナ(住友化学社製、「AKP3000」、体積平均粒子径:0.7μm)100部に、水溶性重合体としてのポリアクリル酸0.5部を添加し、固形分濃度が55%となるようにイオン交換水を加え、ボールミルを用いて混合し、混合前スラリーを得た。
粒子状重合体100部に対して、分散剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム(花王ケミカル社製、「ネオぺレックスG-15」)0.2部を加えた。さらに、耐熱性微粒子100部に対して結着材(α)を含む水分散液を固形分相当で6部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース1.5部とを、固形分濃度が40%となるように混合し、得られた混合液を、上記のようにして得た混合前スラリーに加えた。更に固形分濃度が40%となるようにイオン交換水を添加して、スラリー組成物(機能層用組成物)を得た。
なお、スラリー組成物中の耐熱性微粒子(アルミナ)と粒子状重合体との体積比(耐熱性微粒子/粒子状重合体)は70/30であった。
<機能層付きセパレータの作製(グラビアコート法)>
ポリエチレン製の微多孔膜(厚み:12μm)をセパレータ基材として用意した。そして、ロール・ツー・ロール方式にて、このセパレータ基材の一方の面への上記スラリー組成物の塗布、セパレータ基材上に形成された塗膜(被膜)の乾燥、及び、プレ機能層が形成されたセパレータ基材の搬送、及び回収用ロールへの巻き取りによる回収を連続的に実施した。なお、セパレータ基材の一方の面へのスラリー組成物の塗布は、グラビアコート法にて実施した。また、塗膜の乾燥は50℃で実施した。そして、セパレータ基材の搬送速度は、15m/分に設定した。なお、セパレータ基材の搬送時に、プレ機能層が形成されたセパレータ基材の長手方向に20N/mm2の張力を加えた。そして、上記と同様の操作をセパレータ基材の他方の面に対しても行い、セパレータ基材の両面にそれぞれ耐熱性微粒子層の厚みが2.0μmである機能層を備える機能層付きセパレータを作製した。ドライ接着性評価用のサンプル以外は40℃50%RHの条件で168時間保管した。その後、各評価に使用した。
<正極の作製>
正極活物質としてのLiCoO2(体積平均粒子径:12μm)を100部、導電材としてのアセチレンブラック(電気化学工業社製、「HS-100」)を2部、正極合材層用結着材としてのポリフッ化ビニリデン(クレハ社製、「#7208」)を固形分相当で2部、及び溶媒としてのN-メチルピロリドンを混合し、全固形分濃度を70%とした。これらをプラネタリーミキサーにより混合し、正極用スラリー組成物を調製した。
上記正極用スラリー組成物を、コンマコーターで、集電体としての厚さ20μmのアルミ箔の上に、乾燥後の膜厚が150μm程度になるように塗布し、乾燥させた。この乾燥は、アルミ箔を0.5m/分の速度で60℃のオーブン内を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、プレス前の正極原反を得た。このプレス前の正極原反をロールプレスで圧延して、正極合材層(厚さ:60μm)を備えるプレス後の正極を得た。
<負極の作製>
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、1,3-ブタジエン33部、イタコン酸3.5部、スチレン63.5部、乳化剤としての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部及び重合開始剤としての過硫酸カリウム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、負極合材層用結着材(SBR)を含む混合物を得た。この負極合材層用結着材を含む混合物に、5%水酸化ナトリウム水溶液を添加して、pH8に調整後、加熱減圧蒸留によって未反応単量体の除去を行った。その後、30℃以下まで冷却し、所望の負極合材層用結着材を含む水分散液を得た。
負極活物質(1)としての人造黒鉛(体積平均粒子径:15.6μm)80部、負極活物質(2)としてシリコン系活物質SiOx(体積平均粒径:4.9μm)16部を配合し、粘度調整剤としてのカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(日本製紙社製、「MAC350HC」)の2%水溶液を固形分相当で2.5部、及びイオン交換水を混合して固形分濃度68%に調整した後、25℃で60分間さらに混合した。更にイオン交換水で固形分濃度を62%に調整した後、25℃で15分間さらに混合し、混合液を得た。この混合液に、上記負極合材層用結着材を含む水分散液を固形分相当量で1.5部、及びイオン交換水を入れ、最終固形分濃度が52%となるように調整し、さらに10分間混合し、混合液を得た。この混合液を減圧下で脱泡処理して流動性の良い負極用スラリー組成物を得た。
上記負極用スラリー組成物を、コンマコーターで、集電体としての厚さ20μmの銅箔の上に、乾燥後の膜厚が150μm程度になるように塗布し、乾燥させた。この乾燥は、銅箔を0.5m/分の速度で60℃のオーブン内を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、プレス前の負極原反を得た。このプレス前の負極原反をロールプレスで圧延して、負極合材層(厚さ:80μm)を備えるプレス後の負極を得た。
