JP7676803B2 - Binder composition for battery electrodes and its manufacturing method, composition for producing battery electrodes and its manufacturing method, electrode, and battery - Google Patents
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Description
本発明は、電池電極用バインダー組成物及びその製造方法、電池電極作製用組成物及びその製造方法、電極、並びに電池に関する。 The present invention relates to a binder composition for battery electrodes and a method for producing the same, a composition for producing battery electrodes and a method for producing the same, an electrode, and a battery.
電池として、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ等の様々な蓄電デバイスが実用化されている。これらの電池に使用される電極は、活物質及びバインダー等を含む組成物を集電体上に塗布及び乾燥等することにより作製されることがある。例えば、リチウムイオン二次電池では、負極を層状に形成する組成物に用いられるバインダーとして、スチレンブタジエンゴム(SBR)ラテックス及びカルボキシメチルセルロース(CMC)を含む水系のバインダーが使用されている。 Various types of battery storage devices, such as nickel-metal hydride secondary batteries, lithium-ion secondary batteries, and electric double-layer capacitors, have been put to practical use. Electrodes used in these batteries may be produced by applying a composition containing an active material and a binder to a current collector and drying the composition. For example, in lithium-ion secondary batteries, a water-based binder containing styrene butadiene rubber (SBR) latex and carboxymethyl cellulose (CMC) is used as the binder in the composition that forms the negative electrode in a layered form.
各種二次電池には、エネルギー密度、信頼性、及び耐久性向上への要求が高まっている。例えば、リチウムイオン二次電池の負極用活物質として一般に黒鉛が使用されるが、繰り返し使用するにつれて電極における層の剥離又は脱落等が生じ、その結果、電池の容量が低下し、サイクル特性(耐久性)が悪化するという電池性能低下の問題がある。このような電池性能の低下を抑制するために、バインダーによって活物質間を強固に結着させること(結着性)や活物質のサイズを小さくして膨潤収縮に伴う応力を緩和すること、電解液の添加剤を工夫することで電池性能を改善する検討が行われている。
また、二次電池電極は、活物質及びバインダーを含む電池電極形成用組成物(以下、「電極スラリー」ともいう。)を電極集電体表面に塗布乾燥することにより得ることがある。この際、電極スラリーの乾燥効率を高め、電極の生産性を向上する観点から、電極スラリー中の活物質濃度を高くすることが有利である。しかしながら、通常、活物質濃度を高くするにつれて電極スラリーの固形分濃度も高くなるため、良好な塗工性を確保することが難しくなる。従来、水系スラリーでは、活物質を分散安定化し、良好な塗工性を付与するバインダーとして、カルボキシメチルセルロースが用いられている(例えば、特許文献1参照)。
There is an increasing demand for improved energy density, reliability, and durability in various secondary batteries. For example, graphite is generally used as an active material for the negative electrode of a lithium-ion secondary battery, but as the battery is repeatedly used, layers in the electrode peel off or fall off, resulting in a problem of battery performance degradation, such as a decrease in battery capacity and deterioration in cycle characteristics (durability). In order to suppress such a decrease in battery performance, studies have been conducted to improve battery performance by firmly binding active materials together (binding property), reducing the size of active materials to relieve stress associated with swelling and shrinkage, and devising additives for the electrolyte.
In addition, a secondary battery electrode may be obtained by applying a composition for forming a battery electrode (hereinafter also referred to as "electrode slurry") containing an active material and a binder to the surface of an electrode current collector and drying the composition. In this case, it is advantageous to increase the active material concentration in the electrode slurry from the viewpoint of increasing the drying efficiency of the electrode slurry and improving the productivity of the electrode. However, as the active material concentration is increased, the solid content concentration of the electrode slurry also increases, making it difficult to ensure good coatability. Conventionally, in aqueous slurries, carboxymethyl cellulose has been used as a binder that stabilizes the dispersion of the active material and imparts good coatability (see, for example, Patent Document 1).
また、セルロース繊維を電極作製の材料として使用することが知られている。
例えば、特許文献2には、短幅の方の数平均幅が2~1000nmであるセルロースを含有する蓄電デバイスの電極塗工液用増粘・安定剤が開示されている。当該増粘・安定剤は、電極活物質の分散安定性に優れ、かつ、分散工程中に攪拌せん断力による粘度低下を起こさず、かつ結着性及び耐電解液性に優れるとされている。
特許文献3には、セルロース繊維とSBR等の粒子状重合体を含む二次電池電極用バインダー組成物が開示されている。当該組成物は、粒子状重合体の移動(マイグレーション)が抑制され、得られる電極合材層中における粒子状重合体の分布が均一になり、電極活物質層と集電体との密着強度が優れるとされている。
特許文献4には、活物質と、カルボキシ基を有する繊維状多糖類と、分散媒とを含むことを特徴とする電池電極用組成物が開示されている。当該電池電極用組成物は、電池用電極の組成設計の自由度が向上し、生産性に優れ、良好なサイクル特性に加え、出力特性に優れるとされている。
It is also known to use cellulose fibers as a material for making electrodes.
For example, Patent Document 2 discloses a thickener/stabilizer for an electrode coating solution for an electricity storage device, which contains cellulose having a number average width of the short width of 2 to 1000 nm. The thickener/stabilizer is said to have excellent dispersion stability for the electrode active material, does not cause a decrease in viscosity due to stirring shear force during the dispersion process, and has excellent binding properties and electrolyte resistance.
Patent Document 3 discloses a binder composition for secondary battery electrodes that contains cellulose fibers and a particulate polymer such as SBR. The composition is said to suppress migration of the particulate polymer, to ensure uniform distribution of the particulate polymer in the resulting electrode mixture layer, and to provide excellent adhesion strength between the electrode active material layer and the current collector.
Patent Document 4 discloses a composition for battery electrodes, which is characterized by containing an active material, a fibrous polysaccharide having a carboxyl group, and a dispersion medium. The composition for battery electrodes is said to improve the degree of freedom in the composition design of battery electrodes, to be excellent in productivity, and to have excellent cycle characteristics as well as excellent output characteristics.
特許文献1のスラリーはカルボキシメチルセルロースを含み、カルボキシメチルセルロースが活物質を分散安定化し良好な塗工性を付与できるが、当該スラリーから得られる電池の性能のさらなる向上、特に結着性を高めることは課題となっている。 The slurry of Patent Document 1 contains carboxymethylcellulose, which disperses and stabilizes the active material and provides good coating properties, but there is a problem in further improving the performance of the battery obtained from the slurry, particularly in terms of increasing the binding properties.
特許文献2の蓄電デバイスの電極塗工液用増粘・安定剤においては、短幅の方の数平均幅が2~1000nmであるセルロースとして、パルプを機械解繊したセルロース繊維(以下、機械解繊セルロース繊維ともいう)か、N-オキシル化合物であるTEMPOを用いて酸化して得られる酸化セルロースを解繊処理したセルロース繊維(以下、TEMPO酸化セルロース繊維ともいう)が用いられる。特許文献2の蓄電デバイスの電極塗工液用増粘・安定剤は、結着性を付与し得るものとされているが、上記セルロース繊維は、水中で大きく拡がった構造をとると考えられ、少量の添加でも粘度が大きく上昇し、電極製造時に電極塗工液の塗工が困難となる。
特許文献3の二次電池電極用バインダー組成物においては、セルロース繊維としてBinFi-s(登録商標)、セリッシュ(登録商標)といった機械解繊セルロース繊維が用いられる。特許文献4の電池電極用組成物においては、カルボキシ基を有する繊維状多糖類として、TEMPO酸化セルロース繊維が用いられる。このようなセルロース繊維は、上述したとおり、少量の添加でも粘度が大きく上昇し、塗工性に課題がある。
In the thickener/stabilizer for electrode coating fluid of an electricity storage device of Patent Document 2, cellulose having a number average width of 2 to 1000 nm in the short width is used, which may be cellulose fiber obtained by mechanically defibrating pulp (hereinafter also referred to as mechanically defibrated cellulose fiber) or cellulose fiber obtained by defibrating oxidized cellulose obtained by oxidation with TEMPO, an N-oxyl compound (hereinafter also referred to as TEMPO oxidized cellulose fiber). The thickener/stabilizer for electrode coating fluid of an electricity storage device of Patent Document 2 is said to be capable of imparting binding properties, but the above-mentioned cellulose fiber is thought to have a structure that is widely spread in water, and even a small amount of addition significantly increases the viscosity, making it difficult to apply the electrode coating fluid during electrode production.
In the binder composition for secondary battery electrodes of Patent Document 3, mechanically defibrated cellulose fibers such as BinFi-s (registered trademark) and Celish (registered trademark) are used as the cellulose fibers. In the composition for battery electrodes of Patent Document 4, TEMPO oxidized cellulose fibers are used as the fibrous polysaccharide having a carboxy group. As described above, such cellulose fibers cause a large increase in viscosity even when added in small amounts, and there are problems with coatability.
以上のとおり、カルボキシメチルセルロース、機械解繊セルロース繊維、あるいはTEMPO酸化セルロース繊維を電極用バインダーとして用いた場合、塗工性と結着性とを両立することが困難である。 As described above, when carboxymethyl cellulose, mechanically defibrated cellulose fibers, or TEMPO oxidized cellulose fibers are used as electrode binders, it is difficult to achieve both coatability and binding properties.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、良好な塗工性を有する電池電極作製用組成物を提供でき、且つ、結着性に優れる電極用バインダー組成物を提供することを課題とする。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a composition for producing battery electrodes that has good coating properties, and also to provide an electrode binder composition that has excellent binding properties.
本発明者らが鋭意検討した結果、次亜塩素酸又はその塩によって原料セルロースを酸化することで得られる酸化物に由来するナノセルロースは、優れた塗工性を有する電池電極作製用組成物を提供し、且つ、結着性に優れることを見いだし、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive research, the inventors discovered that nanocellulose derived from an oxide obtained by oxidizing raw cellulose with hypochlorous acid or its salt provides a composition for producing battery electrodes with excellent coating properties and excellent binding properties, which led to the completion of the present invention.
本発明によれば、以下の手段が提供される。
[1]
ナノセルロースを含む、電池電極用バインダー組成物であって、
前記ナノセルロースが、次亜塩素酸又はその塩によるセルロース系原料の酸化物を含み、且つ、N-オキシル化合物を実質的に含まない、
電池電極用バインダー組成物。
[2]
前記ナノセルロースのカルボキシ基の含有量が、0.2mmol/g以上2.0mmol/g以下である、
[1]に記載の電池電極用バインダー組成物。
[3]
前記ナノセルロースの平均繊維長が、50nm以上700nm以下である、
[1]又は[2]に記載の電池電極用バインダー組成物。
[4]
粒子状重合体及び/又はカルボキシ基を有する重合体若しくはその塩を含む、
[1]~[3]のいずれかに記載の電池電極用バインダー組成物。
[5]
前記カルボキシ基を有する重合体が、架橋性単量体に由来する構造単位を含み、
前記架橋性単量体に由来する構造単位の含有量が、前記カルボキシ基を有する重合体を構成する単量体単位総量100質量部に対して、0.1質量部以上2.0質量部以下である、
[4]に記載の電池電極用バインダー組成物。
[6]
前記カルボキシ基を有する重合体を中和度80~100モル%に中和した後、水媒体中で測定した粒子径が、体積基準メジアン径として0.1μm以上5.0μm以下である、
[4]又は[5]に記載の電池電極用バインダー組成物。
[7]
[1]~[6]のいずれかに記載の電池電極用バインダー組成物を含む、電池電極作製用組成物。
[8]
[7]に記載の電池電極作製用組成物を用いて作製された、電極。
[9]
[8]に記載の電極を備える電池。
[10]
ナノセルロースを含む電池電極用バインダー組成物の製造方法であって、
酸化セルロースと、前記電池電極用バインダー組成物のナノセルロース以外の材料とを含む混合物を撹拌することにより、前記電池電極用バインダー組成物を得る工程を含み、
前記酸化セルロースが、次亜塩素酸又はその塩によるセルロース系原料の酸化物を含み、且つ、N-オキシル化合物を実質的に含まない、製造方法。
[11]
ナノセルロースを含む電池電極用バインダー組成物の製造方法であって、
酸化セルロースを撹拌し、連続して前記電池電極用バインダー組成物のナノセルロース以外の材料を添加することにより、前記電池電極用バインダー組成物を得る工程を含み、
前記酸化セルロースが、次亜塩素酸又はその塩によるセルロース系原料の酸化物を含み、且つ、N-オキシル化合物を実質的に含まない、製造方法。
[12]
ナノセルロースを含む電池電極作製用組成物の製造方法であって、
酸化セルロースと、前記電池電極作製用組成物のナノセルロース以外の材料とを含む混合物を撹拌することにより、前記電池電極作製用組成物を得る工程を含み、
前記酸化セルロースが、次亜塩素酸又はその塩によるセルロース系原料の酸化物を含み、且つ、N-オキシル化合物を実質的に含まない、製造方法。
[13]
ナノセルロースを含む電池電極作製用組成物の製造方法であって、
酸化セルロースを撹拌し、連続して前記電池電極作製用組成物のナノセルロース以外の材料を添加することにより、前記電池電極作製用組成物を得る工程を含み、
前記酸化セルロースが、次亜塩素酸又はその塩によるセルロース系原料の酸化物を含み、且つ、N-オキシル化合物を実質的に含まない、製造方法。
According to the present invention, the following means are provided.
[1]
A binder composition for a battery electrode comprising nanocellulose,
The nanocellulose comprises an oxide of a cellulosic raw material with hypochlorous acid or a salt thereof, and is substantially free of N-oxyl compounds;
Binder composition for battery electrodes.
[2]
The carboxyl group content of the nanocellulose is 0.2 mmol / g or more and 2.0 mmol / g or less,
The binder composition for a battery electrode according to [1].
[3]
The average fiber length of the nanocellulose is 50 nm or more and 700 nm or less.
The binder composition for a battery electrode according to [1] or [2].
[4]
Contains a particulate polymer and/or a polymer having a carboxy group or a salt thereof,
The binder composition for a battery electrode according to any one of [1] to [3].
[5]
the polymer having a carboxy group contains a structural unit derived from a crosslinkable monomer,
the content of the structural unit derived from the crosslinkable monomer is 0.1 parts by mass or more and 2.0 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the total amount of the monomer units constituting the polymer having a carboxy group;
The binder composition for a battery electrode according to [4].
[6]
the polymer having a carboxy group is neutralized to a degree of neutralization of 80 to 100 mol %, and then the particle size measured in an aqueous medium is 0.1 μm or more and 5.0 μm or less in terms of volume-based median size;
The binder composition for a battery electrode according to [4] or [5].
[7]
A composition for producing a battery electrode, comprising the battery electrode binder composition according to any one of [1] to [6].
[8]
An electrode produced using the composition for producing a battery electrode according to [7].
[9]
A battery comprising the electrode according to [8].
[10]
A method for producing a binder composition for a battery electrode comprising nanocellulose, comprising:
The method includes obtaining the binder composition for battery electrodes by stirring a mixture containing oxidized cellulose and a material other than nanocellulose of the binder composition for battery electrodes,
The method for producing the oxidized cellulose comprises an oxidation product of a cellulosic raw material with hypochlorous acid or a salt thereof, and is substantially free of N-oxyl compounds.
[11]
A method for producing a binder composition for a battery electrode comprising nanocellulose, comprising:
obtaining said battery electrode binder composition by stirring oxidized cellulose and continuously adding materials other than nanocellulose of said battery electrode binder composition;
The method for producing the oxidized cellulose comprises an oxidation product of a cellulosic raw material with hypochlorous acid or a salt thereof, and is substantially free of N-oxyl compounds.
[12]
A method for producing a composition for producing a battery electrode containing nanocellulose, comprising:
The method includes a step of obtaining the composition for producing a battery electrode by stirring a mixture containing oxidized cellulose and a material other than nanocellulose of the composition for producing a battery electrode,
The method for producing the oxidized cellulose comprises an oxidation product of a cellulosic raw material with hypochlorous acid or a salt thereof, and is substantially free of N-oxyl compounds.
[13]
A method for producing a composition for producing a battery electrode containing nanocellulose, comprising:
The method includes a step of obtaining the composition for preparing a battery electrode by stirring the oxidized cellulose and continuously adding materials other than nanocellulose of the composition for preparing a battery electrode,
The method for producing the oxidized cellulose comprises an oxidation product of a cellulosic raw material with hypochlorous acid or a salt thereof, and is substantially free of N-oxyl compounds.
本発明の電池電極用バインダー組成物は、塗工性に優れる電池電極作製用組成物を提供する。また、本発明の電池電極用バインダー組成物は、結着性に優れる電極層を提供することができる。また、本発明の電池電極用バインダー組成物によれば、電極及び電池を提供することができる。 The binder composition for battery electrodes of the present invention provides a composition for producing battery electrodes with excellent coating properties. The binder composition for battery electrodes of the present invention can also provide an electrode layer with excellent binding properties. The binder composition for battery electrodes of the present invention can also provide an electrode and a battery.
[電池電極用バインダー組成物]
本発明の電池電極用バインダー組成物(以下、単にバインダー組成物ともいう)は、ナノセルロースを含む。本発明のバインダー組成物に含まれるナノセルロースは、次亜塩素酸又はその塩によるセルロース系原料の酸化物を含み、且つ、N-オキシル化合物を実質的に含まない、ナノセルロースである。
[Battery electrode binder composition]
The binder composition for battery electrodes (hereinafter, also simply referred to as the binder composition) of the present invention contains nanocellulose. The nanocellulose contained in the binder composition of the present invention is nanocellulose that contains an oxide of a cellulose-based raw material with hypochlorous acid or a salt thereof and is substantially free of N-oxyl compounds.
本開示のナノセルロースをバインダーとして用いることにより、塗工性に優れる電池電極作製用組成物が得られ、且つ、結着性に優れる理由は定かではないが、概ね以下のことが考えられる。
ナノセルロースは解繊を経て得られるが、解繊はセルロースミクロフィブリル同士の水素結合が切断されることにより進行する。次亜塩素酸又はその塩を用いた酸化処理では、酸化の進行に伴いミクロフィブリルの重合度の低下(すなわち、セルロース分子鎖の短鎖化)が起こる。この重合度の低下は、機械解繊によってのみでは起こりにくい。また、この重合度の低下は、次亜塩素酸又はその塩で酸化した場合には、例えばTEMPO酸化法による場合に比べて、酸化度の増大に伴い重合度の低下が進行しやすい。このため、酸化処理によりミクロフィブリル1本1本において解繊によって切断すべき水素結合数が少なく、さらには酸化の進行に伴いカルボキシ基量が増加することにより、ミクロフィブリル同士の反発力が強まり、得られるナノセルロースの分散安定性が向上すると考えられる。分散安定性によって、粘度上昇を抑制できることから、塗工性が向上すると考えられる。
また、本発明におけるナノセルロースに含まれるカルボキシ基は、グルコピラノース単位でみたときに、後述するように、グルコピラノース環の水酸基のうち少なくとも2個が酸化された構造を有し、また、C6位の第一級水酸基は、酸化されることなく、そのまま水酸基として存在すると考えられる。一方、TEMPO酸化法によって得られるナノセルロースは、グルコピラノース環のC6位の第一級水酸基が酸化される。以上のとおり、本発明において使用されるナノセルロースは、C6位のヒドロキシメチル基構造を維持することができ、第一級水酸基量を多くできると考えられる。上記ヒドロキシメチル基は、相互作用を形成しやすく、結着性が高められると考えられる。
通常、結着性を高めようとすると、例えば、塗工液等の組成物中の成分の流動性が低下して粘度も上昇しやすいが、本発明におけるナノセルロースは、結着性は維持しながら粘度安定性に優れ、塗工性を電池電極作製用組成物に付与できると考えれる。
By using the nanocellulose of the present disclosure as a binder, a composition for producing a battery electrode having excellent coating properties and excellent binding properties can be obtained. Although the reason why this is the case is unclear, it is generally believed to be as follows.
Nanocellulose is obtained through defibration, and defibration proceeds by breaking hydrogen bonds between cellulose microfibrils. In the oxidation treatment using hypochlorous acid or its salt, the degree of polymerization of microfibrils decreases as the oxidation progresses (i.e., the cellulose molecular chains are shortened). This decrease in the degree of polymerization is unlikely to occur only by mechanical defibration. In addition, when oxidized with hypochlorous acid or its salt, the degree of polymerization is more likely to decrease with an increase in the degree of oxidation compared to, for example, the TEMPO oxidation method. For this reason, the number of hydrogen bonds to be broken by defibration in each microfibril due to the oxidation treatment is small, and the amount of carboxyl groups increases as the oxidation progresses, which strengthens the repulsive force between the microfibrils and improves the dispersion stability of the obtained nanocellulose. It is believed that the dispersion stability can suppress the increase in viscosity, thereby improving the coatability.
