JP6891346B2 - 接着性組成物、セパレータ構造体、電極構造体、非水電解質二次電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
電解液に対する溶解性が低い重合体は、通常、NMPに対する溶解性は低く、アセトンに対する溶解性は高い傾向を示す。NMPに対する溶解性が低いと、NMPに溶解させたときの濁度は高くなりやすい。アセトンに対する溶解性が高いと、アセトンに溶解させたときの溶液粘度(A)は高くなりやすい。
本発明者らは、鋭意検討した結果、フッ化ビニリデン共重合体(a)を含む接着性樹脂を、NMPに溶解させたときの濁度が2以上95以下であると、電解液に対する溶解性が適度に低くなりやすく、かつアセトンに溶解させたときに溶液粘度(A)が350〜20000mPa・sであると、当該接着性樹脂の電解液に対する親和性を部分的に制御することができ、当該接着性樹脂の電解液に対する溶解性を低くしうることを見出した(i)の要件)。
これとは逆に、高い弾性率を有する重合体は、通常、NMPに対する溶解性は高く、アセトンに対する溶解性は低い傾向を示す。NMPに対する溶解性が高いと、NMPに溶解させたときの溶液粘度(B)は高くなりやすい。アセトンに対する溶解性が低いと、アセトンに溶解させたときの溶液粘度(A)は低くなりやすい。
本発明者らは、鋭意検討した結果、フッ化ビニリデン共重合体(a)を含む接着性樹脂の、アセトン溶液の溶液粘度(A)とNMP溶液の溶液粘度(B)の比(A)/(B)を1以上15以下とすることで、高い弾性率と、電解液に対する低い溶解性とをバランス良く両立しうることを見出した(ii)の要件)。
i)接着性樹脂をNMPに溶解させたときの濁度が2以上95以下であり、かつ接着性樹脂をアセトンに溶解させたときの溶液粘度(A)が350〜20000mPa・sであること
ii)接着性樹脂をNMPに溶解させたときの溶液粘度(B)に対する溶液粘度(A)の比(A)/(B)が1以上15以下であること
本発明の接着性組成物は、少なくとも接着性樹脂を含む。
接着性樹脂は、少なくともフッ化ビニリデン共重合体(a)を含む。
フッ化ビニリデン共重合体(a)は、フッ化ビニリデンに由来する構成単位と、フッ化ビニリデンと共重合可能な単量体に由来する構成単位とを含む。
フッ化ビニリデン共重合体(a)を含むコアシェル型粒子は、フッ化ビニリデン共重合体(a)からなるコア部と、それとは異なるフッ化ビニリデン重合体(b)からなるシェル部とを有していてもよいし;フッ化ビニリデン重合体(b)からなるコア部と、フッ化ビニリデン共重合体(a)からなるシェル部とを有していてもよい。中でも、フッ化ビニリデンと共重合可能な単量体に由来する構造単位の含有量が多いと、粘性が増す傾向があることから、フッ化ビニリデンと共重合可能な単量体に由来する構造単位の含有量が少ないフッ化ビニリデン重合体(b)がシェル部を構成することが、塗工時および捲回時の安定性を良好にする観点から好ましい。すなわち、フッ化ビニリデン共重合体(a)からなるコア部と、それとは異なるフッ化ビニリデン重合体(b)からなるシェル部とを有するコアシェル型粒子が好ましい。
フッ化ビニリデン共重合体(a)からなる傾斜型粒子は、粒子の中心部から表層部にわたって、組成の偏りを有していることが好ましい。
(アセトン溶液物性)
(1)アセトン溶液の作製
粉体化した接着性樹脂を、アセトン溶液中の濃度が10質量%になるようにアセトンに溶解させる。具体的には、アセトンを量り取ったサンプル瓶の中で、接着性樹脂を常温にて分散させた後、45℃に設定したウォーターバスに入れて約2時間撹拌し、接着性樹脂の一部または全部が溶解した、アセトン溶液を調製する。アセトン溶液の濁度および溶液粘度は、調製したアセトン溶液を室温に放冷した後、直ちに測定されることが好ましい。
上記調製したアセトン溶液の濁度は、80以下であることが好ましく、1〜60であることがより好ましく、2〜55であることがさらに好ましい。濁度が80以下であると、接着性樹脂の電解液に対する溶解性が低くなりやすい。
上記調製したアセトン溶液の溶液粘度(A)は、350〜20000mPa・sであることが好ましい。溶液粘度(A)が350mPa・s以上であると、接着性樹脂の分子量(分岐量)が多いため、接着性樹脂の電解液に対する溶解性が低くなりやすく、20000mPa・s以下であると、NMPに対する溶解性が低下し過ぎない。接着性樹脂の溶液粘度(A)は、これらの観点から、200〜10000mPa・sであることがより好ましく、500〜6200mPa・sであることがさらに好ましい。
(1)NMP溶液の調製
粉体化した接着性樹脂を、NMP溶液中の濃度が5質量%になるように、NMP(N−メチルピロリドン)に加え、一部または全部を溶解させる。具体的には、NMPを計量したサンプル瓶に、接着性樹脂を入れ、室温で分散させた後、溶液温度が50℃になるように昇温し、約5時間撹拌して接着性樹脂の一部または全部を溶解させて、NMP溶液を調製する。
上記調製したNMP溶液の濁度は、2〜95であることが好ましい。濁度が2以上であると、接着性樹脂の電解液に対する溶解性が低くなりやすい。濁度が95以下であると、接着性樹脂の融点が下がりすぎない。接着性樹脂のNMP溶液の濁度は、上記観点から、2〜75であることがより好ましく、2.5〜60であることがさらに好ましい。NMP溶液の濁度は、前述と同様の方法で測定することができる。なお、標準合わせは、セルにNMPを入れて行う。
上記調製したNMP溶液の溶液粘度(B)は、溶液粘度(A)と(B)の比(A)/(B)が後述する範囲となるような範囲であればよい。溶液粘度(B)は、前述と同様の方法で測定することができる。
接着性樹脂の、アセトン溶液の溶液粘度(A)とNMP溶液の溶液粘度(B)の比(A)/(B)は、1以上15以下であることが好ましい。比(A)/(B)が1以上であると、NMP溶液の溶液粘度(B)は低くなりやすく、アセトン溶液の溶液粘度(A)は高くなりやすい、すなわちNMPに対する溶解性を低くしやすい(アセトンに対する溶解性を高くしやすい)。そのため、接着性樹脂の電解液に対する溶解性を低くしやすい。比(A)/(B)が15以下であると、NMP溶液の溶液粘度(B)は低すぎず、アセトン溶液の溶液粘度(A)は高すぎない、すなわちNMPに対する溶解性が低すぎない(アセトンに対する溶解性が高すぎない)ため、高い弾性率が得られやすい。比(A)/(B)は、1以上10以下であることがさらに好ましい。
