WO2013065738A2 - 全固体二次電池 - Google Patents

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Definitions

  • the alicyclic structure is preferably a structure in which an aromatic ring is hydrogenated, specifically, a saturated cyclic hydrocarbon (cycloalkane) structure, an unsaturated cyclic hydrocarbon (cycloalkene) structure, and the like. From the viewpoint of thermal stability of the polymer, a cycloalkane structure is preferable.
  • the diene polymer is a polymer including a monomer unit derived from a conjugated diene and a monomer unit derived from an aromatic vinyl.
  • conjugated diene and the aromatic vinyl other polymers in the negative electrode active material layer described later are used. The thing similar to what was illustrated in (1) is mentioned.
  • the solid electrolyte layer may include a lithium salt.
  • Lithium salts are composed of Li + cations and anions such as Cl ⁇ , Br ⁇ , BF 4 ⁇ , PF 6 ⁇ , AsF 6 ⁇ , ClO 4 ⁇ , CF 3 SO 3 ⁇ , SCN ⁇ and the like, for example, lithium perchlorate Examples include lithium tetrafluoroborate, lithium hexafluorophosphate, lithium trifluoroacetate, lithium trifluoromethanesulfonate, and the like.
  • the positive electrode active material made of an inorganic compound examples include transition metal oxides, composite oxides of lithium and transition metals, and transition metal sulfides.
  • transition metal Fe, Co, Ni, Mn and the like are used.
  • Specific examples of the inorganic compound used for the positive electrode active material include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 , LiFeVO 4, and other lithium-containing composite metal oxides; TiS 2 , TiS 3 , non- Transition metal sulfides such as crystalline MoS 2 ; transition metal oxides such as Cu 2 V 2 O 3 , amorphous V 2 O—P 2 O 5 , MoO 3 , V 2 O 5 , V 6 O 13 It is done. These compounds may be partially element-substituted.
  • a negative electrode active material is mixed by mixing a polymer serving as a binder, a negative electrode active material, an organic solvent, and other components added as necessary. What is necessary is just to form the slurry composition for substance layers, and to form using the said composition.
  • the negative electrode active material examples include carbon allotropes such as graphite and coke.
  • the negative electrode active material composed of the allotrope of carbon can also be used in the form of a mixture with a metal, a metal salt, an oxide, or the like or a cover.
  • oxides and sulfates such as silicon, tin, zinc, manganese, iron, and nickel
  • lithium alloys such as lithium metal, Li—Al, Li—Bi—Cd, and Li—Sn—Cd, Lithium transition metal nitride, silicone, etc. can be used.
  • the weight ratio of the negative electrode active material is smaller than the above range, the amount of the negative electrode active material in the battery tends to be reduced, leading to a decrease in capacity as a battery.
  • the weight ratio of the inorganic solid electrolyte is less than the above range, sufficient conductivity cannot be obtained, and the negative electrode active material cannot be used effectively, so that the battery capacity tends to be reduced.
  • the slurry composition for the negative electrode active material layer includes the above-described lithium salt, dispersant, leveling agent, antifoaming agent, conductive agent, reinforcing material, and the like as other components added as necessary. Additives that exhibit various functions may be included. These are not particularly limited as long as they do not affect the battery reaction.
  • the positive electrode active material layer slurry composition was applied to the surface of a current collector (aluminum, thickness 15 ⁇ m) and dried (110 ° C., 20 minutes) to form a 50 ⁇ m positive electrode active material layer to produce a positive electrode.
  • the negative electrode active material layer slurry composition is applied to the surface of another current collector (copper, thickness 10 ⁇ m) and dried (110 ° C., 20 minutes) to form a 30 ⁇ m negative electrode active material layer.
  • the solid electrolyte layer laminated on the surface of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer of the negative electrode were bonded together and pressed to obtain an all-solid secondary battery.
  • the thickness of the solid electrolyte layer of the all-solid secondary battery after pressing was 9 ⁇ m. Using this battery, the initial discharge capacity and the high temperature retention characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1.
  • Example 3 Each slurry composition was the same as in Example 1 except that the block copolymer hydride (I) was used instead of the block copolymer hydride (I) as the binder polymer. An all-solid secondary battery was fabricated and evaluated. The results are shown in Table 1.
  • Example 5 Each slurry composition was the same as in Example 1 except that the block copolymer hydride (I) was used in place of the block copolymer hydride (I) as the binder polymer. An all-solid secondary battery was fabricated and evaluated. The results are shown in Table 1.

