WO2018180811A1 - 非水系二次電池接着層用スラリー組成物、製造方法及び用途 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a slurry composition for a non-aqueous secondary battery adhesive layer.
- the adhesive layer is required to have a function (adhesiveness) for satisfactorily bonding battery members such as electrodes and separators.
- the present inventors have found that a slurry composition containing a predetermined particulate polymer that is a core-shell structure, a sulfosuccinic acid ester having a predetermined content ratio or a salt thereof, and water is good.
- the present invention has been completed by finding that it is possible to achieve a good balance between the ability to suppress the metal deposition on the electrode surface and the formation of an adhesive layer having good adhesion. That is, the present invention is as follows.
- “monomer composition” is used not only as a composition containing two or more types of monomers but also as a term indicating one type of monomer.
- the shell part is outside the core part as long as a hole that communicates the inside and outside of the shell part is formed. It partially covers the surface.
- the particulate polymer is a core-shell structure. Specifically, it can be confirmed by the following method. First, the particulate polymer is sufficiently dispersed in a room temperature curable epoxy resin and then embedded to produce a block piece containing the particulate polymer. Next, the block piece is cut into a thin piece having a thickness of 80 nm to 200 nm with a microtome equipped with a diamond blade to produce a measurement sample.
- the ratio of the shell portion covering the outer surface of the core portion can be measured from the observation result of the cross-sectional structure of the particulate polymer.
- the degree of swelling of the particulate polymer with respect to the electrolyte solution is the rate of change in mass due to the measurement object being immersed in the electrolyte solution.
- the particulate polymer is formed into a film shape, immersed in an electrolytic solution at 60 ° C. for 72 hours, the mass before and after immersion is measured, and the degree of swelling can be determined from the change in mass.
- the swelling degree with respect to the electrolytic solution is a value measured by the method described in the section of the evaluation method of the example.
- the SP value means a solubility parameter.
- the crosslinkable monomer is a monomer that can form a crosslinked structure during or after polymerization by heating or irradiation with energy rays.
- the degree of swelling of the particulate polymer can be easily within the above range.
- the ratio of the crosslinkable monomer unit By setting the ratio of the crosslinkable monomer unit to be equal to or higher than the lower limit of the above range, an adhesive layer capable of satisfactorily bonding battery members such as the electrode plate and the separator substrate can be obtained. Moreover, the lifetime of a secondary battery can be lengthened by making it into an upper limit or less.
- the polymer of the core part may include an acid group-containing monomer unit.
- the acid group-containing monomer unit is a structural unit having a structure formed by polymerizing a monomer having an acid group.
- the acid group-containing monomer those similar to the acid group-containing monomer that can be contained in the shell part described later are used.
- the acid group-containing monomer a monomer having a carboxylic acid group is preferable, among which monocarboxylic acid is preferable, and (meth) acrylic acid is more preferable.
- an acid group containing monomer may be used individually by 1 type, and may be used combining two or more types by arbitrary ratios.
- an acid group-containing monomer a monomer having a carboxylic acid group is preferable, among which monocarboxylic acid is preferable, and (meth) acrylic acid is more preferable.
- an acid group containing monomer may be used individually by 1 type, and may be used combining two or more types by arbitrary ratios.
- the polymer monomer of the shell portion it is preferable to supply the polymer monomer of the shell portion to the polymerization system in a plurality of times or continuously.
- the polymer constituting the shell part is formed into particles, and these particles are combined with the core part.
- a shell part that partially covers the core part can be formed.
- X is preferably selected from the group consisting of Na, Li and NH 4 , more preferably from the group consisting of Na and Li.
- R 1 and R 2 are also preferably selected from the group consisting of Na and Li.
- R 1 and R 2 are usually the same as X.
- a particulate polymer can be disperse
- a uniform adhesive layer can be formed on the battery, so that the heterogeneous reaction in the electrode under a low temperature environment can be suppressed, and the metal deposition on the negative electrode surface can be suppressed.
- the foam breaking property of a slurry composition improves and foaming at the time of apply
- Examples of the (meth) acrylic acid ester monomer corresponding to the (meth) acrylic acid ester monomer unit include methyl acrylate, ethyl acrylate, n-propyl acrylate, isopropyl acrylate, n-butyl acrylate, and t-butyl acrylate.
- Alkyl acrylate esters such as pentyl acrylate, hexyl acrylate, heptyl acrylate, octyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, nonyl acrylate, decyl acrylate, lauryl acrylate, n-tetradecyl acrylate, stearyl acrylate; and methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n -Propyl methacrylate, isopropyl methacrylate, n-butyl methacrylate, t-butyl methacrylate, pen Methacrylate, hexyl methacrylate, heptyl methacrylate, octyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, nonyl methacrylate, decyl methacrylate, lauryl methacrylate, n- tetradecyl meth
- the proportion of the (meth) acrylic acid ester monomer unit in the binder polymer is preferably 40% by mass or more, more preferably 45% by mass or more, particularly preferably 50% by mass or more, and preferably 99% by mass or less. More preferably, it is 98 mass% or less, Most preferably, it is 97 mass% or less.
