JP2016028376A - 二次電池用バインダ、二次電池用セパレータ、及び二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い耐熱性及び強い接着力を有する、新規かつ改良された二次電池用バインダ及びこれを用いた二次電池用セパレータ等を提供することにある。【解決手段】上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、ポリフッ化ビニリデンを含む主鎖と、主鎖に結合したポリへドラルオリゴメリックシルセスキオキサン誘導体(POSS誘導体)と、を備えることを特徴とする、二次電池用バインダが提供される。この観点による二次電池用バインダは、高い耐熱性及び強い接着力を有する。【選択図】図1
Description
本発明は、二次電池用バインダ、二次電池用セパレータ、及び二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池は、高い電圧、長い寿命、高いエネルギー密度などの長所がある。このため、リチウムイオン二次電池に関する活発な研究が行われており、リチウムイオン二次電池は各種電子機器の電源として実用化されている。
リチウム二次電池の特性は、リチウムイオン二次電池の構成要素(例えば電極等)の特性によって大きく左右される。特に、リチウムイオン二次電池のセパレータは、リチウムイオン二次電池のサイクル特性に影響を与える。具体的には、無機粒子及びバインダを含むスラリーを多孔質基材に塗工することでセパレータが作製される場合がある。このようなセパレータは、多孔質基材上に無機粒子及びバインダからなるコーティング層が形成されるので、コーティングセパレータとも称される。バインダは、無機粒子を多孔質ポリエチレン膜に結着させるものである。そして、このようなセパレータを用いてリチウムイオン二次電池を作製した場合、リチウムイオン二次電池のサイクル特性は、多孔質ポリエチレン膜、無機粒子、及びバインダの特性に左右される。
例えば、リチウムイオン二次電池のサイクル特性を向上させる方法として、高耐熱性セラミック粒子(無機粒子の一種)を使用する方法が提案されている。ただし、高耐熱性セラミック粒子がその特性を十分に発揮するためには、リチウムイオン二次電池の充放電時にバインダが高耐熱性セラミック粒子をセパレータ内に安定して保持する必要がある。さらに、バインダは、セパレータと各電極とを強固に結着する必要がある。したがって、バインダには、強い接着力が求められる。さらに、バインダには、高い耐熱性も求められる。
一方、コーティングセパレータ用のバインダに関する研究例は多くなく、現状では、電極用のバインダをコーティングセパレータ用のバインダに流用することが多い。具体的には、代表的な電極用バインダであるポリビニリデンフルオライド(PVDF)系バインダをコーティングセパレータ用のバインダに流用することが多い。
しかし、PVDF系バインダは、接着力が充分でなかった。このため、PVDF系バインダは、無機粒子を安定してセパレータ内に保持することができなかった。すなわち、セパレータ層の構造安定性が十分でなかった。この問題を解決する方法として、大量のPVDFバインダをセパレータに導入することが挙げられるが、この方法ではセパレータの厚膜化といった別の問題が生じうる。また、このようにセパレータに大量のPVDF系バインダを導入しても、PVDF系バインダは、依然として接着力が十分でなかった。一方、特許文献1、2には、有機ケイ素化合物をセパレータに含有させる技術が開示されている。しかし、これらの化合物の接着力は依然として十分であるとはいえなかった。このため、高い耐熱性及び強い接着力を有するバインダが切望されていた。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、高い耐熱性及び強い接着力を有する、新規かつ改良された二次電池用バインダ及びこれを用いた二次電池用セパレータ等を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、ポリフッ化ビニリデンを含む主鎖と、主鎖に結合したポリへドラルオリゴメリックシルセスキオキサン誘導体(POSS誘導体)と、を備えることを特徴とする、二次電池用バインダが提供される。
この観点による二次電池用バインダは、高い耐熱性及び強い接着力を有する。
ここで、ポリへドラルオリゴメリックシルセスキオキサン誘導体は、主鎖にグラフト重合していてもよい。
この観点による二次電池用バインダは、高い耐熱性及び強い接着力を有する。
また、二次電池用バインダは、下記化学式(I)で示される構造を有していてもよい。
化学式(I)において、n、m、l、qは任意の自然数であり、Aは水素またはメチル基であり、Xは塩素またはフッ素原子であり、Rは、それぞれ独立して、炭素数1〜8のアルキル基、シクロヘキシル基、フェニル基、及び炭素数1〜8パーフルオロアルキル基からなる群から選ばれる官能基である。
この観点による二次電池用バインダは、高い耐熱性及び強い接着力を有する。
本発明の他の観点によれば、上記の二次電池用バインダを含む二次電池用セパレータが提供される。
この観点による二次電池用セパレータは、高い耐熱性及び強い接着力を有する二次電池用バインダを用いて作製されている。したがって、このセパレータを用いて二次電池を作製することで、二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
ここで、二次電池用セパレータは、無機粒子をさらに含んでいてもよい。
この観点による二次電池用セパレータは、無機粒子を含む。したがって、このセパレータを用いて二次電池を作製することで、二次電池のサイクル特性をさらに向上させることができる。
本発明の他の観点によれば、上記のセパレータを備えることを特徴とする、二次電池が提供される。
この観点による二次電池は、サイクル特性が向上する。
以上説明したように本発明によるバインダは、主鎖にPOSS誘導体が結合しているので、高い耐熱性及び強い接着力を有する。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
(第1の実施形態)
(リチウムイオン二次電池の構成)
まず、図1に基づいて、第1の実施形態に係るリチウムイオン二次電池10の構成について説明する。
(リチウムイオン二次電池の構成)
