JP2014165108A - リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用正極の製造方法、リチウムイオン二次電池用正極、及び、リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の正極材料は、MnおよびNiの少なくとも一方を含有する正極活物質と、酸性官能基含有単量体単位の含有割合が15〜60質量%であり、重量平均分子量が10000〜200000である重合体Aと、酸性官能基含有単量体単位の含有割合が10質量%以下である粒子状重合体Bと、導電材と、水と、を含むリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物である。
【選択図】なし
Description
そして、水系スラリー組成物としては、例えば、形成される電極の強度向上および電極活物質や導電材の結着性向上を目的として重量平均分子量が50万以上の水溶性高分子を配合した水系スラリー組成物が提案されている。具体的には、例えば特許文献1では、電極活物質と、導電材と、エチレン性不飽和カルボン酸塩単量体単位を5〜50質量%含み、重量平均分子量が50万以上である水溶性高分子と、ポリマー粒子の水分散体とを含む水系スラリー組成物が提案されている。
なお、リチウムイオン二次電池の電気的特性は、電解液を構成する溶媒の凝固や粘度上昇によりリチウムイオンの移動が妨げられ易い低温環境下において特に損なわれ易かった。
しかし、前述したMnやNiを含有する正極活物質中には、活物質の製造時に使用される炭酸リチウム(Li2CO3)や水酸化リチウム(LiOH)等のアルカリ分が残存している。そのため、MnやNiを含有する正極活物質を含む水系のスラリー組成物をアルミニウム等からなる集電体上に塗布し、正極を作製すると、正極活物質からアルカリ分が溶出し、集電体が腐食してしまうという問題が生じる。
そのため、正極の形成に使用される水系スラリー組成物には、電気的特性が損なわれるという上記課題を解決することに加え、リチウムイオン二次電池の高容量化を達成しつつ集電体の腐食も抑制することが求められている。
また、本発明は、その正極用スラリー組成物を用いたリチウムイオン二次電池用正極の製造方法を提供することを目的とする。
更に、本発明は、集電体の腐食を十分に抑制することができると共に、優れた電気的特性を有するリチウムイオン二次電池を構成することができる、リチウムイオン二次電池用正極を提供することを目的とする。
また、本発明は、正極の集電体の腐食を十分に抑制することができると共に、優れた電気的特性を有するリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明の要旨構成は、以下の通りである。
酸性官能基含有単量体単位の含有割合が15〜60質量%であり、重量平均分子量が10000〜200000である重合体Aと、
酸性官能基含有単量体単位の含有割合が10質量%以下である粒子状重合体Bと、
導電材と、
水と、を含むリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物。
このように、上記特定の重合体Aを含む水系スラリー組成物を用いれば、MnおよびNiの少なくとも1つを含有する正極活物質を使用した場合であっても、集電体の腐食を十分に抑制することができる。また、MnおよびNiの少なくとも1つを含有する正極活物質を使用し、且つ、上記特定の重合体Aおよび粒子状重合体Bを含むスラリー組成物を用いて正極を形成すれば、電池容量や低温出力特性などの電気的特性が優れているリチウムイオン二次電池を得ることができる。
このように、スラリー組成物中の粒子状重合体Bの質量(b)に対する重合体Aの質量(a)の比(a/b)を上記の範囲とすれば、集電体の腐食を好適に抑制しつつ、本発明のスラリー組成物中の各成分の分散性を良好なものとして、スラリー組成物を用いて形成した正極活物質層と集電体との密着性や、リチウムイオン二次電池の電気的特性を更に良好なものとすることができる。
このように、重合体Aがフッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を含んでいれば、本発明のスラリー組成物を用いて得られるリチウムイオン二次電池の低温出力特性を十分に確保することができる。
このように、粒子状重合体Bが(メタ)アクリル酸エステル単量体単位と(メタ)アクリロニトリル単量体単位とを含んでいれば、本発明のスラリー組成物を用いて得られる正極の柔軟性を確保することができると共に、粒子状重合体Bの結着力が十分なものとなり、正極の強度やリチウムイオン二次電池の電気的特性を十分に確保することができる。
上述したリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物を用い、このような製造方法で製造される正極を使用すれば、正極の集電体の腐食が十分に抑制されていると共に、優れた電気的特性を有しているリチウムイオン二次電池が得られる。
酸性官能基含有単量体単位の含有割合が15〜60質量%であり、重量平均分子量が10000〜200000である重合体Aと、
酸性官能基含有単量体単位の含有割合が10質量%以下である粒子状重合体Bと、導電材とを含むリチウムイオン二次電池用正極。
このように、上記特定の重合体Aを含有すれば、MnおよびNiの少なくとも1つを含有する正極活物質を使用した場合であっても集電体の腐食を十分に抑制することができる。また、MnおよびNiの少なくとも1つを含有する正極活物質を使用し、上記特定の重合体Aおよび粒子状重合体Bを含むこの正極を使用すれば、電池容量や低温出力特性などの電気的特性が優れているリチウムイオン二次電池を形成することができる。
このように、粒子状重合体Bの質量(b)に対する重合体Aの質量(a)の比(a/b)を上記範囲内とすれば、集電体の腐食を好適に抑制しつつ、正極活物質層と集電体との密着性や、リチウムイオン二次電池の電気的特性を更に良好なものとすることができる。