- the binder polymer may contain an acid group-containing monomer unit.
- the acid group-containing monomer unit may include those selected from the same ranges as those described as those that can be included in the particulate polymer.
- the binder polymer may contain the acid group containing monomer unit individually by 1 type, and may contain it as a combination of two or more arbitrary ratios.
- drying method examples include drying with winds such as warm air, hot air, and low-humidity air; vacuum drying; drying method by irradiation with infrared rays, far infrared rays, and electron beams.
- the separator includes the adhesive layer for the non-aqueous secondary battery of the present invention.
- the adhesive layer for non-aqueous secondary batteries of this invention is provided on the separator base material.
- the adhesive layer for a non-aqueous secondary battery may be provided only on one side of the separator substrate, or may be provided on both sides.
- the electrode active material layer is a layer provided on the current collector and includes an electrode active material.
- an electrode active material a material corresponding to the type of the non-aqueous secondary battery can be used.
- the electrode active material a material corresponding to the type of the non-aqueous secondary battery can be used.
- lithium ion is reversibly applied by applying a potential in the electrolytic solution. Anything that can be inserted or released can be used.
- the manufacturing method of the non-aqueous secondary battery of the present invention is not particularly limited.
- the negative electrode and the positive electrode may be overlapped via a separator, and this may be wound or folded according to the shape of the battery and placed in the battery container, and the electrolyte may be injected into the battery container and sealed.
- an expanded metal; an overcurrent prevention element such as a fuse or a PTC element; a lead plate or the like may be inserted to prevent an increase in pressure inside the battery or overcharge / discharge.
- the shape of the battery may be any of, for example, a laminate cell type, a coin type, a button type, a sheet type, a cylindrical type, a square type, and a flat type.
- Example 1 (1-1. Production of particulate polymer (core-shell structure)) In a 5 MPa pressure vessel equipped with a stirrer, 40 parts of methyl methacrylate, 33 parts of butyl acrylate, 26 parts of acrylonitrile, and 1 part of allyl methacrylate as a monomer composition used for the production of the core part; 1 part of sodium dodecylbenzenesulfonate as an emulsifier 150 parts of ion-exchanged water; and 0.5 parts of potassium persulfate as a polymerization initiator were added and sufficiently stirred. Then, it heated to 60 degreeC and superposition