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Abstract

 【課題】 初期放電容量や高温保持特性に優れる全固体二次電池を提供すること。 【解決手段】 本発明に係る全固体二次電池は、正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極と、固体電解質層とを有する全固体二次電池であって、正極活物質層、負極活物質層または固体電解質層の少なくとも一層に、脂環式構造を含有してなる重合体と無機固体電解質とが含まれることを特徴とする。 

Description

全固体二次電池
 本発明は、全固体リチウムイオン二次電池等の全固体二次電池に関する。
 近年、リチウム電池等の二次電池は、携帯情報端末や携帯電子機器などの携帯端末に加えて、家庭用小型電力貯蔵装置、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車など、様々な用途での需要が増加している。
 用途が広がるに伴い、二次電池の更なる安全性の向上が要求されている。安全性を確保するために、液漏れを防止する方法や、引火性が高く漏洩時の発火危険性が非常に高い有機溶媒電解質に代えて、無機固体電解質を用いる方法が有効である。
 特許文献1には、無機固体電解質として硫化物固体電解質材料と、バインダーとして水素添加スチレン-ブタジエンゴムとを含む電極層を有する全固体二次電池が記載されている。
特開2011-134675号公報
 しかしながら、本発明者らの検討によれば、特許文献1の全固体二次電池では、初期放電容量や高温保持特性等の電池特性が低下するおそれがあることがわかった。
 したがって、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、初期放電容量や高温保持特性に優れる全固体二次電池を提供することを目的とする。
 本発明者らは、上述した課題を解決するべく鋭意検討した結果、全固体二次電池の初期放電容量や高温保持特性等の電池特性が低下する一因が、バインダーとして用いる重合体中の炭素-炭素不飽和結合の存在にあることをつきとめた。特許文献1に記載されている水素添加スチレン-ブタジエンゴムは、その重合体中において、スチレン単位の芳香環は水素化されずに多量に残存していることがわかった。そこで、さらに検討を進めた結果、バインダーとして、脂環式構造を有する重合体を用いることにより、上記課題を解決することを見いだし、本発明を完成するに至った。
 このような課題の解決を目的とした本発明の要旨は以下のとおりである。
〔1〕正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極と、固体電解質層とを有する全固体二次電池であって、
 正極活物質層、負極活物質層または固体電解質層の少なくとも一層に、脂環式構造を含有してなる重合体と無機固体電解質とが含まれることを特徴とする全固体二次電池。
〔2〕前記脂環式構造が、芳香環を水素化した構造である〔1〕に記載の全固体二次電池。
〔3〕前記脂環式構造を含有してなる重合体が、ビニル芳香族系単量体と、該単量体と共重合可能な他の単量体との共重合体を水素化して得られるビニル脂環式炭化水素系重合体であって、
 前記共重合体における全ての炭素-炭素不飽和結合の90%以上を水素化してなるものである〔1〕または〔2〕に記載の全固体二次電池。
〔4〕前記脂環式構造を含有してなる重合体が、芳香環の炭素-炭素不飽和結合を水素化したビニル芳香族系単量体単位を主成分とする重合体ブロック(A)と、炭素-炭素不飽和結合を水素化した鎖状共役ジエン単量体単位を主成分とする重合体ブロック(B)とを有する水素化ブロック共重合体である〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の全固体二次電池。
〔5〕水素化ブロック共重合体全体に占める重合体ブロック(A)の重量分率をwAとし、水素化ブロック共重合体全体に占める重合体ブロック(B)の重量分率をwBとしたときに、wAとwBとの比(wA:wB)が、20:80~60:40である〔4〕に記載の全固体二次電池。
〔6〕脂環式構造を含有してなる重合体の重量平均分子量が、30,000~200,000である〔1〕~〔5〕のいずれかに記載の全固体二次電池。
〔7〕前記無機固体電解質が、LiSとPとからなる硫化物ガラスおよび/または硫化物ガラスセラミックスである〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の全固体二次電池。
 本発明によれば、脂環式構造を含有してなる重合体を用いることで、無機固体電解質の分散性が向上する。その結果、得られるスラリー組成物の塗工性が良好になり、優れた柔軟性や強度を有する電極活物質層や固体電解質層を得ることができ、全固体二次電池の初期放電容量や高温保持特性が向上する。
 本発明の全固体二次電池は、正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極と、固体電解質層とを有し、正極活物質層、負極活物質層または固体電解質層の少なくとも一層に、好ましくは全ての層に、脂環式構造を含有してなる重合体と無機固体電解質とを含む。
脂環式構造を含有してなる重合体
 本発明において脂環式構造を含有してなる重合体(以下において、「脂環式構造含有重合体」と記載することがある。)とは、重合体の繰り返し単位中に脂環式構造を含有する重合体である。重合体の主鎖及び側鎖のいずれに脂環式構造を有していてもよいが、重合体の強度、耐熱性などの観点から、主鎖に脂環式構造を含有するものが好ましい。
 脂環式構造としては、芳香環を水素化した構造であることが好ましく、具体的には、飽和環状炭化水素(シクロアルカン)構造、不飽和環状炭化水素(シクロアルケン)構造などが挙げられ、重合体の熱安定性等の観点からシクロアルカン構造が好ましい。
 脂環式構造を構成する炭素原子数は、通常4~30個、好ましくは5~20個、より好ましくは6~15個の範囲にある。炭素原子数がこの範囲にあると、得られる重合体の耐熱性に優れる。
 脂環式構造含有重合体中の脂環式構造を有する繰り返し単位の割合は、重合体の使用目的に応じて適宜選択されればよいが、好ましくは20~60重量%、より好ましくは25~55重量%、特に好ましくは30~50重量%である。脂環式構造含有重合体中の脂環式構造を有する繰り返し単位の割合がこの範囲にあると、得られる重合体の耐熱性に優れる。なお、脂環式構造含有重合体中の脂環式構造を有する繰り返し単位以外の残部は、使用目的に応じて適宜選択される。
 脂環式構造含有重合体の具体例としては、(1)ノルボルネン系重合体、(2)単環の環状オレフィン系重合体、(3)環状共役ジエン系重合体、(4)ビニル脂環式炭化水素系重合体、及び(1)~(4)の水素化物などが挙げられる。これらの中でも、得られる重合体の耐熱性、強度等の点から、ノルボルネン系重合体、環状共役ジエン系重合体、ビニル脂環式炭化水素系重合体及びこれらの水素化物が好ましく、ノルボルネン系重合体、ビニル脂環式炭化水素系重合体及びこれらの水素化物がより好ましく、ビニル脂環式炭化水素系重合体及びその水素化物が特に好ましい。
(1)ノルボルネン系重合体
 ノルボルネン系重合体は、ノルボルネン骨格を有する単量体であるノルボルネン系単量体を重合してなるものであり、開環重合によって得られるものと、付加重合によって得られるものに大別される。
 開環重合によって得られるものとして、ノルボルネン系単量体の開環重合体及びノルボルネン系単量体とこれと開環共重合可能なその他の単量体との開環重合体、ならびにこれらの水素化物などが挙げられる。付加重合によって得られるものとしてノルボルネン系単量体の付加重合体及びノルボルネン系単量体とこれと共重合可能なその他の単量体との付加重合体などが挙げられる。これらの中でも、ノルボルネン系単量体の開環重合体水素化物が、重合体の耐熱性、強度等の観点から好ましい。
 ノルボルネン系単量体としては、ビシクロ[2.2.1]ヘプト-2-エン(慣用名:ノルボルネン)及びその誘導体(環に置換基を有するもの)、トリシクロ[4.3.01,6.12,5]デカ-3,7-ジエン(慣用名:ジシクロペンタジエン)及びその誘導体、7,8-ベンゾトリシクロ[4.3.0.12,5]デカ-3-エン(慣用名:メタノテトラヒドロフルオレン:1,4-メタノ-1,4,4a,9a-テトラヒドロフルオレンともいう)及びその誘導体、テトラシクロ[4.4.0.12,5.17,10]ドデカ-3-エン(慣用名:テトラシクロドデセン)及びその誘導体、などが挙げられる。
 置換基としては、アルキル基、アルキレン基、ビニル基、アルコキシカルボニル基、アルキリデン基などが例示でき、上記ノルボルネン系単量体は、これらを2種以上有していてもよい。具体的には、8-メトキシカルボニル-テトラシクロ[4.4.0.12,5.17,10]ドデカ-3-エン、8-メチル-8-メトキシカルボニル-テトラシクロ[4.4.0.12,5.17,10]ドデカ-3-エン、8-エチリデン-テトラシクロ[4.4.0.12,5.17,10]ドデカ-3-エンなどが挙げられる。
 これらのノルボルネン系単量体は、それぞれ単独であるいは2種以上を組み合わせて用いられる。
 ノルボルネン系単量体の開環重合体、又はノルボルネン系単量体とこれと開環共重合可能なその他の単量体との開環重合体は、単量体成分を、公知の開環重合触媒の存在下で重合して得ることができる。開環重合触媒としては、例えば、ルテニウム、オスミウムなどの金属のハロゲン化物と、硝酸塩又はアセチルアセトン化合物、及び還元剤とからなる触媒、あるいは、チタン、ジルコニウム、タングステン、モリブデンなどの金属のハロゲン化物又はアセチルアセトン化合物と、 有機アルミニウム化合物とからなる触媒を用いることができる。
 ノルボルネン系単量体と開環共重合可能なその他の単量体としては、例えば、シクロヘキセン、シクロヘプテン、シクロオクテンなどの単環の環状オレフィン系単量体などを挙げることができる。
 ノルボルネン系単量体の開環重合体水素化物は、通常、上記開環重合体の重合溶液に、ニッケル、パラジウムなどの遷移金属を含む公知の水素化触媒を添加し、炭素-炭素不飽和結合を水素化することにより得ることができる。水素化触媒としては、重合体鎖の切断を防止し、低温・低圧で水素化可能であることから、ニッケルを含む触媒が好ましい。
 ノルボルネン系単量体の付加重合体、又はノルボルネン系単量体とこれと共重合可能なその他の単量体との付加重合体は、これらの単量体を、公知の付加重合触媒、例えば、チタン、ジルコニウム又はバナジウム化合物と有機アルミニウム化合物とからなる触媒を用いて重合させて得ることができる。
 ノルボルネン系単量体と付加共重合可能なその他の単量体としては、例えば、エチレン、プロピレン、1-ブテン、1-ペンテン、1-ヘキセンなどの炭素数2~20のα-オレフィン、及びこれらの誘導体;シクロブテン、シクロペンテン、シクロヘキセン、シクロオクテン、3a,5,6,7a-テトラヒドロ-4,7-メタノ-1H-インデンなどのシクロオレフィン、及びこれらの誘導体;1,4-ヘキサジエン、4-メチル-1,4-ヘキサジエン、5-メチル-1,4-ヘキサジエン、1,7-オクタジエンなどの非共役ジエン;などが挙げられる。これらの中でも、α-オレフィンが好ましく、エチレンが特に好ましい。