接着性樹脂粒子の平均粒子径は、特に制限されないが、10nm〜1μmであることが好ましく、50〜500nmであることがより好ましく、70〜300nmであることがさらに好ましい。
接着性樹脂の融点は、特に制限されないが、90℃以上であることが好ましく、100℃以上であることがより好ましく、105℃以上であることがさらに好ましい。
懸濁重合法で得られる接着性樹脂のインヘレント粘度(ηi)は、塗工性の観点から、0.50〜5.0dl/gであることが好ましく、1.0〜4.0dl/gであることがより好ましく、1.0〜3.5dl/gであることがさらに好ましい。
接着性樹脂(フッ化ビニリデン共重合体(a)を含む樹脂)は、フッ化ビニリデンとそれと共重合可能な単量体とを、乳化重合法および懸濁重合法を含む公知の重合方法で重合させる工程を経て得ることができる。
乳化重合法では、前述の各モノマーが難溶の液性媒体、各モノマー、乳化剤、および必要に応じて連鎖移動剤を混合して得られる混合液に、さらに液性媒体に溶解性の重合開始剤を加えて、モノマーを重合させる。
懸濁重合法は、油溶性の重合開始剤を各モノマーに溶解させて得られるモノマー分散液を、懸濁剤、連鎖移動剤、安定剤および分散剤などを含む水中で機械的に攪拌しつつ加温することにより、モノマーを懸濁および分散させつつ、懸濁したモノマーによる液滴の中で重合反応を生じさせる。懸濁重合法では、典型的には、モノマーによる液滴のそれぞれの内部でのみ重合反応が生じ、モノマーによる液滴のそれぞれが重合体の微粒子となるため、得られる重合体の微粒子の粒径および粒径分布などを制御しやすい。
フッ化ビニリデン共重合体(a)を含むコアシェル型粒子は、逐次重合法により得ることができる。例えば、フッ化ビニリデン共重合体(a)からなるコア部と、フッ化ビニリデン重合体(b)からなるシェル部とを有するコアシェル型粒子は、例えばフッ化ビニリデンと、フッ化ビニリデンと共重合可能な単量体とを共重合させて、フッ化ビニリデン共重合体(a)からなるコア部を形成する工程、および得られたコア部の周囲に、少なくともフッ化ビニリデンを重合させて、フッ化ビニリデン共重合体(b)からなるシェル部を形成する工程、を経て製造することができる。
フッ化ビニリデン共重合体(a)からなる傾斜型粒子は、フッ化ビニリデンと、フッ化ビニリデンと共重合可能な単量体とを重合させる工程を経て得ることができる。重合は、前述と同様に、乳化重合法または懸濁重合法などの公知の重合方法で行うことができる。
接着性組成物は、接着性樹脂以外の他の成分をさらに含んでいてもよい。他の成分の例には、水溶性高分子や無機フィラー、有機フィラー、溶媒(分散媒および各種添加剤が含まれる。
本発明のセパレータ構造体は、セパレータと、その少なくとも一方の表面に設けられた接着性組成物層とを有する。
セパレータの材質は、特に限定されないが、その例には、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂;ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル樹脂;芳香族ポリアミド樹脂;ポリエーテルイミドなどのポリイミド系樹脂;ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、ポリスチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、セラミックス等、およびこれらの混合物からなる単層または多層の多孔膜が含まれる。中でも、シャットダウン機能やメルトダウン機能に優れる観点などから、ポリオレフィン樹脂(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン)の多孔膜が好ましい。
接着性組成物層は、セパレータの少なくとも一方の表面に設けられている。接着性組成物層は、少なくとも前述の接着性組成物を用いて得られる層であり、必要に応じて他の成分をさらに含んでもよい。
電極構造体は、電極と、その表面に設けられた接着性組成物層とを有する。
電極は、集電体と、その表面に設けられた電極活物質層とを有する。電極は、正極であってもよいし、負極であってもよい。
負極用の集電体の例には、銅が含まれる。銅は、金属銅でもよいが、他の媒体の表面に銅箔を施したものでもよい。
電極活物質層は、電極活物質と、結着剤とを含み、必要に応じて導電助剤をさらに含みうる。
接着性組成物層は、前述の接着性組成物を用いて得られる層であり、電極上に設けられている。接着性組成物層の構成および形成方法は、前述の接着性組成物層の構成および形成方法と同様である。
本発明の非水電解質二次電池は、正極と、負極と、それらの間に配置されたセパレータと、セパレータと正極との間およびセパレータと負極との間の少なくとも一方に設けられた接着性組成物層とを有する。
<重合体粒子1(コアシェル型粒子)の調製>
(1)コア部の重合
オートクレーブにイオン交換水333質量部、中性バッファとしてピロリン酸ナトリウム0.53質量部を入れ、30分間窒素バブリングによって脱気を行った。次に、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)1.3質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.125質量部、フッ化ビニリデン(VDF)20質量部、クロロトリフルオロエチレン(CTFE)30質量部をモノマー用チャージポットに入れた。このモノマー混合物の一部27質量部を上記オートクレーブ中に一括添加した。これを撹拌しながら、80℃に昇温後、5質量%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液を、APS換算で0.07質量部に相当する量を入れて、重合を開始した。反応開始後、圧力が2%以上降下したところで、残りのモノマー混合物23質量部を圧力が一定になるように連続添加した。圧力が1.5MPaまで低下したところで重合を終了し、フッ化ビニリデン共重合体(a−1)からなるコア部を得た。得られたコア部の平均粒子径は、98nmであった。
