JP5696855B2 - 二次電池用シール材組成物、その製造方法およびそれを用いた二次電池 - Google Patents
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Description
ジエン系ゴム及び/又は熱可塑性エラストマーを含む有機液状物質溶液に、
前記マスターバッチを、必要に応じ残余量のジエン系ゴム及び/又は熱可塑性エラストマーとともに、溶解または分散する工程、を含む(1)に記載の二次電池用シール材組成物の製造方法。
本発明で用いるジエン系ゴムとは、ジエン系単量体単位を50質量%以上含有する重合体であり、ジエン系単量体の単独重合体若しくは共重合体又はジエン系単量体とこれと共重合可能な他の単量体とのランダム共重合体である。ジエン系単量体は、特に限定されず、その具体例としては、ブタジエン、クロロプレンまたはイソプレンが挙げられる。本発明で用いるジエン系ゴムは、後述する熱可塑性エラストマーとは異なり、高温では流動性を示さないものである。
ポリブタジエンとしては、特に1,4−シス含有量が90%以上のポリブタジエンが好ましく用いられる。1,4−シス含有量は、1H−NMR分析により1,4−結合単位(5.4−5.6ppm)と1,2−結合単位(5.0−5.1ppm)の比を求め、13C−NMR分析からシス結合(28ppm)とトランス結合(38ppm)の比を求めることによって決定することができる。ポリブタジエンゴム中のジエン構造部分における1,4−シス含有量は、より好ましくは93%以上、更に好ましくは95%以上である。シス体含量が高い方が密閉性の良いシール材組成物が得られる。
本発明で使用するジエン系ゴムの重量平均分子量は、トルエンを溶媒とするゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定されるポリスチレン換算の重量平均分子量(Mw)で、通常10,000〜1,500,000、好ましくは20,000〜800,000、より好ましくは50,000〜700,000である。重量平均分子量が1,500,000を超えると、ジエン系ゴムを有機溶媒に溶解させ、シール材組成物としたとき、粘度が高くなりすぎて、絶縁ガスケットに塗布する際のシール材層の厚さの制御が困難となる。逆に重量平均分子量が10,000未満になると、シール材としての強度が弱く、絶縁ガスケットを装着する際、シール材層に亀裂が入り、シール効果が悪くなるおそれがある。
本発明における熱可塑性エラストマーは、使用温度では加硫ゴムと同様の性質を持つが、高温ではポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂と同様に流動性を示し、溶融成形または再成形することができるものであり、上述のジエン系ゴムとは異なるものである。
本発明において、前記ジエン系ゴムと熱可塑性エラストマーとの重量比率は、ジエン系ゴム/熱可塑性エラストマー=60/40〜99/1であることが好ましい。
本発明におけるカーボンとは、走査型電子顕微鏡(SEM)によって測定した一次粒子径が1μm以下である炭素からなる粒子をいう。具体例としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、チャンネルブラック、黒鉛などの炭素粉末が挙げられる。
本発明における有機液状物質とは、常温(25℃)、常圧下で液状状態にある有機化合物であり、例えば炭化水素化合物、含窒素系有機化合物、含酸素系有機化合物、含塩素系有機化合物、含硫黄系有機化合物などである。
さらに本発明のシール材組成物には上記成分のほかに、さらに分散剤、レベリング剤、老化防止剤、紫外線吸収剤、密着性向上剤等、その他の成分が含まれていてもよい。これらは絶縁ガスケットの性能を劣化させず、電解液と反応せず、また電解液に溶解しないものであれば特に限られない。
本発明のシール材組成物中のその他の添加剤も含めての全固形分濃度は、組成物全量中において0.1質量%〜50質量%、好ましくは0.5質量%〜40質量%、より好ましくは1質量%〜30質量%である。シール剤組成物の固形分濃度を上記範囲にすることにより、密閉層形成時の乾燥時間を短くすることができる。