- Example 7 In the production of the slurry composition for a non-aqueous secondary battery adhesive layer according to 1-3, the same procedure as in Example 1 was conducted except that 1.85 parts of dicyclopentylsulfosuccinic acid was used instead of sodium dioctylsulfosuccinate. A slurry composition for an aqueous secondary battery adhesive layer was obtained, and further a lithium ion secondary battery was obtained. About the obtained lithium ion secondary battery, the metal precipitation suppression in a negative electrode was evaluated by the method mentioned above.
- the slurry composition for the non-aqueous secondary battery adhesive layer of the example has good foam breaking property, and the adhesive layer formed from the slurry composition has good adhesiveness. It can be seen that lithium deposition on the negative electrode surface can be suppressed. On the other hand, it can be seen that the slurry composition for the non-aqueous secondary battery adhesive layer of the comparative example cannot achieve good foam breaking property, formation of an adhesive layer having good adhesive properties, and suppression of lithium precipitation in a well-balanced manner.
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Abstract
Description
一方、スラリー組成物に、成分が均一に分散していなければ、塗布ムラが生じて製造される接着層が不均一なものとなりうる。その結果、電極における反応が不均一となり、電極の表面に金属が析出する場合がある。
さらに、接着層には、電極及びセパレータなどの電池部材を良好に接着する機能(接着性)が求められる。
すなわち、本発明は、以下の通りである。
前記粒子状重合体が、コア部と、前記コア部の外表面の少なくとも一部を覆うシェル部とを有するコアシェル構造体であり、
前記スルホコハク酸エステル又はその塩の含有割合が、粒子状重合体100質量部に対し、0.5質量部以上5質量部以下である、非水系二次電池接着層用スラリー組成物。
[2] 前記粒子状重合体の電解液に対する膨潤度が、1倍超4倍以下である、[1]に記載の非水系二次電池接着層用スラリー組成物。
[3] 前記シェル部が、前記コア部の外表面を部分的に覆う、[1]又は[2]に記載の非水系二次電池接着層用スラリー組成物。
[4] [1]~[3]のいずれか1項に記載の非水系二次電池接着層用スラリー組成物を用いて、前記非水系二次電池接着用スラリー組成物の膜を形成し、前記膜を乾燥して非水系二次電池用接着層を得ることを含む、非水系二次電池用接着層の製造方法。
[5] [1]~[3]のいずれか1項に記載の非水系二次電池接着層用スラリー組成物を用いて形成される、非水系二次電池用接着層。
[6] 粒子状重合体、及びスルホコハク酸エステル又はその塩を含み、
前記粒子状重合体が、コア部と、前記コア部の外表面の少なくとも一部を覆うシェル部とを有するコアシェル構造体であり、
前記スルホコハク酸エステル又はその塩の含有割合が、粒子状重合体100質量部に対し、0.5質量部以上5質量部以下である、非水系二次電池用接着層。
[7] 正極、負極、セパレータ、及び電解液を含む、非水系二次電池であって、
前記正極、前記負極、及び前記セパレータからなる群から選ばれる1つ以上が、[5]又は[6]に記載の非水系二次電池用接着層を含む、非水系二次電池。
本発明の非水系二次電池接着層用スラリー組成物(以下、適宜スラリー組成物ということがある。)は、粒子状重合体、スルホコハク酸エステル又はその塩、及び水を含む。
[1.1.1.コアシェル構造体]
粒子状重合体は、コア部と、前記コア部の外表面の少なくとも一部を覆うシェル部とを有するコアシェル構造体である。粒子状重合体が、コアシェル構造体であることで、極板及びセパレータ基材などの電池部材を互いに良好に接着しうる接着層が得られる。特に、接着層の厚みを比較的薄くしても(例えば2μm程度)、接着層が電池部材を互いに良好に接着しうる。
また、粒子状重合体は、通常非導電性粒子である。非導電性粒子を接着層に充填することにより、接着層の絶縁性を高め、接着層が正極と負極との間に配置された場合に、非水系二次電池における短絡を安定して抑制することができる。
粒子状重合体がコアシェル構造体であることは、粒子状重合体の断面構造の観察結果から確認しうる。具体的には、下記の方法により確認しうる。
まず、粒子状重合体を常温硬化性のエポキシ樹脂中に十分に分散させた後、包埋し、粒子状重合体を含有するブロック片を作製する。次に、ブロック片を、ダイヤモンド刃を備えたミクロトームで厚さ80nm~200nmの薄片状に切り出して、測定用試料を作製する。その後、必要に応じて、例えば四酸化ルテニウム又は四酸化オスミウムを用いて測定用試料に染色処理を施す。
次に、この測定用試料を、透過型電子顕微鏡(TEM)により観察することにより、粒子状重合体がコアシェル構造体であることを確認する。
