JP5862909B2 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
本発明の二次電池電極用バインダー組成物の一実施形態は、(A)スチレンブタジエン共重合体ラテックス、及びアクリルエマルジョンからなる群より選択される少なくとも一種のポリマー水分散体(以下、「(A)成分」ともいう)100質量部(但し固形分として)と、(B)曇点が70℃以下の化合物(以下、「(B)成分」ともいう)1〜20質量部と、を含有するものである。以下、その詳細について説明する。
本実施形態の二次電池電極用バインダー組成物に含有される(A)成分は、(i)スチレンブタジエン共重合体ラテックス、及び(ii)アクリルエマルジョンからなる群より選択される少なくとも一種のポリマー水分散体である。
スチレンブタジエン共重合体ラテックスは、通常の乳化重合法で合成されるものである。このスチレンブタジエン共重合体ラテックスに含まれるスチレンブタジエン共重合体は、脂肪族共役ジエン系単量体からなる構成単位と、芳香族ビニル化合物単量体からなる構成単位と酸成分を有するビニル単量体からなる構成単位よりなる共重合体である。脂肪族共役ジエン系単量体としては、1,3−ブタジエン、イソプレン、2−クロロ−1,3−ブタジエン、クロロプレン等を挙げることができる。これらの中でも、集電体との密着性向上の面で1,3−ブタジエンが好ましい。これらの脂肪族共役ジエン系単量体は、単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。スチレンブタジエン共重合体のブタジエン結合含量は、30〜85質量%であることが好ましく、30〜70質量%であることが更に好ましく、30〜60質量%であることが特に好ましい。ブタジエン結合含量が30質量%未満であると、集電体との密着性や電極の柔軟性が不足する傾向にある。一方、85質量%超であると、集電体との密着性が不足する傾向にある。
するためのカルボキシル基含有ビニル単量体を、全モノマーの0.1〜8質量%使用することが好ましく、0.5〜6質量%使用することが更に好ましく、1〜4質量%使用することが特に好ましい。カルボキシル基含有ビニル単量体の使用量が0.1質量%未満であると、集電体との密着性が不足する傾向にある。一方、8質量%超であると、活物質や導電性カーボンの表面が過度に被覆されてしまい、過電圧が上昇し易くなる傾向にある。カルボキシル基含有ビニル単量体の具体例としては、イタコン酸、アクリル酸、メタクリル酸、フマル酸、マレイン酸等を挙げることができる。これらの中でも、重合安定性と分散安定性の点で、イタコン酸、アクリル酸、メタクリル酸が好ましい。なお、これらのカルボキシル基含有ビニル単量体は、単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
下し易くなる。バインダー性能の不足を補うためにバインダー組成物の使用量を増加すると、過電圧が上昇する傾向にあり、高特性の二次電池を得ることが困難になる。一方、スチレンブタジエン共重合体ラテックスのゲル含量が20質量%未満であると、電極を形成し加熱乾燥するときにポリマーフローが生じて活物質や導電性カーボンを過度に被覆してしまい、やはり過電圧が上昇する傾向にある。なお、ゲル含量の調整には、重合温度の調整、重合開始剤量の調整、重合転化率の調整、連鎖移動剤量の調整等の一般的な方法が採用される。
アクリルエマルジョンは、少なくとも(メタ)アクリル酸エステル、及び酸成分を有するビニル単量体から得られる共重合体を含有するものである。(メタ)アクリル酸エステルの具体例としては、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、プロピル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、t−ブチル(メタ)アクリレート、ペンチル(メタ)アクリレート、ヘキシル(メタ)アクリレート、ヘプチル(メタ)アクリレート、オクチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、ノニル(メタ)アクリレート、デシル(メタ)アクリレート等を挙げることができる。これらの中でも、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、n−ブチルメタクリレート、n−ブチルアクリレート、ヘプチルアクリレート、オクチルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、ノニルアクリレートが好ましく、メチルメタクリレート、2−エチルヘキシルアクリレートが更に好ましい。
メトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン等のアルコシシラン基含有単量体を挙げることができる。
本実施形態の二次電池電極用バインダー組成物に含有される(B)成分は、曇点が70℃以下の化合物である。この(B)成分を含有させることにより、得られる二次電池電極用バインダー組成物の、集電体との密着性を向上させることができ、高温及び低温条件下であっても充放電サイクル特性に優れた二次電池を提供することが可能となる。ここで、本明細書にいう「曇点」とは、外見上透明な試料の水溶液を加熱して徐々にその温度を上昇させた場合に、試料が析出して水溶液が濁りはじめるときの温度をいう。曇点の具体的な測定方法を以下に説明する。先ず、測定対象となる試料の1質量%水溶液を調製する。図1に示すような、加温器1、温度計2、及び撹拌翼3を備えた測定装置4の容器5に、調製した水溶液6を100g入れる。次に、水溶液6が透明である(試料が十分に溶解されている)ことを確認できるまで、撹拌翼3を200rpmの回転速度で回転させながら加熱撹拌する。水溶液6が透明であることが確認できたら、撹拌翼3の回転速度を80rpmとし、加熱することにより1℃/1分の速度で温度上昇させ、乳状の不連続な相が現れる温度を「曇点」として測定する。
下する傾向にある。
剤、「アクアロンRS−20」(商品名(第一工業製薬社製))、「アデカリアソープNE−20」(商品名(旭電化工業社製))等の非イオン性反応性乳化剤を挙げることができる。これらは単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。上述してきた乳化剤を、単量体成分の100質量部に対して、0.2〜20質量部使用することが好ましい。