予め、モノマーチャージ用ポットに、フッ化ビニリデン(VDF)50質量部、および酢酸エチル0.125質量部を計量し、モノマー混合物を準備した。上記のコア部乳化重合に続けて、80℃において、上記モノマー混合物を缶内圧力が維持されるように連続供給し、重合を行った。モノマー添加終了後、缶内圧力が2.5MPaに降圧したところで、シェル部の重合を完了し、フッ化ビニリデン重合体(b−1)からなるシェル部を形成した。得られたコアシェル型の重合体粒子1(接着性樹脂粒子)の平均粒子径は135nmであった。
(1)コア部の重合
オートクレーブに、イオン交換水330質量部を入れ、30分間の窒素バブリングによって脱気を行った。次に、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)1.0質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.05質量部、フッ化ビニリデン(VDF)10質量部、およびヘキサフルオロプロピレン(HFP)30質量部を、上記オートクレーブ中に一括添加した。これを撹拌しながら、80℃に昇温後、5質量%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液を、APS換算で0.1質量部に相当する量を入れて、重合を開始した。この時の缶内圧力は2.6MPaであった。反応開始後、2.5MPaまで圧力が降下したところで、架橋性モノマーとしてパーフルオロジビニルエーテル(PFDVE)を1質量部投入し、その後、フッ化ビニリデン(VDF)60質量部を、缶内圧力が2.5MPaで維持するように連続添加した。圧力が1.5MPaまで低下したところで重合を終了し、フッ化ビニリデン共重合体(a−2)からなるコア部の粒子を得た。得られた粒子の平均粒子径は158nmであった。
オートクレーブにイオン交換水700質量部、リン酸水素二ナトリウム0.5質量部を入れ、30分間の窒素バブリングによって脱気を行った。次に、水分散したコア部の粒子100質量部、PFOA0.5質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.05質量部、フッ化ビニリデン(VDF)100質量部を上記オートクレーブ中に一括添加した。撹拌下で80℃に昇温後、5wt%APS水溶液をAPS換算で0.1質量部に相当する量を入れて重合を開始した。この時の缶内圧力は4.1MPaであった。反応開始後、1.5MPaまで圧力が降下したところでシェル部の重合を完了とし、フッ化ビニリデン重合体(b−1)からなるシェル部を形成し、コアシェル型の重合体粒子2を得た。得られた粒子の平均粒子径は199nmであった。
(1)コア部の重合
オートクレーブにイオン交換水333質量部、中性バッファとしてピロリン酸ナトリウム0.53質量部を入れ、30分間窒素バブリングによって脱気を行った。次に、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)1.33質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.25質量部、フッ化ビニリデン(VDF)29質量部、クロロトリフルオロエチレン(CTFE)21質量部、架橋性モノマーとしてパーフルオロジビニルエーテル(PFDVE)0.5質量部をモノマー用チャージポットに入れた。このモノマー混合物の一部27質量部を上記オートクレーブ中に一括添加した。これを撹拌しながら、80℃に昇温後、5質量%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液を、APS換算で0.07質量部に相当する量を入れて、重合を開始した。反応開始後、圧力が2%以上降下したところで、残りのモノマー混合物23質量部を圧力が一定になるように連続添加した。圧力が1.5MPaまで低下したところで重合を終了し、フッ化ビニリデン重合体(a−3)からなるコア部の乳化重合を終了した。得られたコア部の粒子の平均粒子径は、97nmであった。
予め、モノマーチャージ用ポットに、フッ化ビニリデン(VDF)50質量部、および酢酸エチル0.25質量部を計量し、モノマー混合物を準備した。上記のコア部乳化重合に続けて、80℃において、上記モノマー混合物を缶内圧力が3.2MPaに維持されるように連続供給し、重合を行った。モノマー添加終了後、缶内圧力が2.5MPaに降圧したところで、シェル部の重合を完了とし、フッ化ビニリデン重合体(b−2)からなるシェル部を形成し、コアシェル型の重合体粒子3を得た。得られた粒子の平均粒子径は132nmであった。
(1)コア部の重合
オートクレーブにイオン交換水333質量部、中性バッファとしてピロリン酸ナトリウム0.53質量部を入れ、30分間窒素バブリングによって脱気を行った。次に、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)1.33質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.25質量部、フッ化ビニリデン(VDF)15質量部、クロロトリフルオロエチレン(CTFE)35質量部をモノマー用チャージポットに入れた。このモノマー混合物の一部27質量部を上記オートクレーブ中に一括添加した。これを撹拌しながら、80℃に昇温後、5質量%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液を、APS換算で0.06質量部に相当する量を入れて、重合を開始した。反応開始後、圧力が2%以上降下したところで、残りのモノマー混合物23質量部を圧力が一定に維持するように連続添加した。圧力が1.5MPaまで低下したところで重合を終了し、フッ化ビニリデン共重合体(a−4)からなるコア部の粒子を得た。得られたコア部の粒子の平均粒子径は94nmであった。