 これらの、ノルボルネン系単量体と付加共重合可能なその他の単量体は、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて使用することができる。ノルボルネン系単量体とこれと付加共重合可能なその他の単量体とを付加共重合する場合は、付加重合体中のノルボルネン系単量体由来の構造単位と付加共重合可能なその他の単量体由来の構造単位との割合が、重量比で通常30:70~99:1、好ましくは50:50~97:3、より好ましくは70:30~95:5の範囲となるように適宜選択される。
(2)単環の環状オレフィン系重合体
 単環の環状オレフィン系重合体としては、例えば、シクロヘキセン、シクロヘプテン、シクロオクテンなどの、単環の環状オレフィン系単量体の付加重合体を用いることができる。
(3)環状共役ジエン系重合体
 環状共役ジエン系重合体としては、例えば、シクロペンタジエン、シクロヘキサジエンなどの環状共役ジエン系単量体を1,2-又は1,4-付加重合した重合体及びその水素化物などを用いることができる。
(4)ビニル脂環式炭化水素系重合体
 ビニル脂環式炭化水素系重合体としては、例えば、ビニルシクロヘキセン、ビニルシクロヘキサンなどのビニル脂環式炭化水素系単量体の重合体及びその水素化物;スチレン、α-メチルスチレンなどのビニル芳香族系単量体の重合体の芳香環部分の水素化物;ビニル脂環式炭化水素系単量体やビニル芳香族系単量体と、これらの単量体と共重合可能な他の単量体との共重合体の水素化物;などが挙げられる。これらの中でも、ビニル芳香族系単量体と、該単量体と共重合可能な他の単量体との共重合体の水素化物が好ましく、ビニル芳香族系単量体と、該単量体と共重合可能な他の単量体とのブロック共重合体の水素化物がより好ましい。ブロック共重合体としては、ジブロック、トリブロック、又はそれ以上のマルチブロックや傾斜ブロック共重合体などが挙げられ、特に制限はない。なお、本発明において「ブロック」とは、骨格が同一である単量体単位が少なくとも30個連結してなる、ブロック共重合体中のセグメントをいう。
 また、脂環式構造含有重合体が、ビニル芳香族系単量体と、該単量体と共重合可能な他の単量体との共重合体を水素化して得られるビニル脂環式炭化水素系重合体である場合には、前記共重合体における全ての炭素-炭素不飽和結合の90%以上を水素化してなるものが好ましく、全ての炭素-炭素不飽和結合の93%以上を水素化してなるものがより好ましく、全ての炭素-炭素不飽和結合の95%以上を水素化してなるものが特に好ましい。このような重合体を用いることで、得られるスラリー組成物の分散性を向上させることができ、本発明の全固体二次電池の高温保持特性を向上させることができる。なお、本発明において、全ての炭素-炭素不飽和結合には、主鎖及び側鎖の炭素-炭素不飽和結合と、芳香環の炭素-炭素不飽和結合とが含まれる。
 上記のブロック共重合体の水素化物(以下、「ブロック共重合体水素化物」と記載することがある。)は、芳香環の炭素-炭素不飽和結合を水素化したビニル芳香族系単量体単位を主成分とする重合体ブロック(A)と、炭素-炭素不飽和結合を水素化した鎖状共役ジエン単量体単位を主成分とする重合体ブロック(B)とを有する水素化ブロック共重合体であることが好ましい。このような重合体を用いることで、得られるスラリー組成物の分散性を向上させることができる。
 また、ブロック共重合体水素化物は、芳香環の炭素-炭素不飽和結合を水素化していないビニル芳香族系単量体単位(水素化されていない芳香環含有単量体単位)を、好ましくは5重量%未満、より好ましくは3~0重量%含む。このような重合体を用いることで、本発明の全固体二次電池の高温保持特性を向上させることができる。
 本発明において鎖状共役ジエン単量体とは、ビニル芳香族系単量体と共重合可能な他の単量体であり、具体的には、1,3-ブタジエン、イソプレン、2,3-ジメチル-1,3-ブタジエン、1,3-ペンタジエン、及び1,3-ヘキサジエン等が挙げられる。中でも、1,3-ブタジエンやイソプレンが好ましく、イソプレンがより好ましい。鎖状共役ジエン単量体は、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
 前記水素化ブロック共重合体全体に占める重合体ブロック(A)の重量分率をwAとし、前記水素化ブロック共重合体全体に占める重合体ブロック(B)の重量分率をwBとしたときに、wAとwBとの比(wA:wB)は、好ましくは20:80~60:40、より好ましくは25:75~55:45、特に好ましくは30:70~50:50である。このような重合体を用いることで、柔軟性に優れ、強度の高い塗膜(例えば、正極活物質層、負極活物質層や固体電解質層)を得ることができる。
 上記の単量体を用いて、重合体ブロック(A)の前駆体〔水素化前の重合体ブロック(A)〕及び重合体ブロック(B)の前駆体〔水素化前の重合体ブロック(B)〕を得る方法は特に限定されないが、ラジカル重合、アニオン重合、カチオン重合、配位アニオン重合、配位カチオン重合などが挙げられる。ラジカル重合、アニオン重合、カチオン重合等を、リビング重合により行う方法、特にリビングアニオン重合により行う方法を用いた場合に、重合操作及び後工程での水素化反応が容易になる。
 重合は、重合開始剤の存在下、通常0~150℃、好ましくは20~100℃、特に好ましくは10~80℃の温度範囲において行う。リビングアニオン重合の場合は、重合開始剤として、たとえば、n-ブチルリチウム、sec-ブチルリチウム、t-ブチルリチウム、ヘキシルリチウム、フェニルリチウム等のモノ有機リチウム;ジリチオメタン、1,4-ジオブタン、1,4-ジリチオー2-エチルシクロヘキサン等の多官能性有機リチウム化合物等が使用可能である。
 重合反応形態は、溶液重合、スラリー重合等のいずれでも構わないが、溶液重合を用いると、反応熱の除去が容易である。この場合、重合体ブロック(A)の前駆体の製造工程と水素化ブロック共重合体の前駆体(水素化前のブロック共重合体)の製造工程で得られる重合体が共に溶解する不活性溶媒を用いる。使用する不活性溶媒としては、たとえば、n-ブタン、n-ペンタン、イソペンタン、n-ヘキサン、n-ヘプタン、イソオクタン等の脂肪族炭化水素類;シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロペンタン、メチルシクロヘキサン、デカリン、ビシクロ[4.3.0]ノナン、トリシクロ[4.3.0.12,5 ]デカン等の脂環式炭化水素類;ベンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素類等が挙げられる。中でも脂環式炭化水素類を用いると、後述する水素化反応にも不活性な溶媒としてそのまま使用でき、水素化ブロック共重合体の溶解性も良好であるため好ましい。これらの溶媒は、それぞれ単独で用いてもよいし、あるいは2種類以上を組み合わせて使用することもできる。これらの溶媒使用量は、全使用単量体100重量部に対して、通常200~2000重量部である。
 水素化ブロック共重合体は、重合体ブロック(A)の前駆体における芳香環の炭素-炭素不飽和結合と、重合体ブロック(B)の前駆体における炭素-炭素不飽和結合とを水素化して得られる。本発明の所望の効果が得られる限り、重合体ブロック(A)および重合体ブロック(B)には、任意の形態で炭素-炭素不飽和結合が一部残存していてもよい。
 水素化に供されるブロック共重合体の態様は、特に限定されず、[(A)-(B)]型のジブロック共重合体、[(A)-(B)-(A)]型のトリブロック共重合体、ブロック数がそれ以上のブロック共重合体などが挙げられる。
 水素化ブロック共重合体の製造法は特に限定されない。例えば、上述の重合体ブロック(A)の前駆体及び重合体ブロック(B)の前駆体を得る方法により、ビニル芳香族系単量体を付加重合し重合体ブロック(A)の前駆体を得、次いで鎖状共役ジエン単量体を付加重合し、重合体ブロック(A)の前駆体と重合体ブロック (B)の前駆体を有する水素化ブロック共重合体の前駆体を得る。その後、水素化ブロック共重合体の前駆体の芳香環等の不飽和結合を水素化し、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とを有する水素化ブロック共重合体を製造する方法が挙げられる。
 不飽和結合の水素化方法、反応形態等は特に限定されず、公知の方法にしたがって行えばよいが、水素化率を高くでき、重合体鎖切断反応の少ない水素化方法が好ましい。このような好ましい水素化方法としては、ニッケル、コバルト、鉄、チタン、ロジウム、パラジウム、白金、ルテニウム、レニウム等から選ばれる少なくとも1種の金属を含む触媒を用いて行う方法が挙げられる。水素化触媒としては、重合体鎖の切断を防止し、低温・低圧で水素化可能であることから、ニッケルを含む触媒を用いることが好ましい。水素化触媒は、不均一系触媒、均一系触媒のいずれも使用可能であり、水素化反応は有機溶媒中で行うのが好ましい。
 不均一系触媒は、金属又は金属化合物のままで、又は適当な担体に担持して用いることができる。担体としては、たとえば、活性炭、シリカ、アルミナ、炭酸カルシウム、チタニア、マグネシア、ジルコニア、ケイソウ土、炭化珪素、フッ化カルシウム等が挙げられる。触媒の担持量は、通常0.1~60重量%、好ましくは1~50重量%の範囲である。担持型触媒としては、たとえば、比表面積が100~500m2 /g、平均細孔径100~1000Å、好ましくは200~500Åを有するものが好ましい。上記の比表面積の値は窒素吸着量を測定し、BET式を用いて算出した値であり、平均細孔径の値は水銀圧入法により測定した値である。
 均一系触媒としては、たとえば、ニッケル、コバルト、チタン又は鉄化合物と有機金属化合物(たとえば、有機アルミニウム化合物、有機リチウム化合物)とを組み合わせた触媒;ロジウム、パラジウム、白金、ルテニウム、レニウム等の遷移金属錯体触媒;後述の通りの有機金属錯体触媒;等を用いることができる。ニッケル、コバルト、チタン又は鉄化合物としては、たとえば、各種金属のアセチルアセトナト化合物、カルボン酸塩、シクロペンタジエニル化合物等が用いられる。有機アルミニウム化合物としては、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム等のアルキルアルミニウム;ジエチルアルミニウムクロリド、エチルアルミニウムジクロリド等のハロゲン化アルミニウム;ジイソブチルアルミニウムハイドライド等の水素化アルキルアルミニウム等が挙げられる。
 有機金属錯体触媒としては、たとえば、ジヒドリド-テトラキス(トリフェニルホスフィン)ルテニウム、ジヒドリド-テトラキス(トリフェニルホスフィン)鉄、ビス(シクロオクタジエン)ニッケル、ビス(シクロペンタジエニル)ニッケル等の遷移金属錯体が挙げられる。
 これらの水素化触媒は、それぞれ単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。水素化触媒の使用量は、重合体100重量部に対して、通常0.01~100重量部、好ましくは0.05~50重量部、より好ましくは0.1~30重量部である。
