JP7680209B2 - Binder for secondary battery electrode, composition for secondary battery electrode mix layer, and secondary battery electrode - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池電極用バインダー、二次電池電極合剤層用組成物及び二次電池電極に関する。 The present invention relates to a binder for secondary battery electrodes, a composition for secondary battery electrode mixture layers, and a secondary battery electrode.
二次電池として、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。これらの二次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電極合剤層を形成するための組成物を集電体上に塗布・乾燥等することにより作製される。例えばリチウムイオン二次電池では、負極合剤層用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。また、分散性及び結着性に優れるバインダーとして、アクリル酸系重合体水溶液又は水分散液を含むバインダーが知られている。一方、正極合剤層に用いられるバインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)のN-メチル-2-ピロリドン(NMP)溶液が広く使用されている。Various electric storage devices such as nickel-hydrogen secondary batteries, lithium-ion secondary batteries, and electric double-layer capacitors have been put to practical use as secondary batteries. Electrodes used in these secondary batteries are prepared by applying a composition for forming an electrode mixture layer containing an active material and a binder, etc., to a current collector and drying it. For example, in lithium-ion secondary batteries, an aqueous binder containing styrene butadiene rubber (SBR) latex and carboxymethyl cellulose (CMC) is used as a binder used in the negative electrode mixture layer composition. In addition, a binder containing an aqueous solution or aqueous dispersion of an acrylic acid-based polymer is known as a binder with excellent dispersibility and binding properties. On the other hand, an N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution of polyvinylidene fluoride (PVDF) is widely used as a binder used in the positive electrode mixture layer.
一方、各種二次電池の用途が拡大するにつれて、エネルギー密度、信頼性及び耐久性向上への要求が強まる傾向にある。例えば、リチウムイオン二次電池の電気容量を高める目的で、負極用活物質としてシリコン系の活物質を用いる仕様が増えてきている。しかしながら、シリコン系活物質は充放電時の体積変化が大きいことが知られており、繰り返し使用するにつれて電極合剤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)が悪化するという問題があった。このような不具合を抑制するためには、一般的にはバインダーの結着性を高めることが有効であり、耐久性を改善する目的で、バインダーの結着性向上に関する検討が行われている。On the other hand, as the applications of various secondary batteries expand, there is a tendency for the demand for improved energy density, reliability, and durability to increase. For example, in order to increase the electric capacity of lithium-ion secondary batteries, specifications using silicon-based active materials as negative electrode active materials are becoming more common. However, it is known that silicon-based active materials have a large volume change during charging and discharging, and with repeated use, peeling or falling off of the electrode mixture layer occurs, resulting in a decrease in battery capacity and a deterioration in cycle characteristics (durability). In order to suppress such defects, it is generally effective to increase the binding properties of the binder, and studies on improving the binding properties of the binder are being conducted with the aim of improving durability.
例えば、特許文献1では、リチウムイオン二次電池の負極塗膜を形成する結着剤としてポリアルケニルエーテルにより架橋したアクリル酸重合体が開示されている。特許文献2には、エチレン性不飽和カルボン酸塩単量体由来の構造単位及びエチレン性不飽和カルボン酸エステル単量体由来の構造単位を含み、特定の水溶液粘度を有する水溶性高分子を含有する二次電池用水系電極バインダーが開示されている。特許文献3には、エチレン性不飽和カルボン酸塩単量体由来の構造単位を含む架橋重合体の塩を含む特定粘度の水分散液が開示されている。For example, Patent Document 1 discloses an acrylic acid polymer crosslinked with polyalkenyl ether as a binder for forming a negative electrode coating film of a lithium ion secondary battery.
特許文献1~3に開示されるバインダーは、いずれも良好な結着性を付与し得るものであるが、二次電池の性能向上に伴い、より結着力の高いバインダーを求める要求が高まりつつある。All of the binders disclosed in Patent Documents 1 to 3 are capable of imparting good binding properties, but with improvements in the performance of secondary batteries, there is an increasing demand for binders with stronger binding strength.
また、一般に、二次電池電極は、活物質及びバインダーを含む電極合剤層用組成物(電極スラリー)を電極集電体表面に塗布乾燥することにより得られる。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、例えば、電極スラリー中の活物質濃度が50質量%を超えるような高濃度のスラリーの場合、良好な塗工性を確保することが難しい。In addition, in general, secondary battery electrodes are obtained by applying and drying an electrode mixture layer composition (electrode slurry) containing an active material and a binder to the surface of an electrode current collector. 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, since the solid content concentration of the electrode slurry usually increases as the active material concentration increases, it is difficult to ensure good coatability in the case of a high-concentration slurry in which the active material concentration in the electrode slurry exceeds 50 mass%, for example.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも優れた結着性を発揮することができるとともに、電極合剤層中の活物質濃度が高い場合であっても、電極スラリー粘度の低減が可能な二次電池電極用バインダーを提供する。また、併せて、上記バインダーを用いて得られる二次電池電極合剤層用組成物及び二次電池電極も提供する。The present invention has been made in consideration of these circumstances, and provides a binder for secondary battery electrodes that can exhibit better binding properties than conventional binders and can reduce the electrode slurry viscosity even when the active material concentration in the electrode mixture layer is high. In addition, the present invention also provides a composition for secondary battery electrode mixture layers and a secondary battery electrode obtained using the binder.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する構造単位及び水酸基を有する特定の不飽和単量体に由来する構造単位を含む架橋重合体又はその塩を含有するバインダーを用いた場合に、電極スラリーの粘度低減効果と結着性の双方に優れるという知見を得た。本開示によれば、こうした知見に基づき以下の手段が提供される。As a result of intensive research into solving the above problems, the present inventors have discovered that when a binder containing a crosslinked polymer or a salt thereof that includes a structural unit derived from an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer and a structural unit derived from a specific unsaturated monomer having a hydroxyl group is used, both the viscosity reducing effect and the binding properties of the electrode slurry are excellent. According to the present disclosure, the following means are provided based on this knowledge.
本発明は以下の通りである。
〔1〕架橋重合体又はその塩を含有する二次電池電極用バインダーであって、
前記架橋重合体又はその塩は、その全構造単位に対し、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する第一の構造単位を50質量%以上99.5質量%以下、並びに、式(1)及び式(2)で表される単量体からなる群より選ばれる1種以上の単量体に由来する第二の構造単位を0.5質量%以上50質量%以下含み、
かつ、中和度80~100モル%に中和された後、水媒体中で測定した粒子径が、体積基準メジアン径で0.1μm以上10μm以下である、二次電池電極用バインダー。
CH2=C(R1)COOR2 (1)
[式中、R1は水素原子又はメチル基を表し、R2は水酸基を有する炭素原子数1~8の一価の有機基、(R3O)mH又はR4O[CO(CH2)5O]nHを表す。なお、R3は炭素原子数2~4のアルキレン基を表し、R4は炭素原子数1~8のアルキレン基を表し、mは2~15の整数を表し、nは1~15の整数を表す。]
CH2=C(R5)CONR6R7 (2)
[式中、R5は水素原子又はメチル基を表し、R6は水酸基又は炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基を表し、R7は水素原子又は1価の有機基を表す。]
〔2〕架橋重合体又はその塩を含有する二次電池電極用バインダーであって、
前記架橋重合体又はその塩は、その全構造単位に対し、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する第一の構造単位を50質量%以上99.5質量%以下、並びに、式量が200以下であって、(メタ)アクリロイル基及び水酸基を有する単量体に由来する第二の構造単位を0.5質量%以上50質量%以下含み、
かつ、中和度80~100モル%に中和された後、水媒体中で測定した粒子径が、体積基準メジアン径で0.1μm以上10μm以下である、二次電池電極用バインダー。
〔3〕前記第二の構造単位は、ヒドロキシアルキル(メタ)アクリレートに由来する構造単位である〔1〕又は〔2〕に記載の二次電池電極用バインダー。
〔4〕前記架橋重合体又はその塩は、3質量%濃度水溶液の粘度が10,000mPa・s以下である〔1〕~〔3〕のいずれか一に記載の二次電池電極用バインダー。
〔5〕前記架橋重合体又はその塩は、pH8における水膨潤度が3.0以上、100以下である〔1〕~〔4〕のいずれか一に記載の二次電池電極用バインダー。
〔6〕〔1〕~〔5〕のいずれか一に記載の二次電池電極用バインダー、活物質及び水を含む、二次電池電極合剤層用組成物。
〔7〕集電体表面に、〔1〕~〔5〕のいずれか一に記載の二次電池電極用バインダーを含有する電極合剤層を備える、二次電池電極。
The present invention is as follows.
[1] A binder for a secondary battery electrode containing a crosslinked polymer or a salt thereof,
The crosslinked polymer or salt thereof contains, relative to all structural units thereof, 50% by mass or more and 99.5% by mass or less of a first structural unit derived from an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer, and 0.5% by mass or more and 50% by mass or less of a second structural unit derived from one or more monomers selected from the group consisting of monomers represented by formula (1) and formula (2),
and a particle size, measured in an aqueous medium after being neutralized to a degree of neutralization of 80 to 100 mol %, of 0.1 μm or more and 10 μm or less in volume-based median size.
CH 2 =C(R 1 )COOR 2 (1)
[In the formula, R 1 represents a hydrogen atom or a methyl group, R 2 represents a monovalent organic group having 1 to 8 carbon atoms and a hydroxyl group, (R 3 O) m H or R 4 O[CO(CH 2 ) 5 O] n H. In addition, R 3 represents an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, R 4 represents an alkylene group having 1 to 8 carbon atoms, m represents an integer of 2 to 15, and n represents an integer of 1 to 15.]
CH2 =C( R5 ) CONR6R7 ( 2 )
[In the formula, R5 represents a hydrogen atom or a methyl group, R6 represents a hydroxyl group or a hydroxyalkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and R7 represents a hydrogen atom or a monovalent organic group.]
[2] A binder for a secondary battery electrode containing a crosslinked polymer or a salt thereof,
The crosslinked polymer or salt thereof contains, relative to all structural units thereof, 50% by mass or more and 99.5% by mass or less of a first structural unit derived from an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer, and 0.5% by mass or more and 50% by mass or less of a second structural unit having a formula weight of 200 or less and derived from a monomer having a (meth)acryloyl group and a hydroxyl group,
and a particle size, measured in an aqueous medium after being neutralized to a degree of neutralization of 80 to 100 mol %, of 0.1 μm or more and 10 μm or less in volume-based median size.
[3] The binder for a secondary battery electrode according to [1] or [2], wherein the second structural unit is a structural unit derived from a hydroxyalkyl (meth)acrylate.
[4] The binder for a secondary battery electrode according to any one of [1] to [3], wherein the crosslinked polymer or the salt thereof has a viscosity of 10,000 mPa·s or less in a 3% by mass aqueous solution.
[5] The binder for a secondary battery electrode according to any one of [1] to [4], wherein the crosslinked polymer or the salt thereof has a water swelling degree at
[6] A composition for a secondary battery electrode mixture layer, comprising the binder for a secondary battery electrode according to any one of [1] to [5], an active material, and water.
[7] A secondary battery electrode comprising an electrode mixture layer containing the secondary battery electrode binder according to any one of [1] to [5] on a surface of a current collector.
本発明の二次電池電極用バインダーは、電極活物質等に対して優れた結着性を示す。このため、上記バインダーを含む電極合剤層及びこれを備えた電極は、結着性に優れるとともにその一体性を維持することができる。また、上記バインダーを含む電極合剤層用組成物は、活物質濃度が高い条件下であっても低いスラリー粘度を示すことができる。したがって、電極合剤層を形成する際に乾燥除去する水などの媒体を低減することができるため、電極等を製造する際の生産性向上に寄与し得る。The binder for secondary battery electrodes of the present invention exhibits excellent binding properties for electrode active materials, etc. Therefore, an electrode mixture layer containing the binder and an electrode provided with the same have excellent binding properties and can maintain their integrity. In addition, an electrode mixture layer composition containing the binder can exhibit low slurry viscosity even under conditions where the active material concentration is high. Therefore, it is possible to reduce the amount of medium such as water that is dried and removed when forming an electrode mixture layer, which can contribute to improving productivity when manufacturing electrodes, etc.
本発明の二次電池電極用バインダーは、架橋重合体又はその塩を含有するものであり、活物質及び水と混合することにより電極合剤層用組成物とすることができる。上記の組成物は、集電体への塗工が可能なスラリー状態であってもよいし、湿粉状態として調製し、集電体表面へのプレス加工に対応できるようにしてもよい。銅箔又はアルミニウム箔等の集電体表面に上記組成物から形成される合剤層を形成することにより、本発明の二次電池電極が得られる。The binder for secondary battery electrodes of the present invention contains a crosslinked polymer or a salt thereof, and can be mixed with an active material and water to form a composition for an electrode mixture layer. The composition may be in a slurry state that can be applied to a current collector, or may be prepared in a wet powder state so that it can be pressed onto the current collector surface. The secondary battery electrode of the present invention can be obtained by forming a mixture layer made of the composition on the surface of a current collector such as copper foil or aluminum foil.