予め、モノマーチャージ用ポットに、フッ化ビニリデン(VDF)50質量部、および酢酸エチル0.25質量部を計量し、モノマー混合物を準備した。上記のコア部乳化重合に続けて、80℃において、上記モノマー混合物を缶内圧力が3.2MPaに維持されるように連続供給し、重合を行った。モノマー添加終了後、缶内圧力が2.5MPaに降圧したところで、シェル部の重合を完了とし、フッ化ビニリデン重合体(b−1)からなるシェル部を形成し、コアシェル型の重合体粒子4を得た。得られた粒子の平均粒子径は153nmであった。
オートクレーブに、イオン交換水330質量部、リン酸水素二ナトリウム0.2質量部を入れ、30分間の窒素バブリングによって脱気を行った。次に、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)1.0質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。フッ化ビニリデン(VDF)18.0質量部とヘキサフルオロプロピレン(HFP)7.0質量部を、上記オートクレーブ中に一括添加した。これを撹拌しながら80℃に昇温後、5質量%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液を、APS換算で0.06質量部に相当する量を入れて、重合を開始した。この時の缶内圧力は、2.6MPaであった。反応開始後、2.5MPaまで圧力が降下したところで、フッ化ビニリデン(VDF)75.0質量部を、缶内圧力が2.5MPaで維持するように連続添加した。圧力が1.5MPaまで低下したところで重合を終了し、フッ化ビニリデン共重合体(a−5)からなる重合体粒子5を得た。得られた粒子の平均粒子径は146nmであった。
(1)PVDF/HFP共重合体の調製
内容量14リットルのオートクレーブに、イオン交換水8271g、メチルセルロース(信越化学社製、SM−100)1.61g、ジイソプロピルパーオキシジカーボネート(IPP)12.9g、フッ化ビニリデン(VDF)2936g、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)290gを仕込み、29℃で重合させた。重合終了後、重合体スラリーを95℃で60分間熱処理した後、脱水、水洗し、さらに80℃で20時間乾燥して、フッ化ビニリデン共重合体(a−6)(フッ化ビニリデン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体)からなる重合体粒子6を得た。得られた粒子の平均粒子径は170μmであった。
得られた共重合体(PVDF/HFP)を、NMPに5質量%入れ、室温で撹拌しながら50℃に昇温して、完全に溶解させた。これに、共重合体(PVDF/HFP)に対して1質量%の水酸化リチウムを加え、50℃で3時間撹拌した。この溶液を用いて、重合体粒子6のNMP溶液の濁度および粘度、剥離強度を測定した。
得られた共重合体(PVDF/HFP)を、アセトンに10質量%入れ、室温で撹拌しながら分散させ、その後、ウォーターバス中で45℃に昇温して、溶解させた。これに、共重合体(PVDF/HFP)に対して1質量%の水酸化リチウムを加え、50℃で3時間撹拌した。この溶液を用いて、重合体粒子6のアセトン溶液の濁度および粘度を測定した。
オートクレーブにイオン交換水330質量部、中性バッファとしてリン酸水素二ナトリウム0.25質量部を入れ、30分間の窒素バブリングによって脱気を行った。次に、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)1.0質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.2質量部、フッ化ビニリデン(VDF)24.7質量部とヘキサフルオロプロピレン(HFP)10.0質量部を上記オートクレーブ中に一括添加した。撹拌下で80℃に昇温後、5質量%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液をAPS換算で0.06質量部に相当する量を入れて重合を開始した。反応開始後、圧力が2%以上低下した後に、パーフルオロジビニルエーテル(PFDVE)2質量部とフッ化ビニリデン(VDF)63.3質量部とを缶内圧力が一定になるように連続添加した。圧力が1.5MPaまで低下したところで重合を終了し、フッ化ビニリデン共重合体(a−7)からなる重合体粒子7を得た。得られた粒子の平均粒子径は154nmであった。
内容量14リットルのオートクレーブに、イオン交換水8230g、メチルセルロース(信越化学社製、SM−100)0.96g、ジ−n−プロピルパーオキシジカーボネート27.48g、フッ化ビニリデン(VDF)3146g、およびヘキサフルオロプロピレン(HFP)64gを仕込み、29℃で重合させた。重合終了後、重合体スラリーを95℃で60分間熱処理した後、脱水、水洗し、さらに80℃で20時間乾燥させて、フッ化ビニリデン共重合体(c−1)(フッ化ビニリデン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体)からなる重合体粒子8を得た。得られた粒子の平均粒子径は173μmであった。
オートクレーブにイオン交換水330質量部、リン酸水素二ナトリウム0.2質量部を入れ、30分間の窒素バブリングによって脱気を行った。次に、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)0.7質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。フッ化ビニリデン(VDF)8.0質量部とヘキサフルオロプロピレン(HFP)47.0質量部を、上記オートクレーブ中に一括添加した。これを撹拌しながら80℃に昇温後、5質量%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液を、APS換算で0.06質量部に相当する量を入れて、重合を開始した。この時の缶内圧力は、3.83MPaであった。反応開始後、2.5MPaまで圧力が降下したところで、フッ化ビニリデン(VDF)45.0質量部を、缶内圧力が2.5MPaで維持するように連続添加した。圧力が1.5MPaまで低下したところで重合を終了し、フッ化ビニリデン共重合体(c−2)からなる重合体粒子9を得た。得られた粒子の平均粒子径は187nmであった。