 水素化反応温度は、通常10~250℃、好ましくは50~200℃、より好ましくは80~180℃であるときに水素化率が高くなり、分子切断も減少する。また水素圧力はゲージ圧で、通常0.1~30MPa、好ましくは1~20MPa、より好ましくは2~10MPaであると水素化率が高くなり、分子鎖切断も減少し、操作性にも優れる。
 水素化反応の水素化率は、H-NMRによる測定において、主鎖及び側鎖の炭素-炭素不飽和結合の水素化率、芳香環の炭素-炭素不飽和結合の水素化率のいずれもが、好ましくは90%以上、より好ましくは93%以上、さらに好ましくは95%以上となるようにする。
 なお、ブロック共重合体水素化物の主鎖及び側鎖の炭素-炭素不飽和結合の水素化率、並びに芳香環の炭素-炭素不飽和結合の水素化率は、水素化反応前後にH-NMRスペクトルを測定して水素化反応前後での主鎖及び側鎖部分の炭素-炭素不飽和結合及び芳香環の炭素-炭素不飽和結合に対応するシグナルの積分値の減少量を元に算出することができる。
 ブロック共重合体水素化物は、水素化触媒及び/又は重合触媒を、ブロック共重合体水素化物を含む反応溶液からたとえば濾過、遠心分離等の方法により除去した後、反応溶液から得られる。
 反応溶液からブロック共重合体水素化物を得る方法は、特に限定はされないが、例えば、ブロック共重合体水素化物が溶解した溶液から、スチームストリッピングにより溶媒を除去するスチーム凝固法、減圧加熱下で溶媒を除去する直接脱溶媒法、ブロック共重合体水素化物の貧溶媒中に溶液を注いで析出、凝固させる凝固法等の公知の方法で得ることができる。
 本発明で使用される脂環式構造含有重合体の分子量は、使用目的に応じて適宜選択されるが、シクロヘキサン溶液(重合体樹脂が溶解しない場合はトルエン溶液)のゲル・パーミエーション・クロマトグラフで測定したポリスチレン換算の重量平均分子量(Mw)で、通常10,000以上であり、好ましくは30,000~200,000、より好ましくは40,000~150,000、特に好ましくは50,000~100,000である。脂環式構造含有重合体の分子量が上記範囲であるときに、塗工性の良好なスラリー組成物を得ることができる。
 脂環式構造含有重合体の分子量分布(Mw/Mn)は特に限定されないが、1~1.9の範囲にあると好ましく、1~1.6の範囲にあるとより好ましく、1~1.4の範囲にあると特に好ましい。
 本発明において、脂環式構造含有重合体の分子量分布(Mw/Mn)は、シクロヘキサン溶液(重合体樹脂が溶解しない場合はトルエン溶液)を溶媒にしてゲル・パーミエーション・クロマトグラフィー(以下、 GPC)により測定されるポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)で前記の重量平均分子量(Mw)を割った値(Mw/Mn)である。
 脂環式構造含有重合体のメルトマスフローレイト(MFR)は、重合体の使用目的に応じて適宜選択されればよいが、 2~30g/10分の範囲にあると好ましく、3~20g/10分の範囲にあるとより好ましく、5~10g/10分の範囲にあると特に好ましい。MFRがこの範囲にあると、塗工性の良好なスラリー組成物を得ることができる。本発明においてメルトマスフローレイト(MFR)は、温度230℃、荷重21.18Nの条件でJIS K 6719;1996に準じ測定した値である。
 本発明で使用される脂環式構造含有重合体のガラス転移温度(Tg)は、使用目的に応じて適宜選択されればよいが、通常50~200℃、好ましくは70~180℃、特に好ましくは90~150℃の範囲である。脂環式構造含有重合体のTgが上記範囲であるときに、塗工性の良好なスラリー組成物を得ることができると共に重合体の耐熱性が高度にバランスされ、好適である。
 本発明でいうガラス転移温度とは、JIS K 7121;1987に基づいて測定されたものである。
 また、上記の脂環式構造含有重合体は、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
(無機固体電解質)
 本発明で用いる無機固体電解質は、リチウムイオン伝導性を有していれば特に限定されないが、結晶性の無機リチウムイオン伝導体、又は非晶性の無機リチウムイオン伝導体を含むことが好ましい。
 結晶性の無機リチウムイオン伝導体は、LiN、LISICON(Li14Zn(GeO、ペロブスカイト型Li0.5La0.5TiO、LIPON(Li3+yPO4-x)、Thio-LISICON(Li3.25Ge0.250.75)などが挙げられ、非晶性の無機リチウムイオン伝導体は、ガラスLi-Si-S-O、Li-P-Sなどが挙げられる。その中でも、導電性の観点から、非晶性の無機リチウムイオン伝導体が好ましく、Li、P及びSを含む硫化物がより好ましい。Li、P及びSを含む硫化物はリチウムイオン伝導性が高いため、無機固体電解質としてLi、P及びSを含む硫化物を用いることで電池の内部抵抗を低下させることができると共に、出力特性を向上させることができる。
 また、Li、P及びSを含む硫化物は、電池の内部抵抗低下及び出力特性向上という観点から、Li2SとP25とからなる硫化物ガラス、および/またはLi2SとP25との混合原料をメカノケミカル法に供して得られる硫化物ガラスセラミックスであることがより好ましく、Li2S:P25のモル比65:35~85:15のLi2SとP25との混合原料から製造された硫化物ガラス、および/または前記混合原料をメカノケミカル法に供して得られる硫化物ガラスセラミックスであることが特に好ましい。
 無機固体電解質が、Li2S:P25=65:35~85:15(モル比)のLi2SとP25との混合原料で製造されると、リチウムイオン伝導度を高い状態で維持することができる。同様の観点から、Li2S:P25=68:32~80:20の範囲であることがさらに好ましい。
 リチウムイオン伝導度として、具体的には、1×10-4S/cm以上であることが好ましく、1×10-3S/cm以上であることがさらに好ましい。
 本発明に用いる無機固体電解質は、Li、P及びSのみからなる硫化物ガラス、Li、P及びSのみからなる硫化物ガラスセラミックスだけではなく、後に説明するように、Li、P及びS以外のものを含んでいても良い。
 また、無機固体電解質の平均粒子径は、好ましくは0.1~50μmの範囲である。無機固体電解質の平均粒子径を上記範囲とすることで、固体電解質の取扱いが容易となると共に、シート状にする際のスラリー組成物中における無機固体電解質の分散性が向上するため、シート状に形成することが容易になる。以上の観点から、無機固体電解質の平均粒子径は0.1~20μmの範囲であることがさらに好ましい。平均粒子径は、レーザー回折で粒度分布を測定することにより求めることができる。
 本発明に用いる無機固体電解質では、イオン伝導性を低下させない程度において、上記P25やLi2Sの他に出発原料として、Al23、B23及びSiS2からなる群より選ばれる少なくとも1種の硫化物を含ませることが好ましい。かかる硫化物を加えると、無機固体電解質中のガラス成分を安定化させることができる。
 同様に、Li2S及びP25に加え、Li3PO4、Li4SiO4、Li4GeO4、Li3BO3及びLi3AlO3からなる群より選ばれる少なくとも1種のオルトオキソ酸リチウムを含ませることが好ましい。かかるオルトオキソ酸リチウムを含ませると、無機固体電解質中のガラス成分を安定化させることができる。
固体電解質層
 本発明における固体電解質層は、上記の無機固体電解質及びバインダーとなる重合体を含む。固体電解質層は、これらの無機固体電解質及びバインダーとなる重合体を含む固体電解質層用スラリー組成物を、後述する正極活物質層または負極活物質層の上に塗布し、乾燥することにより形成される。
 固体電解質層用スラリー組成物は、無機固体電解質、バインダーとなる重合体、有機溶媒及び必要に応じて添加される他の成分を混合することにより製造される。尚、無機固体電解質と、脂環式構造含有重合体との組み合わせが、固体電解質層以外の層にのみ含まれる場合においても、固体電解質層は無機固体電解質を必ず含む。すなわち、その場合、固体電解質層は、例えば、無機固体電解質と、後述するような、固体電解質層に用いてもよいその他の重合体とを用いて形成される。
(バインダーとなる重合体)
 バインダーとなる重合体としては、上述した脂環式構造含有重合体を用いてもよく、その他の重合体を使用してもよいが、本発明の全固体二次電池においては、固体電解質層、正極活物質層、および負極活物質層の少なくとも一層、好ましくは全ての層において、バインダーとなる重合体として、脂環式構造含有重合体が用いられる。
 固体電解質層に用いてもよいその他の重合体としては、例えば、フッ素系重合体、ジエン系重合体、アクリル系重合体、シリコーン系重合体等の高分子化合物が挙げられ、フッ素系重合体、ジエン系重合体又はアクリル系重合体が好ましく、アクリル系重合体が、耐電圧を高くでき、かつ全固体二次電池のエネルギー密度を高くすることができる点でより好ましい。
 フッ素系重合体としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)が挙げられる。
 ジエン系重合体は、共役ジエンから導かれるモノマー単位と芳香族ビニルから導かれるモノマー単位とを含む重合体であり、共役ジエン及び芳香族ビニルとしては、後述の負極活物質層におけるその他の重合体において例示したものと同様のものが挙げられる。
 アクリル系重合体は、α,β-エチレン性不飽和モノカルボン酸アルキルエステルから導かれるモノマー単位を含む重合体であり、具体的には、α,β-エチレン性不飽和モノカルボン酸アルキルエステルの単独重合体、α,β-エチレン性不飽和モノカルボン酸アルキルエステルの共重合体、並びにα,β-エチレン性不飽和モノカルボン酸アルキルエステルと該α,β-エチレン性不飽和モノカルボン酸アルキルエステルと共重合可能な他の単量体との共重合体が挙げられる。
 α,β-エチレン性不飽和モノカルボン酸アルキルエステルとしては、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、およびアクリル酸t-ブチル、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、ベンジルアクリレートなどのアクリル酸アルキルエステル;アクリル酸2-(パーフルオロブチル)エチル、アクリル酸2-(パーフルオロペンチル)エチルなどのアクリル酸2-(パーフルオロアルキル)エチル;メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸n-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、およびメタクリル酸t-ブチル、メタクリル酸-2-エチルヘキシル、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クリル酸アルキルエステル;メタクリル酸2-(パーフルオロブチル)エチル、メタクリル酸2-(パーフルオロペンチル)エチルなどのメタクリル酸2-(パーフルオロアルキル)エチル;が挙げられる。
 アクリル系重合体におけるα,β-エチレン性不飽和モノカルボン酸アルキルエステルから導かれるモノマー単位の含有割合は、通常40重量%以上、好ましくは50重量%以上、より好ましくは60重量%以上である。なお、アクリル系重合体におけるα,β-エチレン性不飽和モノカルボン酸アルキルエステルから導かれるモノマー単位の含有割合の上限は、通常100重量%以下、好ましくは95重量%以下である。