まず、図1に基づいて、第1の実施形態に係るリチウムイオン二次電池10の構成について説明する。
リチウムイオン二次電池10は、正極20と、負極30と、セパレータ40と、非水電解液とを備える。リチウムイオン二次電池10の充電到達電圧(酸化還元電位)は、例えば4.3V(vs.Li/Li+)以上5.0V以下、特に4.5V以上5.0V以下となる。リチウムイオン二次電池10の形態は、特に限定されない。即ち、リチウムイオン二次電池10は、円筒形、角形、ラミネート(laminate)形、ボタン(button)形等のいずれであってもよい。
正極20は、集電体21と、正極活物質層22とを備える。集電体21は、導電体であればどのようなものでも良く、例えば、アルミニウム(aluminium)、ステンレス(stainless)鋼、及びニッケルメッキ(nickel coated)鋼等で構成される。
正極活物質層22は、少なくとも正極活物質を含み、導電剤と、バインダとをさらに含んでいてもよい。正極活物質は、例えばリチウムを含む固溶体酸化物であるが、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵及び放出することができる物質であれば特に制限されない。固溶体酸化物は、例えば、LiaMnxCoyNizO2(1.150≦a≦1.430、0.45≦x≦0.6、0.10≦y≦0.15、0.20≦z≦0.28)、LiMnxCoyNizO2(0.3≦x≦0.85、0.10≦y≦0.3、0.10≦z≦0.3)、LiMn1.5Ni0.5O4となる。
導電剤は、例えばケッチェンブラック(Ketjenblack)、アセチレンブラック(acetylene black)等のカーボンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛等であるが、正極の導電性を高めるためのものであれば特に制限されない。
バインダは、例えばポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride)、エチレンプロピレンジエン(ethylene−propylene−diene)三元共重合体、スチレンブタジエンゴム(Styrene−butadiene rubber)、アクリロニトリルブタジエンゴム(acrylonitrile−butadiene rubber)、フッ素ゴム(fluororubber)、ポリ酢酸ビニル(polyvinyl acetate)、ポリメチルメタクリレート(polymethylmethacrylate)、ポリエチレン(polyethylene)、ニトロセルロース(cellulose nitrate)等であるが、正極活物質及び導電剤を集電体21上に結着させることができるものであれば、特に制限されない。
正極活物質層22は、例えば、以下の製法により作製される。すなわち、まず、正極活物質、導電剤、及びバインダを乾式混合することで正極合剤を作製する。ついで、正極合剤を適当な有機溶媒に分散させることで正極合剤スラリー(slurry)を作製し、この正極合剤スラリーを集電体21上に塗工し、乾燥、圧延することで正極活物質層が作製される。
負極30は、集電体31と、負極活物質層32とを含む。集電体31は、導電体であればどのようなものでも良く、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、及びニッケルメッキ鋼等で構成される。負極活物質層32は、リチウムイオン二次電池の負極活物質層として使用されるものであれば、どのようなものであってもよい。例えば、負極活物質層32は、負極活物質を含み、バインダをさらに含んでいてもよい。負極活物質は、例えば、黒鉛活物質(人造黒鉛、天然黒鉛、人造黒鉛と天然黒鉛との混合物、人造黒鉛を被覆した天然黒鉛等)、ケイ素もしくはスズもしくはそれらの酸化物の微粒子と黒鉛活物質との混合物、ケイ素もしくはスズの微粒子、ケイ素もしくはスズを基本材料とした合金、及びLi4Ti5O12等の酸化チタン系化合物等が考えられる。ケイ素の酸化物は、SiOx(0≦x≦2)で表される。負極活物質としては、これらの他に、例えば金属リチウム等が挙げられる。バインダは、正極活物質層22を構成するバインダと同様のものでもある。正極活物質とバインダとの質量比は特に制限されず、従来のリチウムイオン二次電池で採用される質量比が本実施形態でも適用可能である。
負極活物質層32は、例えば、以下の製法により作製される。すなわち、まず、負極活物質、及びバインダを乾式混合することで負極合剤を作製する。ついで、負極合剤を適当な溶媒に分散させることで負極合剤スラリー(slurry)を作製し、この負極合剤スラリーを集電体31上に塗工し、乾燥、圧延することで負極活物質層32が作製される。
セパレータ(separator)40は、基材40aと、コーティング層40bとを含む。基材40aは、特に制限されず、リチウムイオン二次電池のセパレータとして使用されるものであれば、どのようなものであってもよい。基材40aとしては、優れた高率放電性能を示す多孔膜や不織布等を、単独あるいは併用することが好ましい。基材40aを構成する樹脂としては、例えばポリエチレン(polyethylene),ポリプロピレン(polypropylene)等に代表されるポリオレフィン(polyolefin)系樹脂、ポリエチレンテレフタレート(Polyethylene terephthalate),ポリブチレンテレフタレート(polybutylene terephthalate)等に代表されるポリエステル(Polyester)系樹脂、PVDF、フッ化ビニリデン(VDF)−ヘキサフルオロプロピレン(HFP)共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロビニルエーテル(par fluorovinyl ether)共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン(tetrafluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン(trifluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−フルオロエチレン(fluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロアセトン(hexafluoroacetone)共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン(ethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−プロピレン(propylene)共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロプロピレン(trifluoro