内容量14リットルのオートクレーブに、イオン交換水8271g、メチルセルロース(信越化学社製、SM−100)1.61g、ジイソプロピルパーオキシジカーボネート12.9g、フッ化ビニリデン2903g、ヘキサフルオロプロピレン323gを仕込み、29℃で重合した。重合終了後、重合体スラリーを95℃で60分間熱処理した後、脱水、水洗し、さらに80℃で20時間乾燥して、フッ化ビニリデン共重合体(c−3)(フッ化ビニリデン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体)からなる重合体粒子10を得た。得られた粒子の平均粒子径は165μmであった。
オートクレーブに、イオン交換水330質量部、リン酸水素二ナトリウム0.2質量部を入れ、30分間の窒素バブリングによって脱気を行った。次に、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)1.0質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.25質量部、フッ化ビニリデン(VDF)23.7質量部とヘキサフルオロプロピレン(HFP)8質量部を、上記オートクレーブ中に一括添加した。これを撹拌しながら80℃に昇温後、5質量%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液を、APS換算で0.06質量部に相当する量を入れて、重合を開始した。この時の缶内圧力は、3.3MPaであった。反応開始後、2.5MPaまで圧力が降下したところで、パーフルオロジビニルエーテル(PFDVE)を5質量部投入し、その後、フッ化ビニリデン(VDF)63.3質量部を、缶内圧力が2.5MPaで維持するように連続添加した。圧力が1.5MPaまで低下したところで重合を終了し、フッ化ビニリデン共重合体(c−4)からなる重合体粒子11を得た。得られた粒子の平均粒子径は、152nmであった。
オートクレーブにイオン交換水330質量部、リン酸水素二ナトリウム0.2質量部を入れ、30分間の窒素バブリングによって脱気を行った。次に、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)1.0質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.25質量部、フッ化ビニリデン(VDF)28.7質量部とヘキサフルオロプロピレン(HFP)8.0質量部を上記オートクレーブ中に一括添加した。撹拌下で80℃に昇温後、5質量%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液をAPS換算で0.06質量部に相当する量を入れて、重合を開始した。この時の缶内圧力は、3.83MPaであった。反応開始後、2.5MPaまで圧力が降下したところで、フッ化ビニリデン(VDF)63.3質量部を、缶内圧力が2.5MPaで維持するように連続添加した。圧力が1.5MPaまで低下したところで重合を終了し、フッ化ビニリデン共重合体(c−5)からなる重合体粒子12を得た。得られた粒子の平均粒子径は187nmであった。
オートクレーブにイオン交換水250質量部、中性バッファであるピロリン酸ナトリウム0.2質量部を入れ、30分間窒素バブリングによって脱気を行った。次に、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)1.0質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.5質量部、フッ化ビニリデン(VDF)80質量部、クロロトリフルオロエチレン(CTFE)20質量部、パーフルオロジビニルエーテル(PFDVE)1質量部をモノマー用チャージポットに入れた。このモノマー混合物の一部20質量部を上記オートクレーブ中に一括添加した。これを撹拌しながら、80℃に昇温後、5質量%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液を、APS換算で0.08質量部に相当する量を入れて、重合を開始した。反応開始後、ただちに残りのモノマー混合物80質量部を圧力が一定に維持するように連続添加した。圧力が1.3MPaまで低下したところで重合を終了し、フッ化ビニリデン共重合体(c−6)からなる重合体粒子13を得た。得られた粒子の平均粒子径は154nmであった。
(1)コア部の重合
オートクレーブにイオン交換水333質量部、中性バッファであるピロリン酸ナトリウム0.53質量部を入れ、30分間窒素バブリングによって脱気を行った。次に、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)1.33質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.53質量部、フッ化ビニリデン(VDF)18質量部、クロロトリフルオロエチレン(CTFE)12質量部、パーフルオロジビニルエーテル(PFDVE)0.3質量部をモノマー用チャージポットに入れた。このモノマー混合物の一部27質量部を上記オートクレーブ中に一括添加した。これを撹拌しながら、80℃に昇温後、5質量%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液を、APS換算で0.07質量部に相当する量を入れて、重合を開始した。反応開始後、ただちに残りのモノマー混合物3質量部を圧力が2.6MPaに維持するように連続添加した。圧力が1.5MPaまで低下したところで重合を終了し、フッ化ビニリデン共重合体(a−8)からなるコア部の乳化重合を終了した。得られた粒子の平均粒径は88nmであった。