 また、アクリル系重合体としては、α,β-エチレン性不飽和モノカルボン酸アルキルエステルと該α,β-エチレン性不飽和モノカルボン酸アルキルエステルと共重合可能な他の単量体との共重合体が好ましい。前記共重合可能な単量体としては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、フマル酸などの不飽和カルボン酸類;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などの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類;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、メタクリルアミド、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などのアミド系単量体;エチレン、プロピレン等のオレフィン類;ブタジエン、イソプレン等のジエン系単量体;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;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;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; 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が挙げられる。その中でも、有機溶媒への溶解性の観点から、スチレン系単量体およびアミド系単量体が好ましい。アクリル系重合体における、前記共重合可能な単量体単位の含有割合は、通常60重量%以下、好ましくは55重量%以下、より好ましくは25重量%以上45重量%以下である。
 シリコーン系重合体としては、シリコーンゴム、フルオロシリコーンラバー、ポリイミドシリコーンが挙げられる。
 また、固体電解質層のバインダーとなる重合体は、脂環式構造含有重合体と、その他の重合体との混合物であってもよい。その場合、バインダーとなる重合体中、その他の重合体の含有量は、通常、50重量%以下、好ましくは40重量%以下である。
 固体電解質層用スラリー組成物中の、バインダーとなる重合体の含有量は、無機固体電解質100重量部に対して、好ましくは0.1~10重量部、より好ましくは0.5~7重量部、特に好ましくは0.5~5重量部である。重合体の含有量を上記範囲とすることにより、無機固体電解質粒子同士の結着性を維持しながら、リチウムの移動を阻害して固体電解質層の抵抗が増大することを抑制できる。
(リチウム塩)
 また、固体電解質層は、リチウム塩を含んでもよい。リチウム塩はLiカチオンと、Cl、Br、BF 、PF 、AsF 、ClO 、CFSO 、SCN等のアニオンとからなり、例えば過塩素酸リチウムテトラフロロホウ酸リチウム、ヘキサフロロリン酸リチウム、トリフロロ酢酸リチウム、トリフロロメタンスルホン酸リチウム等を挙げることが出来る。バインダーとなる重合体とリチウム塩との重量比は、好ましくは該重合体100重量部に対してリチウム塩0.5~30重量部、より好ましくは3~25重量部である。バインダーとなる重合体とリチウム塩との重量比を上記範囲とすることにより、イオン伝導度を向上させることができる。固体電解質層にリチウム塩を含有させる方法は特に限定されず、例えば、重合体とリチウム塩をキシレン等の溶媒に溶解もしくは分散させ均一溶液とする方法が挙げられる。
(有機溶媒)
 有機溶媒としては、シクロペンタン、シクロヘキサンなどの環状脂肪族炭化水素類;トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素類が挙げられる。これらの溶媒は、単独または2種以上を混合して、乾燥速度や環境上の観点から適宜選択して用いることができ、中でも、本発明においては無機固体電解質と非反応性であることから芳香族炭化水素類から選ばれる非極性溶媒を用いることが好ましい。
 固体電解質層用スラリー組成物中の有機溶媒の含有量は、無機固体電解質100重量部に対して、好ましくは10~700重量部、より好ましくは30~500重量部である。有機溶媒の含有量を上記範囲とすることにより、固体電解質層用スラリー組成物中の無機固体電解質の分散性を保持しながら、良好な塗料特性を得ることができる。
 固体電解質層用スラリー組成物は、上記成分の他に、必要に応じて添加される他の成分として、分散剤、レベリング剤及び消泡剤の機能を有する成分を含んでいてもよい。これらの成分は、電池反応に影響を及ぼさないものであれば、特に制限されない。
(分散剤)
 分散剤としてはアニオン性化合物、カチオン性化合物、非イオン性化合物、高分子化合物が例示される。分散剤は、用いる無機固体電解質に応じて選択される。固体電解質層用スラリー組成物中の分散剤の含有量は、電池特性に影響が及ばない範囲が好ましく、具体的には、無機固体電解質100重量部に対して10重量部以下である。
(レベリング剤)
 レベリング剤としてはアルキル系界面活性剤、シリコーン系界面活性剤、フッ素系界面活性剤、金属系界面活性剤などの界面活性剤が挙げられる。上記界面活性剤を混合することにより、固体電解質層用スラリー組成物を後述する正極活物質層又は負極活物質層の表面に塗工する際に発生するはじきを防止でき、正負極の平滑性を向上させることができる。固体電解質層用スラリー組成物中のレベリング剤の含有量は、電池特性に影響が及ばない範囲が好ましく、具体的には、無機固体電解質100重量部に対して10重量部以下である。
(消泡剤)
 消泡剤としてはミネラルオイル系消泡剤、シリコーン系消泡剤、ポリマー系消泡剤が例示される。消泡剤は、用いる無機固体電解質に応じて選択される。固体電解質層用スラリー組成物中の消泡剤の含有量は、電池特性に影響が及ばない範囲が好ましく、具体的には、無機固体電解質100重量部に対して10重量部以下である。
正極活物質層
 正極活物質層は、上記の無機固体電解質及び上記のバインダーとなる重合体を用いて形成するのが好ましい。かかる正極活物質層は、上記の無機固体電解質及び上記のバインダーとなる重合体を含む正極活物質層用スラリー組成物を、後述する集電体表面に塗布し、乾燥することにより形成される。正極活物質層用スラリー組成物は、無機固体電解質、バインダーとなる重合体、正極活物質、有機溶媒及び必要に応じて添加される他の成分を混合することにより製造される。
 なお、正極活物質層は、必ずしも無機固体電解質を含む必要はなく、その場合、バインダーとなる重合体、正極活物質、有機溶媒及び必要に応じて添加される他の成分を混合して正極活物質層用スラリー組成物を調製し、当該組成物を用いて形成すればよい。
 正極活物質層に用いてもよい脂環式構造含有重合体以外の重合体(その他の重合体)としては、例えば、フッ素系重合体、ジエン系重合体、アクリル系重合体、シリコーン系重合体等の高分子化合物が挙げられ、フッ素系重合体、ジエン系重合体又はアクリル系重合体が好ましく、アクリル系重合体が、耐電圧を高くでき、かつ全固体二次電池のエネルギー密度を高くすることができる点でより好ましい。
 アクリル系重合体は、α,β-エチレン性不飽和モノカルボン酸アルキルエステルから導かれるモノマー単位を含む重合体である。α,β-エチレン性不飽和モノカルボン酸アルキルエステルとしては、上述の固体電解質層におけるその他の重合体において例示したものと同様のものが挙げられる。また、その他の重合体として好適なアクリル系重合体におけるα,β-エチレン性不飽和モノカルボン酸アルキルエステルから導かれるモノマー単位の含有割合は、好ましくは60~100重量%、より好ましくは65~90重量%である。
 また、アクリル系重合体としては、α,β-エチレン性不飽和モノカルボン酸アルキルエステルと、該α,β-エチレン性不飽和モノカルボン酸アルキルエステルと共重合可能な単量体との共重合体が好ましい。前記共重合可能な単量体は、上述の固体電解質層におけるその他の重合体において例示したものと同様である。
 また、正極活物質層のバインダーとなる重合体は、脂環式構造含有重合体と、その他の重合体との混合物であってもよい。その場合、バインダーとなる重合体中のその他の重合体の含有量は、前記固体電解質層の場合と同様である。
(正極活物質)
 正極活物質は、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な化合物である。正極活物質は、無機化合物からなるものと有機化合物からなるものとに大別される。
 無機化合物からなる正極活物質としては、遷移金属酸化物、リチウムと遷移金属との複合酸化物、遷移金属硫化物などが挙げられる。上記の遷移金属としては、Fe、Co、Ni、Mn等が使用される。正極活物質に使用される無機化合物の具体例としては、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiMn、LiFePO、LiFeVOなどのリチウム含有複合金属酸化物;TiS、TiS、非晶質MoS等の遷移金属硫化物;Cu、非晶質VO-P、MoO、V、V13などの遷移金属酸化物が挙げられる。これらの化合物は、部分的に元素置換したものであってもよい。
 有機化合物からなる正極活物質としては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセン、ジスルフィド系化合物、ポリスルフィド系化合物、N-フルオロピリジニウム塩などが挙げられる。
 なお、正極活物質は、上記の無機化合物と有機化合物の混合物であってもよい。
 本発明で用いる正極活物質の平均粒子径は、負荷特性、サイクル特性などの電池特性の向上の観点から、通常0.1~50μm、好ましくは1~20μmである。平均粒子径が上記範囲であると、充放電容量が大きい全固体二次電池を得ることができ、かつ正極活物質層用スラリー組成物の取扱い、および正極を製造する際の取扱いが容易である。平均粒子径は、レーザー回折で粒度分布を測定することにより求めることができる。
 正極活物質と無機固体電解質の重量比率は、通常、正極活物質:無機固体電解質=90:10~30:70、好ましくは80:20~40:60である。上記範囲よりも正極活物質の重量比率が少ない場合、電池内の正極活物質量が低減し、電池としての容量低下につながる傾向がある。また、上記範囲よりも無機固体電解質の重量比率が少ない場合、導電性が十分に得られず、正極活物質を有効に利用することができない為、電池としての容量低下につながる傾向がある。
 正極活物質層用スラリー組成物中のバインダーとなる重合体の含有量は、正極活物質100重量部に対して、好ましくは0.1~10重量部、より好ましくは0.2~7重量部である。重合体の含有量が上記範囲にあることで、電池反応を阻害せずに、電極から正極活物質が脱落するのを防ぐことができる。
 正極活物質層用スラリー組成物中の有機溶媒及び必要に応じて添加される他の成分は、上記の固体電解質層で例示するものと同様のものを用いることができる。正極活物質層用スラリー組成物中の有機溶媒の含有量は、正極活物質100重量部に対して、好ましくは20~300重量部、より好ましくは30~200重量部である。正極活物質層用スラリー組成物中の有機溶媒の含有量が上記範囲にあることで、無機固体電解質の分散性を保持しながら、良好な塗料特性を得ることができる。