propylene)共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン(tetrafluoroethylene)−ヘキサフルオロプロピレン(hexafluoropropylene)共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン(ethylene)−テトラフルオロエチレン(tetrafluoroethylene)共重合体等を挙げることができる。
コーティング層40bは、無機粒子と、バインダとを含む。本実施形態に係る無機粒子としては、例えば高い耐熱性を有する無機粒子が挙げられる。このような無機粒子の具体例としては、ケイ素、アルミニウム、マグネシウム、チタンの酸化物及びこれらの水酸化物が挙げられる。高い耐熱性を有する無機粒子をセパレータ40に含めることで、リチウムイオン二次電池10のサイクル特性が改善される。無機粒子の粒径は特に制限されず、リチウムイオン二次電池10に使用される無機粒子の粒径であれば特に制限されない。
バインダは、無機粒子をコーティング層40b内、すなわちセパレータ40内に保持するものである。本実施形態のバインダは、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を含む主鎖と、主鎖に結合したポリへドラルオリゴメリックシルセスキオキサン(POSS、登録商標)誘導体と、を備える。
主鎖は、PVDFのみで構成されていてもよく、PVDFと他のポリマーとの共重合体であってもよい。このような共重合体としては、例えばPVDFとポリクロロトリフルオロエチレン(CTFE)との共重合体(PVDF−CTFE)、PVDFとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)との共重合体(PVDF−PTFE)等が挙げられる。
POSS誘導体は、POSSに主鎖結合用の官能基が結合したものである。POSSは、かご状シルセスキオキサンとも称される。主鎖結合用の官能基としては、例えばアクリロキシ(acryloxy)基等が挙げられる。POSS誘導体の例としては、アクリロイソブチルPOSS(Acryloisobutyl POSS、登録商標)、メタクリロイソブチルPOSS(Methacryloisobutyl POSS、登録商標)等が挙げられる。POSS誘導体は、例えば主鎖にグラフト重合することで、主鎖に結合する。
バインダは、例えば以下の化学式(I)で示される構造を有する。
化学式(I)において、n、m、l、qは任意の自然数である。Aは水素またはメチル基である。Xは塩素またはフッ素原子である。Rは、それぞれ独立して、炭素数1〜8のアルキル基、シクロヘキシル基、フェニル基、及び炭素数1〜8パーフルオロアルキル基からなる群から選ばれる官能基である。
主鎖がPVDF−CTFEとなる場合、化学式(I)のXは塩素となる。また、POSS誘導体がアクリロイソブチルPOSSとなる場合、化学式(I)のlは3、Aは水素、Rはイソブチル基となる。また、POSS誘導体がメタクリロイソブチルPOSSとなる場合、化学式(I)のlは3、Aはメチル基、Rはイソブチル基となる。
POSS誘導体のグラフト率は、50%以下、好ましくは7.0〜30%である。なお、グラフト率は以下の数式(1)により計算可能である。
x=(y−z)/y*100・・・(1)
数式(1)において、xはPOSS誘導体のグラフト率である。yは生成したバインダの質量であり、zは、主鎖の原料の質量である。
グラフト率が50%を超える場合、バインダの一部が溶媒に溶けない場合がある。この場合、スラリーがバインダの懸濁液となるので、塗工ムラ等が生じる可能性がある。この結果、バインダの接着力が低下し、ひいては、リチウムイオン二次電池10のサイクル特性が低下する。ただし、接着力及びサイクル特性は、PVDF系バインダを用いた場合よりも向上する。したがって、グラフト率は50%以下が好ましい。また、グラフト率が7.0〜30%となる場合、バインダの耐熱性及び接着力が大きく向上し、ひいては、リチウムイオン二次電池10のサイクル特性が向上する。詳細は実施例にて説明する。
セパレータ40は、例えば、以下の製法により作製される。すなわち、まず、無機粒子分散液及びバインダ溶液を用意する。無機粒子分散液の溶媒は、無機粒子を分散させることができるものであれば特に制限されない。無機粒子分散液の溶媒は、バインダ溶液の溶媒と同じであることが好ましい。バインダ溶液の溶媒は、バインダを溶解することができれば特に制限されない。このような溶媒としては、例えばN−メチルピロリドン(NMP)等が挙げられる。そして、無機粒子分散液及びバインダ溶液を混合することでスラリーを作製する。スラリーは、バインダ溶液の溶媒と同じものを任意に添加することで、無機粒子及びバインダの濃度を調整してもよい。また、スラリーには、他の種類のバインダ、例えばPVDF系のバインダ(PVDFを主鎖として含むバインダ)をさらに添加してもよい。そして、スラリーを基材40a上に展開(例えば塗工)し、乾燥することでコーティング層40bを作製する。基材40aはスラリーに浸漬されてもよい。これらの工程により、セパレータ40を作製する。なお、図1では、コーティング層40bは基材40aの表面にのみ形成されているが、コーティング層40bは、基材40aの細孔内にも形成されていてもよい。