上述のようにして得た機能層付きセパレータを用いて、機能層中の粒子状重合体の体積平均粒子、耐熱性微粒子層の厚み、並びに耐熱性微粒子層の厚みに対する粒子状重合体の体積平均粒子径の比を求めた。また、上述のようにして得た機能層付きセパレータ、正極、及び負極を用いて、機能層のドライ接着性、セパレータ保管後のプロセス接着性及び耐ブロッキング性を評価した。結果を表1に示す。
<リチウムイオン二次電池の作製>
上述のようにして作製したプレス後の正極を49cm×5cmの長方形に切り出して、正極合材層側の表面が上側になるように置き、その正極合材層上に、120cm×5.5cmに切り出した上記機能層付きセパレータを、正極が機能層付きセパレータの長手方向の一方側に位置するように配置した。更に、上述のようにして作製したプレス後の負極を50cm×5.2cmの長方形に切り出し、機能層付きセパレータ上に、負極合材層側の表面が機能層付きセパレータに対向し、且つ、負極が機能層付きセパレータの長手方向の他方側に位置するように配置した。このとき、機能層付きセパレータの表面が正極と向き合い、機能層付きセパレータの裏面が負極と向き合うように配置した。そして、得られた積層体を捲回体によって捲回し、捲回体を得た。
この捲回体を60℃、1MPaでプレスし、扁平体とした後、電池の外装としてのアルミ包材外装で包み、電解液[溶媒:エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート/ビニレンカーボネート(体積比)=68.5/30/1.5、電解質:濃度1molのLiPF6)]を空気が残らないように注入した。そして、アルミ包材外装の開口を温度150℃でヒートシールして閉口して、容量800mAhの捲回型リチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を用いて、二次電池の電解液注液性及びサイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
(実施例2)
実施例1のスラリー組成物の調製において、内核部用単量体組成物(A)に代えて、以下のようにして調製した内核部用単量体組成物(A-2)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、結着材(α)、スラリー組成物、機能層付きセパレータ、正極、及び負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。なお、内核部用単量体組成物(A-2)の調製にあたり、芳香族ビニル単量体としてのスチレン34.56部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルへキシルアクリレート13.39部、架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート0.05部を混合した。
(実施例3)
実施例1のスラリー組成物の調製において、内核部用単量体組成物(A)に代えて、以下のようにして調製した内核部用単量体組成物(A-3)を用い、さらに、中間部用単量体組成物(B)に代えて、以下のようにして調製した中間部用単量体組成物(B-3)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、結着材(α)、スラリー組成物、機能層付きセパレータ、正極、及び負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。なお、内核部用単量体組成物(A-3)の調製にあたり、芳香族ビニル単量体としてのスチレン30.72部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルへキシルアクリレート17.23部、架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート0.05部混合した。また、なお、中間部用単量体組成物(B-3)の調製にあたり、芳香族ビニル単量体としてのスチレン16部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルへキシルアクリレート12.8部、エポキシ基含有不飽和単量体としてのグリシジルメタクリレート3.2部を混合した。
(実施例4)
実施例1のスラリー組成物の調製において、中間部用単量体組成物(B)に代えて、以下のようにして調製した中間部用単量体組成物(B-4)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、結着材(α)、スラリー組成物、機能層付きセパレータ、正極、及び負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。なお、中間部用単量体組成物(B-4)の調製にあたり、中間部用単量体組成物(B-3)の場合と同様に、芳香族ビニル単量体としてのスチレン16部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルへキシルアクリレート12.8部、エポキシ基含有不飽和単量体としてのグリシジルメタクリレート3.2部を混合した。