 正極活物質層用スラリー組成物は、上記成分の他に、必要に応じて添加される他の成分として、上述したリチウム塩、分散剤、レベリング剤、消泡剤の他、導電剤、補強材などの各種の機能を発現する添加剤を含んでいてもよい。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ない。
(導電剤)
 導電剤は、導電性を付与できるものであれば特に制限されないが、通常、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉末、各種金属のファイバーや箔などが挙げられる。
 導電剤の添加量は、正極活物質100重量部に対して、好ましくは0.1~20重量部、より好ましくは0.5~5重量部、特に好ましくは1~3重量部である。導電剤の含有量を上記範囲とすることで、電池の容量を高く保持した上で、電極活物質層に十分な電子伝導性を付与することができる。
(補強材)
 補強材としては、各種の無機および有機の球状、板状、棒状または繊維状のフィラーが使用できる。
 補強材の添加量は、正極活物質100重量部に対して、好ましくは0.1~20重量部、より好ましくは0.5~5重量部、特に好ましくは1~3重量部である。補強材の含有量を上記範囲とすることで、電池の容量を高く保持した上で、電極活物質層に十分な強度を付与することができる。
負極活物質層
 負極活物質層は、上記の無機固体電解質及び上記のバインダーとなる重合体を用いて形成するのが好ましい。かかる負極活物質層は、上記の無機固体電解質及び上記のバインダーとなる重合体を含む負極活物質層用スラリー組成物を、後述する集電体表面に塗布し、乾燥することにより形成される。負極活物質層用スラリー組成物は、無機固体電解質、バインダーとなる重合体、負極活物質、有機溶媒及び必要に応じて添加される他の成分を混合することにより製造される。
 なお、負極活物質層は、必ずしも無機固体電解質を含む必要はなく、その場合、バインダーとなる重合体、負極活物質、有機溶媒及び必要に応じて添加される他の成分を混合して負極活物質層用スラリー組成物を調製し、当該組成物を用いて形成すればよい。
 負極活物質層に用いてもよいその他重合体としては、例えば、フッ素系重合体、ジエン系重合体、アクリル系重合体、シリコーン系重合体等の高分子化合物等が挙げられる。中でも共役ジエンから導かれるモノマー単位と芳香族ビニルから導かれるモノマー単位とを含むジエン系重合体が、負極活物質同士を結着でき、活物質層と集電体との結着力も高い点でより好ましい。また、負極活物質層のバインダーとなる重合体は、脂環式構造含有重合体と、その他重合体との混合物であってもよい。その場合、バインダーとなる重合体中のその他の重合体の含有量は、前記固体電解質層の場合と同様である。
 ジエン系重合体における共役ジエンから導かれるモノマー単位の含有割合が、好ましくは30~70重量%、より好ましくは35~65重量%であり、芳香族ビニルから導かれるモノマー単位の含有割合が、好ましくは30~70重量%、より好ましくは35~65重量%である。ジエン系重合体に含まれる共役ジエンから導かれるモノマー単位の含有割合及び芳香族ビニルから導かれるモノマー単位の含有割合を上記範囲とすることで、負極活物質同士、無機固体電解質粒子同士、負極活物質と無機固体電解質粒子の粒子間及び活物質層と集電体との結着性が高い負極を得ることができる。
 共役ジエンとしては、ブタジエン、イソプレン、2-クロロ-1,3-ブタジエン、クロロプレンなどが挙げられる。これらの中でもブタジエンが好ましい。
 芳香族ビニルとしては、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、ジビニルベンゼンなどが挙げられる。これらの中でもスチレン、α―メチルスチレン、ジビニルベンゼンが好ましい。
 また、ジエン系重合体は、共役ジエンと、芳香族ビニルと、これらと共重合可能な単量体との共重合体であってもよい。前記共重合可能な単量体としては、アクリロニトリル、メタクリロニトリルなどのα,β-不飽和ニトリル化合物;アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、フマル酸などの不飽和カルボン酸類;エチレン、プロピレン等のオレフィン類;塩化ビニル、塩化ビニリデン等のハロゲン原子含有モノマー;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;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;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;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が挙げられる。ジエン系重合体における、前記共重合可能な単量体単位の含有割合は、好ましくは40重量%以下、より好ましくは20重量%以上40重量%以下である。
(負極活物質)
 負極活物質としては、グラファイトやコークス等の炭素の同素体が挙げられる。前記炭素の同素体からなる負極活物質は、金属、金属塩、酸化物などとの混合体や被覆体の形態で利用することも出来る。また、負極活物質としては、ケイ素、錫、亜鉛、マンガン、鉄、ニッケル等の酸化物や硫酸塩、金属リチウム、Li-Al、Li-Bi-Cd、Li-Sn-Cd等のリチウム合金、リチウム遷移金属窒化物、シリコーン等を使用できる。
 本発明で用いる負極活物質の平均粒子径は、負荷特性、サイクル特性などの電池特性の向上の観点から、通常1~50μm、好ましくは15~30μmである。平均粒子径が上記範囲であると、充放電容量が大きい全固体二次電池を得ることができ、かつ負極活物質層用スラリー組成物の取扱い、および負極を製造する際の取扱いが容易である。平均粒子径は、レーザー回折で粒度分布を測定することにより求めることができる。
 負極活物質と無機固体電解質の重量比率は、通常、負極活物質:無機固体電解質=90:10~30:70、好ましくは80:20~40:60である。上記範囲よりも負極活物質の重量比率が少ない場合、電池内の負極活物質量が低減し、電池としての容量低下につながる傾向がある。また、上記範囲よりも無機固体電解質の重量比率が少ない場合、導電性が十分に得られず、負極活物質を有効に利用することができない為、電池としての容量低下につながる傾向がある。
 負極活物質層用スラリー組成物中のバインダーとなる重合体の含有量は、負極活物質100重量部に対して、好ましくは0.1~10重量部、より好ましくは0.2~7重量部である。重合体の含有量が上記範囲にあることで、電池反応を阻害せずに、電極から負極活物質が脱落するのを防ぐことができる。
 負極活物質層用スラリー組成物中の有機溶媒及び必要に応じて添加される他の成分は、上記の固体電解質層で例示するものと同様のものを用いることができる。負極活物質層用スラリー組成物中の有機溶媒の含有量は、負極活物質100重量部に対して、好ましくは20~300重量部、より好ましくは30~200重量部である。負極活物質層用スラリー組成物中の有機溶媒の含有量が上記範囲にあることで、無機固体電解質の分散性を保持しながら、良好な塗料特性を得ることができる。
 負極活物質層用スラリー組成物は、上記成分の他に、必要に応じて添加される他の成分として、上述したリチウム塩、分散剤、レベリング剤、消泡剤、導電剤、補強材などの各種の機能を発現する添加剤を含んでいてもよい。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ない。
(集電体)
 集電体は、電気導電性を有しかつ電気化学的に耐久性のある材料であれば特に制限されないが、耐熱性を有するとの観点から、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、白金などの金属材料が好ましい。中でも、正極用としてはアルミニウムが特に好ましく、負極用としては銅が特に好ましい。集電体の形状は特に制限されないが、厚さ0.001~0.5mm程度のシート状のものが好ましい。集電体は、上述した正・負極活物質層との接着強度を高めるため、予め粗面化処理して使用するのが好ましい。粗面化方法としては、機械的研磨法、電解研磨法、化学研磨法などが挙げられる。機械的研磨法においては、研磨剤粒子を固着した研磨布紙、砥石、エメリバフ、鋼線などを備えたワイヤーブラシ等が使用される。また、集電体と正・負極活物質層との接着強度や導電性を高めるために、集電体表面に中間層を形成してもよい。
(固体電解質層用スラリー組成物、正極活物質層用スラリー組成物及び負極活物質層用スラリー組成物の製造)
 上記のスラリー組成物は、上述した各成分を混合して得られる。上記のスラリー組成物の各成分の混合法は特に限定はされないが、例えば、撹拌式、振とう式、および回転式などの混合装置を使用した方法が挙げられる。また、ホモジナイザー、ボールミル、ビーズミル、プラネタリーミキサー、サンドミル、ロールミル、および遊星式混練機などの分散混練装置を使用した方法が挙げられ、無機固体電解質の凝集を抑制できるという観点からプラネタリーミキサー、ボールミル又はビーズミルを使用した方法が好ましい。
 上記により製造された固体電解質層用スラリー組成物の粘度は、好ましくは10~500mPa・s、より好ましくは15~400mPa・s、特に好ましくは20~300mPa・sである。固体電解質層用スラリー組成物の粘度が上記範囲にあることで、該スラリー組成物の分散性及び塗工性が良好になる。該スラリー組成物の粘度が10mPa・s未満であると、固体電解質層用スラリー組成物が垂れる場合がある。また、該スラリー組成物の粘度が500mPa・sを超えると、固体電解質層の薄膜化が困難になる場合がある。
 また、上記により製造された正極活物質層用スラリー組成物及び負極活物質層用スラリー組成物の粘度は、好ましくは3000~50000mPa・s、より好ましくは4000~30000mPa・s、特に好ましくは5000~10000mPa・sである。正極活物質層用スラリー組成物及び負極活物質層用スラリー組成物の粘度が上記範囲にあることで、該スラリー組成物の分散性及び塗工性が良好になる。該スラリー組成物の粘度が3000mPa・s未満であると、該スラリー組成物中の活物質及び無機固体電解質が沈降する場合がある。また、該スラリー組成物の粘度が50000mPa・sを超えると、塗膜の均一性が失われる場合がある。
 本発明において粘度は、B型粘度計におけるスピンドルの回転速度が60rpmのときの室温における値として測定することができる。
全固体二次電池
 本発明の全固体二次電池は、正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極と、これらの正負極活物質層間に固体電解質層とを有し、上記の脂環式構造含有重合体及び無機固体電解質が、正極活物質層、負極活物質層または固体電解質層の少なくとも一層に、好ましくは全ての層に含まれる。正極活物質層、負極活物質層または固体電解質層の少なくとも一層に、上記の脂環式構造含有重合体及び無機固体電解質が含まれることで、電池の初期放電容量や高温保持特性を向上させることができる。
 本発明の全固体二次電池における固体電解質層の厚さは、好ましくは1~15μm、より好ましくは2~13μm、特に好ましくは3~10μmである。固体電解質層の厚さが上記範囲にあることで、全固体二次電池の内部抵抗を小さくすることができる。
