JP7207317B2 - 非水系二次電池機能層用組成物、非水系二次電池用機能層、非水系二次電池部材、および非水系二次電池 - Google Patents
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Description
特許文献1では、水溶性重合体と、非水溶性重合体と、水系媒体を含有し、所定の方法を用いて測定される曳糸性が60~85%である組成物を用いて、蓄電デバイスの正極と負極の間に配置される保護膜を作製している。そして、特許文献1によれば、上記組成物を用いて保護膜を作製することで、蓄電デバイスの充放電特性を高めることができる。
また、近年では、二次電池の更なる高性能化が求められている。具体的には、機能層を備える電池部材を用いた二次電池には、機能層の熱収縮を抑制する(即ち、耐熱収縮性を高める)ことで高温環境下における正極と負極の短絡の発生を十分に抑制して、二次電池の安全性をより一層確保することが求められている。
また、本発明は、優れた耐熱収縮性を有する非水系二次電池用機能層、当該機能層を備える非水系二次電池部材、および当該電池部材を備える非水系二次電池を提供することを目的とする。
なお、本発明において、重合体および有機粒子などの重合体よりなる成分が「単量体単位を含む」とは、「その単量体を用いて得た重合体中に単量体由来の構造単位(繰り返し単位)が含まれている」ことを意味する。ここで、重合体中におけるそれぞれの「構造単位の含有割合」および「単量体単位の含有割合」は、1H-NMRおよび13C-NMRなどの核磁気共鳴(NMR)法を用いて測定することができる。
また、本発明において、重合体が「水溶性」であるとは、25℃においてその重合体0.5gを100gの水に溶解した際に、不溶分が0.5質量%未満となることをいう。
なお、本発明において、水溶性重合体が「ノニオン性」であるとは、水溶性重合体の全繰り返し単位を100質量%とした場合、ノニオン性の繰り返し単位の含有割合が、99質量%以上100質量%以下であることをいう。
なお、本発明において、水溶性重合体の「ケン化度」は、本明細書の実施例に記載の方法を用いて測定することができる。
なお、本発明において、水溶性重合体の「重量平均分子量」は、本明細書の実施例に記載の方法を用いて測定することができる。
なお、本発明において、有機粒子の「ガラス転移温度」は、本明細書の実施例に記載の方法を用いて測定することができる。
また、本発明によれば、優れた耐熱収縮性を有する非水系二次電池用機能層、当該機能層を備える非水系二次電池部材、および当該電池部材を備える非水系二次電池を提供することができる。
ここで、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、本発明の非水系二次電池用機能層を形成する際の材料として用いられる。そして、本発明の非水系二次電池用機能層は、本発明の非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成され、例えばセパレータまたは電極の一部を構成する。また、本発明の非水系二次電池部材は、本発明の非水系二次電池用機能層を備えてなる。さらに、本発明の非水系二次電池は、少なくとも本発明の非水系二次電池部材を備えるものである。
本発明の機能層用組成物は、有機粒子と、水溶性重合体と、分散媒としての水を含有し、任意に、結着材と、無機粒子と、その他の成分を含有するスラリー状の組成物である。なお、本発明の機能層用組成物には、分散媒として、水に加えて有機溶媒が含まれていてもよい。
ここで、本発明の機能層用組成物に含まれる有機粒子は、多官能性単量体単位を20質量%以上95質量%以下の割合で含む。また、本発明の機能層用組成物に含まれる水溶性重合体は、ヒドロキシル基含有構造単位を15質量%以上100質量%以下の割合で含む。
有機粒子は、非水溶性の重合体で構成される粒子であり、主として機能層の耐熱収縮性や強度などを向上させ得る成分である。
ここで、有機粒子は、上述したように、多官能性単量体単位を20質量%以上95質量%以下の割合で含み、そして、多官能性単量体単位以外の繰り返し単位(その他の繰り返し単位)を5質量%以上80質量%以下の割合で含む。
本発明において、多官能性単量体単位を形成し得る多官能性単量体としては、
特に限定されることはなく、重合により架橋構造を形成し得る基または構造を、1分子当たり2つ以上有する単量体が用いられる。ここで、多官能性単量体の例としては、1分子あたり1つのエチレン性不飽和結合と1つ以上の熱架橋性の架橋性基を有する単量体(熱架橋性基含有単量体);1分子あたり2つ以上のエチレン性不飽和結合を有する単量体(多官能エチレン性不飽和単量体)が挙げられる。
熱架橋性の架橋性基の例としては、エポキシ基、N-メチロールアミド基、オキセタニル基、オキサゾリン基およびこれらの組み合わせが挙げられる。これらの中でも、エポキシ基が、架橋および架橋密度の調節が容易な点でより好ましい。
なお、本発明において、「(メタ)アクリル」とは、アクリルおよび/またはメタクリルを意味する。
なお、本発明において、「(メタ)アクリロイル」とは、アクリルおよび/またはメタクリルを意味する。
多官能エチレン性不飽和単量体としては、アリル(メタ)アクリレート、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、テトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパン-トリ(メタ)アクリレートなどの多官能(メタ)アクリル酸エステル単量体;
ジビニルベンゼン、ジイソプロペニルベンゼンなどの多官能芳香族ビニル単量体;
ジプロピレングリコールジアリルエーテル、ポリグリコールジアリルエーテル、トリエチレングリコールジビニルエーテル、ヒドロキノンジアリルエーテル、テトラアリルオキシエタン、トリメチロールプロパン-ジアリルエーテル、前記以外の多官能性アルコールのアリルまたはビニルエーテル、トリアリルアミン、メチレンビスアクリルアミド;などが挙げられる。
なお、本発明において、「(メタ)アクリレート」とは、アクリレートおよび/またはメタクリレートを意味する。
有機粒子に含まれるその他の繰り返し単位としては、特に限定されないが、単官能(メタ)アクリル酸エステル単量体単位、酸性基含有単量体単位が挙げられる。
単官能(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としては、メチルアクリレート、エチルアクリレート、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、イソブチルアクリレート、n-ペンチルアクリレート、イソ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、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などのアクリル酸アルキルエステル;メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、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、イソブチルメタクリレート、n-ペンチルメタクリレート、イソペンチルメタクリレート、ヘキシルメタクリレート、ヘ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、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、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などのメタクリル酸アルキルエステル;などが挙げられる。
これらは、単独で、または、2種以上を組み合わせて用いることができる。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、n-ブチルアクリレート、2-エチルヘキシルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、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がより好ましい。
酸性基含有単量体単位を形成し得る酸性基含有単量体としては、例えば、カルボン酸基含有単量体、スルホン酸基含有単量体、およびリン酸基含有単量体が挙げられる。
モノカルボン酸としては、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸などが挙げられる。
