WO2024135200A1 - 全固体二次電池用バインダー組成物、全固体二次電池用スラリー組成物、固体電解質含有層及び全固体二次電池 - Google Patents
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Classifications
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- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
- H01M10/0562—Solid materials
Definitions
- the present invention relates to a binder composition for an all-solid-state secondary battery, a slurry composition for an all-solid-state secondary battery, a solid electrolyte-containing layer, and an all-solid-state secondary battery.
- solid electrolytes that can be used include inorganic solid electrolytes such as sulfide-based inorganic solid electrolytes and oxide-based inorganic solid electrolytes; and polymer solid electrolytes such as polyethylene oxide and polypropylene oxide.
- inorganic solid electrolytes such as sulfide-based inorganic solid electrolytes and oxide-based inorganic solid electrolytes
- polymer solid electrolytes such as polyethylene oxide and polypropylene oxide.
- a slurry composition for the solid electrolyte-containing layer is used, which is prepared using a binder composition containing a polymer as a binder and a solvent.
- the electrode mixture layer can be formed by removing the solvent from a slurry composition for an electrode mixture layer containing a binder composition, a solid electrolyte, and an electrode active material.
- the solid electrolyte layer can be formed by removing the solvent from a slurry composition for a solid electrolyte layer containing a binder composition and a solid electrolyte.
- the conventional binder composition has room for improvement in terms of increasing the dispersibility and storage stability of the slurry composition, as well as increasing the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer formed using the slurry composition.
- an object of the present invention is to provide a binder composition for an all-solid-state secondary battery, which can impart excellent dispersibility and storage stability to a slurry composition for an all-solid-state secondary battery using a sulfide-based inorganic solid electrolyte as a solid electrolyte, and can cause a solid electrolyte-containing layer formed using the slurry composition for an all-solid-state secondary battery to exhibit excellent ion conductivity.
- Another object of the present invention is to provide a slurry composition for an all-solid-state secondary battery, which is excellent in dispersibility and storage stability and is capable of forming a solid electrolyte-containing layer having excellent ion conductivity.
- the present invention has an object to provide a solid electrolyte-containing layer having excellent ion conductivity, and an all-solid-state secondary battery including the solid electrolyte-containing layer.
- the present inventors have conducted extensive research with the aim of solving the above problems. As a result, the present inventors have newly discovered that the above problems can be solved by a binder composition for all-solid-state secondary batteries that contains a polymer containing two specific types of (meth)acrylic acid alkyl ester monomer units in a specific ratio and a specific acetate ester solvent, and have thus completed the present invention.
- the present invention has an object to advantageously solve the above-mentioned problems, and [1] the present invention relates to a binder composition for an all-solid-state secondary battery using a sulfide-based inorganic solid electrolyte, the binder composition comprising a polymer containing a (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit and an acetate solvent in which a hydrocarbon group having 6 to 9 carbon atoms is bonded to a non-carbonyl oxygen atom, the (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit comprising a first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit in which an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms is bonded to a non-carbonyl oxygen atom and a second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit in which an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms is bonded to a non-carbonyl oxygen atom, and a mass ratio of the first (meth)acryl
- the binder composition for an all-solid-state secondary battery as described above can impart excellent dispersibility and storage stability to a slurry composition for an all-solid-state secondary battery using a sulfide-based inorganic solid electrolyte as a solid electrolyte, and can also cause a solid electrolyte-containing layer formed using the slurry composition for an all-solid-state secondary battery to exhibit excellent ion conductivity.
- (meth)acrylic means "acrylic and/or methacrylic”.
- containing a monomer unit means that "a polymer obtained by using that monomer contains a structural unit derived from the monomer”.
- the polymer further contains a vinyl cyanide monomer unit.
- the polymer further contains a vinyl cyanide monomer unit, it is possible to impart excellent dispersibility and storage stability to a slurry composition for an all-solid-state secondary battery using a sulfide-based inorganic solid electrolyte as a solid electrolyte, and it is also possible to make a solid electrolyte-containing layer formed using the slurry composition for an all-solid-state secondary battery exhibit excellent ion conductivity.
- the content of the vinyl cyanide monomer unit is preferably 3% by mass or more and less than 7% by mass, when all repeating units constituting the polymer are taken as 100% by mass. If the content of the vinyl cyanide monomer unit is equal to or greater than the lower limit, the dispersibility and storage stability of the slurry composition for an all-solid-state secondary battery and the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer can be improved.
- the content of the vinyl cyanide monomer unit is less than the upper limit, the dispersibility and storage stability of the slurry composition for an all-solid-state secondary battery and the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer can be improved.
- the content (mass %) of the monomer unit in the polymer can be measured by a nuclear magnetic resonance (NMR) method such as 1 H-NMR.
- the weight average molecular weight of the polymer is preferably 800,000 or more and 1,500,000 or less.
- the weight average molecular weight of the polymer is equal to or more than the above lower limit, the storage stability of the slurry composition for an all-solid-state secondary battery can be improved.
- the weight average molecular weight of the polymer is equal to or less than the above upper limit, the dispersibility of the slurry composition for an all-solid-state secondary battery can be improved.
- the "weight average molecular weight” can be measured by the method described in the Examples of this specification.
- the polymer further contains an aromatic monomer unit, and the content of the aromatic monomer unit is preferably 10% by mass or more and 30% by mass or less, when all repeating units constituting the polymer are taken as 100% by mass. If the polymer further contains an aromatic monomer unit, the strength of the polymer can be ensured, and excellent shape stability can be imparted to the solid electrolyte-containing layer. When the content ratio of the aromatic monomer unit is equal to or higher than the lower limit, the strength of the polymer can be increased, and the shape stability of the solid electrolyte-containing layer can be improved. On the other hand, when the content ratio of the aromatic monomer unit is equal to or less than the upper limit, the flexibility of the polymer is increased, and the adhesiveness of the solid electrolyte-containing layer can be improved.
- the total content of the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit and the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit is preferably 50% by mass or more and 85% by mass or less, when all repeating units constituting the polymer are taken as 100% by mass.
- the total content ratio of the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit and the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit is equal to or more than the above lower limit, the storage stability of the slurry composition for an all-solid-state secondary battery can be improved.
- the total content of the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit and the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit is equal to or less than the upper limit, the decrease in the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer can be suppressed.
- the present invention also aims to advantageously solve the above problems, and [7] the present invention is a slurry composition for an all-solid-state secondary battery, comprising the binder composition for an all-solid-state secondary battery according to any one of [1] to [6] above, and a sulfide-based inorganic solid electrolyte.
- the above-mentioned slurry composition for an all-solid-state secondary battery can form a solid electrolyte-containing layer that is excellent in dispersibility and storage stability as well as ion conductivity.
- Another object of the present invention is to advantageously solve the above problems, and the present invention [8] is a solid electrolyte-containing layer formed using the slurry composition for an all-solid-state secondary battery according to the above [7].
- the solid electrolyte-containing layer as described above has excellent ion conductivity.
- Another object of the present invention is to advantageously solve the above problems, and the present invention [9] is an all-solid-state secondary battery comprising the solid electrolyte-containing layer according to the above [8].
- the above-mentioned all-solid-state secondary battery is excellent in battery performance such as output characteristics.
- a binder composition for an all-solid-state secondary battery which can impart excellent dispersibility and storage stability to a slurry composition for an all-solid-state secondary battery using a sulfide-based inorganic solid electrolyte as a solid electrolyte, and can cause a solid electrolyte-containing layer formed using the slurry composition for an all-solid-state secondary battery to exhibit excellent ion conductivity.
- a slurry composition for an all-solid-state secondary battery which is excellent in dispersibility and storage stability and is capable of forming a solid electrolyte-containing layer having excellent ion conductivity.
- the binder composition for an all-solid-state secondary battery of the present invention (hereinafter, sometimes simply referred to as the "binder composition") is used to prepare a slurry composition for an all-solid-state secondary battery using a sulfide-based inorganic solid electrolyte as a solid electrolyte (hereinafter, sometimes simply referred to as the "slurry composition").
- the slurry composition for an all-solid-state secondary battery of the present invention is used when forming a solid electrolyte-containing layer such as an electrode mixture layer (positive electrode mixture layer, negative electrode mixture layer) or a solid electrolyte layer used in an all-solid-state secondary battery such as an all-solid-state lithium ion secondary battery.
- the solid electrolyte-containing layer of the present invention is formed using the slurry composition for an all-solid-state secondary battery of the present invention.
- the all-solid-state secondary battery of the present invention includes the solid electrolyte-containing layer of the present invention.
- the binder composition for an all-solid-state secondary battery of the present invention includes a polymer containing an alkyl (meth)acrylate monomer unit (hereinafter, may be simply referred to as a "polymer”) and an acetate solvent in which a hydrocarbon group having 6 to 9 carbon atoms is bonded to a non-carbonyl oxygen atom (hereinafter, may be simply referred to as an "acetate solvent”), and may further include other components as desired.
- a polymer containing an alkyl (meth)acrylate monomer unit
- acetate solvent in which a hydrocarbon group having 6 to 9 carbon atoms is bonded to a non-carbonyl oxygen atom
- the alkyl (meth)acrylate monomer unit includes a first alkyl (meth)acrylate monomer unit in which an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms is bonded to a non-carbonyl oxygen atom, and a second alkyl (meth)acrylate monomer unit in which an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms is bonded to a non-carbonyl oxygen atom, and the mass ratio of the first alkyl (meth)acrylate monomer unit to the second alkyl (meth)acrylate monomer unit is 2.1 to 2.5.
- the binder composition of the present invention generally does not contain a solid electrolyte such as a sulfide-based inorganic solid electrolyte, or an electrode active material.
- the binder composition as described above can impart excellent dispersibility and storage stability to a slurry composition using a sulfide-based inorganic solid electrolyte as the solid electrolyte.
- the reason for this is presumably due to the interaction between the polymer (particularly the alkyl groups of the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit and the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit), the acetate solvent, and the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte.
- the solid electrolyte-containing layer formed using the slurry composition containing the binder composition can exhibit excellent ion conductivity.
- the polymer contains the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit and the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit in a mass ratio (first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit/second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit) of 2.1 to 2.5, so that the polymer is appropriately dissolved in the acetate ester solvent, and in the formed solid electrolyte-containing layer, the balance between the part where the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte is covered by the polymer and the part where the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte is exposed is good, and as a result, the binding performance of the polymer is maintained while the conduction of the surface of the sulfide
- the polymer is a component capable of binding components such as a sulfide-based inorganic solid electrolyte to each other in a solid electrolyte-containing layer formed from a slurry composition containing a binder composition, and contains a predetermined (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit described below.
- the polymer may optionally contain a vinyl cyanide monomer unit, an aromatic monomer unit, or other repeating units.
- the (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit includes a first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit having an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms bonded to a non-carbonyl oxygen atom, and a second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit having an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms bonded to a non-carbonyl oxygen atom, and may optionally include (meth)acrylic acid alkyl ester monomer units other than the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit and the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit (hereinafter, sometimes referred to as "other (meth)acrylic acid alkyl ester monomer units").
- examples of the other (meth)acrylic acid alkyl ester monomer units include (meth)acrylic acid alkyl ester monomer units having an alkyl group having 9 or more carbon atoms bonded to a non-carbonyl oxygen atom.
- the alkyl group having 3 to 8 carbon atoms bonded to the non-carbonyl oxygen atom of the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit may be a chain alkyl group such as an n-butyl group or a 2-ethylhexyl group, or a cyclic alkyl group such as a cyclohexyl group.
- a chain alkyl group is preferable because it can improve the dispersibility and storage stability of the slurry composition and the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer.
- chain alkyl group refers to an alkyl group not having a cyclic structure
- cyclic alkyl group refers to an alkyl group having a cyclic structure at least in a portion thereof.
- Examples of the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer capable of forming the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit include acrylic acid alkyl ester monomers in which an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms is bonded to a non-carbonyl oxygen atom, such as n-propyl acrylate, isopropyl acrylate, n-butyl acrylate, t-butyl acrylate, pentyl acrylate, hexyl acrylate, heptyl acrylate, octyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, and cyclohexyl acrylate; and methacrylic acid alkyl ester monomers in which an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms is bonded to a non-carbonyl oxygen atom, such as n-propyl methacrylate, isopropyl methacrylate, n-butyl me
- n-butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, n-butyl methacrylate, and 2-ethylhexyl methacrylate are preferred, and n-butyl acrylate and 2-ethylhexyl acrylate are more preferred.
- the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit is preferably at least one monomer unit selected from the group consisting of an n-butyl acrylate unit, a 2-ethylhexyl acrylate unit, an n-butyl methacrylate unit, and a 2-ethylhexyl methacrylate unit, and more preferably at least one monomer unit of an n-butyl acrylate unit and a 2-ethylhexyl acrylate unit.
- Examples of the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer capable of forming the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit include methyl acrylate, ethyl acrylate, methyl methacrylate, and ethyl methacrylate. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, methyl acrylate and ethyl acrylate are preferred, and ethyl acrylate is more preferred. That is, the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit is preferably at least one of a methyl acrylate unit and an ethyl acrylate unit, and more preferably an ethyl acrylate unit.
- the mass ratio of the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit to the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit is 2.1 or more and 2.5 or less.
- the mass ratio of the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer units to the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer units is preferably 2.2 or more and 2.4 or less.
- the mass ratio of the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit to the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit is 2.2 or more, the solubility of the polymer in an acetate solvent is effectively reduced, and in the formed solid electrolyte-containing layer, the proportion of the portion where the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte is covered by the polymer is effectively reduced (i.e., the proportion of the portion where the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte is exposed is effectively increased), and as a result, the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer can be improved.
- the mass ratio of the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit to the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit is 2.4 or less, the solubility of the polymer in an acetate ester solvent is effectively increased, and as a result, the storage stability of the slurry composition can be improved.
- the total content of the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit and the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit is preferably 50 mass% or more, more preferably 55 mass% or more, and even more preferably 60 mass% or more, and is preferably 85 mass% or less, more preferably 82.5 mass% or less, and even more preferably 80 mass% or less, when all repeating units constituting the polymer (the total of monomer units and structural units; the same applies hereinafter) are taken as 100 mass%.
- the solubility of the polymer in an acetate ester solvent is effectively increased, and as a result, the storage stability of the slurry composition can be improved.
- the solubility of the polymer in an acetate solvent is effectively reduced, and the ratio of the portion of the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte covered by the polymer in the formed solid electrolyte-containing layer is effectively reduced (i.e., the ratio of the portion of the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte exposed is effectively increased), and as a result, the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer can be improved.
- the content of the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit is preferably 40% by mass or more, more preferably 42.5% by mass or more, and even more preferably 45% by mass or more, and is preferably 58% by mass or less, more preferably 56.5% by mass or less, and even more preferably 55% by mass or less, when all repeating units constituting the polymer are taken as 100% by mass.
- the solubility of the polymer in an acetate solvent is effectively reduced, and in the formed solid electrolyte-containing layer, the ratio of the portion of the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte that is covered by the polymer is effectively reduced (i.e., the ratio of the portion of the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte that is exposed is effectively increased), and as a result, the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer can be improved.
- the content ratio of the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit is equal to or less than the above upper limit, the content ratio of the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit relatively increases, and the solubility of the polymer in an acetate ester solvent is effectively increased, thereby improving the storage stability of the slurry composition.
- the content of the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit is preferably 10% by mass or more, more preferably 12.5% by mass or more, and even more preferably 15% by mass or more, and is preferably 27% by mass or less, more preferably 26% by mass or less, and even more preferably 25% by mass or less, when all repeating units constituting the polymer are taken as 100% by mass.
- the content ratio of the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit is equal to or higher than the above lower limit, the solubility of the polymer in an acetate ester solvent is effectively increased, and as a result, the storage stability of the slurry composition can be improved.
- the content ratio of the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit is equal to or less than the upper limit, the content ratio of the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit relatively increases, the solubility of the polymer in an acetate solvent is effectively reduced, and in the formed solid electrolyte-containing layer, the proportion of the portion where the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte is covered by the polymer is effectively reduced (i.e., the proportion of the portion where the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte is exposed is effectively increased), and as a result, the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer can be improved.
- (meth)acrylic acid alkyl ester monomers capable of forming (meth)acrylic acid alkyl ester monomer units include, for example, acrylic acid alkyl ester monomers in which an alkyl group having 9 or more carbon atoms is bonded to a non-carbonyl oxygen atom, such as nonyl acrylate, decyl acrylate, lauryl acrylate, n-tetradecyl acrylate, and stearyl acrylate; and methacrylic acid alkyl ester monomers in which an alkyl group having 9 or more carbon atoms is bonded to a non-carbonyl oxygen atom, such as nonyl methacrylate, decyl methacrylate, lauryl methacrylate, tridecyl methacrylate, n-tetradecyl methacrylate, and stearyl methacrylate. These may be used alone or in combination of two or more.
- the content of other (meth)acrylic acid alkyl ester monomer units is preferably 5% by mass or less, more preferably 3% by mass or less, and even more preferably 1% by mass or less, when the total repeating units constituting the polymer is taken as 100% by mass, and it is particularly preferable that it is 0% by mass or less, i.e., the polymer does not contain other (meth)acrylic acid alkyl ester monomer units.
- the polymer preferably further contains vinyl cyanide monomer units. If the polymer further contains a vinyl cyanide monomer unit, it is possible to impart superior dispersibility and storage stability to a slurry composition using a sulfide-based inorganic solid electrolyte as a solid electrolyte, and it is possible to cause a solid electrolyte-containing layer formed using the slurry composition to exhibit superior ion conductivity. The reason for this is presumably due to the interaction between the surface of the sulfide-based inorganic solid electrolyte and the cyano group of the vinyl cyanide monomer unit of the polymer.
- vinyl cyanide monomers capable of forming vinyl cyanide monomer units include acrylonitrile, methacrylonitrile, ⁇ -chloroacrylonitrile, ⁇ -ethylacrylonitrile, etc. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, acrylonitrile and methacrylonitrile are preferred, and acrylonitrile is more preferred. That is, the vinyl cyanide monomer unit is preferably at least one of an acrylonitrile unit and a methacrylonitrile unit, and more preferably an acrylonitrile unit.
- the content of the vinyl cyanide monomer unit is preferably 3% by mass or more, more preferably 3.5% by mass or more, and even more preferably 4% by mass or more, and is preferably less than 7% by mass, more preferably 6.5% by mass or less, and even more preferably 6% by mass or less, when all repeating units constituting the polymer are taken as 100% by mass. If the content of the vinyl cyanide monomer unit is equal to or greater than the lower limit, the solid electrolyte is dispersed well, and as a result, the dispersibility and storage stability of the slurry composition and the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer can be improved.
- the content of the vinyl cyanide monomer unit is less than the upper limit, the solubility of the polymer in the acetate ester solvent is not excessively reduced, and the dispersibility of the solid electrolyte possessed by the polymer is ensured, and as a result, the dispersibility and storage stability of the slurry composition and the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer can be improved.
- the polymer further contains an aromatic monomer unit. If the polymer further contains an aromatic monomer unit, the strength of the polymer can be ensured, and excellent shape stability can be imparted to the solid electrolyte-containing layer.
- the aromatic monomer capable of forming the aromatic monomer unit is not particularly limited as long as it has an aromatic ring.
- the aromatic monomer include an aromatic vinyl monomer and a (meth)acrylic acid ester monomer having an aromatic hydrocarbon ring.
- the aromatic vinyl monomer does not include a monomer corresponding to a (meth)acrylic acid ester monomer having an aromatic hydrocarbon ring (in other words, the aromatic vinyl monomer unit does not include a (meth)acrylic acid ester monomer unit having an aromatic hydrocarbon ring).
- aromatic vinyl monomers examples include styrene, styrene sulfonic acid and its salts, ⁇ -methylstyrene, p-t-butylstyrene, butoxystyrene, vinyltoluene, chlorostyrene, vinylnaphthalene, etc.
- the aromatic hydrocarbon ring contained in the (meth)acrylic acid ester monomer unit having an aromatic hydrocarbon ring is not particularly limited, but examples thereof include a benzene ring, a naphthalene ring, and an anthracene ring. Among these, a benzene ring is preferable.
- the monomer unit may have one type of aromatic hydrocarbon ring, or may have two or more types of aromatic hydrocarbon rings.
- Examples of the (meth)acrylic acid ester monomer having an aromatic hydrocarbon ring include phenoxyethyl (meth)acrylate, phenyl (meth)acrylate, ethoxylated o-phenylphenol (meth)acrylate, and phenoxypolyethylene glycol (meth)acrylate.
- (meth)acrylate means acrylate and/or methacrylate.
- the aromatic monomers described above may be used alone or in combination of two or more.
- styrene and phenoxyethyl acrylate are preferred, and styrene is more preferred.
- the aromatic monomer unit is preferably at least one of a styrene unit and a phenoxyethyl acrylate unit, and more preferably a styrene unit.
- the content of the aromatic monomer unit is preferably 10% by mass or more, more preferably 12.5% by mass or more, and even more preferably 15% by mass or more, and is preferably 30% by mass or less, more preferably 27.5% by mass or less, and even more preferably 25% by mass or less, when all repeating units constituting the polymer are taken as 100% by mass.
- the content ratio of the aromatic monomer unit is equal to or higher than the above lower limit, the strength of the polymer can be increased, and the shape stability of the solid electrolyte-containing layer can be improved.
- the content ratio of the aromatic monomer unit is equal to or less than the upper limit, the flexibility of the polymer is increased, and the adhesiveness of the solid electrolyte-containing layer can be improved.