本発明の二次電池用シール材組成物は、カーボンと、ジエン系ゴム及び/又は熱可塑性エラストマーとを混練しマスターバッチを準備し、これとは別にジエン系ゴム及び/又は熱可塑性エラストマーを含む有機液状物質溶液を準備し、前記マスターバッチを、前記有機液状物質溶液に、必要に応じ残余量のジエン系ゴム及び/又は熱可塑性エラストマーとともに、溶解または分散することで得られる。
マスターバッチにおける前記ジエン系ゴム及び/又は前記熱可塑性エラストマーと前記カーボンとの重量比率は、ジエン系ゴムと熱可塑性エラストマーとの合計/カーボン=50/50〜90/10が好ましい。上記範囲にすることにより該カーボンを高分散することができる。
本発明におけるマスターバッチを得るための混練法は、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、2軸ロール、バンバリーミキサー、異方性2軸混練機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、二次粒子を解砕できるという観点から2軸ロール、バンバリーミキサー、異方性2軸混練機を使用した方法が好ましい。
上記のマスターバッチを得る工程における、混練時の温度としては特に限定はされないが、好ましくは100℃〜200℃、さらに好ましくは120℃〜190℃、特に好ましくは140℃〜180℃である。混練時の温度を上記範囲内とすることで、ジエン系ゴム又は熱可塑性エラストマーの粘度が下がり、カーボンを混練させる為に適した粘度となる。混練時の温度が低すぎる場合には、ジエン系ゴム又は熱可塑性エラストマーの粘度が下がらず、カーボンの分散が不十分になり、またトルクがかかり過ぎる為、ジエン系ゴム又は熱可塑性エラストマーの主鎖切断が起きるおそれがある。逆に、混練時の温度が高すぎる場合には、ジエン系ゴム又は熱可塑性エラストマーの酸化劣化が起こるおそれがある。
上記のマスターバッチを得る工程における、これらの混練時間としては特に限定はされないが、好ましくは5分以上30分以下、さらに好ましくは10分以上25分以下である。マスターバッチの混練時間を上記範囲内とすることで、カーボンを十分に分散することが可能である。混練時間が長すぎる場合には、カーボンが再凝集し、粗大粒子数が増加するおそれがある。
上記のマスターバッチを得る工程における、混練時における消費エネルギーは、好ましくは500〜30,000MJ/m3であり、さらに好ましくは1,000〜10,0000MJ/m3、特に好ましくは2,000〜8,000MJ/m3である。上記範囲内とすることで、カーボンを十分に分散でき、ポリマー分子の切断による劣化の抑制が可能である。前記消費エネルギーは、混練に使用する混合装置の消費電力量を混練した材料の量で割ることに算出される、単位容積あたりの混練に要する比エネルギーを意味する。
前記ジエン系ゴム及び/又は前記熱可塑性エラストマーと有機液状物質の混合方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。
上記マスターバッチを、有機液状物質溶液に、溶解または分散することで、本発明の二次電池用シール材組成物が得られる。溶解または分散の方法は特に限定はされず、たとえばマスターバッチに有機液状物質溶液を加え、撹拌式、振とう式、および回転式などの混合装置などを使用して混合する方法があげられる。また、マスターバッチと有機液状物質溶液との混合の際に、得られる二次電池用シール組成物が、前記した所定濃度となるように、必要に応じ残余量のジエン系ゴム及び/又は熱可塑性エラストマーを追加してもよく、また前述したカーボン、添加剤、有機液状物質を加えても良い。
本発明の好適な実施態様であるアルカリ二次電池は、その概略構成図を図1に示したように、発電要素を収納した金属容器4の開口部を塞ぐ封口体5に装着された絶縁ガスケット6と金属容器4との間、および/または絶縁ガスケット6と封口体5との間に本発明の二次電池用シール材組成物7からなる密閉層を有する。なお、図1において、1は負極板、2はセパレータ、3は正極板である。また、電解液はアルカリ性水溶液の電池であればよく、その金属容器の素材、発電要素、絶縁ガスケットは、一般に使用されているものでよい。