以下に、本発明の二次電池電極用バインダー、当該バインダーを用いて得られる二次電池電極合剤層用組成物及び二次電池電極の各々について詳細に説明する。
尚、本明細書において、「(メタ)アクリル」とは、アクリル及び/又はメタクリルを意味し、「(メタ)アクリレート」とは、アクリレート及び/又はメタクリレートを意味する。また、「(メタ)アクリロイル基」とは、アクリロイル基及び/又はメタクリロイル基を意味する。
Hereinafter, the binder for a secondary battery electrode of the present invention, the composition for a secondary battery electrode mixture layer obtained by using the binder, and the secondary battery electrode will be described in detail.
In this specification, "(meth)acrylic" means acrylic and/or methacrylic, "(meth)acrylate" means acrylate and/or methacrylate, and "(meth)acryloyl group" means acryloyl group and/or methacryloyl group.
<バインダー>
本発明のバインダーは、架橋重合体又はその塩を含む。当該架橋重合体は、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する第一の構造単位及び水酸基を有する特定の単量体に由来する第二の構造単位を有する。 <Binder>
The binder of the present invention includes a crosslinked polymer or a salt thereof. The crosslinked polymer has a first structural unit derived from an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer and a second structural unit derived from a specific monomer having a hydroxyl group.
<架橋重合体の構造単位>
<第一の構造単位>
架橋重合体は、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する第一の構造単位(以下、「(a)成分」ともいう)を有することができる。架橋重合体が、係る構造単位を有することによりカルボキシル基を有する場合、集電体への接着性が向上するとともに、リチウムイオンの脱溶媒和効果及びイオン伝導性に優れるため、抵抗が小さく、ハイレート特性に優れた電極が得られる。また、水膨潤性が付与されるため、電極合剤層用組成物中における活物質等の分散安定性を高めることができる。
上記(a)成分は、例えば、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架橋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。
<Structural Unit of Crosslinked Polymer>
<First structural unit>
The crosslinked polymer may have a first structural unit (hereinafter also referred to as "component (a)") derived from an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer. When the crosslinked polymer has such a structural unit and thus has a carboxyl group, the adhesion to the current collector is improved, and the desolvation effect of lithium ions and ion conductivity are excellent, so that an electrode having low resistance and excellent high-rate characteristics can be obtained. In addition, water swelling is imparted, so that the dispersion stability of the active material and the like in the composition for the electrode mixture layer can be improved.
The above-mentioned (a) component can be introduced into the crosslinked polymer by, for example, 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 may 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ル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が良好となる点で重合性官能基としてアクリロイル基を有する化合物が好ましく、特に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、カルボキシル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; ethylenically unsaturated monomers having a carboxyl group such as monohydroxyethyl succinate (meth)acrylate, ω-carboxy-caprolactone mono(meth)acrylate, and β-carboxyethyl (meth)acrylate, or their (partial) alkali neutralization products. One of these may be used alone, or two or more may be used in combination. Among the above, compounds having an acryloyl group as a polymerizable functional group are preferred, in that they have a high polymerization rate, resulting in a polymer with a long primary chain length, and the binding strength of the binder is good, and acrylic acid is particularly preferred. When acrylic acid is used as the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer, a polymer with a high carboxyl group content can be obtained.
架橋重合体における(a)成分の含有量は、特に限定するものではないが、例えば、架橋重合体の全構造単位に対して10質量%以上、99.5質量%以下含むことができる。かかる範囲で(a)成分を含有することで、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。下限は、例えば20質量%以上であり、また例えば30質量%以上であり、また例えば40質量%以上である。下限が50質量%以上の場合、電極合剤層用組成物の分散安定性が良好となるため好ましく、60質量%以上であってもよく、70質量%以上であってもよく、80質量%以上であってもよい。また、上限は、例えば99質量%以下であり、また例えば98質量%以下であり、また例えば95質量%以下であり、また例えば90質量%以下であり、また例えば80質量%以下である。範囲としては、こうした下限及び上限を適宜組み合わせた範囲とすることができるが、例えば、30質量%以上、99.5質量%以下であり、また例えば50質量%以上、99.5質量%以下であり、また例えば50質量%以上、99質量%以下であり、また例えば50質量%以上、98質量%以下であり、また例えば50質量%以上、95質量%以下などとすることができる。The content of the (a) component in the crosslinked polymer is not particularly limited, but may be, for example, 10% by mass or more and 99.5% by mass or less based on the total structural units of the crosslinked polymer. By containing the (a) component in such a range, excellent adhesion to the current collector can be easily ensured. The lower limit is, for example, 20% by mass or more, for example, 30% by mass or more, and for example, 40% by mass or more. If the lower limit is 50% by mass or more, it is preferable because the dispersion stability of the electrode mixture layer composition is good, and it may be 60% by mass or more, 70% by mass or more, or 80% by mass or more. The upper limit is, for example, 99% by mass or less, for example, 98% by mass or less, for example, 95% by mass or less, for example, 90% by mass or less, and for example, 80% by mass or less. The range can be an appropriate combination of these lower and upper limits, and can be, for example, 30% by mass or more and 99.5% by mass or less, for example, 50% by mass or more and 99.5% by mass or less, for example, 50% by mass or more and 99% by mass or less, for example, 50% by mass or more and 98% by mass or less, or for example, 50% by mass or more and 95% by mass or less.
<第二の構造単位>
本発明の架橋重合体は、(a)成分以外に、水酸基を有する特定の単量体に由来する第二の構造単位(以下、「(b)成分」ともいう)を有することができる。架橋重合体が(b)成分を有する場合、当該架橋重合体を含むバインダーを用いて得られる電極合剤層用組成物の粘度を低減することができる。(b)成分は、例えば、以下の式(1)及び式(2)で表される単量体からなる群より選ばれる1種以上の単量体を重合することにより架橋重合体に導入することができる。又は、式量が200以下であって、(メタ)アクリロイル基及び水酸基を有する単量体を重合することにより架橋重合体に導入してもよい。
CH2=C(R1)COOR2 (1)
[式中、R1は水素原子又はメチル基を表し、R2は水酸基を有する炭素原子数1~8の一価の有機基、(R3O)mH又はR4O[CO(CH2)5O]nHを表す。なお、R3は炭素原子数2~4のアルキレン基を表し、R4は炭素原子数1~8のアルキレン基を表し、mは2~15の整数を表し、nは1~15の整数を表す。]
CH2=C(R5)CONR6R7 (2)
[式中、R5は水素原子又はメチル基を表し、R6は水酸基又は炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基を表し、R7は水素原子又は1価の有機基を表す。]
<Second structural unit>
The crosslinked polymer of the present invention may have a second structural unit (hereinafter also referred to as "component (b)") derived from a specific monomer having a hydroxyl group in addition to component (a). When the crosslinked polymer has component (b), the viscosity of the composition for electrode mixture layer obtained by using a binder containing the crosslinked polymer can be reduced. The component (b) can be introduced into the crosslinked polymer by polymerizing, for example, one or more monomers selected from the group consisting of monomers represented by the following formulas (1) and (2). Alternatively, the component (b) may be introduced into the crosslinked polymer by polymerizing a monomer having a formula weight of 200 or less and having a (meth)acryloyl group and a hydroxyl group.
CH 2 =C(R 1 )COOR 2 (1)
[In the formula, R 1 represents a hydrogen atom or a methyl group, R 2 represents a monovalent organic group having 1 to 8 carbon atoms and a hydroxyl group, (R 3 O) m H or R 4 O[CO(CH 2 ) 5 O] n H. In addition, R 3 represents an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, R 4 represents an alkylene group having 1 to 8 carbon atoms, m represents an integer of 2 to 15, and n represents an integer of 1 to 15.]
CH2 =C( R5 ) CONR6R7 ( 2 )
[In the formula, R5 represents a hydrogen atom or a methyl group, R6 represents a hydroxyl group or a hydroxyalkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and R7 represents a hydrogen atom or a monovalent organic group.]
上記式(1)で表される単量体は、水酸基を有する(メタ)アクリレート化合物である。R2が水酸基を有する炭素原子数1~8の一価の有機基である場合、当該水酸基の数は、1個のみでもよいし、2個以上であってもよい。上記一価の有機基としては、特段制限されるものではないが、例えば、直鎖状、分岐状または環状構造を有していてもよいアルキル基、並びに、アリール基及びアルコキシアルキル基等が挙げられる。また、R2が(R3O)mH又はR4O[CO(CH2)5O]nHである場合、R3又はR4が表すアルキレン基は、直鎖状であってもよいし分岐状であってもよい。 The monomer represented by the formula (1) is a (meth)acrylate compound having a hydroxyl group. When R 2 is a monovalent organic group having 1 to 8 carbon atoms having a hydroxyl group, the number of the hydroxyl groups may be only one or may be two or more. The monovalent organic group is not particularly limited, and examples thereof include an alkyl group that may have a linear, branched or cyclic structure, an aryl group and an alkoxyalkyl group. When R 2 is (R 3 O) m H or R 4 O[CO(CH 2 ) 5 O] n H, the alkylene group represented by R 3 or R 4 may be linear or branched.
上記式(1)で表される単量体としては、例えば、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシヘキシル(メタ)アクリレート及びヒドロキシオクチル(メタ)アクリレート等の炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基を有するヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート;ポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリブチレングリコールモノ(メタ)アクリレート及びポリエチレングリコール-ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート等のポリアルキレングリコールモノ(メタ)アクリレート;グリセリンモノ(メタ)アクリレート等のジヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート;カプロラクトン変性ヒドロキシメタクリレート(ダイセル社製、商品名「プラクセルFM1」、「プラクセルFM5」等)、カプロラクトン変性ヒドロキシアクリレート(ダイセル社製、商品名「プラクセルFA1」、「プラクセルFA10L」等)等が挙げられる。上記式(1)で表される単量体は、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。Examples of monomers represented by the above formula (1) include hydroxyalkyl (meth)acrylates having a hydroxyalkyl group having 1 to 8 carbon atoms, such as hydroxyethyl (meth)acrylate, hydroxypropyl (meth)acrylate, hydroxybutyl (meth)acrylate, hydroxyhexyl (meth)acrylate, and hydroxyoctyl (meth)acrylate; polyalkylene glycol mono(meth)acrylates, such as polyethylene glycol mono(meth)acrylate, polypropylene glycol mono(meth)acrylate, polybutylene glycol mono(meth)acrylate, and polyethylene glycol-polypropylene glycol mono(meth)acrylate; dihydroxyalkyl (meth)acrylates, such as glycerin mono(meth)acrylate; caprolactone-modified hydroxymethacrylates (manufactured by Daicel Corporation, product names "Placcel FM1", "Placcel FM5", etc.), caprolactone-modified hydroxyacrylates (manufactured by Daicel Corporation, product names "Placcel FA1", "Placcel FA10L", etc.), etc. The monomer represented by the above formula (1) may be used alone or in combination of two or more kinds.
上記式(2)で表される単量体は、水酸基又は炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基を有する(メタ)アクリルアミド誘導体である。式(2)において、R7は水素原子又は1価の有機基を表す。上記1価の有機基としては、特段制限されるものではないが、例えば、直鎖状、分岐状または環状構造を有していてもよいアルキル基、並びに、アリール基及びアルコキシアルキル基等が挙げられ、炭素原子数1~8の有機基であることが好ましい。その他に、R7は、水酸基又は炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基であってもよい。 The monomer represented by the above formula (2) is a (meth)acrylamide derivative having a hydroxyl group or a hydroxyalkyl group having 1 to 8 carbon atoms. In formula (2), R 7 represents a hydrogen atom or a monovalent organic group. The monovalent organic group is not particularly limited, but examples thereof include an alkyl group that may have a linear, branched or cyclic structure, as well as an aryl group and an alkoxyalkyl group, and is preferably an organic group having 1 to 8 carbon atoms. Alternatively, R 7 may be a hydroxyl group or a hydroxyalkyl group having 1 to 8 carbon atoms.