(実施例5)
実施例1のスラリー組成物の調製において、中間部用単量体組成物(B)に代えて、以下のようにして調製した中間部用単量体組成物(B-5)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、結着材(α)、スラリー組成物、機能層付きセパレータ、正極、及び負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。なお、中間部用単量体組成物(B-5)の調製にあたり、芳香族ビニル単量体としてのスチレン12.8部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルへキシルアクリレート16部、エポキシ基含有不飽和単量体としてのグリシジルメタクリレート3.2部を混合した。
(実施例6)
実施例1のスラリー組成物の調製において、外殻部用単量体組成物(C)に代えて、以下のようにして調製した外殻部用単量体組成物(C-6)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、結着材(α)、スラリー組成物、機能層付きセパレータ、正極、及び負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。なお、外殻部用単量体組成物(C-6)の調製にあたり、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのメチルメタクリレート17部、ブチルアクリレート2部、架橋性単量体としてのアリルメタクリレート1部を混合した。
(実施例7)
実施例1のスラリー組成物の調製において、内核部用単量体組成物(A)に代えて、以下のようにして調製した内核部用単量体組成物(A-7)、中間部用単量体組成物(B)に代えて、中間部用単量体組成物(B-7)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、結着材(α)、スラリー組成物、機能層付きセパレータ、正極、及び負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。なお、内核部用単量体組成物(A-7)の調製にあたり、芳香族ビニル単量体としてのスチレン30.6部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルへキシルアクリレート5.36部、架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート0.04部混合した。中間部用単量体組成物(B-7)の調製にあたり、芳香族ビニル単量体としてのスチレン28.6部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルへキシルアクリレート11部、エポキシ基含有不飽和単量体としてのグリシジルメタクリレート4.4部混合した。
(実施例8)
実施例1のスラリー組成物の調製において、内核部用単量体組成物(A)に代えて、以下のようにして調製した内核部用単量体組成物(A-8)、中間部用単量体組成物(B)に代えて、中間部用単量体組成物(B-8)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、結着材(α)、スラリー組成物、機能層付きセパレータ、正極、及び負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。なお、内核部用単量体組成物(A-8)の調製にあたり、芳香族ビニル単量体としてのスチレン64.6部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルへキシルアクリレート11.32部、架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート0.08部混合した。中間部用単量体組成物(B-8)の調製にあたり、芳香族ビニル単量体としてのスチレン2.6部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルへキシルアクリレート1部、エポキシ基含有不飽和単量体としてのグリシジルメタクリレート0.4部混合した。
(実施例9)
実施例1のスラリー組成物の調製において、内核部用単量体組成物(A)に代えて、以下のようにして調製した内核部用単量体組成物(A-9)、中間部用単量体組成物(B)に代えて、中間部用単量体組成物(B-9)、外殻部用単量体組成物(C)に代えて、外殻部用単量体組成物(C-9)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、結着材(α)、スラリー組成物、機能層付きセパレータ、正極、及び負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。なお、中間部用単量体組成物(B-9)の調製にあたり、芳香族ビニル単量体としてのスチレン15.6部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルへキシルアクリレート6部、エポキシ基含有不飽和単量体としてのグリシジルメタクリレート2.4部混合した。外殻部用単量体組成物(C-9)の調製にあたり、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのメチルメタクリレート38部、架橋性単量体としてのアリルメタクリレート2部を混合した。