このように、重合体Aがフッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を含んでいれば、該正極を用いたリチウムイオン二次電池の低温出力特性を十分に確保することができる。
このように、粒子状重合体Bが(メタ)アクリル酸エステル単量体単位と(メタ)アクリロニトリル単量体単位とを含んでいれば、正極の柔軟性を確保することができると共に、粒子状重合体Bの結着力が十分なものとなり、正極の強度や該正極を用いたリチウムイオン二次電池の電気的特性を十分に確保することができる。
上述したリチウムイオン二次電池用正極を備えるリチウムイオン二次電池は、正極の集電体の腐食を抑制することができると共に、電池容量や低温出力特性などの電気的特性に優れている。
このようなエチレンカーボネートの含有割合の溶媒を使用した電解液を用いたリチウムイオン二次電池は、その電解液中にLiPF6等のリチウム塩を大量に溶解させることができ、リチウムイオン濃度を高いレベルで維持できるため、電気的特性に優れる。また、凝固点が高いエチレンカーボネートの含有割合を適度なものとして、低温出力特性を確保することができる。
また、本発明によれば、集電体の腐食を十分に抑制することができると共に、優れた電気的特性を有するリチウムイオン二次電池を構成することができる、リチウムイオン二次電池用正極を提供することができる。
さらに、本発明によれば、正極の集電体の腐食を十分に抑制することができると共に、優れた電気的特性を有するリチウムイオン二次電池を提供することができる。
本発明のリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物は、MnおよびNiの少なくとも一方を含有する正極活物質と、酸性官能基含有単量体単位の含有割合が15〜60質量%であり、重量平均分子量が10000〜200000である重合体Aと、酸性官能基含有単量体単位の含有割合が10質量%以下である粒子状重合体Bと、導電材と、水とを含む水系のスラリー組成物である。
また、本明細書において(メタ)アクリル酸とは、アクリル酸及び/又はメタクリル酸を意味し、(メタ)アクリル酸エステルとは、アクリル酸エステル及び/又はメタクリル酸エステルを意味し、「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その単量体由来の構造単位が含まれている」ことを意味する。
本発明のリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物は、正極活物質として、Mn及び/又はNi含有正極活物質を使用する。正極活物質は、正極において用いられる電極活物質であり、リチウムイオン二次電池の正極において電子の受け渡しをする物質である。そして、Mn及び/又はNi含有正極活物質を用いれば、リチウムイオン二次電池の容量を高めることができる。
ここで、Mn及び/又はNi含有正極活物質としては、遷移金属としてMnとNiの少なくとも一方を含有する活物質であれば特に限定されないが、リチウムイオン二次電池の更なる高容量化の観点からは、少なくともNiを含有する正極活物質であることが好ましく、Ni及びMnを含有する正極活物質であることが更に好ましい。なお、高容量化に加え電池の安全性の確保をより十分なものとする観点からは、Li、O、Ni、Mn、Co、及び、Feから構成される正極活物質がより好ましく、Li、O、Ni、Mn、及び、Coから構成される正極活物質がさらにより好ましい。
Ni含有正極活物質としては、例えば、リチウム含有ニッケル酸化物(LiNiO2)およびNi−Co−Alのリチウム複合酸化物が挙げられる。
Mn及びNi含有正極活物質としては、Ni−Mn−Alのリチウム複合酸化物が挙げられる。
そして、Mn及び/又はNi含有正極活物質としては、リチウムイオン二次電池の高容量化の観点から、LiaNibCocMndO2(0<a≦2、0<b<1、0≦c<1 0<d<1)の一般式で表される正極活物質が好ましい。このような正極活物質としては、例えば、Li1.2Ni0.17Co0.07Mn0.56O2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2が挙げられ、これらの中でも、リチウムイオン二次電池の高容量化の観点から、正極活物質としては、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2が特に好ましい。
本発明のリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物に含まれる酸性重合体Aは、Mn及び/又はNi含有正極活物質から溶出した、水酸化リチウム(LiOH)等のアルカリ性の腐食物質を酸性官能基により中和することが可能な重合体である。
なお、該中和により生成した酸性重合体Aのリチウム塩は、本発明のスラリー組成物を用いて得られた電極を備えるリチウムイオン二次電池の電解液中で、リチウムイオンを放出することができる。従って、酸性重合体Aを含むスラリー組成物を用いて形成した正極を備えるリチウムイオン二次電池では、電解液中のリチウムイオン濃度を高いレベルで維持することができる。更に、当該リチウムイオン二次電池では、酸性重合体Aのリチウム塩の存在に起因した電解液中のリチウムイオン濃度の上昇により、電解液の凝固点が降下する。従って、低温域において電解液中でのリチウムイオンの移動の容易性が確保され、リチウムイオン二次電池の電気的特性(例えば低温出力特性)を向上させることができる。
なお、本発明のリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物は、Mn及び/又はNi含有正極活物質のアルカリ性の腐食物質等の影響により、通常25℃でのpHが7超である。従って、水溶性である酸性重合体Aは、該スラリー組成物中で十分に溶解することができる。そして、該スラリー組成物を用いて得られた正極を含むリチウムイオン二次電池の電解液中においては、粒子状を維持する粒子状重合体Bとは異なり、不定形な状態で正極活物質、導電材、粒子状重合体Bの周りに存在することとなる。