粒子状重合体の電解液に対する膨潤度は、好ましくは1倍を超え、より好ましくは1.2倍以上、さらに好ましくは1.5倍以上であり、好ましくは4倍以下、より好ましくは3.5倍以下、さらに好ましくは3倍以下である。これにより、負極表面における金属の析出をより抑制し、接着性により優れた接着層を形成することができる。
膨潤度を測定する際の電解液としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとビニレンカーボネートの混合溶媒(体積混合比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=68.5/30/1.5;SP値12.7(cal/cm3)1/2)に、支持電解質としてLiPF6を溶媒に対して1mol/リットルの濃度で溶かした溶液を用いる。ここでSP値とは、溶解度パラメーターのことを意味する。
また、有機化合物のSP値は、その有機化合物の分子構造から推算することが可能である。具体的には、SMILEの式からSP値を計算できるシミュレーションソフトウェア(例えば「HSPiP」(http=//www.hansen-solubility.com))を用いて計算しうる。また、このシミュレーションソフトウェアでは、Hansen SOLUBILITY PARAMETERS A User’s Handbook SecondEdition、Charles M.Hansenに記載の理論に基づき、求められている。
コア部とシェル部とは、通常互いに異なる重合体から構成されている。
コア部の重合体に含まれる単量体単位としては、特に限定されないが、例えば、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、メタクリル酸ブチル、2-エチルヘキシルアクリレート等の(メタ)アクリル酸エステル単量体を重合して形成される構造を有する、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位;アクリロニトリル、メタクリロニトリル等の(メタ)アクリロニトリル単量体を重合して形成される構造を有する、(メタ)アクリロニトリル単量体単位;架橋性単量体を重合して形成される構造を有する、架橋性単量体単位;塩化ビニル、塩化ビニリデン等の塩化ビニル系単量体を重合して形成される構造を有する、塩化ビニル系単量体単位;酢酸ビニル等の酢酸ビニル系単量体を重合して形成される構造を有する、酢酸ビニル系単量体単位;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の芳香族ビニル単量体を重合して形成される構造を有する、芳香族ビニル単量体単位;ビニルアミン等のビニルアミン系単量体を重合して形成される構造を有する、ビニルアミン系単量体単位;N-ビニルホルムアミド、N-ビニルアセトアミド等のビニルアミド系単量体を重合して形成される構造を有する、ビニルアミド系単量体単位;アクリルアミド、メタクリルアミド等の(メタ)アクリルアミド単量体を重合して形成される構造を有する、(メタ)アクリルアミド単量体単位;2-(パーフルオロヘキシル)エチルメタクリレート、2-(パーフルオロブチル)エチルアクリレート等のフッ素含有アクリレート単量体を重合して形成される構造を有する、フッ素含有アクリレート単量体単位;マレイミド単量体単位;フェニルマレイミド等のマレイミド誘導体単量体を重合して形成される構造を有する、マレイミド誘導体単量体単位;1,3-ブタジエン、イソプレン等のジエン系単量体を重合して形成される構造を有する、ジエン系単量体単位;などが挙げられる。コア部の重合体は、これら単量体単位を1種のみ含んでいても、2種類以上の任意の比率の組み合わせで含んでいてもよい。また、コア部の重合体は、上記に挙げた単量体以外の単位を含んでいてもよい。
ここで、「単量体単位」とは、その単量体を重合して形成される構造を有する、構造単位をいう。
また、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。
シェル部の重合体に含まれる単量体単位としては、特に限定されないが、例えば、コア部の重合体に含まれる単量体単位として例示した単量体単位と同様な例が挙げられる。
芳香族ビニル単量体単位の中でも、スチレン及びスチレンスルホン酸等のスチレン誘導体単量体単位がより好ましい。シェル部の重合体に芳香族ビニル単量体単位が含まれることにより、粒子状重合体の膨潤度を制御し易い。また、接着層が、極板及びセパレータ基材などの電池部材を互いに良好に接着しうる。
シェル部の重合体は、酸基含有単量体単位を含みうる。
酸基含有単量体単位に対応す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、及びリン酸基を有する単量体を有する単量体が挙げられる。
また、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。
粒子状重合体のガラス転移温度は、好ましくは25℃以上であり、より好ましくは30℃以上であり、さらに好ましくは35℃以上であり、好ましくは150℃以下であり、より好ましくは125℃以下であり、さらに好ましくは100℃以下である。
粒子状重合体は、本発明の効果を著しく損なわない限り、上述したコア部及びシェル部以外に任意の構成要素を備えていてもよい。
例えば、コア部の内部に、コア部とは別の重合体で形成された部分を有していてもよい。具体例を挙げると、粒子状重合体をシード重合法で製造する場合に用いたシード粒子が、コア部の内部に残留していてもよい。
ただし、本発明の効果を顕著に発揮する観点からは、粒子状重合体はコア部及びシェル部のみを備えることが好ましい。
スラリー組成物における粒子状重合体の量は、接着層における粒子状重合体の割合が所定の範囲に収まるように設定することが好ましい。具体的には、接着層における粒子状重合体の割合は、好ましくは0.1質量%以上、好ましくは50質量%以上、より好ましくは55質量%以上、特に好ましくは60質量%以上であり、好ましくは99.9質量%以下、より好ましくは99質量%以下、特に好ましくは98質量%以下である。粒子状重合体の量が上記範囲内であると、接着層とセパレータ基材又は極板との電解液中での結着力がより高まり、接着層の接着性が向上する。またイオン拡散性を高めることができる。