In addition, the carboxyl group contained in the nanocellulose of the present invention has a structure in which at least two of the hydroxyl groups of the glucopyranose ring are oxidized when viewed in glucopyranose units, as described below, and the primary hydroxyl group at the C6 position is not oxidized and is considered to exist as a hydroxyl group as it is. On the other hand, in the nanocellulose obtained by the TEMPO oxidation method, the primary hydroxyl group at the C6 position of the glucopyranose ring is oxidized. As described above, it is considered that the nanocellulose used in the present invention can maintain the hydroxymethyl group structure at the C6 position and can increase the amount of primary hydroxyl groups. It is considered that the above hydroxymethyl group is likely to form an interaction and enhance the binding property.
Usually, when trying to increase binding properties, for example, the fluidity of the components in the composition, such as the coating liquid, decreases and the viscosity tends to increase. However, the nanocellulose in the present invention has excellent viscosity stability while maintaining binding properties, and is thought to be able to impart coatability to the composition for producing battery electrodes.
本発明における電池電極用バインダー組成物とは、電池電極においてバインダーとして用いられるものを指す。ここでバインダーとは、電池電極の構成成分、例えば、活物質等の電極を構成する成分同士、あるいは、活物質等の成分を含む電極層を電極の集電体と結着させる作用を有する成分を指す。本発明のバインダー組成物の性状は、特に制限されず、液状であっても、固形状であってもよい。本発明のバインダー組成物は、ナノセルロースを含む水分散液の態様であってもよい。 The binder composition for battery electrodes in the present invention refers to a composition used as a binder in battery electrodes. Here, the binder refers to a component that has the effect of binding components constituting a battery electrode, for example, components constituting an electrode such as an active material, to each other, or an electrode layer containing components such as an active material to a current collector of the electrode. The properties of the binder composition of the present invention are not particularly limited, and may be liquid or solid. The binder composition of the present invention may be in the form of an aqueous dispersion containing nanocellulose.
<ナノセルロース>
本発明におけるナノセルロースは、次亜塩素酸又はその塩によってセルロース系原料を酸化して得られる酸化セルロースのナノ化したものである。ここで、上記酸化セルロースは、セルロース系原料の酸化物ともいうことができる。本発明におけるナノセルロースは、次亜塩素酸又はその塩によるセルロース系原料の酸化物を含む。
なお、植物の主成分はセルロースであり、セルロース分子が束になったものがセルロースミクロフィブリルと称される。セルロース系原料中のセルロースもまた、セルロースミクロフィブリルの形態で含まれている。本発明におけるナノセルロースは、セルロースをナノ化したものの総称を表し、微細セルロース繊維やセルロースナノクリスタル等を含む。微細セルロース繊維は、セルロースナノファイバー(CNFとも記載する)ともいう。
本発明のナノセルロースは、カルボキシ基を含むが、当該カルボキシ基はH型(-COOH)であってもよく、塩型であってもよい。塩の種類は、特に制限されないが、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属塩;カルシウム塩及びバリウム塩等のアルカリ土類金属塩;マグネシウム塩、アルミニウム塩等のその他の金属塩;アンモニウム塩及び有機アミン塩等が挙げられる。中でも、アルカリ金属塩が好ましく、抵抗の低い電池が得られる観点から、リチウム塩が好ましい。
<Nanocellulose>
The nanocellulose in the present invention is a nano-sized oxidized cellulose obtained by oxidizing a cellulosic raw material with hypochlorous acid or a salt thereof. Here, the oxidized cellulose can also be said to be an oxide of the cellulosic raw material. The nanocellulose in the present invention includes an oxide of the cellulosic raw material with hypochlorous acid or a salt thereof.
The main component of plants is cellulose, and cellulose molecules bundled together are called cellulose microfibrils. The cellulose in cellulose-based raw materials is also contained in the form of cellulose microfibrils. Nanocellulose in the present invention is a general term for cellulose that has been nanosized, and includes fine cellulose fibers and cellulose nanocrystals. Fine cellulose fibers are also called cellulose nanofibers (also written as CNF).
The nanocellulose of the present invention contains a carboxyl group, and the carboxyl group may be in the H type (-COOH) or in the salt type. The type of salt is not particularly limited, and examples thereof include alkali metal salts such as lithium, sodium, and potassium; alkaline earth metal salts such as calcium salts and barium salts; other metal salts such as magnesium salts and aluminum salts; ammonium salts, and organic amine salts. Among these, alkali metal salts are preferred, and lithium salts are preferred from the viewpoint of obtaining a battery with low resistance.
本発明におけるナノセルロースは、セルロース系原料を次亜塩素酸又はその塩で酸化によって得られ、この酸化においてTEMPO等のN-オキシル化合物を用いない。このため、本発明におけるナノセルロースは、N-オキシル化合物を実質的に含まない。したがって、ナノセルロースは、N-オキシル化合物による環境や人体への影響が十分に低減されており安全性が高い。ここで、本明細書において、ナノセルロースが「N-オキシル化合物を実質的に含んでいない」とは、酸化セルロースを製造する際にN-オキシル化合物を用いていない、又は、酸化セルロース中におけるN-オキシル化合物に由来する窒素の含有量が、原料パルプ等のセルロース系原料からの増加分として2.0ppm以下であることを意味する。酸化セルロース中のN-オキシル化合物の量は、原料パルプ等のセルロース系原料からの増加分として好ましくは1.0ppm以下である。N-オキシル化合物の含有量は、公知の手段で測定することができる。公知の手段としては、微量全窒素分析装置を用いる方法が挙げられる。具体的には、酸化セルロース中のN-オキシル化合物由来の窒素成分は、微量全窒素分析装置(例えば、三菱ケミカルアナリテック社製、装置名:TN-2100H等)を用いて窒素量として測定することができる。 The nanocellulose of the present invention is obtained by oxidizing a cellulose-based raw material with hypochlorous acid or a salt thereof, and N-oxyl compounds such as TEMPO are not used in this oxidation. Therefore, the nanocellulose of the present invention does not substantially contain N-oxyl compounds. Therefore, the impact of N-oxyl compounds on the environment and human body of nanocellulose is sufficiently reduced, and it is highly safe. Here, in this specification, nanocellulose "substantially does not contain N-oxyl compounds" means that no N-oxyl compounds are used in producing oxidized cellulose, or the content of nitrogen derived from N-oxyl compounds in oxidized cellulose is 2.0 ppm or less as an increase from a cellulose-based raw material such as raw pulp. The amount of N-oxyl compounds in oxidized cellulose is preferably 1.0 ppm or less as an increase from a cellulose-based raw material such as raw pulp. The content of N-oxyl compounds can be measured by known means. One known means is a method using a total nitrogen trace analyzer. Specifically, the nitrogen components derived from N-oxyl compounds in oxidized cellulose can be measured as the amount of nitrogen using a total nitrogen trace analyzer (e.g., Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd., device name: TN-2100H, etc.).
(カルボキシ基量)
本発明におけるナノセルロース及び酸化セルロースのカルボキシ基量は、0.20mmol/g以上2.0mmol/g未満であることが好ましい。当該カルボキシ基量が0.20mmol/g以上であると、酸化セルロースに十分な易解繊性を付与することができる。これにより、温和な条件によって解繊処理を行った場合にも、分散安定化させた電池電極作製用組成物を得ることができ、塗工性が一層向上できると考えられる。一方、カルボキシ基量が2.0mmol/g未満であると、解繊処理時にセルロースが過度に分解することを抑制でき、粒子状のセルロースの比率が少なく品質が均一なナノセルロースを得ることができる。これによって、ナノセルロースの分散性が向上し、結着性を一層高めることができると考えられる。こうした観点から、本発明におけるナノセルロース及び酸化セルロースのカルボキシ基量は、より好ましくは0.5mmol/g以上であり、更に好ましくは0.6mmol/g以上であり、より更に好ましくは0.65mmol/g以上である。カルボキシ基量の上限については、より好ましくは1mmol/g以下であり、更に好ましくは0.9mmol/gであり、より更に好ましくは0.8mmol/g以下である。
(Amount of carboxyl group)
The amount of carboxy groups in the nanocellulose and oxidized cellulose in the present invention is preferably 0.20 mmol/g or more and less than 2.0 mmol/g. When the amount of carboxy groups is 0.20 mmol/g or more, sufficient easy defibration properties can be imparted to the oxidized cellulose. As a result, even when the defibration treatment is performed under mild conditions, a composition for producing a battery electrode with a stabilized dispersion can be obtained, and it is believed that the coatability can be further improved. On the other hand, when the amount of carboxy groups is less than 2.0 mmol/g, excessive decomposition of cellulose during the defibration treatment can be suppressed, and nanocellulose with a low ratio of particulate cellulose and uniform quality can be obtained. This is believed to improve the dispersibility of nanocellulose and further increase the binding property. From this viewpoint, the amount of carboxy groups in the nanocellulose and oxidized cellulose in the present invention is more preferably 0.5 mmol/g or more, even more preferably 0.6 mmol/g or more, and even more preferably 0.65 mmol/g or more. The upper limit of the amount of carboxy groups is more preferably 1 mmol/g or less, even more preferably 0.9 mmol/g, and even more preferably 0.8 mmol/g or less.
なお、カルボキシ基量(mmol/g)は、酸化セルロースを水と混合した水溶液に0.1M塩酸水溶液を加えてpH2.5にした後、0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液を滴下して、pHが11.0になるまで電気伝導度を測定し、電気伝導度の変化が穏やかな弱酸の中和段階において消費された水酸化ナトリウム量(a)から下記式を用いて算出した値である。詳細は、後述する実施例に記載の方法にしたがう。カルボキシ基量は、酸化反応の反応時間、反応温度、反応液のpH等を変更することにより調整することができる。
カルボキシ基量=a(ml)×0.05/酸化セルロース質量(g)
The amount of carboxy groups (mmol/g) is a value calculated using the following formula from the amount of sodium hydroxide (a) consumed in the neutralization stage of weak acid, where the change in electrical conductivity is gradual, after adding a 0.1 M aqueous hydrochloric acid solution to an aqueous solution obtained by mixing oxidized cellulose with water to adjust the pH to 2.5, and then dropping a 0.05 N aqueous sodium hydroxide solution and measuring the electrical conductivity until the pH reaches 11.0. Details are given in accordance with the method described in the Examples below. The amount of carboxy groups can be adjusted by changing the reaction time, reaction temperature, pH of the reaction solution, etc. of the oxidation reaction.
Amount of carboxyl group=a (ml)×0.05/mass of oxidized cellulose (g)
上記酸化セルロースは、例えば、反応系内における次亜塩素酸又はその塩の有効塩素濃度を比較的高濃度(例えば、14質量%~43質量%)とした条件でセルロース系原料を酸化すること等により得ることができる。また、上記酸化セルロースは、有効塩素濃度、反応の際のpH、反応温度等の反応条件を適宜制御することによっても製造することができる。こうして得られた酸化セルロースは、好適には、セルロースを構成するグルコピラノース環の水酸基のうち少なくとも2個が酸化された構造を有し、より具体的には、グルコピラノース環の第2位及び第3位の水酸基が酸化されてカルボキシ基が導入された構造を有することが好ましい。なお、酸化セルロースが有するグルコピラノース環におけるカルボキシ基の位置は、固体13C-NMRスペクトルにより解析することができる。 The oxidized cellulose can be obtained, for example, by oxidizing a cellulosic raw material under conditions in which the available chlorine concentration of hypochlorous acid or a salt thereof in the reaction system is relatively high (e.g., 14% by mass to 43% by mass). The oxidized cellulose can also be produced by appropriately controlling reaction conditions such as the available chlorine concentration, the pH during the reaction, and the reaction temperature. The oxidized cellulose thus obtained preferably has a structure in which at least two of the hydroxyl groups of the glucopyranose ring constituting the cellulose are oxidized, and more specifically, preferably has a structure in which the hydroxyl groups at the second and third positions of the glucopyranose ring are oxidized and carboxyl groups are introduced. The positions of the carboxyl groups in the glucopyranose ring of the oxidized cellulose can be analyzed by solid-state 13C -NMR spectroscopy.
本発明におけるナノセルロースは、1本単位の繊維の集合体である。本発明におけるナノセルロースがカルボキシル化CNFを含む場合、少なくとも1本のカルボキシル化されたCNFを含んでいればよく、カルボキシル化されたCNFが主成分であることが好ましい。ここでカルボキシル化CNFが主成分であるとは、CNF全量に占めるカルボキシル化CNFの割合が50質量%超過であること、好ましくは70質量%超過であること、より好ましくは80質量%超過であることを指す。上記割合の上限は100質量%であるが、98質量%であってもよく、95質量%であってもよい。 The nanocellulose of the present invention is an aggregate of individual fibers. When the nanocellulose of the present invention contains carboxylated CNF, it is sufficient that it contains at least one carboxylated CNF, and it is preferable that the carboxylated CNF is the main component. Here, "carboxylated CNF is the main component" means that the proportion of carboxylated CNF in the total amount of CNF is more than 50% by mass, preferably more than 70% by mass, and more preferably more than 80% by mass. The upper limit of the above proportion is 100% by mass, but it may be 98% by mass or 95% by mass.
本発明におけるナノセルロースの平均繊維長は、50nm以上700nm以下であることが好ましい。平均繊維長が700nmを超える場合、ナノセルロースを含むスラリーが増粘する傾向にある。また、平均繊維長が50nmより小さいとCNFの特長である粘性が発現し難くなると共に活物質同士をセルロースが結着できなくなり結着性が低下する。また、平均繊維長が50nm以上700nm以下であることにより、バインダー組成物あるいは電池電極作製用組成物の粘度の上昇を抑え、分散安定化させた電池電極作製用組成物を得ることができ、塗工性が一層向上できると共に良好な結着性を付与することができると考えられる。
本発明におけるナノセルロースの平均繊維幅は、特に制限されないが、2.0nm以上5.0nm以下であることが好ましい。平均繊維幅が2.0nm以上5.0nm以下であることにより、バインダー組成物あるいは電池電極作製用組成物の粘度の上昇を抑え、分散安定化させた電池電極作製用組成物を得ることができ、塗工性が一層向上できると考えられる。
The average fiber length of the nanocellulose in the present invention is preferably 50 nm or more and 700 nm or less. When the average fiber length exceeds 700 nm, the slurry containing nanocellulose tends to thicken. In addition, when the average fiber length is less than 50 nm, the viscosity characteristic of CNF is difficult to be expressed, and the cellulose cannot bind the active materials together, so that the binding property is reduced. In addition, by having an average fiber length of 50 nm or more and 700 nm or less, it is possible to suppress the increase in viscosity of the binder composition or the composition for preparing a battery electrode, and obtain a composition for preparing a battery electrode that is dispersed and stabilized, and it is believed that the coatability can be further improved and good binding property can be imparted.
The average fiber width of the nanocellulose in the present invention is not particularly limited, but is preferably 2.0 nm to 5.0 nm. By having an average fiber width of 2.0 nm to 5.0 nm, it is possible to suppress an increase in the viscosity of the binder composition or the composition for preparing a battery electrode, obtain a composition for preparing a battery electrode that is dispersed and stabilized, and further improve the coatability.
塗工性をさらに向上させる観点から、平均繊維長は、50nm以上550nm以下の範囲がより好ましく、50nm以上500nm以下の範囲がさらに好ましく、50nm以上400nm以下の範囲がよりさらに好ましい。
塗工性をさらに向上させる観点から、平均繊維幅は2.0nm以上4.5nm以下の範囲がより好ましく、2.5nm以上4.0nm以下の範囲がより好ましい。
From the viewpoint of further improving the coatability, the average fiber length is more preferably in the range of 50 nm or more and 550 nm or less, even more preferably in the range of 50 nm or more and 500 nm or less, and even more preferably in the range of 50 nm or more and 400 nm or less.
From the viewpoint of further improving the coatability, the average fiber width is more preferably in the range of 2.0 nm or more and 4.5 nm or less, and even more preferably in the range of 2.5 nm or more and 4.0 nm or less.
本発明におけるナノセルロースにおいて、平均繊維幅と平均繊維長との比で表されるアスペクト比(平均繊維長/平均繊維幅)は、20以上200以下であることが好ましい。
アスペクト比が200以下であることにより、ナノセルロースの分散性が向上し、結着性を一層高めることができると考えられる。こうした観点から、アスペクト比は、より好ましくは190以下であり、さらに好ましくは180以下である。
その一方で、アスペクト比が低すぎる、すなわち、ナノセルロースの形状が細長い繊維状というよりも太い棒状である場合、偏在により凝集が起こり、分散性が低下する傾向にある。そのため、アスペクト比は、好ましくは20以上であり、より好ましくは30以上であり、さらに好ましくは40以上である。
In the nanocellulose of the present invention, the aspect ratio (average fiber length/average fiber width), which is the ratio of the average fiber width to the average fiber length, is preferably 20 or more and 200 or less.
It is believed that the dispersibility of nanocellulose can be improved and the binding property can be further increased by having an aspect ratio of 200 or less. From this viewpoint, the aspect ratio is more preferably 190 or less, and further preferably 180 or less.
On the other hand, if the aspect ratio is too low, i.e., if the shape of the nanocellulose is a thick rod rather than a long and thin fiber, aggregation occurs due to uneven distribution, and dispersibility tends to decrease. Therefore, the aspect ratio is preferably 20 or more, more preferably 30 or more, and even more preferably 40 or more.
なお、平均繊維幅及び平均繊維長は、ナノセルロースの濃度が概ね1~10ppmとなるようにナノセルロースと水とを混合し、十分に希釈したセルロース水分散体をマイカ基材上で自然乾燥させ、走査型プローブ顕微鏡を用いてナノセルロースの形状観察を行い、得られた像より任意の本数の繊維を無作為に選択し、形状像の断面高さ=繊維幅とし、周囲長÷2=繊維長とすることにより算出した値である。このような平均繊維幅及び平均繊維長の算出には、画像処理のソフトウェアを用いることができる。このとき画像処理の条件は任意であるが、条件によって同一画像であっても算出される値に差が生じる場合がある。条件による値の差の範囲は、平均繊維長については±100nmの範囲内であることが好ましい。条件による値の差の範囲は、平均繊維幅については±10nmの範囲内であることが好ましい。より詳細な測定方法は、後述の実施例に記載の方法にしたがう。 The average fiber width and average fiber length are calculated by mixing nanocellulose and water so that the nanocellulose concentration is approximately 1 to 10 ppm, naturally drying the sufficiently diluted cellulose water dispersion on a mica substrate, observing the shape of the nanocellulose using a scanning probe microscope, randomly selecting any number of fibers from the obtained image, and setting the cross-sectional height of the shape image = fiber width and the circumference ÷ 2 = fiber length. Image processing software can be used to calculate such average fiber width and average fiber length. In this case, the image processing conditions are arbitrary, but even for the same image, the calculated values may differ depending on the conditions. The range of value differences due to conditions is preferably within ±100 nm for the average fiber length. The range of value differences due to conditions is preferably within ±10 nm for the average fiber width. For more detailed measurement methods, follow the method described in the examples below.
(ナノセルロースの製造方法)
本発明におけるナノセルロースは、市販品を用いてもよく、自ら調製したものを使用してもよい。
本発明のナノセルロースの製造方法について説明する。本発明におけるナノセルロースは、例えば、セルロース系原料を次亜塩素酸又はその塩で酸化して酸化セルロースを得る工程Aと、必要に応じて、酸化セルロースを解繊する工程Bとを含む方法により製造することができる。
(Method for producing nanocellulose)
In the present invention, the nanocellulose may be a commercially available product or may be prepared by the user.
The method for producing nanocellulose of the present invention will be described. Nanocellulose in the present invention can be produced, for example, by a method including a step A of oxidizing a cellulose-based raw material with hypochlorous acid or a salt thereof to obtain oxidized cellulose, and, if necessary, a step B of defibrating the oxidized cellulose.
(工程A:酸化セルロースの製造)
セルロース系原料は、セルロースを主体とする材料であれば特に限定されず、例えば、パルプ、天然セルロース、再生セルロース、及びセルロースを機械的処理することにより解重合した微細セルロース等が挙げられる。セルロース系原料としては、パルプを原料とする結晶セルロース等の市販品をそのまま使用することができる。その他、おからや大豆皮等、セルロース成分を多量に含む未利用バイオマスを原料としてもよい。また、使用する酸化剤を原料パルプの中に浸透しやすくする目的で、予めセルロース系原料を適度な濃度のアルカリで処理してもよい。
(Step A: Production of oxidized cellulose)
The cellulosic raw material is not particularly limited as long as it is a material mainly composed of cellulose, and examples thereof include pulp, natural cellulose, regenerated cellulose, and fine cellulose obtained by depolymerizing cellulose by mechanical treatment. As the cellulosic raw material, commercially available products such as crystalline cellulose made from pulp can be used as they are. In addition, unused biomass containing a large amount of cellulose components, such as soybean pulp pulp, may be used as the raw material. In addition, the cellulosic raw material may be treated in advance with an appropriate concentration of alkali in order to facilitate the penetration of the oxidizing agent used into the raw pulp.