- the other repeating units refer to monomer units other than the above-mentioned (meth)acrylic acid alkyl ester monomer units, vinyl cyanide monomer units, and aromatic monomer units.
- the other repeating units include an aliphatic conjugated diene monomer unit, an alkylene structural unit, and a (meth)acrylic acid ester monomer unit (excluding the above-mentioned (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit and the (meth)acrylic acid ester monomer unit having an aromatic hydrocarbon ring).
- Aliphatic conjugated diene monomers that can form aliphatic conjugated diene monomer units include 1,3-butadiene, isoprene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 1,3-pentadiene, etc.
- the alkylene structural unit is a repeating unit composed only of an alkylene structure represented by the general formula: -C n H 2n - [wherein n is an integer of 2 or more].
- the alkylene structural unit may be linear or branched, but it is preferable that the alkylene structural unit is linear, i.e., a linear alkylene structural unit.
- the method for introducing the alkylene structural unit into the polymer is not particularly limited, but may be, for example, the following method (1) or (2): (1) A method in which a monomer composition containing an aliphatic conjugated diene monomer is polymerized, and the resulting polymer is hydrogenated to convert the aliphatic conjugated diene monomer unit into an alkylene structural unit. (2) A method in which a monomer composition containing a 1-olefin monomer is polymerized to prepare a polymer.
- the aliphatic conjugated diene monomer used in the above method (1) may be any of the aliphatic conjugated diene monomers listed above as the aliphatic conjugated diene monomers capable of forming an aliphatic conjugated diene monomer unit.
- the selective hydrogenation of the aliphatic conjugated diene monomer unit can be carried out by using a known method such as an oil phase hydrogenation method or an aqueous phase hydrogenation method.
- examples of the 1-olefin monomer include ethylene, propylene, 1-butene, and 1-hexene. These aliphatic conjugated diene monomers and 1-olefin monomers may be used alone or in combination of two or more.
- (Meth)acrylic acid ester monomers capable of forming (meth)acrylic acid ester monomer units include acrylic acid alkoxy esters such as 2-methoxyethyl acrylate and 2-ethoxyethyl acrylate; 2-(perfluoroalkyl)ethyl acrylates such as 2-(perfluorobutyl)ethyl acrylate and 2-(perfluoropentyl)ethyl acrylate; methacrylic acid alkoxy esters such as 2-methoxyethyl methacrylate and 2-ethoxyethyl methacrylate; 2-(perfluoroalkyl)ethyl methacrylates such as 2-(perfluorobutyl)ethyl methacrylate and 2-(perfluoropentyl)ethyl methacrylate,
- the content of other repeating units is preferably 5% by mass or less, more preferably 3% by mass or less, and even more preferably 1% by mass or less, when the total amount of repeating units constituting the polymer is 100% by mass. It is particularly preferable that the content is 0% by mass or less, i.e., the polymer does not contain any other repeating units.
- the weight average molecular weight of the polymer is preferably 800,000 or more, more preferably 850,000 or more, and even more preferably 900,000 or more, and is preferably 1,500,000 or less, more preferably 1,400,000 or less, and even more preferably 1,300,000 or less.
- the weight average molecular weight of the polymer is equal to or more than the above lower limit, the storage stability of the slurry composition can be improved.
- the weight average molecular weight of the polymer is equal to or less than the above upper limit, the dispersibility of the slurry composition can be improved.
- the method for preparing the polymer is not particularly limited, and the polymer can be prepared by polymerizing a monomer composition containing the above-mentioned monomers. After polymerizing the monomer composition, the obtained polymer may be optionally hydrogenated (hydrogen added).
- the polymerization method is not particularly limited, and any of solution polymerization, suspension polymerization, bulk polymerization, emulsion polymerization, etc. can be used. In each polymerization method, a known emulsifier (e.g., sodium lauryl sulfate, etc.) or polymerization initiator (e.g., ammonium persulfate, etc.) can be used as necessary.
- any of ionic polymerization, radical polymerization, living radical polymerization, etc. can be used as the polymerization reaction.
- the hydrogenation method is not particularly limited, and a general method using a catalyst (for example, see WO 2012/165120, WO 2013/080989, and JP 2013-8485 A) can be used.
- the content of the polymer in the binder composition is preferably 2 mass % or more, and more preferably 5 mass % or more, and is preferably 20 mass % or less, and more preferably 15 mass % or less, based on all components in the binder composition (including the solvent).
- hydrocarbon group having 6 to 9 carbon atoms bonded to the non-carbonyl oxygen atom of the acetate solvent examples include aliphatic hydrocarbon groups such as alkyl groups, alkenyl groups, and alkynyl groups; aromatic hydrocarbon groups such as aryl groups, etc. Among these, aliphatic hydrocarbon groups are preferred, and alkyl groups are more preferred.
- an acetate ester solvent in which the hydrocarbon group having 6 to 9 carbon atoms bonded to the non-carbonyl oxygen atom is an alkyl group will be described, but the acetate ester solvent used in the binder composition of the present invention is not limited thereto.
- Examples of acetate ester solvents in which the hydrocarbon group having 6 to 9 carbon atoms bonded to the non-carbonyl oxygen atom is an alkyl group include acetate ester solvents bonded to a straight-chain alkyl group such as n-hexyl acetate (carbon number: 6), n-heptyl acetate (carbon number: 7), n-octyl acetate (carbon number: 8), and n-nonyl acetate (carbon number: 9); acetate ester solvents bonded to a branched alkyl group such as 2-ethylbutyl acetate (carbon number: 6), 3-methylpentyl acetate (carbon number: 6), and 2-ethylhexyl acetate (carbon number: 8); and acetate ester solvents bonded to a cyclic alkyl group such as cyclohexyl acetate (carbon number: 6) and methylcyclohexyl acetate (carbon number
- the number of carbons in parentheses means the number of carbons in the alkyl group bonded to the non-carbonyl oxygen atom. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, acetate ester solvents having a linear alkyl group bonded thereto and acetate ester solvents having a branched alkyl group bonded thereto are preferred because they can improve the dispersibility and storage stability of the slurry composition and the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer.
- acetate ester solvents having a linear alkyl group bonded thereto are more preferred because they can further improve the dispersibility and storage stability of the slurry composition, and n-heptyl acetate and n-octyl acetate are even more preferred.
- straight-chain alkyl group refers to an unbranched straight-chain alkyl group among the above-mentioned “chain alkyl groups”.
- branched alkyl group refers to an alkyl group having a branch among the above-mentioned "chain alkyl groups”.
- cyclic alkyl group refers to an alkyl group having a cyclic structure at least in a portion thereof, as described above.
- binder composition may optionally contain are not particularly limited as long as they do not impair the object of the present invention, and examples thereof include binders other than the above-mentioned polymers, solvents other than the above-mentioned acetate solvents, dispersants, leveling agents, defoamers, reinforcing materials, etc.
- the binder composition of the present invention does not contain a binder other than the above-mentioned polymer and a solvent other than the above-mentioned acetate solvent.
- the method for preparing the binder composition of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a method in which the above-mentioned polymer and any other components are mixed in an acetate solvent.
- the slurry composition for an all-solid-state secondary battery of the present invention includes at least the binder composition of the present invention described above and a sulfide-based inorganic solid electrolyte. More specifically, the slurry composition of the present invention includes the above-mentioned polymer, the above-mentioned acetate ester solvent, and a sulfide-based inorganic solid electrolyte, and may further include at least one selected from the group consisting of an electrode active material (positive electrode active material or negative electrode active material), a conductive material, and other components.
- an electrode active material positive electrode active material or negative electrode active material
- the acetate ester solvent contained in the slurry composition may be entirely derived from the binder composition, or may be newly added to the slurry composition separately from the acetate ester solvent derived from the binder composition.
- the other components that can be contained in the slurry composition may be entirely derived from the binder composition, or may be newly added to the slurry composition separately from the other components derived from the binder composition. Since the slurry composition of the present invention contains the binder composition of the present invention, it is possible to form a solid electrolyte-containing layer that is excellent in dispersibility and storage stability as well as in ion conductivity.
- a slurry composition for an all-solid-state secondary battery containing at least the above-mentioned polymer, the above-mentioned acetate solvent, a sulfide-based inorganic solid electrolyte, and a positive electrode active material may be referred to as a slurry composition for an all-solid-state secondary battery positive electrode.
- a slurry composition for an all-solid-state secondary battery containing at least the above-mentioned polymer, the above-mentioned acetate solvent, a sulfide-based inorganic solid electrolyte, and a negative electrode active material may be referred to as a slurry composition for an all-solid-state secondary battery negative electrode.
- a slurry composition for an all-solid-state secondary battery that contains at least the above-mentioned polymer, the above-mentioned acetate solvent, and a sulfide-based inorganic solid electrolyte, but does not contain an electrode active material, may be referred to as a slurry composition for an all-solid-state secondary battery electrolyte layer.
- Examples of the polymer contained in the slurry composition of the present invention include the same polymers as those explained in the section "Polymer” of the above-mentioned "Binder composition for all-solid-state secondary battery”.
- the amount of the polymer contained in the slurry composition of the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.1 parts by mass or more, more preferably 0.5 parts by mass or more, and even more preferably 1 part by mass or more, and is preferably 10 parts by mass or less, more preferably 8 parts by mass or less, and even more preferably 4 parts by mass or less, per 100 parts by mass of the sulfide-based inorganic solid electrolyte.
- the polymer When the content of the polymer in the slurry composition is 0.1 parts by mass or more per 100 parts by mass of the sulfide-based inorganic solid electrolyte, the polymer can adequately disperse the sulfide-based inorganic solid electrolyte while fully exerting its function as a binder, and therefore the dispersibility and storage stability of the slurry composition can be further improved, and the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer can be further improved. On the other hand, if the content of the polymer in the slurry composition is 10 parts by mass or less per 100 parts by mass of the solid electrolyte, the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer can be sufficiently ensured.
- acetate ester solvent contained in the slurry composition of the present invention include the same acetate ester solvents as those described in the section "Acetate ester solvent" of the above-mentioned "Binder composition for all-solid-state secondary battery".
- the sulfide-based inorganic solid electrolyte is not particularly limited as long as it has ion conductivity and is made of particles of an inorganic solid material containing sulfur atoms.
- the slurry composition of the present invention may contain a solid electrolyte other than the sulfide-based inorganic solid electrolyte (e.g., an oxide-based inorganic solid electrolyte, etc.) within the scope of the present invention. It is preferable that the solid electrolyte contains only a sulfide-based inorganic solid electrolyte, because this can improve the durability and storage stability and can improve the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer.
- the sulfide-based inorganic solid electrolyte is not particularly limited as long as it is the above-mentioned particle, and a crystalline inorganic ion conductor, an amorphous inorganic ion conductor, or a mixture thereof can be used.
- the sulfide-based inorganic solid electrolyte can usually be a crystalline inorganic lithium ion conductor, an amorphous inorganic lithium ion conductor, or a mixture thereof.
- the slurry composition for an all-solid-state secondary battery is a slurry composition for an all-solid-state lithium-ion secondary battery will be described as an example, but the present invention is not limited to the following example.
- Examples of crystalline inorganic lithium ion conductors include Thio-LISICON (Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 ) and argyrodite-type (eg, Li 5.6 PS 4.4 Cl 1.8 ).
- Examples of amorphous inorganic lithium ion conductors include glass Li-Si-S-O, Li-P-S, and those made using a raw material composition containing Li 2 S and a sulfide of an element of Groups 13 to 15 of the periodic table.
- examples of the elements of Groups 13 to 15 include Al, Si, Ge, P, As, Sb, etc.
- Specific examples of sulfides of elements of Groups 13 to 15 include Al 2 S 3 , SiS 2 , GeS 2 , P 2 S 3 , P 2 S 5 , As 2 S 3 , Sb 2 S 3 , etc.
- examples of methods for synthesizing an amorphous inorganic lithium ion conductor using a raw material composition include amorphization methods such as mechanical milling and melt quenching.
- amorphization methods such as mechanical milling and melt quenching.
- the amorphous inorganic lithium ion conductor obtained by using a raw material composition containing Li 2 S and a sulfide of an element of Groups 13 to 15 of the periodic table Li 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-GeS 2 or Li 2 S-Al 2 S 3 is preferable, and Li 2 S-P 2 S 5 is more preferable.
- the amorphous inorganic lithium ion conductors described above can be used alone or in combination of two or more kinds.
- amorphous sulfides containing Li and P are preferred as sulfide-based inorganic solid electrolytes for all-solid-state lithium-ion secondary batteries from the viewpoint of forming a solid electrolyte-containing layer with excellent ion conductivity. Since amorphous sulfides containing Li and P have high lithium ion conductivity, using them as sulfide-based inorganic solid electrolytes can reduce the internal resistance of the battery and improve the output characteristics.
- the amorphous sulfide containing Li and P is more preferably a sulfide glass consisting of Li 2 S and P 2 S 5 , and is particularly preferably a sulfide glass produced from a mixed raw material of Li 2 S and P 2 S 5 having a molar ratio of Li 2 S:P 2 S 5 of 65:35 to 85:15.
- the amorphous sulfide containing Li and P is preferably a sulfide glass ceramic obtained by reacting a mixed raw material of Li 2 S and P 2 S 5 having a molar ratio of Li 2 S:P 2 S 5 of 65:35 to 85:15 by a mechanochemical method.
- the mixed raw material preferably has a molar ratio of Li 2 S:P 2 S 5 of 68:32 to 80:20.
- the sulfide-based inorganic solid electrolyte may contain at least one sulfide selected from the group consisting of Al 2 S 3 , B 2 S 3 and SiS 2 as a starting material in addition to the above Li 2 S and P 2 S 5 , to the extent that the ion conductivity is not reduced. Addition of such a sulfide can stabilize the glass component in the sulfide-based inorganic solid electrolyte.
- the sulfide-based inorganic solid electrolyte may contain at least one lithium ortho- oxo acid selected from the group consisting of Li 3 PO 4 , Li 4 SiO 4 , Li 4 GeO 4 , Li 3 BO 3 and Li 3 AlO 3, in addition to Li 2 S and P 2 S 5.
- the glass component in the sulfide-based inorganic solid electrolyte can be stabilized.
- the sulfide-based inorganic solid electrolyte may be present as a plurality of particles (sulfide-based inorganic solid electrolyte particles), or may be present as an aggregate in which at least a portion of a plurality of sulfide-based inorganic solid electrolyte particles are aggregated.
- This aggregate is an aggregate containing at least a sulfide-based inorganic solid electrolyte, and may optionally contain the above-mentioned polymer or the like as a binder.
- the average primary particle size of the sulfide-based inorganic solid electrolyte is preferably 0.1 ⁇ m or more, more preferably 0.2 ⁇ m or more, even more preferably 0.5 ⁇ m or more, and particularly preferably 1 ⁇ m or more, and is preferably 10 ⁇ m or less, more preferably 7 ⁇ m or less, even more preferably 5 ⁇ m or less, and particularly preferably 3 ⁇ m or less.
- the average primary particle size of the sulfide-based inorganic solid electrolyte is 0.1 ⁇ m or more, the dispersibility and storage stability of the slurry composition can be further improved, and the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer can be further improved.
- the average primary particle size of the sulfide-based inorganic solid electrolyte is 10 ⁇ m or less, the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer can be further improved.
- the average primary particle size of the sulfide-based inorganic solid electrolyte can be determined by observing 100 sulfide-based inorganic solid electrolyte particles with an electron microscope, measuring the particle sizes in accordance with JIS Z8827-1:2008, and calculating the arithmetic mean value of these values.
- the electrode active material is a material that transfers electrons at the electrode of the all-solid-state secondary battery.
- the electrode active material is usually a material that can absorb and release lithium.
- the slurry composition is a slurry composition for an all-solid-state lithium-ion secondary battery will be described as an example, but the present invention is not limited to the following example.
- Positive electrode active materials for all-solid-state lithium-ion secondary batteries are not particularly limited, and examples include positive electrode active materials made of inorganic compounds and positive electrode active materials made of organic compounds.
- the positive electrode active material may be a mixture of an inorganic compound and an organic compound.
- Examples of the positive electrode active material made of an inorganic compound include transition metal oxides, composite oxides of lithium and transition metals (lithium-containing composite metal oxides), transition metal sulfides, and the like.
- transition metal Fe, Co, Ni, Mn, and the like are used.
- the inorganic compound used in the positive electrode active material include lithium-containing composite metal oxides such as LiCoO 2 (lithium cobalt oxide), LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 , and LiFeVO 4 ; transition metal sulfides such as TiS 2 , TiS 3 , and amorphous 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 , and V 6 O 13 ; and the like. These compounds may be partially elementally substituted.
- the positive electrode active materials made of the inorganic compounds described above can be used alone or in combination of two or more kinds.
- Examples of the positive electrode active material made of an organic compound include polyaniline, polypyrrole, polyacene, disulfide-based compounds, polysulfide-based compounds, and N-fluoropyridinium salts.
- the positive electrode active materials made of the above-mentioned organic compounds can be used alone or in combination of two or more kinds.
- Examples of the negative electrode active material for the all-solid-state lithium-ion secondary battery include carbon allotropes such as graphite and coke.
- the negative electrode active material made of a carbon allotrope can also be used in the form of a mixture or coating with a metal, metal salt, oxide, or the like.
- examples of the negative electrode active material that can be used include oxides or sulfates of silicon, tin, zinc, manganese, iron, nickel, and the like; metallic lithium; lithium alloys such as Li-Al, Li-Bi-Cd, and Li-Sn-Cd; lithium transition metal nitrides; silicone; and the like.
- the above-mentioned negative electrode active materials can be used alone or in combination of two or more kinds.
- the conductive material is for ensuring electrical contact between the electrode active materials in the electrode mixture layer formed using the slurry composition.
- the conductive material carbon black (e.g., acetylene black, Ketjen Black (registered trademark), furnace black, etc.), single-layer or multi-layer carbon nanotubes (multi-layer carbon nanotubes include cup-stack type), carbon nanohorns, vapor-grown carbon fibers, milled carbon fibers obtained by crushing polymer fibers after firing, single-layer or multi-layer graphene, carbon nonwoven fabric sheets obtained by firing nonwoven fabric made of polymer fibers, and other conductive carbon materials; fibers or foils of various metals can be used. These may be used alone or in combination of two or more.
- the content of the conductive material in the slurry composition is preferably 0.1 parts by mass or more, more preferably 0.5 parts by mass or more, and preferably 5 parts by mass or less, and more preferably 3 parts by mass or less, per 100 parts by mass of the electrode active material. If the amount of the conductive material is within the above range, electrical contact between the electrode active materials can be sufficiently ensured, and the all-solid-state secondary battery can exhibit excellent battery characteristics (output characteristics, etc.).
- the solid content concentration of the slurry composition is not particularly limited, but can be, for example, 30% by mass or more and less than 70% by mass.
- the slurry composition of the present invention is not particularly limited, and can be obtained, for example, by mixing the above-mentioned components using any mixing method.
- the slurry composition of the present invention includes, for example, a sulfide-based inorganic solid electrolyte and a binder composition (i.e., a sulfide-based inorganic solid electrolyte, a polymer, and an acetate solvent), and a composition having a solid content concentration of 70% by mass or more.
- a binder composition i.e., a sulfide-based inorganic solid electrolyte, a polymer, and an acetate solvent
- a step of performing a mixing process to prepare a premix (premixing step), a step of further adding an acetate ester solvent to the premix having a solid content concentration of 70% by mass or more to obtain a dilution having a solid content concentration of more than 40% by mass and less than 70% by mass (first dilution step), a step of performing a kneading process on the dilution having a solid content concentration of more than 40% by mass and less than 70% by mass, and a step of preparing a kneaded product (kneading step), and a step of further adding an acetate ester solvent to the kneaded product to dilute it (second dilution step).
- the above-mentioned method for producing a slurry composition may include steps other than the premixing step, the first dilution step, the kneading step, and the second dilution step.
- an electrode active material, a conductive material, and other components can be optionally used.
- the electrode active material, the conductive material, and other components are not particularly limited, but can be mixed with the sulfide-based inorganic solid electrolyte, the polymer, and the solvent in the premixing step, for example, and can be included in the premix.
- the premixing step, the first dilution step, the kneading step, and the second dilution step will be described, but the slurry composition of the present invention is not limited to those obtained using a manufacturing method that includes these steps.
- a sulfide-based inorganic solid electrolyte and a binder composition i.e., a composition (starting composition) containing at least a sulfide-based inorganic solid electrolyte, a polymer, and an acetate ester solvent, are mixed in a state in which the solid content is 70% by mass or more to prepare a premix having a solid content of 70% by mass or more.
- starting composition containing at least a sulfide-based inorganic solid electrolyte, a polymer, and an acetate ester solvent
- the sulfide-based inorganic solid electrolyte can be well dispersed in the resulting slurry composition.
- the upper limits of the solid content concentrations of the starting composition and the premix are not particularly limited, but can each be, for example, 90% by mass or less.
- the mixing device used in the mixing process in the premixing step is not particularly limited, and a known device such as a planetary centrifugal mixer can be used.
- the acetate ester solvent may be added to the mixing device all at once, continuously, or intermittently, but intermittently is more preferable.
- the sulfide-based inorganic solid electrolyte can be well dispersed, and the dispersibility and storage stability of the slurry composition and the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer can be further improved.