モノカルボン酸誘導体としては、2-エチルアクリル酸、イソクロトン酸、α-アセトキシアクリル酸、β-trans-アリールオキシアクリル酸、α-クロロ-β-E-メトキシアクリル酸などが挙げられる。
ジカルボン酸としては、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸などが挙げられる。
ジカルボン酸誘導体としては、メチルマレイン酸、ジメチルマレイン酸、フェニルマレイン酸、クロロマレイン酸、ジクロロマレイン酸、フルオロマレイン酸や、マレイン酸ノニル、マレイン酸デシル、マレイン酸ドデシル、マレイン酸オクタデシル、マレイン酸フルオロアルキルなどのマレイン酸モノエステルが挙げられる。
ジカルボン酸の酸無水物としては、無水マレイン酸、アクリル酸無水物、メチル無水マレイン酸、ジメチル無水マレイン酸などが挙げられる。
また、カルボン酸基含有単量体としては、加水分解によりカルボン酸基を生成する酸無水物も使用できる。
なお、本発明において、「(メタ)アリル」とは、アリルおよび/またはメタリルを意味する。
なお、本発明において、「(メタ)アクリロイル」とは、アクリロイルおよび/またはメタクリロイルを意味する。
有機粒子は、上述した単量体を含む単量体組成物を、例えば水などの水系溶媒中で重合することにより、製造し得る。この際、単量体組成物中の各単量体の含有割合は、有機粒子中の各繰り返し単位の含有割合に準じて定めることができる。
そして、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、乳化重合法などのいずれの方法も用いることができる。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などいずれの反応も用いることができる。重合に際しては、シード粒子を採用してシード重合を行ってもよい。重合条件は、重合方法などに応じて適宜調整しうる。
また、重合には、乳化剤、重合開始剤、連鎖移動剤などの既知の添加剤を使用することができ、その使用量も、一般に使用される量とする。
上述のようにして得られる有機粒子の体積平均粒子径は、50nm以上であることが好ましく、100nm以上であることがより好ましく、500nm以下であることが好ましく、400nm以下であることがより好ましい。有機粒子の体積平均粒子径が50nm以上であれば、有機粒子の比表面積が低減されることで有機粒子に由来する二次電池への持ち込み水分量を低下させて、二次電池のサイクル特性を向上させることができる。一方、有機粒子の体積平均粒子径が500nm以下であれば、機能層用組成物の塗布安定性を高めると共に、機能層を緻密化して耐熱収縮性を更に向上させることができる。
なお、有機粒子の体積平均粒子径は、有機粒子の調製に用いる重合開始剤、連鎖移動剤、および/または乳化剤の種類および量などを変更することにより、調整することができる。
また、上述のようにして得られる有機粒子のガラス転移温度は、100℃以上であることが好ましく、110℃以上であることがより好ましく、150℃以上であることがより好ましく、200℃以上であることが更に好ましい。有機粒子のガラス転移温度が100℃以上であれば、機能層の耐熱収縮性を更に向上させることができる。また、有機粒子のガラス転移温度の上限は特に限定されないが、通常500℃以下である。
なお、有機粒子のガラス転移温度は、有機粒子の調製に用いる単量体の種類や割合などを変更することにより、調整することができる。
水溶性重合体は、主として機能層用組成物の塗布安定性およびスラリー安定性の向上に寄与し得る成分である。従来から、有機粒子などの非導電性粒子を水中に含んでなる機能層用組成物を基材上に良好に塗布すべく、カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩などが使用されている。しかしながら、本発明者らの検討によれば、カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩を用いると、機能層用組成物中の有機粒子が凝集することで沈降するなど、スラリー安定性が損なわれる場合があった。このスラリー安定性の低下は、有機粒子の体積平均粒子径が比較的小さい(例えば、500nm以下である)場合に特に顕著に見られた。これに対し、ヒドロキシル基含有構造単位を15質量%以上100質量%以下の割合で含む水溶性重合体を用いれば、上述した所定の有機粒子を含む機能層用組成物のスラリー安定性を十分に確保しつつ、当該機能層用組成物を基材上に良好に塗布することができる。その上、本発明の機能層用組成物から得られる機能層中では、耐熱収縮性の向上に寄与する所定の有機粒子が、上述した水溶性重合体の寄与により疎密のムラなく良好に配置されているためと推察されるが、上述した有機粒子および上述した水溶性重合体を含む機能層用組成物を用いることで、機能層の耐熱収縮性を大幅に向上させることができる。
ここで、水溶性重合体は、上述したように、ヒドロキシル基含有構造単位を15質量%以上100質量%以下の割合で含む。そして、水溶性重合体は、任意に、ヒドロキシル基含有構造単位の繰り返し単位(その他の繰り返し単位)を85質量%以下の割合で含むことができる。
ヒドロキシル基含有構造単位は、ヒドロキシル基を有する繰り返し単位であれば、その構造は特に限定されない。そして、ヒドロキシル基含有構造単位を水溶性重合体へ導入する方法としては、例えば、以下の(1)または(2)の方法:
(1)一般式:R-CO-O-CH=CH2(式中、Rは任意の構造であるが、炭素数1以上19以下のアルキル基であることが好ましい)で表されるカルボン酸ビニルエステル単量体を含む単量体組成物から重合体を調製し、当該重合体をケン化することで、カルボン酸ビニルエステル単量体単位のR-CO-O-をヒドロキシル基に変換して、ビニルアルコール単位を含む水溶性重合体を調製する方法
(2)ヒドロキシル基含有単量体を含む単量体組成物から、ヒドロキシル基含有単量体単位を含む水溶性重合体を調製する方法
が挙げられる。これらの中でも、(1)の方法が、ヒドロキシル基含有構造単位の含有割合が高い水溶性重合体を容易に調製できるため、好ましい。
水溶性重合体に任意に含まれるその他の繰り返し単位としては、特に限定されない。その他の繰り返し単位を形成しうる単量体としては、(メタ)アクリルアミド単量体(アクリルアミド、メタクリルアミド、ジメチルアクリルアミドなど)や、「有機粒子」の項で上述した酸性基含有単量体、N-ビニルホルムアミド、N-ビニルアセトアミド、ビニルピロリドン、(メタ)アクリロイルモルフォリンが挙げられる。また、上記(1)の方法を用いてヒドロキシル基含有構造単位を水溶性重合体に導入した場合、ケン化後に得られる水溶性重合体には、その他の繰り返し単位として、カルボン酸ビニルエステル単量体単位が残留していてもよい。
特に、水溶性重合体中の酸性基含有単量体単位の含有割合は、水溶性重合体の全繰り返し単位を100質量%とした場合、40質量%以下であることが好ましく、20質量%以下であることがより好ましく、5質量%以下であることが更に好ましく、1質量%以下であることが特に好ましく、0質量%であることが最も好ましい。酸性基含有単量体単位は、ヒドロキシル基含有構造単位同様、重合体の水溶性を向上させ得る繰り返し単位であるが、ヒドロキシル基含有構造単位に比して、二次電池への持ち込み水分量を上昇させ易い。従って、水溶性重合体中の酸性基含有単量体の含有割合を40質量%以下とすることで、二次電池への持ち込み水分量を低下させて、二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
水溶性重合体の調製方法は特に限定されない。例えば、上述した単量体を含む単量体組成物を重合して重合体を得た後、必要に応じて得られた重合体をケン化することで、付加重合体としの水溶性重合体を調製することができる。
この際、単量体組成物中の各単量体の含有割合は、水溶性重合体中の各繰り返し単位の含有割合に準じて定めることができる。
そして、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、乳化重合法などのいずれの方法も用いることができる。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などいずれの反応も用いることができる。重合条件は、重合方法などに応じて適宜調整しうる。
また、重合には、重合開始剤、連鎖移動剤などの既知の添加剤を使用することができ、その使用量も、一般に使用される量とする。
更に、ケン化の方法は、特に制限なく、既知の方法を用いることができる。