本発明の他の好適な実施態様であるリチウム二次電池の概略構成は、前記アルカリ二次電池と同様であり、図1に示したように、発電要素を収納した金属容器4の開口部を塞ぐ封口体5に装着された絶縁ガスケット6と金属容器4との間、および/または絶縁ガスケット6と封口体5との間に本発明の二次電池用シール材組成物7からなる密閉層を有する。なお、図1において、1は負極板、2はセパレータ、3は正極板である。また、電解液に含まれる支持電解質としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4などのリチウム系化合物などのような水と反応して加水分解しやすい化合物が用いられている。また有機電解液溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等の可燃性有機化合物が用いられている。その金属容器の素材、発電要素、絶縁ガスケットは、一般に使用されているものでよい。
なお、本実施例において、「部」及び「%」は、特に断りのない限り、それぞれ、「質量部」及び「質量%」である。
JIS K5600−2−5に基づき、3mLのシール材組成物について25μmの粒ゲージを用いて各3回測定し、10μm以上の粗大粒子数の平均を算出した。
AAサイズの金属容器内に正極板と負極板とをセパレータを介して捲回してなるアルカリ二次電池の発電要素を圧挿入した。この容器の開口部近傍に、封口部固定のため、ビード部を形成した。このビード部上へ、前記シール材組成物を、定量ディスペンサーを使用して、乾燥後のシール材組成物層厚が13ミクロンとなるように塗布、乾燥を行い、シール材組成物層を形成した。この後、7規定のKOH及び1規定のLiOHからなる電解液を注入し、ビード部表面に絶縁ガスケットを介して、金属容器に封口体である封口蓋板を嵌合し、封口してアルカリ二次電池とした。アルカリ二次電池の概略構成図を図1に示す。
アルカリ二次電池を45℃で24時間エージングした後、初充電を行った。初充電が施された電池20個を作製した。その内10個の電池に、アルカリによって黄色から紫に変色するCR試験紙を付着し、温度95℃、湿度90%の恒温恒湿槽で、48時間放置し、アルカリ電解液が漏液して試験紙が変色した電池の有無を調べた(高温高湿試験)。また残りの電池10個は、2.5mの高さから電池の方向を一定にし、10回落下させた後、各々の電池を50mLの水で充分に水洗し、水洗後の水にCR試験紙をひたして、その変色の有無から、アルカリ電解液の漏液の有無を調べた(落下試験)。これらを密閉性の評価基準とし、以下の基準で評価する。この値が高いほど密着性、密閉性に優れている。
A:全て変色しない
B:変色しない電池 7個以上10個未満
C:変色しない電池 5個以上7個未満
D:変色しない電池 3個以上5個未満
E:変色しない電池 1個以上3個未満
F:全て変色
(ブタジエンゴムの重合)
10リットルの攪拌機付きオートクレーブにトルエン5,000g及びブタジエン810gを加え、十分攪拌した後、ジエチルアルミニウムクロライド0.27mol及び塩化クロム・ピリジン錯体0.6mmolを加え、60℃で3時間攪拌しながら重合した。その後、メタノール100mLを加えて重合を停止した。重合停止後、室温まで冷却した後、重合液を取り出した。得られた重合液を水蒸気凝固した後、60℃で48時間真空乾燥してブタジエンゴムを780g得た。得られたブタジエンゴムの重量平均分子量は390,000であった。また、13C−NMRスペクトルの結果からこのポリマーの1,4−シス体含量は97%であった。
ブタジエンゴム308gとカーボン(三菱化学社製 商品名『ダイアブラックI』)77gとを、2軸ロールを用いて装置の初期設定温度160℃で10分間混練し、マスターバッチを得た。このマスターバッチ混練時の消費エネルギーは4,980MJ/m3であった。混練中の樹脂温度は、混練の経過にともない上昇し、170〜180℃であった。
マスターバッチの混練時間を30分間にした以外は、実施例1と同様の方法でシール材組成物(濃度10%)を得た。このマスターバッチ混練時の消費エネルギーは12,310MJ/m3であった。得られたシール材組成物について、実施例1と同様の評価を行なったところ、粗大粒子数の平均は4個、高温高湿試験でCR試験紙が変色しなかった電池の数は10個中10個、落下試験でCR試験紙が変色しなかった電池の数は10個中9個であった。
キシレンに代えてシクロヘキサンを使用し、マスターバッチの混練方法を2軸ロールからバンバリーミキサーに変更し、混練時の設定温度を170℃にした以外は、実施例1と同様の方法でシール材組成物(濃度10%)を得た。このマスターバッチ混練時の消費エネルギーは4,910MJ/m3であった。得られたシール材組成物について、実施例1と同様の評価を行なったところ、粗大粒子数の平均は0個、高温高湿試験でCR試験紙が変色しなかった電池の数は10個中9個、落下試験でCR試験紙が変色のしなかった電池の数は10個中8個であった。