- the number of times of the above-mentioned mixing process is not particularly limited, but is preferably 2 times or more, and more preferably 3 times or more. If the number of times of the mixing process is 2 times or more, the sulfide-based inorganic solid electrolyte can be dispersed more satisfactorily, and the dispersibility and storage stability of the slurry composition and the ion conductivity of the solid electrolyte-containing layer can be further improved.
- the upper limit of the number of times of the mixing process is not particularly limited, but is preferably 8 times or less, and more preferably 7 times or less, from the viewpoint of the production efficiency of the slurry composition.
- the conditions for the mixing process are not particularly limited. For example, the time for each mixing process can be within a range of 10 seconds to 10 minutes.
- First dilution step In the first dilution step, an acetate ester solvent is added to the premix obtained in the premixing step to obtain a dilution (first dilution) having a solid content concentration of more than 40 mass% and less than 70 mass%.
- the acetate ester solvent added in the first dilution step may be the same as or different from the acetate ester solvent used in the mixture preparation step, but is preferably the same as the acetate ester solvent used in the mixture preparation step.
- the first dilution having a solid content concentration of more than 40% by mass and less than 70% by mass obtained in the first dilution step is kneaded to obtain a kneaded product.
- the sulfide-based inorganic solid electrolyte can be well dispersed, and the dispersibility and storage stability of the slurry composition and the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer can be further improved.
- the kneading device used for the kneading process in the kneading step is not particularly limited, and any known device can be used as long as it can apply shear to the first dilution having a solids concentration within the above-mentioned range. Furthermore, as the kneading device, for example, the mixing device used in the premixing step can be used as is.
- the kneading step it is preferable to perform multiple kneading processes with different solid content concentrations of the kneading target by adding an acetate ester solvent.
- the sulfide-based inorganic solid electrolyte can be dispersed well, and the dispersibility and storage stability of the slurry composition, as well as the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer, can be further improved.
- the number of times of the kneading process is not particularly limited, but is preferably 2 times or more, and more preferably 3 times or more. If the number of times of the kneading process is 2 times or more, the sulfide-based inorganic solid electrolyte can be dispersed more satisfactorily, and the dispersibility and storage stability of the slurry composition and the ion conductivity of the solid electrolyte-containing layer can be further improved.
- the upper limit of the number of times of the kneading process is not particularly limited, but is preferably 5 times or less, and more preferably 4 times or less, from the viewpoint of production efficiency of the slurry composition.
- the conditions for the kneading process are not particularly limited. For example, the time for each kneading process can be within a range of 10 seconds to 10 minutes.
- an acetate ester solvent is added to the kneaded product obtained in the kneading step.
- the acetate ester solvent added in the second dilution step may be the same as or different from the acetate ester solvent used in the premixing step and the first dilution step, but is preferably the same as the acetate ester solvent used in the premixing step and the first dilution step.
- the kneaded product to which the acetate ester solvent has been added in the second dilution step may be used as a slurry composition as is, or may be used as a slurry composition after undergoing other steps such as further mixing.
- the solid electrolyte-containing layer of the present invention is a layer containing a sulfide-based inorganic solid electrolyte.
- the solid electrolyte-containing layer is, for example, an electrode mixture layer (positive electrode mixture) that receives and gives off electrons via an electrochemical reaction. and a solid electrolyte layer provided between a positive electrode mixture layer and a negative electrode mixture layer facing each other.
- the solid electrolyte-containing layer of the present invention is formed using the above-mentioned slurry composition of the present invention. For example, the above-mentioned slurry composition is applied to the surface of a suitable substrate to form a coating film.
- the formed coating film is dried to form the solid electrolyte-containing layer of the present invention.
- the solid electrolyte-containing layer of the present invention is made of the dried product of the above-mentioned slurry composition, and usually contains a sulfide-based inorganic solid electrolyte. and a polymer, and may further contain at least one selected from the group consisting of an electrode active material, a conductive material, and other components. , which were contained in the above-mentioned slurry composition, and the content ratio of these components is usually equal to the content ratio in the above-mentioned slurry composition.
- the solid electrolyte-containing layer of the present invention is formed from the slurry composition of the present invention, and therefore exhibits excellent ionic conductivity.
- a coating film of the slurry composition may be formed on the surface of a release substrate, the coating film may be dried to form a solid electrolyte-containing layer, and the release substrate may be peeled off from the solid electrolyte-containing layer.
- the solid electrolyte-containing layer peeled off from the release substrate may be used as a free-standing film to form battery components (e.g., electrodes, solid electrolyte layers, etc.) of an all-solid-state secondary battery.
- a current collector or an electrode as the substrate.
- the slurry composition onto a current collector as the substrate.
- an electrode positive electrode or negative electrode
- the current collector a material having electrical conductivity and electrochemical durability is used.
- a current collector made of iron, copper, aluminum, nickel, stainless steel, titanium, tantalum, gold, platinum, etc. can be used.
- copper foil is particularly preferable as the current collector used for the negative electrode.
- aluminum foil is particularly preferable as the current collector used for the positive electrode. Note that the above materials may be used alone or in combination of two or more kinds in any ratio.
- the electrodes are not particularly limited, but examples thereof include electrodes in which an electrode mixture layer containing an electrode active material, a solid electrolyte, and an electrode binder is formed on the above-mentioned current collector.
- the electrode active material, solid electrolyte, and electrode binder contained in the electrode mixture layer in the electrode are not particularly limited, and known materials can be used.
- the solid electrolyte contained in the electrode mixture layer in the electrode is not particularly limited as long as it is a particle made of a solid having ion conductivity, and for example, inorganic solid electrolytes such as the above-mentioned sulfide-based inorganic solid electrolyte and oxide-based inorganic solid electrolyte can be used.
- the electrode mixture layer in the electrode may correspond to the solid electrolyte-containing layer of the present invention.
- ⁇ Method of forming solid electrolyte-containing layer> The following methods can be used to form a solid electrolyte-containing layer on a substrate such as the current collector or electrode. 1) A method in which the slurry composition of the present invention is applied to the surface of a substrate (in the case of an electrode, the surface on the electrode mixture layer side; the same applies hereinafter) and then dried; 2) a method of immersing a substrate in the slurry composition of the present invention and then drying the substrate; and 3) a method of applying the slurry composition of the present invention onto a release substrate, drying the composition to produce a solid electrolyte-containing layer, and transferring the resulting solid electrolyte-containing layer to the surface of an electrode or the like.
- the method 1) is particularly preferred because it is easy to control the thickness of the solid electrolyte-containing layer.
- the method 1) includes a step of applying a slurry composition onto a substrate (application step) and a step of drying the slurry composition applied onto the substrate to form a solid electrolyte-containing layer (solid electrolyte-containing layer formation step).
- the method for coating the slurry composition on the substrate is not particularly limited, and examples thereof include a doctor blade method, a reverse roll method, a direct roll method, a gravure method, an extrusion method, and a brush coating method.
- the method for drying the slurry composition on the substrate is not particularly limited and any known method can be used.
- the drying method include drying with warm air, hot air, low humidity air, etc.
- the drying method include air drying, vacuum drying, and drying by irradiation with infrared rays or electron beams.
- the solid electrolyte-containing layer is an electrode mixture layer
- An electrode obtained by forming an electrode mixture layer on a current collector using the slurry composition for an all-solid-state secondary battery of the present invention comprises an electrode mixture layer that contains a sulfide-based inorganic solid electrolyte, a polymer as a binder, and an electrode active material, and optionally further contains at least one selected from the group consisting of a conductive material and other components, and can exhibit excellent ion conductivity.
- Solid electrolyte layer The solid electrolyte layer formed using the slurry composition for an all-solid-state secondary battery of the present invention contains a sulfide-based inorganic solid electrolyte and a polymer as a binder, and optionally further contains other components, and can exhibit excellent ion conductivity. Note that the solid electrolyte layer usually does not contain an electrode active material.
- the all-solid-state secondary battery of the present invention usually has a positive electrode, a solid electrolyte layer, and a negative electrode, and is characterized in that at least one of the positive electrode composite layer of the positive electrode, the negative electrode composite layer of the negative electrode, and the solid electrolyte layer is the solid electrolyte-containing layer of the present invention.
- the all-solid-state secondary battery of the present invention has at least one of a positive electrode having a positive electrode composite layer formed using the slurry composition for the positive electrode of the all-solid-state secondary battery as the slurry composition for the all-solid-state secondary battery of the present invention, a negative electrode having a negative electrode composite layer formed using the slurry composition for the negative electrode of the all-solid-state secondary battery as the slurry composition for the all-solid-state secondary battery of the present invention, and a solid electrolyte layer formed using the slurry composition for the electrolyte layer of the all-solid-state secondary battery as the slurry composition for the all-solid-state secondary battery of the present invention.
- the all-solid-state secondary battery of the present invention is provided with the solid electrolyte-containing layer of the present invention, and therefore has excellent battery performance such as output characteristics.
- the all-solid-state secondary battery electrode having an electrode mixture layer that does not correspond to the solid electrolyte-containing layer of the present invention and that can be used in the all-solid-state secondary battery of the present invention is not particularly limited, and any all-solid-state secondary battery electrode can be used.
- the solid electrolyte layer that does not correspond to the solid electrolyte-containing layer of the present invention and can be used in the all-solid-state secondary battery of the present invention is not particularly limited, and any solid electrolyte layer such as the solid electrolyte layers described in JP-A-2012-243476, JP-A-2013-143299, and JP-A-2016-143614 can be used.
- the all-solid-state secondary battery of the present invention can be obtained by stacking a positive electrode and a negative electrode so that the positive electrode composite layer of the positive electrode and the negative electrode composite layer of the negative electrode face each other via a solid electrolyte layer, optionally applying pressure to obtain a laminate, and then placing the laminate in a battery container as is or after rolling or folding, depending on the shape of the battery, and sealing the battery container. If necessary, an expanded metal, a fuse, an overcurrent prevention element such as a PTC element, a lead plate, etc. can be placed in the battery container to prevent pressure rise inside the battery and overcharging and discharging.
- the shape of the battery may be any type, such as a coin type, button type, sheet type, cylindrical type, square type, or flat type.
- the present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
- “%” and “parts” expressing amounts are based on mass unless otherwise specified.
- the ratio of a monomer unit formed by polymerizing a certain monomer in the polymer usually coincides with the ratio (feed ratio) of that monomer to all monomers used in the polymerization of the polymer, unless otherwise specified.
- the weight average molecular weight of the polymer, the dispersibility and storage stability of the slurry composition, and the ionic conductivity of the solid electrolyte-containing layer were measured and evaluated by the following methods.
- ⁇ Weight average molecular weight of polymer> The weight average molecular weight of the polymer was measured by first drying the binder composition prepared in each of the Examples and Comparative Examples, dissolving the dried polymer in a 10 mM LiBr-DMF solution (a dimethylformamide solution containing lithium bromide) to prepare a solution containing the polymer, and analyzing the prepared solution by gel permeation chromatography (GPC) under the following measurement conditions.
- a 10 mM LiBr-DMF solution a dimethylformamide solution containing lithium bromide
- ⁇ Dispersibility of Slurry Composition The viscosity of the slurry composition was measured with a Brookfield B type viscometer at 60 rpm (25° C.) and evaluated according to the following criteria: A smaller viscosity value indicates that the slurry composition has better dispersibility. A: Less than 3000 mPa ⁇ s B: 3000 mPa ⁇ s or more and less than 4000 mPa ⁇ s C: 4000 mPa ⁇ s or more and less than 5000 mPa ⁇ s D: 5000 mPa ⁇ s or more or not dispersed (no fluidity)
- the slurry composition was dried on a hot plate at 120°C in a glove box (water content 1 ppm or less), and the obtained powder was formed into a cylindrical shape with a diameter of 10 mm and a thickness of 1 mm to prepare a measurement sample.
- the Li ion conductivity (25°C) of this measurement sample was measured by an AC impedance method and evaluated according to the following criteria. The higher the Li ion conductivity, the better the surface conduction of the sulfide-based inorganic solid electrolyte is maintained, indicating that the solid electrolyte-containing layer prepared using the slurry composition can exhibit excellent ion conductivity.
- a frequency response analyzer manufactured by Solartron Analytical, product name "Solatron (registered trademark) 1260" was used, and the measurement conditions were an applied voltage of 10 mV and a measurement frequency range of 0.01 MHz to 1 MHz.
- C Li ion conductivity is 0.1 mS/cm or more and less than 0.5 mS/cm.
- D Li ion conductivity is less than 0.1 mS/cm.
- Example 1 Preparation of Binder Composition> A 1 L septum-equipped 1 L flask (reaction vessel) equipped with a stirrer was charged with 90 parts of ion-exchanged water and 0.5 parts of sodium lauryl sulfate as an emulsifier. The gas phase was replaced with nitrogen gas and the temperature was raised to 60° C., after which 0.3 parts of ammonium persulfate (APS) as a polymerization initiator was dissolved in 20.0 parts of ion-exchanged water and added.
- APS ammonium persulfate
- emulsion container 30 parts of ion-exchanged water, 0.5 parts of sodium lauryl sulfate as an emulsifier, 15 parts of styrene as an aromatic monomer, 55 parts of n-butyl acrylate as a first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer, 24.5 parts of ethyl acrylate as a second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer, and 5.5 parts of acrylonitrile as a vinyl cyanide monomer were mixed to obtain a monomer composition.
- This monomer composition was continuously added to the 1 L flask with a septum over a period of 3 hours to carry out polymerization.
- a slurry composition was prepared by multi-stage mixing and kneading as follows.
- n-Octyl acetate was added to the mixed solution obtained in the mixing process 2 to prepare a composition having a solid content concentration of 70%.
- This composition was mixed at 2000 rpm for 2 minutes using a planetary centrifugal mixer (mixing process 3).
- the first dilution having a solid content concentration of 65% obtained in the first dilution step was kneaded for 2 minutes at 2000 rpm using a planetary centrifugal mixer (kneading process 1).
- n-Octyl acetate was added to the mixed liquid obtained in the kneading process 1 to prepare a composition having a solid content concentration of 60%.
- This composition was mixed for 2 minutes at 2000 rpm using a planetary centrifugal mixer (kneading process 2).
- n-Octyl acetate was added to the mixed liquid obtained in the kneading process 2 (solid content concentration of 60%) to prepare a composition having a solid content concentration of 55%.
- This composition was kneaded for 2 minutes at 2000 rpm using a planetary centrifugal mixer (kneading process 3).
- Example 2 In the preparation of the binder composition and the preparation of the slurry composition, except that all n-octyl acetate was changed to n-heptyl acetate, various operations, measurements and evaluations were carried out in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
- Example 3 In preparing the binder composition, various operations, measurements and evaluations were carried out in the same manner as in Example 1, except that 55 parts of n-butyl acrylate was used as the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer instead of 55 parts of 2-ethylhexyl acrylate. The results are shown in Table 1.
- Example 4 In the preparation of the binder composition and the preparation of the slurry composition, various operations, measurements and evaluations were carried out in the same manner as in Example 1, except that all n-octyl acetate was replaced with n-nonyl acetate. The results are shown in Table 1.
- Example 5 In the preparation of the binder composition and the preparation of the slurry composition, except that all n-octyl acetate was replaced with n-hexyl acetate, various operations, measurements and evaluations were carried out in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
- Example 6 In preparing the binder composition, the amount of styrene as an aromatic monomer was changed from 15 parts to 20 parts, the amount of n-butyl acrylate as a first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer was changed from 55 parts to 53 parts, and the amount of ethyl acrylate as a second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer was changed from 24.5 parts to 21.5 parts, except that the amount of ethyl acrylate was changed from 24.5 parts to 21.5 parts, the same operations, measurements, and evaluations were performed as in Example 1. The results are shown in Table 1.
- Example 7 In preparing the binder composition, the amount of styrene as an aromatic monomer was changed from 15 parts to 22.5 parts, the amount of n-butyl acrylate as a first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer was changed from 55 parts to 49 parts, and the amount of ethyl acrylate as a second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer was changed from 24.5 parts to 23 parts, except that the same operations, measurements, and evaluations were performed as in Example 1. The results are shown in Table 1.
- Example 8 In the preparation of the binder composition, the amount of styrene as an aromatic monomer was changed from 15 parts to 14 parts, and the amount of acrylonitrile as a vinyl cyanide monomer was changed from 5.5 parts to 6.5 parts, except that the same operations, measurements and evaluations were carried out as in Example 1. The results are shown in Table 1.
- Example 9 In the preparation of the binder composition, the amount of styrene as an aromatic monomer was changed from 15 parts to 17 parts, and the amount of acrylonitrile as a vinyl cyanide monomer was changed from 5.5 parts to 3.5 parts, except that the operations, measurements, and evaluations were carried out in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
- Example 10 In the preparation of the binder composition, the amount of ammonium persulfate (APS) as a polymerization initiator was changed from 0.3 parts to 0.35 parts, and the same operations, measurements, and evaluations were carried out as in Example 1. The results are shown in Table 1.
- APS ammonium persulfate
- Example 11 In the preparation of the binder composition, the amount of ammonium persulfate (APS) as a polymerization initiator was changed from 0.3 parts to 0.2 parts, and the same operations, measurements, and evaluations were carried out as in Example 1. The results are shown in Table 1.
- APS ammonium persulfate
- Example 12 In the preparation of the binder composition and the preparation of the slurry composition, various operations, measurements and evaluations were carried out in the same manner as in Example 1, except that all n-octyl acetate was replaced with 2-ethylhexyl acetate. The results are shown in Table 1.
- BA indicates n-butyl acrylate units
- 2EHA indicates 2-ethylhexyl acrylate units
- EA indicates an ethyl acrylate unit
- AN indicates an acrylonitrile unit
- ST indicates a styrene unit
- Numberer of carbon atoms refers to the number of carbon atoms in the alkyl or hydrocarbon group bonded to the non-carbonyl oxygen atom
- First to second mass ratio refers to the mass ratio of the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer units to the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer units
- the “total content ratio of the first and second” indicates the total content ratio of the first (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit and the second (meth)acrylic acid alkyl ester monomer unit.
- the binder compositions of the examples can impart excellent dispersibility and storage stability to a slurry composition that uses a sulfide-based inorganic solid electrolyte as the solid electrolyte, and can also provide excellent ionic conductivity to a solid electrolyte-containing layer formed using the slurry composition.
- a binder composition for an all-solid-state secondary battery which can impart excellent dispersibility and storage stability to a slurry composition for an all-solid-state secondary battery using a sulfide-based inorganic solid electrolyte as a solid electrolyte, and can cause a solid electrolyte-containing layer formed using the slurry composition for an all-solid-state secondary battery to exhibit excellent ion conductivity.
- a slurry composition for an all-solid-state secondary battery which is excellent in dispersibility and storage stability and is capable of forming a solid electrolyte-containing layer having excellent ion conductivity.