前記の式(I)において、R4は、フッ素原子を含有する炭化水素基を表す。炭化水素基の炭素数は、通常、1以上18以下である。また、R4が含有するフッ素原子の数は、1個でもよく、2個以上でもよい。
単官能性単量体に含まれる熱架橋性の架橋性基の例としては、エポキシ基、N−メチロールアミド基、オキセタニル基、オキサゾリン基、及びこれらの組み合わせが挙げられる。これらの中でも、エポキシ基が、架橋及び架橋密度の調節が容易な点でより好ましい。
本発明のリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物は、粒子状重合体Bを含む。
粒子状重合体Bは、本発明のスラリー組成物を用いて集電体上に形成される正極活物質層において、当該正極活物質層に含まれる成分が正極活物質層から脱離しないように保持しうる成分であり、即ち主にバインダー(結着剤)として機能する成分である。一般的に、正極活物質層における粒子状重合体Bは、電解液に浸漬された際に、電解液を吸収して膨潤しながらも粒状の形状を維持し、正極活物質、導電材を結着させ、正極活物質、導電材が集電体から脱落するのを防ぐ。本発明のリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物に粒子状重合体Bを含むことにより、該スラリー組成物を用いて形成した正極中では、正極活物質と導電材が各々偏在することなく良好に分散しており、該正極を用いたリチウムイオン二次電池は出力特性に優れる。従って、該正極を用いたリチウムイオン二次電池は、諸性能を良好に保つことができる。
本発明のリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物中には、導電材が含まれる。導電材としては、特に限定されないが、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、カーボンブラック、グラファイト等の導電性炭素材料;各種金属のファイバー、箔などが挙げられ、アセチレンブラックが特に好ましい。スラリー組成物が導電材を含むことにより、Mn及び/又はNi含有正極活物質同士の電気的接触を向上させることができ、これにより、本発明のスラリー組成物を用いて得られる正極を使用したリチウムイオン二次電池の電気的特性(例えば、低温出力特性)及びその他の特性を向上させることができる。
本発明のリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物は、上記成分の他に、例えば、補強材、分散剤、酸化防止剤、カルボキシメチルセルロースなどの増粘剤、電解液の分解を抑制する機能を有する電解液添加剤などの成分を含有していてもよい。これらその他の成分は、公知のものを使用することができ、例えば特開2012−204303号公報に記載のものを使用することができる。
次に、本発明のリチウムイオン二次電池用正極の製造方法について説明する。本発明のリチウムイオン二次電池用正極の製造方法は、集電体上に、上記リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物を塗布する工程(塗布工程)と、集電体上に塗布されたスラリー組成物を乾燥し、正極活物質層を形成する工程(乾燥工程)とを備える。
集電体上に、上記のリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物を塗布する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができ、例えばドクターブレード法、ジップ法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法、ハケ塗り法などの方法が挙げられる。この際、該スラリー組成物を集電体の片面だけに塗布してもよいし、両面に塗布してもよい。塗布後乾燥前の集電体上のスラリー膜の厚みは、乾燥して得られる正極活物質層の厚みに応じて適宜に設定しうる。
また、集電体は、正極活物質層の接着強度を高めるため、予め粗面化処理が施されていてもよい。粗面化方法としては、例えば、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、例えば、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。
集電体上のスラリー組成物を乾燥する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができ、例えば温風、熱風、低湿風による乾燥、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。乾燥条件としては、特に限定されないが、例えば、赤外線の照射による乾燥法を用いる場合、50〜150℃のオーブン中で乾燥する。このように集電体上のスラリー組成物を乾燥することで、正極活物質層と集電体とを備えるリチウムイオン二次電池用正極を得ることができる。
次に、本発明のリチウムイオン二次電池用正極について説明する。本発明のリチウムイオン二次電池用正極は、MnおよびNiの少なくとも一方を含有する正極活物質(Mn及び/又はNi含有正極活物質)と、酸性官能基含有単量体単位の含有割合が15〜60質量%であり、重量平均分子量が10000〜200000である重合体A(酸性重合体A)と、酸性官能基含有単量体単位の含有割合が10質量%以下である粒子状重合体B(粒子状重合体B)と、導電材と、を含む。
本発明のリチウムイオン二次電池は、上記本発明のリチウムイオン二次電池用正極と、負極と、電解液と、セパレータとを備える。
本発明のリチウムイオン二次電池の負極としては、リチウムイオン二次電池用負極に通常用いられる各種の負極を用いることができ、例えば、金属リチウムの薄板を用いることができる。又は例えば、集電体と、集電体の表面に形成された負極活物質層とを備えるものを用いることができる。