上述のようにして得られる水溶性重合体は、アニオン性、カチオン性、ノニオン性の何れであってもよいが、ノニオン性であることが好ましい。ノニオン性である水溶性重合体を用いれば、機能層用組成物中のイオン強度を低下させて、機能層用組成物のスラリー安定性を更に向上させることができる。
ここで、上述した通り、ノニオン性である水溶性重合体は、水溶性重合体の全繰り返し単位を100質量%とした場合、ノニオン性の繰り返し単位を、99質量%以上100質量%以下の割合で含む。なお、本発明において、ノニオン性の繰り返し単位とは、酸性基(カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基など)や塩基性基(アミノ基)などのイオン性の官能基を有さない繰り返し単位を意味する。そして、ノニオン性の繰り返し単位としては、例えば、ヒドロキシル基含有構造単位、(メタ)アクリルアミド単量体単位、カルボン酸ビニルエステル単量体単位、架橋性単量体単位、単官能(メタ)アクリル酸エステル単量体単位、N-ビニルホルムアミド単位、N-ビニルアセトアミド単位、ビニルピロリドン単位、(メタ)アクリロイルモルフォリン単位が挙げられる。
また、上述のようにして得られる水溶性重合体の重量平均分子量は、10000以上であることが好ましく、22000以上であることがより好ましく、30000以上であることが更に好ましく、40000以上であることが特に好ましく、300000以下であることが好ましく、200000以下であることがより好ましく、100000以下であることが更に好ましく、75000以下であることが特に好ましく、50000未満であることが最も好ましい。水溶性重合体の重量平均分子量が10000以上であれば、機能層の剛性が高まり耐熱収縮性を更に向上させることができる。一方、水溶性重合体の重量平均分子量が300000以下であれば、機能層用組成物の粘度上昇を抑制して塗布安定性を高めることができる。
なお、水溶性重合体の重量平均分子量は、重合条件(重合開始剤の種類および量など)を変更することで適宜調整することができる。
そして、上述のようにして得られる(特には、ケン化を経て得られる)水溶性重合体のケン化度は、80モル%以上であることが好ましく、85モル%以上であることがより好ましく、90モル%以上であることが更に好ましい。水溶性重合体のケン化度が、80モル%以上であれば、機能層用組成物の粘度上昇を抑制して塗布安定性を高めることができる。また、ケン化度の上限は特に限定されず、100モル%以下とすることができる。
なお、水溶性重合体のケン化度は、ケン化の条件を変更することで適宜調整することができる。
機能層用組成物中の水溶性重合体の配合量は特に限定されないが、有機粒子100質量部当たり、0.1質量部以上であることが好ましく、0.2質量部以上であることがより好ましく、2質量部以上であることが更に好ましく、5質量部以上であることが特に好ましく、15質量部以下であることが好ましく、10質量部以下であることがより好ましい。機能層用組成物中の水溶性重合体の配合量が有機粒子100質量部当たり0.1質量部以上であれば、機能層用組成物の塗布安定性を向上させると共に、スラリー安定性を更に高めることができる。一方、機能層用組成物中の水溶性重合体の配合量が有機粒子100質量部当たり15質量部以下であれば、機能層の耐熱収縮性を十分に確保することができる。
本発明の機能層用組成物は、結着材を含んでいてもよい。結着材は、重合体からなる成分であり、機能層用組成物を用いて形成される機能層において、当該機能層に含まれる上記有機粒子などの成分が機能層から脱離しないように保持し得る。
機能層用組成物に任意に含まれる結着材としては、非水溶性で、水などの分散媒中に分散可能な既知の粒子状重合体(上述した有機粒子に該当するものを除く)、例えば、熱可塑性エラストマーが挙げられる。そして、熱可塑性エラストマーとしては、アクリル系重合体(単官能(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を含む重合体)、イソプレンゴム(IR)、天然ゴム(NR)、ニトリルゴム(NBR)(アクリロニトリル単位およびブタジエン単位を含む重合体)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)(スチレン単位およびブタジエン単位を含む重合体)が挙げられる。
これらは、単独で、または、2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、アクリル系重合体が好ましい。
結着材のガラス転移温度は、-40℃以上であることが好ましく、0℃以下であることが好ましく、-15℃以下であることがより好ましい。結着材のガラス転移温度が-40℃以上であれば、機能層を備える電池部材のブロッキングを抑制することができる。一方、結着材のガラス転移温度が0℃以下であれば、機能層の接着性を十分に確保することができる。
なお、結着材のガラス転移温度は、結着材の調製に用いる単量体の種類や割合などを変更することにより、調整することができる。例えば、結着材の調製に用いるアクリロニトリル、またはスチレンなどの芳香族モノビニル単量体の割合を上げることで結着材のガラス転移温度を高めることができ、当該割合を下げることで結着材のガラス転移温度を低くすることができる。
機能層用組成物中の結着材の配合量は特に限定されないが、有機粒子100質量部当たり、1質量部以上であることが好ましく、5質量部以上であることがより好ましく、20質量部以下であることが好ましく、15質量部以下であることがより好ましい。
本発明の機能層用組成物は、無機粒子を含んでいてもよい。無機粒子は、上述した有機粒子同様、非導電性粒子として、主として機能層の耐熱収縮性や強度などを向上させ得る成分である。
機能層用組成物に任意に含まれる無機粒子としては、酸化アルミニウム(アルミナ)、酸化アルミニウムの水和物(ベーマイト(AlOOH)、ギブサイト(Al(OH)3)、酸化ケイ素、酸化マグネシウム(マグネシア)、酸化カルシウム、酸化チタン(チタニア)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、ZrO、アルミナ-シリカ複合酸化物等の酸化物粒子;窒化アルミニウム、窒化ホウ素等の窒化物粒子;シリコン、ダイヤモンド等の共有結合性結晶粒子;硫酸バリウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム等の難溶性イオン結晶粒子;タルク、モンモリロナイト等の粘土微粒子;などが挙げられる。また、これらの粒子は、必要に応じて元素置換、表面処理、固溶体化等が施されていてもよい。これらは、単独で、または、2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、無機粒子としては、ベーマイト粒子、硫酸バリウム粒子、アルミナ粒子が好ましい。
機能層用組成物中の無機粒子の配合量は、特に限定されない。しかしながら、無機粒子表面の結合水や水和水に由来する二次電池への持ち込み水分量増加を抑制しつつ、機能層用組成物のスラリー安定性を十分に向上させ、また二次電池のサイクル特性を高める観点からは、無機粒子の配合量は、有機粒子100質量部当たり、100質量部以下であることが好ましく、50質量部以下であることがより好ましく、30質量部以下であることが更に好ましく、10質量部以下であることが特に好ましい。
本発明の機能層用組成物が含有し得る、有機粒子、水溶性重合体、結着材および無機粒子、並びに水などの分散媒以外の成分としては、特に限定されない。このような成分としては、既知の添加剤が挙げられる。既知の添加剤としては、特に制限されることなく、例えば、表面張力調整剤、分散剤、粘度調整剤、湿潤剤、補強材、電解液添加剤等の成分を含有していてもよい。これらは、電池反応に影響を及ぼさないものであれば特に限られず、公知のもの、例えば国際公開第2012/115096号に記載のものを使用することができる。なお、これらのその他の成分は、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。
そして、本発明の機能層用組成物は、上述した所定の有機粒子および水溶性重合体、並びに分散媒としての水を含有すること以外は、特に限定されることなく、例えば、有機粒子と、水溶性重合体と、任意に添加することができる上述の結着材および無機粒子、並びにその他の成分とを、水の存在下で撹拌混合して調製することができる。なお、有機粒子の分散液や水溶性重合体の水溶液を用いて機能層用組成物を調製する場合には、分散液および/または水溶液が含有している水をそのまま機能層用組成物の分散媒として利用してもよい。