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Abstract
本発明の目的は、固体電解質として硫化物系無機固体電解質を用いた全固体二次電池用スラリー組成物に優れた分散性及び保存安定性を付与し得ると共に、該全固体二次電池用スラリー組成物を用いて形成した固体電解質含有層に優れたイオン伝導性を発揮させ得る全固体二次電池用バインダー組成物の提供である。本発明は、硫化物系無機固体電解質を用いた全固体二次電池用バインダー組成物であって、(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位を含有する重合体と、炭素数6以上9以下の炭化水素基が非カルボニル性酸素原子に結合した酢酸エステル溶媒とを含み、前記(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位は、炭素数3以上8以下のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合した第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位と、炭素数1以上2以下のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合した第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位とを含み、前記第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位に対する前記第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の質量比が、2.1以上2.5以下である、全固体二次電池用バインダー組成物である。
Description
本発明は、全固体二次電池用バインダー組成物、全固体二次電池用スラリー組成物、固体電解質含有層及び全固体二次電池に関する。
近年、リチウムイオン二次電池等の二次電池は、携帯情報端末や携帯電子機器等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等の様々な用途での需要が増加している。そして、用途の広がりに伴い、二次電池には安全性の更なる向上が要求されている。
そこで、安全性の高い二次電池として、引火性が高くて漏洩時の発火危険性が高い有機溶媒電解質に代えて、固体電解質を用いた全固体二次電池が注目されている。ここで、固体電解質としては、硫化物系無機固体電解質や酸化物系無機固体電解質等の無機固体電解質;ポリエチレンオキサイドやポリプロピレンオキサイド等の高分子固体電解質等を用いることができ、これらの固体電解質は、例えば、結着材により、固体電解質等の成分が互いに結着されてなる固体電解質含有層(電極合材層、固体電解質層)として、全固体二次電池内に含有される。
上記した固体電解質含有層の形成には、結着材としての重合体と、溶媒とを含むバインダー組成物を用いて調製される固体電解質含有層用スラリー組成物が使用される。
例えば、バインダー組成物と、固体電解質と、電極活物質とを含有する電極合材層用スラリー組成物から溶媒を除去することで、電極合材層を形成することができる。また、例えば、バインダー組成物と、固体電解質とを含有する固体電解質層用スラリー組成物から溶媒を除去することで、固体電解質層を形成することができる。
例えば、バインダー組成物と、固体電解質と、電極活物質とを含有する電極合材層用スラリー組成物から溶媒を除去することで、電極合材層を形成することができる。また、例えば、バインダー組成物と、固体電解質とを含有する固体電解質層用スラリー組成物から溶媒を除去することで、固体電解質層を形成することができる。
そして、全固体二次電池の性能を向上させるべく、バインダー組成物、及びバインダー組成物を用いて固体電解質含有層を形成する手法の改良が従来から行われている(例えば、特許文献1及び2を参照)。
しかし、固体電解質として硫化物系無機固体電解質を用いた場合に、上記従来のバインダー組成物には、スラリー組成物の分散性及び保存安定性を高めると共に、該スラリー組成物を用いて形成した固体電解質含有層のイオン伝導性を高めるという点において改善の余地があった。
そこで、本発明は、固体電解質として硫化物系無機固体電解質を用いた全固体二次電池用スラリー組成物に優れた分散性及び保存安定性を付与し得ると共に、該全固体二次電池用スラリー組成物を用いて形成した固体電解質含有層に優れたイオン伝導性を発揮させ得る全固体二次電池用バインダー組成物の提供を目的とする。
また、本発明は、分散性及び保存安定性に優れると共に、イオン伝導性に優れる固体電解質含有層を形成可能な全固体二次電池用スラリー組成物の提供を目的とする。
更に、本発明は、イオン伝導性に優れる固体電解質含有層、及び該固体電解質含有層を備える全固体二次電池の提供を目的とする。
また、本発明は、分散性及び保存安定性に優れると共に、イオン伝導性に優れる固体電解質含有層を形成可能な全固体二次電池用スラリー組成物の提供を目的とする。
更に、本発明は、イオン伝導性に優れる固体電解質含有層、及び該固体電解質含有層を備える全固体二次電池の提供を目的とする。
本発明者は、上記課題を解決することを目的として鋭意検討を行った。そして、本発明者は、所定の2種の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位を所定の比で含有する重合体と、所定の酢酸エステル溶媒とを含む全固体二次電池用バインダー組成物であれば、上記課題を解決できることを新たに見出し、本発明を完成させた。
即ち、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、[1]本発明は、硫化物系無機固体電解質を用いた全固体二次電池用バインダー組成物であって、(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位を含有する重合体と、炭素数6以上9以下の炭化水素基が非カルボニル性酸素原子に結合した酢酸エステル溶媒とを含み、前記(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位は、炭素数3以上8以下のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合した第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位と、炭素数1以上2以下のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合した第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位とを含み、前記第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位に対する前記第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の質量比が、2.1以上2.5以下である、全固体二次電池用バインダー組成物である。
上記のような全固体二次電池用バインダー組成物であれば、固体電解質として硫化物系無機固体電解質を用いた全固体二次電池用スラリー組成物に優れた分散性及び保存安定性を付与し得ると共に、該全固体二次電池用スラリー組成物を用いて形成した固体電解質含有層に優れたイオン伝導性を発揮させることができる。
本明細書において、「(メタ)アクリル」とは、「アクリル及び/又はメタクリル」を意味する。
本明細書において、「単量体単位を含有する」とは、「その単量体を用いて得た重合体中に単量体由来の構造単位が含有されている」ことを意味する。
上記のような全固体二次電池用バインダー組成物であれば、固体電解質として硫化物系無機固体電解質を用いた全固体二次電池用スラリー組成物に優れた分散性及び保存安定性を付与し得ると共に、該全固体二次電池用スラリー組成物を用いて形成した固体電解質含有層に優れたイオン伝導性を発揮させることができる。
本明細書において、「(メタ)アクリル」とは、「アクリル及び/又はメタクリル」を意味する。
本明細書において、「単量体単位を含有する」とは、「その単量体を用いて得た重合体中に単量体由来の構造単位が含有されている」ことを意味する。
[2]上記[1]の全固体二次電池用バインダー組成物において、前記重合体は、シアン化ビニル単量体単位を更に含有することが好ましい。
重合体がシアン化ビニル単量体単位を更に含有すれば、固体電解質として硫化物系無機固体電解質を用いた全固体二次電池用スラリー組成物により優れた分散性及び保存安定性を付与し得ると共に、該全固体二次電池用スラリー組成物を用いて形成した固体電解質含有層により優れたイオン伝導性を発揮させることができる。
重合体がシアン化ビニル単量体単位を更に含有すれば、固体電解質として硫化物系無機固体電解質を用いた全固体二次電池用スラリー組成物により優れた分散性及び保存安定性を付与し得ると共に、該全固体二次電池用スラリー組成物を用いて形成した固体電解質含有層により優れたイオン伝導性を発揮させることができる。
[3]上記[2]の全固体二次電池用バインダー組成物において、前記シアン化ビニル単量体単位の含有割合は、前記重合体を構成する全繰り返し単位を100質量%とした場合に、3質量%以上7質量%未満であることが好ましい。
シアン化ビニル単量体単位の含有割合が上記下限以上であれば、全固体二次電池用スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる。また、シアン化ビニル単量体単位の含有割合が上記上限未満であっても、全固体二次電池用スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる。
本明細書において、重合体中の単量体単位の含有割合(質量%)は、1H-NMR等の核磁気共鳴(NMR)法を用いて測定することができる。
シアン化ビニル単量体単位の含有割合が上記下限以上であれば、全固体二次電池用スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる。また、シアン化ビニル単量体単位の含有割合が上記上限未満であっても、全固体二次電池用スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる。
本明細書において、重合体中の単量体単位の含有割合(質量%)は、1H-NMR等の核磁気共鳴(NMR)法を用いて測定することができる。
[4]上記[1]~[3]の何れかの全固体二次電池用バインダー組成物において、前記重合体の重量平均分子量は、80万以上150万以下であることが好ましい。
重合体の重量平均分子量が上記下限以上であれば、全固体二次電池用スラリー組成物の保存安定性を向上できる。
一方、重合体の重量平均分子量が上記上限以下であれば、全固体二次電池用スラリー組成物の分散性を向上できる。
本明細書において、「重量平均分子量」は、本明細書の実施例に記載の方法で測定できる。
重合体の重量平均分子量が上記下限以上であれば、全固体二次電池用スラリー組成物の保存安定性を向上できる。
一方、重合体の重量平均分子量が上記上限以下であれば、全固体二次電池用スラリー組成物の分散性を向上できる。
本明細書において、「重量平均分子量」は、本明細書の実施例に記載の方法で測定できる。
[5]上記[1]~[4]の何れかの全固体二次電池用バインダー組成物において、前記重合体は、芳香族単量体単位を更に含有し、前記芳香族単量体単位の含有割合は、前記重合体を構成する全繰り返し単位を100質量%とした場合に、10質量%以上30質量%以下であることが好ましい。
重合体が芳香族単量体単位を更に含有すれば、重合体の強度を確保して、固体電解質含有層に優れた形状安定性を付与できる。
そして、芳香族単量体単位の含有割合が上記下限以上であれば、重合体の強度を高めて、固体電解質含有層の形状安定性を向上できる。
一方、芳香族単量体単位の含有割合が上記上限以下であれば、重合体の柔軟性を高めて、固体電解質含有層の接着性を向上できる。
重合体が芳香族単量体単位を更に含有すれば、重合体の強度を確保して、固体電解質含有層に優れた形状安定性を付与できる。
そして、芳香族単量体単位の含有割合が上記下限以上であれば、重合体の強度を高めて、固体電解質含有層の形状安定性を向上できる。
一方、芳香族単量体単位の含有割合が上記上限以下であれば、重合体の柔軟性を高めて、固体電解質含有層の接着性を向上できる。
[6]上記[1]~[5]の何れかの全固体二次電池用バインダー組成物において、前記第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位及び前記第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の合計含有割合は、前記重合体を構成する全繰り返し単位を100質量%とした場合に、50質量%以上85質量%以下であることが好ましい。
第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位及び第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の合計含有割合が上記下限以上であれば、全固体二次電池用スラリー組成物の保存安定性を向上できる。
一方、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位及び第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の合計含有割合が上記上限以下であれば、固体電解質含有層のイオン伝導性の低下を抑制できる。
第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位及び第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の合計含有割合が上記下限以上であれば、全固体二次電池用スラリー組成物の保存安定性を向上できる。
一方、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位及び第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の合計含有割合が上記上限以下であれば、固体電解質含有層のイオン伝導性の低下を抑制できる。
また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、[7]本発明は、上記[1]~[6]の何れかの全固体二次電池用バインダー組成物と、硫化物系無機固体電解質とを含む、全固体二次電池用スラリー組成物である。
上記のような全固体二次電池用スラリー組成物であれば、分散性及び保存安定性に優れると共に、イオン伝導性に優れる固体電解質含有層を形成できる。
上記のような全固体二次電池用スラリー組成物であれば、分散性及び保存安定性に優れると共に、イオン伝導性に優れる固体電解質含有層を形成できる。
また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、[8]本発明は、上記[7]の全固体二次電池用スラリー組成物を用いて形成した、固体電解質含有層である。
上記のような固体電解質含有層はイオン伝導性に優れている。
上記のような固体電解質含有層はイオン伝導性に優れている。
また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、[9]本発明は、上記[8]の固体電解質含有層を備える、全固体二次電池である。
上記のような全固体二次電池であれば、出力特性等の電池性能に優れている。
上記のような全固体二次電池であれば、出力特性等の電池性能に優れている。
本発明によれば、固体電解質として硫化物系無機固体電解質を用いた全固体二次電池用スラリー組成物に優れた分散性及び保存安定性を付与し得ると共に、該全固体二次電池用スラリー組成物を用いて形成した固体電解質含有層に優れたイオン伝導性を発揮させ得る全固体二次電池用バインダー組成物を提供できる。
また、本発明によれば、分散性及び保存安定性に優れると共に、イオン伝導性に優れる固体電解質含有層を形成可能な全固体二次電池用スラリー組成物を提供できる。
更に、本発明によれば、イオン伝導性に優れる固体電解質含有層、及び該固体電解質含有層を備える全固体二次電池を提供できる。
また、本発明によれば、分散性及び保存安定性に優れると共に、イオン伝導性に優れる固体電解質含有層を形成可能な全固体二次電池用スラリー組成物を提供できる。
更に、本発明によれば、イオン伝導性に優れる固体電解質含有層、及び該固体電解質含有層を備える全固体二次電池を提供できる。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本発明の全固体二次電池用バインダー組成物(以下、単に「バインダー組成物」と称する場合がある。)は、固体電解質として硫化物系無機固体電解質を用いた全固体二次電池用スラリー組成物(以下、単に「スラリー組成物」と称する場合がある。)の調製に用いられる。ここで、本発明の全固体二次電池用スラリー組成物は、全固体リチウムイオン二次電池等の全固体二次電池において用いられる電極合材層(正極合材層、負極合材層)や固体電解質層等の固体電解質含有層を形成する際に用いられる。また、本発明の固体電解質含有層は、本発明の全固体二次電池用スラリー組成物を用いて形成される。更に、本発明の全固体二次電池は、本発明の固体電解質含有層を備える。
本発明の全固体二次電池用バインダー組成物(以下、単に「バインダー組成物」と称する場合がある。)は、固体電解質として硫化物系無機固体電解質を用いた全固体二次電池用スラリー組成物(以下、単に「スラリー組成物」と称する場合がある。)の調製に用いられる。ここで、本発明の全固体二次電池用スラリー組成物は、全固体リチウムイオン二次電池等の全固体二次電池において用いられる電極合材層(正極合材層、負極合材層)や固体電解質層等の固体電解質含有層を形成する際に用いられる。また、本発明の固体電解質含有層は、本発明の全固体二次電池用スラリー組成物を用いて形成される。更に、本発明の全固体二次電池は、本発明の固体電解質含有層を備える。
(全固体二次電池用バインダー組成物)
本発明の全固体二次電池用バインダー組成物は、(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位を含有する重合体(以下、単に「重合体」と称する場合がある。)と、炭素数6以上9以下の炭化水素基が非カルボニル性酸素原子に結合した酢酸エステル溶媒(以下、単に「酢酸エステル溶媒」と称する場合がある。)とを含み、任意に、その他の成分を更に含み得る。そして、本発明のバインダー組成物において、上記(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位は、炭素数3以上8以下のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合した第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位と、炭素数1以上2以下のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合した第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位とを含み、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位に対する第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の質量比は、2.1以上2.5以下である。なお、本発明のバインダー組成物には、通常、硫化物系無機固体電解質等の固体電解質、及び電極活物質は含まれない。
本発明の全固体二次電池用バインダー組成物は、(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位を含有する重合体(以下、単に「重合体」と称する場合がある。)と、炭素数6以上9以下の炭化水素基が非カルボニル性酸素原子に結合した酢酸エステル溶媒(以下、単に「酢酸エステル溶媒」と称する場合がある。)とを含み、任意に、その他の成分を更に含み得る。そして、本発明のバインダー組成物において、上記(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位は、炭素数3以上8以下のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合した第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位と、炭素数1以上2以下のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合した第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位とを含み、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位に対する第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の質量比は、2.1以上2.5以下である。なお、本発明のバインダー組成物には、通常、硫化物系無機固体電解質等の固体電解質、及び電極活物質は含まれない。
上記のようなバインダー組成物であれば、固体電解質として硫化物系無機固体電解質を用いたスラリー組成物に優れた分散性及び保存安定性を付与することができる。これらの理由は、重合体(特に、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位及び第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の各アルキル基)と、酢酸エステル溶媒と、硫化物系無機固体電解質の表面とが相互作用しているためであると推察される。
また、上記のようなバインダー組成物であれば、該バインダー組成物を含むスラリー組成物を用いて形成した固体電解質含有層に優れたイオン伝導性を発揮させることができる。この理由は、重合体が第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位と第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位を2.1以上2.5以下の質量比(第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位/第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位)で含有することで、重合体が酢酸エステル溶媒に適度に溶解し、形成した固体電解質含有層において、硫化物系無機固体電解質の表面が重合体によって覆われている部分と、硫化物系無機固体電解質の表面が露出している部分とのバランスが良好になり、その結果、重合体の結着性能が維持されつつ、硫化物系無機固体電解質の表面の導通が良好に維持されているためであると推察される。
また、上記のようなバインダー組成物であれば、該バインダー組成物を含むスラリー組成物を用いて形成した固体電解質含有層に優れたイオン伝導性を発揮させることができる。この理由は、重合体が第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位と第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位を2.1以上2.5以下の質量比(第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位/第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位)で含有することで、重合体が酢酸エステル溶媒に適度に溶解し、形成した固体電解質含有層において、硫化物系無機固体電解質の表面が重合体によって覆われている部分と、硫化物系無機固体電解質の表面が露出している部分とのバランスが良好になり、その結果、重合体の結着性能が維持されつつ、硫化物系無機固体電解質の表面の導通が良好に維持されているためであると推察される。
<重合体>
重合体は、バインダー組成物を含むスラリー組成物から形成される固体電解質含有層において、硫化物系無機固体電解質等の成分を互いに結着し得る成分であり、後述する所定の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位を含有する。なお、重合体は、(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の他に、任意に、シアン化ビニル単量体単位、芳香族単量体単位、その他の繰り返し単位を含有していてもよい。
重合体は、バインダー組成物を含むスラリー組成物から形成される固体電解質含有層において、硫化物系無機固体電解質等の成分を互いに結着し得る成分であり、後述する所定の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位を含有する。なお、重合体は、(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の他に、任意に、シアン化ビニル単量体単位、芳香族単量体単位、その他の繰り返し単位を含有していてもよい。
[(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位]
(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位は、炭素数3以上8以下のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合した第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位と、炭素数1以上2以下のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合した第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位とを含み、任意に、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位及び第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位以外の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位(以下、「その他の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位」と称する場合がある。)を含んでいてもよい。ここで、その他の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位としては、例えば、炭素数9以上のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合した(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位等が挙げられる。
(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位は、炭素数3以上8以下のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合した第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位と、炭素数1以上2以下のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合した第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位とを含み、任意に、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位及び第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位以外の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位(以下、「その他の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位」と称する場合がある。)を含んでいてもよい。ここで、その他の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位としては、例えば、炭素数9以上のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合した(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位等が挙げられる。