粒子状重合体は、例えば、コア部の重合体の単量体とシェル部の重合体の単量体とを用い、経時的にそれらの単量体の比率を変えて段階的に重合することにより、製造しうる。具体的には、先の段階の重合体を後の段階の重合体が順次に被覆するような連続した多段階乳化重合法及び多段階懸濁重合法によって得ることができる。
重合に際しては、常法に従って、乳化剤として、例えば、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ドデシル硫酸ナトリウム等のアニオン性界面活性剤、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ソルビタンモノラウレート等のノニオン性界面活性剤、又はオクタデシルアミン酢酸塩等のカチオン性界面活性剤を用いることができる。また、重合開始剤として、例えば、t-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート、過硫酸カリウム、キュメンパーオキサイド等の過酸化物、2,2’-アゾビス(2-メチル-N-(2-ハイドロキシエチル)-プロピオンアミド)、2,2’-アゾビス(2-アミジノプロパン)塩酸塩等のアゾ化合物を用いることができる。
スルホコハク酸エステルは、スルホコハク酸のモノエステル、ジエステル又はトリエステルであり、モノエステル又はジエステルであることが好ましく、ジエステルであることがさらに好ましい。スルホコハク酸エステルは、モノ、ジ、又はトリアルキルエステルであることが好ましく、モノアルキルエステル又はジアルキルエステルであることがさらに好ましく、ジアルキルエステルであることがさらにより好ましい。
スルホコハク酸エステル又はその塩の含有割合が上記下限値以上であることにより、粒子状重合体を均一に分散することができる。その結果、電池に均一な接着層を形成することができるため、低温環境下での電極における不均一反応を抑制し、負極表面における金属の析出を抑制することができる。
また、スルホコハク酸エステル又はその塩の含有割合が上記上限値以下であることにより、スラリー組成物の破泡性が向上してスラリー組成物を基材に塗布する際の泡立ちが抑制される。そのため、スラリー組成物を高速で基材に塗布して厚みの薄い接着層を良好に形成することができる。さらに、スラリー組成物が分離することを抑制し、電池部材に均一な接着層を形成することができるため、負極表面における金属の析出を抑制することができる。
本発明のスラリー組成物は、水を含む。粒子状重合体は、通常非水溶性であるので、粒子状重合体は、水中では粒子状となって分散している。
本発明のスラリー組成物は、水以外の分散媒を含んでいてもよい。水と組み合わせて用いうる分散媒としては、例えば、シクロペンタン、シクロヘキサン等の環状脂肪族炭化水素類;トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類;エチルメチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類;酢酸エチル、酢酸ブチル、γ-ブチロラクトン、ε-カプロラクトン等のエステル類;アセトニトリル、プロピオニトリル等のニトリル類;テトラヒドロフラン、エチレングリコールジエチルエーテル等のエーテル類:メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル等のアルコール類;N-メチルピロリドン(NMP)、N,N-ジメチルホルムアミド等のアミド類;などが挙げられる。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。ただし、分散媒としては、水を単独で用いることが好ましい。
[1.4.1.バインダー重合体]
本発明のスラリー組成物は、バインダー重合体を含むことが好ましい。ここで、バインダー重合体には上記粒子状重合体は含まれない。
バインダー重合体は、粒子状重合体を結着させて、接着層の機械的強度を高める作用を有する。バインダー重合体は、粒子状重合体とセパレータ基材又は極板とを結着させる作用を奏するので、接着層の接着性をより高めることができる。
本発明のスラリー組成物は、さらに水溶性重合体を含みうる。
水溶性重合体としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等のセルロース系ポリマー及びこれらのアンモニウム塩並びにアルカリ金属塩;(変性)ポリ(メタ)アクリル酸及びこれらのアンモニウム塩並びにアルカリ金属塩;(変性)ポリビニルアルコール、アクリル酸又はアクリル酸塩とビニルアルコールの共重合体、無水マレイン酸又はマレイン酸若しくはフマル酸とビニルアルコールの共重合体等のポリビニルアルコール化合物;ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、変性ポリアクリル酸、酸化スターチ、リン酸スターチ、カゼイン、各種変性デンプンなどが挙げられる。ここで、「(変性)ポリ」は「未変性ポリ」及び「変性ポリ」を意味する。
スラリー組成物の製造方法は、特に限定はされない。通常は、上述した各成分を混合することにより、スラリー組成物が得られる。
各成分の混合順序には特に制限は無い。また、混合方法にも特に制限は無い。通常は、粒子を速やかに分散させるため、混合装置として分散機を用いて混合を行う。
本発明の非水系二次電池用接着層は、上記の粒子状重合体、及び粒子状重合体100質量部に対し、0.5質量部以上5質量部以下のスルホコハク酸エステル又はその塩を含む。これにより、負極表面における金属の析出が抑制され、また極板及びセパレータ基材などの電池部材を互いに良好に接着しうる。
本発明の非水系二次電池用接着層の厚みは、好ましくは0.2μm以上であり、より好ましくは0.3μm以上であり、好ましくは3μm以下であり、より好ましくは2.5μm以下である。
スラリー組成物の膜の形成は、例えば、スラリー組成物を適切な基材上に塗布することにより行うことができる。
本発明の非水系二次電池は、正極、負極、セパレータ、及び電解液を含み、前記正極、前記負極、及び前記セパレータからなる群から選ばれる1つ以上が、上記本発明の非水系二次電池用接着層を含む。
本発明の非水系二次電池は、前記正極、前記負極、及び前記セパレータからなる群から選ばれる1つ以上が、上記本発明の非水系二次電池用接着層を含むことで、正極とセパレータと、又は負極とセパレータとが、良好に接着され、また負極表面における金属の析出が抑制される。