非水電解液は、従来からリチウム二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。非水電解液は、非水溶媒に電解質塩を含有させた組成を有する。非水溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート(propylene carbonate)、エチレンカーボネート(ethylene carbonate)、ブチレンカーボネート(ethylene carbonate)、クロロエチレンカーボネート(chloroethylene carbonate)、ビニレンカーボネート(vinylene carbonate)等の環状炭酸エステル(ester)類;γ−ブチロラクトン(butyrolactone)、γ−バレロラクトン(valerolactone)等の環状エステル類;ジメチルカーボネート(dimethyl carbonate)、ジエチルカーボネート(diethyl carbonate)、エチルメチルカーボネート(ethyl methyl carbonate)等の鎖状カーボネート類;ギ酸メチル(methyl formate)、酢酸メチル(methyl acetate)、酪酸メチル(butyric acid methyl)等の鎖状エステル類;テトラヒドロフラン(Tetrahydrofuran)またはその誘導体;1,3−ジオキサン(dioxane)、1,4−ジオキサン(dioxane)、1,2−ジメトキシエタン(dimethoxyethane)、1,4−ジブトキシエタン(dibutoxyethane)、メチルジグライム(methyl diglyme)等のエーテル(ether)類;アセトニトリル(acetonitrile)、ベンゾニトリル(benzonitrile)等のニトリル(nitrile)類;ジオキソラン(Dioxolane)またはその誘導体;エチレンスルフィド(ethylene sulfide)、スルホラン(sulfolane)、スルトン(sultone)またはその誘導体等の単独またはそれら2種以上の混合物等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
また、電解質塩としては、例えば、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiPF6,LiPF6−x(CnF2n+1)x[但し、1<x<6,n=1or2],LiSCN,LiBr,LiI,Li2SO4,Li2B10Cl10,NaClO4,NaI,NaSCN,NaBr,KClO4,KSCN等のリチウム(Li)、ナトリウム(Na)またはカリウム(K)の1種を含む無機イオン塩、LiCF3SO3,LiN(CF3SO2)2,LiN(C2F5SO2)2,LiN(CF3SO2)(C4F9SO2),LiC(CF3SO2)3,LiC(C2F5SO2)3,(CH3)4NBF4,(CH3)4NBr,(C2H5)4NClO4,(C2H5)4NI,(C3H7)4NBr,(n−C4H9)4NClO4,(n−C4H9)4NI,(C2H5)4N−maleate,(C2H5)4N−benzoate,(C2H5)4N−phtalate、ステアリルスルホン酸リチウム(stearyl sulfonic acid lithium)、オクチルスルホン酸リチウム(octyl sulfonic acid)、ドデシルベンゼンスルホン酸リチウム(dodecyl benzene sulphonic acid)等の有機イオン塩等が挙げられ、これらのイオン性化合物を単独、あるいは2種類以上混合して用いることが可能である。なお、電解質塩の濃度は、従来のリチウム二次電池で使用される非水電解液と同様でよく、特に制限はない。本実施形態では、適当なリチウム化合物(電解質塩)を0.8〜1.5mol/L程度の濃度で含有させた非水電解液を使用することができる。
なお、非水電解液には、各種の添加剤を添加してもよい。このような添加剤としては、負極作用添加剤、正極作用添加剤、エステル系の添加剤、炭酸エステル系の添加剤、硫酸エステル系の添加剤、リン酸エステル系の添加剤、ホウ酸エステル系の添加剤、酸無水物系の添加剤、及び電解質系の添加剤等が挙げられる。これらのうちいずれか1種を非水電解液に添加しても良いし、複数種類の添加剤を非水電解液に添加してもよい。
(リチウムイオン二次電池の製造方法)
次に、リチウムイオン二次電池10の製造方法について説明する。正極20は、以下のように作製される。まず、正極活物質、導電剤、及びバインダを混合したものを、溶媒(例えばN−メチル−2−ピロリドン)に分散させることでスラリーを作製する。次いで、スラリーを集電体21上に展開(例えば塗工)し、乾燥させることで、正極活物質層22を作製する。なお、塗工の方法は、特に限定されない。塗工の方法としては、例えば、ナイフコーター(knife coater)法、グラビアコーター(gravure coater)法等が考えられる。以下の各塗工工程も同様の方法により行われる。次いで、プレス(press)機により正極活物質層22をプレスする。これにより、正極20が作製される。
次に、リチウムイオン二次電池10の製造方法について説明する。正極20は、以下のように作製される。まず、正極活物質、導電剤、及びバインダを混合したものを、溶媒(例えばN−メチル−2−ピロリドン)に分散させることでスラリーを作製する。次いで、スラリーを集電体21上に展開(例えば塗工)し、乾燥させることで、正極活物質層22を作製する。なお、塗工の方法は、特に限定されない。塗工の方法としては、例えば、ナイフコーター(knife coater)法、グラビアコーター(gravure coater)法等が考えられる。以下の各塗工工程も同様の方法により行われる。次いで、プレス(press)機により正極活物質層22をプレスする。これにより、正極20が作製される。
負極30も、正極20と同様に作製される。まず、負極活物質、及びバインダを混合したものを、溶媒(例えばN−メチル−2−ピロリドン、水)に分散させることでスラリーを作製する。次いで、スラリーを集電体31上に展開(例えば塗工)し、乾燥させることで、負極活物質層32を作製する。次いで、プレス機により負極活物質層32をプレスする。これにより、負極30が作製される。
セパレータ40は、例えば、以下の製法により作製される。すなわち、まず、無機粒子分散液及びバインダ溶液を用意する。そして、無機粒子分散液及びバインダ溶液を混合することでスラリーを作製する。スラリーは、バインダ溶液の溶媒と同じものを任意に添加することで、無機粒子及びバインダの濃度を調整してもよい。そして、スラリーを基材40a上に展開(例えば塗工)し、乾燥することでコーティング層40bを作製する。基材40aはスラリーに浸漬されてもよい。これらの工程により、セパレータ40を作製する。