予め、モノマーチャージ用ポットに、フッ化ビニリデン(VDF)70質量部、および酢酸エチル0.35質量部を計量し、モノマー混合物を準備した。上記のコア部乳化重合に続けて、80℃において、上記モノマー混合物を缶内圧力が3.2MPaに維持されるように連続供給し、重合を行った。モノマー添加終了後、缶内圧力が2.7MPaに降圧したところで、シェル部の重合を完了とした。そして、40℃まで冷却後、残存モノマーをパージし、フッ化ビニリデン重合体(b−2)からなるシェル部を形成し、コアシェル型の重合体粒子14を得た。得られた粒子の平均粒子径は133nmであった。
オートクレーブにイオン交換水330質量部、中性バッファとしてリン酸水素二ナトリウム0.2質量部を入れ、30分間の窒素バブリングによって脱気を行った。次に、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)1.0質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.25質量部、フッ化ビニリデン(VDF)27.7質量部とヘキサフルオロプロピレン(HFP)8.0質量部を上記オートクレーブ中に一括添加した。撹拌下で80℃に昇温後、5wt%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液をAPS換算で0.1質量部に相当する量を入れて重合を開始した。この時の缶内圧力は3.5MPaであった。反応開始後、2.5MPaまで圧力が降下したところで、パーフルオロジビニルエーテル(PFDVE)を1質量部投入し、その後、フッ化ビニリデン63.3質量部を缶内圧力が2.5MPaで維持するように連続添加した。圧力が1.5MPaまで低下したところで重合を終了し、フッ化ビニリデン共重合体(c−7)からなる重合体粒子15を得た。得られた粒子の平均粒子径は98nmであった。
(1)コア部の重合
オートクレーブに、イオン交換水330質量部を入れ、30分間の窒素バブリングによって脱気を行った。次に、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)1.0質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.05質量部、フッ化ビニリデン(VDF)10質量部、およびヘキサフルオロプロピレン(HFP)30質量部を、上記オートクレーブ中に一括添加した。これを撹拌しながら、80℃に昇温後、5質量%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液を、APS換算で0.1質量部に相当する量を入れて、重合を開始した。この時の缶内圧力は2.5MPaであった。反応開始後、2.0MPaまで圧力が降下したところで、フッ化ビニリデン(VDF)60質量部を、缶内圧力が2.0MPaで維持するように連続添加した。圧力が1.5MPaまで低下したところで重合を終了し、フッ化ビニリデン共重合体(a−9)からなるコア部の粒子を得た。得られた粒子の平均粒子径は160nmであった。
オートクレーブにイオン交換水700質量部、リン酸水素二ナトリウム0.5質量部を入れ、30分間の窒素バブリングによって脱気を行った。次に、水分散したコア部の粒子100質量部、PFOA0.5質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.05質量部、フッ化ビニリデン(VDF)100質量部を上記オートクレーブ中に一括添加した。撹拌下で80℃に昇温後、5wt%APS水溶液をAPS換算で0.1質量部に相当する量を入れて重合を開始した。この時の缶内圧力は4.0MPaであった。反応開始後、1.5MPaまで圧力が降下したところでシェル部の重合を完了とし、フッ化ビニリデン共重合体(b−1)からなるシェル部を形成し、コアシェル型の重合体粒子16を得た。得られた粒子の平均粒子径は203nmであった。
オートクレーブに、イオン交換水330質量部を入れ、30分間の窒素バブリングによって脱気を行った。次に、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)0.7質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.1質量部、フッ化ビニリデン(VDF)14.7質量部、およびヘキサフルオロプロピレン(HFP)22質量部を、上記オートクレーブ中に一括添加した。これを撹拌しながら、80℃に昇温後、5質量%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液を、APS換算で0.06質量部に相当する量を入れて、重合を開始した。この時の缶内圧力は3.7MPaであった。反応開始後、2.5MPaまで圧力が降下したところで、フッ化ビニリデン(VDF)63.3質量部を、缶内圧力が2.5MPaで維持するように連続添加した。圧力が1.5MPaまで低下したところで重合を終了し、フッ化ビニリデン共重合体(a−10)からなる重合体粒子17を得た。得られた粒子の平均粒子径は175nmであった。
オートクレーブに、イオン交換水330質量部を入れ、30分間の窒素バブリングによって脱気を行った。次に、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)0.7質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.1質量部、フッ化ビニリデン(VDF)9.7質量部、およびヘキサフルオロプロピレン(HFP)27質量部を、上記オートクレーブ中に一括添加した。これを撹拌しながら、80℃に昇温後、5質量%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液を、APS換算で0.06質量部に相当する量を入れて、重合を開始した。この時の缶内圧力は3.7MPaであった。反応開始後、2.5MPaまで圧力が降下したところで、フッ化ビニリデン(VDF)63.3質量部を、缶内圧力が2.5MPaで維持するように連続添加した。圧力が1.5MPaまで低下したところで重合を終了し、フッ化ビニリデン共重合体(a−11)からなる重合体粒子18を得た。得られた粒子の平均粒子径は183nmであった。