マスターバッチの混練方法を2軸ロールから異方向2軸混練機に変更し、混練時の設定温度を170℃にした以外は、実施例1と同様の方法でシール材組成物(濃度10%)を得た。このマスターバッチ混練時の消費エネルギーは5,320MJ/m3であった。得られたシール材組成物について、実施例1と同様の評価を行なったところ、粗大粒子数の平均は2個、高温高湿試験でCR試験紙が変色しなかった電池の数は10個中10個、落下試験でCR試験紙が変色しなかった電池の数は10個中9個であった。
ブタジエンゴムと熱可塑性エラストマーとの比率を92/8から85/15に変更し、マスターバッチ混練時の設定温度を150℃にした以外は実施例1と同様の方法でシール材組成物(濃度10%)を得た。このマスターバッチ混練時の消費エネルギーは4,230MJ/m3であった。得られたシール材組成物について、実施例1と同様の評価を行なったところ、粗大粒子数の平均は1個、高温高湿試験でCR試験紙が変色しなかった電池の数は10個中8個、落下試験でCR試験紙が変色しなかった電池の数は10個中7個であった。
ブタジエンゴムと熱可塑性エラストマーとの比率を85/15から75/25に変更し、マスターバッチの混練時間を10分間から3分間に変更し、設定温度を130℃にした以外は実施例5と同様の方法でシール材組成物(濃度10%)を得た。このマスターバッチ混練時の消費エネルギーは610MJ/m3であった。得られたシール材組成物について、実施例1と同様の評価を行なったところ、粗大粒子数の平均は8個、高温高湿試験でCR試験紙が変色しなかった電池の数は10個中7個、落下試験でCR試験紙が変色しなかった電池の数は10個中6個であった。
イミダゾール化合物を添加しないこと以外は実施例6と同様の方法でシール材組成物(濃度10%)を得た。このマスターバッチ混練時の消費エネルギーは630MJ/m3であった。得られたシール材組成物について、実施例1と同様の評価を行なったところ、粗大粒子数の平均は8個、高温高湿試験でCR試験紙が変色しなかった電池の数は10個中5個、落下試験でCR試験紙が変色しなかった電池の数は10個中5個であった。
攪拌方法を2軸ロールからディスパーに変更し、設定温度を55℃にし、原料を一括投入で製造した以外は実施例1と同様の方法でシール材組成物(濃度10%)を得た。この混練時の消費エネルギーは490MJ/m3であった。得られたシール材組成物について、実施例1と同様の評価を行なったところ、粗大粒子数の平均は30個、高温高湿試験で試験紙が変色しなかった電池の数は10個中1個、落下試験で試験紙の変色のしなかった電池の数は10個中0個であった。
攪拌時間を10分間から60分間に変更し、設定温度を60℃にした以外は比較例1と同様の方法でシール材組成物(濃度10%)を得た。この混練時の消費エネルギーは470MJ/m3であった。得られたシール材組成物について、実施例1と同様の評価を行なったところ、粗大粒子数の平均は15個、高温高湿試験で試験紙が変色しなかった電池の数は10個中2個、落下試験で試験紙の変色のしなかった電池の数は10個中2個であった。
AAサイズの金属容器内に正極板と負極板とをセパレータを介して捲回してなるリチウム二次電池の発電要素を圧挿入した。この容器の開口部近傍に、封口部固定のため、ビード部を形成した。このビード部上へ、前記シール材組成物を、定量ディスペンサーを使用して、乾燥後のシール材組成物層厚が13ミクロンとなるように塗布、乾燥を行い、シール材組成物層を形成した。この後、エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=1/2(vol%/vol%)の混合溶媒に、LiPF6を加え、LiPF6濃度が1mol/lになるように調整した電解液を注入し、ビード部表面に絶縁ガスケットを介して、金属容器に封口体である封口蓋板を嵌合し、封口してリチウム二次電池とした。リチウム二次電池の概略構成図を図1に示す。