本発明の機能層は、上述した機能層用組成物から形成されたものであり、例えば、上述した機能層用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、本発明の機能層は、上述した機能層用組成物の乾燥物よりなり、上記有機粒子および水溶性重合体を含有し、任意に、上記結着材および上記無機粒子、並びに上記その他の成分を含有する。なお、有機粒子などの成分は機能層用組成物の乾燥時、或いは、乾燥後に任意に実施される熱処理時などに架橋されていてもよい(即ち、本発明の機能層は、例えば、有機粒子の架橋物を含んでいてもよい)。また、機能層中に含まれている各成分は、上記機能層用組成物中に含まれていたものであり、それら各成分の好適な存在比は、機能層用組成物中の各成分の好適な存在比と同じである。
ここで、機能層用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機能層用組成物の塗膜を形成し、その塗膜を乾燥して機能層を形成し、機能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機能層を自立膜として二次電池の電池部材の形成に用いることもできる。具体的には、離型基材から剥がした機能層をセパレータ基材の上に積層して機能層を備えるセパレータを形成してもよいし、離型基材から剥がした機能層を電極基材の上に積層して機能層を備える電極を形成してもよい。
しかし、機能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、基材としてセパレータ基材又は電極基材を用いることが好ましい。
セパレータ基材としては、特に限定されないが、有機セパレータ基材などの既知のセパレータ基材が挙げられる。有機セパレータ基材は、有機材料からなる多孔性部材であり、有機セパレータ基材の例を挙げると、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、芳香族ポリアミド樹脂などを含む微多孔膜又は不織布などが挙げられ、強度に優れることからポリエチレン製の微多孔膜や不織布が好ましい。なお、セパレータ基材の厚さは、任意の厚さとすることができ、好ましくは5μm以上30μm以下であり、より好ましくは5μm以上20μm以下であり、更に好ましくは5μm以上18μm以下である。セパレータ基材の厚さが5μm以上であれば、十分な安全性が得られる。また、セパレータ基材の厚さが30μm以下であれば、イオン伝導性が低下するのを抑制し、二次電池の出力特性が低下するのを抑制することができると共に、セパレータ基材の熱収縮力が大きくなるのを抑制して耐熱性を高めることができる。
電極基材(正極基材および負極基材)としては、特に限定されないが、集電体上に電極合材層が形成された電極基材が挙げられる。
ここで、集電体、電極合材層中の電極活物質(正極活物質、負極活物質)および電極合材層用結着材(正極合材層用結着材、負極合材層用結着材)、並びに、集電体上への電極合材層の形成方法には、既知のものを用いることができ、例えば特開2013-145763号公報に記載のものを用いることができる。
上述したセパレータ基材、電極基材などの基材上に機能層を形成する方法としては、以下の方法が挙げられる。
1)本発明の機能層用組成物をセパレータ基材又は電極基材の表面(電極基材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)本発明の機能層用組成物にセパレータ基材又は電極基材を浸漬後、これを乾燥する方法;および
3)本発明の機能層用組成物を離型基材上に塗布し、乾燥して機能層を製造し、得られた機能層をセパレータ基材又は電極基材の表面に転写する方法。
これらの中でも、前記1)の方法が、機能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、機能層用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機能層用組成物を乾燥させて機能層を形成する工程(機能層形成工程)を含む。
なお、機能層は、製造される二次電池の構造に従い、セパレータ基材や電極基材の片面のみに形成してもよく、両面に形成してもよい。ここで、基材としてセパレータ基材を用いる場合はセパレータ基材の両面に機能層を形成することが好ましく、基材として電極基材を用いる場合は電極基材の片面、とりわけ電極合材層上に形成することが好ましい。
そして、塗布工程において、機能層用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、ハケ塗り法などの方法が挙げられる。
また、機能層形成工程において、基材上の機能層用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、真空乾燥、赤外線や電子線などの照射による乾燥が挙げられる。乾燥条件は特に限定されないが、乾燥温度は好ましくは40~150℃で、乾燥時間は好ましくは2~30分である。
そして、基材上に形成された各機能層の厚みは、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、0.3μm以上であることが更に好ましく、5μm以下であることが好ましく、2μm以下であることがより好ましく、1μm以下であることが更に好ましい。機能層の厚みが0.1μm以上であれば、機能層の耐熱収縮性を十分に確保することができる。一方、機能層の厚みが5μm以下であれば、機能層の薄膜化により二次電池の容量向上に寄与することができる。
なお、本発明において、機能層の「厚み」は、本明細書の実施例に記載の方法を用いて測定することができる。
本発明の電池部材は、上述した本発明の機能層を備える。当該電池部材を用いれば、安全性が十分に確保され、またサイクル特性などの電池特性を良好に発揮しうる二次電池を得ることができる。
ここで、本発明の電池部材は、通常、基材と上述した本発明の機能層を備えるものであり、具体的には、セパレータ基材および本発明の機能層を備えるセパレータや、電極基材および本発明の機能層を備える電極が挙げられる。ここで、電極基材およびセパレータ基材としては、「非水系二次電池用機能層」の項で挙げたものと同様のものを用いることができる。
なお、本発明の電池部材(セパレータおよび電極)は、本発明の効果を著しく損なわない限り、セパレータ基材又は電極基材と、本発明の機能層以外の構成要素を備えていてもよい。
本発明の二次電池は、上述した本発明の電池部材を備えるものである。より具体的には、本発明の二次電池は、正極、負極、セパレータ、および電解液を備え、正極、負極、およびセパレータからなる群から選択される少なくとも一つとして、本発明の電池部材を用いる。
本発明の二次電池に用いる正極、負極およびセパレータは、上述したように、少なくとも一つが本発明の電池部材である。換言すると、本発明の二次電池においては、正極、負極およびセパレータは、少なくとも一つが本発明の機能層を有する。
また、機能層を有さない正極、負極およびセパレータとしては、特に限定されることなく、上述した電極基材よりなる電極および上述したセパレータ基材よりなるセパレータを用いることができる。
電解液としては、通常、有機溶媒に支持電解質を溶解した有機電解液が用いられる。支持電解質としては、例えば、リチウムイオン二次電池においてはリチウム塩が用いられる。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6、LiAlCl4、LiClO4、CF3SO3Li、C4F9SO3Li、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)NLiなどが挙げられる。なかでも、溶媒に溶けやすく高い解離度を示すので、LiPF6、LiClO4、CF3SO3Liが好ましい。なお、電解質は1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。通常は、解離度の高い支持電解質を用いるほどリチウムイオン伝導度が高くなる傾向があるので、支持電解質の種類によりリチウムイオン伝導度を調節することができる。
なお、電解液中の電解質の濃度は適宜調整することができる。また、電解液には、既知の添加剤を添加してもよい。