(実施例10)
実施例1のスラリー組成物の調製において、内核部用単量体組成物(A)に代えて、以下のようにして調製した内核部用単量体組成物(A-10)、中間部用単量体組成物(B)に代えて、中間部用単量体組成物(B-10)、外殻部用単量体組成物(C)に代えて、外殻部用単量体組成物(C-10)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、結着材(α)、スラリー組成物、機能層付きセパレータ、正極、及び負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定及び評価を行った。結果を表2に示す。なお、内核部用単量体組成物(A-10)の調製にあたり、芳香族ビニル単量体としてのスチレン50.5部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルへキシルアクリレート8.85部、架橋性単量体としてエチレングリコールジメタクリレート0.05部を混合した。中間部用単量体組成物(B-10)の調製にあたり、芳香族ビニル単量体としてのスチレン25.7部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルへキシルアクリレート9.9部、エポキシ基含有不飽和単量体としてのグリシジルメタクリレート4.0部混合した。外殻部用単量体組成物(C-10)の調製にあたり、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのメチルメタクリレート0.95部、架橋性単量体としてアリルメタクリレート0.05部を混合した。
(実施例11)
実施例1のスラリー組成物の調製において、中間部用単量体組成物(B)に代えて、以下のように調製した中間部用単量体組成物(B11-1、B11-2、B11-3)用いた。懸濁重合の際に、内核部用単量体組成物(A)の重合転化率が90%となったとき、中間部用単量体組成物(B11-1)を添加した、その後再び重合転化率が90%以上となった時に、中間部用単量体組成物(B11-2)を添加、再び重合転化率が90%となったときに中間部用単量体組成物(B11-3)を添加したこと以外は、実施例1と同様にして、結着材(α)、スラリー組成物、機能層付きセパレータ、正極、及び負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定及び評価を行った。結果を表2に示す。なお、中間部用単量体組成物(B11-1)の調製にあたり、芳香族ビニル単量体としてのスチレン7.57部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルへキシルアクリレート2.56部、エポキシ基含有不飽和単量体としてのグリシジルメタクリレート0.53部を混合した。中間部用単量体組成物(B11-2)の調製にあたり、芳香族ビニル単量体としてのスチレン6.93部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルへキシルアクリレート2.67部、エポキシ基含有不飽和単量体としてのグリシジルメタクリレート1.07部を混合した。中間部用単量体組成物(B11-3)の調製にあたり、芳香族ビニル単量体としてのスチレン6.08部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルへキシルアクリレート2.99部、エポキシ基含有不飽和単量体としてのグリシジルメタクリレート1.6部を混合した。
(実施例12)
機能層用組成物の調製に際し、耐熱性微粒子として、アルミナ粒子に代えて、以下のようにして調製した有機微粒子を用いた以外は、実施例1と同様にして、粒子状重合体、結着材、機能層用組成物、セパレータ、負極、正極、及びリチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表2に示す。
<有機微粒子(耐熱性微粒子)の調製>
攪拌機を備えた反応器Aに、ドデシル硫酸ナトリウムを0.20部、過硫酸アンモニウムを0.30部、及びイオン交換水を180部入れて混合し混合物とし、65℃に昇温した。一方、別の容器中で、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのn―ブチルアクリレート80.0部、酸基含有単量体としてのメタクリル酸10.0部、ニトリル基含有単量体としてのアクリロニトリル10.0部、ドデシル硫酸ナトリウム0.8部、及びイオン交換水40部を混合して、シード粒子用単量体組成物を調製した。