上記式(2)で表される単量体としては、例えば、ヒドロキシ(メタ)アクリルアミド;N-ヒドロキシエチル(メタ)アクリルアミド、N-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリルアミド、N-ヒドロキシブチル(メタ)アクリルアミド、N-ヒドロキシへキシル(メタ)アクリルアミド及びN-ヒドロキシオクチル(メタ)アクリルアミド、N-メチルヒドロキシエチル(メタ)アクリルアミド及びN-エチルヒドロキシエチル(メタ)アクリルアミド等の炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基を有する(メタ)アクリルアミド誘導体;N,N-ジヒドロキシエチル(メタ)アクリルアミド及びN,N-ジヒドロキシエチル(メタ)アクリルアミド等のN,N-ジ-ヒドロキシアルキル(メタ)アクリルアミド等が挙げられる。上記式(2)で表される単量体は、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。Examples of the monomer represented by the above formula (2) include hydroxy(meth)acrylamide; (meth)acrylamide derivatives having a hydroxyalkyl group having 1 to 8 carbon atoms, such as N-hydroxyethyl(meth)acrylamide, N-hydroxypropyl(meth)acrylamide, N-hydroxybutyl(meth)acrylamide, N-hydroxyhexyl(meth)acrylamide, and N-hydroxyoctyl(meth)acrylamide, N-methylhydroxyethyl(meth)acrylamide, and N-ethylhydroxyethyl(meth)acrylamide; and N,N-dihydroxyalkyl(meth)acrylamides, such as N,N-dihydroxyethyl(meth)acrylamide and N,N-dihydroxyethyl(meth)acrylamide. The monomer represented by the above formula (2) may be used alone or in combination of two or more.
式量が200以下であって、(メタ)アクリロイル基及び水酸基を有する単量体としては、例えば、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシヘキシル(メタ)アクリレート及びヒドロキシオクチルアクリレート等のヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート;ジエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート及びジプロピレングリコールモノアクリレート等のジアルキレングリコールモノ(メタ)アクリレート;N-ヒドロキシエチル(メタ)アクリルアミド、N-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリルアミド、N-ヒドロキシブチル(メタ)アクリルアミド、N-ヒドロキシへキシル(メタ)アクリルアミド及びN-ヒドロキシオクチル(メタ)アクリルアミド等の炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基を有する(メタ)アクリルアミド誘導体;N-メチロール(メタ)アクリルアミド等が挙げられ、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。Examples of monomers having a formula weight of 200 or less and having a (meth)acryloyl group and a hydroxyl group include hydroxyalkyl (meth)acrylates such as hydroxyethyl (meth)acrylate, hydroxypropyl (meth)acrylate, hydroxybutyl (meth)acrylate, hydroxyhexyl (meth)acrylate, and hydroxyoctyl acrylate; dialkylene glycol mono(meth)acrylates such as diethylene glycol mono(meth)acrylate and dipropylene glycol monoacrylate; (meth)acrylamide derivatives having a hydroxyalkyl group having 1 to 8 carbon atoms such as N-hydroxyethyl (meth)acrylamide, N-hydroxypropyl (meth)acrylamide, N-hydroxybutyl (meth)acrylamide, N-hydroxyhexyl (meth)acrylamide, and N-hydroxyoctyl (meth)acrylamide; and N-methylol (meth)acrylamide. One of these may be used alone, or two or more may be used in combination.
第二の構造単位としては、電極合剤層用組成物の粘度低減効果に優れる点で、炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基を有するヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート、又は式量が200以下のヒドロキシアルキル(メタ)アクリレートが好ましい。より好ましくは、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート及びヒドロキシブチル(メタ)アクリレートである。As the second structural unit, a hydroxyalkyl (meth)acrylate having a hydroxyalkyl group with 1 to 8 carbon atoms, or a hydroxyalkyl (meth)acrylate having a formula weight of 200 or less is preferred because of its excellent effect of reducing the viscosity of the electrode mixture layer composition. Hydroxyethyl (meth)acrylate, hydroxypropyl (meth)acrylate, and hydroxybutyl (meth)acrylate are more preferred.
架橋重合体における(b)成分の含有量は、架橋重合体の全構造単位に対して0.5質量%以上含むことができる。(b)成分の含有量が0.5質量%以上であれば、電極合剤層用組成物(電極スラリー)の粘度を十分低くすることができ、良好な塗工性を確保することが可能となる。下限は、1.0質量%以上でもよく、3.0質量%以上でもよく、5.0質量%以上でもよく、10質量%以上でもよい。また、(b)成分の含有量が50質量%以下であれば、結果として(a)成分の量を確保することが可能となり、電極合剤層用組成物(電極スラリー)の分散安定性を十分なものとすることができる。上限は、40質量%以下でもよく、30質量%以下でもよく、20質量%以下でもよい。範囲としては、こうした下限及び上限を適宜組み合わせた範囲とすることができるが、例えば、0.5質量%以上、50質量%以下であり、また例えば1.0質量%以上、50質量%以下であり、また例えば1.0質量%以上、30質量%以下などとすることができる。The content of the (b) component in the crosslinked polymer can be 0.5% by mass or more based on the total structural units of the crosslinked polymer. If the content of the (b) component is 0.5% by mass or more, the viscosity of the electrode mixture layer composition (electrode slurry) can be sufficiently reduced, and good coating properties can be ensured. The lower limit may be 1.0% by mass or more, 3.0% by mass or more, 5.0% by mass or more, or 10% by mass or more. In addition, if the content of the (b) component is 50% by mass or less, it is possible to ensure the amount of the (a) component as a result, and the dispersion stability of the electrode mixture layer composition (electrode slurry) can be sufficient. The upper limit may be 40% by mass or less, 30% by mass or less, or 20% by mass or less. The range can be an appropriate combination of these lower and upper limits, and can be, for example, 0.5 mass% or more and 50 mass% or less, or, for example, 1.0 mass% or more and 50 mass% or less, or, for example, 1.0 mass% or more and 30 mass% or less.
<その他の構造単位>
本架橋重合体は、(a)成分及び(b)成分以外に、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、「(c)成分」ともいう。)を含むことができる。(c)成分としては、例えば、スルホン酸基及びリン酸基等のカルボキシル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、または(b)成分以外の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ル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、または(b)成分以外の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。これらの内でも、(c)成分としては、耐屈曲性良好な電極が得られる観点から非イオン性のエチレン性不飽和単量体に由来する構造単位が好ましく、バインダーの結着性が優れる点で(メタ)アクリルアミド及びその誘導体、並びに、ニトリル基含有エチレン性不飽和単量体等が好ましい。また、(c)成分として水中への溶解性が1g/100ml以下の疎水性のエチレン性不飽和単量体に由来する構造単位を導入した場合、電極材料と強い相互作用を奏することができ、活物質に対して良好な結着性を発揮することができる。これにより、堅固で一体性の良好な電極合剤層を得ることができるため好ましい。特に脂環構造含有エチレン性不飽和単量体に由来する構造単位が好ましい。
<Other structural units>
In addition to the components (a) and (b), the crosslinked polymer may contain a structural unit derived from another ethylenically unsaturated monomer copolymerizable therewith (hereinafter also referred to as "component (c)"). Examples of the component (c) include structural units derived from an ethylenically unsaturated monomer compound having an anionic group other than a carboxyl group, such as a sulfonic acid group and a phosphoric acid group, or a nonionic ethylenically unsaturated monomer other than the component (b). These structural units can be introduced by copolymerizing an ethylenically unsaturated monomer compound having an anionic group other than a carboxyl group, such as a sulfonic acid group and a phosphoric acid group, or a monomer containing a nonionic ethylenically unsaturated monomer other than the component (b). Among these, as the component (c), a structural unit derived from a nonionic ethylenically unsaturated monomer is preferred from the viewpoint of obtaining an electrode with good bending resistance, and (meth)acrylamide and its derivatives, as well as nitrile group-containing ethylenically unsaturated monomers, are preferred from the viewpoint of excellent binder binding properties. In addition, when a structural unit derived from a hydrophobic ethylenically unsaturated monomer having a solubility in water of 1 g/100 ml or less is introduced as the component (c), it can exert a strong interaction with the electrode material and exhibit good binding properties to the active material. This is preferable because it is possible to obtain a firm and well-integrated electrode mixture layer. In particular, a structural unit derived from an alicyclic structure-containing ethylenically unsaturated monomer is preferable.
(c)成分の割合は、架橋重合体の全構造単位に対し、0質量%以上、49.5質量%以下とすることができる。(c)成分の割合は、1質量%以上、40質量%以下であってもよく、2質量%以上、40質量%以下であってもよく、2質量%以上、30質量%以下であってもよく、5質量%以上、30質量%以下であってもよい。また、架橋重合体の全構造単位に対して(c)成分を1質量%以上含む場合、電解液への親和性が向上するため、リチウムイオン伝導性が向上する効果も期待できる。The proportion of the (c) component can be 0% by mass or more and 49.5% by mass or less with respect to the total structural units of the crosslinked polymer. The proportion of the (c) component may be 1% by mass or more and 40% by mass or less, 2% by mass or more and 40% by mass or less, 2% by mass or more and 30% by mass or less, or 5% by mass or more and 30% by mass or less. In addition, when the (c) component is contained at 1% by mass or more with respect to the total structural units of the crosslinked polymer, the affinity to the electrolyte is improved, and therefore the effect of improving lithium ion conductivity can also be expected.
(メタ)アクリルアミド誘導体としては、例えば、イソプロピル(メタ)アクリルアミド、t-ブチル(メタ)アクリルアミド等のN-アルキル(メタ)アクリルアミド化合物;N-n-ブトキシメチル(メタ)アクリルアミド、N-イソブトキシメチル(メタ)アクリルアミド等のN-アルコキシアルキル(メタ)アクリルアミド化合物;ジメチル(メタ)アクリルアミド、ジエチル(メタ)アクリルアミド等のN,N-ジアルキル(メタ)アクリルアミド化合物が挙げられ、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。Examples of (meth)acrylamide derivatives include N-alkyl (meth)acrylamide compounds such as isopropyl (meth)acrylamide and t-butyl (meth)acrylamide; N-alkoxyalkyl (meth)acrylamide compounds such as N-n-butoxymethyl (meth)acrylamide and N-isobutoxymethyl (meth)acrylamide; and N,N-dialkyl (meth)acrylamide compounds such as dimethyl (meth)acrylamide and diethyl (meth)acrylamide. One of these may be used alone, or two or more may be used in combination.
ニトリル基含有エチレン性不飽和単量体としては、例えば、(メタ)アクロリニトリル;(メタ)アクリル酸シアノメチル、(メタ)アクリル酸シアノエチル等の(メタ)アクリル酸シアノアルキルエステル化合物;4-シアノスチレン、4-シアノ-α-メチルスチレン等のシアノ基含有不飽和芳香族化合物;シアン化ビニリデン等が挙げられ、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。Examples of nitrile group-containing ethylenically unsaturated monomers include (meth)acrylonitrile; (meth)acrylic acid cyanoalkyl ester compounds such as cyanomethyl (meth)acrylate and cyanoethyl (meth)acrylate; cyano group-containing unsaturated aromatic compounds such as 4-cyanostyrene and 4-cyano-α-methylstyrene; vinylidene cyanide; and the like. One of these may be used alone, or two or more may be used in combination.
脂環構造含有エチレン性不飽和単量体としては、例えば、(メタ)アクリル酸シクロペンチル、(メタ)アクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリル酸メチルシクロヘキシル、(メタ)アクリル酸t-ブチルシクロヘキシル、(メタ)アクリル酸シクロデシル及び(メタ)アクリル酸シクロドデシル等の脂肪族置換基を有していてもよい(メタ)アクリル酸シクロアルキルエステル;(メタ)アクリル酸イソボルニル、(メタ)アクリル酸アダマンチル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンテニル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンテニルオキシエチル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンタニル、並びに、シクロヘキサンジメタノールモノ(メタ)アクリレート及びシクロデカンジメタノールモノ(メタ)アクリレート等のシクロアルキルポリアルコールモノ(メタ)アクリレート等が挙げられ、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が良好となる点で重合性官能基としてアクリロイル基を有する化合物が好ましい。Examples of alicyclic structure-containing ethylenically unsaturated monomers include cycloalkyl (meth)acrylate esters which may have an aliphatic substituent, such as cyclopentyl (meth)acrylate, cyclohexyl (meth)acrylate, methylcyclohexyl (meth)acrylate, t-butylcyclohexyl (meth)acrylate, cyclodecyl (meth)acrylate, and cyclododecyl (meth)acrylate; isobornyl (meth)acrylate, adamantyl (meth)acrylate, dicyclopentenyl (meth)acrylate, dicyclopentenyloxyethyl (meth)acrylate, dicyclopentanyl (meth)acrylate, and cycloalkyl polyalcohol mono(meth)acrylates such as cyclohexanedimethanol mono(meth)acrylate and cyclodecanedimethanol mono(meth)acrylate. One of these may be used alone, or two or more may be used in combination. Among the above, compounds having an acryloyl group as a polymerizable functional group are preferred, since they have a high polymerization rate, resulting in a polymer having a long primary chain length, and provide a good binding strength of the binder.