オートクレーブに、イオン交換水330質量部を入れ、30分間の窒素バブリングによって脱気を行った。次に、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)0.7質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.1質量部、フッ化ビニリデン(VDF)9.5質量部、およびヘキサフルオロプロピレン(HFP)27.3質量部を、上記オートクレーブ中に一括添加した。これを撹拌しながら、80℃に昇温後、5質量%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液を、APS換算で0.06質量部に相当する量を入れて、重合を開始した。この時の缶内圧力は2.6MPaであった。反応開始後ただちに、フッ化ビニリデン(VDF)63.4質量部を、缶内圧力が2.6MPaで維持するように連続添加した。圧力が1.5MPaまで低下したところで重合を終了し、フッ化ビニリデン共重合体(c−8)からなる重合体粒子19を得た。得られた粒子の平均粒子径は213nmであった。
得られた重合体粒子の融点は、フィルムの形態で測定した。フィルムは、以下の方法で作製した。すなわち、剥離剤を噴霧した2枚のアルミ箔の間に、縦5cm×横5cm×厚み150μmの鋳型と重合体粒子約1gを挟み、200℃でプレスした。得られたフィルムを用いて、フッ化ビニリデン共重合体の融点を、DSC(METTLER社製「DSC−1」)を用いてASTM d 3418に準拠して測定した。
(アセトン溶液の調製)
得られた重合体粒子を、アセトンに溶解させた。具体的には、重合体粒子を、溶液中のポリマー濃度が10質量%になるように添加し、常温でアセトン中に分散させた後、45℃のウォーターバス中で撹拌して、フッ化ビニリデン共重合体を溶解させた。
得られたアセトン溶液の粘度を、E型粘度計で測定した。具体的には、アセトン溶液1.1mlを粘度計(東機産業株式会社製RE550型粘度計)の測定部に入れ、コーンロータ1°34’×R24、回転数10rpm、測定時間300秒、測定温度25℃で測定を行った。300秒経過時点での粘度をアセトン溶液粘度とした。
(NMP溶液の調製)
得られた重合体粒子を、NMPに溶解させた。具体的には、重合体粒子を、溶液中のポリマー濃度が5質量%になるように添加し、常温でNMP中に分散させた後、ホットスターラーを用いて50℃で撹拌して、当該重合体粒子を溶解させた。
(NMP溶液の調製)
前述と同様の方法で、NMP溶液を得た。
得られたNMP溶液の粘度を、前述のアセトン溶液の溶液粘度(A)の測定方法と同様の方法で測定した。
懸濁重合法で得られた重合体粒子(重合体粒子6、8および10)について、インヘレント粘度を測定した。具体的には、得られた重合体粒子80mgを、20mLのDMFに溶解させて、溶液を得た。得られた溶液とDMFのそれぞれについて、30℃の恒温槽内における粘度を、ウベローテ粘度計を用いて測定し、以下の式によりインヘレント粘度を算出した。
ηi=(1/C)・ln(η/η0)
ηは、測定された溶液の粘度、η0は、測定されたDMFの粘度、Cは、溶液におけるフッ化ビニリデン共重合体を含む粒子の濃度であり、ここでは0.4(g/dl)である。
乳化重合法で得られた重合体粒子(重合体粒子1〜5、7、9および11〜19)について、平均粒子径を動的光散乱法の正則化解析によって算出した。具体的には、BECKMAN COULTER社製「DelsaMaxCORE」を使用し、JIS Z 8828に準拠して重合体粒子の粒子径を測定し、正則化解析によって得られる大小2つのピークのうち、大きいピークを平均粒子径とした。
一方、懸濁重合によって重合体粒子を得た場合は、粉体化した重合体粒子3000個を撮影し、撮影された各粒子が円形であったと仮定した場合の粒子の粒径の平均値を平均粒径とした。
〔実施例1〜10、比較例1〜9〕
表1および2に示される重合体粒子(接着性樹脂粒子)を、溶液中のポリマー濃度が5質量%になるようにNMPに分散させて、接着性組成物を得た。
(1)セパレータ構造体の作製
接着性組成物を、セパレータ(ポリエチレン製単層セパレータ、厚み20μm、気孔度40%、透気度300sec、引張強度(MD)150MPa、(TD)130MPa、引張伸度(MD)50%、(TD)100%)の片面に、ウェット塗布量24μm(番手12)のワイヤーバーを用いて、塗布した後、23±2℃の凝固浴(水)に3分間浸漬した。その後、洗浄液(水)に1分間浸漬し、70℃で30分間、窒素下で乾燥させた。さらに、60℃で3時間、真空中で熱処理して、厚み2μmの接着性組成物層を有するセパレータ構造体を得た。
負極活物質としてBTR918(改質天然黒鉛 BTR製)95質量部、導電助剤(SuperPTIMCAL製)2質量部、結着剤としてSBR(スチレンブタジエンゴム)ラテックス(BM−400日本ゼオン製)2質量部、増粘剤としてCMC(カルボキシメチルセルロース)(セロゲン4H 第一工業製薬製)1質量部に水を加えてスラリーを作製し、銅箔(厚さ10μm)に塗布した。塗布したスラリーを乾燥させた後、プレスし、150℃で3時間熱処理した。これにより、電極嵩密度が1.6g/cm3、目付け量が60g/m2の負極活物質層を形成し、負極を得た。
得られた負極を、2.5×5.0cmに切り出した。また、上記作製したセパレータを3.0×6.0cmに切り出した。得られた負極とセパレータとを積層し、Alラミネートフィルムの袋に入れた。Alラミネートフィルムの袋に入れた当該積層物に、電解液(エチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)=3/7(質量比)、LiPF6:1.2M、VC:1質量%)を180μL注入し、浸み込ませた後、真空脱気して封止し、一晩静置した。
得られたAlラミネートセルを熱プレスして、セパレータ上の接着性組成物層と負極とを熱融着させて、剥離強度測定用サンプルを得た。具体的には、得られたAlラミネートセルを、1分間予熱した後、50℃で2分間、面圧約4MPaで熱プレスして、以下の方法で剥離強度を測定した。