このシード粒子用単量体組成物を、4時間かけて、上述の反応器Aに連続的に添加して重合反応を行った。シード粒子用単量体組成物の連続添加中における反応器内の温度は、65℃に維持した。また、連続添加終了後、さらに80℃で3時間重合反応を継続させた。これにより、シード粒子の水分散液を得た。なお、シード粒子の体積平均粒子径を結着材と同様にして測定したところ、120nmであった。
次に、攪拌機を備えた反応器に、上述のシード粒子の水分散液を、固形分相当で20部(この内、n-ブチルアクリレート単位は16部、メタクリル酸単位は2部、アクリロニトリル単位は2部)、架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート(共栄社化学株式会社、製品名「ライトエステルEG」)を80部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを0.8部、重合開始剤としてのt-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート(日油社製、製品名「パーブチルO」)を3.2部、及びイオン交換水を160部入れ、35℃で12時間攪拌することで、シード粒子に架橋性単量体及び重合開始剤を完全に吸収させた。その後、反応器内の温度を90℃に維持し、5時間重合反応(シード重合)を行った。
次いで、スチームを導入して未反応の単量体及び開始剤分解生成物を除去し、有機微粒子の水分散液を得た。そして、得られた有機微粒子のガラス転移温度を、粒子状重合体及び結着材と同様の方法で測定したが、測定温度範囲(-100℃~200℃)においてピークが観測されなかった。これにより、有機微粒子のガラス転移温度が200℃超であることを確認した。
(実施例13)
実施例1のスラリー組成物の調製において、内核部用単量体組成物(A)に代えて、以下のようにして調製した内核部用単量体組成物(A-13)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、結着材(α)、スラリー組成物、機能層付きセパレータ、正極、及び負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。なお、内核部用単量体組成物(A-13)の調製にあたり、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのブチルアクリレート9.6部、架橋性単量体としてエチレングリコールジメタクリレート38.4部を混合した。粒子状重合体の内核部のガラス転移温度TgAが、30℃以上であるとともに中間部のガラス転移温度TgBよりも5℃以上高いことを確認した。かかる点以外は実施例1と同様にして、各種測定及び評価を行った。結果を表2に示す。
(比較例1)
<粒子状重合体(A)の調製>
[単量体組成物(A)の調製]
芳香族ビニル単量体としてのスチレン64部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルヘキシルアクリレート35.9部、及び架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート0.1部を混合して、単量体組成物(A)を調製した。
[金属水酸化物の調製]
イオン交換水200部に塩化マグネシウム8部を溶解してなる水溶液(A1)に、イオン交換水50部に水酸化ナトリウム5.6部を溶解してなる水溶液(A2)を攪拌下で徐々に添加して、金属水酸化物としての水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(A)を調製した。
[懸濁重合法]
懸濁重合法により粒子状重合体(A)を調製した。具体的には、上記水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(A)に、上述のようにして得た単量体組成物(A)を投入し、更に攪拌した後、重合開始剤としてのt-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート(日油社製、「パーブチルO」)2.0部を添加して混合液を得た。得られた混合液を、インライン型乳化分散機(太平洋機工社製、「キャビトロン」)を用いて15,000rpmの回転数で1分間高剪断攪拌して、水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(A)中に、単量体組成物(A)の液滴を形成した。
上記単量体組成物(A)の液滴が形成された、水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(A)を反応器に入れ、90℃に昇温して5時間重合反応を行ない、粒子状重合体(A)を含む水分散液を得た。そのほかは実施例1と同様にして、粒子状重合体、結着材、機能層用組成物、セパレータ、負極、正極、及びリチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表2に示す。
(比較例2)