上述した本発明の非水系二次電池は、例えば、正極と負極とをセパレータを介して重ね合わせ、これを必要に応じて、巻く、折るなどして電池容器に入れ、電池容器に電解液を注入して封口することで製造することができる。なお、正極、負極、セパレータのうち、少なくとも一つの電池部材を機能層付きの電池部材とする。また、電池容器には、必要に応じてエキスパンドメタルや、ヒューズ、PTC素子などの過電流防止素子、リード板などを入れ、電池内部の圧力上昇、過充放電の防止をしてもよい。電池の形状は、例えば、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角形、扁平型など、何れであってもよい。
そして、実施例および比較例において、有機粒子および結着材のガラス転移温度および体積平均粒子径、水溶性重合体のケン化度および重量平均分子量、機能層用組成物の塗布安定性およびスラリー安定性、機能層の厚み、水分量および耐熱収縮性、並びに、二次電池のサイクル特性は、下記の方法で評価した。
有機粒子および結着材の水分散液を、それぞれ25℃で24時間乾燥させることで測定試料を得た。
測定試料10mgをアルミパンに計量し、示差熱分析測定装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー社製「EXSTAR DSC6220」)にて、リファレンスとして空のアルミパンを用い、測定温度範囲-100℃~200℃の間で、昇温速度10℃/分で、常温常湿下で、DSC曲線を測定した。この昇温過程で、微分信号(DDSC)が0.05mW/分/mg以上となるDSC曲線の吸熱ピークが出る直前のベースラインと、吸熱ピーク後に最初に現れる変曲点でのDSC曲線の接線との交点を、ガラス転移温度(Tg)として求めた。
<体積平均粒子径>
有機粒子および結着材の水分散液の固形分濃度をそれぞれ0.1%に調整し、測定用水分散液を準備した。測定用水分散液を使用し、レーザー回折式粒子径分布測定装置(ベックマンコールター社製、製品名「LS-230」)により粒子径分布を測定した。そして、測定された粒子径分布において、小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径を体積平均粒子径(D50)とした。
<ケン化度>
水溶性重合体のケン化度は、「JIS K 6726」の「ポリビニルアルコール試験方法」に記載された方法に則り測定した。
<重量平均分子量>
下記の条件にて、測定した。
装置:ゲル浸透クロマトグラフ(GPC)
カラム:東ソー(株)製ガードカラムPWXL1本、GMPWXL1本、G2500PWXL1本(温度:45℃)
溶離液:0.1モル/l硝酸ナトリウム水溶液
流速:0.5ml/分
検出器: 昭和電工社製「示差屈折率検出器RI-201型(感度16)」
標準資料:単分散ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール
測定サンプル:0.3%になるように溶離液を用いて調整後、0.45μmのフィルターでろ過し、ろ液を測定した。
<塗布安定性>
実施例1~9,11および比較例1~4においては、得られた機能層用組成物を、ポリエチレン製のセパレータ基材(旭化成社製、製品名「MD412」)上に塗布し、50℃で3分間乾燥させて、片面に機能層(厚み:0.5μm)を備える評価用電池部材(セパレータ)を得た。また実施例10においては、得られた機能層用組成物を、得られた負極基材上に塗布し、50℃で3分間乾燥させて、片面に機能層(厚み:0.5μm)を備える評価用電池部材(負極)を得た。
上記で得られた評価用電池部材から、A4サイズ(210mm×297mm)の試験片を10枚切り出した。試験片の機能層側の表面を肉眼で観察し、以下の基準で評価した。スジおよび塗布ムラが観察されないほど、機能層用組成物が塗布安定性に優れることを示す。
A:スジおよび/または塗布ムラが観察された試験片が2枚以下
B:スジおよび/または塗布ムラが観察された試験片が3枚以上5枚以下
C:スジおよび/または塗布ムラが観察された試験片が6枚以上
<スラリー安定性>
機能層用組成物100mlを、容量100mlのメスシリンダーに投入して静置し、1時間ごとに外観を観察した。そして、機能層用組成物の上部に、鉛直方向の幅が5mm以上の清澄層が観察されるようになるまでに要する時間を沈降時間とし、以下の基準で評価した。沈降時間が長いほど、機能層用組成物がスラリー安定性に優れることを示す。
A:沈降時間が24時間以上
B:沈降時間が12時間以上24時間未満
C:沈降時間が12時間未満
<厚み>
機能層の厚みは、機能層と基材(セパレータ基材または電極基材)とが積層してなる電池部材の厚みから、機能層が形成されていない基材の厚みを差し引くことで算出した。なお、電池部材および基材の厚みは、それぞれ、任意の10点の厚さを接触式厚み計(デジマチックインジケータコードNo.:543-575、ミツトヨ精密機器社製)を用いて測定し、それらの平均値として算出した。
<水分量>
機能層用組成物を、ポリエチレン製のセパレータ基材(旭化成社製、製品名「MD412」)上に塗布し、50℃で3分間乾燥させて、片面に機能層(厚み:0.5μm)を備える評価用セパレータを得た。
作製した評価用セパレータを、幅10cm×長さ10cmに切り出して、試験片とした。この試験片を、温度25℃、露点温度-60℃で24時間放置した。その後、電量滴定式水分計を用い、カールフィッシャー法(JIS K-0068(2001)水分気化法、気化温度150℃)により、試験片の水分量を測定し、下記の基準で評価した。水分量の値が大きいほど、試験片全体、ひいては機能層の水分量が低いことを示す。
A:水分量が250質量ppm未満
B:水分量が250質量ppm以上400ppm未満
C:水分量が400質量ppm以上
<耐熱収縮性>
機能層用組成物を、ポリエチレン製のセパレータ基材(旭化成社製、製品名「MD412」)上に塗布し、50℃で3分間乾燥させて、片面に機能層(厚み:0.5μm)を備える評価用セパレータを得た。
作製した評価用セパレータを、12cm×12cmの正方形に切り出し、かかる正方形の内部に1辺が10cmの正方形を描いて試験片とした。そして、試験片を130℃の恒温槽に入れて1時間放置した後、内部に描いた正方形の面積変化(={(放置前の正方形の面積-放置後の正方形の面積)/放置前の正方形の面積}×100%)を熱収縮率として求め、以下の基準で評価した。この熱収縮率が小さいほど、機能層が耐熱収縮性に優れていることを示す。
A:熱収縮率が5%未満
B:熱収縮率が5%以上10%未満
C:熱収縮率が10%以上
<サイクル特性>
二次電池を、25℃雰囲気下、0.2Cの定電流法によって4.35Vに充電し、3Vまで放電する充放電を100回(=100サイクル)繰り返した。この際、5サイクル目の放電容量X1、および、100サイクル目の放電容量X2を測定し、容量維持率(%)=(X2/X1)×100を求めた。この操作を合計10個の二次電池について行い、容量維持率の平均値(平均容量維持率)を算出して、下記の基準で評価した。平均容量維持率の値が大きいほど、二次電池がサイクル特性に優れていることを示す。
A:平均容量維持率が80%以上
B:平均容量維持率が70%以上80%未満
C:平均容量維持率が70%未満
<有機粒子の調製>
撹拌機を備えた反応器Aに、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを0.1部、過硫酸アンモニウムを0.3部、およびイオン交換水を100部入れて混合し混合物とし、80℃に昇温した。一方、別の容器中で、単官能(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのn―ブチルアクリレート100部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.8部、およびイオン交換水100部を混合して、シード粒子用単量体組成物を調製した。このシード粒子用単量体組成物を、4時間かけて、上述の反応器Aに連続的に添加して重合反応を行った。シード粒子用単量体組成物の連続添加中における反応器内の温度は、80℃に維持した。また、連続添加終了後、さらに90℃で3時間重合反応を継続させた。これにより、シード粒子の水分散液を得た。なお、シード粒子の体積平均粒子径を有機粒子と同様にして測定したところ、120nmであった。
次に、撹拌機を備えた反応器に、上述のシード粒子の水分散液を、固形分相当で16部、多官能性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート(共栄社化学社製、製品名「ライトエステルEG」)を82部、酸性基含有単量体としてのアクリル酸2部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを2.5部、重合開始剤としてt-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート(日油社製、製品名「パーブチルO」)を4.0部、およびイオン交換水を200部入れ、35℃で12時間撹拌することで、シード粒子に多官能性単量体および酸性基含有単量体、並びに重合開始剤を完全に吸収させた。その後、反応器内の温度を90℃に維持し、5時間重合反応(シード重合)を行った。