次いで、セパレータ40を正極20及び負極30で挟むことで、電極構造体を作製する。次いで、電極構造体を所望の形態(例えば、円筒形、角形、ラミネート形、ボタン形等)に加工し、当該形態の容器に挿入する。次いで、当該容器内に上記組成の電解液を注入することで、セパレータ内の各気孔に電解液を含浸させる。これにより、リチウムイオン二次電池が作製される。
<1.バインダの合成>
次に、本実施形態の実施例について説明する。まず、バインダの合成例について説明する。
(合成例1(実施例1):PVDF−CTFE−グラフト−アクリロイソブチルPOSS(PVDF−CTFE−graft−Acryloisobutyl POSSの合成)
撹拌子、温度計、冷却管を装着した300mlの3つ口フラスコ内に、PVDF−CTFE(クレハ社製KFポリマー#7500)の10質量%NMP溶液100g(NMP溶液の総質量に対してPVDF−CTFEを10質量%含むNMP溶液)、アクリロイソブチルPOSS(Acryloisobutyl POSS)39.6g(42.6mmol)、ビピリジル29.96g(191.8mmol)、塩化銅(I)6.33g(63.9mmol)、塩化銅(II)0.86g(6.4mmol)、NMP100gを加えた。
次に、本実施形態の実施例について説明する。まず、バインダの合成例について説明する。
(合成例1(実施例1):PVDF−CTFE−グラフト−アクリロイソブチルPOSS(PVDF−CTFE−graft−Acryloisobutyl POSSの合成)
撹拌子、温度計、冷却管を装着した300mlの3つ口フラスコ内に、PVDF−CTFE(クレハ社製KFポリマー#7500)の10質量%NMP溶液100g(NMP溶液の総質量に対してPVDF−CTFEを10質量%含むNMP溶液)、アクリロイソブチルPOSS(Acryloisobutyl POSS)39.6g(42.6mmol)、ビピリジル29.96g(191.8mmol)、塩化銅(I)6.33g(63.9mmol)、塩化銅(II)0.86g(6.4mmol)、NMP100gを加えた。
ついで、ダイヤフラムポンプで内圧を10mmHgに減圧し、窒素で内圧を常圧に戻す操作を3回繰り返した。ついで、オイルバスで混合液を140℃に加熱し、24時間撹拌した。これにより、PVDF−CTFEにアクリロイソブチルPOSSをグラフト重合させた。反応液を室温に冷却後、水2000ml中へ撹拌しながら注加することで、反応生成物(ポリマー)を再沈させた。次いで、ポリマーを含む溶液をミキサーに移し、ポリマーを粉砕した。これにより、溶液の色が赤褐色から緑色へ変化した。粉砕したポリマーをろ取し、水、エタノール、さらに酢酸エチルで洗浄した。その後、ポリマーを80℃で3時間送風乾燥した。
乾燥したポリマーを100gのNMPに再溶解させ、再度、水2000ml中へ撹拌しながら注加することで、ポリマーを再沈させた。次いでポリマーを含む溶液をミキサーに移し、ポリマーを粉砕した。その後、ポリマーをろ取し、水、エタノール、さらに酢酸エチルで洗浄した。その後、ポリマーを80℃で6時間真空乾燥することで、PVDF−CTFE−グラフト−アクリロイソブチルPOSS10.8gを得た。式(1)によりグラフト率を計算したところ、グラフト率は、7.4%(=(10.8−10)/10.8*100)となった。以下、合成例1により作製されたバインダを、単に「第1POSSバインダ」とも称する。
さらに得られた第1POSSバインダ10gに対してNMP90gを加え、混合液を140℃で加熱した。これにより、第1POSSバインダをNMPに溶解した。ついで、第1POSSバインダのNMP溶液を室温に冷却した。これにより、第1POSSバインダの10質量%NMP溶液を100g調製した。
(合成例2(実施例2))
PVDF−CTFEとアクリロイソブチルPOSSとの反応時間(グラフト重合時間)を72時間とした以外は全て合成例1と同様の処理を行った。これにより、11.5gのPVDF−CTFE−グラフト−アクリロイソブチルPOSS(Graft率13.0%)(以下、「第2POSSバインダ」とも称する)を得た。また、第2POSSバインダの10質量%NMP溶液を100g得た。
PVDF−CTFEとアクリロイソブチルPOSSとの反応時間(グラフト重合時間)を72時間とした以外は全て合成例1と同様の処理を行った。これにより、11.5gのPVDF−CTFE−グラフト−アクリロイソブチルPOSS(Graft率13.0%)(以下、「第2POSSバインダ」とも称する)を得た。また、第2POSSバインダの10質量%NMP溶液を100g得た。
(合成例3(実施例3))
アクリロイソブチルPOSSの使用量を178.3g(190.0mmol)とし、反応容器に1000mlの3つ口フラスコ用いたこと以外は全て合成例1と同様の処理を行った。これにより、13.8gのPVDF−CTFE−グラフト−アクリロイソブチルPOSS(Graft率27.5%)(以下、「第3POSSバインダ」とも称する)を得た。また、第3POSSバインダの10質量%NMP溶液を100g得た。
アクリロイソブチルPOSSの使用量を178.3g(190.0mmol)とし、反応容器に1000mlの3つ口フラスコ用いたこと以外は全て合成例1と同様の処理を行った。これにより、13.8gのPVDF−CTFE−グラフト−アクリロイソブチルPOSS(Graft率27.5%)(以下、「第3POSSバインダ」とも称する)を得た。また、第3POSSバインダの10質量%NMP溶液を100g得た。
(合成例4(実施例4))
PVDF−CTFEとアクリロイソブチルPOSSとの反応時間(グラフト重合時間)を120時間とした以外は全て合成例3と同様の処理を行った。これにより、20.4gのPVDF−CTFE−グラフト−アクリロイソブチルPOSS(Graft率51.0%)(以下、「第4POSSバインダ」とも称する)を得た。
PVDF−CTFEとアクリロイソブチルPOSSとの反応時間(グラフト重合時間)を120時間とした以外は全て合成例3と同様の処理を行った。これにより、20.4gのPVDF−CTFE−グラフト−アクリロイソブチルPOSS(Graft率51.0%)(以下、「第4POSSバインダ」とも称する)を得た。