その他の非イオン性のエチレン性不飽和単量体としては、例えば(メタ)アクリル酸エステルを用いてもよい。(メタ)アクリル酸エステルとしては、例えば、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル、(メタ)アクリル酸イソブチル及び(メタ)アクリル酸2-エチルヘキシル等の(メタ)アクリル酸アルキルエステル化合物;
(メタ)アクリル酸フェニル、(メタ)アクリル酸フェニルメチル、(メタ)アクリル酸フェニルエチル等の芳香族(メタ)アクリル酸エステル化合物;
(メタ)アクリル酸2-メトキシエチル、(メタ)アクリル酸2-エトキシエチル等の(メタ)アクリル酸アルコキシアルキルエステル化合物;等が挙げられ、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。
活物質との密着性及びサイクル特性の観点からは、芳香族(メタ)アクリル酸エステル化合物を好ましく用いることができる。また、リチウムイオン伝導性及びハイレート特性がより向上する観点からは、(メタ)アクリル酸アルコキシアルキルエステル化合物等のエーテル結合を有する化合物が好ましく、(メタ)アクリル酸2-メトキシエチルがより好ましい。
Other nonionic ethylenically unsaturated monomers that may be used include, for example, (meth)acrylic acid esters. Examples of the (meth)acrylic acid esters include (meth)acrylic acid alkyl ester compounds such as methyl (meth)acrylate, ethyl (meth)acrylate, butyl (meth)acrylate, isobutyl (meth)acrylate, and 2-ethylhexyl (meth)acrylate;
Aromatic (meth)acrylic acid ester compounds such as phenyl (meth)acrylate, phenylmethyl (meth)acrylate, and phenylethyl (meth)acrylate;
(Meth)acrylic acid alkoxyalkyl ester compounds such as 2-methoxyethyl (meth)acrylate and 2-ethoxyethyl (meth)acrylate; and the like. Among these, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination.
From the viewpoints of adhesion to the active material and cycle characteristics, aromatic (meth)acrylic acid ester compounds can be preferably used. Also, from the viewpoints of further improving lithium ion conductivity and high rate characteristics, compounds having an ether bond such as (meth)acrylic acid alkoxyalkyl ester compounds are preferred, and 2-methoxyethyl (meth)acrylate is more preferred.
非イオン性のエチレン性不飽和単量体の中でも、重合速度が速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が良好となる点でアクリロイル基を有する化合物が好ましい。また、非イオン性のエチレン性不飽和単量体としては、得られる電極の耐屈曲性が良好となる点でホモポリマーのガラス転移温度(Tg)が0℃以下の化合物が好ましい。Among nonionic ethylenically unsaturated monomers, compounds having an acryloyl group are preferred because they have a fast polymerization rate, resulting in a polymer with a long primary chain length, and because they provide good binding strength for the binder. In addition, as nonionic ethylenically unsaturated monomers, compounds whose homopolymer glass transition temperature (Tg) is 0°C or less are preferred because they provide good bending resistance for the resulting electrodes.
架橋重合体は塩であってもよい。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。The crosslinked polymer may be a salt. 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 because they are less likely to adversely affect the battery characteristics, and alkali metal salts are more preferred.
<架橋重合体の態様>
本発明の架橋重合体における架橋方法は特に制限されるものではなく、例えば以下の方法による態様が例示される。
1)架橋性単量体の共重合
2)ラジカル重合時のポリマー鎖への連鎖移動を利用
3)反応性官能基を有する重合体を合成後、必要に応じて架橋剤を添加して後架橋
重合体が架橋構造を有することにより、当該重合体又はその塩を含むバインダーは、優れた結着力を有することができる。上記の内でも、操作が簡便であり、架橋の程度を制御し易い点から架橋性単量体の共重合による方法が好ましい。
<Embodiments of Crosslinked Polymer>
The crosslinking method for the crosslinked polymer of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include the following methods.
1) Copolymerization of crosslinkable monomers 2) Utilizing chain transfer to polymer chains during radical polymerization 3) After synthesis of a polymer having a reactive functional group, a crosslinking agent is added as necessary for post-crosslinking By having a crosslinked structure in the polymer, a binder containing the polymer or a salt thereof can have excellent binding strength. Among the above, the method using copolymerization of crosslinkable monomers is preferred from the viewpoints of simple operation and easy control of the degree of crosslinking.
<架橋性単量体>
架橋性単量体としては、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。
<Crosslinkable Monomer>
Examples of the crosslinkable monomer include polyfunctional polymerizable monomers having two or more polymerizable unsaturated groups, and monomers having a self-crosslinkable crosslinkable functional group such as a hydrolyzable silyl group.
上記多官能重合性単量体は、(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であり、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いし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの内でも、均一な架橋構造を得やすい点で多官能アルケニル化合物が好ましく、分子内に2個以上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特に好ましい。The above-mentioned polyfunctional polymerizable monomer is 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 in that they are easy to obtain a uniform crosslinked structure, and polyfunctional allyl ether compounds having two or more allyl ether groups in the molecule are particularly preferred.
多官能(メタ)アクリレート化合物としては、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、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 sucrose; 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、(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の具体的な例としては、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。 Specific examples of the monomer having a self-crosslinkable crosslinking functional group include hydrolyzable silyl group-containing vinyl monomer, N-methylol (meth)acrylamide, N-methoxyalkyl (meth)acrylate, etc. These compounds can be used alone or in combination of two or more.
加水分解性シリル基含有ビニル単量体としては、加水分解性シリル基を少なくとも1個有するビニル単量体であれば、特に限定されない。例えば、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルメチルジメトキシシラン、ビニルジメチルメトキシシランン等のビニルシラン類;アクリル酸トリメトキシシリルプロピル、アクリル酸トリエトキシシリルプロピル、アクリル酸メチルジメトキシシリルプロピル等のシリル基含有アクリル酸エステル類;メタクリル酸トリメトキシシリルプロピル、メタクリル酸トリエトキシシリルプロピル、メタクリル酸メチルジメトキシシリルプロピル、メタクリル酸ジメチルメトキシシリルプロピル等のシリル基含有メタクリル酸エステル類;トリメトキシシリルプロピルビニルエーテル等のシリル基含有ビニルエーテル類;トリメトキシシリルウンデカン酸ビニル等のシリル基含有ビニルエステル類等を挙げることができる。The hydrolyzable silyl group-containing vinyl monomer is not particularly limited as long as it is a vinyl monomer having at least one hydrolyzable silyl group. For example, vinyl silanes such as vinyl trimethoxysilane, vinyl triethoxysilane, vinyl methyl dimethoxysilane, vinyl dimethyl methoxysilane, etc.; silyl group-containing acrylic acid esters such as trimethoxysilylpropyl acrylate, triethoxysilylpropyl acrylate, methyl dimethoxysilylpropyl acrylate, etc.; silyl group-containing methacrylic acid esters such as trimethoxysilylpropyl methacrylate, triethoxysilylpropyl methacrylate, methyl dimethoxysilylpropyl methacrylate, dimethyl methoxysilylpropyl methacrylate, etc.; silyl group-containing vinyl ethers such as trimethoxysilylpropyl vinyl ether; silyl group-containing vinyl esters such as vinyl trimethoxysilyl undecanoate, etc. can be mentioned.
架橋重合体が架橋性単量体により架橋されたものである場合、上記架橋性単量体の使用量は、架橋性単量体以外の単量体(非架橋性単量体)の総量100質量部に対して好ましくは0.1質量部以上2.0質量部以下であり、より好ましくは0.3質量部以上1.5質量部以下であり、さらに好ましくは0.5質量部以上1.5質量部以下である。架橋性単量体の使用量が0.1質量部以上であれば結着性及び電極スラリーの安定性がより良好となる点で好ましい。2.0質量部以下であれば、架橋重合体の安定性が高くなる傾向がある。
同様に、上記架橋性単量体の使用量は、架橋性単量体以外の単量体(非架橋性単量体)の総量に対して0.02~0.7モル%であることが好ましく、0.03~0.4モル%であることがより好ましい。
When the crosslinked polymer is crosslinked by a crosslinkable monomer, the amount of the crosslinkable monomer used is preferably 0.1 parts by mass or more and 2.0 parts by mass or less, more preferably 0.3 parts by mass or more and 1.5 parts by mass or less, and even more preferably 0.5 parts by mass or more and 1.5 parts by mass or less, relative to 100 parts by mass of the total amount of monomers other than the crosslinkable monomer (non-crosslinkable monomer). If the amount of the crosslinkable monomer used is 0.1 parts by mass or more, it is preferable in that the binding property and the stability of the electrode slurry are better. If it is 2.0 parts by mass or less, the stability of the crosslinked polymer tends to be high.
Similarly, the amount of the crosslinkable monomer used is preferably 0.02 to 0.7 mol %, more preferably 0.03 to 0.4 mol %, based on the total amount of monomers other than the crosslinkable monomer (non-crosslinkable monomers).
<架橋重合体の粒子径>
電極合剤層用組成物において、架橋重合体が大粒径の塊(二次凝集体)として存在することなく、適度な粒径を有する水膨潤粒子として良好に分散している場合、当該架橋重合体を含むバインダーが良好な結着性能を発揮し得るため好ましい。
<Particle size of crosslinked polymer>
In the composition for an electrode mixture layer, when the crosslinked polymer is not present as large lumps (secondary aggregates) but is well dispersed as water-swellable particles having an appropriate particle size, this is preferred because the binder containing the crosslinked polymer can exhibit good binding performance.
本発明の架橋重合体又はその塩は、該架橋重合体が有するカルボキシル基に基づく中和度が80~100モル%であるものを水中に分散させた際の粒子径(水膨潤粒子径)が、体積基準メジアン径で0.1μm以上、10.0μm以下の範囲にあることが好ましい。粒子径が0.1μm以上、10.0μm以下の範囲であれば、電極合剤層用組成物中において好適な大きさで均一に存在するため、電極合剤層用組成物の安定性が高く、優れた結着性を発揮することが可能となる。粒子径が10.0μmを超えると、上記の通り結着性が不十分となる虞がある。また、平滑性な塗面が得られにくい点で、塗工性が不十分となる虞がある。一方、粒子径が0.1μm未満の場合には、安定製造性の観点において懸念される。上記粒子径の下限は、0.2μm以上であってもよく、0.3μm以上であってもよく、0.5μm以上であってもよい。粒子径の上限は9.0μm以下であってもよく、8.0μm以下であってもよく、7.0μm以下であってもよく、5.0μm以下であってもよく、3.0μm以下であってもよい。粒子径の範囲は、上記下限値および上限値を適宜組合わせて設定することができ、例えば、0.1μm以上、9.0μm以下であってもよく、0.2μm以上、8.0μm以下であってもよく、0.3μm以上、5.0μm以下であってもよい。
なお、上記水膨潤粒子径は、本明細書実施例に記載の方法により測定することができる。
The crosslinked polymer or salt thereof of the present invention preferably has a particle size (water-swollen particle size) in the range of 0.1 μm or more and 10.0 μm or less in terms of volume-based median size when the crosslinked polymer has a degree of neutralization based on the carboxyl group of 80 to 100 mol% and is dispersed in water. If the particle size is in the range of 0.1 μm or more and 10.0 μm or less, the particle is uniformly present in a suitable size in the composition for electrode mixture layer, so that the composition for electrode mixture layer is highly stable and can exhibit excellent binding properties. If the particle size exceeds 10.0 μm, there is a risk of insufficient binding properties as described above. In addition, there is a risk of insufficient coatability in that a smooth coating surface is difficult to obtain. On the other hand, if the particle size is less than 0.1 μm, there is a concern from the viewpoint of stable production. The lower limit of the particle size may be 0.2 μm or more, 0.3 μm or more, or 0.5 μm or more. The upper limit of the particle size may be 9.0 μm or less, 8.0 μm or less, 7.0 μm or less, 5.0 μm or less, or 3.0 μm or less. The particle size range can be set by appropriately combining the above lower and upper limits, and may be, for example, 0.1 μm or more and 9.0 μm or less, 0.2 μm or more and 8.0 μm or less, or 0.3 μm or more and 5.0 μm or less.
The water-swollen particle size can be measured by the method described in the Examples of this specification.