次いで、スチームを導入して未反応の単量体および開始剤分解生成物を除去し、有機粒子の水分散液を得た。そして、得られた有機粒子の体積平均粒子径およびガラス転移温度を測定した。結果を表1に示す。なお、ガラス転移温度については、測定温度範囲においてピークが確認されないことから、200℃超であると判断した(実施例2~11について同じ)。
<水溶性重合体の準備>
水溶性重合体としてポリビニルアルコール(クラレ社製、製品名「PVA110」)を準備した。この水溶性重合体をイオン交換水に投入し、80℃で1時間攪拌して水溶性重合体の水溶液(固形分濃度:5%)を得た。
<結着材の調製>
撹拌機を備えた反応器Bに、イオン交換水70部、乳化剤としてのラウリル硫酸ナトリウム(花王ケミカル社製、製品名「エマール2F」)0.15部、および過流酸アンモニウム0.5部を、それぞれ供給し、気相部を窒素ガスで置換し、60℃に昇温した。一方、別の容器でイオン交換水50部、分散剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.7部、並びに、単量体として、n-ブチルアクリレート96部、アクリロニトリル2部、およびメタクリル酸2部混合して単量体組成物を得た。
この単量体混合物を4時間かけて前記反応器Bに連続的に添加して重合を行った。連続添加中は、60℃で反応を行った。連続添加終了後、さらに70℃で3時間撹拌して反応を終了し、結着材(アクリル系重合体)の水分散液を得た。
そして、得られた結着材の体積平均粒子径は200nmであり、ガラス転移温度は-35℃であった。
<機能層用組成物の調製>
上記有機粒子100部(固形分相当量)、上記水溶性重合体5部(固形分相当量)を撹拌容器内で混合し、さらに上記結着材10部(固形分相当量)を添加して混合した。得られた混合液に対しイオン交換水を加え、機能層用組成物(固形分濃度:10%)を調製した。得られた機能層用組成物を用いて、塗布安定性およびスラリー安定性、並びに機能層の水分量および耐熱収縮性を評価した。結果を表1に示す。
<両面に機能層を備えるセパレータの作製>
上記機能層用組成物を、ポリエチレン製のセパレータ基材(旭化成社製、製品名「MD412」)上に塗布し、50℃で3分間乾燥させて、機能層(厚み:0.5μm)を形成した。さらに、セパレータ基材の他方の面にも、上記機能層用組成物を塗布し、セパレータ基材上の機能層用組成物を50℃で3分間乾燥することで機能層(厚み:0.5μm)を形成して、両面に機能層を備えるセパレータを作製した。
<負極の作製>
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、1,3-ブタジエン33部、イタコン酸3.5部、スチレン63.5部、乳化剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.4部、イオン交換水150部および重合開始剤として過硫酸カリウム0.5部を入れ、十分に攪拌した後、50℃に加温して重合を開始した。重合転化率が96%になった時点で冷却し反応を停止して、負極用結着材(SBR)を含む混合物を得た。上記負極用結着材を含む混合物に、5%水酸化ナトリウム水溶液を添加して、pH8に調整後、加熱減圧蒸留によって未反応単量体の除去を行った。次いで、30℃以下まで冷却し、所望の負極用結着材を含む水分散液を得た。
負極活物質としての人造黒鉛(体積平均粒子径:15.6μm)100部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(日本製紙社製、製品名「MAC350HC」)の2%水溶液1部(固形分相当量)とをあわせた後、イオン交換水で固形分濃度68%に調製し、次いで25℃60分間混合した。さらに、イオン交換水で固形分濃度62%に調製した後、25℃15分間混合した。得られた混合液に、上記の負極用結着材を固形分相当量で1.5部、およびイオン交換水を入れ、最終固形分濃度52%となるように調整し、さらに10分間混合した。これを減圧下で脱泡処理して流動性の良い負極用スラリー組成物を得た。
上記で得られた負極用スラリー組成物を、コンマコーターで、集電体である厚さ20μmの銅箔の上に、乾燥後の膜厚が150μm程度になるように塗布し、乾燥させた。この乾燥は、銅箔を0.5m/分の速度で60℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより行った。その後、120℃にて2分間加熱処理してプレス前の負極原反を得た。このプレス前の負極原反をロールプレスで圧延して、負極合材層の厚みが80μmのプレス後の負極を得た(片面負極)。
<正極の作製>
正極活物質としてのLiCoO2(体積平均粒子径:12μm)100部と、導電材としてのアセチレンブラック(電気化学工業社製、製品名「HS-100」)2部と、正極用結着材としてのPVDF(クレハ社製、製品名「#7208」)2部(固形分相当量)と、NMPとをプラネタリーミキサーを用いて混合し、正極用スラリー組成物(固形分能動:70%)を得た。
上記で得られた正極用スラリー組成物を、コンマコーターで、集電体である厚さ20μmのアルミ箔の上に、乾燥後の膜厚が150μm程度になるように塗布し、乾燥させた。この乾燥は、アルミ箔を0.5m/分の速度で60℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより行った。その後、120℃にて2分間加熱処理して、プレス前の正極原反を得た。このプレス前の正極原反をロールプレスで圧延して、正極合材層の厚みが80μmのプレス後正極を得た(片面正極)。
<二次電池の製造>
上記で得られたプレス後の正極を49cm×5cmに切り出して正極合材層側の表面が上側になるように台上に置いた。そして、この正極の正極合材層上に、120cm×5.5cmに切り出したセパレータを配置した。さらに、上記で得られた負極を、50cm×5.2cmに切り出し、これを、上記セパレータ上に負極活物質層側の表面がセパレータに向かい合うよう配置し、積層体を得た。この積層体を、捲回機を用いて捲回して捲回体を得た。さらに、この捲回体を、60℃、0.5MPaでプレスして扁平体とした。そしてこの扁平体を、電池の外装として、アルミ包材外装で包み、電解液(溶媒:エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート/ビニレンカーボネート(体積混合比)=68.5/30/1.5、電解質:濃度1MのLiPF6)を空気が残らないように注入した。次いで、アルミ包材の開口を密封するために、150℃のヒートシールをしてアルミ外装を閉口し、さらに捲回体とアルミ包材外装を60℃、0.5MPaでプレスし、1000mAhの捲回型リチウムイオン二次電池を製造した。得られたリチウムイオン二次電池のサイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
水溶性重合体として、ポリビニルアルコール(クラレ社製、製品名「PVA110」)に替えて、それぞれポリビニルアルコール(クラレ社製、製品名「PVA117」)(実施例2)、ポリビニルアルコール(クラレ社製、製品名「PVA105」)(実施例3)、ポリビニルアルコール(クラレ社製、製品名「PVA210」)(実施例7)を使用した以外は、実施例1と同様にして、有機粒子、結着材、機能層用組成物、セパレータ、負極、正極、および二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
以下のように調製した有機粒子を使用した以外は、実施例1と同様にして、水溶性重合体を準備し、結着材、機能層用組成物、セパレータ、負極、正極、および二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
<有機粒子の調製>