負極活物質、バインダーとしては、それぞれ公知のものを用いることができ、例えば、特開2012−204303号公報に記載のものが挙げられる。バインダーは正極において用いる粒子状重合体Bと同様のものを用いてもよい。また、負極活物質層には、必要に応じて、負極活物質及びバインダー以外の成分が含まれていてもよい。
本発明のリチウムイオン二次電池の電解液としては、通常は溶媒に電解質を溶解した電解液が用いられる。また溶媒としては有機溶媒が好適に用いられる。
電解質としては、リチウム塩が用いられる。リチウム塩としては、例えば、特開2012−204303号公報に記載のものを用いることができる。これらのリチウム塩の中でも、有機溶媒に溶解しやすく、高い解離度を示すという点より、LiPF6、LiClO4、CF3SO3Liが好ましく、LiPF6が特に好ましい。解離度の高い電解質を用いるほど、リチウムイオンの伝導度を高くすることができる。なお、電解質は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
セパレータとしては、例えば、特開2012−204303号公報に記載のものを用いることができる。これらの中でも、セパレータ全体の膜厚を薄くすることができ、これにより、二次電池内の電極活物質の比率を高くし、体積あたりの容量を高くすることができるという点より、ポリオレフィン系(ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリ塩化ビニル)の樹脂からなる微多孔膜が好ましい。
本発明のリチウムイオン二次電池は、例えば、上述した本発明の正極と、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することにより製造することができる。リチウムイオン二次電池の内部の圧力上昇、過充放電等の発生を防止するために、必要に応じて、ヒューズ、PTC素子等の過電流防止素子、エキスパンドメタル、リード板などを設けてもよい。リチウムイオン二次電池の形状は、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。このようにして得られたリチウムイオン二次電池は、正極の集電体の腐食が十分に抑制されており、かつ、優れた電気的特性を有する。
実施例および比較例において、集電体の腐食抑制効果、正極活物質層と集電体との密着強度、リチウムイオン二次電池のサイクル特性、及び、リチウムイオン二次電池の低温出力特性の評価方法はそれぞれ以下のものを使用した。
各実施例及び比較例で作製したリチウムイオン二次電池用正極スラリー組成物を、20μmのアルミ箔(集電体)上に乾燥後の膜厚が70μm程度になるように塗布し、50℃にて20分乾燥を行い、正極サンプルを得た。得られた正極サンプルの、正極活物質層側(即ち、スラリー組成物を塗布した側)の表面の10cm×10cmの範囲について、目視にて観察を行い、直径0.5mm以上の塗工不良部分が発生している箇所の数を確認することにより、集電体の腐食抑制効果についての評価を行った。塗工不良部分の発生箇所が少ないほど、アルミ箔(集電体)のアルカリ腐食による水素ガスの気泡の発生が少なく、そして、該気泡による正極活物質表面の凹凸が少ないことを意味し、集電体の腐食が抑制されていることを示す。
A:塗工不良の発生箇所が確認できず、全体がなめらか
B:塗工不良の発生箇所が1箇所以上、5箇所未満
C:塗工不良の発生箇所が5箇所以上、10箇所未満
D:塗工不良の発生箇所が10箇所以上
実施例及び比較例で作製したリチウムイオン二次電池用正極を、長さ100mm、幅10mmの長方形に切り出して試験片とした。この試験片を、正極活物質層の表面を下にして、正極活物質層の表面にセロハンテープを貼り付けた。この際、セロハンテープとしてはJIS Z1522に規定されるものを用いた。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、集電体の一端を鉛直上方に引張り速度50mm/分で引っ張って剥がしたときの応力を測定した。この測定を3回行い、測定値の平均値を求めて、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、正極活物質層と集電体との密着強度が大きいことを示す。
A:応力が20N/m以上
B:応力が15N/m以上20N/m未満
C:応力が10N/m以上15N/m未満
D:応力が10N/m未満
実施例及び比較例で作製したラミネート型セルのリチウムイオン二次電池を、25℃の環境下で24時間静置した。その後、このリチウムイオン二次電池を25℃の環境下で、0.5Cの低電流法にて4.2Vまで充電し、3.0Vまで放電する充放電の操作を行い、初期容量C0を測定した。さらに、このリチウムイオン二次電池を60℃の環境下で、前記の充放電と同様の充放電を繰り返し、200サイクル後の容量C2を測定した。サイクル特性(高温サイクル特性)は、ΔC=C2/C0×100(%)で示す容量維持率にて評価した。この容量維持率が高いほど、サイクル特性に優れることを示す。
A:容量維持率ΔCが85%以上
B:容量維持率ΔCが80%以上85%未満
C:容量維持率ΔCが70%以上80%未満
D:容量維持率ΔCが70%未満
実施例及び比較例で作製したラミネート型セルを、25℃の環境下で24時間静置した。その後、25℃の環境下で、1Cの低電流法にて5時間かけて充電する操作を行い、そのときの電圧V0を測定した。その後、−10℃環境下で、1Cの放電レートにて放電の操作を行い、放電開始15秒後の電圧V1を測定した。低温出力特性は、ΔV=V0−V1で示す電圧降下で評価した。この電圧降下が小さいほど、低温出力特性に優れることを示す。
A:電圧降下ΔVが120mV以上140mV未満
B:電圧降下ΔVが140mV以上160mV未満
C:電圧降下ΔVが160mV以上180mV未満