 本発明の全固体二次電池における正極は、上記の正極活物質層用スラリー組成物を集電体上に塗布、乾燥して正極活物質層を形成して製造される。また、本発明の全固体二次電池における負極は、上記の負極活物質層用スラリー組成物を、正極の集電体とは別の集電体上に塗布、乾燥して負極活物質層を形成して製造される。次いで、形成した正極活物質層または負極活物質層の上に、固体電解質層用スラリー組成物を塗布し、乾燥して固体電解質層を形成する。なお、固体電解質層は、キャリアフィルム上に固体電解質層用スラリー組成物を塗布、乾燥後、正極活物質層または負極活物質層の上に転写することで形成することもできる。そして、固体電解質層を形成しなかった電極と、上記の固体電解質層を形成した電極とを貼り合わせることで、全固体二次電池素子を製造する。
 正極活物質層用スラリー組成物及び負極活物質層用スラリー組成物の集電体への塗布方法は特に限定されず、例えば、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、ハケ塗りなどによって塗布される。塗布する量も特に制限されないが、有機溶媒を除去した後に形成される活物質層の厚さが通常5~300μm、好ましくは10~250μmになる程度の量である。乾燥方法も特に制限されず、例えば温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、(遠)赤外線や電子線などの照射による乾燥が挙げられる。乾燥条件は、通常は応力集中が起こって活物質層に亀裂が入ったり、活物質層が集電体から剥離しない程度の速度範囲の中で、できるだけ早く有機溶媒が揮発するように調整する。更に、乾燥後の電極をプレスすることにより電極を安定させてもよい。プレス方法は、金型プレスやカレンダープレスなどの方法が挙げられるが、限定されるものではない。
 乾燥は、有機溶媒が十分に揮発する温度で行う。乾燥温度は、具体的には50~250℃が好ましく、さらには80~200℃が好ましい。上記範囲とすることにより、バインダーとなる重合体の熱分解がなく良好な活物質層を形成することが可能となる。乾燥時間については、特に限定されることはないが、通常10~60分の範囲で行われる。
 固体電解質層用スラリー組成物を、正極活物質層、負極活物質層又はキャリアフィルムへ塗布する方法は特に限定されず、上述した正極活物質層用スラリー組成物及び負極活物質層用スラリー組成物の集電体への塗布方法と同様の方法により行われるが、薄膜の固体電解質層を形成できるという観点からグラビア法が好ましい。塗布する量も特に制限されないが、有機溶媒を除去した後に形成される固体電解質層の厚さが、好ましくは1~15μm、より好ましくは3~14μmになる程度の量である。乾燥方法、乾燥条件及び乾燥温度も、上述の正極活物質層用スラリー組成物及び負極活物質層用スラリー組成物と同様である。
 更に、上記の固体電解質層を形成した電極と固体電解質層を形成しなかった電極とを貼り合わせた積層体を、加圧してもよい。加圧方法としては特に限定されず、例えば、平板プレス、ロールプレス、CIP(Cold Isostatic Press)などが挙げられる。加圧プレスする圧力としては、好ましくは5~700MPa、より好ましくは7~500MPaである。加圧プレスの圧力を上記範囲とすることにより、電極と固体電解質層との各界面における抵抗、更には各層内の粒子間の接触抵抗が低くなり良好な電池特性を示すからである。
 正極活物質層または負極活物質層のどちらに固体電解質層用スラリー組成物を塗布するかは特に限定されないが、使用する電極活物質の粒子径が大きい方の活物質層に固体電解質層用スラリー組成物を塗布することが好ましい。電極活物質の粒子径が大きいと、活物質層表面に凹凸が形成されるため、組成物を塗布することで、活物質層表面の凹凸を緩和することができる。そのため、固体電解質層を形成した電極と固体電解質層を形成しなかった電極とを貼り合わせて積層する際に、固体電解質層と電極との接触面積が大きくなり、界面抵抗を抑制することができる。
 得られた全固体二次電池素子を、電池形状に応じてそのままの状態又は巻く、折るなどして電池容器に入れ、封口して全固体二次電池が得られる。また、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、リード板などを電池容器に入れ、電池内部の圧力上昇、過充放電の防止をする事もできる。電池の形状は、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。
 以下に、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。各特性は、以下の方法により評価する。なお、本実施例における「部」および「%」は、特に断りのない限り、それぞれ、「重量部」および「重量%」である。
<粒度分布(平均粒子径)> 
 レーザー回折式粒度分布測定装置を用いて固体電解質層用スラリー組成物中の無機固体電解質の分散粒子径を測定し、体積平均粒子径D50を求め、下記基準で分散性を評価した。体積平均粒子径D50が小さいほど凝集度が低く分散性に優れることを示している。
 A:10μm未満
 B:10μm以上~20μm未満
 C:20μm以上~30μm未満
 D:30μm以上~50μm未満
 E:50μm以上
<電池特性:初期放電容量>
 10セルの全固体二次電池を25℃において、0.1Cの定電流法によって4.3Vまで充電し、その後0.1Cにて3.0Vまで放電し、0.1C放電容量xを求めた。活物質の理論容量Xに対して、放電容量比(x/X(%))を求め、平均値を以下の基準で評価した。放電容量比(x/X)が高いほど初期放電容量に優れることを示す。
 A:90%以上
 B:80%以上90%未満
 C:70%以上80%未満
 D:60%以上70%未満
 E:60%未満
<電池特性:高温保持特性>
 10セルの全固体二次電池を25℃において、0.1Cの定電流法によって4.3Vまで充電し、その後0.1Cにて3.0Vまで放電し、0.1C放電容量xを求めた。その後0.1Cにて4.3Vまで充電し、その後80℃恒温槽内で7日間静置後、0.1Cにて3.0Vまで放電し、放電容量yを求めた。10セルの平均値を測定値とし、静置後の放電容量yと0.1C放電容量xの電気容量の比(y/x(%))で表される容量保持率を求め、高温保持特性を、以下の基準で評価した。この値が高いほど出力特性に優れている、すなわち内部抵抗が小さいことを意味する。
 A:90%以上
 B:80%以上90%未満
 C:70%以上80%未満
 D:60%以上70%未満
 E:60%未満
<水素化率>
 水素化率は、水素化反応前後にH-NMRスペクトルを測定して水素化反応前後での主鎖及び側鎖部分の不飽和結合及び芳香環の不飽和結合に対応するシグナルの積分値の減少量を元に算出した。
(実施例1)
〔脂環式構造含有重合体(ブロック共重合体水素化物(I))の製造〕
 充分に窒素置換された、攪拌装置を備えた反応器に脱水シクロヘキサン550部、脱水スチレン25.0部、n-ジブチルエーテル0.475部を入れ、60℃で攪拌しながらn-ブチルリチウム(15%シクロヘキサン溶液)0.515部を加えて重合を開始した。攪拌しながら60℃で60分反応させた。ガスクロマトグラフィーにより測定したこの時点で重合転化率は99.5%であった。
 次に、脱水イソプレン50.0部を加えそのまま30分攪拌を続けた。この時点で重合転化率は99%であった。
 その後、更に、脱水スチレンを25.0部加え、60分攪拌した。この時点での重合転化率はほぼ100%であった。ここでイソプロピルアルコール0.5部を加えて反応を停止し、ブロック共重合体(i)を得た。得られたブロック共重合体(i)の重量平均分子量(Mw)は81,400、分子量分布(Mw/Mn)は1.05であった。
 次に、上記ブロック共重合体(i)を、攪拌装置を備えた耐圧反応器に移送し、水素化触媒としてシリカ-アルミナ担持型ニッケル触媒(日揮化学工業社製;E22U、ニッケル担持量60%)4.0部及び脱水シクロヘキサン100部を添加して混合した。反応器内部を水素ガスで置換し、さらに溶液を攪拌しながら水素を供給し、温度170℃、圧力4.5MPaにて6時間水素化反応を行った。水素化反応後のブロック共重合体水素化物(I)の重量平均分子量(Mw)は86,200、分子量分布(Mw/Mn)は1.06であった。
 水素化反応終了後、反応溶液をろ過して水素化触媒を除去した後、リン系酸化防止剤である6-〔3-(3-t-ブチル-4-ヒドロキシ-5-メチルフェニル)プロポキシ〕-2,4,8,10-テトラキス-t-ブチルジベンゾ〔d,f〕〔1.3.2〕ジオキサフォスフェピン(スミライザー(登録商標)GP、住友化学社製)0.1部を溶解したキシレン溶液1.0部を添加して溶解させた。
 次いで、上記溶液を、ゼータープラスフィルター30H(キュノー社製、孔径0.5~1μm)にて濾過し、更に別の金属ファイバー製フィルター(孔径0.4μm、ニチダイ社製)にて順次濾過して微小な固形分を除去した後、円筒型濃縮乾燥器(コントロ、日立製作所社製)を用いて、温度260℃、圧力0.001MPa以下で、溶液から、溶媒であるシクロヘキサン、キシレン及びその他の揮発成分を除去し、濃縮乾燥器に直結したダイから溶融状態でストランド状に押出し、冷却後、ペレタイザーでカットしてブロック共重合体水素化物(I)のペレット85部を得た。得られたブロック共重合体水素化物(I)の重量平均分子量(Mw)は85,300、分子量分布(Mw/Mn)は1.11であった。水素化率はほぼ100%であった。また、ブロック共重合体水素化物(I)における重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との重量分率は、wA:wB=50:50であった。
〔正極活物質層用スラリー組成物の製造〕
 正極活物質としてコバルト酸リチウム(平均粒子径:11.5μm)100部と、無機固体電解質としてLiSとPとからなる硫化物ガラス(LiS/P=70mol%/30mol%、個数平均粒子径:0.4μm)150部と、導電剤としてアセチレンブラック13部と、バインダーとなる重合体としてブロック共重合体水素化物(I)のシクロヘキサン溶液を3部(固形分相当)とを混合し、さらに有機溶媒としてシクロヘキサンで固形分濃度78%に調整した後にプラネタリーミキサーで60分混合した。さらにシクロヘキサンで固形分濃度74%に調整した後に10分間混合して正極活物質層用スラリー組成物を調製した。正極活物質層用スラリー組成物の粘度は、6100mPa・sであった。
〔負極活物質層用スラリー組成物の製造〕
 負極活物質としてグラファイト(平均粒子径:20μm)100部と、無機固体電解質としてLiSとPとからなる硫化物ガラス(LiS/P=70mol%/30mol%、個数平均粒子径:0.4μm)50部と、バインダーとなる重合体としてブロック共重合体水素化物(I)のシクロヘキサン溶液を3部(固形分相当)とを混合し、さらに有機溶媒としてシクロヘキサンを加えて固形分濃度60%に調整した後にプラネタリーミキサーで混合して負極活物質層用スラリー組成物を調製した。負極活物質層用スラリー組成物の粘度は、6100mPa・sであった。
〔固体電解質層用スラリー組成物の製造〕