撹拌機を備えた反応器Aに、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを0.1部、過硫酸アンモニウムを0.3部、およびイオン交換水を100部入れて混合し混合物とし、80℃に昇温した。一方、別の容器中で、単官能(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのn―ブチルアクリレート100部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.6部、およびイオン交換水100部を混合して、シード粒子用単量体組成物を調製した。このシード粒子用単量体組成物を、4時間かけて、上述の反応器Aに連続的に添加して重合反応を行った。シード粒子用単量体組成物の連続添加中における反応器内の温度は、80℃に維持した。また、連続添加終了後、さらに90℃で3時間重合反応を継続させた。これにより、シード粒子の水分散液を得た。なお、シード粒子の体積平均粒子径を有機粒子と同様にして測定したところ、160nmであった。
次に、撹拌機を備えた反応器に、上述のシード粒子の水分散液を、固形分相当で48部、多官能性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート(共栄社化学社製、製品名「ライトエステルEG」)を50部、酸性基含有単量体としてのアクリル酸2部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを2.5部、重合開始剤としてt-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート(日油社製、製品名「パーブチルO」)を4.0部、およびイオン交換水を200部入れ、35℃で12時間撹拌することで、シード粒子に多官能性単量体および酸性基含有単量体、並びに重合開始剤を完全に吸収させた。その後、反応器内の温度を90℃に維持し、5時間重合反応(シード重合)を行った。
次いで、スチームを導入して未反応の単量体および開始剤分解生成物を除去し、有機粒子の水分散液を得た。
以下のように調製した有機粒子を使用した以外は、実施例1と同様にして、水溶性重合体を準備し、結着材、機能層用組成物、セパレータ、負極、正極、および二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
<有機粒子の調製>
撹拌機を備えた反応器Aに、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを0.1部、過硫酸アンモニウムを0.3部、およびイオン交換水を100部入れて混合し混合物とし、80℃に昇温した。一方、別の容器中で、単官能(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのn―ブチルアクリレート100部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.4部、およびイオン交換水100部を混合して、シード粒子用単量体組成物を調製した。このシード粒子用単量体組成物を、4時間かけて、上述の反応器Aに連続的に添加して重合反応を行った。シード粒子用単量体組成物の連続添加中における反応器内の温度は、80℃に維持した。また、連続添加終了後、さらに90℃で3時間重合反応を継続させた。これにより、シード粒子の水分散液を得た。なお、シード粒子の体積平均粒子径を有機粒子と同様にして測定したところ、200nmであった。
次に、撹拌機を備えた反応器に、上述のシード粒子の水分散液を、固形分相当で73部、多官能性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート(共栄社化学社製、製品名「ライトエステルEG」)を25部、酸性基含有単量体としてのアクリル酸2部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを2.5部、重合開始剤としてt-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート(日油社製、製品名「パーブチルO」)を4.0部、およびイオン交換水を200部入れ、35℃で12時間撹拌することで、シード粒子に多官能性単量体および酸性基含有単量体、並びに重合開始剤を完全に吸収させた。その後、反応器内の温度を90℃に維持し、5時間重合反応(シード重合)を行った。
次いで、スチームを導入して未反応の単量体および開始剤分解生成物を除去し、有機粒子の水分散液を得た。
以下のように調製した水溶性重合体を使用した以外は、実施例1と同様にして、有機粒子、結着材、機能層用組成物、セパレータ、負極、正極、および二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
<水溶性重合体の調製>
攪拌機、温度計、還流冷却管および窒素ガス導入管を備えた四つ口フラスコに、ヒドロキシル基含有単量体としての2-ヒドロキシエチルアクリルアミド35部、(メタ)アクリルアミド単量体としてのアクリルアミド35部、および酸性基含有単量体としてのアクリル酸30部、並びにイオン交換水365部およびイソプロピルアルコール5部を仕込み、窒素ガスで反応系内の酸素を除去した。次いで、攪拌下、重合開始剤として5%過硫酸アンモニウム水溶液7部および5%亜硫酸水素ナトリウム水溶液3部をフラスコに投入した後、室温から80℃まで昇温し、3時間保温した。その後、イオン交換水162部を加え、48%苛性ソーダでpHを5に調整した。さらにイオン交換水を加え、水溶性重合体の水溶液(固形分濃度:5%)を得た。
以下のように調製した有機粒子を使用した以外は、実施例1と同様にして、水溶性重合体を準備し、結着材、機能層用組成物、セパレータ、負極、正極、および二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表1に示す。
<有機粒子の調製>
撹拌機を備えた反応器Aに、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを0.05部、過硫酸アンモニウムを0.3部、およびイオン交換水を100部入れて混合し混合物とし、80℃に昇温した。一方、別の容器中で、単官能(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのn―ブチルアクリレート100部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.4部、およびイオン交換水100部を混合して、シード粒子用単量体組成物を調製した。このシード粒子用単量体組成物を、4時間かけて、上述の反応器Aに連続的に添加して重合反応を行った。シード粒子用単量体組成物の連続添加中における反応器内の温度は、80℃に維持した。また、連続添加終了後、さらに90℃で3時間重合反応を継続させた。これにより、シード粒子の水分散液を得た。なお、シード粒子の体積平均粒子径を有機粒子と同様にして測定したところ、380nmであった。
次に、撹拌機を備えた反応器に、上述のシード粒子の水分散液を、固形分相当で16部、多官能性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート(共栄社化学社製、製品名「ライトエステルEG」)を82部、酸性基含有単量体としてのアクリル酸2部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを2.5部、重合開始剤としてt-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート(日油社製、製品名「パーブチルO」)を4.0部、およびイオン交換水を200部入れ、35℃で12時間撹拌することで、シード粒子に多官能性単量体および酸性基含有単量体、並びに重合開始剤を完全に吸収させた。その後、反応器内の温度を90℃に維持し、5時間重合反応(シード重合)を行った。
次いで、スチームを導入して未反応の単量体および開始剤分解生成物を除去し、有機粒子の水分散液を得た。
以下のように調製した機能層用組成物を使用した以外は、実施例1と同様にして、水溶性重合体を準備し、有機粒子、結着材、機能層用組成物、セパレータ、負極、正極、および二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表2に示す。
<機能層用組成物の調製>
上記有機粒子70部(固形分相当量)、無機粒子としてのアルミナ粒子(住友化学社製、製品名「AKP-30」)30部、上記水溶性重合体5部(固形分相当量)を撹拌容器内で混合し、さらに上記結着材10部(固形分相当量)を添加して混合した。得られた混合液に対しイオン交換水を加え、機能層用組成物(固形分濃度:10%)を調製した。
<有機粒子、水溶性重合体、結着材、機能層用組成物の調製>
実施例1と同様にして、有機粒子、結着材、機能層用組成物を調製した。そして、上述のようにして各種評価を行った。結果を表2に示す。
<セパレータの準備>