セルロース系原料の酸化に使用される次亜塩素酸又はその塩としては、次亜塩素酸水、次亜塩素酸ナトリウム、次亜塩素酸カリウム、次亜塩素酸カルシウム、及び次亜塩素酸アンモニウム等が挙げられる。これらの中でも、取り扱いやすさの点から、次亜塩素酸ナトリウムが好ましい。 Examples of hypochlorous acid or its salts used in the oxidation of cellulosic raw materials include hypochlorous acid water, sodium hypochlorite, potassium hypochlorite, calcium hypochlorite, and ammonium hypochlorite. Among these, sodium hypochlorite is preferred from the viewpoint of ease of handling.
セルロース系原料の酸化により酸化セルロースを製造する方法としては、セルロース系原料と、次亜塩素酸又はその塩を含む反応液とを混合する方法が挙げられる。反応液に含まれる溶媒は、取り扱いやすい点や副反応が生じにくい点で、水が好ましい。反応液における次亜塩素酸又はその塩の有効塩素濃度は、好ましくは7~43質量%、より好ましくは14~43質量%であることが好ましい。反応液の有効塩素濃度が上記範囲であると、酸化セルロース中のカルボキシ基量を十分に多くでき、酸化セルロースの解繊を容易に行うことができる。 One method for producing oxidized cellulose by oxidation of a cellulosic raw material is to mix the cellulosic raw material with a reaction liquid containing hypochlorous acid or a salt thereof. The solvent contained in the reaction liquid is preferably water, as it is easy to handle and unlikely to cause side reactions. The effective chlorine concentration of hypochlorous acid or a salt thereof in the reaction liquid is preferably 7 to 43% by mass, and more preferably 14 to 43% by mass. When the effective chlorine concentration of the reaction liquid is within the above range, the amount of carboxyl groups in the oxidized cellulose can be sufficiently increased, and the oxidized cellulose can be easily defibrated.
酸化セルロースのカルボキシ基量を十分に多くする観点から、反応液の有効塩素濃度は、より好ましくは15質量%以上であり、さらに好ましくは18質量%以上であり、よりさらに好ましくは20質量%以上である。また、解繊時にセルロースが過度に分解することを抑制する観点から、反応液の有効塩素濃度は、より好ましくは40質量%以下であり、さらに好ましくは38質量%以下である。反応液の有効塩素濃度の範囲は、既述の下限及び上限を適宜組み合わせることができる。当該有効塩素濃度の範囲は、より好ましくは16~43質量%であり、さらに好ましくは18~40質量%である。 From the viewpoint of sufficiently increasing the amount of carboxy groups in the oxidized cellulose, the effective chlorine concentration of the reaction liquid is more preferably 15% by mass or more, even more preferably 18% by mass or more, and even more preferably 20% by mass or more. Furthermore, from the viewpoint of suppressing excessive decomposition of cellulose during defibration, the effective chlorine concentration of the reaction liquid is more preferably 40% by mass or less, and even more preferably 38% by mass or less. The range of the effective chlorine concentration of the reaction liquid can be an appropriate combination of the above-mentioned lower and upper limits. The range of the effective chlorine concentration is more preferably 16 to 43% by mass, and even more preferably 18 to 40% by mass.
なお、次亜塩素酸又はその塩の有効塩素濃度は、以下のように定義される。次亜塩素酸は水溶液として存在する弱酸であり、次亜塩素酸塩は、次亜塩素酸の水素が他の陽イオンに置換された化合物である。例えば、次亜塩素酸塩である次亜塩素酸ナトリウムは溶媒中(好ましくは水溶液中)に存在するため、次亜塩素酸ナトリウムの濃度ではなく、溶液中の有効塩素量として濃度が測定される。ここで、次亜塩素酸ナトリウムの有効塩素について、次亜塩素酸ナトリウムの分解により生成する2価の酸素原子の酸化力が1価の塩素の2原子当量に相当するため、次亜塩素酸ナトリウム(NaClO)の結合塩素原子は、非結合塩素(Cl2)の2原子と同じ酸化力を持ち、有効塩素=2×(NaClO中の塩素)となる。測定の具体的な手順としては、まず試料を精秤し、水、ヨウ化カリウム及び酢酸を加えて放置し、遊離したヨウ素についてデンプン水溶液を指示薬としてチオ硫酸ナトリウム溶液で滴定し有効塩素濃度を測定する。 The effective chlorine concentration of hypochlorous acid or its salt is defined as follows. Hypochlorous acid is a weak acid that exists as an aqueous solution, and hypochlorite is a compound in which hydrogen of hypochlorous acid is replaced by other cations. For example, sodium hypochlorite, which is a hypochlorite, exists in a solvent (preferably in an aqueous solution), so the concentration is measured as the effective chlorine amount in the solution, not the concentration of sodium hypochlorite. Here, for the effective chlorine of sodium hypochlorite, the oxidizing power of the divalent oxygen atom generated by the decomposition of sodium hypochlorite corresponds to the two atomic equivalents of monovalent chlorine, so that the bonded chlorine atom of sodium hypochlorite (NaClO) has the same oxidizing power as two atoms of unbonded chlorine (Cl 2 ), and the effective chlorine is 2×(chlorine in NaClO). As a specific procedure for measurement, first, the sample is precisely weighed, water, potassium iodide and acetic acid are added, and the sample is left to stand, and the liberated iodine is titrated with a sodium thiosulfate solution using a starch aqueous solution as an indicator to measure the effective chlorine concentration.
次亜塩素酸又はその塩によるセルロース系原料の酸化反応は、pHを5.0~14.0の範囲に調整しながら行うとよい。この範囲であると、セルロース系原料の酸化反応を十分に進行させることができ、酸化セルロース中のカルボキシ基量を十分に多くすることができる。これにより、酸化セルロースの解繊を容易に行うことができる。反応系のpHは、より好ましくは7.0以上であり、さらに好ましくは8.0以上である。反応系のpHの上限については、より好ましくは13.5以下であり、さらに好ましくは13.0以下である。また、反応系のpHの範囲は、より好ましくは7.0~14.0であり、さらに好ましくは8.0~13.5である。 The oxidation reaction of the cellulosic raw material with hypochlorous acid or a salt thereof is preferably carried out while adjusting the pH to the range of 5.0 to 14.0. In this range, the oxidation reaction of the cellulosic raw material can be sufficiently progressed, and the amount of carboxyl groups in the oxidized cellulose can be sufficiently increased. This makes it possible to easily defibrate the oxidized cellulose. The pH of the reaction system is more preferably 7.0 or higher, and even more preferably 8.0 or higher. The upper limit of the pH of the reaction system is more preferably 13.5 or lower, and even more preferably 13.0 or lower. The pH range of the reaction system is more preferably 7.0 to 14.0, and even more preferably 8.0 to 13.5.
以下、次亜塩素酸又はその塩として次亜塩素酸ナトリウムを用いる場合を例にして、酸化セルロースを製造する方法についてさらに説明する。 The method for producing oxidized cellulose will be further explained below using an example in which sodium hypochlorite is used as hypochlorous acid or its salt.
次亜塩素酸ナトリウムを用いてセルロース系原料の酸化を行う場合、反応液は、次亜塩素酸ナトリウム水溶液であることが好ましい。次亜塩素酸ナトリウム水溶液の有効塩素濃度を目的とする濃度(例えば、目的濃度:7質量%~43質量%)に調整する方法としては、目的濃度よりも有効塩素濃度の低い次亜塩素酸ナトリウム水溶液を濃縮する方法、目標濃度よりも有効塩素濃度の高い次亜塩素酸ナトリウム水溶液を希釈する方法、及び次亜塩素酸ナトリウムの結晶(例えば、次亜塩素酸ナトリウム5水和物)を溶媒に溶解する方法等が挙げられる。これらの中でも、次亜塩素酸ナトリウム水溶液を希釈する方法、又は次亜塩素酸ナトリウムの結晶を溶媒に溶解する方法により酸化剤としての有効塩素濃度に調整することが、自己分解が少なく(すなわち、有効塩素濃度の低下が少なく)、有効塩素濃度の調整が簡便であるため好ましい。 When oxidizing a cellulosic raw material using sodium hypochlorite, the reaction liquid is preferably an aqueous sodium hypochlorite solution. Methods for adjusting the effective chlorine concentration of an aqueous sodium hypochlorite solution to a desired concentration (e.g., a target concentration: 7% by mass to 43% by mass) include concentrating an aqueous sodium hypochlorite solution having an effective chlorine concentration lower than the target concentration, diluting an aqueous sodium hypochlorite solution having an effective chlorine concentration higher than the target concentration, and dissolving sodium hypochlorite crystals (e.g., sodium hypochlorite pentahydrate) in a solvent. Among these, adjusting the effective chlorine concentration as an oxidizing agent by diluting an aqueous sodium hypochlorite solution or dissolving sodium hypochlorite crystals in a solvent is preferable because it causes less self-decomposition (i.e., less reduction in effective chlorine concentration) and makes it easy to adjust the effective chlorine concentration.
セルロース系原料の酸化反応を効率良く進行させるために、酸化反応中は、セルロース系原料と次亜塩素酸ナトリウム水溶液との混合液を撹拌しながら行うことが好ましい。撹拌の方法としては、例えば、マグネチックスターラー、撹拌棒、撹拌翼付き撹拌機(スリーワンモータ)、ホモミキサー、ディスパー型ミキサー、ホモジナイザー、外部循環撹拌等が挙げられる。これらのうち、セルロース系原料の酸化反応が円滑に進行しやすい点で、ホモミキサー及びホモジナイザー等のせん断式撹拌機、撹拌翼付き撹拌機、並びにディスパー型ミキサーのうち1種又は2種以上を用いる方法が好ましく、攪拌翼付き撹拌機を用いる方法が特に好ましい。撹拌翼付き撹拌機を用いる場合、撹拌機としては、プロペラ翼、パドル翼、タービン翼等の公知の撹拌翼を備える装置を使用することができる。また、撹拌翼付き撹拌機を用いる場合、回転速度50~300rpmにて撹拌を行うことが好ましい。 In order to efficiently proceed with the oxidation reaction of the cellulosic raw material, it is preferable to carry out the oxidation reaction while stirring the mixture of the cellulosic raw material and the aqueous sodium hypochlorite solution. Examples of the stirring method include a magnetic stirrer, a stirring rod, a stirrer with stirring blades (three-one motor), a homomixer, a dispersion type mixer, a homogenizer, and external circulation stirring. Among these, a method using one or more of shear type stirrers such as a homomixer and a homogenizer, a stirrer with stirring blades, and a dispersion type mixer is preferable in terms of the smooth progress of the oxidation reaction of the cellulosic raw material, and a method using a stirrer with stirring blades is particularly preferable. When a stirrer with stirring blades is used, a device equipped with known stirring blades such as a propeller blade, a paddle blade, or a turbine blade can be used as the stirrer. In addition, when a stirrer with stirring blades is used, it is preferable to stir at a rotation speed of 50 to 300 rpm.
酸化反応における反応温度は、15℃~100℃であることが好ましく、20℃~90℃であることがさらに好ましい。反応中は、酸化反応によりセルロース系原料にカルボキシ基が生成することに伴い反応系のpHが低下する。このため、酸化反応を効率良く進行させる観点から、アルカリ剤(例えば、水酸化ナトリウム等)又は酸(例えば、塩酸等)を反応系中に添加し、反応系のpHを上記好ましい範囲に調整することが好ましい。酸化反応の反応時間は、酸化の進行の程度に従って設定することができるが、15分~50時間程度とすることが好ましい。反応系のpHを10以上とする場合には、反応温度を30℃以上及び/又は反応時間を30分以上に設定することが好ましい。 The reaction temperature in the oxidation reaction is preferably 15°C to 100°C, and more preferably 20°C to 90°C. During the reaction, the pH of the reaction system decreases as carboxyl groups are generated in the cellulosic raw material by the oxidation reaction. For this reason, from the viewpoint of efficiently proceeding with the oxidation reaction, it is preferable to add an alkaline agent (e.g., sodium hydroxide, etc.) or an acid (e.g., hydrochloric acid, etc.) to the reaction system to adjust the pH of the reaction system to the above-mentioned preferred range. The reaction time of the oxidation reaction can be set according to the degree of progress of the oxidation, but is preferably about 15 minutes to 50 hours. When the pH of the reaction system is to be 10 or more, it is preferable to set the reaction temperature to 30°C or more and/or the reaction time to 30 minutes or more.
上記反応により得られた酸化セルロースを含む溶液を用いて、ろ過等の公知の単離処理を行い、さらに必要に応じて精製することにより、次亜塩素酸又はその塩によるセルロース系原料の酸化物として酸化セルロースを得ることができる。なお、上記反応により得られた酸化セルロースを含む溶液をそのまま解繊処理に供してもよい。 The solution containing the oxidized cellulose obtained by the above reaction can be subjected to a known isolation process such as filtration, and further purified as necessary to obtain oxidized cellulose as an oxide of the cellulose-based raw material with hypochlorous acid or a salt thereof. The solution containing the oxidized cellulose obtained by the above reaction may be subjected directly to a defibration process.
(工程B:解繊処理)
本発明におけるナノセルロースは、上記で得られた酸化セルロースを解繊してナノ化することにより得ることができる。酸化セルロースを解繊する方法としては、マグネチックスターラー等を用いた弱い撹拌による方法、機械的解繊による方法等が挙げられる。酸化セルロースの解繊を十分に行うことができ、また解繊時間の短縮を図ることができる点で、酸化セルロースの解繊は機械的解繊によることが好ましい。
(Step B: defibration treatment)
The nanocellulose of the present invention can be obtained by defibrating the oxidized cellulose obtained above to produce nano-sized particles. Methods for defibrating oxidized cellulose include a method using weak stirring with a magnetic stirrer or the like, and a method using mechanical defibration. Mechanical defibration is preferred for defibrating oxidized cellulose, since it allows sufficient defibration of oxidized cellulose and can shorten the defibration time.
機械的解繊の方法としては、例えば、スクリュー型ミキサー、パドルミキサー、ディスパー型ミキサー、タービン型ミキサー、高速回転下でのホモミキサー、高圧ホモジナイザー、超高圧ホモジナイザー、二重円筒型ホモジナイザー、超音波ホモジナイザー、水流対抗衝突型分散機、ビーター、ディスク型リファイナー、コニカル型リファイナー、ダブルディスク型リファイナー、グラインダー、一軸又は多軸混錬機、自転公転撹拌機、振動型撹拌機等の各種混合・撹拌装置による方法が挙げられる。これらの装置を単独で又は2種類以上を組み合わせて使用し、好ましくは分散媒中で酸化セルロースを処理することにより、酸化セルロースをナノ化してナノセルロースを製造することができる。 Mechanical fiberization methods include, for example, methods using various mixing and stirring devices such as a screw mixer, a paddle mixer, a disperser mixer, a turbine mixer, a homo mixer under high speed rotation, a high pressure homogenizer, an ultra-high pressure homogenizer, a double cylindrical homogenizer, an ultrasonic homogenizer, a water current collision type disperser, a beater, a disk type refiner, a conical type refiner, a double disk type refiner, a grinder, a single-shaft or multi-shaft kneader, a planetary centrifugal mixer, and a vibration type mixer. By using these devices alone or in combination of two or more types, and treating the oxidized cellulose preferably in a dispersion medium, it is possible to nanoize the oxidized cellulose and produce nanocellulose.
酸化セルロースの解繊は、解繊がより進んだナノセルロースを製造できる点で、超高圧ホモジナイザーによる方法を好ましく用いることができる。超高圧ホモジナイザーによる解繊処理を適用する場合、解繊処理時の圧力は、好ましくは100MPa以上であり、より好ましくは120MPa以上であり、さらに好ましくは150MPa以上である。解繊処理回数は特に限定されないが、解繊を十分に進行させる観点から、好ましくは2回以上、より好ましくは3回以上である。また、上記酸化セルロースは、自転公転撹拌機及び振動型撹拌機等による温和な撹拌によっても十分に解繊できる。振動型撹拌機としては、例えば、ボルテックスミキサー(タッチミキサー)が挙げられる。すなわち、上記酸化セルロースによれば、温和な解繊条件により解繊処理を行った場合にも、均一化されたナノセルロースを得ることができる。 For the defibration of oxidized cellulose, a method using an ultra-high pressure homogenizer can be preferably used, since it can produce nanocellulose with a more advanced defibration. When applying defibration processing using an ultra-high pressure homogenizer, the pressure during the defibration processing is preferably 100 MPa or more, more preferably 120 MPa or more, and even more preferably 150 MPa or more. The number of times of defibration processing is not particularly limited, but from the viewpoint of sufficiently progressing defibration, it is preferably two or more times, more preferably three or more times. In addition, the above-mentioned oxidized cellulose can be sufficiently defibrated by gentle stirring using a planetary stirrer, a vibration type stirrer, or the like. Examples of vibration type stirrers include a vortex mixer (touch mixer). In other words, with the above-mentioned oxidized cellulose, homogenized nanocellulose can be obtained even when defibration processing is performed under gentle defibration conditions.
解繊処理は、好ましくは上記酸化セルロースを分散媒と混合した状態で行われる。当該分散媒としては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。分散媒の具体例としては、水、アルコール類、エーテル類、ケトン類、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、及びジメチルスルホキサイド等が挙げられる。溶媒としては、これらのうちの1種を単独で使用してもよく、2種類以上を併用してもよい。 The defibration process is preferably carried out in a state where the oxidized cellulose is mixed with a dispersion medium. There are no particular limitations on the dispersion medium, and it can be selected appropriately depending on the purpose. Specific examples of dispersion media include water, alcohols, ethers, ketones, N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, and dimethylsulfoxide. As the solvent, one of these may be used alone, or two or more may be used in combination.
上記分散媒のうち、アルコール類としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール、イソブタノール、sec-ブチルアルコール、tert-ブチルアルコール、メチルセロソルブ、エチレングリコール及びグリセリン等が挙げられる。エーテル類としては、エチレングリコールジメチルエーテル、1,4-ジオキサン及びテトラヒドロフラン等が挙げられる。ケトン類としては、アセトン及びメチルエチルケトン等が挙げられる。
解繊処理の際に分散媒として有機溶剤を使用することにより、酸化セルロース及びこれを解繊して得られるナノセルロースの単離が容易となる。
Among the dispersion media, examples of alcohols include methanol, ethanol, isopropanol, isobutanol, sec-butyl alcohol, tert-butyl alcohol, methyl cellosolve, ethylene glycol, and glycerin. Examples of ethers include ethylene glycol dimethyl ether, 1,4-dioxane, and tetrahydrofuran. Examples of ketones include acetone and methyl ethyl ketone.
By using an organic solvent as a dispersion medium during the defibration treatment, it becomes easier to isolate oxidized cellulose and the nanocellulose obtained by defibrating it.
本発明におけるナノセルロースは、以下のゼータ電位及び光透過率を満たすことが好ましい。 The nanocellulose in the present invention preferably satisfies the following zeta potential and light transmittance.
(ゼータ電位)
本発明におけるナノセルロースは、好ましくはゼータ電位が-30mV以下である。ゼータ電位が-30mV以下(すなわち、絶対値が30mV以上)であると、ミクロフィブリル同士の反発が十分に得られ、機械的解繊時に表面電荷密度が高いナノセルロースが生じやすくなる。これにより、ナノセルロースの分散性が向上し、スラリーとしたときの粘度安定性に優れる傾向にある。その結果、本発明のナノセルロースを含む電池電極作製用組成物を得た際に、塗工性と結着性とをより両立できる傾向にある。
ゼータ電位が-100mV以上(すなわち、絶対値が100mV以下)の場合には、酸化の進行に伴う繊維方向の酸化切断が抑制される傾向にあるため、均一なサイズのナノセルロースを得ることができ、バインダー組成物あるいは電池電極作製用組成物にはナノセルロースが均一に分散し、結着性がより高まる傾向にある。
(Zeta potential)
The nanocellulose in the present invention preferably has a zeta potential of -30 mV or less. When the zeta potential is -30 mV or less (i.e., the absolute value is 30 mV or more), the repulsion between microfibrils is sufficient, and nanocellulose with a high surface charge density is easily produced during mechanical defibration. This improves the dispersibility of nanocellulose, and tends to have excellent viscosity stability when made into a slurry. As a result, when a composition for producing a battery electrode containing the nanocellulose of the present invention is obtained, it tends to be possible to achieve a better balance between coatability and binding properties.