D:電圧降下ΔVが180mV以上200mV未満
E:電圧降下ΔVが200mV以上
測定装置:東ソー社製GPC(型番:HLC−8220)
分子量カラム:TSKgel SuperHZM−M(東ソー社製)
移動液:テトラヒドロフラン
流速:0.6ml/min
検量線用標準物質:ポリスチレン
測定方法:重合体の固形物を移動液に固形分が0.5質量%になるように溶解し、0.45μmフィルターにてろ過したものを測定した。
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、メタクリル酸(酸性官能基含有単量体)30部、メタクリル酸2,2,2−トリフルオロエチル(フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体)10部、アクリル酸ブチル((メタ)アクリル酸エステル単量体)28.8部、アクリル酸エチル((メタ)アクリル酸エステル単量体)29.2部、エチレンジメタクリレート(架橋性単量体)0.8部、ポリオキシアルキレンアルケニルエーテル硫酸アンモニウム(花王社製「ラテムルPD−104」、反応性界面活性剤)1.2部、t-ドデシルメルカプタン(分子量調整剤)0.1部、イオン交換水150部、及び過硫酸カリウム(重合開始剤)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%になった時点で冷却し反応を停止して、酸性重合体1の水分散液を得た。
酸性重合体1の重量平均分子量は、50000であり、酸性重合体1の水分散液のpHは5であった。
メタクリル酸(酸性官能基含有単量体)を20部、アクリル酸エチル((メタ)アクリル酸エステル単量体単位)を39.2部とした以外は、酸性重合体1と同様にして、酸性重合体2の水分散液を得た。
酸性重合体2の重量平均分子量は、50000であり、酸性重合体2の水分散液のpHは5.3であった。
メタクリル酸(酸性官能基含有単量体)を60部とし、アクリル酸エチル((メタ)アクリル酸エステル単量体単位)を28部とし、アクリル酸ブチル((メタ)アクリル酸エステル単量体単位)を使用しない以外は、酸性重合体1と同様にして、酸性重合体3の水分散液を得た。
酸性重合体3の重量平均分子量は、50000であり、酸性重合体3の水分散液のpHは4であった。
メタクリル酸(酸性官能基含有単量体)を15部、アクリル酸エチル((メタ)アクリル酸エステル単量体単位)を44.2部とした以外は、酸性重合体1と同様にして、酸性重合体4の水分散液を得た。
酸性重合体4の重量平均分子量は、50000であり、酸性重合体4の水分散液のpHは5.5であった。
メタクリル酸(酸性官能基含有単量体)30部に代えて2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(酸性官能基含有単量体)15部を使用し、アクリル酸エチル((メタ)アクリル酸エステル単量体単位)を44.2部とした以外は、酸性重合体1と同様にして、酸性重合体5の水分散液を得た。
酸性重合体5の重量平均分子量は、50000であり、酸性重合体5の水分散液のpHは3であった。
t-ドデシルメルカプタン(分子量調整剤)を0.05部とした以外は、酸性重合体1と同様にして、酸性重合体6の水分散液を得た。
酸性重合体6の重量平均分子量は、100000であり、酸性重合体6の水分散液のpHは5であった。
t-ドデシルメルカプタン(分子量調整剤)を0.2部とした以外は、酸性重合体1と同様にして、酸性重合体7の水分散液を得た。
酸性重合体7の重量平均分子量は、25000であり、酸性重合体7の水分散液のpHは5であった。
メタクリル酸2,2,2−トリフルオロエチル(フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体)を使用せず、アクリル酸エチル((メタ)アクリル酸エステル単量体単位)を39.2部とした以外は、酸性重合体1と同様にして、酸性重合体8の水分散液を得た。
酸性重合体8の重量平均分子量は、50000であり、酸性重合体8の水分散液のpHは5であった。
メタクリル酸2,2,2−トリフルオロエチル(フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体)を15部とし、アクリル酸ブチル((メタ)アクリル酸エステル単量体単位)を23.8部とした以外は、酸性重合体1と同様にして、酸性重合体9の水分散液を得た。
酸性重合体9の重量平均分子量は、50000であり、酸性重合体9の水分散液のpHは5であった。
メタクリル酸2,2,2−トリフルオロエチル(フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体)を5部とし、アクリル酸エチル((メタ)アクリル酸エステル単量体単位)を34.2部とした以外は、酸性重合体1と同様にして、酸性重合体10の水分散液を得た。
酸性重合体10の重量平均分子量は、50000であり、酸性重合体10の水分散液のpHは5であった。
t-ドデシルメルカプタン(分子量調整剤)を0.025部とした以外は、酸性重合体1と同様にして、酸性重合体11の水分散液を得た。
酸性重合体11の重量平均分子量は、200000であり、酸性重合体11の水分散液のpHは5であった。
t-ドデシルメルカプタン(分子量調整剤)を0.33部とした以外は、酸性重合体1と同様にして、酸性重合体12の水分散液を得た。
酸性重合体12の重量平均分子量は、15000であり、酸性重合体12の水分散液のpHは5であった。
メタクリル酸(酸性官能基含有単量体)を10部、アクリル酸エチル((メタ)アクリル酸エステル単量体単位)を39.2部、アクリル酸ブチル((メタ)アクリル酸エステル単量体単位)を38.8部とした以外は、酸性重合体1と同様にして、酸性重合体13の水分散液を得た。
酸性重合体13の重量平均分子量は、50000であり、酸性重合体11の水分散液のpHは6であった。