本発明の非水系二次電池の一実施形態においては、セパレータが本発明の非水系二次電池用接着層を含む。本実施形態では、セパレータ基材上に本発明の非水系二次電池用接着層が設けられている。非水系二次電池用接着層は、セパレータ基材の片方の面だけに設けられていてもよく、両方の面に設けられていてもよい。
本発明の非水系二次電池の別の実施形態においては、電極が本発明の非水系二次電池用接着層を含む。電極は、極板を含む。極板は、通常集電体及び電極活物質層を備える。
集電体は、電気導電性を有し、且つ、電気化学的に耐久性のある材料を用いうる。通常、この集電体の材料としては、金属材料を用いる。その例を挙げると、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、白金などが挙げられる。中でも、正極に用いる集電体としてはアルミニウムが好ましく、負極に用いる集電体としては銅が好ましい。また、前記の材料は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
電極活物質層は、集電体上に設けられた層であり、電極活物質を含む。
電極活物質としては、非水系二次電池の種類に応じたものを使用しうるが、例えば、リチウムイオン二次電池の場合には、電解液中で電位をかけることにより可逆的にリチウムイオンを挿入又は放出できるものを用いうる。
これらの正極活物質は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。また、前述の無機化合物と有機化合物との混合物を正極活物質として用いてもよい。
本実施形態の非水系二次電池が有する電極は、前記の極板上に、本発明の非水系二次電池用接着層が設けられている。非水系二次電池用接着層は、極板の片方の面だけに設けられていてもよく、両方の面に設けられていてもよい。ただし、通常は、接着層が電極活物質層上に設けられるので、本実施形態の非水系二次電池が有する電極は、集電体、電極活物質層及び接着層をこの順に備える。
電解液としては、有機溶媒と、その有機溶媒に溶解した支持電解質とを含む有機電解液が好ましく用いられうる。
リチウムイオン二次電池の場合、例えば、リチウム塩が用いられる。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6、LiAlCl4、LiClO4、CF3SO3Li、C4F9SO3Li、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)NLiなどが挙げられる。中でも、溶媒に溶けやすく高い解離度を示すことから、LiPF6、LiClO4及びCF3SO3Liが好ましい。
本発明の非水系二次電池の製造方法は、特に限定されない。例えば、負極と正極とをセパレータを介して重ね合わせ、これを電池形状に応じて巻く、折るなどして電池容器に入れ、電池容器に電解液を注入して封口してもよい。さらに、必要に応じてエキスパンドメタル;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、ラミネートセル型、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角形、扁平型などいずれであってもよい。
(粒子状重合体(コアシェル構造体)の膨潤度の測定方法)
実施例及び比較例において製造した粒子状重合体を含む水分散液を、ポリテトラフルオロエチレン製のシャーレに入れ、25℃、48時間の条件で乾燥して、厚み0.5mmのフィルムを製造した。
また、前記の試験片を電解液に、60℃で72時間浸漬した。その後、試験片を電解液から取り出し、試験片の表面の電解液を拭き取り、浸漬試験後の試験片の質量W1を測定した。電解液としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとビニレンカーボネートの混合溶媒(体積混合比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=68.5/30/1.5;SP値12.7(cal/cm3)1/2)に、支持電解質としてLiPF6を溶媒に対して1mol/リットルの濃度で溶かした溶液を用いた。
これらの質量W0及びW1を用いて、膨潤度S(倍)を、S=W1/W0にて計算した。
JIS K3362のロスマイルス試験法に準じて行った。得られたスラリー組成物50mlに、900mmの高さから、同組成物200mlを30秒間で、25℃の環境下で滴下し、滴下が終了した15秒後の泡の高さを測定した。1つのサンプルに付き3回の測定を繰り返し、その3回の算術平均を下記条件で評価した。泡の高さが低い程破泡性に優れていることを示す。
A:4mm未満
B:4mm以上、10mm未満
C:10mm以上、30mm未満
D:30mm以上
作製したリチウムイオン二次電池を、25℃の環境下で24時間静置させた後に、-15℃の環境下で、4.2V、1C、1時間の充電の操作を行った。その後、室温アルゴン環境下で、負極を取り出し、リチウム金属が析出している面積の負極全面積に対する割合(%)を測定し、以下の基準で評価した。リチウム金属が析出している面積割合が小さいほど、負極表面におけるリチウム析出が抑制されており、低温受け入れ特性に優れていることを示す。
B:面積割合が10%以上20%未満
C:面積割合が20%以上30%未満
D:面積割合が30%以上
実施例及び比較例で作成した正極、負極、及びセパレータをそれぞれ10mm幅、長さ50mm幅に切り出し、正極とセパレータと、及び、負極とセパレータとを積層させ、温度25℃、荷重10kN/mのロールプレスで積層体を30m/minでプレスし、試験片とした。
この試験片の電極表面にセロハンテープを貼り付けた。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。試験片を、電極(正極又は負極)の集電体側の面を下にして水平な試験台に置き、セロハンテープを試験台に固定した。
そして、セパレータ基材の一端を鉛直上方に引張り速度50mm/分で引っ張って剥がしたときの応力を測定した。
この測定を、正極及びセパレータを備える積層体、並びに、負極及びセパレータを備える積層体でそれぞれ3回、合計6回行い、応力の平均値をピール強度として求めて、電極とセパレータとの接着強度を下記の基準で評価した。
ピール強度が大きいほど、接着層の接着性が高いことを示す。
B:ピール強度が1N/m以上3N/m未満