When the zeta potential is -100 mV or higher (i.e., the absolute value is 100 mV or lower), oxidative scission in the fiber direction that accompanies the progression of oxidation tends to be suppressed, making it possible to obtain nanocellulose of uniform size, and the nanocellulose tends to be uniformly dispersed in the binder composition or the composition for producing battery electrodes, resulting in higher binding properties.
本発明におけるナノセルロースのゼータ電位は、-35mV以下が好ましく、-40mV以下がより好ましく、-50mV以下がさらに好ましい。また、ゼータ電位の下限については、-70mV以上が好ましく、-65mV以上がより好ましく、-60mV以上がさらに好ましい。ゼータ電位の範囲は、既述の下限及び上限を適宜組み合わせることができる。
なお、本明細書においてゼータ電位は、ナノセルロースと水とを混合してナノセルロースの濃度を0.1質量%としたセルロース水分散体につき、pH8.0、20℃の条件で測定した値である。
具体的には、以下の方法に従い測定することができる。
ナノセルロースの水分散体に純水を加えて、ナノセルロースの濃度が0.1%になるように希釈する。希釈後のナノセルロースの水分散体に、0.05mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を加えてpH8.0に調整して、大塚電子社製ゼータ電位計(ELSZ-1000)等のゼータ電位測定装置によりゼータ電位を20℃で測定する。
The zeta potential of the nanocellulose in the present invention is preferably -35 mV or less, more preferably -40 mV or less, and even more preferably -50 mV or less. The lower limit of the zeta potential is preferably -70 mV or more, more preferably -65 mV or more, and even more preferably -60 mV or more. The range of the zeta potential can be appropriately combined with the above-mentioned lower and upper limits.
In this specification, the zeta potential is a value measured at pH 8.0 and 20°C for a cellulose aqueous dispersion obtained by mixing nanocellulose and water to a nanocellulose concentration of 0.1% by mass.
Specifically, it can be measured according to the following method.
Pure water is added to the aqueous dispersion of nanocellulose to dilute it to a nanocellulose concentration of 0.1%. A 0.05 mol/L aqueous solution of sodium hydroxide is added to the diluted aqueous dispersion of nanocellulose to adjust the pH to 8.0, and the zeta potential is measured at 20°C using a zeta potential measuring device such as an Otsuka Electronics Zeta Potential Meter (ELSZ-1000).
(光透過率)
本発明におけるナノセルロースは、凝集物が少なく、分散媒中に分散させたナノセルロース分散体は、微細セルロース繊維の光散乱等が少なく、高い光透過率を示す傾向にある。具体的には、本発明におけるナノセルロースは、水と混合して固形分濃度0.1質量%とした混合液における光透過率が95%以上であることが好ましい。当該光透過率は、より好ましくは96%以上であり、さらに好ましくは97%以上である。なお、光透過率は、分光光度計により測定した波長660nmでの値である。また、光透過率は、ナノセルロースを含む水分散体を用いて測定することができる。
具体的には、以下の方法に従い測定することができる。
ナノセルロースの水分散体を10mm厚の石英セルに入れて、JASCO V-550等の分光光度計により波長660nmの光透過率を測定する。
(light transmittance)
The nanocellulose in the present invention has few aggregates, and the nanocellulose dispersion dispersed in the dispersion medium has little light scattering of fine cellulose fibers, and tends to show high light transmittance. Specifically, the nanocellulose in the present invention preferably has a light transmittance of 95% or more in a mixed liquid mixed with water to a solid content concentration of 0.1% by mass. The light transmittance is more preferably 96% or more, and even more preferably 97% or more. The light transmittance is a value at a wavelength of 660 nm measured by a spectrophotometer. The light transmittance can also be measured using an aqueous dispersion containing nanocellulose.
Specifically, it can be measured according to the following method.
An aqueous dispersion of nanocellulose is placed in a 10 mm thick quartz cell, and the light transmittance at a wavelength of 660 nm is measured using a spectrophotometer such as the JASCO V-550.
ナノセルロースのゼータ電位及び光透過率は、酸化反応の反応時間、反応温度、撹拌条件等を調整することにより調整することができる。具体的には、反応時間を長くする、及び/又は反応温度を高くするに従って、セルロース系原料中のセルロースミクロフィブリル表面への酸化が進行し、静電的反発や浸透圧によりフィブリル間の反発が強まることにより平均繊維幅がより小さくなる傾向がある。また、酸化をより進行させる側(すなわち、酸化度合いを高くする側)に酸化の反応時間、反応温度及び撹拌条件の1つ以上を設定する(例えば、反応時間を長くする)ことによってゼータ電位を高くできる傾向がある。 The zeta potential and light transmittance of nanocellulose can be adjusted by adjusting the reaction time, reaction temperature, stirring conditions, etc. of the oxidation reaction. Specifically, as the reaction time is lengthened and/or the reaction temperature is raised, oxidation of the surface of the cellulose microfibrils in the cellulose-based raw material progresses, and the average fiber width tends to become smaller due to stronger repulsion between fibrils caused by electrostatic repulsion and osmotic pressure. In addition, the zeta potential tends to be increased by setting one or more of the reaction time, reaction temperature, and stirring conditions of the oxidation to the side that advances the oxidation more (i.e., the side that increases the degree of oxidation) (for example, by lengthening the reaction time).
本発明におけるナノセルロースは、上述のとおり、酸化セルロースを経由して得られる。ここで、本発明に用いられる酸化セルロースの重合度は600以下であることが好ましい。酸化セルロースの重合度が600を超えると、解繊に大きなエネルギーを要する傾向にあり、十分な易解繊性を発現することができず、ナノセルロースの粘度安定性及び分散性の低下、ひいては塗工性及び結着性の低下を招来する傾向にある。また、酸化セルロースの重合度が600を超えると、解繊が不十分な酸化セルロースが多くなるため、これを微細化したナノセルロースを分散媒中に分散させた場合に光散乱等が多くなり、透明度が低下することがある。易解繊性の観点からは、酸化セルロースの重合度の下限は特に設定されない。ただし、酸化セルロースの重合度が50未満であると、繊維状というより粒子状のセルロースの割合が多くなり、ナノセルロースとしての効果が低下する恐れがある。上記の観点から、酸化セルロースの重合度は、50以上600以下の範囲であることが好ましい。 As described above, the nanocellulose in the present invention is obtained via oxidized cellulose. Here, the degree of polymerization of the oxidized cellulose used in the present invention is preferably 600 or less. If the degree of polymerization of oxidized cellulose exceeds 600, it tends to require a large amount of energy for defibration, and sufficient easy defibration cannot be achieved, which tends to lead to a decrease in the viscosity stability and dispersibility of nanocellulose, and ultimately to a decrease in coatability and binding ability. In addition, if the degree of polymerization of oxidized cellulose exceeds 600, there will be a lot of oxidized cellulose that is insufficiently defibrated, and when this is finely defibrated to form nanocellulose and dispersed in a dispersion medium, light scattering and the like will increase, and transparency may decrease. From the viewpoint of easy defibration, no lower limit is particularly set for the degree of polymerization of oxidized cellulose. However, if the degree of polymerization of oxidized cellulose is less than 50, the proportion of cellulose that is particulate rather than fibrous will increase, and the effect of nanocellulose may decrease. From the above viewpoint, the degree of polymerization of oxidized cellulose is preferably in the range of 50 to 600.
酸化セルロースの重合度は、より好ましくは580以下であり、さらに好ましくは560以下であり、よりさらに好ましくは550以下であり、一層好ましくは500以下であり、より一層好ましくは450以下である。重合度の下限については、スラリーの粘度安定性及び塗工性を良好にする観点から、より好ましくは80以上であり、さらに好ましくは90以上であり、よりさらに好ましくは100以上であり、一層好ましくは110以上であり、より一層好ましくは120以上である。重合度の好ましい範囲は、既述の上限及び下限を適宜組み合わせることにより定めることができる。
酸化セルロースの重合度は、粘度法により測定された平均重合度(粘度平均重合度)である。詳細は、以下の記載の方法に従う。
pH10に調整した水素化ホウ素ナトリウム水溶液に酸化セルロースを加え、25℃で5時間、還元処理を行った。水素化ホウ素ナトリウム量は、酸化セルロース1gに対して0.1gとした。還元処理後、吸引ろ過にて固液分離、水洗を行い、得られた酸化セルロース繊維を凍結乾燥させた。純水10mlに乾燥させた酸化セルロース繊維0.04gを加えて2分間撹拌した後、1M銅エチレンジアミン溶液10mlを加えて溶解させた。その後、キャピラリー型粘度計にて25℃でブランク溶液の流下時間とセルロース溶液の流下時間測定した。ブランク溶液の流下時間(t0)とセルロース溶液の流下時間(t)、酸化セルロース繊維の濃度(c[g/ml])から次式のように相対粘度(ηr)、比粘度(ηsp)、固有粘度([η])を順次求め、粘度測の式から酸化セルロースの重合度(DP)を計算した。
ηr=η/η0=t/t0
ηsp=ηr-1
[η]=ηsp/(100×c(1+0.28ηsp))
DP=175×[η]
The degree of polymerization of the oxidized cellulose is more preferably 580 or less, even more preferably 560 or less, still more preferably 550 or less, even more preferably 500 or less, and even more preferably 450 or less. From the viewpoint of improving the viscosity stability and coatability of the slurry, the lower limit of the degree of polymerization is more preferably 80 or more, even more preferably 90 or more, even more preferably 100 or more, even more preferably 110 or more, and even more preferably 120 or more. A preferred range of the degree of polymerization can be determined by appropriately combining the above-mentioned upper and lower limits.
The degree of polymerization of oxidized cellulose is the average degree of polymerization (viscosity average degree of polymerization) measured by a viscosity method, the details of which are as follows:
Oxidized cellulose was added to an aqueous solution of sodium borohydride adjusted to pH 10, and reduction treatment was carried out at 25°C for 5 hours. The amount of sodium borohydride was 0.1 g per 1 g of oxidized cellulose. After reduction treatment, solid-liquid separation was performed by suction filtration, washing with water, and the obtained oxidized cellulose fiber was freeze-dried. 0.04 g of dried oxidized cellulose fiber was added to 10 ml of pure water and stirred for 2 minutes, and then 10 ml of 1 M copper ethylenediamine solution was added to dissolve. Then, the flow time of the blank solution and the flow time of the cellulose solution were measured at 25°C using a capillary viscometer. The relative viscosity (η r ), specific viscosity (η sp ), and intrinsic viscosity ([η]) were calculated in sequence from the flow time of the blank solution (t0), the flow time of the cellulose solution ( t ), and the concentration of oxidized cellulose fiber (c [g/ml]) according to the following formula, and the degree of polymerization (DP) of oxidized cellulose was calculated from the viscosity measurement formula.
η r =η/η 0 =t/t0
η sp =η r -1
[η]=η sp /(100×c(1+0.28η sp ))
DP = 175 × [η]
なお、酸化セルロースの重合度は、酸化反応の際の反応時間、反応温度、pH、及び次亜塩素酸又はその塩の有効塩素濃度等を変更することにより調整することができる。具体的には、酸化度を高めると重合度が低下する傾向があることから、重合度を小さくするには、例えば酸化の反応時間及び/又は反応温度を大きくする方法が挙げられる。他の方法として、酸化セルロースの重合度は、酸化反応時の反応系の攪拌条件によって調整することができる。例えば、攪拌翼等を用いて反応系を十分に均一化した条件下であれば、酸化反応が円滑に進行し、重合度が低下する傾向がある。一方、スターラーによる攪拌等のように反応系の攪拌が不十分となりやすい条件下では、反応が不均一になりやすく、酸化セルロースの重合度を十分に低減することが難しい。また、酸化セルロースの重合度は、原料セルロースの選択によっても変動する傾向がある。このため、セルロース系原料の選択によって酸化セルロースの重合度を調整することもできる。 The degree of polymerization of oxidized cellulose can be adjusted by changing the reaction time, reaction temperature, pH, and effective chlorine concentration of hypochlorous acid or its salt during the oxidation reaction. Specifically, since the degree of polymerization tends to decrease as the degree of oxidation increases, a method for decreasing the degree of polymerization can be, for example, increasing the reaction time and/or reaction temperature of the oxidation. As another method, the degree of polymerization of oxidized cellulose can be adjusted by the stirring conditions of the reaction system during the oxidation reaction. For example, under conditions in which the reaction system is sufficiently homogenized using a stirring blade or the like, the oxidation reaction proceeds smoothly and the degree of polymerization tends to decrease. On the other hand, under conditions in which the reaction system is likely to be insufficiently stirred, such as stirring with a stirrer, the reaction tends to become non-uniform, making it difficult to sufficiently reduce the degree of polymerization of oxidized cellulose. The degree of polymerization of oxidized cellulose also tends to vary depending on the selection of the raw cellulose. For this reason, the degree of polymerization of oxidized cellulose can also be adjusted by selecting the cellulosic raw material.
<その他のバインダー成分>
本発明のバインダー組成物には、上記ナノセルロース以外のその他のバインダー成分を含んでいてもよい。その他のバインダー成分としては、電池電極の活物質等の材料を集電体に結着させる際に一般に使用されるものであれば特に制限されない。また、その他のバインダー成分は、活物質、集電体等の種類等に応じて適宜選択すればよい。その他のバインダー成分としては、例えば、粒子状重合体、及び、カルボキシ基を有する重合体又はその塩等を好適に挙げることができる。これらのバインダー成分は一種単独で含んでいてもよく、二種以上を組み合わせて含んでいてもよい。
<Other binder components>
The binder composition of the present invention may contain other binder components other than the nanocellulose. The other binder components are not particularly limited as long as they are generally used when binding materials such as the active material of a battery electrode to a current collector. In addition, the other binder components may be appropriately selected depending on the types of active materials, current collectors, etc. Suitable examples of the other binder components include particulate polymers and polymers having carboxy groups or salts thereof. These binder components may be contained alone or in combination of two or more types.
(粒子状重合体)
粒子状重合体としては、例えば、芳香族ビニル単量体/脂肪族共役ジエン系単量体のラテックス、アクリル系ラテックス、及びポリフッ化ビニリデン系ラテックス等のラテックスを挙げることができる。これらの粒子状重合体は、市販品を用いてもよく、これらのラテックスを構成するモノマーより公知の方法により重合し製造して用いてもよい。これらのラテックスは一種単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
(Particulate polymer)
Examples of the particulate polymer include latexes such as aromatic vinyl monomer/aliphatic conjugated diene monomer latex, acrylic latex, and polyvinylidene fluoride latex. These particulate polymers may be commercially available products, or may be produced by polymerizing the monomers constituting these latexes by a known method. These latexes may be used alone or in combination of two or more.
芳香族ビニル単量体/脂肪族共役ジエン系単量体のラテックスにおける芳香族ビニル単量体としては、例えば、スチレン、α-メチルスチレン、ビニルトルエン、ジビニルベンゼン等が挙げられ、これらの内の1種又は2種以上を用いることができる。上記脂肪族共役ジエン系単量体としては、例えば、1,3-ブタジエン、2-メチル-1,3-ブタジエン、2,3-ジメチル-1,3-ブタジエン、2-クロロ-1,3-ブタジエン等のブタジエン系化合物が挙げられ、これらの内の1種又は2種以上を用いることができる。 Aromatic vinyl monomers in the aromatic vinyl monomer/aliphatic conjugated diene monomer latex include, for example, styrene, α-methylstyrene, vinyltoluene, divinylbenzene, etc., and one or more of these can be used. Aliphatic conjugated diene monomers include, for example, butadiene compounds such as 1,3-butadiene, 2-methyl-1,3-butadiene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 2-chloro-1,3-butadiene, etc., and one or more of these can be used.
芳香族ビニル単量体/脂肪族共役ジエン系単量体のラテックスとしては、スチレン/ブタジエン系ラテックス(以下、SBRとも記載する)が好ましい。上記スチレン/ブタジエン系ラテックスとは、スチレン等の芳香族ビニル単量体に由来する構造単位及び上記ブタジエン系化合物に由来する構造単位を有する共重合体の水系分散体を示す。
上記共重合体中における上記芳香族ビニル単量体に由来する構造単位は、結着性の観点から、例えば、20~60質量%の範囲としてよく、30~50質量%の範囲としてもよい。
上記共重合体中における上記脂肪族共役ジエン系単量体に由来する構造単位は、バインダーの結着性及び得られる電極の柔軟性が良好なものとなる観点から、例えば、30~70質量%の範囲としてよく、40~60質量%の範囲としてもよい。
As the latex of aromatic vinyl monomer/aliphatic conjugated diene monomer, styrene/butadiene latex (hereinafter also referred to as SBR) is preferred. The styrene/butadiene latex refers to an aqueous dispersion of a copolymer having a structural unit derived from an aromatic vinyl monomer such as styrene and a structural unit derived from the butadiene compound.
The structural unit derived from the aromatic vinyl monomer in the copolymer may be, for example, in the range of 20 to 60% by mass, or may be in the range of 30 to 50% by mass, from the viewpoint of binding property.
The structural unit derived from the aliphatic conjugated diene monomer in the copolymer may be, for example, in the range of 30 to 70 mass %, or may be in the range of 40 to 60 mass %, from the viewpoint of improving the binding property of the binder and the flexibility of the obtained electrode.
スチレン/ブタジエン系ラテックスは、上記の単量体以外にも、結着性等の性能をさらに向上させるために、その他の単量体として(メタ)アクリロニトリル等のニトリル基含有単量体、(メタ)アクリル酸、イタンコン酸、マレイン酸等のカルボキシ基含有単量体を共重合単量体として含んでいてもよい。
上記共重合体中における上記その他の単量体に由来する構造単位は、例えば、0~30質量%の範囲としてよく、0~20質量%の範囲としてもよい。
In addition to the above-mentioned monomers, the styrene/butadiene-based latex may contain, as other monomers, nitrile group-containing monomers such as (meth)acrylonitrile, and carboxy group-containing monomers such as (meth)acrylic acid, itanconic acid, and maleic acid as copolymerization monomers in order to further improve performance such as binding property.
The content of the structural units derived from the other monomers in the copolymer may be, for example, in the range of 0 to 30% by mass, or may be in the range of 0 to 20% by mass.
(カルボキシ基を有する重合体又はその塩)
カルボキシ基を有する重合体又はその塩(以下、単に重合体ともいう)は、カルボキシ基を有する単量体に由来する構造単位を含む。カルボキシ基を有する単量体としては、例えば、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を挙げることができる。上記カルボキシ基を有する重合体又はその塩は、市販品を用いてもよく、この重合体を構成するモノマー、例えば、エチレン性不飽和カルボン酸単量体より公知の方法により重合し製造して用いてもよい。
カルボキシ基を有する単量体に由来する構造単位は、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体を重合することにより重合体に導入することができる。その他にも、(メタ)アクリル酸エステル単量体を(共)重合した後、加水分解することによっても得られる。また、(メタ)アクリルアミド及び(メタ)アクリロニトリル等を重合した後、強アルカリで処理してもよいし、水酸基を有する重合体に酸無水物を反応させる方法であってもよい。
(Polymer having a carboxy group or a salt thereof)
The polymer having a carboxy group or its salt (hereinafter, simply referred to as a polymer) contains a structural unit derived from a monomer having a carboxy group. An example of the monomer having a carboxy group is an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer. The polymer having a carboxy group or its salt may be a commercially available product, or may be produced by polymerizing a monomer constituting the polymer, such as an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer, by a known method.
The structural unit derived from a monomer having a carboxyl group can be introduced into a polymer by polymerizing a monomer containing an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer. In addition, it can also be obtained by (co)polymerizing a (meth)acrylic acid ester monomer and then hydrolyzing it. In addition, it can also be a method of polymerizing (meth)acrylamide and (meth)acrylonitrile, etc., and then treating them with a strong alkali, or a method of reacting a polymer having a hydroxyl group with an acid anhydride.
エチレン性不飽和カルボン酸単量体としては、(メタ)アクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸;(メタ)アクリルアミドヘキサン酸及び(メタ)アクリルアミドドデカン酸等の(メタ)アクリルアミドアルキルカルボン酸;コハク酸モノヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ω-カルボキシ-カプロラクトンモノ(メタ)アクリレート、β-カルボキシエチル(メタ)アクリレート等のカルボキシ基を有するエチレン性不飽和単量体またはそれらの(部分)アルカリ中和物が挙げられ、これらの内の1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。上記の中でも、重合速度が大きいために一次鎖長の長い重合体が得られ、バインダーの結着力をより高める観点から、好ましくは重合性官能基としてアクリロイル基を有する化合物、より好ましくはアクリル酸である。エチレン性不飽和カルボン酸単量体としてアクリル酸を用いた場合、カルボキシ基含有量の高い重合体を得ることができる。 Examples of ethylenically unsaturated carboxylic acid monomers include (meth)acrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, maleic acid, and fumaric acid; (meth)acrylamidoalkyl carboxylic acids such as (meth)acrylamidohexanoic acid and (meth)acrylamidododecanoic acid; and ethylenically unsaturated monomers having a carboxy group such as monohydroxyethyl succinate (meth)acrylate, ω-carboxy-caprolactone mono(meth)acrylate, and β-carboxyethyl (meth)acrylate, or (partially) alkali-neutralized products thereof. One of these may be used alone, or two or more may be used in combination. Among the above, from the viewpoint of obtaining a polymer having a long primary chain length due to a high polymerization rate and further increasing the binding strength of the binder, a compound having an acryloyl group as a polymerizable functional group is preferable, and acrylic acid is more preferable. When acrylic acid is used as the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer, a polymer having a high carboxy group content can be obtained.