単量体組成物(A)に代えて、以下のようにして調製した単量体組成物(B)を用いたこと以外は、比較例1と同様にして、粒子状重合体を調製した。そして、かかる粒子状重合体をスラリー組成物(機能層用組成物)の調製に際して所定の粒子状重合体に代えて配合した以外は、実施例1と同様の、各種の操作、測定、及び評価を行った。結果を表2に示す。なお、単量体組成物(B)は、芳香族ビニル単量体としてのスチレン85部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルヘキシルアクリレート14.9部、及び架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート0.1部を混合して調製した。
(比較例3)
実施例1のスラリー組成物の調製において、内核部用単量体組成物(A)に代えて、以下のようにして調製した内核部用単量体組成物を用いたこと、中間部用単量体組成物を用いなかったこと、及び外殻部用単量体組成物(C)に変えて、以下のように調製した外殻部用単量体組成物を用いた以外は、実施例1と同様にして、結着材(α)、スラリー組成物、機能層付きセパレータ、正極、及び負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定及び評価を行った。結果を表2に示す。なお、本比較例で用いた内核部用単量体組成物の調製にあたり、芳香族ビニル単量体としてのスチレン51.2部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルヘキシルアクリレート28.7部、及び架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート0.1部を混合した。本比較例で用いた外殻部用単量体組成物の調製にあたり、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのメチルメタクリレート19.1部、架橋性単量体としてのアリルメタクリレート1部混合した。
(比較例4)
内核部用単量体組成物(A)に代えて、以下のようにして調製した内核部用単量体組成物を用いたこと、中間部用単量体組成物を用いなかったこと、及び外殻部用単量体組成物(C)に変えて、以下のように調製した外殻部用単量体組成物を用いた以外は、実施例1と同様にして、結着材(α)、スラリー組成物、機能層付きセパレータ、正極、及び負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定及び評価を行った。結果を表2に示す。なお、本比較例で用いた内核部用単量体組成物の調製にあたり、芳香族ビニル単量体としてのスチレン68部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルヘキシルアクリレート11.9部、及び架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート0.1部を混合した。
(比較例5)
内核部用単量体組成物(A)に代えて、以下のようにして調製した内核部用単量体組成物を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、結着材(α)、スラリー組成物、機能層付きセパレータ、正極、及び負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定及び評価を行った。結果を表2に示す。なお、本比較例で用いた内核部用単量体組成物の調製にあたり、芳香族ビニル単量体としてのスチレン26.4部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルヘキシルアクリレート21.55部、及び架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート0.05部を混合した。
(比較例6)
スラリー組成物(機能層用組成物)を調製するにあたり、以下のようにして調製した粒子状重合体を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、及び負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定及び評価を行った。結果を表2に示す。本比較例で用いた粒子状重合体の調製にあたり、攪拌機を備えた反応器に、イオン交換水100部、過硫酸アンモニウム0.5部を、それぞれ供給し、気相部を窒素ガスで置換し、60℃に昇温した。一方、別の容器で、イオン交換水50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0.3部、芳香族ビニル単量体としてスチレン37.88部、(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体とて2-エチルヘキシルアクリレート8.65部、酸性基含有単量体としてメタクリル酸(MAA)1.4部、架橋性基含有単量体としてエチレンジメタクリレート(EDMA)0.05部を混合して内核部用単量体混合物を得た。この内核部用単量体混合物を4時間かけて前記反応器に連続的に添加して60℃で重合を行った。重合転化率が96%になるまで重合させた。次いで、スチレン19.84部、2-エチルへキシルアクリレート8部、グリシジルメタクリレート3.2部、メタクリル酸0.96部の混合液を2時間かけて前記反応器に連続的に添加したのち、重合転化率が96%になるまで反応した。ついで、80℃に加温した。そして、スチレン3部、メチルメタクリレート15.9部、メタクリル酸1部、及びエチレングリコールジメタクリレート0.1部を混合して得た外殻部用単量体混合物を、その反応系中に30分かけて連続で供給し、重合を継続した。重合転化率が96%になった時点で冷却して反応を停止することにより、粒子状重合体を含む水分散液を調製した。得られた粒子状重合体の体積平均粒子径D50は500nmであった。