さらに得られた第4POSSバインダ10gに対してNMP90gを加え、混合液を140℃で加熱した。これにより、第4POSSバインダをNMPに溶解した。その後、第4POSSバインダのNMP溶液を室温に冷却した。これにより、第4POSSバインダの10質量%NMP溶液を100g得た。第4POSSバインダのNMP溶液内には、時間の経過とともに濁りが生じた。この結果、NMP溶液が懸濁液となった。本懸濁液を一部採取し、NMPで2倍に希釈した。その後、希釈液を140℃に加熱したところ均一な溶液となった。しかしNMP溶液を室温に冷却すると再び濁りが生じた。この結果、NMP溶液が懸濁液となった。第4POSSバインダは、他のPOSSバインダよりもPOSS成分のグラフト率が大きいので、溶解性が低下したと考えられる。したがって、NMPへの溶解性という観点からは、グラフト率は50%以下であることが望ましい。
(合成例5(実施例5):PVDF−CTFE−グラフト−メタクリロイソブチルPOSS(PVDF−CTFE−graft−Methacryloisobutyl POSS)の合成)
アクリロイソブチルPOSSの代わりにメタクリロイソブチルPOSSを181.0g(190.0mmol)、反応容器に1000mlの3つ口フラスコ用いた以外は全て合成例1と同様の処理を行った。これにより、10.6gのPVDF−CTFE−グラフト−メタクリロイソブチルPOSS(Graft率5.7%)(以下、「第5POSSバインダ」とも称する)を得た。また、第5POSSバインダの10質量%NMP溶液を100g得た。
アクリロイソブチルPOSSの代わりにメタクリロイソブチルPOSSを181.0g(190.0mmol)、反応容器に1000mlの3つ口フラスコ用いた以外は全て合成例1と同様の処理を行った。これにより、10.6gのPVDF−CTFE−グラフト−メタクリロイソブチルPOSS(Graft率5.7%)(以下、「第5POSSバインダ」とも称する)を得た。また、第5POSSバインダの10質量%NMP溶液を100g得た。
(合成例6(実施例6))
PVDF−CTFEとアクリロイソブチルPOSSとの反応時間(グラフト重合時間)を72時間とした以外は全て合成例3と同様の処理を行った。これにより、18.2gのPVDF−CTFE−グラフト−アクリロイソブチルPOSS(Graft率43.0%)(以下、「第6POSSバインダ」とも称する)を得た。また、第6POSSバインダの10質量%NMP溶液を100g得た。
PVDF−CTFEとアクリロイソブチルPOSSとの反応時間(グラフト重合時間)を72時間とした以外は全て合成例3と同様の処理を行った。これにより、18.2gのPVDF−CTFE−グラフト−アクリロイソブチルPOSS(Graft率43.0%)(以下、「第6POSSバインダ」とも称する)を得た。また、第6POSSバインダの10質量%NMP溶液を100g得た。
そして、第1〜第6POSSバインダのIRスペクトル及び19F NMRスペクトルを測定した。IRスペクトルを図2に、19F NMRスペクトルを図3に示す。なお、図2、図3には、比較のためにPVDF−CTFEのスペクトルも示す。第1〜第6POSSバインダのIRスペクトルには1720cm−1付近にアクリロイソブチルPOSS及びメタクリロイソブチルPOSS由来のカルボニルピークが確認できる。また、第1〜第6POSSバインダの19F NMRスペクトルでは、PVDF−CTFEで観測されていた−120ppm付近のピーク(CTFE中のClが結合した炭素に結合しているF由来のピーク)が消失し、−198ppm付近に新たなピークの出現が確認できる。この観測結果は、CTFEのClが結合した炭素部分からグラフト反応が進行し、当該炭素部分にアクリロイソブチルPOSS及びメタクリロイソブチルPOSS由来のグラフト鎖が結合していることを示唆している。
上記IRスペクトル及び19F NMRスペクトルの結果によれば、第1〜第6POSSバインダは、PVDF−CTFEとポリアクリロイソブチルPOSSまたはポリメタクリロイソブチルPOSSとのブレンドポリマーではなく、PVDF−CTFEにポリアクリロイソブチルPOSSまたはポリメタクリロイソブチルPOSSが化学的に結合したグラフトポリマーであることが分かる。
<2.コーティングセパレータ作製>
(セパレータ作製例1(実施例7))
アルミナ(住友化学社製スミコランダムAA03)30gにNMP70g(固形分濃度30質量%)を加え、混合液を超音波分散機にて15分処理した。これにより、アルミナのNMP分散液を作製した。次いで、第1POSSバインダの10質量%NMP溶液22.6g(アルミナ/バインダ=93/7質量比)、NMP6.4gを加えた。そして、混合液をディスパにて30分攪拌することで、スラリー(アルミナ/バインダ混合溶液(固形分濃度25質量%))を作製した。
(セパレータ作製例1(実施例7))
アルミナ(住友化学社製スミコランダムAA03)30gにNMP70g(固形分濃度30質量%)を加え、混合液を超音波分散機にて15分処理した。これにより、アルミナのNMP分散液を作製した。次いで、第1POSSバインダの10質量%NMP溶液22.6g(アルミナ/バインダ=93/7質量比)、NMP6.4gを加えた。そして、混合液をディスパにて30分攪拌することで、スラリー(アルミナ/バインダ混合溶液(固形分濃度25質量%))を作製した。
ついで、乾燥後の膜厚が12μmになるようにディップコータ(dip coater)のギャップ(Gap)を調製した。そして、このディップコータを用いて厚さ7μmのポリエチレン微多孔膜(E07BLS<東レBSF>)に上記スラリーを塗工した。ついで、スラリー塗工済みのポリエチレン微多孔膜を水槽に浸漬させた。その後、微多孔膜を乾燥することで、作製例1に係るコーティングセパレータを得た。
(セパレータ作製例2(実施例8))
第2POSSバインダの10質量%NMP溶液を用いた以外は全て作製例1と同様の処理を行うことで、作製例2に係るコーティングセパレータを得た。
第2POSSバインダの10質量%NMP溶液を用いた以外は全て作製例1と同様の処理を行うことで、作製例2に係るコーティングセパレータを得た。
(セパレータ作製例3(実施例9))
第3POSSバインダの10質量%NMP溶液を用いた以外は全て作製例1と同様の処理を行うことで、作製例3に係るコーティングセパレータを得た。
第3POSSバインダの10質量%NMP溶液を用いた以外は全て作製例1と同様の処理を行うことで、作製例3に係るコーティングセパレータを得た。
(セパレータ作製例4(実施例10))
第4POSSバインダの10質量%NMP溶液を用いた以外は全て作製例1と同様の処理を行うことで、作製例4に係るコーティングセパレータを得た。