カルボキシ基を有する単量体に由来する構造単位の含有量は、特に限定するものではなく、カルボキシ基を有する重合体の全構造単位に対して0質量%超過100質量%以下の範囲であればよく、10質量%以上100質量%以下の範囲であってもよい。かかる範囲でカルボキシ基を有する単量体に由来する構造単位を含有することで、集電体に対する優れた接着性を容易に確保することができる。上記含有量の下限は、20質量%以上であってもよく、30質量%以上であってもよく、40質量%以上であってもよい。上記含有量の上限は、99質量%以下であってもよく、95質量%以下であってもよく、90質量%以下であってもよく、80質量%以下であってもよい。 The content of the structural unit derived from the monomer having a carboxy group is not particularly limited, and may be in the range of more than 0% by mass and not more than 100% by mass relative to the total structural units of the polymer having a carboxy group, and may be in the range of 10% by mass or more and 100% by mass or less. By containing the structural unit derived from the monomer having a carboxy group in such a range, excellent adhesion to the current collector can be easily ensured. The lower limit of the content may be 20% by mass or more, 30% by mass or more, or 40% by mass or more. The upper limit of the content may be 99% by mass or less, 95% by mass or less, 90% by mass or less, or 80% by mass or less.
カルボキシ基を有する重合体は、カルボキシ基を有する単量体に由来する構造単位以外に、これらと共重合可能な他のエチレン性不飽和単量体に由来する構造単位(以下、その他の構造単位ともいう。)を含むことができる。その他の構造単位としては、例えば、スルホン酸基及びリン酸基等のカルボキシ基以外のアニオン性基を有するエチレン性不飽和単量体化合物、及び非イオン性のエチレン性不飽和単量体等に由来する構造単位等が挙げられる。
これらの構造単位は、スルホン酸基及びリン酸基等のカルボキシ基以外のアニオン性基を有するエチレン性不飽和単量体化合物、又は非イオン性のエチレン性不飽和単量体を含む単量体を共重合することにより導入することができる。
その他の構造単位の割合は、カルボキシ基を有する重合体の全構造単位に対して、0質量%以上100質量%未満の範囲とすることができる。その他の構造単位の割合は、1質量%以上60質量%以下であってもよい。
The polymer having a carboxy group can contain, in addition to the structural units derived from the monomer having a carboxy group, structural units derived from other ethylenically unsaturated monomers copolymerizable therewith (hereinafter also referred to as other structural units). Examples of the other structural units include structural units derived from ethylenically unsaturated monomer compounds having anionic groups other than carboxy groups, such as sulfonic acid groups and phosphoric acid groups, and nonionic ethylenically unsaturated monomers.
These structural units can be introduced by copolymerizing an ethylenically unsaturated monomer compound having an anionic group other than a carboxy group, such as a sulfonic acid group or a phosphoric acid group, or a monomer containing a nonionic ethylenically unsaturated monomer.
The ratio of the other structural units can be in the range of 0% by mass or more and less than 100% by mass, and may be in the range of 1% by mass or more and 60% by mass or less, based on the total structural units of the polymer having a carboxy group.
カルボキシ基を有する重合体は、当該重合体中に含まれるカルボキシ基の一部又は全部が中和された塩の形態であってもよい。塩の種類としては特に限定しないが、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属塩;カルシウム塩及びバリウム塩等のアルカリ土類金属塩;マグネシウム塩、アルミニウム塩等のその他の金属塩;アンモニウム塩及び有機アミン塩等が挙げられる。これらの中でも電池特性への悪影響が生じにくい点からアルカリ金属塩及びマグネシウム塩が好ましく、アルカリ金属塩がより好ましい。中でも、抵抗の低い電池が得られる観点から、リチウム塩が特に好ましい。 The polymer having a carboxy group may be in the form of a salt in which some or all of the carboxy groups contained in the polymer are neutralized. The type of salt is not particularly limited, but examples include alkali metal salts such as lithium, sodium, and potassium; alkaline earth metal salts such as calcium salts and barium salts; other metal salts such as magnesium salts and aluminum salts; ammonium salts and organic amine salts. Among these, alkali metal salts and magnesium salts are preferred from the viewpoint of being less likely to adversely affect the battery characteristics, and alkali metal salts are more preferred. Among these, lithium salts are particularly preferred from the viewpoint of obtaining a battery with low resistance.
カルボキシ基を有する重合体は、架橋性単量体に由来する構造単位を含むことが好ましい。カルボキシ基を有する重合体が架橋構造を有することにより、当該架橋重合体又はその塩を含むバインダー組成物は、結着力をより高められる傾向にある。
上記架橋性単量体に由来する構造単位の含有量は、カルボキシ基を有する重合体を構成する単量体単位総量100質量部に対して、0.1質量部以上2.0質量部以下であることが好ましい。
The polymer having a carboxy group preferably contains a structural unit derived from a crosslinkable monomer. When the polymer having a carboxy group has a crosslinked structure, the binder composition containing the crosslinked polymer or a salt thereof tends to have a higher binding strength.
The content of the structural unit derived from the crosslinkable monomer is preferably 0.1 parts by mass or more and 2.0 parts by mass or less based on 100 parts by mass of the total amount of the monomer units constituting the polymer having a carboxy group.
架橋性単量体としては、例えば、2個以上の重合性不飽和基を有する多官能重合性単量体、及び加水分解性シリル基等の自己架橋可能な架橋性官能基を有する単量体等が挙げられる。 Examples of crosslinkable monomers include polyfunctional polymerizable monomers having two or more polymerizable unsaturated groups, and monomers having self-crosslinkable crosslinkable functional groups such as hydrolyzable silyl groups.
上記多官能重合性単量体とは、(メタ)アクリロイル基、アルケニル基等の重合性官能基を分子内に2つ以上有する化合物を指し、例えば、多官能(メタ)アクリレート化合物、多官能アルケニル化合物、(メタ)アクリロイル基及びアルケニル基の両方を有する化合物等が挙げられる。これらの化合物は、1種のみを単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの内でも、均一な架橋構造を容易に得れる観点から、多官能アルケニル化合物が好ましく、分子内に複数のアリルエーテル基を有する多官能アリルエーテル化合物がより好ましい。 The above-mentioned polyfunctional polymerizable monomer refers to a compound having two or more polymerizable functional groups, such as (meth)acryloyl groups and alkenyl groups, in the molecule, and examples thereof include polyfunctional (meth)acrylate compounds, polyfunctional alkenyl compounds, and compounds having both (meth)acryloyl groups and alkenyl groups. These compounds may be used alone or in combination of two or more. Among these, polyfunctional alkenyl compounds are preferred from the viewpoint of easily obtaining a uniform crosslinked structure, and polyfunctional allyl ether compounds having multiple allyl ether groups in the molecule are more preferred.
多官能(メタ)アクリレート化合物としては、例えば、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート等の2価アルコールのジ(メタ)アクリレート類;トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンエチレンオキサイド変性体のトリ(メタ)アクリレート、グリセリントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート等の3価以上の多価アルコールのトリ(メタ)アクリレート、テトラ(メタ)アクリレート等のポリ(メタ)アクリレート;メチレンビスアクリルアミド、ヒドロキシエチレンビスアクリルアミド等のビスアミド類等を挙げることができる。 Examples of polyfunctional (meth)acrylate compounds include di(meth)acrylates of dihydric alcohols such as ethylene glycol di(meth)acrylate, propylene glycol di(meth)acrylate, 1,6-hexanediol di(meth)acrylate, polyethylene glycol di(meth)acrylate, and polypropylene glycol di(meth)acrylate; tri(meth)acrylates of trihydric or higher polyhydric alcohols such as trimethylolpropane tri(meth)acrylate, tri(meth)acrylate of trimethylolpropane ethylene oxide modified product, glycerin tri(meth)acrylate, pentaerythritol tri(meth)acrylate, and pentaerythritol tetra(meth)acrylate; and poly(meth)acrylates such as tetra(meth)acrylate; and bisamides such as methylene bisacrylamide and hydroxyethylene bisacrylamide.
多官能アルケニル化合物としては、例えば、トリメチロールプロパンジアリルエーテル、トリメチロールプロパントリアリルエーテル、ペンタエリスリトールジアリルエーテル、ペンタエリスリトールトリアリルエーテル、テトラアリルオキシエタン、ポリアリルサッカロース等の多官能アリルエーテル化合物;ジアリルフタレート等の多官能アリル化合物;ジビニルベンゼン等の多官能ビニル化合物等を挙げることができる。 Examples of polyfunctional alkenyl compounds include polyfunctional allyl ether compounds such as trimethylolpropane diallyl ether, trimethylolpropane triallyl ether, pentaerythritol diallyl ether, pentaerythritol triallyl ether, tetraallyloxyethane, and polyallyl saccharose; polyfunctional allyl compounds such as diallyl phthalate; and polyfunctional vinyl compounds such as divinylbenzene.
(メタ)アクリロイル基及びアルケニル基の両方を有する化合物としては、例えば、(メタ)アクリル酸アリル、(メタ)アクリル酸イソプロペニル、(メタ)アクリル酸ブテニル、(メタ)アクリル酸ペンテニル、(メタ)アクリル酸2-(2-ビニロキシエトキシ)エチル等を挙げることができる。 Examples of compounds having both a (meth)acryloyl group and an alkenyl group include allyl (meth)acrylate, isopropenyl (meth)acrylate, butenyl (meth)acrylate, pentenyl (meth)acrylate, and 2-(2-vinyloxyethoxy)ethyl (meth)acrylate.
上記自己架橋可能な架橋性官能基を有する単量体としては、例えば、加水分解性シリル基含有ビニル単量体、N-メチロール(メタ)アクリルアミド、N-メトキシアルキル(メタ)アクリレート等が挙げられる。これらの化合物は、1種単独であるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。 Examples of the monomer having a self-crosslinkable crosslinking functional group include a hydrolyzable silyl group-containing vinyl monomer, N-methylol (meth)acrylamide, and N-methoxyalkyl (meth)acrylate. These compounds can be used alone or in combination of two or more.
本発明のバインダー組成物あるいは電池電極作製用組成物において、カルボキシ基を有する重合体は、粒子として存在することが好ましい。カルボキシ基を有する重合体は粒子としてバインダー組成物あるいは電池電極作製用組成物中に分散していることが好ましい。
カルボキシ基を有する重合体は、中和度を80~100モル%に中和した後、水中に分散させた際の粒子径(水膨潤粒子径ともいう)が、体積基準メジアン径で0.1μm以上5.0μm以下の範囲にあることが好ましい。上記中和度は、上記重合体が有するカルボキシ基に基づくものであることが好ましい。上記粒子径のより好ましい範囲は、0.1μm以上5.0μm以下であり、さらに好ましい範囲は0.5μm以上3.0μm以下である。粒子径が0.1μm以上5.0μm以下の範囲であれば、本発明の組成物中において好適な大きさで均一に存在するため、本発明の組成物の安定性が高く、より優れた結着性を発揮することができる傾向にある。
また、カルボキシ基を有する重合体の乾燥時における粒子径(乾燥粒子径)は、体積基準メジアン径で0.03μm以上3μm以下の範囲にあることが好ましい。
In the binder composition or the composition for producing a battery electrode of the present invention, the polymer having a carboxy group is preferably present as particles. The polymer having a carboxy group is preferably dispersed as particles in the binder composition or the composition for producing a battery electrode.
The polymer having a carboxy group is preferably neutralized to a degree of neutralization of 80 to 100 mol % and then dispersed in water, and the particle size (also referred to as water-swollen particle size) is preferably in the range of 0.1 μm to 5.0 μm in volume-based median size. The degree of neutralization is preferably based on the carboxy group possessed by the polymer. The particle size is more preferably in the range of 0.1 μm to 5.0 μm, and even more preferably in the range of 0.5 μm to 3.0 μm. If the particle size is in the range of 0.1 μm to 5.0 μm, the particles are uniformly present at a suitable size in the composition of the present invention, and therefore the composition of the present invention tends to be highly stable and exhibit better binding properties.
The particle size of the polymer having a carboxy group when dried (dry particle size) is preferably in the range of 0.03 μm or more and 3 μm or less in terms of volume-based median size.
カルボキシ基を有する重合体は、本発明のバインダー組成物あるいは電池電極作製用組成物中において、中和度が20モル%以上となるように、エチレン性不飽和カルボン酸単量体由来のカルボキシ基等の酸基が中和され、塩の態様として用いることが好ましい。上記中和度は、より好ましくは50モル%以上であり、さらに好ましくは70モル%以上であり、よりさらに好ましくは75モル%以上であり、さらにより好ましくは80モル%以上であり、一層好ましくは85モル%以上である。中和度の上限値は100モル%であり、98モル%であってもよく95モル%であってもよい。中和度の範囲は、上記下限値及び上限値を適宜組合せることができる。中和度が20モル%以上の場合、水膨潤性が良好となり分散安定化効果が得やすい傾向にある。
本明細書では、上記中和度は、カルボキシ基等の酸基を有する単量体及び中和に用いる中和剤の仕込み値から計算により算出することができる。なお、中和度は架橋重合体又はその塩を、減圧条件下、80℃で3時間乾燥処理後の粉末をIR測定し、カルボン酸のC=O基由来のピークとカルボン酸塩のC=O基由来のピークの強度比より確認することができる。中和度は、より詳細には実施例に記載の方法により測定することができる。
The polymer having a carboxy group is preferably used in the form of a salt in which an acid group such as a carboxy group derived from an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer is neutralized so that the degree of neutralization is 20 mol% or more in the binder composition or the composition for preparing a battery electrode of the present invention. The degree of neutralization is more preferably 50 mol% or more, even more preferably 70 mol% or more, even more preferably 75 mol% or more, even more preferably 80 mol% or more, and even more preferably 85 mol% or more. The upper limit of the degree of neutralization is 100 mol%, and may be 98 mol% or 95 mol%. The range of the degree of neutralization can be appropriately combined with the above lower limit and upper limit. When the degree of neutralization is 20 mol% or more, the water swelling property becomes good and the dispersion stabilization effect tends to be easily obtained.
In this specification, the neutralization degree can be calculated from the charge amount of the monomer having an acid group such as a carboxyl group and the neutralizing agent used for neutralization. The neutralization degree can be confirmed by IR measurement of the powder after drying treatment of the crosslinked polymer or its salt at 80° C. for 3 hours under reduced pressure conditions, and the intensity ratio of the peak derived from the C=O group of the carboxylic acid to the peak derived from the C=O group of the carboxylate salt. More specifically, the neutralization degree can be measured by the method described in the Examples.
(カルボキシ基を有する重合体の製造方法)
カルボキシ基を有する重合体は、溶液重合、沈殿重合、懸濁重合、乳化重合等の公知の重合方法を使用することが可能であり、生産性の観点から沈殿重合及び懸濁重合(逆相懸濁重合)が好ましい。結着性等に関してより良好な性能を得る観点から、沈殿重合、懸濁重合、乳化重合等の不均一系の重合法が好ましく、中でも沈殿重合法がより好ましい。
沈殿重合は、原料である不飽和単量体を溶解するが、生成する重合体を実質溶解しない溶媒中で重合反応を行うことにより重合体を製造する方法である。重合の進行とともにポリマー粒子は凝集及び成長により大きくなり、数十nm~数百nmの一次粒子が数μm~数十μmに二次凝集したポリマー粒子の分散液が得られる。ポリマーの粒子サイズを制御するために分散安定剤を使用してもよい。
(Method for producing polymer having carboxy group)
For the polymer having a carboxyl group, known polymerization methods such as solution polymerization, precipitation polymerization, suspension polymerization, and emulsion polymerization can be used, and from the viewpoint of productivity, precipitation polymerization and suspension polymerization (reverse phase suspension polymerization) are preferred. From the viewpoint of obtaining better performance in terms of binding property, etc., heterogeneous polymerization methods such as precipitation polymerization, suspension polymerization, and emulsion polymerization are preferred, and among them, precipitation polymerization is more preferred.
Precipitation polymerization is a method for producing a polymer by carrying out a polymerization reaction in a solvent that dissolves the raw material unsaturated monomer but does not substantially dissolve the resulting polymer. As the polymerization proceeds, the polymer particles become larger through aggregation and growth, and a dispersion of polymer particles is obtained in which primary particles of several tens to several hundreds of nm are secondary aggregated to several μm to several tens of μm. A dispersion stabilizer may be used to control the particle size of the polymer.
沈殿重合の場合、重合溶媒は、使用する単量体の種類等を考慮して水及び各種有機溶剤等から選択される溶媒を使用することができる。より一次鎖長の長い重合体を得るためには、連鎖移動定数の小さい溶媒を使用することが好ましい。具体的な重合溶媒としては、メタノール、t-ブチルアルコール、アセトン、メチルエチルケトン、アセトニトリル及びテトラヒドロフラン等の水溶性溶剤の他、ベンゼン、酢酸エチル、ジクロロエタン、n-ヘキサン、シクロヘキサン及びn-ヘプタン等が挙げられ、これらの1種を単独であるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。又は、これらと水との混合溶媒として用いてもよい。本発明において水溶性溶剤とは、20℃における水への溶解度が10g/100mlより大きいものを指す。
上記の内、析出した重合体微粒子が二次凝集しにくい(若しくは二次凝集が生じても水媒体中で解れやすい)こと、連鎖移動定数が小さく重合度(一次鎖長)の大きい重合体が得られること、及び中和の際に操作が容易であること等の点で、メチルエチルケトン及びアセトニトリルが好ましい。
また、アクリル酸等の親水性の高いエチレン性不飽和カルボン酸単量体の重合では、高極性溶媒を加えた場合には重合速度が向上し、一次鎖長の長い重合体を得やすくなる。係る高極性溶媒としては、好ましくは水及びメタノールが挙げられ、中でも水は上記重合速度を向上させる効果が大きく好ましい。
In the case of precipitation polymerization, the polymerization solvent may be selected from water and various organic solvents, taking into consideration the type of monomer to be used. In order to obtain a polymer having a longer primary chain length, it is preferable to use a solvent having a small chain transfer constant. Specific polymerization solvents include water-soluble solvents such as methanol, t-butyl alcohol, acetone, methyl ethyl ketone, acetonitrile, and tetrahydrofuran, as well as benzene, ethyl acetate, dichloroethane, n-hexane, cyclohexane, and n-heptane, and one of these may be used alone or two or more of them may be used in combination. Alternatively, these may be used as a mixed solvent with water. In the present invention, the water-soluble solvent refers to a solvent having a solubility in water of more than 10 g/100 ml at 20° C.
Of the above, methyl ethyl ketone and acetonitrile are preferred because the precipitated polymer microparticles are less likely to undergo secondary aggregation (or even if secondary aggregation does occur, the particles are easily dissolved in an aqueous medium), a polymer having a small chain transfer constant and a large degree of polymerization (primary chain length) can be obtained, and the operation during neutralization is easy.
In addition, in the polymerization of highly hydrophilic ethylenically unsaturated carboxylic acid monomers such as acrylic acid, the polymerization rate is increased when a highly polar solvent is added, and it becomes easier to obtain a polymer having a long primary chain length. As such a highly polar solvent, water and methanol are preferably used, and among them, water is preferred because it has a large effect of increasing the polymerization rate.
重合開始剤は、アゾ系化合物、有機過酸化物、無機過酸化物等の公知の重合開始剤を用いることができるが、特に限定されるものではない。
重合開始剤の好ましい使用量は、用いる単量体成分の総量を100質量部としたときに、通常0.001~2質量部であればよく、0.005~1質量部であってもよく、0.01~0.1質量部であってもよい。
As the polymerization initiator, a known polymerization initiator such as an azo compound, an organic peroxide, or an inorganic peroxide can be used, but there is no particular limitation.
The preferred amount of the polymerization initiator used is usually 0.001 to 2 parts by mass, may be 0.005 to 1 part by mass, or may be 0.01 to 0.1 part by mass, when the total amount of the monomer components used is 100 parts by mass.