酸性重合体14として、ポリアクリル酸(重量平均分子量150000、和光純薬製)を用いた。該酸性重合体14に水を加え、酸性重合体14の水分散液を得た。この酸性重合体14の水分散液のpHは3であった。
t-ドデシルメルカプタン(分子量調整剤)を0.3部とした以外は、酸性重合体1と同様にして、酸性重合体15の水分散液を得た。
酸性重合体15の重量平均分子量は、8000であり、酸性重合体15の水分散液のpHは5であった。
t-ドデシルメルカプタン(分子量調整剤)を0.02部とした以外は、酸性重合体1と同様にして、酸性重合体16の水分散液を得た。
酸性重合体16の重量平均分子量は、400000であり、酸性重合体16の水分散液のpHは5であった。
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、イタコン酸(酸性官能基含有単量体)4部、アクリル酸2−エチルヘキシル((メタ)アクリル酸エステル単量体)76部、アクリロニトリル((メタ)アクリロニトリル単量体)20部、ドデシルベンゼンスルホン酸
ナトリウム(界面活性剤)1部、イオン交換水150部、及び過硫酸カリウム(重合開始剤)0.8部を入れ、十分に攪拌した。その後、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、粒子状重合体1を含む混合物を得た。上記粒子状重合体1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粒子状重合体1を含む混合物から未反応単量体の除去を行った後、その混合物を30℃以下まで冷却し、所望の粒子状重合体1を含む水分散液を得た。粒子状重合体1のガラス転移温度(Tg)は、−37℃であった。
イタコン酸(酸性官能基含有単量体)4部に代えてメタクリル酸(酸性官能基含有単量体)2部を使用し、アクリロニトリル((メタ)アクリロニトリル単量体)を22部とした以外は、粒子状重合体1と同様にして、粒子状重合体2の水分散液を得た。粒子状重合体2のガラス転移温度(Tg)は、−39℃であった。
イタコン酸(酸性官能基含有単量体)4部に代えてメタクリル酸(酸性官能基含有単量体)10部を使用し、アクリル酸2−エチルヘキシル((メタ)アクリル酸エステル単量体)を70部とした以外は、粒子状重合体1と同様にして、粒子状重合体3の水分散液を得た。粒子状重合体3のガラス転移温度(Tg)は、−6℃であった。
イタコン酸(酸性官能基含有単量体)を20部とし、アクリル酸2−エチルヘキシル((メタ)アクリル酸エステル単量体)を60部とした以外は、粒子状重合体1と同様にして、粒子状重合体4の水分散液を得た。粒子状重合体4のガラス転移温度(Tg)は、88℃であった。
以下の手順で、実施例1のスラリー組成物、正極、及び、リチウムイオン二次電池を製造した。
ディスパー付きのプラネタリーミキサーに正極活物質として体積平均粒子径15μmのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(日本化学工業社製「NMC111」)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「HS−100」)を2部、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース(日本製紙ケミカル社製「MAC−350HC」)を固形分相当で1部入れ、10分間攪拌混合した。さらに酸性重合体1の水分散液を固形分相当で0.1部入れ、イオン交換水で固形分濃度83%に調整した後、25℃で60分間混合した。さらにバインダーとして、上記粒子状重合体1を含む水分散液の濃度を40%に調製したものを固形分相当で2部入れ、イオン交換水で固形分濃度を65%に調整した後、プラネタリーミキサーにより混合し、リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物(pH 10.5)を調製した。このスラリー組成物を用いて、上述した要領で、集電体の腐食抑制効果を評価した。
上記のリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物を、コンマコーターで、集電体である厚さ20μmのアルミ箔の上に、乾燥後の膜厚が100μm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、更に120℃のオーブン内にて2分間加熱処理して、電極原反(正極原反)を得た。そして、得られた正極原反をロールプレスで圧延し、正極活物質層の厚みが100μmのリチウムイオン二次電池用正極を得た。この正極について、上述した要領で、密着強度を評価した。
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、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム(界面活性剤)0.4部、イオン交換水150部、及び過硫酸カリウム(重合開始剤)0.5部を入れ、十分に攪拌した。その後、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粒子状バインダーを含む混合物から未反応単量体の除去を行った後、その混合物を30℃以下まで冷却し、所望の粒子状バインダーを含む水分散液を得た。
ディスパー付きのプラネタリーミキサーに、負極活物質として比表面積5.5m2/gの人造黒鉛(体積平均粒子径:24.5μm)100部、及び増粘剤としてカルボキシメチルセルロース(日本製紙ケミカル社製「MAC−350HC」)の2%水溶液を固形分相当で1部入れ、さらにイオン交換水で固形分濃度65%に調整した後、25℃で60分間混合した。次に、イオン交換水で固形分濃度60%に調整した後、さらに25℃で15分間混合し、混合液を得た。上記混合液に、上記工程1−3の粒子状バインダーを含む水分散液を固形分相当量で1.0部、及びイオン交換水を入れ、最終固形分濃度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組成物を得た。