C:ピール強度が1N/m未満
実施例及び比較例で作成した正極、負極、及びセパレータをそれぞれ10mm幅、長さ50mm幅に切り出し、正極とセパレータと、及び、負極とセパレータとを積層させ、アルミラミネート包材へ電解液とともに封入し、温度60℃、荷重10kN/mのロールプレスで積層体を30m/minでプレスし、包材を解体し、試験片とした。この際、電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の混合溶媒(体積混合比EC/DEC=1/2;SP値12.8(cal/cm3)1/2)に、支持電解質としてLiPF6を溶媒に対し1mol/リットルの濃度で溶かしたものを用いた。
その後、セパレータ基材の一端を鉛直上方に引張り速度50mm/分で引っ張って剥がしたときの応力を測定した。この測定を、正極及びセパレータを備える積層体並びに負極及びセパレータを備える積層体でそれぞれ3回、合計6回行い、応力の平均値を求めて、当該平均値をピール強度とした。ピール強度が大きいほど、接着層が電解液中での接着性に優れていることを示す。
B:ピール強度3.0N/m以上5.0N/m未満
C:ピール強度0.5N/m以上3.0N/m未満
D:ピール強度0.5N/m未満
(1-1.粒子状重合体(コアシェル構造体)の製造)
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、コア部の製造に用いる単量体組成物として、メタクリル酸メチル40部、ブチルアクリレート33部、アクリロニトリル26部、及びアリルメタクリレート1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1部;イオン交換水150部;並びに、重合開始剤として過硫酸カリウム0.5部を入れ、十分に攪拌した。その後、60℃に加温して、重合を開始した。重合転化率が96%になるまで重合を継続させることにより、コア部を構成する粒子状の重合体を含む水分散液を得た。
攪拌機を備えた反応器に、イオン交換水70部、乳化剤としてラウリル硫酸ナトリウム(花王ケミカル社製、製品名「エマール2F」)0.15部、並びに過流酸アンモニウム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。
水溶性重合体として、エーテル化度0.8~1.0のカルボキシメチルセルロース(ダイセルファインケム社製、製品名「D1200」)を用意した。この水溶性重合体の1%水溶液の粘度は、10mPa・s~20mPa・sであった。
ポリエチレン製の有機多孔基材(厚み16μm、ガーレー値210s/100cc)をセパレータ基材として用意した。用意したセパレータ基材の両面に、前記の非水系二次電池接着層用スラリー組成物を塗布し50℃で1分間乾燥させた。これにより、1層当たりの厚みが2μmの接着層を両面に備えるセパレータを得た。
このセパレータを用いて、上述した方法で、ピール強度の測定を行った。
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、1,3-ブタジエン33.5部、イタコン酸3.5部、スチレン62部、2-ヒドロキシエチルアクリレート1部、乳化剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.4部、イオン交換水150部及び重合開始剤として過硫酸カリウム0.5部を入れ、十分に攪拌した後、50℃に加温して重合を開始した。重合転化率が96%になった時点で冷却し反応を停止して、粒子状バインダー(SBR)を含む混合物を得た。上記粒子状バインダーを含む混合物に、5%水酸化ナトリウム水溶液を添加して、pH8に調整した。その後、加熱減圧蒸留によって前記の混合物から未反応単量体の除去を行い、30℃以下まで冷却して、所望の粒子状バインダーを含む水分散液を得た。
人造黒鉛(体積平均粒子径:15.6μm)100部、及び、増粘剤として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1部混合し、さらにイオン交換水を加えて固形分濃度を68%に調製し、25℃で60分間混合した。こうして得られた混合液に、イオン交換水を加えて固形分濃度を62%に調製した後、さらに25℃で15分間混合した。この混合液に、上記の粒子状バインダーを含む水分散液を固形分相当で1.5部入れ、さらにイオン交換水を加えて最終固形分濃度が52%となるように調整し、さらに10分間混合した。これを減圧下で脱泡処理して、流動性の良い負極用スラリーを得た。
前記負極用スラリーを、コンマコーターで、集電体である厚さ20μmの銅箔上に、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、負極活物質層の厚みが80μmのプレス後の負極を得た。
正極活物質として体積平均粒子径12μmのLiCoO2を100部、導電材としてアセチレンブラック(電気化学工業社製、製品名「HS-100」)を2部、及び、正極用バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(クレハ社製、製品名「#7208」)を固形分相当で2部混合し、これにN-メチルピロリドンを加えて全固形分濃度を70%にした。これをプラネタリーミキサーにより混合し、正極用スラリーを得た。
前記正極用スラリーを、コンマコーターで、集電体である厚さ20μmのアルミニウム箔上に、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、アルミニウム箔を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、正極を得た。
プレス後の正極を49×5cm2に切り出した。切り出された正極の正極活物質層上に、55×5.5cm2に切り出したセパレータを配置した。さらに、プレス後の負極を50×5.2cm2の長方形に切り出し、この切り出された負極を前記セパレータの正極とは反対側に、負極活物質層側の表面がセパレータに向かい合うよう配置した。これを捲回機によって捲回し、捲回体を得た。この捲回体を60℃、0.5MPaでプレスし、扁平体とした。この扁平体を、電池の外装としてのアルミニウム包材外装で包み、電解液(溶媒:EC/DEC/VC=68.5/30/1.5体積比、電解質:濃度1MのLiPF6)を空気が残らないように注入した。さらに、アルミニウム包材の開口を密封するために、150℃のヒートシールをしてアルミニウム外装を閉口した。これにより、800mAhの捲回型リチウムイオン二次電池を製造した。