重合温度は、使用する単量体の種類及び濃度等の条件にもよるが、0~100℃が好ましく、20~80℃がより好ましい。重合温度は一定であってもよいし、重合反応の期間において変化するものであってもよい。また、重合時間は1分間~20時間が好ましく、1時間~10時間がより好ましい。
重合後に、適宜塩基を加えて中和してもよい。
The polymerization temperature varies depending on conditions such as the type and concentration of the monomers used, but is preferably 0 to 100° C., more preferably 20 to 80° C. The polymerization temperature may be constant or may vary during the polymerization reaction. The polymerization time is preferably 1 minute to 20 hours, more preferably 1 hour to 10 hours.
After the polymerization, a base may be appropriately added to neutralize the reaction.
本発明のバインダー組成物は、上述したナノセルロースあるいは酸化セルロースに、必要に応じて、粒子状重合体や、カルボキシ基を有する重合体又はその塩等のその他のバインダー成分を配合して、製造することができる。本発明のバインダー組成物は、水を含むことが好ましい。
上記のとおり、バインダー組成物の製造の際酸化セルロースを使用できる。上記酸化セルロースは、製造の際に、分散させる操作や混錬する操作によって、組成物中で解繊されてナノセルロースとなる。具体的には、上記酸化セルロースとバインダー組成物の酸化セルロース以外の材料とを配合して、分散あるいは混錬操作等の撹拌を行い混合物中で解繊させたり、酸化セルロースの使用者が自ら解繊してナノ化させたりすることによって、ナノセルロースとすることができる。上記撹拌としては、上述した(工程B:解繊処理)によって行うことができる。
本発明の一つは、次亜塩素酸又はその塩によるセルロース系原料の酸化物を含み、且つ、N-オキシル化合物を実質的に含まない酸化セルロースを材料として用いるバインダー組成物の製造方法であり、具体的には、ナノセルロースを含む電池電極用バインダー組成物の製造方法であって、酸化セルロースと、上記電池電極用バインダー組成物のナノセルロース以外の材料とを含む混合物を撹拌することにより、上記電池電極用バインダー組成物を得る工程を含む、製造方法である。また、本発明の一つは、ナノセルロースを含む電池電極用バインダー組成物の製造方法であって、酸化セルロースを撹拌し、連続して上記電池電極用バインダー組成物のナノセルロース以外の材料を添加することにより、上記電池電極用バインダー組成物を得る工程を含む、製造方法である。
ここで、ナノセルロース、酸化セルロース、及び電池電極用バインダー組成物の態様は、上記にて説明したとおりである。電池電極用バインダー組成物のナノセルロース以外の材料とは、電池電極用バインダー組成物に含まれうる、ナノセルロース以外の任意の材料であり、例えば、上述したその他のバインダー成分や分散媒を挙げることができるが、これらに限定されない。
また、本明細書において「連続して材料を添加する」とは、撹拌による酸化セルロースの微細化と材料の添加とを一連で行うことを意味する。撹拌と添加を一連で行う具体的な態様としては、例えば、酸化セルロースを撹拌して微細化することと上記材料を添加することをワンポットで操作する態様;酸化セルロースの撹拌を行いながら、同時に上記材料を添加する態様;等が挙げられるが、これらに限定されない。
The binder composition of the present invention can be produced by blending the above-mentioned nanocellulose or oxidized cellulose with other binder components such as a particulate polymer, a polymer having a carboxyl group or a salt thereof, as necessary. The binder composition of the present invention preferably contains water.
As described above, oxidized cellulose can be used in the production of the binder composition. The oxidized cellulose is defibrated in the composition by a dispersing or kneading operation during production to become nanocellulose. Specifically, nanocellulose can be obtained by blending the oxidized cellulose with materials other than the oxidized cellulose of the binder composition and defibrating the mixture by stirring such as dispersing or kneading, or by the user of the oxidized cellulose defibrating it into nano-size. The stirring can be performed by the above-mentioned (Step B: defibration treatment).
One of the present inventions is a method for producing a binder composition using as a material oxidized cellulose that contains an oxide of a cellulose-based raw material with hypochlorous acid or a salt thereof and that is substantially free of N-oxyl compounds, specifically, a method for producing a binder composition for battery electrodes that contains nanocellulose, the method comprising the step of obtaining the binder composition for battery electrodes by stirring a mixture containing oxidized cellulose and a material of the binder composition for battery electrodes other than nanocellulose. Another of the present inventions is a method for producing a binder composition for battery electrodes that contains nanocellulose, the method comprising the step of obtaining the binder composition for battery electrodes by stirring oxidized cellulose and continuously adding a material of the binder composition for battery electrodes other than nanocellulose.
Here, the aspects of the nanocellulose, oxidized cellulose, and binder composition for battery electrodes are as described above. The material other than nanocellulose in the binder composition for battery electrodes is any material other than nanocellulose that can be contained in the binder composition for battery electrodes, and examples thereof include, but are not limited to, the other binder components and dispersion mediums described above.
In addition, in this specification, "adding materials continuously" means that the refining of oxidized cellulose by stirring and the addition of the materials are carried out in a series. Specific embodiments in which stirring and addition are carried out in a series include, for example, an embodiment in which the refining of oxidized cellulose by stirring and the addition of the materials are carried out in a one-pot operation; an embodiment in which the materials are added simultaneously while stirring the oxidized cellulose; and the like, but are not limited to these.
<電池電極作製用組成物>
本発明の電池電極作製用組成物は、本発明のバインダー組成物を含む。本発明の電池電極作製用組成物とは、電池電極を得るための材料組成物であり、電池電極の合剤層を作製することに好適に用いられる。合剤層の作製に用いられるとき、本発明の電池電極作製用組成物を電池電極合剤層用組成物ともいう。
本発明の電池電極作製用組成物は、本発明のバインダー組成物に加えて、電池電極を構成する成分や電極を形成するための成分といった電極材料を含むことが好ましい。また、上記電池電極合剤層用組成物は、合剤層を構成する成分や合剤層を形成するための成分を含み、バインダー組成物の他、活物質及び水を含むことが好ましい。
<Composition for producing battery electrodes>
The composition for producing a battery electrode of the present invention includes the binder composition of the present invention. The composition for producing a battery electrode of the present invention is a material composition for obtaining a battery electrode, and is suitably used for producing a mixture layer of a battery electrode. When used for producing a mixture layer, the composition for producing a battery electrode of the present invention is also called a composition for a battery electrode mixture layer.
The composition for producing a battery electrode of the present invention preferably contains, in addition to the binder composition of the present invention, electrode materials such as components constituting a battery electrode and components for forming an electrode. The composition for a battery electrode mixture layer preferably contains components constituting a mixture layer and components for forming a mixture layer, and preferably contains an active material and water in addition to the binder composition.
本発明の電池電極作製用組成物における本発明のバインダー組成物の使用量は、活物質の全量に対して、通常0.1質量%以上20質量%以下であればよく、0.2質量%以上10質量%以下であってもよく、0.3質量%以上8質量%以下であってもよい。バインダーの使用量が0.1質量%以上であれば、十分な結着性を得ることができる。また、活物質等の分散安定性を確保することができ、均一な合剤層を形成することができる傾向にある。バインダーの使用量が20質量%以下であれば、電極合剤層組成物が高粘度となることはなく、集電体への塗工性を確保することができる。その結果、均一で平滑な表面を有する合剤層を形成することができる。 The amount of the binder composition of the present invention used in the composition for producing a battery electrode of the present invention may be usually 0.1% by mass or more and 20% by mass or less, or may be 0.2% by mass or more and 10% by mass or less, or may be 0.3% by mass or more and 8% by mass or less, based on the total amount of the active material. If the amount of the binder used is 0.1% by mass or more, sufficient binding properties can be obtained. In addition, the dispersion stability of the active material, etc. can be ensured, and a uniform mixture layer tends to be formed. If the amount of the binder used is 20% by mass or less, the electrode mixture layer composition does not become highly viscous, and the coatability to the current collector can be ensured. As a result, a mixture layer having a uniform and smooth surface can be formed.
本発明において用いられる活物質は、正極活物質であってもよく、負極活物質であってもよい。
正極活物質としては、遷移金属酸化物のリチウム塩を用いることができ、例えば、層状岩塩型及びスピネル型のリチウム含有金属酸化物を使用することができる。層状岩塩型の正極活物質の具体的な化合物としては、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、並びに、三元系と呼ばれるNCM{Li(Nix,Coy,Mnz)、x+y+z=1}及びNCA{Li(Ni1-a-bCoaAlb)}等が挙げられる。また、スピネル型の正極活物質としてはマンガン酸リチウム等が挙げられる。酸化物以外にもリン酸塩、ケイ酸塩及び硫黄等が使用され、リン酸塩としては、オリビン型のリン酸鉄リチウム等が挙げられる。正極活物質としては、上記のうちの1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて混合物又は複合物として使用してもよい。正極活物質には、導電助剤を添加して使用されてもよい。導電助剤としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー、黒鉛微粉、炭素繊維等の炭素系材料が挙げられる。導電助剤は、上記の1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
The active material used in the present invention may be a positive electrode active material or a negative electrode active material.
As the positive electrode active material, lithium salt of transition metal oxide can be used, for example, layered rock salt type and spinel type lithium-containing metal oxide can be used. Specific compounds of layered rock salt type positive electrode active material include lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, and ternary system NCM {Li (Nix, Coy, Mnz), x + y + z = 1} and NCA {Li (Ni1-a-bCoaAlb)}. In addition, as a spinel type positive electrode active material, lithium manganate can be used. In addition to oxides, phosphates, silicates, sulfur, etc. are used, and phosphates include olivine type lithium iron phosphate, etc. As the positive electrode active material, one of the above may be used alone, or two or more may be combined and used as a mixture or composite. A conductive assistant may be added to the positive electrode active material. As the conductive assistant, carbon-based materials such as carbon black, carbon nanotubes, carbon fibers, graphite fine powder, and carbon fibers can be used. The conductive assistant may be used alone or in combination of two or more kinds.
負極活物質としては、例えば、炭素系材料、リチウム金属、リチウム合金及び金属酸化物等が挙げられる。これらの内の1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの内でも、天然黒鉛、人造黒鉛、ハードカーボン及びソフトカーボン等の炭素系材料からなる活物質(以下、「炭素系活物質」ともいう)が好ましく、天然黒鉛及び人造黒鉛等の黒鉛、並びにハードカーボンがより好ましい。また、黒鉛の場合、電池性能の面から球形化黒鉛が好適に用いられ、その粒子サイズの好ましい範囲は、例えば、1~20μmであり、また例えば、5~15μmである。また、エネルギー密度を高くするために、ケイ素やスズ等のリチウムを吸蔵できる金属又は金属酸化物等を負極活物質として使用することもできる。 Examples of negative electrode active materials include carbon-based materials, lithium metal, lithium alloys, and metal oxides. One or more of these can be used in combination. Among these, active materials made of carbon-based materials such as natural graphite, artificial graphite, hard carbon, and soft carbon (hereinafter also referred to as "carbon-based active materials") are preferred, and graphite such as natural graphite and artificial graphite, and hard carbon are more preferred. In the case of graphite, spherical graphite is preferably used from the viewpoint of battery performance, and the preferred range of particle size is, for example, 1 to 20 μm, and also, for example, 5 to 15 μm. In order to increase the energy density, metals or metal oxides that can occlude lithium, such as silicon and tin, can also be used as negative electrode active materials.
本発明の電池電極作製用組成物はスラリー状であることができる。本発明の電池電極作製用組成物がスラリー状の場合、活物質の使用量は、組成物全量に対して、通常10~75質量%の範囲であればよく、30~65質量%の範囲であってもよい。 The composition for producing a battery electrode of the present invention can be in the form of a slurry. When the composition for producing a battery electrode of the present invention is in the form of a slurry, the amount of active material used is usually in the range of 10 to 75% by mass, and may be in the range of 30 to 65% by mass, based on the total amount of the composition.
電池電極作製用組成物は、媒体として水を含むことが好ましい。また、組成物の性状及び乾燥性等を調整する目的で、メタノール及びエタノール等の低級アルコール類、エチレンカーボネート等のカーボネート類、アセトン等のケトン類、テトラヒドロフラン、N-メチルピロリドン等の水溶性有機溶剤との混合溶媒としてもよい。混合媒体中の水の割合は、通常50質量%以上であればよく、70質量%以上であってもよい。 The composition for producing battery electrodes preferably contains water as a medium. In order to adjust the properties and drying properties of the composition, the composition may be mixed with lower alcohols such as methanol and ethanol, carbonates such as ethylene carbonate, ketones such as acetone, tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone, or other water-soluble organic solvents. The proportion of water in the mixed medium is usually 50% by mass or more, and may be 70% by mass or more.
電池電極作製用組成物を塗工可能なスラリー状態とする場合、組成物全体に占める水を含む媒体の含有量は、スラリーの塗工性、及び乾燥に必要なエネルギーコスト、生産性の観点から、通常25~90質量%の範囲とすればよく、35~70質量%としてもよい。 When the composition for producing a battery electrode is made into a coatable slurry state, the content of the water-containing medium in the entire composition is usually in the range of 25 to 90 mass %, and may be 35 to 70 mass %, from the viewpoints of the coatability of the slurry, the energy cost required for drying, and productivity.
本発明の電池電極作製用組成物は、当該組成物の構成成分を混合することにより得られる。各成分の混合方法は特段制限されるものではなく、公知の方法を採用することができるが、バインダー組成物、活物質、導電助剤等の各成分を、水等の分散媒と混合し、分散混練する方法が好ましい。電池電極作製用組成物をスラリー状態で得る場合、分散不良や凝集のないスラリーに仕上げることが好ましい。
混合手段としては、プラネタリーミキサー、薄膜旋回式ミキサー及び自公転式ミキサー等の公知のミキサーを使用することができるが、短時間で良好な分散状態が得られる点で薄膜旋回式ミキサーを使用して行うことが好ましい。また、薄膜旋回式ミキサーを用いる場合は、予めディスパー等の攪拌機で予備分散を行うことが好ましい。
また、上記スラリーの粘度は、60rpmにおけるB型粘度として、塗工性の観点から、500~10,000mPa・sの範囲とすればよい。
電池電極作製用組成物を湿粉状態で得る場合、バインダー組成物、活物質、導電助剤等の各成分を、ヘンシェルミキサー、ブレンダー、プラネタリーミキサー及び2軸混練機等を用いて、濃度ムラのない均一な状態まで混練することが好ましい。
The composition for producing a battery electrode of the present invention is obtained by mixing the components of the composition. The method of mixing each component is not particularly limited, and a known method can be adopted, but a method of mixing each component such as a binder composition, an active material, and a conductive assistant with a dispersion medium such as water and dispersing and kneading is preferred. When the composition for producing a battery electrode is obtained in a slurry state, it is preferable to finish it into a slurry without poor dispersion or aggregation.
As a mixing means, known mixers such as a planetary mixer, a thin film swirling mixer, and a planetary mixer can be used, but it is preferable to use a thin film swirling mixer because a good dispersion state can be obtained in a short time. In addition, when using a thin film swirling mixer, it is preferable to perform preliminary dispersion in advance using a stirrer such as a disperser.
From the viewpoint of coatability, the viscosity of the slurry may be in the range of 500 to 10,000 mPa·s as Brookfield viscosity at 60 rpm.
When the composition for preparing a battery electrode is obtained in a wet powder state, it is preferable to knead each component such as the binder composition, the active material, the conductive assistant, etc., to a uniform state without unevenness in concentration using a Henschel mixer, a blender, a planetary mixer, a twin-screw kneader, or the like.
本発明の電池電極作製用組成物を製造する際、本発明のナノセルロースにする前(すなわち、ナノ化する前)の酸化セルロースを材料として用いることができる。上記酸化セルロースは、製造の際に、分散させる操作や混錬する操作によって、組成物中で解繊されてナノセルロースとなる。具体的には、上記酸化セルロースと電池電極作製用組成物のその他の材料とを配合して、分散あるいは混錬操作を行い混合物中で解繊させたり、酸化セルロースの使用者が自ら解繊してナノ化させたりすることによって、ナノセルロースとすることができる。分散させる操作や混錬する操作としては、上述した(工程B:解繊処理)によって行うことができる。
本発明の一つは、次亜塩素酸又はその塩によるセルロース系原料の酸化物を含み、且つ、N-オキシル化合物を実質的に含まない酸化セルロースを材料として用いる電池電極作製用組成物の製造方法であり、具体的には、ナノセルロースを含む電池電極作製用組成物の製造方法であって、酸化セルロースと、上記電池電極作製用組成物のナノセルロース以外の材料とを含む混合物を撹拌することにより、上記電池電極作製用組成物を得る工程を含む、製造方法である。また、本発明の一つは、ナノセルロースを含む電池電極作製用組成物の製造方法であって、酸化セルロースを撹拌し、連続して上記電池電極作製用組成物のナノセルロース以外の材料を添加することにより、上記電池電極作製用組成物を得る工程を含む、製造方法である。
ここで、ナノセルロース、酸化セルロース、及び電池電極作製用組成物の態様は、上記にて説明したとおりである。電池電極作製用組成物のナノセルロース以外の材料とは、電池電極作製用組成物に含まれうる、ナノセルロース以外の任意の材料であり、例えば、上述したその他のバインダー成分、分散媒、電池電極を構成する成分(具体的には活物質等)や、電極を形成するための成分(具体的には水等)を挙げることができるが、これらに限定されない。
When producing the composition for producing a battery electrode of the present invention, oxidized cellulose before being made into the nanocellulose of the present invention (i.e., before being nano-sized) can be used as a material. During production, the oxidized cellulose is defibrated in the composition by a dispersing or kneading operation to become nanocellulose. Specifically, nanocellulose can be obtained by blending the oxidized cellulose with other materials of the composition for producing a battery electrode, defibrating the mixture by a dispersing or kneading operation, or by the user of the oxidized cellulose defibrating and nano-sizing it himself. The dispersing or kneading operation can be performed by the above-mentioned (Step B: defibration treatment).
One of the present inventions is a method for producing a composition for producing a battery electrode using, as a material, oxidized cellulose that contains an oxide of a cellulose-based raw material by hypochlorous acid or a salt thereof and that is substantially free of N-oxyl compounds, specifically, a method for producing a composition for producing a battery electrode that contains nanocellulose, the method comprising the step of obtaining the composition for producing a battery electrode by stirring a mixture containing oxidized cellulose and a material of the composition for producing a battery electrode other than nanocellulose. Another of the present inventions is a method for producing a composition for producing a battery electrode that contains nanocellulose, the method comprising the step of obtaining the composition for producing a battery electrode by stirring oxidized cellulose and continuously adding a material of the composition for producing a battery electrode other than nanocellulose.
Here, the aspects of the nanocellulose, oxidized cellulose, and battery electrode preparation composition are as described above. The material other than nanocellulose in the battery electrode preparation composition is any material other than nanocellulose that can be contained in the battery electrode preparation composition, such as the other binder components, dispersion medium, and components constituting the battery electrode (specifically, active materials, etc.) and components for forming the electrode (specifically, water, etc.) described above, but is not limited thereto.
本発明の電池電極作製用組成物は、本発明のバインダー組成物を含むが、バインダー組成物が2種以上のバインダー成分を含むとき、各々のバインダー成分を電池電極作製用組成物の製造時に配合してもよく、あらかじめ各々のバインダー成分の混合物を配合してもよい。 The battery electrode preparation composition of the present invention contains the binder composition of the present invention. When the binder composition contains two or more binder components, each binder component may be mixed during the production of the battery electrode preparation composition, or a mixture of each binder component may be mixed in advance.
<電極、電池>
本発明の電池電極は、本発明の電池電極作製用組成物を用いて作製されるものであれば特に制限されないが、銅又はアルミニウム等の集電体表面に本発明の電池電極作製用組成物から形成される合剤層を備えるものであることが好ましい。合剤層は、集電体の表面に本発明の電池電極作製用組成物を塗工した後、水等の媒体を乾燥除去することにより形成することができる。上記組成物を塗工する方法は特に限定されず、ドクターブレード法、ディップ法、ロールコート法、コンマコート法、カーテンコート法、グラビアコート法及びエクストルージョン法等の公知の方法を採用することができる。また、上記乾燥は、温風吹付け、減圧、(遠)赤外線、マイクロ波照射等の公知の方法により行うことができる。
通常、乾燥後に得られた合剤層には、金型プレス及びロールプレス等による圧縮処理が施される。圧縮することにより活物質及びバインダーを密着させ、合剤層の強度及び集電体への密着性を向上させることができる。圧縮により合剤層の厚みを、例えば、圧縮前の30~80%程度に調整することができ、圧縮後の合剤層の厚みは4~200μm程度が一般的である。
<Electrodes, batteries>
The battery electrode of the present invention is not particularly limited as long as it is produced using the composition for producing a battery electrode of the present invention, but it is preferable that the electrode has a mixture layer formed from the composition for producing a battery electrode of the present invention on the surface of a current collector such as copper or aluminum. The mixture layer can be formed by applying the composition for producing a battery electrode of the present invention to the surface of the current collector and then drying and removing the medium such as water. The method for applying the composition is not particularly limited, and known methods such as a doctor blade method, a dip method, a roll coating method, a comma coating method, a curtain coating method, a gravure coating method, and an extrusion method can be adopted. In addition, the drying can be performed by known methods such as hot air blowing, reduced pressure, (far) infrared rays, and microwave irradiation.