レントリアミン五酢酸、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸等を挙げることができる。また、無機電解質としては、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、炭酸アンモニウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸アンモニウム等を挙げることができる。
次に、本発明の二次電池電極用スラリーの一実施形態について説明する。本実施形態の二次電池電極用スラリーは、これまで述べてきたいずれかの二次電池電極用バインダー組成物と、電極活物質とを含有するものである。なお、本実施形態の二次電池電極用スラリーは、二次電池電極用バインダー組成物と電極活物質とを、水性媒体中で、必要に応じて添加される各種添加剤とともに混合することにより、調製することができる。
次に、本発明の二次電池電極の一実施形態について説明する。本実施形態の二次電池電極は、集電材と、これまで述べてきた二次電池電極用スラリーが集電材の表面上に塗布及び乾燥されて形成された電極層とを備えたものである。
適に用いることができる。水系電池としてはニッケル水素電池負極、非水系電池としてはアルカリ二次電池負極やリチウムイオン電池負極等で優れた特性を発揮することができる。
撹拌機を備え、温度調節の可能なオートクレーブ中に、水400部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム1部、過硫酸カリウム1部、α−メチルスチレンダイマー0.5部、t−ドデシルメルカプタン1部、1,3−ブタジエン35部、スチレン27部、メタクリル酸メチル35部、イタコン酸1部、及びアクリル酸2部を一括して仕込み、60℃で12時間反応させた。なお、重合転化率は98%であった。10%水酸化ナトリウム水溶液でpH7.5まで中和した後、水蒸気蒸留で残留モノマーを除去することにより、ポリマー水分散体A1を得た。ポリマー水分散体A1の平均粒子径は200nm、ゲル含量は80%、Tgは−3℃であった。
撹拌機を備え、温度調節の可能なセパラブルフラスコに、水400部、反応性乳化剤(商品名「アデカリアソープSR−10」(旭電化工業社製)0.5部、過硫酸ナトリウム0.3部、2−エチルヘキシルアクリレート50部、スチレン27部、メタクリル酸メチル19部、2−ヒドロキシエチルメタクリレート2部、及びアクリル酸2部を一括して仕込み、80℃で6時間反応させた。なお、重合転化率99%であった。10%水酸化ナトリウム水溶液でpH7.5まで中和して、ポリマー水分散体A2を得た。ポリマー水分散体A2の平均粒子径は150nm、ゲル含量は70%、Tgは−3℃であった。
ポリテトラフルオロエチレン(略称:PTFE)の水分散体として、ポリフロンPTFE D−1E(商品名、固形分61%、ダイキン工業社製)を用いた。
天然黒鉛(商品名「NC−C」(関西熱化学社製))100部、導電性カーボン(商品名「デンカブラック」(旭電化社製))5部、カルボキシメチルセルロース(ダイセル化学社製)1部、(A)成分としてポリマー水分散体A1を1部、及び(B)成分として商品名「エマルゲン1108」(花王社製)(曇点:66℃)を、(A)成分100質量部に対する量で5部使用し、スラリー固形分濃度が45%になるようにイオン交換水を加えて撹拌することにより、均一な電池電極用スラリーを調製した。厚さ18μmの銅箔表面上に、調製した電池電極スラリーをドクターブレード法によって均一に塗布した。120℃、15分間乾燥機で乾燥した後、更に真空乾燥機にて5mmHg、150℃で2時間減圧乾燥した。室温まで冷却した後、活物質密度が1.7g/cm3となるようにロールプレスして電池電極(負極)を得た。得られた負極のピール強度は108g/cmであった。
表1に示す配合処方としたこと以外は、上述した実施例1と同様の操作により、電池電極用スラリーを調製した。また、同じく上述した実施例1と同様の操作により、負極及び正極を得た。得られた負極のピール強度を表1に示す。更に、同じく上述した実施例1と同様の操作により、二次電池を作製した。作製した二次電池の各種物性値を表1に示す。なお、表1中、「エマルゲン1108(曇点:66℃)」、「エマルゲン109P(曇点:83℃)」はポリオキシエチレンアルキルエーテルの商品名(花王社製)、「アデカプルロニックL−62(曇点:32℃))」はポリオキシエチレンーポリオキシプロピレン縮合物の商品名(旭電化社製)である。「アデカトールLB−83(曇点:54℃)」はポリオキシエチレンーポリオキシプロピレンアルキルエーテルの商品名(旭電化社製)である。なお、「ポリN−イソプロピルアクリルアミド(曇点:32℃)」は、J.Macromol.Sci.Chem.,A2,1441(1968)に記載の方法に従って合成したものである。
Claims (4)
- (A)スチレンブタジエン共重合体並びに(メタ)アクリル酸エステル及び酸成分を有するビニル単量体から得られる共重合体からなる群より選択される少なくとも一種のポリマー100質量部、及び
(B)曇点が70℃以下の、ポリオキシエチレンアルキルエーテル誘導体、ポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレン縮合物、及びポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレンアルキルエーテル誘導体からなる群より選択される少なくとも一種の非イオン系界面活性剤1〜20質量部、を含有する電極層を備えた二次電池負極と、
PVDFを含有する電極層を備えた正極と、を含むリチウムイオン二次電池。 - 前記二次電池負極が備える電極層が集電材の表面に形成された、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記集電材が銅箔である、請求項2に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記二次電池負極が備える電極層が、活物質として、天然黒鉛、人造黒鉛、及び黒鉛化メソフェーズカーボンからなる群より選択される少なくとも一種の黒鉛質材料を含有する、請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
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