架橋重合体が未中和若しくは中和度80モル%未満の場合は、アルカリ金属水酸化物等により中和度80~100モル%に中和し、水中に分散させた際の粒子径を測定すればよい。一般に、架橋重合体又はその塩は、粉末または溶液(分散液)の状態では一次粒子が会合、凝集した塊状粒子として存在する場合が多い。上記の水分散させた際の粒子径が上記範囲である場合、当該架橋重合体又はその塩は極めて優れた分散性を有するものであり、中和度80~100モル%に中和して水分散することにより塊状粒子が解れ、ほぼ一次粒子の分散体、若しくは2次凝集体であっても、その粒子径が0.1~10.0μmの範囲内にある、安定な分散状態を形成するものである。If the crosslinked polymer is not neutralized or has a degree of neutralization of less than 80 mol%, it is sufficient to neutralize it to a degree of neutralization of 80 to 100 mol% with an alkali metal hydroxide or the like and measure the particle size when dispersed in water. Generally, crosslinked polymers or their salts exist as aggregated particles in which primary particles are associated and aggregated in the form of powder or solution (dispersion liquid). If the particle size when dispersed in water is within the above range, the crosslinked polymer or its salt has extremely excellent dispersibility, and by neutralizing it to a degree of neutralization of 80 to 100 mol% and dispersing it in water, the aggregated particles are broken down, and even if it is a dispersion of almost primary particles or secondary aggregates, it forms a stable dispersion state in which the particle size is within the range of 0.1 to 10.0 μm.
水膨潤粒子径の体積平均粒子径を個数平均粒子径で除した値である粒子径分布は、結着性及び塗工性の観点から好ましくは10以下であり、より好ましくは5.0以下であり、さらに好ましくは3.0以下であり、一層好ましくは1.5以下である。上記粒子径分布の下限値は、通常は1.0である。The particle size distribution, which is the volume average particle size of the water-swollen particle size divided by the number average particle size, is preferably 10 or less, more preferably 5.0 or less, even more preferably 3.0 or less, and even more preferably 1.5 or less, from the viewpoint of binding property and coatability. The lower limit of the particle size distribution is usually 1.0.
また、本発明の架橋重合体又はその塩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。上記粒子径のより好ましい範囲は0.1μm以上、1μm以下であり、さらに好ましい範囲は0.3μm以上、0.8μm以下である。In addition, the particle diameter (dry particle diameter) of the crosslinked polymer or salt thereof of the present invention when dried is preferably in the range of 0.03 μm or more and 3 μm or less in volume-based median diameter. A more preferred range of the particle diameter is 0.1 μm or more and 1 μm or less, and an even more preferred range is 0.3 μm or more and 0.8 μm or less.
架橋重合体又はその塩は、電極合剤層用組成物中において、中和度が20~100モル%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ル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50~100モル%であることがより好ましく、60~95モル%であることがさらに好ましい。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という点で好ましい。本明細書では、上記中和度は、カルボキシル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。In the electrode mixture layer composition, the crosslinked polymer or its salt is preferably used in the form of a salt in which acid groups such as carboxyl groups derived from the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer are neutralized so that the degree of neutralization is 20 to 100 mol%. The degree of neutralization is more preferably 50 to 100 mol%, and even more preferably 60 to 95 mol%. When the degree of neutralization is 20 mol% or more, it is preferable in that the water swelling property is good and the dispersion stabilization effect is easily obtained. In this specification, the degree of neutralization can be calculated by calculation from the charge amount of the monomer having an acid group such as a carboxyl group and the neutralizing agent used for neutralization. The degree of neutralization can be confirmed by IR measurement of the powder of the crosslinked polymer or its salt after drying treatment 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 and the peak derived from the C = O group of the carboxylate salt.
<架橋重合体の分子量(一次鎖長)>
本発明の架橋重合体は、三次元架橋構造を有し、水などの媒体中でミクロゲルとして存在するものである。一般的に、このような三次元架橋重合体は溶媒に不溶であるため、その分子量を測定することはできない。同様に、架橋重合体の一次鎖長を測定し、定量することも、通常は困難である。
<Molecular weight of crosslinked polymer (primary chain length)>
The crosslinked polymer of the present invention has a three-dimensional crosslinked structure and exists as a microgel in a medium such as water. Generally, such a three-dimensional crosslinked polymer is insoluble in a solvent, so that its molecular weight cannot be measured. Similarly, it is usually difficult to measure and quantify the primary chain length of the crosslinked polymer.
<架橋重合体の水膨潤度>
本明細書では、水膨潤度は架橋重合体又はその塩の乾燥時の重量「(WA)g」、及び当該架橋重合体又はその塩を水で飽和膨潤させた際に吸収される水の量「(WB)g」とから、以下の式(3)に基づいて算出される。
(水膨潤度)={(WA)+(WB)}/(WA) (3)
<Water swelling degree of crosslinked polymer>
In this specification, the water swelling degree is calculated based on the following formula (3) from the dry weight "(WA) g" of the crosslinked polymer or a salt thereof and the amount of water "(WB) g" absorbed when the crosslinked polymer or a salt thereof is swelled to saturation with water.
(Water swelling degree) = {(WA) + (WB)}/(WA) (3)
本発明の架橋重合体又はその塩は、pH8における水膨潤度が3.0以上、100以下であることが好ましい。水膨潤度が上記範囲であれば、架橋重合体又はその塩が水媒体中で適度に膨潤するため、電極合剤層を形成する際に、活物質及び集電体への十分な接着面積を確保することが可能となり、結着性が良好となる傾向がある。上記水膨潤度は、例えば4.0以上であってもよく、5.0以上であってもよく、7.0以上であってもよく、10以上であってもよく、15以上であってもよい。水膨潤度が3.0以上の場合、架橋重合体又はその塩が活物質や集電体の表面において広がり、十分な接着面積を確保することができるため、良好な結着性が得られる。pH8における水膨潤度の上限値は、95以下であってもよく、90以下であってもよく、80以下であってもよく、60以下であってもよく、50以下であってもよい。水膨潤度が100を超えると、架橋重合体又はその塩を含む電極合剤層用組成物(電極スラリー)の粘度が高くなる傾向が有り、合剤層の均一性が不足する結果、十分な結着力が得られないことがある。また、電極スラリーの塗工性が低下する虞がある。pH8における水膨潤度の範囲は、上記上限値及び下限値を適宜組合せることにより設定できるが、例えば、4.0以上、100以下であり、また例えば、5.0以上、100以下であり、また例えば、5.0以上、80以下である。
pH8における水膨潤度は、pH8の水中における架橋重合体又はその塩の膨潤度を測定することにより得ることができる。上記pH8の水としては、例えばイオン交換水を使用することができ、必要に応じて適当な酸若しくはアルカリ、又は緩衝液等を用いてpHの値を調整してもよい。測定時のpHは、例えば、8.0±0.5の範囲であり、好ましくは8.0±0.3の範囲であり、より好ましくは8.0±0.2の範囲であり、さらに好ましくは8.0±0.1の範囲である。
The crosslinked polymer or salt thereof of the present invention preferably has a water swelling degree at
The degree of swelling in water at
尚、当業者であれば、架橋重合体又はその塩の組成及び構造等を制御することにより、その水膨潤度の調整を行うことができる。例えば、架橋重合体に酸性官能基、又は親水性の高い構造単位を導入することにより、水膨潤度を高くすることができる。また、架橋重合体の架橋度を低くすることによっても、通常その水膨潤度は高くなる。A person skilled in the art can adjust the water swelling degree by controlling the composition and structure of the crosslinked polymer or its salt. For example, the water swelling degree can be increased by introducing an acidic functional group or a highly hydrophilic structural unit into the crosslinked polymer. Also, the water swelling degree can usually be increased by decreasing the degree of crosslinking of the crosslinked polymer.
<架橋重合体の水溶液粘度>
本発明の架橋重合体又はその塩は、3質量%濃度水溶液の粘度が10,000mPa・s以下であることが好ましい。上記3質量%濃度水溶液の粘度は、より好ましくは7,000mPa・s以下であり、さらに好ましくは5,000mPa・s以下であり、一層好ましくは3,000mPa・s以下である。3質量%濃度水溶液の粘度が10,000mPa・s以下であれば、取り扱い性の観点で好適である。3質量%濃度水溶液の粘度の下限値は特段限定されるものではない。下限値は、例えば10mPa・s以上であってもよく、20mPa・s以上であってもよく、50mPa・s以上であってもよく、100mPa・s以上であってもよい。
尚、本明細書では、上記3質量%濃度水溶液の粘度は、液温を25℃とし、B型粘度計を用いて、ローター速度12rpmにおける粘度を測定することにより得られる。
<Viscosity of aqueous solution of crosslinked polymer>
The crosslinked polymer or salt thereof of the present invention preferably has a viscosity of 10,000 mPa·s or less in a 3% by weight aqueous solution. The viscosity of the 3% by weight aqueous solution is more preferably 7,000 mPa·s or less, even more preferably 5,000 mPa·s or less, and even more preferably 3,000 mPa·s or less. If the viscosity of the 3% by weight aqueous solution is 10,000 mPa·s or less, it is suitable from the viewpoint of ease of handling. The lower limit of the viscosity of the 3% by weight aqueous solution is not particularly limited. The lower limit may be, for example, 10 mPa·s or more, 20 mPa·s or more, 50 mPa·s or more, or 100 mPa·s or more.
In this specification, the viscosity of the 3% by mass aqueous solution is measured at a liquid temperature of 25° C. using a Brookfield viscometer at a rotor speed of 12 rpm.
<架橋重合体又はその塩の製造方法>
架橋重合体は、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るが、生産性の点で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が得られる点で、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することもできる。
尚、分散安定剤や重合溶剤等を選定することにより上記二次凝集を抑制することもできる。一般に、二次凝集を抑制した沈殿重合は、分散重合とも呼ばれる。
<Method of producing crosslinked polymer or its salt>
The crosslinked polymer can be prepared by known polymerization methods such as solution polymerization, precipitation polymerization, suspension polymerization, and emulsion polymerization, but precipitation polymerization and suspension polymerization (reverse phase suspension polymerization) are preferred from the viewpoint of productivity. Heterogeneous polymerization methods such as precipitation polymerization, suspension polymerization, and emulsion polymerization are preferred from the viewpoint of obtaining better performance in terms of binding property, etc., 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 grow larger through aggregation and growth, and a dispersion of polymer particles is obtained in which primary particles of several tens to hundreds of nm are secondary aggregated to several μm to several tens of μm. A dispersion stabilizer can also be used to control the particle size of the polymer.
The secondary aggregation can be suppressed by selecting a dispersion stabilizer, a polymerization solvent, etc. In general, precipitation polymerization in which secondary aggregation is suppressed is also called dispersion polymerization.
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。In the case of precipitation polymerization, the polymerization solvent can be selected from water and various organic solvents, taking into consideration the type of monomer used, etc. In order to obtain a polymer with a longer primary chain length, it is preferable to use a solvent with a small chain transfer constant.
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、粗大粒子の生成や反応器への付着が小さく重合安定性が良好であること、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、及び後述する工程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。
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 these can be used alone or in combination of two or more. Alternatively, these can 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 at 20° C. of more than 10 g/100 ml.
Of the above, methyl ethyl ketone and acetonitrile are preferred because they have good polymerization stability with little generation of coarse particles and little adhesion to the reactor, the precipitated polymer fine particles are not prone to secondary aggregation (or even if secondary aggregation does occur, it is easily disintegrated in an aqueous medium), they give polymers with small chain transfer constants and large degrees of polymerization (primary chain lengths), and they are easy to operate during the neutralization step described below.
また、同じく工程中和において中和反応を安定かつ速やかに進行させるため、重合溶媒中に高極性溶媒を少量加えておくことが好ましい。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る。高極性溶媒の使用量は、媒体の全質量に基づいて好ましくは0.05~20.0質量%であり、より好ましくは0.1~10.0質量%、さらに好ましくは0.1~5.0質量%であり、一層好ましくは0.1~1.0質量%である。高極性溶媒の割合が0.05質量%以上であれば、上記中和反応への効果が認められ、20.0質量%以下であれば重合反応への悪影響も見られない。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。高極性溶媒の中でも特に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 addition, in order to stably and rapidly proceed with the neutralization reaction in the neutralization step, it is preferable to add a small amount of a highly polar solvent to the polymerization solvent. Examples of such highly polar solvents include water and methanol. The amount of the highly polar solvent used is preferably 0.05 to 20.0% by mass, more preferably 0.1 to 10.0% by mass, even more preferably 0.1 to 5.0% by mass, and even more preferably 0.1 to 1.0% by mass, based on the total mass of the medium. If the proportion of the highly polar solvent is 0.05% by mass or more, an effect on the neutralization reaction is observed, and if it is 20.0% by mass or less, no adverse effect on the polymerization reaction is observed. In addition, in the polymerization of highly hydrophilic ethylenically unsaturated carboxylic acid monomers such as acrylic acid, the polymerization rate is improved when a highly polar solvent is added, making it easier to obtain a polymer with a long primary chain length. Among the highly polar solvents, water is particularly preferable because it has a large effect of improving the polymerization rate.