Usually, the mixture layer obtained after drying is subjected to a compression treatment using a mold press, a roll press, or the like. Compression brings the active material and the binder into close contact with each other, and improves the strength of the mixture layer and its adhesion to the current collector. The thickness of the mixture layer can be adjusted by compression to, for example, about 30 to 80% of the thickness before compression, and the thickness of the mixture layer after compression is generally about 4 to 200 μm.
本発明の電池電極にセパレータ及び電解液を備えることにより、電池を作製することができる。本発明における電池は二次電池であることが好ましい。電解液は液状であってもよく、ゲル状であってもよい。
セパレータは電池の正極及び負極間に配され、両極の接触による短絡の防止や電解液を保持してイオン導電性を確保する役割を担う。セパレータにはフィルム状の絶縁性微多孔膜であって、良好なイオン透過性及び機械的強度を有するものが好ましい。具体的な素材としては、ポリエチレン及びポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン等を使用することができる。
A battery can be produced by providing the battery electrode of the present invention with a separator and an electrolyte. The battery in the present invention is preferably a secondary battery. The electrolyte may be in a liquid state or a gel state.
The separator is disposed between the positive and negative electrodes of the battery, and serves to prevent short circuits caused by contact between the electrodes and to retain the electrolyte to ensure ionic conductivity. The separator is preferably a film-like insulating microporous membrane having good ion permeability and mechanical strength. Specific examples of the material that can be used include polyolefins such as polyethylene and polypropylene, and polytetrafluoroethylene.
電解液は、活物質の種類に応じて一般的に使用される公知のものを用いることができる。リチウムイオン二次電池では、具体的な溶媒として、プロピレンカーボネート及びエチレンカーボネート等の高誘電率で電解質の溶解能力の高い環状カーボネート、並びに、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート及びジエチルカーボネート等の粘性の低い鎖状カーボネート等が挙げられ、これらを単独で又は混合溶媒として使用することができる。電解液は、これらの溶媒にLiPF6、LiSbF6、LiBF4、LiClO4、LiAlO4等のリチウム塩を溶解して使用される。ニッケル水素二次電池では、電解液として水酸化カリウム水溶液を使用することができる。二次電池は、セパレータで仕切られた正極板及び負極板を渦巻き状又は積層構造にしてケース等に収納することにより得られる。 The electrolyte may be a known one that is generally used depending on the type of active material. In the lithium ion secondary battery, specific solvents include cyclic carbonates with high dielectric constant and high electrolyte dissolving ability such as propylene carbonate and ethylene carbonate, and chain carbonates with low viscosity such as ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate and diethyl carbonate, which may be used alone or as a mixed solvent. The electrolyte is used by dissolving lithium salts such as LiPF 6 , LiSbF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 and LiAlO 4 in these solvents. In the nickel-hydrogen secondary battery, an aqueous potassium hydroxide solution may be used as the electrolyte. The secondary battery is obtained by storing a positive electrode plate and a negative electrode plate separated by a separator in a spiral or stacked structure in a case or the like.
以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。尚、本発明は、これらの実施例により限定されるものではない。尚、以下において「部」及び「%」は、特に断らない限り質量部及び質量%を意味する。
ナノセルロース及び酸化セルロースの物性の測定方法は以下のとおりとした。
The present invention will be specifically described below based on examples. Note that the present invention is not limited to these examples. Note that, in the following, "parts" and "%" mean parts by mass and % by mass unless otherwise specified.
The physical properties of nanocellulose and oxidized cellulose were measured as follows.
<繊維長と繊維幅の測定方法>
上記で得られた微細セルロース繊維の水分散体に純水を加え、CNF水分散体中の微細セルロース繊維の濃度が5ppmになるように調整した。濃度調整後のCNF水分散体をマイカ基材上で自然乾燥させ、オックスフォード・アサイラム社製 走査型プローブ顕微鏡「MFP-3D infinity」を用いて、ACモードで微細セルロース繊維の形状観察を行った。
繊維長については、得られた画像を画像処理ソフトウェア「ImageJ」を用いて二値化し解析を行った。繊維100本以上について、繊維長=「周囲長」÷2として数平均繊維長を求めた。
平均繊維幅については、「MFP-3D infinity」に付属されているソフトウェアを用いて、繊維50本以上について、形状像の断面高さ=繊維幅として数平均繊維幅[nm]を求めた。
<Method of measuring fiber length and fiber width>
Pure water was added to the aqueous dispersion of fine cellulose fibers obtained above, and the concentration of fine cellulose fibers in the CNF aqueous dispersion was adjusted to 5 ppm. The CNF aqueous dispersion after the concentration adjustment was naturally dried on a mica substrate, and the shape of the fine cellulose fibers was observed in AC mode using a scanning probe microscope "MFP-3D infinity" manufactured by Oxford Asylum.
The fiber length was analyzed by binarizing the obtained image using the image processing software "ImageJ". For 100 or more fibers, the number average fiber length was calculated as fiber length = "perimeter" ÷ 2.
The average fiber width was calculated using the software attached to the "MFP-3D infinity" for 50 or more fibers, and the number average fiber width [nm] was calculated as the cross-sectional height of the shape image = fiber width.
<カルボキシ基量の測定>
酸化セルロースの濃度を0.5質量%に調整した酸化セルロース水分散体60mlに、0.1M塩酸水溶液を加えてpH2.5にした後、0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液を滴下して、pHが11.0になるまで電気伝導度を測定し、電気伝導度の変化が穏やかな弱酸の中和段階において消費された水酸化ナトリウム量(a)から、下記式を用いてカルボキシ基量(mmol/g)を算出した。
カルボキシ基量=a(ml)×0.05/酸化セルロース繊維の質量(g)
<Measurement of Carboxy Group Amount>
To 60 ml of an oxidized cellulose aqueous dispersion in which the concentration of oxidized cellulose had been adjusted to 0.5% by mass, a 0.1 M aqueous hydrochloric acid solution was added to adjust the pH to 2.5, and then a 0.05 N aqueous sodium hydroxide solution was added dropwise and the electrical conductivity was measured until the pH reached 11.0. The amount of carboxy groups (mmol/g) was calculated using the following formula from the amount of sodium hydroxide (a) consumed in the neutralization stage of the weak acid, in which the change in electrical conductivity was gradual.
Amount of carboxyl group = a (ml) x 0.05 / mass of oxidized cellulose fiber (g)
<カルボキシ基含有重合体塩の製造>
重合には、攪拌翼、温度計、還流冷却器及び窒素導入管を備えた反応器を用いた。
反応器内にアセトニトリル567部、アクリル酸(以下、「AA」という。)100.0部、トリメチロールプロパンジアリルエーテル(ダイソー社製、商品名「ネオアリルT-20」)0.9部及び上記AAに対して1.0モル%に相当するトリエチルアミンを仕込んだ。反応器内を十分に窒素置換した後、加温して内温を55℃まで昇温した。内温が55℃で安定したことを確認した後、重合開始剤として2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)(和光純薬工業社製、商品名「V-65」)0.040部を添加したところ、反応液に白濁が認められたため、この点を重合開始点とした。なお、単量体濃度は15.0%と算出された。重合開始点から12時間経過した時点で反応液の冷却を開始し、内温が25℃まで低下した後、水酸化リチウム・一水和物(以下、「LiOH・H2O」という)の粉末52.4部を添加した。添加後室温下12時間撹拌を継続して、PAA架橋重合体塩(Li塩、中和度90モル%)の粒子が媒体に分散したスラリー状の重合反応液を得た。重合開始から12時間経過した時点のAAの反応率はそれぞれ97.3%と算出された。
<Production of Carboxy Group-Containing Polymer Salt>
For the polymerization, a reactor equipped with a stirring blade, a thermometer, a reflux condenser and a nitrogen inlet tube was used.
Into the reactor, 567 parts of acetonitrile, 100.0 parts of acrylic acid (hereinafter referred to as "AA"), 0.9 parts of trimethylolpropane diallyl ether (manufactured by Daiso Co., Ltd., trade name "Neoallyl T-20"), and triethylamine equivalent to 1.0 mol% relative to the AA were charged. After the inside of the reactor was sufficiently replaced with nitrogen, the inside temperature was raised to 55°C by heating. After confirming that the inside temperature was stable at 55°C, 0.040 parts of 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., trade name "V-65") was added as a polymerization initiator, and the reaction solution became cloudy, so this point was determined to be the polymerization initiation point. The monomer concentration was calculated to be 15.0%. Cooling of the reaction solution was started 12 hours after the polymerization initiation point, and after the internal temperature had dropped to 25°C, 52.4 parts of lithium hydroxide monohydrate (hereinafter referred to as " LiOH.H2O ") powder was added. After the addition, stirring was continued for 12 hours at room temperature to obtain a polymerization reaction solution in the form of a slurry in which particles of PAA crosslinked polymer salt (Li salt, neutralization degree 90 mol%) were dispersed in the medium. The reaction rate of AA was calculated to be 97.3% at 12 hours after the polymerization initiation.
得られた重合反応液を遠心分離して重合体粒子を沈降させた後、上澄みを除去した。その後、重合反応液と同重量のアセトニトリルに沈降物を再分散させた後、遠心分離により重合体粒子を沈降させて上澄みを除去する洗浄操作を2回繰り返した。沈降物を回収し、減圧条件下、80℃で3時間乾燥処理を行い、揮発分を除去することにより、PAA架橋重合体塩の粉末を得た。PAA架橋重合体塩は吸湿性を有するため、水蒸気バリア性を有する容器に密封保管した。なお、PAA架橋重合体塩の粉末をIR測定し、カルボン酸のC=O基由来のピークとカルボン酸LiのC=O由来のピークの強度比より中和度を求めたところ、仕込みからの計算値に等しく90モル%であった。 The obtained polymerization reaction solution was centrifuged to settle the polymer particles, and the supernatant was removed. The precipitate was then redispersed in acetonitrile of the same weight as the polymerization reaction solution, and the washing operation of settling the polymer particles by centrifugation and removing the supernatant was repeated twice. The precipitate was collected and dried at 80°C for 3 hours under reduced pressure conditions to remove the volatile matter, thereby obtaining a powder of PAA crosslinked polymer salt. Since the PAA crosslinked polymer salt is hygroscopic, it was sealed and stored in a container with water vapor barrier properties. The powder of PAA crosslinked polymer salt was subjected to IR measurement, and the degree of neutralization was calculated from the intensity ratio of the peak derived from the C=O group of the carboxylic acid and the peak derived from the C=O of the carboxylic acid Li, which was 90 mol%, equal to the calculated value from the charge.
<水媒体中での粒子径(水膨潤粒子径)の測定>
PAA架橋重合体塩の粉末0.25g、及びイオン交換水49.75gを100ccの容器に量りとり、自転/公転式攪拌機(シンキー社製、あわとり練太郎AR-250)にセットした。次いで、撹拌(自転速度2000rpm/公転速度800rpm、7分)、さらに脱泡(自転速度2200rpm/公転速度60rpm、1分)処理を行い架橋重合体塩が水に膨潤した状態のハイドロゲルを作製した。
次に、イオン交換水を分散媒とするレーザー回折/散乱式粒度分布計(マイクロトラックベル社製、マイクロトラックMT-3300EXII)にて上記ハイドロゲルの粒度分布測定を行った。ハイドロゲルに対し、過剰量の分散媒を循環しているところに、適切な散乱光強度が得られる量のハイドロゲルを投入したところ、数分後に、測定される粒度分布形状が安定した。安定を確認次第、粒度分布測定を行い、粒子径の代表値としての体積基準メジアン径(D50)を測定したところ水媒体中での粒子径は1.7μmであった。
<Measurement of particle size in aqueous medium (water-swollen particle size)>
0.25 g of the PAA crosslinked polymer salt powder and 49.75 g of ion-exchanged water were weighed into a 100 cc container and set in a rotation/revolution type mixer (Thinky Corporation, Awatori Rentaro AR-250). Next, stirring (rotation speed 2000 rpm/revolution speed 800 rpm, 7 minutes) and degassing (rotation speed 2200 rpm/revolution speed 60 rpm, 1 minute) were performed to prepare a hydrogel in which the crosslinked polymer salt was swollen in water.
Next, the particle size distribution of the hydrogel was measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution meter (Microtrack MT-3300EXII, manufactured by Microtrack Bell) using ion-exchanged water as a dispersion medium. When an excess amount of dispersion medium was circulated relative to the hydrogel and an amount of hydrogel was added to obtain an appropriate scattered light intensity, the measured particle size distribution shape stabilized after a few minutes. As soon as stability was confirmed, the particle size distribution was measured and the volume-based median diameter (D50) was measured as a representative value of the particle diameter, resulting in a particle diameter of 1.7 μm in the aqueous medium.
〔実施例1〕
<ナノセルロースの製造>
セルロース系原料として、針葉樹パルプ(SIGMA-ALDRICH社 NIST RM 8495, bleached kraft pulp)を5mm角にハサミで切断し、大阪ケミカル社製「ワンダーブレンダーWB-1」にて、25,000rpmで1分間処理して、綿状に機械解繊した。
ビーカーに、有効塩素濃度が42質量%である次亜塩素酸ナトリウム5水和物結晶を350g入れ、純水を加えて撹拌し、有効塩素濃度を21質量%とした。そこへ、35質量%塩酸を加えて撹拌し、pH11の次亜塩素酸ナトリウム水溶液を得た。
前記次亜塩素酸ナトリウム水溶液を新東科学社製の撹拌機(スリーワンモータ、BL600)にてプロペラ型撹拌羽根を使用して200rpmで撹拌しながら恒温水浴にて30℃に加温した後、上記セルロース系原料50gを加えた。
セルロース系原料を供給後、同じ恒温水槽で30℃に保温しながら、48質量%水酸化ナトリウムを添加しながら反応中のpHを11に調整して、30分間、撹拌機にて同条件で撹拌を行った。
反応終了後、目開き134μmのPTFE製メッシュフィルターを使用して、吸引ろ過により生成物を固液分離し、得られた酸化セルロースを純水で洗浄した。
酸化セルロースに純水を加え、5%分散液を作製し、スギノマシン社製の超高圧ホモジナイザー「スターバースト ラボ」にて200MPaで、5パスで処理し、ナノセルロースを水分散体として得た。このナノセルロースをナノセルロースAとする。
なお、超高圧ホモジナイザーでは、内蔵された超高圧解繊部に酸化セルロース水分散液を循環通液させて解繊を進めた。その解繊部への通液1回分を1パスとする。
Example 1
<Production of nanocellulose>
As a cellulose-based raw material, softwood pulp (Sigma-Aldrich Corporation, NIST RM 8495, bleached kraft pulp) was cut with scissors into 5 mm squares and mechanically defibrated into a cotton-like form by processing at 25,000 rpm for 1 minute in a "Wonder Blender WB-1" manufactured by Osaka Chemical Co., Ltd.
In a beaker, 350 g of sodium hypochlorite pentahydrate crystals with an effective chlorine concentration of 42% by mass were placed, and pure water was added and stirred to adjust the effective chlorine concentration to 21% by mass. 35% by mass hydrochloric acid was added thereto and stirred to obtain an aqueous sodium hypochlorite solution with a pH of 11.
The aqueous sodium hypochlorite solution was heated to 30° C. in a thermostatic water bath while being stirred at 200 rpm using a propeller-type stirring blade in a stirrer manufactured by Shinto Scientific Co., Ltd. (Three-One Motor, BL600), and then 50 g of the above-mentioned cellulosic raw material was added.
After supplying the cellulosic raw material, the mixture was kept at 30° C. in the same thermostatic water bath, and the pH during the reaction was adjusted to 11 by adding 48% by mass sodium hydroxide, and the mixture was stirred under the same conditions for 30 minutes using a stirrer.
After completion of the reaction, the product was subjected to solid-liquid separation by suction filtration using a PTFE mesh filter having an opening of 134 μm, and the obtained oxidized cellulose was washed with pure water.
Pure water was added to the oxidized cellulose to prepare a 5% dispersion, which was then processed five times at 200 MPa with an ultra-high pressure homogenizer "Starburst Lab" manufactured by Sugino Machine Co., Ltd. to obtain nanocellulose as an aqueous dispersion. This nanocellulose is designated as nanocellulose A.
In the ultra-high pressure homogenizer, the oxidized cellulose aqueous dispersion was circulated through the built-in ultra-high pressure defibrating section to advance defibration. One pass was counted as one liquid passing through the defibrating section.
なお、次亜塩素酸ナトリウム水溶液中の有効塩素濃度は以下の方法により測定した。
(次亜塩素酸ナトリウム水溶液中の有効塩素濃度の測定)
次亜塩素酸ナトリウム5水和物結晶を純水に加えた水溶液0.582gを精密に量り、純水50mLを加え、ヨウ化カリウム2g及び酢酸10mLを加え、直ちに密栓して暗所に15分間放置した。15分間の放置後、遊離したヨウ素を0.1mol/Lチオ硫酸ナトリウム溶液(溶液ファクター1.000)で滴定した結果(指示薬 デンプン試液)、滴定量は34.55mLであった。別に空試験を行い補正し、0.1mol/Lチオ硫酸ナトリウム溶液1mLが3.545mgClに相当するので、次亜塩素酸ナトリウム水溶液中の有効塩素濃度は21質量%であった。
The available chlorine concentration in the aqueous sodium hypochlorite solution was measured by the following method.
(Measurement of available chlorine concentration in sodium hypochlorite aqueous solution)
0.582g of the aqueous solution of sodium hypochlorite pentahydrate crystals added to pure water was precisely measured, 50mL of pure water was added, 2g of potassium iodide and 10mL of acetic acid were added, and the solution was immediately sealed and left in the dark for 15 minutes. After leaving the solution for 15 minutes, the liberated iodine was titrated with 0.1mol/L sodium thiosulfate solution (solution factor 1.000) (indicator starch test solution), and the titration amount was 34.55mL. A blank test was separately performed to correct the amount, and 1mL of 0.1mol/L sodium thiosulfate solution was equivalent to 3.545mgCl, so the effective chlorine concentration in the aqueous sodium hypochlorite solution was 21% by mass.
<電極作製用組成物の作製>
バインダーとして、ナノセルロースA、PAA架橋重合体塩、及びスチレンブタジエンゴム(SBR)系ラテックスの混合物を用いた。
活物質として天然黒鉛(日本黒鉛社製、商品名「CGB-10」)を用いた。
電極作製用組成物の固形分濃度が43質量%となるように、水を希釈溶媒として、天然黒鉛:PAA架橋重合体塩:SBR:ナノセルロースA=100:1.5:1.5:1.5(固形分)の質量比となるよう、予めよく混合した後、薄膜旋回式ミキサー(プライミクス社製、FM-56-30)を用いて周速度20m/秒の条件で本分散を15秒間行うことにより、スラリー状の電極作製用組成物(以下、「電極用スラリー」ともいう。)を得た。
得られた電極用スラリーを用いて電極を作製し、その評価を行った。具体的な手順及び評価方法等について以下に示す。
<Preparation of electrode composition>
As a binder, a mixture of nanocellulose A, PAA crosslinked polymer salt, and styrene butadiene rubber (SBR)-based latex was used.
As the active material, natural graphite (manufactured by Nippon Graphite Co., Ltd., product name "CGB-10") was used.
The solid content of the composition for preparing an electrode was 43% by mass. The mixture was thoroughly mixed in advance with water as a diluting solvent to give a mass ratio of natural graphite: PAA crosslinked polymer salt: SBR: nanocellulose A = 100: 1.5: 1.5: 1.5 (solid content). The mixture was then dispersed for 15 seconds using a thin film rotary mixer (FM-56-30, manufactured by Primix Corporation) at a peripheral speed of 20 m/sec to give a slurry-like composition for preparing an electrode (hereinafter also referred to as "electrode slurry").
The obtained electrode slurry was used to prepare an electrode, which was then evaluated. The specific procedure and evaluation method are described below.
〔実施例2〕
実施例1の<ナノセルロースの製造>において10パス処理したこと以外は、実施例1と同じ条件とし、ナノセルロースBを作製した。その後、実施例1の<電極作製用組成物の作製>と同様にして電極用スラリーを得た。
Example 2
Nanocellulose B was produced under the same conditions as in Example 1, except that 10 passes were performed in the <Production of nanocellulose> of Example 1. Thereafter, a slurry for an electrode was obtained in the same manner as in Example 1 <Production of composition for producing an electrode>.