 無機固体電解質としてLiSとPとからなる硫化物ガラス(LiS/P=70mol%/30mol%、個数平均粒子径:1.2μm、累積90%の粒子径:2.1μm)100部と、バインダーとなる重合体としてブロック共重合体水素化物(I)のシクロヘキサン溶液を3部(固形分相当)とを混合し、さらに有機溶媒としてシクロヘキサンを加えて固形分濃度30%に調整した後にプラネタリーミキサーで混合して固体電解質層用スラリー組成物を調製した。固体電解質層用スラリー組成物の粘度は、52mPa・sであった。この固体電解質層用スラリー組成物を用いて、粒度分布を評価した。結果を表1に示す。
〔全固体二次電池の製造〕
 集電体(アルミニウム、厚み15μm)の表面に上記正極活物質層用スラリー組成物を塗布し、乾燥(110℃、20分)させて50μmの正極活物質層を形成して正極を製造した。また、別の集電体(銅、厚み10μm)の表面に上記負極活物質層用スラリー組成物を塗布し、乾燥(110℃、20分)させて30μmの負極活物質層を形成して負極を製造した。
 次いで、上記正極活物質層の表面に、上記固体電解質層用スラリー組成物を塗布し、乾燥(110℃、10分)させて11μmの固体電解質層を形成した。
 正極活物質層の表面に積層された固体電解質層と、上記負極の負極活物質層とを貼り合わせ、プレスして全固体二次電池を得た。プレス後の全固体二次電池の固体電解質層の厚さは9μmであった。この電池を用いて初期放電容量及び高温保持特性を評価した。結果を表1に示す。
(実施例2)
 バインダーとなる重合体として、ブロック共重合体水素化物(I)の代わりに、下記のブロック共重合体水素化物(II)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、各スラリー組成物、全固体二次電池を作製し、評価を行った。結果を表1に示す。
〔脂環式構造含有重合体(ブロック共重合体水素化物(II))の製造〕
 重合段階でモノマーとして、スチレン15.0部、n-ブチルリチウム(15%シクロヘキサン溶液)0.310部、イソプレン70.0部、及び、スチレン15.0部をこの順に反応系に添加して重合を開始したこと以外は実施例1と同様にして、ブロック共重合体水素化物(II)のペレット88部を得た。得られたブロック共重合体水素化物(II)の重量平均分子量(Mw)は139,000、分子量分布(Mw/Mn)は1.15であった。水素化率はほぼ100%であった。また、ブロック共重合体水素化物(II)における重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との重量分率は、wA:wB=30:70であった。
(実施例3)
 バインダーとなる重合体として、ブロック共重合体水素化物(I)の代わりに、下記のブロック共重合体水素化物(III)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、各スラリー組成物、全固体二次電池を作製し、評価を行った。結果を表1に示す。
〔脂環式構造含有重合体(ブロック共重合体水素化物(III))の製造〕
 重合段階でモノマーとして、スチレン35.0部、イソプレン30.0部、及び、スチレン35.0部をこの順に反応系に添加して重合を開始したこと以外は実施例1と同様にして、ブロック共重合体水素化物(III)のペレット90部を得た。得られたブロック共重合体水素化物(III)の重量平均分子量(Mw)は86,900、分子量分布(Mw/Mn)は1.10であった。水素化率はほぼ100%であった。また、ブロック共重合体水素化物(III)における重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との重量分率は、wA:wB=70:30であった。
(実施例4)
 バインダーとなる重合体として、ブロック共重合体水素化物(I)の代わりに、下記のランダム共重合体水素化物(IV)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、各スラリー組成物、全固体二次電池を作製し、評価を行った。結果を表1に示す。
〔脂環式構造含有重合体(ランダム共重合体水素化物(IV))の製造〕
 重合段階でモノマーとして、スチレン50.0部、イソプレン50.0部の混合モノマーを反応系に添加して重合を開始し、ランダム共重合体(iv)を得た。次いで、実施例1と同様にして、ランダム共重合体(iv)の水素化反応を行い、ランダム共重合体水素化物(IV)を得た。得られたランダム共重合体水素化物(IV)の重量平均分子量(Mw)は141,000、分子量分布(Mw/Mn)は1.15であった。水素化率はほぼ100%であった。
(実施例5)
 バインダーとなる重合体として、ブロック共重合体水素化物(I)の代わりに、下記のブロック共重合体水素化物(V)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、各スラリー組成物、全固体二次電池を作製し、評価を行った。結果を表1に示す。
〔脂環式構造含有重合体(ブロック共重合体水素化物(V))の製造〕
 重合段階でモノマーとして、スチレン25.0部、イソプレンに変えて液化ブタジエン50.0部、及び、スチレン25.0部をこの順に反応系に添加して重合を開始したこと以外は実施例1と同様にして、ブロック共重合体水素化物(V)のペレット87部を得た。得られたブロック共重合体水素化物(V)の重量平均分子量(Mw)は139,000、分子量分布(Mw/Mn)は1.11であった。水素化率はほぼ100%であった。また、ブロック共重合体水素化物(V)における重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との重量分率は、wA:wB=50:50であった。
(実施例6)
 負極活物質層用スラリー組成物及び固体電解質層用スラリー組成物の製造において、バインダーとなる重合体として、アクリル酸ブチル-スチレン共重合体(アクリル酸ブチル/スチレンの共重合比率=70/30、Tg-2℃)を用いたこと以外は実施例1と同様にして、各スラリー組成物、全固体二次電池を作製し、評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例7)
 バインダーとなる重合体として、ブロック共重合体水素化物(I)の代わりに、下記のノルボルネン系重合体水素化物を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、各スラリー組成物、全固体二次電池を作製し、評価を行った。結果を表1に示す。
〔脂環式構造含有重合体(ノルボルネン系重合体水素化物)の製造〕
 (開環重合)
 窒素雰囲気下、脱水したシクロヘキサン700部に、1-ヘキセン0.89部、ジイソプロピルエーテル1.06部、トリイソブチルアルミニウム0.34部、及びイソブチルアルコール0.13部を室温で反応器に入れ混合した。そこへ、2-ノルボルネン(2-NB)250部、5-ビニル-2-ノルボルネン(以下、「VNB」とすることがある。)1.25部及び六塩化タングステン1.0%トルエン溶液26部を、55℃に保ちながら、2時間かけて連続的に添加し重合を行い、開環重合体を得た。重合転化率は、ほぼ100%であった。なお、分岐剤であるVNBの配合量は、ノルボルネン系単量体である2-NBの合計100モル%としたときに、0.39モル%であった。
 (水素添加反応)
 上記で得た開環重合体を含む反応溶液を耐圧の水素化反応器に移送し、そこへ、ケイソウ土担持ニッケル触媒(T8400、ニッケル担持率58%、ズードヘミー触媒社製)1.0部を加え、200℃、水素圧4.5MPaで6時間反応させた。この溶液を、珪藻土を濾過助剤としてステンレス製金網を備えた濾過器により濾過し、触媒を除去した。得られた反応溶液を3000部のイソプロピルアルコール中に撹拌下に注いで水素化物を沈殿させ、濾別して回収した。さらに、アセトン500部で洗浄したのち、0.13×10Pa以下、100℃に設定した減圧乾燥器中で48時間乾燥し、ノルボルネン系重合体水素化物として結晶性ノルボルネン系開環重合体水素化物を190部得た。 得られたノルボルネン系重合体水素化物の重量平均分子量(Mw)は115,000、分子量分布(Mw/Mn)は1.10であった。水素化率はほぼ100%であった。
(比較例1)
 バインダーとなる重合体として、ブロック共重合体水素化物(I)の代わりに、セプトン(登録商標)8006(クラレ製 ポリスチレン-ポリ(エチレン/ブチレン)ブロック-ポリスチレン、スチレン含有率33%)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、各スラリー組成物、全固体二次電池を作製し、評価を行った。結果を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1から、実施例1~7の、正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極と、固体電解質層とを有する全固体二次電池であって、正極活物質層、負極活物質層、または固体電解質層の少なくとも一層に、脂環式構造を含有してなる重合体と無機固体電解質とが含まれる全固体二次電池は、初期放電容量及び高温保持特性に優れることが分かる。また、固体電解質層用スラリー組成物中の固体電解質の分散性に優れる。
 一方、脂環式構造を含有してなる重合体が含まれない比較例1は、各評価のバランスに劣る。

Claims (7)

  1.  正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極と、固体電解質層とを有する全固体二次電池であって、
     正極活物質層、負極活物質層または固体電解質層の少なくとも一層に、脂環式構造を含有してなる重合体と無機固体電解質とが含まれることを特徴とする全固体二次電池。
  2.  前記脂環式構造が、芳香環を水素化した構造である請求項1に記載の全固体二次電池。
  3.  前記脂環式構造を含有してなる重合体が、ビニル芳香族系単量体と、該単量体と共重合可能な他の単量体との共重合体を水素化して得られるビニル脂環式炭化水素系重合体であって、
     前記共重合体における全ての炭素-炭素不飽和結合の90%以上を水素化してなるものである請求項1または2に記載の全固体二次電池。
  4.  前記脂環式構造を含有してなる重合体が、芳香環の炭素-炭素不飽和結合を水素化したビニル芳香族系単量体単位を主成分とする重合体ブロック(A)と、炭素-炭素不飽和結合を水素化した鎖状共役ジエン単量体単位を主成分とする重合体ブロック(B)とを有する水素化ブロック共重合体である請求項1~3のいずれかに記載の全固体二次電池。
  5.  水素化ブロック共重合体全体に占める重合体ブロック(A)の重量分率をwAとし、水素化ブロック共重合体全体に占める重合体ブロック(B)の重量分率をwBとしたときに、wAとwBとの比(wA:wB)が、20:80~60:40である請求項4に記載の全固体二次電池。
  6.  脂環式構造を含有してなる重合体の重量平均分子量が、30,000~200,000である請求項1~5のいずれかに記載の全固体二次電池。
  7.  前記無機固体電解質が、LiSとPとからなる硫化物ガラスおよび/または硫化物ガラスセラミックスである請求項1~6のいずれかに記載の全固体二次電池。
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