<スラリー組成物(機能層用組成物)の調製>
耐熱性微粒子としてのアルミナ(住友化学社製、「AKP3000」、体積平均粒子径:0.7μm)100部に、水溶性重合体としてのポリアクリル酸0.5部を添加し、固形分濃度が55%となるようにイオン交換水を加え、ボールミルを用いて混合し、混合前スラリーを得た。
粒子状重合体100部に対して、分散剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム(花王ケミカル社製、「ネオぺレックスG-15」)0.2部を加えた。さらに、耐熱性微粒子100部に対して結着材(α)を含む水分散液を固形分相当で6部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース1.5部とを、固形分濃度が40%となるように混合し、得られた混合液を、上記のようにして得た混合前スラリーに加えた。更に固形分濃度が40%となるようにイオン交換水を添加して、スラリー組成物(機能層用組成物)を得た。
なお、スラリー組成物中の耐熱性微粒子(アルミナ)と粒子状重合体との体積比(耐熱性微粒子/粒子状重合体)は70/30であった。
なお、表1中、
「ST」は、スチレンを示し、
「2EHA」は、2-エチルヘキシルアクリレートを示し、
「EDMA」は、エチレングリコールジメタクリレートを示し、
「GMA」は、グリシジルメタクリレートを示し、
「MMA」は、メチルメタクリレートを示し、
「AMA」は、アリルメタクリレートを示し、
「BA」は、n-ブチルアクリレートを示し、
「AN」は、アクリロニトリルを示し、
「MAA」は、メタクリル酸を示し、
「AGE」は、アリルグリシジルエーテルを示す。
表1~2より、体積平均粒子径が1.0μm以上10.0μm以下であるとともに、ガラス転移温度が最も低い中間部を、それぞれ、中間部よりも高いガラス転移温度を有する内核部及び外殻部により挟んでなる構造を有する粒子状重合体、結着材、及び、耐熱性微粒子を含む電気化学素子機能層用組成物を用いた実施例1~13では、保管後プロセス接着性に優れる機能層を形成することができたことがわかる。また、構造面で本発明の条件を満たさない粒子状重合体を用いた比較例1~5、体積平均粒子径が1.0μm未満の粒子状重合体を用いた比較例6では、保管後プロセス接着性に優れる機能層を形成することができなかったことが分かる。
本発明によれば、保管後プロセス接着性に優れる機能層を形成することができる、機能層用組成物を提供することができる。
また、本発明によれば、保管後プロセス接着性に優れる機能層を備える電気化学素子用積層体、及び、かかる電気化学素子用積層体を備える電気化学素子を提供することができる。

Claims (8)

  1. 粒子状重合体、結着材、及び、耐熱性微粒子を含む電気化学素子機能層用組成物であって、
    前記粒子状重合体は、体積平均粒子径が1.0μm以上10.0μm以下であるとともに、
    前記粒子状重合体は、内核部及び外殻部と、前記内核部と前記外殻部との間に介在する中間部を含み、
    前記内核部のガラス転移温度TgA及び前記外殻部のガラス転移温度TgCは、それぞれ独立して、30℃以上であり、
    前記中間部のガラス転移温度TgBは10℃以上であり、さらに、
    前記ガラス転移温度TgA、TgB、及びTgCの中で、前記ガラス転移温度TgBが最も低い、
    電気化学素子機能層用組成物。
  2. 前記ガラス転移温度TgBが90℃以下である、請求項1に記載の電気化学素子機能層用組成物。
  3. 前記ガラス転移温度TgAが、前記ガラス転移温度TgBよりも5℃以上高い、請求項1又は2に記載の電気化学素子機能層用組成物。
  4. 前記ガラス転移温度TgCが、60℃以上であるとともに、
    (ガラス転移温度TgB+5℃)≦ガラス転移温度TgC≦(ガラス転移温度TgB+200℃)の関係を満たす、
    請求項1~3のいずれかに記載の電気化学素子機能層用組成物。
  5. 前記内核部と前記中間部との質量比率が95:5~30:70の範囲内である、請求項1~4のいずれかに記載の電気化学素子機能層用組成物。
  6. 前記内核部及び前記中間部の合計質量と、前記外殻部の質量との比率が、99:1~50:50の範囲内である、請求項1~5のいずれかに記載の電気化学素子機能層用組成物。
  7. 基材と、前記基材上に形成された電気化学素子用機能層とを備え、
    前記電気化学素子用機能層は、請求項1~6の何れかに記載の電気化学素子機能層用組成物を用いて形成されてなる、電気化学素子用積層体。
  8. 請求項7に記載された電気化学素子用積層体を備える、電気化学素子。
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