〔実施例3〕
実施例1の<ナノセルロースの製造>において15パス処理したこと以外は、実施例1と同じ条件とし、ナノセルロースCを作製した。その後、実施例1の<電極作製用組成物の作製>と同様にして電極用スラリーを得た。
Example 3
Nanocellulose C was produced under the same conditions as in Example 1, except that 15 passes were performed in <Production of nanocellulose> in Example 1. Thereafter, a slurry for an electrode was obtained in the same manner as in <Production of composition for producing an electrode> in Example 1.
〔実施例4〕
実施例1の<ナノセルロースの製造>において20パス処理したこと以外は、実施例1と同じ条件とし、ナノセルロースDを作製した。その後、実施例1の<電極作製用組成物の作製>と同様にして電極用スラリーを得た。
Example 4
Nanocellulose D was produced under the same conditions as in Example 1, except that 20 passes were performed in the <Production of nanocellulose> of Example 1. Thereafter, a slurry for an electrode was obtained in the same manner as in Example 1 <Production of composition for producing an electrode>.
〔実施例5〕
実施例1の<ナノセルロースの製造>において反応時間を120分間としたこと以外は、実施例1と同じ条件で酸化反応を行った。
反応終了後、余剰の次亜塩素酸ナトリウム分に対して亜硫酸ナトリウム水溶液を加え反応を停止し、続いて塩酸を加えてpHを2.5としカルボキシ基を-COOH型(H型)とした。得られた酸化セルロース水分散体について、固液分離及び洗浄を行った。具体的には、遠心分離(1000G、10分間)、デカンテーションにより上澄み除去、除去分相当量の純水を加えて匙で充分に撹拌して均一にした後、再び遠心分離、という工程を合計6回繰り返して精製酸化セルロースを回収した。その後、導入されたカルボキシ基のほぼ当量分の水酸化ナトリウムを添加し、カルボキシ基を-COONa型(Na型)に戻した。その酸化セルロース水分散体について純水を加えて1質量%に調整した後、ホモミキサーで解繊(10,000rpm、10分間)し、ナノセルロースを水分散体として得た。このナノセルロースをナノセルロースEとする。
その後、実施例1の<電極作製用組成物の作製>と同様にして電極用スラリーを得た。
Example 5
The oxidation reaction was carried out under the same conditions as in Example 1 <Production of nanocellulose>, except that the reaction time was 120 minutes.
After the reaction was completed, an aqueous sodium sulfite solution was added to the excess sodium hypochlorite to stop the reaction, and then hydrochloric acid was added to adjust the pH to 2.5 to convert the carboxyl groups to -COOH type (H type). The resulting oxidized cellulose aqueous dispersion was subjected to solid-liquid separation and washing. Specifically, the process of centrifugation (1000G, 10 minutes), removing the supernatant by decantation, adding an amount of pure water equivalent to the amount removed, stirring thoroughly with a spoon to make it uniform, and then centrifuging again was repeated six times in total to recover purified oxidized cellulose. Thereafter, sodium hydroxide was added in an amount approximately equivalent to the amount of the introduced carboxyl groups to convert the carboxyl groups back to -COONa type (Na type). The oxidized cellulose aqueous dispersion was adjusted to 1% by mass by adding pure water, and then defibrated with a homomixer (10,000 rpm, 10 minutes) to obtain nanocellulose as an aqueous dispersion. This nanocellulose was designated as nanocellulose E.
Thereafter, a slurry for an electrode was obtained in the same manner as in <Preparation of composition for preparing electrode> in Example 1.
〔実施例6〕
実施例5にて得られた、Na型に戻した精製酸化セルロースを用いた。すなわち、実施例1の<電極作製用組成物の作製>におけるナノセルロースAに替えて上記酸化セルロースを用いたこと以外は同様にして電極用スラリーを得た。
Example 6
The purified oxidized cellulose reverted to the Na form obtained in Example 5 was used. That is, a slurry for an electrode was obtained in the same manner as in Example 1 <Preparation of a composition for preparing an electrode> except that the above oxidized cellulose was used instead of nanocellulose A.
〔実施例7〕
水酸化ナトリウムに替えて水酸化カリウムを使用してカルボキシ基を-COOK型(K型)とした以外は、実施例5と同じ条件でナノセルロースGを作製した。
その後、実施例1の<電極作製用組成物の作製>と同様にして電極用スラリーを得た。
Example 7
Nanocellulose G was produced under the same conditions as in Example 5, except that potassium hydroxide was used instead of sodium hydroxide to convert the carboxyl group to -COOK type (K type).
Thereafter, a slurry for an electrode was obtained in the same manner as in <Preparation of composition for preparing electrode> in Example 1.
〔実施例8〕
水酸化ナトリウムに替えて水酸化リチウムを使用してカルボキシ基を-COOLi型(Li型)とした以外は、実施例5と同じ条件でナノセルロースHを作製した。
その後、実施例1の<電極作製用組成物の作製>と同様にして電極用スラリーを得た。
Example 8
Nanocellulose H was produced under the same conditions as in Example 5, except that lithium hydroxide was used instead of sodium hydroxide to convert the carboxyl group to the -COOLi type (Li type).
Thereafter, a slurry for an electrode was obtained in the same manner as in <Preparation of composition for preparing electrode> in Example 1.
〔比較例1〕
<ナノセルロースの製造>
セルロース系原料として、実施例1と同じ原料、機械処理条件にて得た綿状の針葉樹パルプ針葉樹パルプを準備した。
TEMPOを0.16g及び臭化ナトリウムを1.0gビーカーに入れ、純水を加えて撹拌して水溶液とし、上記機械解繊した針葉樹クラフトパルプを10.0g加えた。
上記水溶液をスターラーで撹拌しながら恒温水浴にて25℃に加温した後、0.1M水酸化ナトリウムを加えて撹拌し、pH10.0の水溶液とした。そこへ、有効塩素濃度13.2質量%の次亜塩素酸ナトリウム水溶液25.8gを加え、同じ恒温水槽で25℃に保温した状態で、0.1M水酸化ナトリウムを添加しながら反応中のpHを10.0に調整して、120分間スターラーで撹拌を行った。
反応終了後、目開き134μmのPTFE製メッシュフィルターを使用して、吸引ろ過により生成物を固液分離し、得られた酸化セルロースを純水で洗浄した。
酸化セルロースに純水を加え、0.5%分散液を作製し、スギノマシン社製の超高圧ホモジナイザー「スターバースト ラボ」にて200MPaで、30パスで処理し、ナノセルロースの水分散体を得た。これを必要に応じてエバポレーターにて加温濃縮して使用した。このナノセルロースをナノセルロースIとする。
<電極作製用組成物の作製>
その後、実施例1の<電極作製用組成物の作製>と同様にして電極用スラリーを得た。
Comparative Example 1
<Production of nanocellulose>
As the cellulosic raw material, cotton-like softwood pulp obtained from the same raw material and under the same mechanical processing conditions as in Example 1 was prepared.
0.16 g of TEMPO and 1.0 g of sodium bromide were placed in a beaker, and purified water was added and stirred to prepare an aqueous solution, to which 10.0 g of the mechanically defibrated softwood kraft pulp was added.
The above-mentioned aqueous solution is heated to 25°C in a thermostatic water bath while stirring with a stirrer, then 0.1M sodium hydroxide is added and stirred to obtain an aqueous solution of pH 10.0.Add 25.8g of an aqueous solution of sodium hypochlorite with an effective chlorine concentration of 13.2% by mass, and while keeping the solution at 25°C in the same thermostatic water bath, adjust the pH during reaction to 10.0 while adding 0.1M sodium hydroxide, and stir with a stirrer for 120 minutes.
After completion of the reaction, the product was subjected to solid-liquid separation by suction filtration using a PTFE mesh filter having an opening of 134 μm, and the obtained oxidized cellulose was washed with pure water.
Pure water was added to the oxidized cellulose to prepare a 0.5% dispersion, which was then processed at 200 MPa and 30 passes using a super-high pressure homogenizer "Starburst Lab" manufactured by Sugino Machine Co., Ltd. to obtain an aqueous dispersion of nanocellulose. This was heated and concentrated in an evaporator as necessary before use. This nanocellulose was designated as nanocellulose I.
<Preparation of electrode composition>
Thereafter, a slurry for an electrode was obtained in the same manner as in <Preparation of composition for preparing electrode> in Example 1.
〔比較例2〕
セルロース系原料として、実施例1と同じ原料、機械処理条件にて得た綿状の針葉樹パルプ針葉樹パルプを水に加えて0.5%水分散液とし、増幸産業製の微粒摩砕機(スーパーマスコロイダー)にて1500rpmで10パス予備解繊した。その後、スギノマシン社製の超高圧ホモジナイザー「スターバースト ラボ」にて200MPaで40パス処理し、CNF水分散体を得た。これを必要に応じてエバポレーターにて加温濃縮して使用した。このナノセルロースをナノセルロースJとする。
その後、実施例1の<電極作製用組成物の作製>と同様にして電極用スラリーを得た。
Comparative Example 2
As a cellulose-based raw material, cotton-like softwood pulp obtained under the same raw material and mechanical processing conditions as in Example 1 was added to water to obtain a 0.5% aqueous dispersion, which was pre-defibrated at 1500 rpm for 10 passes using a fine grinder (Supermasscolloider) manufactured by Masuko Sangyo. The dispersion was then processed at 200 MPa for 40 passes using an ultra-high pressure homogenizer "Starburst Lab" manufactured by Sugino Machine Co., Ltd. to obtain a CNF aqueous dispersion. This was heated and concentrated in an evaporator as necessary before use. This nanocellulose was designated as nanocellulose J.
Thereafter, a slurry for an electrode was obtained in the same manner as in <Preparation of composition for preparing electrode> in Example 1.
〔比較例3〕
「スターバースト ラボ」にて200MPaで、3パスで処理したこと以外は、製造実施例9と同じ条件で作製した。
その後、実施例1の<電極作製用組成物の作製>と同様にして電極用スラリーを得た。
Comparative Example 3
This was produced under the same conditions as in Production Example 9, except that it was treated in the "Starburst Lab" at 200 MPa for three passes.
Thereafter, a slurry for an electrode was obtained in the same manner as in <Preparation of composition for preparing electrode> in Example 1.
実施例1~8及び比較例1~3の電極用スラリーの評価を行った。また、実施例1~8及び比較例1~3の電極用スラリーを用いて電極を作製し、その評価を行った。具体的な手順及び評価方法等について以下に示す。 The electrode slurries of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 3 were evaluated. In addition, electrodes were produced using the electrode slurries of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 3, and the electrodes were evaluated. The specific procedures and evaluation methods are described below.
<電極スラリーの粘度測定>
得られた電極スラリーについて、アントンパール社製レオメーター(Physica MCR301)を用い、CP25-5のコーンプレート(直径25mm、コーン角度5°)にて、せん断速度60s-1のスラリー粘度を測定した。
<Measurement of Viscosity of Electrode Slurry>
The obtained electrode slurry was subjected to measurement of the slurry viscosity at a shear rate of 60 s −1 using a rheometer (Physica MCR301) manufactured by Anton Paar, with a CP25-5 cone plate (diameter 25 mm, cone angle 5°).
<電極スラリーの塗工性評価>
得られた電極スラリーについて可変式アプリケーターを用いて、銅箔(厚み:20μm、古河電気工業株式会社製)に塗布し、60℃×2分乾燥させた後、さらに150℃×5分乾燥することにより合剤層を形成した。乾燥後、合剤層の膜厚を、ミツトヨ株式会社製のデジマチックインジケーターID-H0560を用いて測定することにより、塗工性を評価した。評価基準は以下のとおりとした。
◎:塗膜200cm2のうち、膜厚のばらつきが0μm以上4μm以下であった。
〇:塗膜200cm2のうち、膜厚のばらつきが4μm超過9μm以下であった。
×:塗膜200cm2のうち、膜厚のばらつきが9μm超過
<Evaluation of Coating Properties of Electrode Slurry>
The obtained electrode slurry was applied to a copper foil (thickness: 20 μm, manufactured by Furukawa Electric Co., Ltd.) using a variable applicator, and dried at 60° C. for 2 minutes, and then further dried at 150° C. for 5 minutes to form a mixture layer. After drying, the thickness of the mixture layer was measured using a Digimatic Indicator ID-H0560 manufactured by Mitutoyo Corporation to evaluate the coatability. The evaluation criteria were as follows:
⊚: The variation in film thickness was 0 μm or more and 4 μm or less in a 200 cm2 coating film.
A: The variation in film thickness was more than 4 μm and not more than 9 μm in an area of 200 cm2 of coating film.
×: The variation in film thickness exceeds 9 μm in 200 cm2 of the coating film
<90°剥離強度(結着性)>
上記で得られた合剤層について、合剤層の厚みが80μm、充填密度が1.6g/cm3になるよう圧延し、負極極板を得た。負極極板を25mm幅の短冊状に裁断した後、水平面に固定された両面テープに上記試料の合剤層面を貼付け、剥離試験用試料を作製した。試験用試料を60℃、1晩減圧条件下で乾燥させた後、引張試験機(ORIENTEC社製テンシロン万能試験材料機RTE-1210)を用いて、測定温度25℃、引張速度50mm/分における90°剥離を行い、合剤層と銅箔間の剥離強度を測定した。
<90° peel strength (bonding strength)>
The mixture layer obtained above was rolled to a thickness of 80 μm and a packing density of 1.6 g/cm 3 to obtain a negative electrode plate. The negative electrode plate was cut into strips of 25 mm width, and the mixture layer surface of the sample was attached to a double-sided tape fixed to a horizontal surface to prepare a peel test sample. The test sample was dried at 60 ° C. under reduced pressure overnight, and then a tensile tester (ORIENTEC Co., Ltd. Tensilon universal testing material machine RTE-1210) was used to perform 90 ° peeling at a measurement temperature of 25 ° C. and a tensile speed of 50 mm / min to measure the peel strength between the mixture layer and the copper foil.
実施例1~8及び比較例1~3の電極スラリー及び合剤層の評価結果を表1に示した。 The evaluation results of the electrode slurries and mixture layers of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 1.
本発明の電池電極用バインダー組成物は、電池電極及び電池の分野、特に二次電池の電極及び電池の分野において、産業上の利用可能性を有する。 The battery electrode binder composition of the present invention has industrial applicability in the fields of battery electrodes and batteries, particularly in the fields of secondary battery electrodes and batteries.
Claims (13)
前記ナノセルロースが、グルコピラノース環の第2位及び第3位の水酸基が酸化されてカルボキシ基が導入され、且つ、第6位に水酸基が存在する構造を有する、
電池電極用バインダー組成物。 A binder composition for a battery electrode comprising nanocellulose,
The nanocellulose has a structure in which the hydroxyl groups at the second and third positions of the glucopyranose ring are oxidized to introduce a carboxyl group, and a hydroxyl group is present at the sixth position .
Binder composition for battery electrodes.
請求項1に記載の電池電極用バインダー組成物。 The carboxyl group content of the nanocellulose is 0.2 mmol / g or more and 2.0 mmol / g or less,
The battery electrode binder composition according to claim 1 .
請求項1又は2に記載の電池電極用バインダー組成物。 The average fiber length of the nanocellulose is 50 nm or more and 700 nm or less.
The binder composition for battery electrodes according to claim 1 or 2.
請求項1~3のいずれか一項に記載の電池電極用バインダー組成物。 Contains a particulate polymer and/or a polymer having a carboxy group or a salt thereof,
The binder composition for battery electrodes according to any one of claims 1 to 3.
前記架橋性単量体に由来する構造単位の含有量が、前記カルボキシ基を有する重合体を構成する単量体単位総量100質量部に対して、0.1質量部以上2.0質量部以下である、
請求項4に記載の電池電極用バインダー組成物。 the polymer having a carboxy group contains a structural unit derived from a crosslinkable monomer,
the content of the structural unit derived from the crosslinkable monomer is 0.1 parts by mass or more and 2.0 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the total amount of the monomer units constituting the polymer having a carboxy group;
The battery electrode binder composition according to claim 4 .
請求項4又は5に記載の電池電極用バインダー組成物。 the polymer having a carboxy group is neutralized to a degree of neutralization of 80 to 100 mol %, and then the particle size measured in an aqueous medium is 0.1 μm or more and 5.0 μm or less in terms of volume-based median size;
The binder composition for battery electrodes according to claim 4 or 5.
酸化セルロースと、前記電池電極用バインダー組成物のナノセルロース以外の材料とを含む混合物を撹拌することにより、前記電池電極用バインダー組成物を得る工程を含み、
前記酸化セルロースが、グルコピラノース環の第2位及び第3位の水酸基が酸化されてカルボキシ基が導入され、且つ、第6位に水酸基が存在する構造を有する、製造方法。 A method for producing a binder composition for a battery electrode comprising nanocellulose, comprising:
The method includes obtaining the binder composition for battery electrodes by stirring a mixture containing oxidized cellulose and a material other than nanocellulose of the binder composition for battery electrodes,
The oxidized cellulose has a structure in which the hydroxyl groups at the second and third positions of the glucopyranose ring are oxidized to introduce a carboxyl group, and a hydroxyl group is present at the sixth position .
酸化セルロースを撹拌し、連続して前記電池電極用バインダー組成物のナノセルロース以外の材料を添加することにより、前記電池電極用バインダー組成物を得る工程を含み、
前記酸化セルロースが、グルコピラノース環の第2位及び第3位の水酸基が酸化されてカルボキシ基が導入され、且つ、第6位に水酸基が存在する構造を有する、製造方法。 A method for producing a binder composition for a battery electrode comprising nanocellulose, comprising:
obtaining said battery electrode binder composition by stirring oxidized cellulose and continuously adding materials other than nanocellulose of said battery electrode binder composition;
The oxidized cellulose has a structure in which the hydroxyl groups at the second and third positions of the glucopyranose ring are oxidized to introduce a carboxyl group, and a hydroxyl group is present at the sixth position .
酸化セルロースと、前記電池電極作製用組成物のナノセルロース以外の材料とを含む混合物を撹拌することにより、前記電池電極作製用組成物を得る工程を含み、
前記酸化セルロースが、グルコピラノース環の第2位及び第3位の水酸基が酸化されてカルボキシ基が導入され、且つ、第6位に水酸基が存在する構造を有する、製造方法。 A method for producing a composition for producing a battery electrode containing nanocellulose, comprising:
The method includes obtaining the composition for producing a battery electrode by stirring a mixture containing oxidized cellulose and a material other than nanocellulose of the composition for producing a battery electrode,
The oxidized cellulose has a structure in which the hydroxyl groups at the second and third positions of the glucopyranose ring are oxidized to introduce a carboxyl group, and a hydroxyl group is present at the sixth position .
酸化セルロースを撹拌し、連続して前記電池電極作製用組成物のナノセルロース以外の材料を添加することにより、前記電池電極作製用組成物を得る工程を含み、
前記酸化セルロースが、グルコピラノース環の第2位及び第3位の水酸基が酸化されてカルボキシ基が導入され、且つ、第6位に水酸基が存在する構造を有する、製造方法。
A method for producing a composition for producing a battery electrode containing nanocellulose, comprising:
The method includes a step of obtaining the composition for preparing a battery electrode by stirring the oxidized cellulose and continuously adding materials other than nanocellulose of the composition for preparing a battery electrode,
The oxidized cellulose has a structure in which the hydroxyl groups at the second and third positions of the glucopyranose ring are oxidized to introduce a carboxyl group, and a hydroxyl group is present at the sixth position .
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| CN118529713A (en) * | 2024-05-27 | 2024-08-23 | 齐鲁工业大学(山东省科学院) | A soybean dregs-based hard carbon negative electrode material and its preparation method and application |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2014086285A (en) | 2012-10-24 | 2014-05-12 | Toppan Printing Co Ltd | Composition for battery electrode and manufacturing method of electrode for battery using the same |
| JP6769550B2 (en) | 2017-06-16 | 2020-10-14 | 東亞合成株式会社 | Manufacturing method of cellulose nanofibers |
-
2021
- 2021-02-18 JP JP2021024563A patent/JP7676803B2/en active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014086285A (en) | 2012-10-24 | 2014-05-12 | Toppan Printing Co Ltd | Composition for battery electrode and manufacturing method of electrode for battery using the same |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| MATSUKI Shiroshi et al.,Nanocellulose Production via One-Pot Formation of C2 and C3 Carboxylate Groups Using Highly Concentrated NaClO Aqueous Solution,ACS Sustainable Chemistry & Engineering,米国,2020年11月19日,8,17800-17806 |
Also Published As
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