第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の非カルボニル性酸素原子に結合している炭素数3以上8以下のアルキル基は、n-ブチル基、2-エチルヘキシル基等の鎖状アルキル基でも、シクロヘキシル基等の環状アルキル基でもよいが、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できることから、鎖状のアルキル基であることが好ましい。
なお、本明細書において、「鎖状アルキル基」とは、環状構造を有さないアルキル基を意味し、「環状アルキル基」とは、少なくとも一部に環状構造を有するアルキル基を意味する。
なお、本明細書において、「鎖状アルキル基」とは、環状構造を有さないアルキル基を意味し、「環状アルキル基」とは、少なくとも一部に環状構造を有するアルキル基を意味する。
第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位を形成し得る第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としては、例えば、n-プロピルアクリレート、イソプロピルアクリレート、n-ブチルアクリレート、t-ブチルアクリレート、ペンチルアクリレート、ヘキシルアクリレート、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、シクロヘキシルアクリレート等の炭素数3以上8以下のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合したアクリル酸アルキルエステル単量体;n-プロピルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、n-ブチルメタクリレート、t-ブチルメタクリレート、ペンチルメタクリレート、ヘキシルメタクリレート、へプチルメタクリレート、オクチルメタクリレート、2-エチルヘキシルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート等の炭素数3以上8以下のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合したメタクリル酸アルキルエステル単量体等が挙げられる。これらは1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。
そしてこれらの中でも、n-ブチルアクリレート、2-エチルヘキシルアクリレート、n-ブチルメタクリレート、2-エチルヘキシルメタクリレートが好ましく、n-ブチルアクリレート、2-エチルヘキシルアクリレートがより好ましい。即ち、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位は、n-ブチルアクリレート単位、2-エチルヘキシルアクリレート単位、n-ブチルメタクリレート単位、及び2-エチルヘキシルメタクリレート単位からなる群より選択される少なくとも1つの単量体単位であることが好ましく、n-ブチルアクリレート単位及び2-エチルヘキシルアクリレート単位の少なくとも何れか一方の単量体単位であることがより好ましい。
そしてこれらの中でも、n-ブチルアクリレート、2-エチルヘキシルアクリレート、n-ブチルメタクリレート、2-エチルヘキシルメタクリレートが好ましく、n-ブチルアクリレート、2-エチルヘキシルアクリレートがより好ましい。即ち、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位は、n-ブチルアクリレート単位、2-エチルヘキシルアクリレート単位、n-ブチルメタクリレート単位、及び2-エチルヘキシルメタクリレート単位からなる群より選択される少なくとも1つの単量体単位であることが好ましく、n-ブチルアクリレート単位及び2-エチルヘキシルアクリレート単位の少なくとも何れか一方の単量体単位であることがより好ましい。
第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位を形成し得る第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としては、メチルアクリレート、エチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルメタクリレートが挙げられる。これらは1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。
そしてこれらの中でも、メチルアクリレート、エチルアクリレートが好ましく、エチルアクリレートがより好ましい。即ち、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位は、メチルアクリレート単位及びエチルアクリレート単位の少なくとも何れか一方の単量体単位であることが好ましく、エチルアクリレート単位であることがより好ましい。
そしてこれらの中でも、メチルアクリレート、エチルアクリレートが好ましく、エチルアクリレートがより好ましい。即ち、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位は、メチルアクリレート単位及びエチルアクリレート単位の少なくとも何れか一方の単量体単位であることが好ましく、エチルアクリレート単位であることがより好ましい。
ここで、本発明のバインダー組成物において、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位に対する第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の質量比(第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位/第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位)は、2.1以上2.5以下である。
そして、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位に対する第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の質量比は、2.2以上であることが好ましく、2.4以下であることが好ましい。
第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位に対する第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の質量比が2.2以上であれば、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が効果的に低くなり、形成した固体電解質含有層において、硫化物系無機固体電解質の表面が重合体によって覆われている部分の割合が効果的に減少し(即ち、硫化物系無機固体電解質の表面が露出している部分の割合が効果的に増加し)、その結果、固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる。
一方、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位に対する第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の質量比が2.4以下であれば、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が効果的に高くなり、その結果、スラリー組成物の保存安定性を向上できる。
そして、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位に対する第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の質量比は、2.2以上であることが好ましく、2.4以下であることが好ましい。
第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位に対する第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の質量比が2.2以上であれば、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が効果的に低くなり、形成した固体電解質含有層において、硫化物系無機固体電解質の表面が重合体によって覆われている部分の割合が効果的に減少し(即ち、硫化物系無機固体電解質の表面が露出している部分の割合が効果的に増加し)、その結果、固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる。
一方、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位に対する第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の質量比が2.4以下であれば、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が効果的に高くなり、その結果、スラリー組成物の保存安定性を向上できる。
第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位及び第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の合計含有割合は、重合体を構成する全繰り返し単位(単量体単位及び構造単位の合計。以下同じ。)を100質量%とした場合に、50質量%以上であることが好ましく、55質量%以上であることがより好ましく、60質量%以上であることが更に好ましく、85質量%以下であることが好ましく、82.5質量%以下であることがより好ましく、80質量%以下であることが更に好ましい。
第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位及び第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の合計含有割合が上記下限以上であれば、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が効果的に高くなり、その結果、スラリー組成物の保存安定性を向上できる。
一方、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位及び第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の合計含有割合が上記上限以下であれば、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が効果的に低くなり、形成した固体電解質含有層において、硫化物系無機固体電解質の表面が重合体によって覆われている部分の割合が効果的に減少し(即ち、硫化物系無機固体電解質の表面が露出している部分の割合が効果的に増加し)、その結果、固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる。
第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位及び第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の合計含有割合が上記下限以上であれば、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が効果的に高くなり、その結果、スラリー組成物の保存安定性を向上できる。
一方、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位及び第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の合計含有割合が上記上限以下であれば、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が効果的に低くなり、形成した固体電解質含有層において、硫化物系無機固体電解質の表面が重合体によって覆われている部分の割合が効果的に減少し(即ち、硫化物系無機固体電解質の表面が露出している部分の割合が効果的に増加し)、その結果、固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる。
第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の含有割合は、重合体を構成する全繰り返し単位を100質量%とした場合に、40質量%以上であることが好ましく、42.5質量%以上であることがより好ましく、45質量%以上であることが更に好ましく、58質量%以下であることが好ましく、56.5質量%以下であることがより好ましく、55質量%以下であることが更に好ましい。
第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の含有割合が上記下限以上であれば、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が効果的に低くなり、形成した固体電解質含有層において、硫化物系無機固体電解質の表面が重合体によって覆われている部分の割合が効果的に減少し(即ち、硫化物系無機固体電解質の表面が露出している部分の割合が効果的に増加し)、その結果、固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる。
一方、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の含有割合が上記上限以下であれば、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の含有割合が相対的に増加し、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が効果的に高くなり、その結果、スラリー組成物の保存安定性を向上できる。
第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の含有割合が上記下限以上であれば、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が効果的に低くなり、形成した固体電解質含有層において、硫化物系無機固体電解質の表面が重合体によって覆われている部分の割合が効果的に減少し(即ち、硫化物系無機固体電解質の表面が露出している部分の割合が効果的に増加し)、その結果、固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる。
一方、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の含有割合が上記上限以下であれば、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の含有割合が相対的に増加し、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が効果的に高くなり、その結果、スラリー組成物の保存安定性を向上できる。
第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の含有割合は、重合体を構成する全繰り返し単位を100質量%とした場合に、10質量%以上であることが好ましく、12.5質量%以上であることがより好ましく、15質量%以上であることが更に好ましく、27質量%以下であることが好ましく、26質量%以下であることがより好ましく、25質量%以下であることが更に好ましい。
第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の含有割合が上記下限以上であれば、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が効果的に高くなり、その結果、スラリー組成物の保存安定性を向上できる。
一方、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の含有割合が上記上限以下であれば、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の含有割合が相対的に増加し、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が効果的に低くなり、形成した固体電解質含有層において、硫化物系無機固体電解質の表面が重合体によって覆われている部分の割合が効果的に減少し(即ち、硫化物系無機固体電解質の表面が露出している部分の割合が効果的に増加し)、その結果、固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる。
第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の含有割合が上記下限以上であれば、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が効果的に高くなり、その結果、スラリー組成物の保存安定性を向上できる。
一方、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の含有割合が上記上限以下であれば、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の含有割合が相対的に増加し、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が効果的に低くなり、形成した固体電解質含有層において、硫化物系無機固体電解質の表面が重合体によって覆われている部分の割合が効果的に減少し(即ち、硫化物系無機固体電解質の表面が露出している部分の割合が効果的に増加し)、その結果、固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる。
その他の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位を形成し得るその他の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としては、例えば、ノニルアクリレート、デシルアクリレート、ラウリルアクリレート、n-テトラデシルアクリレート、ステアリルアクリレート等の炭素数9以上のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合したアクリル酸アルキルエステル単量体;ノニルメタクリレート、デシルメタクリレート、ラウリルメタクリレート、トリデシルメタクリレート、n-テトラデシルメタクリレート、ステアリルメタクリレート等の炭素数9以上のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合したメタクリル酸アルキルエステル単量体等が挙げられる。
これらは1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。
これらは1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。
その他の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の含有割合は、重合体を構成する全繰り返し単位を100質量%とした場合に、5質量%以下であることが好ましく、3質量%以下であることがより好ましく、1質量%以下であることが更に好ましく、0質量%以下であること、即ち、重合体は、その他の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位を含有しないことが特に好ましい。
[シアン化ビニル単量体単位]
重合体は、シアン化ビニル単量体単位を更に含有することが好ましい。
重合体がシアン化ビニル単量体単位を更に含有すれば、固体電解質として硫化物系無機固体電解質を用いたスラリー組成物により優れた分散性及び保存安定性を付与し得ると共に、該スラリー組成物を用いて形成した固体電解質含有層により優れたイオン伝導性を発揮させることができる。これらの理由は、硫化物系無機固体電解質の表面と、重合体のシアン化ビニル単量体単位のシアノ基とが相互作用しているためであると推察される。
重合体は、シアン化ビニル単量体単位を更に含有することが好ましい。
重合体がシアン化ビニル単量体単位を更に含有すれば、固体電解質として硫化物系無機固体電解質を用いたスラリー組成物により優れた分散性及び保存安定性を付与し得ると共に、該スラリー組成物を用いて形成した固体電解質含有層により優れたイオン伝導性を発揮させることができる。これらの理由は、硫化物系無機固体電解質の表面と、重合体のシアン化ビニル単量体単位のシアノ基とが相互作用しているためであると推察される。
シアン化ビニル単量体単位を形成し得るシアン化ビニル単量体としては、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、α-クロロアクリロニトリル、α-エチルアクリロニトリル等が挙げられる。これらは1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。
そしてこれらの中でも、アクリロニトリル、メタクリロニトリルが好ましく、アクリロニトリルがより好ましい。即ち、シアン化ビニル単量体単位は、アクリロニトリル単位及びメタクリロニトリル単位の少なくとも何れか一方であることが好ましく、アクリロニトリル単位であることがより好ましい。
そしてこれらの中でも、アクリロニトリル、メタクリロニトリルが好ましく、アクリロニトリルがより好ましい。即ち、シアン化ビニル単量体単位は、アクリロニトリル単位及びメタクリロニトリル単位の少なくとも何れか一方であることが好ましく、アクリロニトリル単位であることがより好ましい。
シアン化ビニル単量体単位の含有割合は、重合体を構成する全繰り返し単位を100質量%とした場合に、3質量%以上であることが好ましく、3.5質量%以上であることがより好ましく、4質量%以上であることが更に好ましく、7質量%未満であることが好ましく、6.5質量%以下であることがより好ましく、6質量%以下であることが更に好ましい。
シアン化ビニル単量体単位の含有割合が上記下限以上であれば、固体電解質を良好に分散させ、その結果、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる。また、シアン化ビニル単量体単位の含有割合が上記上限未満であっても、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が過度に低下することもなく、重合体が有する固体電解質の分散能が確保され、その結果、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる。
シアン化ビニル単量体単位の含有割合が上記下限以上であれば、固体電解質を良好に分散させ、その結果、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる。また、シアン化ビニル単量体単位の含有割合が上記上限未満であっても、重合体の酢酸エステル溶媒への溶解性が過度に低下することもなく、重合体が有する固体電解質の分散能が確保され、その結果、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる。
[芳香族単量体単位]
重合体は、芳香族単量体単位を更に含有することが好ましい。
重合体が芳香族単量体単位を更に含有すれば、重合体の強度を確保して、固体電解質含有層に優れた形状安定性を付与できる。
重合体は、芳香族単量体単位を更に含有することが好ましい。
重合体が芳香族単量体単位を更に含有すれば、重合体の強度を確保して、固体電解質含有層に優れた形状安定性を付与できる。
芳香族単量体単位を形成し得る芳香族単量体としては、芳香環を有するものであれば特に限定されない。芳香族単量体としては、芳香族ビニル単量体、芳香族炭化水素環を有する(メタ)アクリル酸エステル単量体が挙げられる。
なお、本明細書において、芳香族ビニル単量体には、芳香族炭化水素環を有する(メタ)アクリル酸エステル単量体に該当する単量体は含まれない(換言すると、芳香族ビニル単量体単位には、芳香族炭化水素環を有する(メタ)アクリル酸エステル単量体単位は含まれない)ものとする。
なお、本明細書において、芳香族ビニル単量体には、芳香族炭化水素環を有する(メタ)アクリル酸エステル単量体に該当する単量体は含まれない(換言すると、芳香族ビニル単量体単位には、芳香族炭化水素環を有する(メタ)アクリル酸エステル単量体単位は含まれない)ものとする。
芳香族ビニル単量体としては、例えば、スチレン、スチレンスルホン酸及びその塩、α-メチルスチレン、p-t-ブチルスチレン、ブトキシスチレン、ビニルトルエン、クロロスチレン、ビニルナフタレン等が挙げられる。
芳香族炭化水素環を有する(メタ)アクリル酸エステル単量体単位に含まれる芳香族炭化水素環としては、特に限定されないが、例えば、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環等が挙げられる。これらの中でも、ベンゼン環が好ましい。なお、当該単量体単位は、1種類の芳香族炭化水素環を有していてもよいし、2種類以上の芳香族炭化水素環を有していてもよい。
芳香族炭化水素環を有する(メタ)アクリル酸エステル単量体としては、例えば、フェノキシエチル(メタ)アクリレート、フェニル(メタ)アクリレート、エトキシ化o-フェニルフェノール(メタ)アクリレート、フェノキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート等が挙げられる。
なお、本明細書において「(メタ)アクリレート」とは、アクリレート及び/又はメタクリレートを意味する。
なお、本明細書において「(メタ)アクリレート」とは、アクリレート及び/又はメタクリレートを意味する。
上述した芳香族単量体は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。そしてこれらの中でも、重合体と硫化物系無機固体電解質との相互作用が良好になり、スラリー組成物の分散性及び保存安定性を更に向上させる観点から、スチレン、フェノキシエチルアクリレートが好ましく、スチレンがより好ましい。即ち、芳香族単量体単位は、スチレン単位及びフェノキシエチルアクリレート単位の少なくとも何れか一方であることが好ましく、スチレン単位であることがより好ましい。
芳香族単量体単位の含有割合は、重合体を構成する全繰り返し単位を100質量%とした場合に、10質量%以上であることが好ましく、12.5質量%以上であることがより好ましく、15質量%以上であることが更に好ましく、30質量%以下であることが好ましく、27.5質量%以下であることがより好ましく、25質量%以下であることが更に好ましい。
芳香族単量体単位の含有割合が上記下限以上であれば、重合体の強度を高めて、固体電解質含有層の形状安定性を向上できる。
一方、芳香族単量体単位の含有割合が上記上限以下であれば、重合体の柔軟性を高めて、固体電解質含有層の接着性を向上できる。
芳香族単量体単位の含有割合が上記下限以上であれば、重合体の強度を高めて、固体電解質含有層の形状安定性を向上できる。
一方、芳香族単量体単位の含有割合が上記上限以下であれば、重合体の柔軟性を高めて、固体電解質含有層の接着性を向上できる。
[その他の繰り返し単位]
本明細書において、その他の繰り返し単位とは、上述した(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位、シアン化ビニル単量体単位、及び芳香族単量体単位以外の単量体単位を意味する。
その他の繰り返し単位としては、例えば、脂肪族共役ジエン単量体単位、アルキレン構造単位、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位(上述した(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位、及び芳香族炭化水素環を有する(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を除く。)等が挙げられる。
本明細書において、その他の繰り返し単位とは、上述した(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位、シアン化ビニル単量体単位、及び芳香族単量体単位以外の単量体単位を意味する。
その他の繰り返し単位としては、例えば、脂肪族共役ジエン単量体単位、アルキレン構造単位、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位(上述した(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位、及び芳香族炭化水素環を有する(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を除く。)等が挙げられる。
脂肪族共役ジエン単量体単位を形成し得る脂肪族共役ジエン単量体としては、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-ペンタジエン等が挙げられる。