架橋重合体又はその塩の製造においては、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体成分を重合する重合工程を備えることが好ましい。例えば、(a)成分の由来となるエチレン性不飽和カルボン酸単量体を50質量%以上99.5質量%以下、(b)成分の由来となる水酸基を有する特定の単量体を0.5質量%以上50質量%以下、及び(c)成分の由来となる他のエチレン性不飽和単量体を0質量%以上49.5質量%以下含む単量体成分を重合する重合工程を備えることが好ましい。上記水酸基を有する特定の単量体としては、以下の式(1)及び式(2)で表される単量体からなる群より選ばれる1種以上の単量体、並びに、式量が200以下であって、(メタ)アクリロイル基及び水酸基を有する単量体が挙げられる。
CH2=C(R1)COOR2 (1)
[式中、R1は水素原子又はメチル基を表し、R2は水酸基を有する炭素原子数1~8の一価の有機基、(R3O)mH又はR4O[CO(CH2)5O]nHを表す。なお、R3は炭素原子数2~4のアルキレン基を表し、R4は炭素原子数1~8のアルキレン基を表し、mは2~15の整数を表し、nは1~15の整数を表す。]
CH2=C(R5)CONR6R7 (2)
[式中、R5は水素原子又はメチル基を表し、R6は水酸基又は炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基を表し、R7は水素原子又は1価の有機基を表す。]
In the production of the crosslinked polymer or its salt, it is preferable to have a polymerization step of polymerizing a monomer component containing an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer. For example, it is preferable to have a polymerization step of polymerizing a monomer component containing 50% by mass or more and 99.5% by mass or less of an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer from which the component (a) is derived, 0.5% by mass or more and 50% by mass or less of a specific monomer having a hydroxyl group from which the component (b) is derived, and 0% by mass or more and 49.5% by mass or less of another ethylenically unsaturated monomer from which the component (c) is derived. The specific monomer having a hydroxyl group includes one or more monomers selected from the group consisting of monomers represented by the following formulas (1) and (2), and a monomer having a formula weight of 200 or less and having a (meth)acryloyl group and a hydroxyl group.
CH 2 =C(R 1 )COOR 2 (1)
[In the formula, R 1 represents a hydrogen atom or a methyl group, R 2 represents a monovalent organic group having 1 to 8 carbon atoms and a hydroxyl group, (R 3 O) m H or R 4 O[CO(CH 2 ) 5 O] n H. In addition, R 3 represents an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, R 4 represents an alkylene group having 1 to 8 carbon atoms, m represents an integer of 2 to 15, and n represents an integer of 1 to 15.]
CH2 =C( R5 ) CONR6R7 ( 2 )
[In the formula, R5 represents a hydrogen atom or a methyl group, R6 represents a hydroxyl group or a hydroxyalkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and R7 represents a hydrogen atom or a monovalent organic group.]
上記重合工程により、架橋重合体には、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する構造単位(a成分)が50質量%以上99.5質量%以下導入され、水酸基を有する特定の単量体に由来する構造単位(b成分)が0.5質量%以上50質量%以下導入される。エチレン性不飽和カルボン酸単量体の使用量は、また例えば、30質量%以上、99.5質量%以下であり、また例えば、50質量%以上、99.5質量%以下であり、また例えば、50質量%以上、99質量%以下であり、また例えば、50質量%以上、98質量%以下であり、また例えば、50質量%以上、95質量%以下である。水酸基を有する特定の単量体の使用量は、また例えば、1.0質量%以上、50質量%以下であり、また例えば、1.0質量%以上、30質量%以下である。 In the above polymerization process, 50% to 99.5% by mass of structural units (component a) derived from ethylenically unsaturated carboxylic acid monomers are introduced into the crosslinked polymer, and 0.5% to 50% by mass of structural units (component b) derived from a specific monomer having a hydroxyl group are introduced into the crosslinked polymer. The amount of the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer used is, for example, 30% to 99.5% by mass, for example, 50% to 99.5% by mass, for example, 50% to 99% by mass, for example, 50% to 99% by mass, for example, 50% to 98% by mass, for example, 50% to 95% by mass. The amount of the specific monomer having a hydroxyl group used is, for example, 1.0% to 50% by mass, for example, 1.0% to 30% by mass.
上記他のエチレン性不飽和単量体としては、例えば、スルホン酸基及びリン酸基等のカルボキシル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、並びに、(b)成分以外の非イオン性のエチレン性不飽和単量体等が挙げられる。具体的な化合物としては、上述した(c)成分を導入可能な単量体化合物が挙げられる。上記他のエチレン性不飽和単量体は、単量体成分の全量に対して0質量%以上、49.5質量%以下含んでもよく、1質量%以上、40質量%以下であってもよく、2質量%以上、40質量%以下であってもよく、2質量%以上、30質量%以下であってもよく、5質量%以上、30質量%以下であってもよい。Examples of the other ethylenically unsaturated monomer include ethylenically unsaturated monomer compounds having anionic groups other than carboxyl groups, such as sulfonic acid groups and phosphoric acid groups, and nonionic ethylenically unsaturated monomers other than component (b). Specific compounds include monomer compounds that can introduce the above-mentioned component (c). The other ethylenically unsaturated monomer may be contained in an amount of 0% by mass or more and 49.5% by mass or less, 1% by mass or more and 40% by mass or less, 2% by mass or more and 40% by mass or less, 2% by mass or more and 30% by mass or less, or 5% by mass or more and 30% by mass or less, based on the total amount of the monomer component.
重合工程において重合される単量体成分は、架橋性単量体を含んでいてもよい。架橋性単量体としては、既述した通り、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。
架橋性単量体の使用量は、架橋性単量体以外の単量体(非架橋性単量体)の総量100質量部に対して好ましくは0.1質量部以上2.0質量部以下であり、より好ましくは0.3質量部以上1.5質量部以下であり、さらに好ましくは0.5質量部以上1.5質量部以下である。
The monomer components polymerized in the polymerization step may contain a crosslinkable monomer. As described above, examples of the crosslinkable monomer include a polyfunctional polymerizable monomer having two or more polymerizable unsaturated groups, and a monomer having a self-crosslinkable crosslinkable functional group such as a hydrolyzable silyl group.
The amount of the crosslinkable monomer used is preferably 0.1 parts by mass or more and 2.0 parts by mass or less, more preferably 0.3 parts by mass or more and 1.5 parts by mass or less, and even more preferably 0.5 parts by mass or more and 1.5 parts by mass or less, relative to 100 parts by mass of the total amount of monomers other than the crosslinkable monomer (non-crosslinkable monomers).
重合時の単量体濃度については、より一次鎖長の長い重合体を得る観点から高い方が好ましい。ただし、単量体濃度が高すぎると、重合体粒子の凝集が進行し易い他、重合熱の制御が困難となり重合反応が暴走する虞がある。このため、例えば沈殿重合法の場合、重合開始時の単量体濃度は、2~40質量%程度の範囲が一般的であり、好ましくは5~40質量%の範囲である。
なお、本明細書において「単量体濃度」とは、重合を開始する時点における反応液中の単量体濃度を示す。
The monomer concentration during polymerization is preferably high from the viewpoint of obtaining a polymer with a longer primary chain length. However, if the monomer concentration is too high, aggregation of polymer particles is likely to proceed, and the polymerization heat becomes difficult to control, and the polymerization reaction may run away. For this reason, for example, in the case of a precipitation polymerization method, the monomer concentration at the start of polymerization is generally in the range of about 2 to 40 mass%, and preferably in the range of 5 to 40 mass%.
In this specification, the term "monomer concentration" refers to the monomer concentration in the reaction liquid at the time when polymerization is started.
架橋重合体は、塩基化合物の存在下に重合反応を行うことにより製造してもよい。塩基化合物存在下において重合反応を行うことにより、高い単量体濃度条件下であっても、重合反応を安定に実施することができる。単量体濃度は、13.0質量%以上であってもよく、好ましくは15.0質量%以上であり、より好ましくは17.0質量%以上であり、更に好ましくは19.0質量%以上であり、一層好ましくは20.0質量%以上である。単量体濃度はなお好ましくは22.0質量%以上であり、より一層好ましくは25.0質量%以上である。一般に、重合時の単量体濃度を高くするほど高分子量化が可能であり、一次鎖長の長い重合体を製造することができる。The crosslinked polymer may be produced by carrying out a polymerization reaction in the presence of a basic compound. By carrying out a polymerization reaction in the presence of a basic compound, the polymerization reaction can be carried out stably even under high monomer concentration conditions. The monomer concentration may be 13.0% by mass or more, preferably 15.0% by mass or more, more preferably 17.0% by mass or more, even more preferably 19.0% by mass or more, and even more preferably 20.0% by mass or more. The monomer concentration is still more preferably 22.0% by mass or more, and even more preferably 25.0% by mass or more. In general, the higher the monomer concentration during polymerization, the higher the molecular weight is possible, and a polymer with a long primary chain length can be produced.
単量体濃度の上限値は、使用する単量体及び溶媒の種類、並びに、重合方法及び各種重合条件等により異なるが、重合反応熱の除熱が可能であれば、沈殿重合では上記の通り概ね40%程度、懸濁重合では概ね50%程度、乳化重合では概ね70%程度である。The upper limit of the monomer concentration varies depending on the type of monomer and solvent used, as well as the polymerization method and various polymerization conditions, but if it is possible to remove the heat generated by the polymerization reaction, it is approximately 40% in precipitation polymerization, approximately 50% in suspension polymerization, and approximately 70% in emulsion polymerization, as mentioned above.
上記塩基化合物は、いわゆるアルカリ性化合物であり、無機塩基化合物及び有機塩基化合物の何れを用いてもよい。塩基化合物存在下において重合反応を行うことにより、例えば13.0質量%を超えるような高い単量体濃度条件下であっても、重合反応を安定に実施することができる。また、このような高い単量体濃度で重合して得られた重合体は、分子量が高いため(一次鎖長が長いため)結着性にも優れる。
無機塩基化合物としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム等のアルカリ土類金属水酸化物等が挙げられ、これらの内の1種又は2種以上を用いることができる。
有機塩基化合物としては、アンモニア及び有機アミン化合物が挙げられ、これらの内の1種又は2種以上を用いることができる。中でも、重合安定性及び得られる架橋重合体又はその塩を含むバインダーの結着性の観点から、有機アミン化合物が好ましい。
The basic compound is a so-called alkaline compound, and may be either an inorganic basic compound or an organic basic compound. By carrying out the polymerization reaction in the presence of a basic compound, the polymerization reaction can be stably carried out even under high monomer concentration conditions, such as a monomer concentration exceeding 13.0 mass %. In addition, the polymer obtained by polymerization at such a high monomer concentration has a high molecular weight (long primary chain length) and therefore has excellent binding properties.
Examples of the inorganic base compound include alkali metal hydroxides such as lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide, and alkaline earth metal hydroxides such as calcium hydroxide and magnesium hydroxide, and one or more of these can be used.
Examples of the organic base compound include ammonia and organic amine compounds, and one or more of these can be used. Among them, organic amine compounds are preferred from the viewpoints of polymerization stability and binding properties of the binder containing the resulting crosslinked polymer or a salt thereof.
有機アミン化合物としては、例えば、モノメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、モノエチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、モノブチルアミン、ジブチルアミン、トリブチルアミン、モノヘキシルアミン、ジヘキシルアミン、トリヘキシルアミン、トリオクチルアミン及びトリドデシルアミン等のN-アルキル置換アミン;モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、プロパノールアミン、ジメチルエタノールアミン及びN,N-ジメチルエタノールアミン等の(アルキル)アルカノールアミン;ピリジン、ピペリジン、ピペラジン、1,8-ビス(ジメチルアミノ)ナフタレン、モルホリン及びジアザビシクロウンデセン(DBU)等の環状アミン;ジエチレントリアミン、N、N-ジメチルベンジルアミンが挙げられ、これらの内の1種又は2種以上を用いることができる。
これらの内でも、長鎖アルキル基を有する疎水性アミンを用いた場合、より大きな静電反発及び立体反発が得られることから、単量体濃度の高い場合であっても重合安定性を確保しやすい点で好ましい。具体的には、有機アミン化合物に存在する窒素原子数に対する炭素原子数の比で表される値(C/N)が高い程、立体反発効果による重合安定化効果が高い。上記C/Nの値は、好ましくは3以上であり、より好ましくは5以上であり、さらに好ましくは10以上であり、一層好ましくは20以上である。
Examples of the organic amine compound include N-alkyl-substituted amines such as monomethylamine, dimethylamine, trimethylamine, monoethylamine, diethylamine, triethylamine, monobutylamine, dibutylamine, tributylamine, monohexylamine, dihexylamine, trihexylamine, trioctylamine, and tridodecylamine; (alkyl)alkanolamines such as monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, propanolamine, dimethylethanolamine, and N,N-dimethylethanolamine; cyclic amines such as pyridine, piperidine, piperazine, 1,8-bis(dimethylamino)naphthalene, morpholine, and diazabicycloundecene (DBU); and diethylenetriamine and N,N-dimethylbenzylamine. One or more of these may be used.