そして、熱プレス温度を50〜110℃の範囲で変えて、同様の測定を繰り返した。具体的には、各熱プレス温度ごとに3つのサンプルを準備して剥離強度を測定し、それらの平均値を「各熱プレス温度での剥離強度」とした。そして、熱プレス温度を50〜110℃の範囲で変えて同様の測定を繰り返したときの、「各熱プレス温度での剥離強度」の最大値を「剥離強度」とした。
剥離強度測定用サンプルの作製と同様にして、Alラミネートセルを作製した。得られたAlラミネートセルを、任意の温度で1分間の余熱した後、2分間、面圧約4MPaで熱プレスして、セパレータ上の接着性組成物層と負極とを熱融着させて、剥離強度測定用サンプルを得た。得られた剥離強度測定用サンプルについて、前述と同様の方法で剥離強度を測定した。これらの一連の操作を、熱プレス温度を50〜110℃の範囲で段階的に高くしながら繰り返し行い、剥離強度が1.0gf/mm以上となる温度域(接着可能温度域、プロセスウィンドウ)を求めた。
Claims (15)
- 非水電解質二次電池のセパレータまたは電極の表面に設けられる、接着性樹脂と溶媒とを含む接着性組成物であって、
前記接着性樹脂は、フッ化ビニリデンに由来する構成単位と、前記フッ化ビニリデンと共重合可能な単量体に由来する構成単位とを含むフッ化ビニリデン共重合体(a)を少なくとも1種含み、
前記接着性樹脂を、溶液中の濃度が5質量%となるようにN−メチル−2−ピロリドンに溶解させたときの濁度が2以上95以下であり、かつ前記接着性樹脂を、溶液中の濃度が10質量%となるようにアセトンに溶解させたときの溶液粘度(A)が350〜20000mPa・sであり、
前記接着性樹脂を、溶液中の濃度が5質量%となるようにN−メチル−2−ピロリドンに溶解させたときの溶液粘度(B)に対する前記溶液粘度(A)の比(A)/(B)が1以上15以下であり、
前記溶媒は、接着性組成物の全質量を100質量部としたとき、30〜99質量部であり、
前記フッ化ビニリデンと共重合可能な単量体が、フッ化ビニル、トリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン(CTFE)、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、エチレン、プロピレン、アクリル酸、メタクリル酸、2−カルボキシエチルアクリレート、2−カルボキシエチルメタクリレート、マレイン酸、シトラコン酸、マレイン酸モノメチルエステル、マレイン酸モノエチルエステル、シトラコン酸モノメチルエステル、シトラコン酸モノエチルエステル、アクリロイルオキシエチルコハク酸、アクリロイロキシプロプルコハク酸、メタクリロイロキシエチルコハク酸およびメタクリロイロキシプロピルコハク酸からなる群から選択される少なくとも1つの単量体である、
接着性組成物。 - 前記接着性樹脂は、前記フッ化ビニリデン共重合体(a)を含む粒子であり、
前記粒子の平均粒子径は、10nm〜1μmである、
請求項1に記載の接着性組成物。 - 前記粒子は、前記フッ化ビニリデン共重合体(a)からなるコア部と、前記コア部の周囲を取り囲み、かつ前記コア部よりもフッ化ビニリデンの比率が高いフッ化ビニリデン重合体(b)からなるシェル部とを含むコアシェル型粒子であり、
前記コアシェル型粒子に含まれる全てのモノマー量を100質量%としたとき、前記フッ化ビニリデンの含有量は97質量%以下である、
請求項2に記載の接着性組成物。 - 前記フッ化ビニリデン共重合体(a)は、架橋されていない、
請求項3に記載の接着性組成物。 - 前記フッ化ビニリデン重合体(b)は、架橋されていない、
請求項3または4に記載の接着性組成物。 - 前記フッ化ビニリデン重合体(b)は、カルボキシル基含有モノマーに由来する構造単位をさらに含む、
請求項3〜5のいずれか一項に記載の接着性組成物。 - 前記フッ化ビニリデンと共重合可能な単量体は、クロロトリフルオロエチレンおよびヘキサフルオロプロピレンの少なくとも一方である、
請求項1〜6のいずれか一項に記載の接着性組成物。 - 前記接着性樹脂の融点は、90℃以上である、
請求項1〜7のいずれか一項に記載の接着性組成物。 - セパレータと、
その少なくとも一方の表面に設けられた、請求項1〜8のいずれか一項に記載の接着性組成物を用いて得られる接着性組成物層とを有する、
セパレータ構造体。 - 集電体と、前記集電体上に設けられた電極活物質を含む電極活物質層とを有する電極と、
前記電極活物質層の表面に設けられた、請求項1〜8のいずれか一項に記載の接着性組成物を用いて得られる接着性組成物層とを有する、
電極構造体。 - 正極と、負極と、それらの間に配置されたセパレータと、前記セパレータと前記正極との間および前記セパレータと前記負極との間の少なくとも一方に設けられた、請求項1〜8のいずれか一項に記載の接着性組成物を用いて得られる接着性組成物層とを有する、
非水電解質二次電池。 - 正極と、負極と、それらの間に配置されたセパレータと、前記セパレータと前記正極との間および前記セパレータと前記負極との間の少なくとも一方に設けられた、請求項1〜8のいずれか一項に記載の接着性組成物を用いて得られる接着性組成物層とを有する積層物を得る工程と、
前記積層物を、前記接着性組成物を介して前記セパレータと前記正極とを接着させ、および/または、前記セパレータと前記負極とを接着させる工程とを含む、
非水電解質二次電池の製造方法。 - 前記接着させる工程は、40〜180℃で加熱することにより行われる、
請求項12に記載の非水電解質二次電池の製造方法。 - 前記接着させる工程は、40〜180℃の熱プレスにより行われる、
請求項12に記載の非水電解質二次電池の製造方法。 - 前記接着させる工程は、前記積層物に電解液を含浸させた後に行う、請求項12〜14のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
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