第4POSSバインダの10質量%NMP溶液を用いた以外は全て作製例1と同様の処理を行うことで、作製例4に係るコーティングセパレータを得た。
(セパレータ作製例5(実施例11))
第5POSSバインダの10質量%NMP溶液を用いた以外は全て作製例1と同様の処理を行うことで、作製例5に係るコーティングセパレータを得た。
第5POSSバインダの10質量%NMP溶液を用いた以外は全て作製例1と同様の処理を行うことで、作製例5に係るコーティングセパレータを得た。
(セパレータ作製例6(実施例12))
第6POSSバインダの10質量%NMP溶液を用いた以外は全て作製例1と同様の処理を行うことで、作製例6に係るコーティングセパレータを得た。
第6POSSバインダの10質量%NMP溶液を用いた以外は全て作製例1と同様の処理を行うことで、作製例6に係るコーティングセパレータを得た。
(セパレータ作製例7(比較例1))
PVDF−CTFEの10質量%NMP溶液を用いた以外は全て作製例1と同様の処理を行うことで、作製例7(比較例)に係るコーティングセパレータを得た。
PVDF−CTFEの10質量%NMP溶液を用いた以外は全て作製例1と同様の処理を行うことで、作製例7(比較例)に係るコーティングセパレータを得た。
<3.コーティング層の密着性評価>
ステンレス板上に固定したコーティングセパレータに、幅1.5cmの粘着テープ(ニチバン社製セロテープ(登録商標) No.405)を張り付けた。そして、剥離試験機(島津製作所社製SHIMAZU EZ−S)を用いて、180°引き剥がしにおけるピール強度を測定した。密着性評価結果を表1にまとめて示す。
ステンレス板上に固定したコーティングセパレータに、幅1.5cmの粘着テープ(ニチバン社製セロテープ(登録商標) No.405)を張り付けた。そして、剥離試験機(島津製作所社製SHIMAZU EZ−S)を用いて、180°引き剥がしにおけるピール強度を測定した。密着性評価結果を表1にまとめて示す。
<4.熱収縮評価>
コーティングセパレータをTD*MD=60mm*80mmとなるように切り出し、TD/MD方向にノギスを用いて50mmの間隔で印を入れた。セパレータを二つ折りにしたアルミ箔の間にはさみ、150℃の恒温槽中に15分静置した。セパレータを取り出した後、TD/MDそれぞれの印の間隔をノギスで読み取り、次式(2)にしたがって熱収縮率を算出した。熱収縮評価結果をまとめて表1に示す。なお、次式において、加熱後の間隔はTD方向の間隔を使用した。
コーティングセパレータをTD*MD=60mm*80mmとなるように切り出し、TD/MD方向にノギスを用いて50mmの間隔で印を入れた。セパレータを二つ折りにしたアルミ箔の間にはさみ、150℃の恒温槽中に15分静置した。セパレータを取り出した後、TD/MDそれぞれの印の間隔をノギスで読み取り、次式(2)にしたがって熱収縮率を算出した。熱収縮評価結果をまとめて表1に示す。なお、次式において、加熱後の間隔はTD方向の間隔を使用した。
収縮率(%)=((50−加熱後の間隔)/50)*100)・・・(2)
表1によれば、合成例1〜6に係るバインダ、即ち第1〜第6POSSバインダは、耐熱性及び接着力に優れていることがわかる。
<5.二次電池作製>
(リチウムイオン二次電池作製例1(実施例13))
(負極合剤スラリーの作製)
人造黒鉛96質量%、アセチレンブラック2質量%、スチレンブタジエン共重合体(SBR)バインダ1質量%、カルボキシメチルセルロース(CMC)1質量%を混合し、混合物に粘度調整のために水を加えることで、負極合剤スラリーを作製した。なお、負極合剤スラリー中の不揮発分はスラリー総質量に対して48質量%であった。
(リチウムイオン二次電池作製例1(実施例13))
(負極合剤スラリーの作製)
人造黒鉛96質量%、アセチレンブラック2質量%、スチレンブタジエン共重合体(SBR)バインダ1質量%、カルボキシメチルセルロース(CMC)1質量%を混合し、混合物に粘度調整のために水を加えることで、負極合剤スラリーを作製した。なお、負極合剤スラリー中の不揮発分はスラリー総質量に対して48質量%であった。
(負極の作製)
次いで、乾燥後の合剤塗工量(面密度)が9.55mg/cm2になるようにバーコータのギャップを調整し、このバーコータにより負極合剤スラリーを銅箔(集電体、厚さ10μm)へ均一に塗工した。次いで、負極合剤スラリーを80℃に設定した送風型乾燥機で15分乾燥した。ついで、乾燥後の負極合剤をロールプレス機により合剤密度が1.65g/cm3となるようにプレスした。ついで、負極合剤を150℃で6時間真空乾燥することで、負極集電体と負極活物質層とからなるシート状の負極を作製した。
次いで、乾燥後の合剤塗工量(面密度)が9.55mg/cm2になるようにバーコータのギャップを調整し、このバーコータにより負極合剤スラリーを銅箔(集電体、厚さ10μm)へ均一に塗工した。次いで、負極合剤スラリーを80℃に設定した送風型乾燥機で15分乾燥した。ついで、乾燥後の負極合剤をロールプレス機により合剤密度が1.65g/cm3となるようにプレスした。ついで、負極合剤を150℃で6時間真空乾燥することで、負極集電体と負極活物質層とからなるシート状の負極を作製した。
(正極合剤スラリーの作製)
固溶体酸化物Li1.20Mn0.55Co0.10Ni0.15O296質量%、ケッチェンブラック2質量%、ポリフッ化ビニリデン2質量%をN−メチル−2−ピロリドンに分散させることで、正極合剤スラリーを形成した。なお、正極合剤スラリー中の不揮発分はスラリー総質量に対して50質量%であった。
固溶体酸化物Li1.20Mn0.55Co0.10Ni0.15O296質量%、ケッチェンブラック2質量%、ポリフッ化ビニリデン2質量%をN−メチル−2−ピロリドンに分散させることで、正極合剤スラリーを形成した。なお、正極合剤スラリー中の不揮発分はスラリー総質量に対して50質量%であった。
(正極の作製)
次いで、乾燥後の合剤塗工量(面密度)が22.7mg/cm2になるようにバーコータのギャップを調整し、このバーコータにより正極合剤スラリーを集電体であるアルミニウム集電箔上に塗工した。ついで、正極合剤スラリーを80℃に設定した送風型乾燥機で15分乾燥した。ついで、乾燥後の正極合剤をロールプレス機により合剤密度が3.9g/cm3となるようにプレスした。ついで、正極合剤を80℃で6時間真空乾燥することで、正極集電体と正極活物質層とからなるシート状の正極を作製した。