アルキレン構造単位は、一般式:-CnH2n-[但し、nは2以上の整数]で表わされるアルキレン構造のみで構成される繰り返し単位である。アルキレン構造単位は、直鎖状であっても分岐状であってもよいが、アルキレン構造単位は直鎖状、即ち、直鎖アルキレン構造単位であることが好ましい。そして、重合体へのアルキレン構造単位の導入方法としては、特に限定はされないが、例えば以下の(1)又は(2)の方法:
(1)脂肪族共役ジエン単量体を含む単量体組成物を重合し、得られた重合物に水素添加することで、脂肪族共役ジエン単量体単位をアルキレン構造単位に変換する方法
(2)1-オレフィン単量体を含む単量体組成物を重合し、重合体を調製する方法
が挙げられる。
(1)脂肪族共役ジエン単量体を含む単量体組成物を重合し、得られた重合物に水素添加することで、脂肪族共役ジエン単量体単位をアルキレン構造単位に変換する方法
(2)1-オレフィン単量体を含む単量体組成物を重合し、重合体を調製する方法
が挙げられる。
なお、上記(1)の方法で用いる脂肪族共役ジエン単量体としては、脂肪族共役ジエン単量体単位を形成し得る脂肪族共役ジエン単量体として上記列挙したような脂肪族共役ジエン単量体が挙げられる。そして、脂肪族共役ジエン単量体単位の選択的な水素化は、油層水素化法や水層水素化法等の公知の方法を用いて行なうことができる。
また、上記(2)の方法における1-オレフィン単量体としては、例えば、エチレン、プロピレン、1-ブテン、1-ヘキセン等が挙げられる。
これらの脂肪族共役ジエン単量体や1-オレフィン単量体は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。
また、上記(2)の方法における1-オレフィン単量体としては、例えば、エチレン、プロピレン、1-ブテン、1-ヘキセン等が挙げられる。
これらの脂肪族共役ジエン単量体や1-オレフィン単量体は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。
(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を形成し得る(メタ)アクリル酸エステル単量体(上述した(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体、及び芳香族炭化水素環を有する(メタ)アクリル酸エステル単量体を除く。)としては、2-メトキシエチルアクリレート、2-エトキシエチルアクリレート等のアクリル酸アルコキシエステル;2-(パーフルオロブチル)エチルアクリレート、2-(パーフルオロペンチル)エチルアクリレート等の2-(パーフルオロアルキル)エチルアクリレート;2-メトキシエチルメタクリレート、2-エトキシエチルメタクリレート等のメタクリル酸アルコキシエステル;2-(パーフルオロブチル)エチルメタクリレート、2-(パーフルオロペンチル)エチルメタクリレート等の2-(パーフルオロアルキル)エチルメタクリレート等が挙げられる。
その他の繰り返し単位の含有割合は、重合体を構成する全繰り返し単位を100質量%とした場合に、5質量%以下であることが好ましく、3質量%以下であることがより好ましく、1質量%以下であることが更に好ましく、0質量%以下であること、即ち、重合体は、その他の繰り返し単位を含有しないことが特に好ましい。
[重合体の重量平均分子量]
重合体の重量平均分子量は、80万以上であることが好ましく、85万以上であることがより好ましく、90万以上であることが更に好ましく、150万以下であることが好ましく、140万以下であることがより好ましく、130万以下であることが更に好ましい。
重合体の重量平均分子量が上記下限以上であれば、スラリー組成物の保存安定性を向上できる。
一方、重合体の重量平均分子量が上記上限以下であれば、スラリー組成物の分散性を向上できる。
重合体の重量平均分子量は、80万以上であることが好ましく、85万以上であることがより好ましく、90万以上であることが更に好ましく、150万以下であることが好ましく、140万以下であることがより好ましく、130万以下であることが更に好ましい。
重合体の重量平均分子量が上記下限以上であれば、スラリー組成物の保存安定性を向上できる。
一方、重合体の重量平均分子量が上記上限以下であれば、スラリー組成物の分散性を向上できる。
[重合体の調製方法]
重合体の調製方法は特に限定されず、上述した単量体を含む単量体組成物を重合することで調製することができる。また、単量体組成物を重合した後に、得られた重合物を任意に水素化(水素添加)してもよい。
重合様式は、特に制限なく、溶液重合法、懸濁重合法、塊状重合法、乳化重合法等のいずれの方法も用いることができる。各重合法において、必要に応じて既知の乳化剤(例えば、ラウリル硫酸ナトリウム等)や重合開始剤(例えば、過硫酸アンモニウム等)を使用できる。また、重合反応としては、イオン重合、ラジカル重合、リビングラジカル重合等のいずれの反応も用いることができる。
水素化の方法は、特に制限なく、触媒を用いる一般的な方法(例えば、国際公開第2012/165120号、国際公開第2013/080989号及び特開2013-8485号公報参照)を使用することができる。
重合体の調製方法は特に限定されず、上述した単量体を含む単量体組成物を重合することで調製することができる。また、単量体組成物を重合した後に、得られた重合物を任意に水素化(水素添加)してもよい。
重合様式は、特に制限なく、溶液重合法、懸濁重合法、塊状重合法、乳化重合法等のいずれの方法も用いることができる。各重合法において、必要に応じて既知の乳化剤(例えば、ラウリル硫酸ナトリウム等)や重合開始剤(例えば、過硫酸アンモニウム等)を使用できる。また、重合反応としては、イオン重合、ラジカル重合、リビングラジカル重合等のいずれの反応も用いることができる。
水素化の方法は、特に制限なく、触媒を用いる一般的な方法(例えば、国際公開第2012/165120号、国際公開第2013/080989号及び特開2013-8485号公報参照)を使用することができる。
[重合体の含有割合]
バインダー組成物中の重合体の含有割合は、バインダー組成物中の全成分(溶媒も含む。)に対して、2質量%以上であることが好ましく、5質量%以上であることがより好ましく、20質量%以下であることが好ましく、15質量%以下であることがより好ましい。
バインダー組成物中の重合体の含有割合は、バインダー組成物中の全成分(溶媒も含む。)に対して、2質量%以上であることが好ましく、5質量%以上であることがより好ましく、20質量%以下であることが好ましく、15質量%以下であることがより好ましい。
<酢酸エステル溶媒>
酢酸エステル溶媒の非カルボニル性酸素原子に結合している炭素数6以上9以下の炭化水素基としては、例えば、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基等の脂肪族炭化水素基;アリール基等の芳香族炭化水素基等が挙げられる。これらの中でも、脂肪族炭化水素基が好ましく、アルキル基がより好ましい。
以下、非カルボニル性酸素原子に結合している炭素数6以上9以下の炭化水素基がアルキル基の酢酸エステル溶媒について説明するが、本発明のバインダー組成物に用いられる酢酸エステル溶媒は、これに限定されるものではない。
酢酸エステル溶媒の非カルボニル性酸素原子に結合している炭素数6以上9以下の炭化水素基としては、例えば、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基等の脂肪族炭化水素基;アリール基等の芳香族炭化水素基等が挙げられる。これらの中でも、脂肪族炭化水素基が好ましく、アルキル基がより好ましい。
以下、非カルボニル性酸素原子に結合している炭素数6以上9以下の炭化水素基がアルキル基の酢酸エステル溶媒について説明するが、本発明のバインダー組成物に用いられる酢酸エステル溶媒は、これに限定されるものではない。
非カルボニル性酸素原子に結合している炭素数6以上9以下の炭化水素基がアルキル基の酢酸エステル溶媒としては、例えば、酢酸n-ヘキシル(炭素数:6)、酢酸n-ヘプチル(炭素数:7)、酢酸n-オクチル(炭素数:8)、酢酸n-ノニル(炭素数:9)等の直鎖アルキル基が結合している酢酸エステル溶媒;酢酸2-エチルブチル(炭素数:6、酢酸3-メチルペンチル(炭素数:6)、酢酸2-エチルヘキシル(炭素数:8)等の分岐アルキル基が結合している酢酸エステル溶媒;酢酸シクロヘキシル(炭素数:6)、酢酸メチルシクロヘキシル(炭素数:7)等の環状アルキル基が結合している酢酸エステル溶媒等が挙げられる。なお、括弧内の炭素数は、非カルボニル性酸素原子に結合しているアルキル基の炭素数を意味する。
これらは、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。これらの中でも、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できることから、直鎖アルキル基が結合している酢酸エステル溶媒、分岐アルキル基が結合している酢酸エステル溶媒が好ましい。また、スラリー組成物の分散性及び保存安定性をより向上できることから、直鎖アルキル基が結合している酢酸エステル溶媒がより好ましく、酢酸n-ヘプチル、酢酸n-オクチルが更に好ましい。
なお、本明細書において、「直鎖アルキル基」とは、上述した「鎖状アルキル基」のうち、分岐を有さない直鎖のアルキル基を意味する。「分岐アルキル基」とは、上述した「鎖状アルキル基」のうち、分岐を有するアルキル基を意味する。「環状アルキル基」とは、上述した通り、少なくとも一部に環状構造を有するアルキル基を意味する。
これらは、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。これらの中でも、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できることから、直鎖アルキル基が結合している酢酸エステル溶媒、分岐アルキル基が結合している酢酸エステル溶媒が好ましい。また、スラリー組成物の分散性及び保存安定性をより向上できることから、直鎖アルキル基が結合している酢酸エステル溶媒がより好ましく、酢酸n-ヘプチル、酢酸n-オクチルが更に好ましい。
なお、本明細書において、「直鎖アルキル基」とは、上述した「鎖状アルキル基」のうち、分岐を有さない直鎖のアルキル基を意味する。「分岐アルキル基」とは、上述した「鎖状アルキル基」のうち、分岐を有するアルキル基を意味する。「環状アルキル基」とは、上述した通り、少なくとも一部に環状構造を有するアルキル基を意味する。
<その他の成分>
バインダー組成物が任意に含有し得るその他の成分としては、本発明の目的を損なわないものであれば特に限定されないが、例えば、上述した重合体以外の結着材、上述した酢酸エステル溶媒以外の溶媒、分散剤、レベリング剤、消泡剤、補強材等が挙げられる。
なお、本発明のバインダー組成物は、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる観点から、上述した重合体以外の結着材及び上述した酢酸エステル溶媒以外の溶媒を含まないことが好ましい。
バインダー組成物が任意に含有し得るその他の成分としては、本発明の目的を損なわないものであれば特に限定されないが、例えば、上述した重合体以外の結着材、上述した酢酸エステル溶媒以外の溶媒、分散剤、レベリング剤、消泡剤、補強材等が挙げられる。
なお、本発明のバインダー組成物は、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できる観点から、上述した重合体以外の結着材及び上述した酢酸エステル溶媒以外の溶媒を含まないことが好ましい。
<バインダー組成物の調製方法>
本発明のバインダー組成物の調製方法としては、特に限定されず、上記の重合体及び任意のその他の成分を酢酸エステル溶媒中で混合する方法が挙げられる。
本発明のバインダー組成物の調製方法としては、特に限定されず、上記の重合体及び任意のその他の成分を酢酸エステル溶媒中で混合する方法が挙げられる。
(全固体二次電池用スラリー組成物)
本発明の全固体二次電池用スラリー組成物は、少なくとも、上述した本発明のバインダー組成物と、硫化物系無機固体電解質とを含む。より詳細には、本発明のスラリー組成物は、上述した重合体と、上述した酢酸エステル溶媒と、硫化物系無機固体電解質とを含み、任意に、電極活物質(正極活物質又は負極活物質)、導電材及びその他の成分からなる群より選択される少なくとも一種を更に含み得る。ここで、スラリー組成物に含まれる酢酸エステル溶媒は、全てがバインダー組成物由来のものでも、バインダー組成物由来の酢酸エステル溶媒とは別に新たにスラリー組成物に加えられたものでもよい。また、スラリー組成物に含まれ得るその他の成分は、全てがバインダー組成物由来のものでも、バインダー組成物由来のその他の成分とは別に新たにスラリー組成物に加えられたものでもよい。
そして、本発明のスラリー組成物は、本発明のバインダー組成物を含んでいるので、分散性及び保存安定性に優れると共に、イオン伝導性に優れる固体電解質含有層を形成できる。
なお、本明細書においては、少なくとも、上述した重合体と、上述した酢酸エステル溶媒と、硫化物系無機固体電解質と、正極活物質とを含む全固体二次電池用スラリー組成物を、全固体二次電池正極用スラリー組成物と称する場合がある。
また、本明細書においては、少なくとも、上述した重合体と、上述した酢酸エステル溶媒と、硫化物系無機固体電解質と、負極活物質とを含む全固体二次電池用スラリー組成物を、全固体二次電池負極用スラリー組成物と称する場合がある。
更に、本明細書においては、少なくとも、上述した重合体と、上述した酢酸エステル溶媒と、硫化物系無機固体電解質とを含むが、電極活物質を含まない全固体二次電池用スラリー組成物を、全固体二次電池電解質層用スラリー組成物と称する場合がある。
本発明の全固体二次電池用スラリー組成物は、少なくとも、上述した本発明のバインダー組成物と、硫化物系無機固体電解質とを含む。より詳細には、本発明のスラリー組成物は、上述した重合体と、上述した酢酸エステル溶媒と、硫化物系無機固体電解質とを含み、任意に、電極活物質(正極活物質又は負極活物質)、導電材及びその他の成分からなる群より選択される少なくとも一種を更に含み得る。ここで、スラリー組成物に含まれる酢酸エステル溶媒は、全てがバインダー組成物由来のものでも、バインダー組成物由来の酢酸エステル溶媒とは別に新たにスラリー組成物に加えられたものでもよい。また、スラリー組成物に含まれ得るその他の成分は、全てがバインダー組成物由来のものでも、バインダー組成物由来のその他の成分とは別に新たにスラリー組成物に加えられたものでもよい。
そして、本発明のスラリー組成物は、本発明のバインダー組成物を含んでいるので、分散性及び保存安定性に優れると共に、イオン伝導性に優れる固体電解質含有層を形成できる。
なお、本明細書においては、少なくとも、上述した重合体と、上述した酢酸エステル溶媒と、硫化物系無機固体電解質と、正極活物質とを含む全固体二次電池用スラリー組成物を、全固体二次電池正極用スラリー組成物と称する場合がある。
また、本明細書においては、少なくとも、上述した重合体と、上述した酢酸エステル溶媒と、硫化物系無機固体電解質と、負極活物質とを含む全固体二次電池用スラリー組成物を、全固体二次電池負極用スラリー組成物と称する場合がある。
更に、本明細書においては、少なくとも、上述した重合体と、上述した酢酸エステル溶媒と、硫化物系無機固体電解質とを含むが、電極活物質を含まない全固体二次電池用スラリー組成物を、全固体二次電池電解質層用スラリー組成物と称する場合がある。
<重合体>
本発明のスラリー組成物に含まれる重合体としては、上記した「全固体二次電池用バインダー組成物」の「重合体」の項で説明した重合体と同様のものが挙げられる。
本発明のスラリー組成物に含まれる重合体としては、上記した「全固体二次電池用バインダー組成物」の「重合体」の項で説明した重合体と同様のものが挙げられる。
ここで、本発明のスラリー組成物中に含まれる重合体の量は、特に限定されないが、硫化物系無機固体電解質100質量部当たり、0.1質量部以上であることが好ましく、0.5質量部以上であることがより好ましく、1質量部以上であることが更に好ましく、10質量部以下であることが好ましく、8質量部以下であることがより好ましく、4質量部以下であることが更に好ましい。
スラリー組成物中の重合体の含有量が、硫化物系無機固体電解質100質量部当たり0.1質量部以上であれば、バインダーとしての機能を十分に発揮しつつ、硫化物系無機固体電解質を良好に分散させることができる。そのため、スラリー組成物の分散性及び保存安定性を更に高める共に、固体電解質含有層のイオン伝導性を一層向上させることができる。
一方、スラリー組成物中の重合体の含有量が、固体電解質100質量部当たり10質量部以下であれば、固体電解質含有層のイオン伝導性を十分に確保することができる。
スラリー組成物中の重合体の含有量が、硫化物系無機固体電解質100質量部当たり0.1質量部以上であれば、バインダーとしての機能を十分に発揮しつつ、硫化物系無機固体電解質を良好に分散させることができる。そのため、スラリー組成物の分散性及び保存安定性を更に高める共に、固体電解質含有層のイオン伝導性を一層向上させることができる。
一方、スラリー組成物中の重合体の含有量が、固体電解質100質量部当たり10質量部以下であれば、固体電解質含有層のイオン伝導性を十分に確保することができる。
<酢酸エステル溶媒>
本発明のスラリー組成物に含まれる酢酸エステル溶媒としては、上記した「全固体二次電池用バインダー組成物」の「酢酸エステル溶媒」の項で説明した酢酸エステル溶媒と同様のものが挙げられる。
本発明のスラリー組成物に含まれる酢酸エステル溶媒としては、上記した「全固体二次電池用バインダー組成物」の「酢酸エステル溶媒」の項で説明した酢酸エステル溶媒と同様のものが挙げられる。
<硫化物系無機固体電解質>
硫化物系無機固体電解質は、イオン伝導性を有し、且つ、硫黄原子を含む無機固体材料からなる粒子であれば特に限定されない。
なお、本発明のスラリー組成物は、本発明の目的を損なわない範囲において、硫化物系無機固体電解質以外の固体電解質(例えば、酸化物系無機固体電解質等)を含んでいてもよいが、分散性及び保存安定性を向上し、固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できることから、固体電解質としては硫化物系無機固体電解質のみを含むことが好ましい。
硫化物系無機固体電解質は、イオン伝導性を有し、且つ、硫黄原子を含む無機固体材料からなる粒子であれば特に限定されない。
なお、本発明のスラリー組成物は、本発明の目的を損なわない範囲において、硫化物系無機固体電解質以外の固体電解質(例えば、酸化物系無機固体電解質等)を含んでいてもよいが、分散性及び保存安定性を向上し、固体電解質含有層のイオン伝導性を向上できることから、固体電解質としては硫化物系無機固体電解質のみを含むことが好ましい。
硫化物系無機固体電解質としては、上記した粒子であれば特に限定されることなく、結晶性の無機イオン伝導体、非晶性の無機イオン伝導体又はそれらの混合物を用いることができる。
そして、例えば全固体二次電池が全固体リチウムイオン二次電池の場合には、硫化物系無機固体電解質としては、通常は、結晶性の無機リチウムイオン伝導体、非晶性の無機リチウムイオン伝導体又はそれらの混合物を用いることができる。
なお、以下では、一例として全固体二次電池用スラリー組成物が全固体リチウムイオン二次電池用スラリー組成物である場合について説明するが、本発明は下記の一例に限定されるものではない。
そして、例えば全固体二次電池が全固体リチウムイオン二次電池の場合には、硫化物系無機固体電解質としては、通常は、結晶性の無機リチウムイオン伝導体、非晶性の無機リチウムイオン伝導体又はそれらの混合物を用いることができる。
なお、以下では、一例として全固体二次電池用スラリー組成物が全固体リチウムイオン二次電池用スラリー組成物である場合について説明するが、本発明は下記の一例に限定されるものではない。
結晶性の無機リチウムイオン伝導体としては、例えば、Thio-LISICON(Li3.25Ge0.25P0.75S4)、アルジロダイト型(例:Li5.6PS4.4Cl1.8)等が挙げられる。
非晶性の無機リチウムイオン伝導体としては、例えば、ガラスLi-Si-S-O、Li-P-S、及び、Li2Sと周期表第13族~第15族の元素の硫化物とを含有する原料組成物を用いてなるもの、等が挙げられる。
ここで、上記第13族~第15族の元素としては、例えばAl、Si、Ge、P、As、Sb等を挙げることができる。また、第13族~第15族の元素の硫化物としては、具体的には、Al2S3、SiS2、GeS2、P2S3、P2S5、As2S3、Sb2S3等を挙げることができる。更に、原料組成物を用いて非晶性の無機リチウムイオン伝導体を合成する方法としては、例えば、メカニカルミリング法や溶融急冷法等の非晶質化法を挙げることができる。そして、Li2Sと周期表第13族~第15族の元素の硫化物とを含有する原料組成物を用いてなる非晶性の無機リチウムイオン伝導体としては、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-GeS2又はLi2S-Al2S3が好ましく、Li2S-P2S5がより好ましい。
上述した非晶性の無機リチウムイオン伝導体は、単独で、或いは、2種以上を混合して用いることができる。
ここで、上記第13族~第15族の元素としては、例えばAl、Si、Ge、P、As、Sb等を挙げることができる。また、第13族~第15族の元素の硫化物としては、具体的には、Al2S3、SiS2、GeS2、P2S3、P2S5、As2S3、Sb2S3等を挙げることができる。更に、原料組成物を用いて非晶性の無機リチウムイオン伝導体を合成する方法としては、例えば、メカニカルミリング法や溶融急冷法等の非晶質化法を挙げることができる。そして、Li2Sと周期表第13族~第15族の元素の硫化物とを含有する原料組成物を用いてなる非晶性の無機リチウムイオン伝導体としては、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-GeS2又はLi2S-Al2S3が好ましく、Li2S-P2S5がより好ましい。
上述した非晶性の無機リチウムイオン伝導体は、単独で、或いは、2種以上を混合して用いることができる。
上述した中でも、全固体リチウムイオン二次電池用の硫化物系無機固体電解質としては、イオン伝導性に優れる固体電解質含有層を形成する観点から、Li及びPを含む非晶性の硫化物が好ましい。Li及びPを含む非晶性の硫化物は、リチウムイオン伝導性が高いため、硫化物系無機固体電解質として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。
Li及びPを含む非晶性の硫化物は、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P2S5とからなる硫化物ガラスであることがより好ましく、Li2S:P2S5のモル比が65:35~85:15であるLi2SとP2S5との混合原料から製造された硫化物ガラスであることが特に好ましい。また、Li及びPを含む非晶性の硫化物は、Li2S:P2S5のモル比が65:35~85:15のLi2SとP2S5との混合原料をメカノケミカル法によって反応させて得られる硫化物ガラスセラミックスであることが好ましい。なお、リチウムイオン伝導度を高い状態で維持する観点からは、混合原料は、Li2S:P2S5のモル比が68:32~80:20であることが好ましい。
なお、硫化物系無機固体電解質は、イオン伝導性を低下させない程度において、上記Li2S、P2S5の他に出発原料としてAl2S3、B2S3及びSiS2からなる群より選ばれる少なくとも1種の硫化物を含んでいてもよい。かかる硫化物を加えると、硫化物系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、硫化物系無機固体電解質は、Li2S及びP2S5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んでいてもよい。かかるオルトオキソ酸リチウムを含ませると、硫化物系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、硫化物系無機固体電解質は、Li2S及びP2S5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んでいてもよい。かかるオルトオキソ酸リチウムを含ませると、硫化物系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。
ここで、本発明のスラリー組成物中において、硫化物系無機固体電解質は、複数の粒子(硫化物系無機固体電解質粒子)として存在していても、複数の硫化物系無機固体電解質粒子の少なくとも一部が凝集した凝集体として存在していてもよい。この凝集体は、少なくとも硫化物系無機固体電解質を含む凝集体であり、任意に、バインダーとしての上述した重合体等を含み得る。
ここで、硫化物系無機固体電解質の平均一次粒子径(即ち、硫化物系無機固体電解質粒子がそれぞれ単独で存在する際の平均粒子径)は、0.1μm以上であることが好ましく、0.2μm以上であることがより好ましく、0.5μm以上であることが更に好ましく、1μm以上であることが特に好ましく、10μm以下であることが好ましく、7μm以下であることがより好ましく、5μm以下であることが更に好ましく、3μm以下であることが特に好ましい。
硫化物系無機固体電解質の平均一次粒子径が0.1μm以上であれば、スラリー組成物の分散性及び保存安定性を更に高める共に、固体電解質含有層のイオン伝導性を一層向上させることができる。
一方、硫化物系無機固体電解質の平均一次粒子径が10μm以下であれば、固体電解質含有層のイオン伝導性を更に向上させることができる。
本明細書において、硫化物系無機固体電解質の平均一次粒子径は、100個の硫化物系無機固体電解質粒子を、それぞれ電子顕微鏡にて観察し、JIS Z8827-1:2008に従って粒子径を測定し、それらの値の算術平均値を算出することにより求めることができる。
硫化物系無機固体電解質の平均一次粒子径が0.1μm以上であれば、スラリー組成物の分散性及び保存安定性を更に高める共に、固体電解質含有層のイオン伝導性を一層向上させることができる。
一方、硫化物系無機固体電解質の平均一次粒子径が10μm以下であれば、固体電解質含有層のイオン伝導性を更に向上させることができる。
本明細書において、硫化物系無機固体電解質の平均一次粒子径は、100個の硫化物系無機固体電解質粒子を、それぞれ電子顕微鏡にて観察し、JIS Z8827-1:2008に従って粒子径を測定し、それらの値の算術平均値を算出することにより求めることができる。
<電極活物質>
電極活物質は、全固体二次電池の電極において電子の受け渡しをする物質である。そして、例えば全固体二次電池が全固体リチウムイオン二次電池の場合には、電極活物質としては、通常は、リチウムを吸蔵及び放出し得る物質を用いる。
なお、以下では、一例としてスラリー組成物が全固体リチウムイオン二次電池用スラリー組成物である場合について説明するが、本発明は下記の一例に限定されるものではない。
電極活物質は、全固体二次電池の電極において電子の受け渡しをする物質である。そして、例えば全固体二次電池が全固体リチウムイオン二次電池の場合には、電極活物質としては、通常は、リチウムを吸蔵及び放出し得る物質を用いる。
なお、以下では、一例としてスラリー組成物が全固体リチウムイオン二次電池用スラリー組成物である場合について説明するが、本発明は下記の一例に限定されるものではない。
全固体リチウムイオン二次電池用の正極活物質としては、特に限定されることなく、無機化合物からなる正極活物質と、有機化合物からなる正極活物質とが挙げられる。なお、正極活物質は、無機化合物と有機化合物との混合物であってもよい。
無機化合物からなる正極活物質としては、例えば、遷移金属酸化物、リチウムと遷移金属との複合酸化物(リチウム含有複合金属酸化物)、遷移金属硫化物等が挙げられる。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、LiCoO2(コバルト酸リチウム)、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiFeVO4等のリチウム含有複合金属酸化物;TiS2、TiS3、非晶質MoS2等の遷移金属硫化物;Cu2V2O3、非晶質V2O-P2O5、MoO3、V2O5、V6O13等の遷移金属酸化物;等が挙げられる。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。
上述した無機化合物からなる正極活物質は、単独で、或いは、2種以上を混合して用いることができる。
上述した無機化合物からなる正極活物質は、単独で、或いは、2種以上を混合して用いることができる。
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等が挙げられる。
上述した有機化合物からなる正極活物質は、単独で、或いは、2種以上を混合して用いることができる。