Among these, the use of a hydrophobic amine having a long-chain alkyl group is preferred in that it is easy to ensure polymerization stability even when the monomer concentration is high because larger electrostatic and steric repulsion can be obtained. Specifically, the higher the value (C/N) represented by the ratio of the number of carbon atoms to the number of nitrogen atoms present in the organic amine compound, the higher the polymerization stabilization effect due to the steric repulsion effect. The value of C/N is preferably 3 or more, more preferably 5 or more, even more preferably 10 or more, and even more preferably 20 or more.
塩基化合物の使用量は、上記エチレン性不飽和カルボン酸単量体に対し、0.001モル%以上4.0モル%以下の範囲とすることが好ましい。塩基化合物の使用量がこの範囲であれば、重合反応を円滑に行うことができる。使用量は、0.05モル%以上4.0モル%以下であってもよく、0.1モル%以上4.0モル%以下であってもよく、0.1モル%以上3.0モル%以下であってもよく、0.1モル%以上2.0モル%以下であってもよい。
尚、本明細書では、塩基化合物の使用量は、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に対して用いた塩基化合物のモル濃度を表したものであり、中和度を意味するものではない。すなわち、用いる塩基化合物の価数は考慮しない。
The amount of the base compound used is preferably in the range of 0.001 mol% to 4.0 mol% relative to the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer. If the amount of the base compound used is in this range, the polymerization reaction can be carried out smoothly. The amount used may be 0.05 mol% to 4.0 mol%, 0.1 mol% to 4.0 mol%, 0.1 mol% to 3.0 mol%, or 0.1 mol% to 2.0 mol%.
In this specification, the amount of the basic compound used represents the molar concentration of the basic compound used relative to the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer, and does not mean the degree of neutralization. In other words, the valence of the basic compound used is not taken into consideration.
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。熱開始、還元剤を併用したレドックス開始、UV開始等、公知の方法で適切なラジカル発生量となるように使用条件を調整することができる。一次鎖長の長い架橋重合体を得るためには、製造時間が許容される範囲内で、ラジカル発生量がより少なくなるように条件を設定することが好ましい。The polymerization initiator may be any known polymerization initiator such as an azo compound, organic peroxide, or inorganic peroxide, but is not limited thereto. The conditions of use can be adjusted to generate an appropriate amount of radicals using known methods such as thermal initiation, redox initiation using a reducing agent, or UV initiation. In order to obtain a crosslinked polymer with a long primary chain length, it is preferable to set the conditions so that the amount of radicals generated is as small as possible within the allowable range of production time.
上記アゾ系化合物としては、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)、2,2’-アゾビス(N-ブチル-2-メチルプロピオンアミド)、2-(tert-ブチルアゾ)-2-シアノプロパン、2,2’-アゾビス(2,4,4-トリメチルペンタン)、2,2’-アゾビス(2-メチルプロパン)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。Examples of the azo compounds include 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile), 2,2'-azobis(N-butyl-2-methylpropionamide), 2-(tert-butylazo)-2-cyanopropane, 2,2'-azobis(2,4,4-trimethylpentane), 2,2'-azobis(2-methylpropane), etc., and one or more of these can be used.
上記有機過酸化物としては、2,2-ビス(4,4-ジ-t-ブチルパーオキシシクロヘキシル)プロパン(日油社製、商品名「パーテトラA」)、1,1-ジ(t-ヘキシルパーオキシ)シクロヘキサン(同「パーヘキサHC」)、1,1-ジ(t-ブチルパーオキシ)シクロヘキサン(同「パーヘキサC」)、n-ブチル-4,4-ジ(t-ブチルパーオキシ)バレレート(同「パーヘキサV」)、2,2-ジ(t-ブチルパーオキシ)ブタン(同「パーヘキサ22」)、t-ブチルハイドロパーオキサイド(同「パーブチルH」)、クメンハイドロパーオキサイド(日油社製、商品名「パークミルH」)、1,1,3,3-テトラメチルブチルハイドロパーオキサイド(同「パーオクタH」)、t-ブチルクミルパーオキサイド(同「パーブチルC」)、ジ-t-ブチルパーオキサイド(同「パーブチルD」)、ジ-t-ヘキシルパーオキサイド(同「パーヘキシルD」)、ジ(3,5,5-トリメチルヘキサノイル)パーオキサイド(同「パーロイル355」)、ジラウロイルパーオキサイド(同「パーロイルL」)、ビス(4-t-ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネート(同「パーロイルTCP」)、ジ-2-エチルヘキシルパーオキシジカーボネート(同「パーロイルOPP」)、ジ-sec-ブチルパーオキシジカーボネート(同「パーロイルSBP」)、クミルパーオキシネオデカノエート(同「パークミルND」)、1,1,3,3-テトラメチルブチルパーオキシネオデカノエート(同「パーオクタND」)、t-ヘキシルパーオキシネオデカノエート(同「パーヘキシルND」)、t-ブチルパーオキシネオデカノエート(同「パーブチルND」)、t-ブチルパーオキシネオヘプタノエート(同「パーブチルNHP」)、t-ヘキシルパーオキシピバレート(同「パーヘキシルPV」)、t-ブチルパーオキシピバレート(同「パーブチルPV」)、2,5-ジメチル-2,5-ジ(2-エチルヘキサノイル)ヘキサン(同「パーヘキサ250」)、1,1,3,3-テトラメチルブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート(同「パーオクタO」)、t-ヘキシルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート(同「パーヘキシルO」)、t-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート(同「パーブチルO」)、t-ブチルパーオキシラウレート(同「パーブチルL」)、t-ブチルパーオキシ-3,5,5-トリメチルヘキサノエート(同「パーブチル355」)、t-ヘキシルパーオキシイソプロピルモノカーボネート(同「パーヘキシルI」)、t-ブチルパーオキシイソプロピルモノカーボネート(同「パーブチルI」)、t-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキシルモノカーボネート(同「パーブチルE」)、t-ブチルパーオキシアセテート(同「パーブチルA」)、t-ヘキシルパーオキシベンゾエート(同「パーヘキシルZ」)及びt-ブチルパーオキシベンゾエート(同「パーブチルZ」)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。The organic peroxides include 2,2-bis(4,4-di-t-butylperoxycyclohexyl)propane (manufactured by NOF Corp., trade name "Pertetra A"), 1,1-di(t-hexylperoxy)cyclohexane (manufactured by NOF Corp., trade name "Perhexa HC"), 1,1-di(t-butylperoxy)cyclohexane (manufactured by NOF Corp., trade name "Perhexa C"), n-butyl-4,4-di(t-butylperoxy)valerate (manufactured by NOF Corp., trade name "Perhexa V"), 2,2-di(t-butylperoxy)butane (manufactured by NOF Corp., trade name "Perhexa 22"), t-butyl hydroperoxide (manufactured by NOF Corp., trade name "Percumyl H"), 1,1,3,3-tetramethylbutyl hydroperoxide (manufactured by NOF Corp., trade name "Perocta H"), t- Butylcumyl peroxide (Perbutyl C), di-t-butyl peroxide (Perbutyl D), di-t-hexyl peroxide (Perhexyl D), di(3,5,5-trimethylhexanoyl) peroxide (Perloyl 355), dilauroyl peroxide (Perloyl L), bis(4-t-butylcyclohexyl) peroxydicarbonate (Perloyl TCP), di-2-ethylhexyl peroxydicarbonate (Perloyl OPP), di-sec-butyl peroxydicarbonate (Perloyl SBP), cumyl peroxyneodecanoate (Percumyl ND), 1,1,3,3-tetramethylbutylperoxyneodecanoate peroxy neodecanoate (Perocta ND), t-hexyl peroxy neodecanoate (Perhexyl ND), t-butyl peroxy neodecanoate (Perbutyl ND), t-butyl peroxy neoheptanoate (Perbutyl NHP), t-hexyl peroxy pivalate (Perhexyl PV), t-butyl peroxy pivalate (Perbutyl PV), 2,5-dimethyl-2,5-di(2-ethylhexanoyl)hexane (Perhexa 250), 1,1,3,3-tetramethylbutyl peroxy-2-ethylhexanoate (Perocta O), t-hexyl peroxy-2-ethylhexanoate (Perhexyl O), t-butyl peroxy-2-ethylhexanoate (Perbutyl NHP), peroxypropyl ether ("Perbutyl O"), t-butylperoxylaurate ("Perbutyl L"), t-butylperoxy-3,5,5-trimethylhexanoate ("Perbutyl 355"), t-hexylperoxyisopropyl monocarbonate ("Perhexyl I"), t-butylperoxyisopropyl monocarbonate ("Perbutyl I"), t-butylperoxy-2-ethylhexyl monocarbonate ("Perbutyl E"), t-butylperoxyacetate ("Perbutyl A"), t-hexylperoxybenzoate ("Perhexyl Z") and t-butylperoxybenzoate ("Perbutyl Z"), and one or more of these can be used.
上記無機過酸化物としては、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸アンモニウム等が挙げられる。
また、レドックス開始の場合、亜硫酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、ナトリウムホルムアルデヒドスルホキシレート、アスコルビン酸、亜硫酸ガス(SO2)、硫酸第一鉄等を還元剤として用いることができる。
Examples of the inorganic peroxide include potassium persulfate, sodium persulfate, and ammonium persulfate.
In the case of redox initiation, sodium sulfite, sodium thiosulfate, sodium formaldehyde sulfoxylate, ascorbic acid, sulfurous acid gas (SO 2 ), ferrous sulfate, and the like can be used as reducing agents.
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、例えば、0.001~2質量部であり、また例えば、0.005~1質量部であり、また例えば、0.01~0.1質量部である。重合開始剤の使用量が0.001質量部以上であれば重合反応を安定的に行うことができ、2質量部以下であれば一次鎖長の長い重合体を得やすい。A preferred amount of the polymerization initiator used is, for example, 0.001 to 2 parts by mass, or, for example, 0.005 to 1 part by mass, or, for example, 0.01 to 0.1 parts by mass, when the total amount of the monomer components used is 100 parts by mass. If the amount of the polymerization initiator used is 0.001 parts by mass or more, the polymerization reaction can be carried out stably, and if it is 2 parts by mass or less, a polymer with a long primary chain length is easily obtained.
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。The polymerization temperature depends on 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 over the course of the polymerization reaction. The polymerization time is preferably 1 minute to 20 hours, more preferably 1 hour to 10 hours.
重合工程を経て得られた架橋重合体分散液は、乾燥工程において減圧及び/又は加熱処理等を行い溶媒留去することにより、目的とする架橋重合体を粉末状態で得ることができる。この際、上記乾燥工程の前に、未反応単量体(及びその塩)、開始剤由来の不純物等を除去する目的で、重合工程に引き続き、遠心分離及び濾過等の固液分離工程、水、メタノール又は重合溶媒と同一の溶媒等を用いた洗浄工程を備えることが好ましい。上記洗浄工程を備えた場合、架橋重合体が二次凝集した場合であっても使用時に解れやすく、さらに残存する未反応単量体が除去されることにより結着性や電池特性の点でも良好な性能を示す。The crosslinked polymer dispersion obtained through the polymerization process can be dried under reduced pressure and/or by heating to remove the solvent, thereby obtaining the desired crosslinked polymer in powder form. In this case, it is preferable to provide a solid-liquid separation process such as centrifugation and filtration, and a washing process using water, methanol, or the same solvent as the polymerization solvent, following the polymerization process, in order to remove unreacted monomers (and their salts) and impurities derived from the initiator, prior to the drying process. When the washing process is provided, the crosslinked polymer is easy to disintegrate during use even if it undergoes secondary aggregation, and furthermore, the removal of the remaining unreacted monomers results in good performance in terms of binding and battery characteristics.