ポリエチレン製のセパレータ(旭化成社製、製品名「MD412」)を準備した。
<機能層を備える負極の作製>
実施例1と同様にして、負極用結着材、負極用スラリー組成物を調製した。得られた負極用スラリー組成物を、コンマコーターで、集電体である厚さ20μmの銅箔の上に、乾燥後の膜厚が150μm程度になるように塗布し、乾燥させた。この乾燥は、銅箔を0.5m/分の速度で60℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより行った。その後、120℃にて2分間加熱処理してプレス前の負極原反を得た。このプレス前の負極原反をロールプレスで圧延して、負極合材層の厚みが80μmの負極基材を得た。
この負極基材の負極合材層側の面に、上記で得られた機能層用組成物を塗布し、負極基材上の機能層用組成物を50℃で3分間乾燥することで機能層(厚み:0.5μm)を形成して、機能層を備える負極を得た。
<正極の作製>
実施例1と同様にして、正極を作製した。
<二次電池の製造>
上記で得られたプレス後の正極を49cm×5cmに切り出して正極合材層側の表面が上側になるように台上に置いた。そして、この正極の正極合材層上に、120cm×5.5cmに切り出したセパレータを配置した。さらに、上記で得られた負極を、50cm×5.2cmに切り出し、これを、上記セパレータ上に機能層側の表面がセパレータに向かい合うよう配置し、積層体を得た。この積層体を、捲回機を用いて捲回して捲回体を得た。さらに、この捲回体を、60℃、0.5MPaでプレスして扁平体とした。そしてこの扁平体を、電池の外装として、アルミ包材外装で包み、電解液(溶媒:エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート/ビニレンカーボネート(体積混合比)=68.5/30/1.5、電解質:濃度1MのLiPF6)を空気が残らないように注入した。次いで、アルミ包材の開口を密封するために、150℃のヒートシールをしてアルミ外装を閉口し、さらに捲回体とアルミ包材外装を60℃、0.5MPaでプレスし、1000mAhの捲回型リチウムイオン二次電池を製造した。得られたリチウムイオン二次電池のサイクル特性を評価した。結果を表2に示す。
有機粒子の調製の際に、エチレングリコールジメタクリレートに替えてトリメチロールプロパン-トリメタクリレートを使用した以外は、実施例1と同様にして、有機粒子、結着材、機能層用組成物、セパレータ、負極、正極、および二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表2に示す。
以下のように調製した水溶性重合体を使用した以外は、実施例1と同様にして、有機粒子、結着材、機能層用組成物、セパレータ、負極、正極、および二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表2に示す。
<水溶性重合体の調製>
攪拌機、温度計、還流冷却管および窒素ガス導入管を備えた四つ口フラスコに、メタ)アクリルアミド単量体としてのジメチルアクリルアミド1部およびアクリルアミド90部、酸性基含有単量体としてのメタクリル酸9部、並びにイオン交換水365部およびイソプロピルアルコール5部を仕込み、窒素ガスで反応系内の酸素を除去した。次いで、攪拌下、重合開始剤として5%過硫酸アンモニウム水溶液7部および5%亜硫酸水素ナトリウム水溶液3部をフラスコに投入した後、室温から80℃まで昇温し、3時間保温した。その後、イオン交換水162部を加え、48%苛性ソーダでpHを5に調整した。さらにイオン交換水を加え、水溶性重合体の水溶液(固形分濃度:5%)を得た。
水溶性重合体として、ポリビニルアルコール(クラレ社製、製品名「PVA110」)に替えて、それぞれポリアクリル酸ナトリウム(東亜合成社製、製品名「アロンA-30」)(比較例2)、イミド化イソブチル・マレイン酸共重合体(クラレ社製、製品名「イソバン304」)(比較例3)を使用した以外は、実施例1と同様にして、有機粒子、結着材、機能層用組成物、セパレータ、負極、正極、および二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表2に示す。
以下のように調製した有機粒子を使用した以外は、実施例1と同様にして、水溶性重合体を準備し、結着材、機能層用組成物、セパレータ、負極、正極、および二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種評価を行った。結果を表2に示す。
<有機粒子の調製>
撹拌機を備えた反応器Aに、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを0.05部、過硫酸アンモニウムを0.3部、およびイオン交換水を100部入れて混合し混合物とし、80℃に昇温した。一方、別の容器中で多官能性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート(共栄社化学社製、製品名「ライトエステルEG」)を5部、単官能(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのメチルメタクリレート93を部、酸性基含有単量体としてのアクリル酸2部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.5部、およびイオン交換水100部を混合して、単量体組成物を調製した。この単量体組成物を、4時間かけて、上で得た混合物中に、連続的に添加して重合させた。単量体組成物の連続添加中の反応系の温度は80℃に維持し、反応を行った。連続的な添加の終了後、さらに90℃で3時間反応を継続させ、有機粒子の水分散液を得た。
「EDMA」は、エチレングリコールジメタクリレート単位を示し、
「TMPTMA」は、トリメチロールプロパン-トリメタクリレート単位を示し、
「BA」は、n-ブチルアクリレート単位を示し、
「MMA」は、メチルメタクリレート単位を示し、
「AA」は、アクリル酸単位を示し、
「VAL」は、ビニルアルコール単位を示し、
「HEAAm」は、2-ヒドロキシエチルアクリルアミド単位を示し、
「VAc」は、酢酸ビニル単位を示し、
「AAm」は、アクリルアミド単位を示し、
「DMAA」は、ジメチルアクリルアミド単位を示し、
「SPA」は、ポリアクリル酸ナトリウムを示し、
「IIM」は、イミド化イソブチル・マレイン酸共重合体を示し、
「ACL」は、アクリル系重合体を示す。
一方、ヒドロキシル基含有構造単位の含有割合が15質量%未満の水溶性重合体を含む機能層用組成物を用いた比較例1~3では、機能層用組成物のスラリー安定性が低下してしまうことが分かる。
また、多官能性単量体単位の含有割合が20質量%未満の有機粒子を含む機能層用組成物を用いた比較例4では、機能層の耐熱収縮性が低下してしまうことが分かる。
また、本発明によれば、優れた耐熱収縮性を有する非水系二次電池用機能層、当該機能層を備える非水系二次電池部材、および当該電池部材を備える非水系二次電池を提供することができる。
Claims (9)
- 有機粒子、水溶性重合体、および水を含む非水系二次電池機能層用組成物であって、
前記有機粒子が、多官能性単量体単位を20質量%以上95質量%以下の割合で含み、
前記水溶性重合体が、ヒドロキシル基含有構造単位を15質量%以上100質量%以下の割合で含み、
前記有機粒子のガラス転移温度が100℃以上である、非水系二次電池機能層用組成物。 - 前記水溶性重合体がノニオン性である、請求項1に記載の非水系二次電池機能層用組成物。
- 前記水溶性重合体のケン化度が、80モル%以上100モル%以下である、請求項1または2に記載の非水系二次電池機能層用組成物。
- 前記水溶性重合体の重量平均分子量が、10000以上300000以下である、請求項1~3の何れかに記載の非水系二次電池機能層用組成物。
- 前記多官能性単量体単位が、多官能エチレン性不飽和単量体単位である、請求項1~4の何れかに記載の非水系二次電池機能層用組成物。
- 前記有機粒子の体積平均粒子径が、50nm以上500nm以下である、請求項1~5の何れかに記載の非水系二次電池機能層用組成物。
- 請求項1~6の何れかに記載の非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成した、非水系二次電池用機能層。
- 請求項7に記載の非水系二次電池用機能層を備える、非水系二次電池部材。
- 請求項8に記載の非水系二次電池部材を備える、非水系二次電池。
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