リチウム二次電池を45℃で24時間エージングした後、初充電を行った。初充電が施された電池20個を作製した。その内10個の電池に、温度60℃、湿度90%の恒温恒湿槽で48時間放置した後、ガラス容器に収納しVOC(Volatile Organic Compounds)試験器にて電解液の漏洩の有無を確認した(高温高湿試験)。また残りの電池10個は、2.5mの高さから電池の方向を一定にし、10回落下させた後、各々の電池を50mLの水で充分に水洗し、ガラス容器に収納しVOC試験器にて電解液の漏洩の有無を確認した(落下試験)。これらを密閉性の評価基準とし、以下の基準で評価する。この値が高いほど密着性、密閉性に優れている。
A:全て漏洩しない
B:漏洩しない電池 7個以上10個未満
C:漏洩しない電池 5個以上7個未満
D:漏洩しない電池 3個以上5個未満
E:漏洩しない電池 1個以上3個未満
F:全て漏洩
実施例1で得られたシール剤組成物を用いてリチウム二次電池を作製した。このシール材組成物を用いたリチウム二次電池について高温高湿試験を行ったところ、電解液が漏液しなかった電池の数は10個中10個であり、落下試験で電解液が漏洩しなかった電池の数は10個中10個であった。
実施例7で得られたシール剤組成物を用いたこと以外は、実施例8と同様の方法でリチウム二次電池を作製した。このシール材組成物を用いたリチウム二次電池について高温高湿試験を行ったところ、電解液が漏液しなかった電池の数は10個中6個であり、落下試験で電解液が漏洩しなかった電池の数は10個中6個であった。
比較例1で得られたシール剤組成物を用いたこと以外は、実施例8と同様の方法でリチウム二次電池を作製した。このシール材組成物を用いたリチウム二次電池について高温高湿試験を行ったところ、電解液が漏液しなかった電池の数は10個中2個であり、落下試験で電解液が漏洩しなかった電池の数は10個中1個であった。
2・・・セパレータ
3・・・正極板
4・・・金属容器
5・・・封口体
6・・・絶縁ガスケット
7・・・シール材組成物(密閉層)
Claims (10)
- ジエン系ゴム、熱可塑性エラストマー、カーボン及び有機液状物質を含んでなる組成物であって、かつ該組成物3mL中に含まれる最大径が10μm以上である粗大粒子の数が10個以下であることを特徴とする二次電池用シール材組成物。
- 前記ジエン系ゴムがブタジエンゴムであることを特徴とする請求項1記載の二次電池用シール材組成物。
- 前記ブタジエンゴムが1,4−シス含有量90%以上のブタジエンゴムであることを特徴とする請求項2に記載の二次電池用シール材組成物。
- 前記ジエン系ゴムと熱可塑性エラストマーとの重量比率(ジエン系ゴム/熱可塑性エラストマー)が60/40〜99/1であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の二次電池用シール材組成物。
- 前記有機液状物質が、常圧で50〜170℃の沸点と14.0〜20.0MPa1/2のSP値とを有する有機液状物質であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の二次電池用シール材組成物。
- さらにイミダゾール化合物を含有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の二次電池用シール材組成物。
- カーボンと、ジエン系ゴム及び/又は熱可塑性エラストマーとを混練しマスターバッチを得る工程、
ジエン系ゴム及び/又は熱可塑性エラストマーを含む有機液状物質溶液に、前記マスターバッチを、必要に応じ残余量のジエン系ゴム及び/又は熱可塑性エラストマーとともに、溶解または分散する工程、を含む請求項1に記載の二次電池用シール材組成物の製造方法。 - 前記マスターバッチを得る工程における混練時の温度が100℃〜200℃であることを特徴とする請求項7に記載の二次電池用シール材組成物の製造方法。
- 前記マスターバッチを得る工程における混練時の消費エネルギーが、500〜30,000MJ/m3であることを特徴とする請求項7に記載の二次電池用シール材組成物の製造方法。
- 発電要素を収納した金属容器の開口部を塞ぐ封口体に装着された絶縁ガスケットと前記金属容器との間、および/または前記絶縁ガスケットと前記封口体との間に請求項1〜6のいずれか1項に記載の二次電池用シール材組成物からなる密閉層を有することを特徴とする二次電池。
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