こうして得られたリチウムイオン二次電池について、上述した方法で、負極における金属の析出抑制を評価した。
前記1-1に係る粒子状重合体(コアシェル構造体)の製造において、ブチルアクリレートを33.7部とし、アリルメタクリレートを0.3部とした以外は実施例1と同様にして、非水系二次電池接着層用スラリー組成物を得て、さらにリチウムイオン二次電池を得た。得られたリチウムイオン二次電池について、上述した方法で、負極における金属の析出抑制を評価した。
前記1-1に係る粒子状重合体(コアシェル構造体)の製造において、ブチルアクリレートを33.5部とし、アリルメタクリレートを0.5部とした以外は実施例1と同様にして、非水系二次電池接着層用スラリー組成物を得て、さらにリチウムイオン二次電池を得た。得られたリチウムイオン二次電池について、上述した方法で、負極における金属の析出抑制を評価した。
前記1-3に係る非水系二次電池接着層用スラリー組成物の製造において、ジオクチルスルホコハク酸ナトリウムを0.5部とした以外は実施例1と同様にして、非水系二次電池接着層用スラリー組成物を得て、さらにリチウムイオン二次電池を得た。得られたリチウムイオン二次電池について、上述した方法で、負極における金属の析出抑制を評価した。
前記1-3に係る非水系二次電池接着層用スラリー組成物の製造において、ジオクチルスルホコハク酸ナトリウムを1.3部とした以外は実施例1と同様にして、非水系二次電池接着層用スラリー組成物を得て、さらにリチウムイオン二次電池を得た。得られたリチウムイオン二次電池について、上述した方法で、負極における金属の析出抑制を評価した。
前記1-3に係る非水系二次電池接着層用スラリー組成物の製造において、ジオクチルスルホコハク酸ナトリウムを5部とした以外は実施例1と同様にして、非水系二次電池接着層用スラリー組成物を得て、さらにリチウムイオン二次電池を得た。得られたリチウムイオン二次電池について、上述した方法で、負極における金属の析出抑制を評価した。
前記1-3に係る非水系二次電池接着層用スラリー組成物の製造において、ジオクチルスルホコハク酸ナトリウムの代わりにジシクロペンチルスルホコハク酸を1.85部用いた以外は実施例1と同様にして、非水系二次電池接着層用スラリー組成物を得て、さらにリチウムイオン二次電池を得た。得られたリチウムイオン二次電池について、上述した方法で、負極における金属の析出抑制を評価した。
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、単量体組成物として、メタクリル酸0.4部、メタクリル酸メチル24部、ブチルアクリレート19.8部、アクリロニトリル15.6部、アリルメタクリレート0.6部、及びスチレン39.6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1部;イオン交換水150部;並びに、重合開始剤として過硫酸カリウム0.5部を入れ、十分に攪拌した。その後、60℃に加温して、重合を開始した。重合転化率が96%になるまで重合を継続させることにより、粒子状の重合体を含む水分散液を得た。得られた粒子状の重合体をコア部重合体と称する。
得られたコア部重合体を含む水分散液を、粒子状重合体の代わりとして用いて、上記の方法で膨潤度を測定した。
前記1-3に係る非水系二次電池接着層用スラリー組成物の製造において、ジオクチルスルホコハク酸ナトリウムを7部とした以外は実施例1と同様にして、非水系二次電池接着層用スラリー組成物を得て、さらにリチウムイオン二次電池を得た。得られたリチウムイオン二次電池について、上述した方法で、負極における金属の析出抑制を評価した。
前記1-3に係る非水系二次電池接着層用スラリー組成物の製造において、ジオクチルスルホコハク酸ナトリウムを用いなかったこと以外は実施例1と同様にして、非水系二次電池接着層用スラリー組成物を得て、さらにリチウムイオン二次電池を得た。得られたリチウムイオン二次電池について、上述した方法で、負極における金属の析出抑制を評価した。
なお、表中の略語の意味は下記の通りである。
MMA:メチルメタクリレート
BA:ブチルアクリレート
AN:アクリロニトリル
AMA:アリルメタクリレート
ST:スチレン
MAA:メタクリル酸
2-EHA:2-エチルヘキシルアクリレート
AA:アクリル酸
110 コア部
110S コア部の外表面
120 シェル部
Claims (7)
- 粒子状重合体、スルホコハク酸エステル又はその塩、及び水を含む、非水系二次電池接着層用スラリー組成物であって、
前記粒子状重合体が、コア部と、前記コア部の外表面の少なくとも一部を覆うシェル部とを有するコアシェル構造体であり、
前記スルホコハク酸エステル又はその塩の含有割合が、粒子状重合体100質量部に対し、0.5質量部以上5質量部以下である、非水系二次電池接着層用スラリー組成物。 - 前記粒子状重合体の電解液に対する膨潤度が、1倍超4倍以下である、請求項1に記載の非水系二次電池接着層用スラリー組成物。
- 前記シェル部が、前記コア部の外表面を部分的に覆う、請求項1又は2に記載の非水系二次電池接着層用スラリー組成物。
- 請求項1~3のいずれか1項に記載の非水系二次電池接着層用スラリー組成物を用いて、前記非水系二次電池接着用スラリー組成物の膜を形成し、前記膜を乾燥して非水系二次電池用接着層を得ることを含む、非水系二次電池用接着層の製造方法。
- 請求項1~3のいずれか1項に記載の非水系二次電池接着層用スラリー組成物を用いて形成される、非水系二次電池用接着層。
- 粒子状重合体、及びスルホコハク酸エステル又はその塩を含み、
前記粒子状重合体が、コア部と、前記コア部の外表面の少なくとも一部を覆うシェル部とを有するコアシェル構造体であり、
前記スルホコハク酸エステル又はその塩の含有割合が、粒子状重合体100質量部に対し、0.5質量部以上5質量部以下である、非水系二次電池用接着層。 - 正極、負極、セパレータ、及び電解液を含む、非水系二次電池であって、
前記正極、前記負極、及び前記セパレータからなる群から選ばれる1つ以上が、請求項5又は請求項6に記載の非水系二次電池用接着層を含む、非水系二次電池。
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