上述した有機化合物からなる正極活物質は、単独で、或いは、2種以上を混合して用いることができる。
全固体リチウムイオン二次電池用の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。なお、炭素の同素体からなる負極活物質は、金属、金属塩、酸化物等との混合体や被覆体の形態で利用することもできる。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又は硫酸塩;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;等も使用することができる。
上述した負極活物質は、単独で、或いは、2種以上を混合して用いることができる。
上述した負極活物質は、単独で、或いは、2種以上を混合して用いることができる。
<導電材>
導電材は、スラリー組成物を用いて形成した電極合材層中において電極活物質同士の電気的接触を確保するためのものである。そして、導電材としては、カーボンブラック(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)、ファーネスブラック等)、単層又は多層のカーボンナノチューブ(多層カーボンナノチューブにはカップスタック型が含まれる)、カーボンナノホーン、気相成長炭素繊維、ポリマー繊維を焼成後に破砕して得られるミルドカーボン繊維、単層又は多層のグラフェン、ポリマー繊維からなる不織布を焼成して得られるカーボン不織布シート等の導電性炭素材料;各種金属のファイバー又は箔等を用いることができる。
これらは一種単独で、又は、2種以上を組み合わせて用いることができる。
導電材は、スラリー組成物を用いて形成した電極合材層中において電極活物質同士の電気的接触を確保するためのものである。そして、導電材としては、カーボンブラック(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)、ファーネスブラック等)、単層又は多層のカーボンナノチューブ(多層カーボンナノチューブにはカップスタック型が含まれる)、カーボンナノホーン、気相成長炭素繊維、ポリマー繊維を焼成後に破砕して得られるミルドカーボン繊維、単層又は多層のグラフェン、ポリマー繊維からなる不織布を焼成して得られるカーボン不織布シート等の導電性炭素材料;各種金属のファイバー又は箔等を用いることができる。
これらは一種単独で、又は、2種以上を組み合わせて用いることができる。
なお、スラリー組成物中の導電材の含有量は、電極活物質100質量部当たり、0.1質量部以上であることが好ましく、0.5質量部以上であることがより好ましく、5質量部以下であることが好ましく、3質量部以下であることがより好ましい。導電材の量が上記範囲内であれば、電極活物質同士の電気的接触を十分に確保して、全固体二次電池に優れた電池特性(出力特性等)を発揮させることができる。
<その他の成分>
本発明のスラリー組成物に含まれ得るその他の成分としては、上記した「全固体二次電池用バインダー組成物」の「その他の成分」の項で説明したその他の成分と同様のものが挙げられる。
本発明のスラリー組成物に含まれ得るその他の成分としては、上記した「全固体二次電池用バインダー組成物」の「その他の成分」の項で説明したその他の成分と同様のものが挙げられる。
<スラリー組成物の固形分濃度>
スラリー組成物の固形分濃度は、特に限定されないが、例えば、30質量%以上70質量%未満とすることができる。
スラリー組成物の固形分濃度は、特に限定されないが、例えば、30質量%以上70質量%未満とすることができる。
<スラリー組成物の製造方法>
本発明のスラリー組成物は、特に限定されることなく、例えば任意の混合方法を用いて上述した成分を混合することにより得ることができる。
本発明のスラリー組成物は、特に限定されることなく、例えば任意の混合方法を用いて上述した成分を混合することにより得ることができる。
一実施形態において、本発明のスラリー組成物は、例えば、硫化物系無機固体電解質、及びバインダー組成物(即ち、硫化物系無機固体電解質、重合体、及び酢酸エステル溶媒)を含み、且つ、固形分濃度が70質量%以上である組成物に対して混合処理を行い、予混合物を調製する工程(予混合工程)と、固形分濃度が70質量%以上である予混合物に更に酢酸エステル溶媒を加えて、固形分濃度が40質量%超70質量%未満である希釈物を得る工程(第一希釈工程)と、固形分濃度が40質量%超70質量%未満である希釈物に対して混練処理を行い、混練物を調製する工程(混練工程)と、混練物に更に酢酸エステル溶媒を加えて、希釈する工程(第二希釈工程)と、を備える製造方法を用いて好適に得ることができる。
なお、上述したスラリー組成物の製造方法は、予混合工程、第一希釈工程、混練工程、及び第二希釈工程以外の工程を備えていてもよい。
また、上述したスラリー組成物の製造方法では、硫化物系無機固体電解質、重合体、溶媒に加え、任意に、電極活物質、導電材及びその他の成分を用いることができる。電極活物質、導電材及びその他の成分は、特に限定されないが、例えば予混合工程において、硫化物系無機固体電解質、重合体、及び溶媒と共に混合処理を行い、予混合物に含めることができる。
なお、上述したスラリー組成物の製造方法は、予混合工程、第一希釈工程、混練工程、及び第二希釈工程以外の工程を備えていてもよい。
また、上述したスラリー組成物の製造方法では、硫化物系無機固体電解質、重合体、溶媒に加え、任意に、電極活物質、導電材及びその他の成分を用いることができる。電極活物質、導電材及びその他の成分は、特に限定されないが、例えば予混合工程において、硫化物系無機固体電解質、重合体、及び溶媒と共に混合処理を行い、予混合物に含めることができる。
以下では、予混合工程、第一希釈工程、混練工程、及び第二希釈工程について説明するが、本発明のスラリー組成物は、これらの工程を備える製造方法を用いて得られるものに限定されない。
[予混合工程]
予混合工程では、硫化物系無機固体電解質、及びバインダー組成物、即ち、硫化物系無機固体電解質、重合体、及び酢酸エステル溶媒を少なくとも含む組成物(開始組成物)を、固形分濃度が70質量%以上の状態で混合処理を行い、固形分濃度が70質量%以上の予混合物を調製する。固形分濃度が70質量%以上の組成物に対して混合処理を行うことにより、得られるスラリー組成物中で硫化物系無機固体電解質を良好に分散させることができる。なお、開始組成物及び予混合物の固形分濃度の上限は、特に限定されないが、それぞれ例えば90質量%以下とすることができる。
予混合工程では、硫化物系無機固体電解質、及びバインダー組成物、即ち、硫化物系無機固体電解質、重合体、及び酢酸エステル溶媒を少なくとも含む組成物(開始組成物)を、固形分濃度が70質量%以上の状態で混合処理を行い、固形分濃度が70質量%以上の予混合物を調製する。固形分濃度が70質量%以上の組成物に対して混合処理を行うことにより、得られるスラリー組成物中で硫化物系無機固体電解質を良好に分散させることができる。なお、開始組成物及び予混合物の固形分濃度の上限は、特に限定されないが、それぞれ例えば90質量%以下とすることができる。
予混合工程の混合処理に用いる混合装置は、特に限定されず、自転公転ミキサー等の既知の装置を用いることができる。
また、予混合工程で予混合物を得るに際して、酢酸エステル溶媒は、混合装置に一括投入してもよく、連続投入してもよく、間欠投入してもよいが、間欠投入することがより好ましい。そして、予混合工程においては、酢酸エステル溶媒の添加により混合対象の固形分濃度が異なる複数回の混合処理を行うことが好ましい。固形分濃度の高い状態から低い状態まで、段階的に混合対象である組成物の固形分濃度を変化させつつ各固形分濃度で混合処理を行うことにより、硫化物系無機固体電解質を良好に分散させ、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を更に向上させることができる。
また、予混合工程で予混合物を得るに際して、酢酸エステル溶媒は、混合装置に一括投入してもよく、連続投入してもよく、間欠投入してもよいが、間欠投入することがより好ましい。そして、予混合工程においては、酢酸エステル溶媒の添加により混合対象の固形分濃度が異なる複数回の混合処理を行うことが好ましい。固形分濃度の高い状態から低い状態まで、段階的に混合対象である組成物の固形分濃度を変化させつつ各固形分濃度で混合処理を行うことにより、硫化物系無機固体電解質を良好に分散させ、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を更に向上させることができる。
上記混合処理の回数は、特に限定されないが、2回以上であることが好ましく、3回以上であることがより好ましい。混合処理の回数が2回以上であれば、硫化物系無機固体電解質を一層良好に分散させ、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性をより一層向上させることができる。一方、混合処理の回数の上限は、特に限定されないが、スラリー組成物の生産効率の観点から、8回以下であることが好ましく、7回以下であることがより好ましい。
また、混合処理の条件は特に限定されない。例えば、各混合処理の時間は、10秒以上10分以下の範囲内とすることができる。
また、混合処理の条件は特に限定されない。例えば、各混合処理の時間は、10秒以上10分以下の範囲内とすることができる。
[第一希釈工程]
第一希釈工程では、予混合工程で得られた予混合物に酢酸エステル溶媒を加え、固形分濃度が40質量%超70質量%未満である希釈物(第一希釈物)を得る。第一希釈工程で添加する酢酸エステル溶媒は、混合物調製工程において使用した酢酸エステル溶媒と同じものであっても異なるものであってもよいが、同じものが好ましい。
第一希釈工程では、予混合工程で得られた予混合物に酢酸エステル溶媒を加え、固形分濃度が40質量%超70質量%未満である希釈物(第一希釈物)を得る。第一希釈工程で添加する酢酸エステル溶媒は、混合物調製工程において使用した酢酸エステル溶媒と同じものであっても異なるものであってもよいが、同じものが好ましい。
[混練工程]
混練工程では、第一希釈工程で得られた固形分濃度が40質量%超70質量%未満である第一希釈物を混練して、混練物を得る。固形分濃度が上述した範囲内の第一希釈物に混練処理を行うことで、混練対象である第一希釈物に十分なせん断を加えることができる。そのため、硫化物系無機固体電解質を良好に分散させ、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を更に向上させることができる。
混練工程では、第一希釈工程で得られた固形分濃度が40質量%超70質量%未満である第一希釈物を混練して、混練物を得る。固形分濃度が上述した範囲内の第一希釈物に混練処理を行うことで、混練対象である第一希釈物に十分なせん断を加えることができる。そのため、硫化物系無機固体電解質を良好に分散させ、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を更に向上させることができる。
混練工程における混練処理に用いる混練装置は、上述した範囲内の固形分濃度を有する第一希釈物にせん断を加えることができれば特に限定されず既知の装置を用いることができる。そして、混練装置としては、例えば、予混合工程で用いた混合装置をそのまま用いることができる。
また、混練工程においては、酢酸エステル溶媒の添加により混練対象の固形分濃度が異なる複数回の混練処理を行うことが好ましい。このように、固形分濃度の高い状態から低い状態まで、段階的に混練対象である第一希釈物の固形分濃度を変化させつつ各固形分濃度で混練処理を行うことにより、硫化物系無機固体電解質を良好に分散させ、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性を更に向上させることができる。
上記混練処理の回数は、特に限定されないが、2回以上であることが好ましく、3回以上であることがより好ましい。混練処理の回数が2回以上であれば、硫化物系無機固体電解質を一層良好に分散させ、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性をより一層向上させることができる。一方、混練処理の回数の上限は、特に限定されないが、スラリー組成物の生産効率の観点から、5回以下であることが好ましく、4回以下であることがより好ましい。
また、混練処理の条件は特に限定されない。例えば、各混練処理の時間は、10秒以上10分以下の範囲内とすることができる。
また、混練処理の条件は特に限定されない。例えば、各混練処理の時間は、10秒以上10分以下の範囲内とすることができる。
[第二希釈工程]
第二希釈工程では、混練工程で得られた混練物に酢酸エステル溶媒を加える。第二希釈工程で添加する酢酸エステル溶媒は、予混合物工程及び第一希釈工程において使用した酢酸エステル溶媒と同じものであっても異なるものであってもよいが、同じものが好ましい。
第二希釈工程では、混練工程で得られた混練物に酢酸エステル溶媒を加える。第二希釈工程で添加する酢酸エステル溶媒は、予混合物工程及び第一希釈工程において使用した酢酸エステル溶媒と同じものであっても異なるものであってもよいが、同じものが好ましい。
なお、第二希釈工程において酢酸エステル溶媒を加えられた混練物(第二希釈物)は、そのままスラリー組成物としてもよいし、更なる混合処理等のその他の工程を経て、スラリー組成物としてもよい。
(固体電解質含有層)
本発明の固体電解質含有層は、硫化物系無機固体電解質を含有する層であり、固体電解質含有層としては、例えば、電気化学反応を介して電子の授受を行う電極合材層(正極合材層、負極合材層)や、互いに対向する正極合材層と負極合材層との間に設けられる固体電解質層等が挙げられる。
そして、本発明の固体電解質含有層は、上述した本発明のスラリー組成物を用いて形成されたものであり、例えば、上述したスラリー組成物を適切な基材の表面に塗布して塗膜を形成した後、形成した塗膜を乾燥することにより、形成することができる。即ち、本発明の固体電解質含有層は、上述したスラリー組成物の乾燥物よりなり、通常、硫化物系無機固体電解質と、重合体とを含み、任意に、電極活物質、導電材及びその他の成分からなる群より選択される少なくとも一種を更に含有し得る。なお、固体電解質含有層に含まれている各成分は、上記スラリー組成物中に含まれていたものであり、それらの成分の含有比率は、通常、上記スラリー組成物中における含有比率と等しい。
本発明の固体電解質含有層は、硫化物系無機固体電解質を含有する層であり、固体電解質含有層としては、例えば、電気化学反応を介して電子の授受を行う電極合材層(正極合材層、負極合材層)や、互いに対向する正極合材層と負極合材層との間に設けられる固体電解質層等が挙げられる。
そして、本発明の固体電解質含有層は、上述した本発明のスラリー組成物を用いて形成されたものであり、例えば、上述したスラリー組成物を適切な基材の表面に塗布して塗膜を形成した後、形成した塗膜を乾燥することにより、形成することができる。即ち、本発明の固体電解質含有層は、上述したスラリー組成物の乾燥物よりなり、通常、硫化物系無機固体電解質と、重合体とを含み、任意に、電極活物質、導電材及びその他の成分からなる群より選択される少なくとも一種を更に含有し得る。なお、固体電解質含有層に含まれている各成分は、上記スラリー組成物中に含まれていたものであり、それらの成分の含有比率は、通常、上記スラリー組成物中における含有比率と等しい。
そして、本発明の固体電解質含有層は、本発明のスラリー組成物から形成されているので、優れたイオン伝導性を発揮し得る。
<基材>
ここで、スラリー組成物を塗布する基材に制限は無く、例えば、離型基材の表面にスラリー組成物の塗膜を形成し、その塗膜を乾燥して固体電解質含有層を形成し、固体電解質含有層から離型基材を剥がすようにしてもよい。このように、離型基材から剥がされた固体電解質含有層を、自立膜として全固体二次電池の電池部材(例えば、電極や固体電解質層等)の形成に用いることもできる。
しかし、固体電解質含有層を剥がす工程を省略して電池部材の製造効率を高める観点からは、基材として、集電体又は電極を用いることが好ましい。具体的には、電極合材層の調製の際には、スラリー組成物を、基材としての集電体上に塗布することが好ましい。また、固体電解質層を調製する際には、スラリー組成物を電極(正極又は負極)上に塗布することが好ましい。
ここで、スラリー組成物を塗布する基材に制限は無く、例えば、離型基材の表面にスラリー組成物の塗膜を形成し、その塗膜を乾燥して固体電解質含有層を形成し、固体電解質含有層から離型基材を剥がすようにしてもよい。このように、離型基材から剥がされた固体電解質含有層を、自立膜として全固体二次電池の電池部材(例えば、電極や固体電解質層等)の形成に用いることもできる。
しかし、固体電解質含有層を剥がす工程を省略して電池部材の製造効率を高める観点からは、基材として、集電体又は電極を用いることが好ましい。具体的には、電極合材層の調製の際には、スラリー組成物を、基材としての集電体上に塗布することが好ましい。また、固体電解質層を調製する際には、スラリー組成物を電極(正極又は負極)上に塗布することが好ましい。
[集電体]
集電体としては、電気導電性を有し、且つ、電気化学的に耐久性のある材料が用いられる。具体的には、集電体としては、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、白金等からなる集電体を用い得る。中でも、負極に用いる集電体としては銅箔が特に好ましい。また、正極に用いる集電体としては、アルミニウム箔が特に好ましい。なお、上記材料は、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。
集電体としては、電気導電性を有し、且つ、電気化学的に耐久性のある材料が用いられる。具体的には、集電体としては、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、白金等からなる集電体を用い得る。中でも、負極に用いる集電体としては銅箔が特に好ましい。また、正極に用いる集電体としては、アルミニウム箔が特に好ましい。なお、上記材料は、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]
電極(正極及び負極)としては、特に限定されないが、上述した集電体上に、電極活物質、固体電解質及び電極用バインダーを含む電極合材層が形成された電極が挙げられる。
電極中の電極合材層に含まれる電極活物質、固体電解質及び電極用バインダーとしては、特に限定されず、既知のものを用いることができる。ここで、電極中の電極合材層に含まれる固体電解質としては、イオン伝導性を有する固体からなる粒子であれば特に限定されず、例えば、上述した硫化物系無機固体電解質や、酸化物系無機固体電解質等の無機固体電解質を用いることができる。
なお、電極中の電極合材層は、本発明の固体電解質含有層に該当するものであってもよい。
電極(正極及び負極)としては、特に限定されないが、上述した集電体上に、電極活物質、固体電解質及び電極用バインダーを含む電極合材層が形成された電極が挙げられる。
電極中の電極合材層に含まれる電極活物質、固体電解質及び電極用バインダーとしては、特に限定されず、既知のものを用いることができる。ここで、電極中の電極合材層に含まれる固体電解質としては、イオン伝導性を有する固体からなる粒子であれば特に限定されず、例えば、上述した硫化物系無機固体電解質や、酸化物系無機固体電解質等の無機固体電解質を用いることができる。
なお、電極中の電極合材層は、本発明の固体電解質含有層に該当するものであってもよい。
<固体電解質含有層の形成方法>
上述した集電体、電極等の基材上に固体電解質含有層を形成する方法としては、以下の方法が挙げられる。
1)本発明のスラリー組成物を基材の表面(電極の場合は電極合材層側の表面、以下同じ)に塗布し、次いで乾燥する方法;
2)本発明のスラリー組成物に基材を浸漬後、これを乾燥する方法;及び
3)本発明のスラリー組成物を離型基材上に塗布し、乾燥して固体電解質含有層を製造し、得られた固体電解質含有層を電極等の表面に転写する方法。
これらの中でも、前記1)の方法が、固体電解質含有層の層厚制御をしやすいことから特に好ましい。前記1)の方法は、詳細には、スラリー組成物を基材上に塗布する工程(塗布工程)と、基材上に塗布されたスラリー組成物を乾燥させて固体電解質含有層を形成する工程(固体電解質含有層形成工程)を含む。
上述した集電体、電極等の基材上に固体電解質含有層を形成する方法としては、以下の方法が挙げられる。
1)本発明のスラリー組成物を基材の表面(電極の場合は電極合材層側の表面、以下同じ)に塗布し、次いで乾燥する方法;
2)本発明のスラリー組成物に基材を浸漬後、これを乾燥する方法;及び
3)本発明のスラリー組成物を離型基材上に塗布し、乾燥して固体電解質含有層を製造し、得られた固体電解質含有層を電極等の表面に転写する方法。
これらの中でも、前記1)の方法が、固体電解質含有層の層厚制御をしやすいことから特に好ましい。前記1)の方法は、詳細には、スラリー組成物を基材上に塗布する工程(塗布工程)と、基材上に塗布されたスラリー組成物を乾燥させて固体電解質含有層を形成する工程(固体電解質含有層形成工程)を含む。
[塗布工程]
塗布工程において、スラリー組成物を基材上に塗布する方法としては、特に制限は無く、例えば、ドクターブレード法、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、ハケ塗り法等の方法が挙げられる。
塗布工程において、スラリー組成物を基材上に塗布する方法としては、特に制限は無く、例えば、ドクターブレード法、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、ハケ塗り法等の方法が挙げられる。
[固体電解質含有層形成工程]
また、固体電解質含有層形成工程において、基材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る。乾燥法としては、例えば、温風、熱風、低湿風による乾燥法、真空乾燥法、赤外線や電子線等の照射による乾燥法が挙げられる。
なお、固体電解質含有層が電極合材層である場合、乾燥後に、ロールプレス等を用いてプレス処理を行うことが好ましい。プレス処理を行うことで、得られる電極合材層をより一層高密度化することができる。
また、固体電解質含有層形成工程において、基材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る。乾燥法としては、例えば、温風、熱風、低湿風による乾燥法、真空乾燥法、赤外線や電子線等の照射による乾燥法が挙げられる。
なお、固体電解質含有層が電極合材層である場合、乾燥後に、ロールプレス等を用いてプレス処理を行うことが好ましい。プレス処理を行うことで、得られる電極合材層をより一層高密度化することができる。
(電極)
本発明の全固体二次電池用スラリー組成物を用いて集電体上に電極合材層を形成してなる電極は、硫化物系無機固体電解質と、バインダーとしての重合体と、電極活物質とを含み、任意に、導電材及びその他の成分からなる群より選択される少なくとも1種を更に含有する電極合材層を備えており、優れたイオン伝導性を発揮し得る。
本発明の全固体二次電池用スラリー組成物を用いて集電体上に電極合材層を形成してなる電極は、硫化物系無機固体電解質と、バインダーとしての重合体と、電極活物質とを含み、任意に、導電材及びその他の成分からなる群より選択される少なくとも1種を更に含有する電極合材層を備えており、優れたイオン伝導性を発揮し得る。
(固体電解質層)
本発明の全固体二次電池用スラリー組成物を用いて形成した固体電解質層は、硫化物系無機固体電解質と、バインダーとしての重合体とを含み、任意に、その他の成分を更に含有しており、優れたイオン伝導性を発揮し得る。なお、固体電解質層には、通常、電極活物質は含まれない。
本発明の全固体二次電池用スラリー組成物を用いて形成した固体電解質層は、硫化物系無機固体電解質と、バインダーとしての重合体とを含み、任意に、その他の成分を更に含有しており、優れたイオン伝導性を発揮し得る。なお、固体電解質層には、通常、電極活物質は含まれない。
(全固体二次電池)
本発明の全固体二次電池は、通常、正極、固体電解質層及び負極を有しており、正極の正極合材層、負極の負極合材層及び固体電解質層の少なくとも1つが本発明の固体電解質含有層であることを特徴とする。即ち、本発明の全固体二次電池は、本発明の全固体二次電池用スラリー組成物としての全固体二次電池正極用スラリー組成物を用いて形成した正極合材層を備える正極、本発明の全固体二次電池用スラリー組成物としての全固体二次電池負極用スラリー組成物を用いて形成した負極合材層を備える負極、及び、本発明の全固体二次電池用スラリー組成物としての全固体二次電池電解質層用スラリー組成物を用いて形成した固体電解質層の少なくとも1つを備えている。
そして、本発明の全固体二次電池は、本発明の固体電解質含有層を備えているので、出力特性等の電池性能に優れている。
本発明の全固体二次電池は、通常、正極、固体電解質層及び負極を有しており、正極の正極合材層、負極の負極合材層及び固体電解質層の少なくとも1つが本発明の固体電解質含有層であることを特徴とする。即ち、本発明の全固体二次電池は、本発明の全固体二次電池用スラリー組成物としての全固体二次電池正極用スラリー組成物を用いて形成した正極合材層を備える正極、本発明の全固体二次電池用スラリー組成物としての全固体二次電池負極用スラリー組成物を用いて形成した負極合材層を備える負極、及び、本発明の全固体二次電池用スラリー組成物としての全固体二次電池電解質層用スラリー組成物を用いて形成した固体電解質層の少なくとも1つを備えている。
そして、本発明の全固体二次電池は、本発明の固体電解質含有層を備えているので、出力特性等の電池性能に優れている。
ここで、本発明の全固体二次電池に使用し得る、本発明の固体電解質含有層に該当しない電極合材層を備える全固体二次電池用電極としては、特に限定されることなく、任意の全固体二次電池用電極を用いることができる。
また、本発明の全固体二次電池に使用し得る、本発明の固体電解質含有層に該当しない固体電解質層としては、特に限定されることなく、例えば、特開2012-243476号公報、特開2013-143299号公報及び特開2016-143614号公報等に記載されている固体電解質層等の任意の固体電解質層を用いることができる。
そして、本発明の全固体二次電池は、正極と負極とを、正極の正極合材層と負極の負極合材層とが固体電解質層を介して対向するように積層し、任意に加圧して積層体を得た後、電池形状に応じて、そのままの状態で、又は、巻く、折る等して電池容器に入れ、封口することにより得ることができる。なお、必要に応じて、エキスパンドメタルや、ヒューズ、PTC素子等の過電流防止素子、リード板等を電池容器に入れ、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、扁平型等何れであってもよい。
以下、本発明について実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、以下の説明において、量を表す「%」及び「部」は、特に断らない限り、質量基準である。
また、複数種類の単量体を重合して製造される重合体において、ある単量体を重合して形成される単量体単位の重合体における割合は、別に断らない限り、通常は、その重合体の重合に用いる全単量体に占める当該単量体の比率(仕込み比)と一致する。
更に、実施例及び比較例において、重合体の重量平均分子量、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性は、以下の方法で測定及び評価した。
また、複数種類の単量体を重合して製造される重合体において、ある単量体を重合して形成される単量体単位の重合体における割合は、別に断らない限り、通常は、その重合体の重合に用いる全単量体に占める当該単量体の比率(仕込み比)と一致する。
更に、実施例及び比較例において、重合体の重量平均分子量、スラリー組成物の分散性及び保存安定性、並びに固体電解質含有層のイオン伝導性は、以下の方法で測定及び評価した。
<重合体の重量平均分子量>
重合体の重量平均分子量は、まず、各実施例及び比較例において調製したバインダー組成物を乾固し、乾燥した重合体を濃度10mMのLiBr-DMF溶液(臭化リチウム含有ジメチルホルムアミド溶液)に溶解して重合体を含む溶液を調製し、調製した溶液を下記の測定条件でゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により分析することで測定した。
・分離カラム:Shodex KD-806M(昭和電工株式会社製)
・検出器:示差屈折計検出器 RID-10A(株式会社島津製作所製)
・溶離液の流速:0.3mL/分
・カラム温度:40℃
・標準ポリマー:TSK標準ポリスチレン(東ソー株式会社製)
重合体の重量平均分子量は、まず、各実施例及び比較例において調製したバインダー組成物を乾固し、乾燥した重合体を濃度10mMのLiBr-DMF溶液(臭化リチウム含有ジメチルホルムアミド溶液)に溶解して重合体を含む溶液を調製し、調製した溶液を下記の測定条件でゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により分析することで測定した。