上記工程1−4で得られた負極用スラリー組成物を、コンマコーターで、集電体である厚さ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分間加熱処理して負極原反を得た。こ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の負極を得た。
単層のポリプロピレン製セパレータ(セルガード社製「CELGARD(登録商標)2500」)を、5×5cm2の正方形に切り抜いた。
電池の外装として、アルミ包材外装を用意した。上記工程1−2で得られた正極を、4×4cm2の正方形に切り出し、集電体側の表面がアルミ包材外装に接するように配置した。正極の正極活物質層の面上に、上記工程1−6で得られた正方形のセパレータを配置した。さらに、上記工程1−5で得られた負極を、4.2×4.2cm2の正方形に切り出し、これをセパレータ上に、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。電解液1(溶媒:EC/DEC/VC=40.0/58.5/1.5体積比(25℃)、電解質:濃度1MのLiPF6、比誘電率(25℃):36.5、粘度(25℃):1.2mPa・s))を空気が残らないように注入した。さらに、アルミ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外装を閉口し、リチウムイオン二次電池を製造した。このリチウムイオン二次電池について、上述した要領で、サイクル特性及び低温出力特性を評価した。
正極活物質としてLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2に代えてLi1.2Ni0.17Co0.07Mn0.56O2を使用した以外は、実施例1と同様に、リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物(pH 10)、正極、及び、リチウムイオン二次電池を製造し、上述の項目について評価した。
正極活物質としてLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2に代えてLiNiO2を使用した以外は、実施例1と同様に、リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物(pH 11)、正極、及び、リチウムイオン二次電池を製造し、上述の項目について評価した。
酸性重合体1の水分散液に代えて、それぞれ酸性重合体2〜7の水分散液を使用した以外は、実施例1と同様に、リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物(それぞれpH 10.8 10.1 11.3 11.3 10.5 10.5)、正極、及び、リチウムイオン二次電池を製造し、上述の項目について評価した。
粒子状重合体1の水分散液に代えて、粒子状重合体2の水分散液を使用した以外は、実施例1と同様に、リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物(pH 10.6)、正極、及び、リチウムイオン二次電池を製造し、上述の項目について評価した。
酸性重合体1の水分散液に代えて、それぞれ酸性重合体8〜10の水分散液を使用した以外は、実施例1と同様に、リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物(それぞれpH 10.5 10.6 10.5)、正極、及び、リチウムイオン二次電池を製造し、上述の項目について評価した。
酸性重合体1の配合量を固形分相当でそれぞれ0.5部、0.02部とした以外は、実施例1と同様に、リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物(それぞれpH 10.2 11.3)、正極、及び、リチウムイオン二次電池を製造し、上述の項目について評価した。
実施例1と同様に、リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物(pH 10.5)、正極を製造し、さらに、電解液1に代えて、電解液2(溶媒:EC/DEC/VC=50.0/48.5/1.5体積比(25℃)、電解質:濃度1MのLiPF6、比誘電率(25℃):45.4、粘度(25℃):1.3mPa・s)を用いた以外は、実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を製造し、上述の項目について評価した。
実施例1と同様に、リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物(pH 10.5)、正極を製造し、さらに、電解液1に代えて、電解液3(溶媒:EC/DEC/VC=33.0/65.5/1.5体積比(25℃)、電解質:濃度1MのLiPF6、比誘電率(25℃):30.2、粘度(25℃):1.1mPa・s)を用いた以外は、実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を製造し、上述の項目について評価した。
酸性重合体1の配合量を固形分相当で0.85部とした以外は、実施例1と同様に、リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物(pH 9.5)、正極、及び、リチウムイオン二次電池を製造し、上述の項目について評価した。
酸性重合体1の水分散液に代えて、それぞれ酸性重合体11,12の水分散液を使用した以外は、実施例1と同様に、リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物(いずれもpH 10.5)、正極、及び、リチウムイオン二次電池を製造し、上述の項目について評価した。