次いで、乾燥後の合剤塗工量(面密度)が22.7mg/cm2になるようにバーコータのギャップを調整し、このバーコータにより正極合剤スラリーを集電体であるアルミニウム集電箔上に塗工した。ついで、正極合剤スラリーを80℃に設定した送風型乾燥機で15分乾燥した。ついで、乾燥後の正極合剤をロールプレス機により合剤密度が3.9g/cm3となるようにプレスした。ついで、正極合剤を80℃で6時間真空乾燥することで、正極集電体と正極活物質層とからなるシート状の正極を作製した。
(リチウムイオン二次電池の作製)
負極を直径1.55cmの円形に、正極を直径1.3cmの円形に各々切断した。ついで、セパレータ作製例1(実施例6)で作製したコーティングセパレータを直径1.8cmの円形に切断した。直径2.0cmのステンレス製コイン外装容器内で、直径1.3cmの円形に切断した正極、直径1.8cmの円形に切断したコーティングセパレータ、直径1.55cmの円形に切断した負極、さらにスペーサーとして直径1.5cmの円形に切断した厚さ200μmの銅箔をこの順番に重ね合わせた。ついで、容器に電解液(1.4MのLiPF6 エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート/フルオロエチレンカーボネート=10/70/20混合溶液(体積比))を150μL加えた。ついで、ポリプロピレン製のパッキンを介して、ステンレス製のキャップを容器に被せ、コイン電池作製用のかしめ器で容器を密封した。これにより、実施例13に係るリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。
負極を直径1.55cmの円形に、正極を直径1.3cmの円形に各々切断した。ついで、セパレータ作製例1(実施例6)で作製したコーティングセパレータを直径1.8cmの円形に切断した。直径2.0cmのステンレス製コイン外装容器内で、直径1.3cmの円形に切断した正極、直径1.8cmの円形に切断したコーティングセパレータ、直径1.55cmの円形に切断した負極、さらにスペーサーとして直径1.5cmの円形に切断した厚さ200μmの銅箔をこの順番に重ね合わせた。ついで、容器に電解液(1.4MのLiPF6 エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート/フルオロエチレンカーボネート=10/70/20混合溶液(体積比))を150μL加えた。ついで、ポリプロピレン製のパッキンを介して、ステンレス製のキャップを容器に被せ、コイン電池作製用のかしめ器で容器を密封した。これにより、実施例13に係るリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。
(リチウムイオン二次電池作製例2〜7(実施例14〜18、比較例2))
表2に示したセパレータを使用した以外は全てリチウムイオン二次電池作製例1と同様の処理を行うことで、実施例14〜18、及び比較例2に係るリチウムイオン二次電池を作製した。
表2に示したセパレータを使用した以外は全てリチウムイオン二次電池作製例1と同様の処理を行うことで、実施例14〜18、及び比較例2に係るリチウムイオン二次電池を作製した。
<サイクル寿命の評価>
各実施例及び比較例に係るリチウムイオン二次電池を0.2Cで1回充放電した。その後、1.0Cでリチウムイオン二次電池を充放電する充放電サイクルを300回繰り返した。各充放電は25℃の環境下で行われた。300サイクル時(1.0C充放電サイクルの300回目)の放電容量を1サイクル時(1.0C充放電サイクルの1回目)の放電容量で除することで、放電容量維持率(百分率)を算出した。容量維持率が大きいほどサイクル寿命が良いことを示す。評価結果をまとめて表2に示す。
各実施例及び比較例に係るリチウムイオン二次電池を0.2Cで1回充放電した。その後、1.0Cでリチウムイオン二次電池を充放電する充放電サイクルを300回繰り返した。各充放電は25℃の環境下で行われた。300サイクル時(1.0C充放電サイクルの300回目)の放電容量を1サイクル時(1.0C充放電サイクルの1回目)の放電容量で除することで、放電容量維持率(百分率)を算出した。容量維持率が大きいほどサイクル寿命が良いことを示す。評価結果をまとめて表2に示す。
表2によれば、本実施例に係るリチウムイオン二次電池のサイクル特性が向上していることがわかる。また、グラフト率が7.0〜30%となる場合に、サイクル特性が特に向上することがわかる。
以上により、本実施形態に係るバインダは、高い耐熱性及び強い接着力を有する。したがって、本実施形態に係るバインダを用いてセパレータ40を作製し、このセパレータ40を用いてリチウムイオン二次電池10を作製することで、リチウムイオン二次電池10のサイクル特性を向上させることができる。さらに、セパレータ10の熱収縮も抑制されるので、リチウムイオン二次電池10の熱暴走を抑制することができ、ひいては、リチウムイオン二次電池10の安全性が向上する。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上記実施形態では、リチウムイオン二次電池に本実施形態に係るバインダを使用したが、他の種類の二次電池に本実施形態に係るバインダを使用してもよい。
10 リチウムイオン二次電池
20 正極
30 負極
40 セパレータ
40a 基材
40b コーティング層
20 正極
30 負極
40 セパレータ
40a 基材
40b コーティング層
Claims (6)
- ポリフッ化ビニリデンを含む主鎖と、
前記主鎖に結合したポリへドラルオリゴメリックシルセスキオキサン誘導体と、を備えることを特徴とする、二次電池用バインダ。 - 前記ポリへドラルオリゴメリックシルセスキオキサン誘導体は、前記主鎖にグラフト重合していることを特徴とする、請求項1記載の二次電池用バインダ。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の二次電池用バインダを含む二次電池用セパレータ。
- 無機粒子をさらに含むことを特徴とする、請求項4記載の二次電池用セパレータ。
- 請求項4または5記載のセパレータを備えることを特徴とする、二次電池。
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