・分離カラム:Shodex KD-806M(昭和電工株式会社製)
・検出器:示差屈折計検出器 RID-10A(株式会社島津製作所製)
・溶離液の流速:0.3mL/分
・カラム温度:40℃
・標準ポリマー:TSK標準ポリスチレン(東ソー株式会社製)
<スラリー組成物の分散性>
スラリー組成物の粘度を、ブルックフィールドB型粘度計60rpm(25℃)で測定し、下記の基準で評価した。粘度の値が小さいほど、スラリー組成物が分散性に優れることを示す。
A:3000mPa・s未満
B:3000mPa・s以上4000mPa・s未満
C:4000mPa・s以上5000mPa・s未満
D:5000mPa・s以上又は分散しない(流動性なし)
スラリー組成物の粘度を、ブルックフィールドB型粘度計60rpm(25℃)で測定し、下記の基準で評価した。粘度の値が小さいほど、スラリー組成物が分散性に優れることを示す。
A:3000mPa・s未満
B:3000mPa・s以上4000mPa・s未満
C:4000mPa・s以上5000mPa・s未満
D:5000mPa・s以上又は分散しない(流動性なし)
<スラリー組成物の保存安定性>
調製直後のスラリー組成物1gを130℃のホットプレートで1時間乾燥することで溶媒を気化させ、初期固形分濃度(%)を測定した。
別途、調製直後のスラリー組成物を、25℃の密閉状態で保存した。1週間保存後、スラリー組成物の上澄み1gをサンプリングし、初期固形分濃度と同様にして保存後固形分濃度(%)を測定した。
そして、固形分濃度維持率=保存後固形分濃度/初期固形分濃度×100(%)を算出した。固形分濃度維持率が大きいほど、固形分の沈降度合いが小さく、スラリー組成物が保存安定性に優れることを示す。
A:固形分濃度維持率が90%以上
B:固形分濃度維持率が80%以上90%未満
C:固形分濃度維持率が50%以上80%未満
D:固形分濃度維持率が50%未満
調製直後のスラリー組成物1gを130℃のホットプレートで1時間乾燥することで溶媒を気化させ、初期固形分濃度(%)を測定した。
別途、調製直後のスラリー組成物を、25℃の密閉状態で保存した。1週間保存後、スラリー組成物の上澄み1gをサンプリングし、初期固形分濃度と同様にして保存後固形分濃度(%)を測定した。
そして、固形分濃度維持率=保存後固形分濃度/初期固形分濃度×100(%)を算出した。固形分濃度維持率が大きいほど、固形分の沈降度合いが小さく、スラリー組成物が保存安定性に優れることを示す。
A:固形分濃度維持率が90%以上
B:固形分濃度維持率が80%以上90%未満
C:固形分濃度維持率が50%以上80%未満
D:固形分濃度維持率が50%未満
<固体電解質含有層のイオン伝導性>
グローブボックス内(水分量1ppm以下)で、スラリー組成物を120℃のホットプレートで乾燥し、得られた粉体を、直径10mm、厚さ1mmの円筒状に成形して測定試料とした。この測定試料について、交流インピーダンス法によるLiイオン伝導度(25℃)の測定を行い、下記の基準で評価した。Liイオン伝導度が大きいほど、硫化物系無機固体電解質の表面の導通が良好に維持されているといえ、当該スラリー組成物を用いて調製した固体電解質含有層が優れたイオン伝導性を発揮し得ることを示す。なお、測定には、周波数応答アナライザー(Solartron Analytical社製、製品名「ソーラトロン(登録商標)1260」)を用い、測定条件は、印加電圧10mV、測定周波数域0.01MHz~1MHzとした。
A:Liイオン伝導度が1mS/cm以上
B:Liイオン伝導度が0.5mS/cm以上1mS/cm未満
C:Liイオン伝導度が0.1mS/cm以上0.5mS/cm未満
D:Liイオン伝導度が0.1mS/cm未満
グローブボックス内(水分量1ppm以下)で、スラリー組成物を120℃のホットプレートで乾燥し、得られた粉体を、直径10mm、厚さ1mmの円筒状に成形して測定試料とした。この測定試料について、交流インピーダンス法によるLiイオン伝導度(25℃)の測定を行い、下記の基準で評価した。Liイオン伝導度が大きいほど、硫化物系無機固体電解質の表面の導通が良好に維持されているといえ、当該スラリー組成物を用いて調製した固体電解質含有層が優れたイオン伝導性を発揮し得ることを示す。なお、測定には、周波数応答アナライザー(Solartron Analytical社製、製品名「ソーラトロン(登録商標)1260」)を用い、測定条件は、印加電圧10mV、測定周波数域0.01MHz~1MHzとした。
A:Liイオン伝導度が1mS/cm以上
B:Liイオン伝導度が0.5mS/cm以上1mS/cm未満
C:Liイオン伝導度が0.1mS/cm以上0.5mS/cm未満
D:Liイオン伝導度が0.1mS/cm未満
(実施例1)
<バインダー組成物の調製>
撹拌機を備えたセプタム付き1Lフラスコ(反応容器)にイオン交換水90部、乳化剤としてラウリル硫酸ナトリウム0.5部を加え、気相部を窒素ガスで置換し、60℃に昇温した後、重合開始剤として過硫酸アンモニウム(APS)0.3部をイオン交換水20.0部に溶解させ加えた。
一方、別の容器(エマルジョン容器)でイオン交換水30部、乳化剤としてラウリル硫酸ナトリウム0.5部、そして、芳香族単量体としてのスチレン15部、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのn-ブチルアクリレート55部、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのエチルアクリレート24.5部、シアン化ビニル単量体としてのアクリロニトリル5.5部を混合して単量体組成物を得た。この単量体組成物を3時間かけて上記セプタム付き1Lフラスコに連続的に添加して重合を行った。添加中は、60℃で反応を行った。添加終了後、さらに80℃で2時間撹拌し、重合体の水分散液を得た。
続いて、得られた重合体の水分散液に、酢酸エステル溶媒として酢酸n-オクチルを適量添加して混合物を得た。その後、80℃にて減圧蒸留を実施して混合物から水及び過剰な酢酸n-オクチルを除去し、バインダー組成物(固形分濃度:10%)を得た。得られたバインダー組成物を用いて、重合体の重量平均分子量を測定した。結果を表1に示す。
<バインダー組成物の調製>
撹拌機を備えたセプタム付き1Lフラスコ(反応容器)にイオン交換水90部、乳化剤としてラウリル硫酸ナトリウム0.5部を加え、気相部を窒素ガスで置換し、60℃に昇温した後、重合開始剤として過硫酸アンモニウム(APS)0.3部をイオン交換水20.0部に溶解させ加えた。
一方、別の容器(エマルジョン容器)でイオン交換水30部、乳化剤としてラウリル硫酸ナトリウム0.5部、そして、芳香族単量体としてのスチレン15部、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのn-ブチルアクリレート55部、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのエチルアクリレート24.5部、シアン化ビニル単量体としてのアクリロニトリル5.5部を混合して単量体組成物を得た。この単量体組成物を3時間かけて上記セプタム付き1Lフラスコに連続的に添加して重合を行った。添加中は、60℃で反応を行った。添加終了後、さらに80℃で2時間撹拌し、重合体の水分散液を得た。
続いて、得られた重合体の水分散液に、酢酸エステル溶媒として酢酸n-オクチルを適量添加して混合物を得た。その後、80℃にて減圧蒸留を実施して混合物から水及び過剰な酢酸n-オクチルを除去し、バインダー組成物(固形分濃度:10%)を得た。得られたバインダー組成物を用いて、重合体の重量平均分子量を測定した。結果を表1に示す。
<スラリー組成物の調製>
以下のように、多段階の混合及び混練により、スラリー組成物を調製した。
以下のように、多段階の混合及び混練により、スラリー組成物を調製した。
[予混合工程]
硫化物系無機固体電解質としてのLi2SとP2S5とからなる硫化物ガラス(Li2S/P2S5=70mol%/30mol%、平均一次粒子径:1.0μm)100部と、上記バインダー組成物2部(固形分相当量)とを混合した(混合処理1)。混合処理1で得られた混合液に酢酸n-オクチルを加えて、固形分濃度80%の組成物を調製した。この組成物を、自転公転ミキサー(製品名「泡とり練太郎(登録商標)ARE310」。以下同じ。)を用いて2000rpmで2分間混合した(混合処理2)。混合処理2で得られた混合液に酢酸n-オクチルを加えて、固形分濃度70%の組成物を調製した。この組成物を、自転公転ミキサーを用いて2000rpmで2分間混合した(混合処理3)。
硫化物系無機固体電解質としてのLi2SとP2S5とからなる硫化物ガラス(Li2S/P2S5=70mol%/30mol%、平均一次粒子径:1.0μm)100部と、上記バインダー組成物2部(固形分相当量)とを混合した(混合処理1)。混合処理1で得られた混合液に酢酸n-オクチルを加えて、固形分濃度80%の組成物を調製した。この組成物を、自転公転ミキサー(製品名「泡とり練太郎(登録商標)ARE310」。以下同じ。)を用いて2000rpmで2分間混合した(混合処理2)。混合処理2で得られた混合液に酢酸n-オクチルを加えて、固形分濃度70%の組成物を調製した。この組成物を、自転公転ミキサーを用いて2000rpmで2分間混合した(混合処理3)。
[第一希釈工程]
次いで、混合処理3で得られた固形分濃度70%の混合液(予混合物)に酢酸n-オクチルを加えて、固形分濃度65%の組成物(第一希釈物)を調製した。
次いで、混合処理3で得られた固形分濃度70%の混合液(予混合物)に酢酸n-オクチルを加えて、固形分濃度65%の組成物(第一希釈物)を調製した。
[混練工程]
そして、第一希釈工程で得られた固形分濃度65%の第一希釈物を、自転公転ミキサーを用いて2000rpmで2分間混練した(混練処理1)。混練処理1で得られた混合液に酢酸n-オクチルを加えて、固形分濃度60%の組成物を調製した。この組成物を、自転公転ミキサーを用いて2000rpmで2分間混合した(混練処理2)。混練処理2で得られた混合液(固形分濃度60%)に酢酸n-オクチルを加え、固形分濃度55%の組成物を調製した。この組成物を、自転公転ミキサーを用いて2000rpmで2分間混練した(混練処理3)。
そして、第一希釈工程で得られた固形分濃度65%の第一希釈物を、自転公転ミキサーを用いて2000rpmで2分間混練した(混練処理1)。混練処理1で得られた混合液に酢酸n-オクチルを加えて、固形分濃度60%の組成物を調製した。この組成物を、自転公転ミキサーを用いて2000rpmで2分間混合した(混練処理2)。混練処理2で得られた混合液(固形分濃度60%)に酢酸n-オクチルを加え、固形分濃度55%の組成物を調製した。この組成物を、自転公転ミキサーを用いて2000rpmで2分間混練した(混練処理3)。
[第二希釈工程]
更に、混練処理3で得られた混合液(混練物)に酢酸n-オクチルを加えて、固形分濃度50%の組成物(第二希釈物)を調製した。
この組成物を、自転公転ミキサーを用いて2000rpmで2分間混合して、スラリー組成物(固形分濃度50%)を調製した。
そして、得られたスラリー組成物を用いて、分散性、保存安定性及びイオン伝導性の評価を行った。結果を表1に示す。
更に、混練処理3で得られた混合液(混練物)に酢酸n-オクチルを加えて、固形分濃度50%の組成物(第二希釈物)を調製した。
この組成物を、自転公転ミキサーを用いて2000rpmで2分間混合して、スラリー組成物(固形分濃度50%)を調製した。
そして、得られたスラリー組成物を用いて、分散性、保存安定性及びイオン伝導性の評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例2)
バインダー組成物の調製及びスラリー組成物の調製において、酢酸n-オクチルを全て酢酸n-ヘプチルに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
バインダー組成物の調製及びスラリー組成物の調製において、酢酸n-オクチルを全て酢酸n-ヘプチルに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例3)
バインダー組成物の調製において、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのn-ブチルアクリレート55部を、2-エチルヘキシルアクリレート55部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
バインダー組成物の調製において、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのn-ブチルアクリレート55部を、2-エチルヘキシルアクリレート55部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例4)
バインダー組成物の調製及びスラリー組成物の調製において、酢酸n-オクチルを全て酢酸n-ノニルに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
バインダー組成物の調製及びスラリー組成物の調製において、酢酸n-オクチルを全て酢酸n-ノニルに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例5)
バインダー組成物の調製及びスラリー組成物の調製において、酢酸n-オクチルを全て酢酸n-ヘキシルに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
バインダー組成物の調製及びスラリー組成物の調製において、酢酸n-オクチルを全て酢酸n-ヘキシルに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例6)
バインダー組成物の調製において、芳香族単量体としてのスチレンの量を15部から20部に変更し、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのn-ブチルアクリレートの量を55部から53部に変更し、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのエチルアクリレートの量を24.5部から21.5部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
バインダー組成物の調製において、芳香族単量体としてのスチレンの量を15部から20部に変更し、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのn-ブチルアクリレートの量を55部から53部に変更し、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのエチルアクリレートの量を24.5部から21.5部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例7)
バインダー組成物の調製において、芳香族単量体としてのスチレンの量を15部から22.5部に変更し、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのn-ブチルアクリレートの量を55部から49部に変更し、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのエチルアクリレートの量を24.5部から23部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
バインダー組成物の調製において、芳香族単量体としてのスチレンの量を15部から22.5部に変更し、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのn-ブチルアクリレートの量を55部から49部に変更し、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのエチルアクリレートの量を24.5部から23部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例8)
バインダー組成物の調製において、芳香族単量体としてのスチレンの量を15部から14部に変更し、シアン化ビニル単量体としてのアクリロニトリルの量を5.5部から6.5部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
バインダー組成物の調製において、芳香族単量体としてのスチレンの量を15部から14部に変更し、シアン化ビニル単量体としてのアクリロニトリルの量を5.5部から6.5部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例9)
バインダー組成物の調製において、芳香族単量体としてのスチレンの量を15部から17部に変更し、シアン化ビニル単量体としてのアクリロニトリルの量を5.5部から3.5部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
バインダー組成物の調製において、芳香族単量体としてのスチレンの量を15部から17部に変更し、シアン化ビニル単量体としてのアクリロニトリルの量を5.5部から3.5部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例10)
バインダー組成物の調製において、重合開始剤としての過硫酸アンモニウム(APS)の量を0.3部から0.35部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
バインダー組成物の調製において、重合開始剤としての過硫酸アンモニウム(APS)の量を0.3部から0.35部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例11)
バインダー組成物の調製において、重合開始剤としての過硫酸アンモニウム(APS)の量を0.3部から0.2部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
バインダー組成物の調製において、重合開始剤としての過硫酸アンモニウム(APS)の量を0.3部から0.2部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例12)
バインダー組成物の調製及びスラリー組成物の調製において、酢酸n-オクチルを全て酢酸2-エチルヘキシルに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
バインダー組成物の調製及びスラリー組成物の調製において、酢酸n-オクチルを全て酢酸2-エチルヘキシルに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(比較例1)
バインダー組成物の調製及びスラリー組成物の調製において、酢酸n-オクチルを全て酢酸n-デシルに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
バインダー組成物の調製及びスラリー組成物の調製において、酢酸n-オクチルを全て酢酸n-デシルに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(比較例2)
バインダー組成物の調製及びスラリー組成物の調製において、酢酸n-オクチルを全て酢酸n-ペンチルに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
バインダー組成物の調製及びスラリー組成物の調製において、酢酸n-オクチルを全て酢酸n-ペンチルに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(比較例3)
バインダー組成物の調製において、芳香族単量体としてのスチレンの量を15部から26.5部に変更し、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのn-ブチルアクリレートの量を55部から50部に変更し、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのエチルアクリレートの量を24.5部から18部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
バインダー組成物の調製において、芳香族単量体としてのスチレンの量を15部から26.5部に変更し、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのn-ブチルアクリレートの量を55部から50部に変更し、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのエチルアクリレートの量を24.5部から18部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(比較例4)
バインダー組成物の調製において、芳香族単量体としてのスチレンの量を15部から19.5部に変更し、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのn-ブチルアクリレートの量を55部から50部に変更し、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのエチルアクリレートの量を24.5部から25部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
バインダー組成物の調製において、芳香族単量体としてのスチレンの量を15部から19.5部に変更し、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのn-ブチルアクリレートの量を55部から50部に変更し、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としてのエチルアクリレートの量を24.5部から25部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(比較例5)
バインダー組成物の調製及びスラリー組成物の調製において、酢酸n-オクチルを全て酪酸n-ブチル(酢酸エステル溶媒ではない。)に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
バインダー組成物の調製及びスラリー組成物の調製において、酢酸n-オクチルを全て酪酸n-ブチル(酢酸エステル溶媒ではない。)に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、各種操作、測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
なお、以下に示す表1中、
「BA」は、n-ブチルアクリレート単位を示し、
「2EHA」は、2-エチルヘキシルアクリレート単位を示し、
「EA」は、エチルアクリレート単位を示し、
「AN」は、アクリロニトリル単位を示し、
「ST」は、スチレン単位を示し、
「炭素数」は、非カルボニル性酸素原子に結合しているアルキル基又は炭化水素基の炭素数を示し、
「第2に対する第1の質量比」は、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位に対する第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の質量比を示し、
「第1及び第2の合計含有割合」は、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位及び第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の合計含有割合を示す。
「BA」は、n-ブチルアクリレート単位を示し、
「2EHA」は、2-エチルヘキシルアクリレート単位を示し、
「EA」は、エチルアクリレート単位を示し、
「AN」は、アクリロニトリル単位を示し、
「ST」は、スチレン単位を示し、
「炭素数」は、非カルボニル性酸素原子に結合しているアルキル基又は炭化水素基の炭素数を示し、
「第2に対する第1の質量比」は、第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位に対する第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の質量比を示し、
「第1及び第2の合計含有割合」は、第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位及び第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の合計含有割合を示す。
表1からも明らかなように、実施例のバインダー組成物は、固体電解質として硫化物系無機固体電解質を用いたスラリー組成物に優れた分散性及び保存安定性を付与し得ると共に、該スラリー組成物を用いて形成した固体電解質含有層に優れたイオン伝導性を発揮させ得ることが分かる。
本発明によれば、固体電解質として硫化物系無機固体電解質を用いた全固体二次電池用スラリー組成物に優れた分散性及び保存安定性を付与し得ると共に、該全固体二次電池用スラリー組成物を用いて形成した固体電解質含有層に優れたイオン伝導性を発揮させ得る全固体二次電池用バインダー組成物を提供できる。
また、本発明によれば、分散性及び保存安定性に優れると共に、イオン伝導性に優れる固体電解質含有層を形成可能な全固体二次電池用スラリー組成物を提供できる。
更に、本発明によれば、イオン伝導性に優れる固体電解質含有層、及び該固体電解質含有層を備える全固体二次電池を提供できる。
また、本発明によれば、分散性及び保存安定性に優れると共に、イオン伝導性に優れる固体電解質含有層を形成可能な全固体二次電池用スラリー組成物を提供できる。
更に、本発明によれば、イオン伝導性に優れる固体電解質含有層、及び該固体電解質含有層を備える全固体二次電池を提供できる。
Claims (9)
- 硫化物系無機固体電解質を用いた全固体二次電池用バインダー組成物であって、
(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位を含有する重合体と、炭素数6以上9以下の炭化水素基が非カルボニル性酸素原子に結合した酢酸エステル溶媒とを含み、
前記(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位は、炭素数3以上8以下のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合した第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位と、炭素数1以上2以下のアルキル基が非カルボニル性酸素原子に結合した第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位とを含み、
前記第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位に対する前記第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の質量比が、2.1以上2.5以下である、全固体二次電池用バインダー組成物。 - 前記重合体が、シアン化ビニル単量体単位を更に含有する、請求項1に記載の全固体二次電池用バインダー組成物。
- 前記シアン化ビニル単量体単位の含有割合が、前記重合体を構成する全繰り返し単位を100質量%とした場合に、3質量%以上7質量%未満である、請求項2に記載の全固体二次電池用バインダー組成物。
- 前記重合体の重量平均分子量が、80万以上150万以下である、請求項1~3の何れかに記載の全固体二次電池用バインダー組成物。
- 前記重合体が、芳香族単量体単位を更に含有し、
前記芳香族単量体単位の含有割合が、前記重合体を構成する全繰り返し単位を100質量%とした場合に、10質量%以上30質量%以下である、請求項1~4の何れかに記載の全固体二次電池用バインダー組成物。 - 前記第1の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位及び前記第2の(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位の合計含有割合が、前記重合体を構成する全繰り返し単位を100質量%とした場合に、50質量%以上85質量%以下である、請求項1~5の何れかに記載の全固体二次電池用バインダー組成物。
- 請求項1~6の何れかに記載の全固体二次電池用バインダー組成物と、硫化物系無機固体電解質とを含む、全固体二次電池用スラリー組成物。
- 請求項7に記載の全固体二次電池用スラリー組成物を用いて形成した、固体電解質含有層。
- 請求項8に記載の固体電解質含有層を備える、全固体二次電池。
Applications Claiming Priority (2)
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