粒子状重合体1の水分散液に代えて、粒子状重合体3の水分散液を使用した以外は、実施例1と同様に、リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物(pH 10.3)、正極、及び、リチウムイオン二次電池を製造し、上述の項目について評価した。
酸性重合体1の水分散液に代えて、それぞれ酸性重合体13〜16の水分散液を使用した以外は、実施例1と同様に、リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物(それぞれpH 11.5 10.2 10.5 11)、正極、及び、リチウムイオン二次電池を製造し、上述の項目について評価した。
粒子状重合体1の水分散液に代えて、粒子状重合体4の水分散液を使用した以外は、実施例1と同様に、リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物(pH 10.2)、正極、及び、リチウムイオン二次電池を製造し、上述の項目について評価した。
酸性重合体1の水分散液を使用しない以外は、実施例1と同様に、リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物(pH 12)、正極、及び、リチウムイオン二次電池を製造し、上述の項目について評価した。
比較例2は、酸性重合体における酸性官能基含有単量体単位の含有割合が高く、集電体の腐食抑制効果は十分であるものの、酸性重合体Aが(メタ)アクリルエステル単量体単位及びフッ素含有(メタ)アクリルエステル単量体単位を含まないため、実施例1〜21に比して低温出力特性について劣っていた。さらに、酸性重合体における酸性官能基含有単量体単位の含有割合が高いため極板の柔軟性が低く、実施例1〜21に比して密着強度について劣っていた。
比較例3は、酸性重合体の重量平均分子量が小さいため、電解液への溶解が進行し、集電体腐食抑制効果については良好である一方、実施例1〜21に比して低温出力特性及びサイクル特性について劣っていた。
比較例4は、酸性重合体の重量平均分子量が大きいため、酸性重合体Aが電解液中で膨潤し難く、集電体腐食抑制効果については概ね良好である一方、実施例1〜21に比して低温出力特性について劣っていた。
比較例5は、粒子状重合体Bにおける酸性官能基含有単量体単位の含有割合が高くうまく結着できないため、正極活物質と酸性重合体Aと好ましい構造を有する正極活物質層を構成できず、実施例1〜21に比して低温出力特性及びサイクル特性について劣っていた。
Claims (11)
- MnおよびNiの少なくとも一方を含有する正極活物質と、
酸性官能基含有単量体単位の含有割合が15〜60質量%であり、重量平均分子量が10000〜200000である重合体Aと、
酸性官能基含有単量体単位の含有割合が10質量%以下である粒子状重合体Bと、
導電材と、
水と、
を含むリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物。 - 前記粒子状重合体Bの質量(b)に対する前記重合体Aの質量(a)の比(a/b)が、0.01〜0.3の範囲内である、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物。
- 前記重合体Aが、フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を含む、請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物。
- 前記粒子状重合体Bが、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位と、(メタ)アクリロニトリル単量体単位とを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物。
- 集電体上に、請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物を塗布する工程と、
前記集電体上に塗布された前記リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物を乾燥し、正極活物質層を形成する工程と、
を含むリチウムイオン二次電池用正極の製造方法。 - MnおよびNiの少なくとも一方を含有する正極活物質と、
酸性官能基含有単量体単位の含有割合が15〜60質量%であり、重量平均分子量が10000〜200000である重合体Aと、
酸性官能基含有単量体単位の含有割合が10質量%以下である粒子状重合体Bと、
導電材と、
を含むリチウムイオン二次電池用正極。 - 前記粒子状重合体Bの質量(b)に対する前記重合体Aの質量(a)の比(a/b)が、0.01〜0.3の範囲内である、請求項6に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- 前記重合体Aが、フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を含む、請求項6又は7に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- 前記粒子状重合体Bが、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位と(メタ)アクリロニトリル単量体単位とを含む、請求項6〜8のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- 請求項6〜9のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用正極と、負極と、電解液と、セパレータとを備えるリチウムイオン二次電池。
- 前記電解液が、電解質と溶媒とを含み、
前記溶媒中の、エチレンカーボネートの含有割合が30〜60体積%である、請求項10に記載のリチウムイオン二次電池。
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