本製造方法では、塩基化合物存在下にエチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体組成物の重合反応を行うが、重合工程により得られた重合体分散液にアルカリ化合物を添加して重合体を中和(以下、「工程中和」ともいう)した後、乾燥工程で溶媒を除去してもよい。また、上記工程中和の処理を行わずに架橋重合体の粉末を得た後、電極スラリーを調製する際にアルカリ化合物を添加して、重合体を中和(以下、「後中和」ともいう)してもよい。上記の内、工程中和の方が、二次凝集体が解れやすい傾向にあり好ましい。In this manufacturing method, a polymerization reaction of a monomer composition containing an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer is carried out in the presence of a base compound, and an alkali compound may be added to the polymer dispersion obtained by the polymerization process to neutralize the polymer (hereinafter also referred to as "process neutralization"), and then the solvent may be removed in a drying process. Alternatively, after obtaining a powder of a crosslinked polymer without carrying out the process neutralization treatment, an alkali compound may be added when preparing an electrode slurry to neutralize the polymer (hereinafter also referred to as "post-neutralization"). Of the above, process neutralization is preferred because it tends to break up secondary aggregates more easily.
<二次電池電極合剤層用組成物>
本発明の二次電池電極合剤層用組成物は、上記架橋重合体又はその塩を含有するバインダー、活物質及び水を含む。
本発明の電極合剤層用組成物における架橋重合体又はその塩の使用量は、活物質の全量100質量部に対して、例えば、0.1質量部以上20質量部以下である。上記使用量は、また例えば、0.2質量部以上10質量部以下であり、また例えば0.3質量部以上8質量部以下であり、また例えば0.4質量部以上5質量部以下である。架橋重合体及びその塩の使用量が0.1質量部未満の場合、十分な結着性が得られないことがある。また、活物質等の分散安定性が不十分となり、形成される合剤層の均一性が低下する場合がある。一方、架橋重合体及びその塩の使用量が20質量部を超える場合、電極合剤層用組成物が高粘度となり集電体への塗工性が低下することがある。その結果、得られた合剤層にブツや凹凸が生じて電極特性に悪影響を及ぼす虞がある。 <Composition for secondary battery electrode mixture layer>
The composition for a secondary battery electrode mixture layer of the present invention contains a binder containing the above-mentioned crosslinked polymer or a salt thereof, an active material, and water.
The amount of the crosslinked polymer or its salt used in the electrode mixture layer composition of the present invention is, for example, 0.1 parts by mass or more and 20 parts by mass or less, based on 100 parts by mass of the total amount of the active material. The amount used is, for example, 0.2 parts by mass or more and 10 parts by mass or less, for example, 0.3 parts by mass or more and 8 parts by mass or less, and for example, 0.4 parts by mass or more and 5 parts by mass or less. When the amount of the crosslinked polymer and its salt used is less than 0.1 parts by mass, sufficient binding property may not be obtained. In addition, the dispersion stability of the active material may be insufficient, and the uniformity of the mixture layer formed may decrease. On the other hand, when the amount of the crosslinked polymer and its salt used exceeds 20 parts by mass, the viscosity of the electrode mixture layer composition may become high and the coatability to the current collector may decrease. As a result, there is a risk that bumps and unevenness may occur in the obtained mixture layer, which may adversely affect the electrode characteristics.
架橋重合体及びその塩の使用量が上記範囲内であれば、分散安定性に優れた組成物が得られるとともに、集電体への密着性が極めて高い合剤層を得ることができ、結果として電池の耐久性が向上する。さらに、上記架橋重合体及びその塩は、活物質に対して少量(例えば5質量%以下)でも十分高い結着性を示し、かつ、カルボキシアニオンを有することから、界面抵抗が小さく、ハイレート特性に優れた電極が得られる。If the amount of the crosslinked polymer and its salt used is within the above range, a composition with excellent dispersion stability can be obtained, and a mixture layer with extremely high adhesion to the current collector can be obtained, resulting in improved battery durability. Furthermore, the crosslinked polymer and its salt exhibit sufficiently high binding properties even in small amounts (e.g., 5% by mass or less) relative to the active material, and since they have carboxy anions, an electrode with low interfacial resistance and excellent high-rate characteristics can be obtained.
上記活物質の内、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。 Among the above active materials, lithium salts of transition metal oxides can be used as the positive electrode active material, and for example, layered rock salt type and spinel type lithium-containing metal oxides can be used. Specific compounds of the layered rock salt type positive electrode active material include lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, and ternary NCM {Li (Ni x , Co y , Mn z ), x + y + z = 1} and NCA {Li (Ni 1-a-b Co a Al b )}. In addition, lithium manganate can be used as a spinel type positive electrode active material. In addition to oxides, phosphates, silicates, sulfur, and the like are used, and examples of phosphates include olivine type lithium iron phosphate. As the positive electrode active material, one of the above may be used alone, or two or more may be combined to be used as a mixture or composite.
尚、層状岩塩型のリチウム含有金属酸化物を含む正極活物質を水に分散させた場合、活物質表面のリチウムイオンと水中の水素イオンとが交換されることにより、分散液がアルカリ性を示す。このため、一般的な正極用集電体材料であるアルミ箔(Al)等が腐食される虞がある。このような場合には、バインダーとして未中和又は部分中和された架橋重合体を用いることにより、活物質から溶出するアルカリ分を中和することが好ましい。また、未中和又は部分中和された架橋重合体の使用量は、架橋重合体の中和されていないカルボキシル基量が活物質から溶出するアルカリ量に対して当量以上となるように用いることが好ましい。In addition, when a positive electrode active material containing a layered rock salt type lithium-containing metal oxide is dispersed in water, the lithium ions on the active material surface are exchanged with hydrogen ions in the water, causing the dispersion to become alkaline. For this reason, there is a risk that aluminum foil (Al), which is a common positive electrode current collector material, may be corroded. In such a case, it is preferable to neutralize the alkali content eluted from the active material by using an unneutralized or partially neutralized crosslinked polymer as a binder. In addition, it is preferable to use an amount of the unneutralized or partially neutralized crosslinked polymer such that the amount of unneutralized carboxyl groups in the crosslinked polymer is equivalent to or greater than the amount of alkali eluted from the active material.
正極活物質はいずれも電気伝導性が低いため、導電助剤を添加して使用されるのが一般的である。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、これらの内、優れた導電性を得やすい点からカーボンブラック、カーボンナノチューブ及びカーボンファイバー、が好ましい。また、カーボンブラックとしては、ケッチェンブラック及びアセチレンブラックが好ましい。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。導電助剤の使用量は、導電性とエネルギー密度を両立するという観点から活物質の全量100質量部に対して、例えば、0.2~20質量部とすることができ、また例えば、0.2~10質量部とすることができる。また正極活物質は導電性を有する炭素系材料で表面コーティングしたものを使用してもよい。 Since all positive electrode active materials have low electrical conductivity, they are generally used with the addition of a conductive assistant. Examples of conductive assistants include carbon-based materials such as carbon black, carbon nanotubes, carbon fiber, graphite powder, and carbon fiber. Of these, carbon black, carbon nanotubes, and carbon fiber are preferred because they are easy to obtain excellent electrical conductivity. As carbon black, ketjen black and acetylene black are preferred. The conductive assistant may be one of the above alone or two or more may be used in combination. The amount of the conductive assistant used may be, for example, 0.2 to 20 parts by mass, or, for example, 0.2 to 10 parts by mass, per 100 parts by mass of the total amount of the active material, from the viewpoint of achieving both electrical conductivity and energy density. The positive electrode active material may be surface-coated with a carbon-based material having electrical conductivity.
一方、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、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、ケイ素やスズなど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。その中でも、ケイ素は黒鉛に比べて高容量であり、ケイ素、ケイ素合金及び一酸化ケイ素(SiO)等のケイ素酸化物のようなケイ素系材料からなる活物質(以下、「ケイ素系活物質」ともいう)を用いることができる。しかし、上記ケイ素系活物質は高容量である反面充放電に伴う体積変化が大きい。このため、上記炭素系活物質と併用するのが好ましい。この場合、ケイ素活物質の使用量は、炭素系活物質及びケイ素系活物質の総量に対し、好ましくは2~80質量%である。ケイ素系活物質の使用量は、5~70質量%であってもよく、8~60質量%であってもよく、10~50質量%であってもよい。On the other hand, examples of the negative electrode active material include carbon-based materials, lithium metal, lithium alloys, and metal oxides, and 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 its particle size is, for example, 1 to 20 μm, and also, for example, 5 to 15 μm. In addition, in order to increase the energy density, metals or metal oxides capable of occluding lithium, such as silicon and tin, can also be used as the negative electrode active material. Among them, silicon has a higher capacity than graphite, and active materials made of silicon-based materials such as silicon, silicon alloys, and silicon oxides such as silicon monoxide (SiO) (hereinafter also referred to as "silicon-based active materials") can be used. However, while the silicon-based active material has a high capacity, it undergoes a large volume change during charging and discharging. For this reason, it is preferable to use the silicon-based active material in combination with the carbon-based active material. In this case, the amount of the silicon-based active material used is preferably 2 to 80% by mass based on the total amount of the carbon-based active material and the silicon-based active material. The amount of the silicon-based active material used may be 5 to 70% by mass, 8 to 60% by mass, or 10 to 50% by mass.
本発明の架橋重合体を含むバインダーは、当該架橋重合体がエチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する構造単位((a)成分)を有する。ここで、(a)成分はケイ素系活物質に対する親和性が高く、良好な結着性を示す。このため、本発明のバインダーはケイ素系活物質を含む高容量タイプの活物質を用いた場合にも優れた結着性を示すことから、得られる電極の耐久性向上に対しても有効であるものと考えられる。The binder containing the crosslinked polymer of the present invention has a structural unit (component (a)) derived from an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer. Here, component (a) has a high affinity for silicon-based active materials and exhibits good binding properties. Therefore, the binder of the present invention exhibits excellent binding properties even when a high-capacity type active material containing a silicon-based active material is used, and is therefore considered to be effective in improving the durability of the resulting electrode.
また、本発明の架橋重合体は、水酸基を有する特定の単量体に由来する構造単位((b)成分)を有する。架橋重合体が(b)成分を有する場合、電極合剤層用組成物のスラリー粘度の上昇を抑制又は低減することができる。かかる効果が得られる理由は明確ではないが、架橋重合体が当該重合体の側鎖に比較的フレキシブルな水酸基を有するため、重合体中のカルボキシル基と相互作用する結果、水中における架橋重合体の膨らみが抑制されたことによるものと推察している。ただし、上記推察は、本発明の範囲を制限するものではない。 The crosslinked polymer of the present invention also has a structural unit (component (b)) derived from a specific monomer having a hydroxyl group. When the crosslinked polymer has component (b), it is possible to suppress or reduce the increase in the slurry viscosity of the electrode mixture layer composition. The reason why such an effect is obtained is not clear, but it is speculated that the crosslinked polymer has a relatively flexible hydroxyl group on the side chain of the polymer, which interacts with the carboxyl group in the polymer, thereby suppressing the swelling of the crosslinked polymer in water. However, the above speculation does not limit the scope of the present invention.
炭素系活物質は、それ自身が良好な電気伝導性を有するため、必ずしも導電助剤を添加する必要はない。抵抗をより低減する等の目的で導電助剤を添加する場合、エネルギー密度の観点からその使用量は活物質の総量に対して、例えば、10質量%以下であり、また例えば、5重量%以下である。Since carbon-based active materials themselves have good electrical conductivity, it is not necessary to add a conductive additive. If a conductive additive is added for the purpose of further reducing resistance, etc., the amount used is, from the viewpoint of energy density, for example, 10 mass% or less, or, for example, 5 weight% or less, relative to the total amount of active material.
二次電池電極合剤層用組成物がスラリー状態の場合、活物質の使用量は、組成物全量に対して、例えば、10~75質量%の範囲である。活物質の使用量が10質量%以上であればバインダー等のマイグレーションが抑えられる。また、媒体の乾燥コストの面でも有利となることから、活物質の使用量は、好ましくは30質量%以上であり、より好ましくは40質量%以上であり、さらに好ましくは50質量%以上である。一方、75質量%以下であれば組成物の流動性及び塗工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。When the composition for secondary battery electrode mixture layer is in a slurry state, the amount of active material used is, for example, in the range of 10 to 75 mass% with respect to the total amount of the composition. If the amount of active material used is 10 mass% or more, migration of binders and the like is suppressed. In addition, since it is advantageous in terms of the cost of drying the medium, the amount of active material used is preferably 30 mass% or more, more preferably 40 mass% or more, and even more preferably 50 mass% or more. On the other hand, if it is 75 mass% or less, the fluidity and coatability of the composition can be ensured, and a uniform mixture layer can be formed.
二次電池電極合剤層用組成物は、媒体として水を使用する。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、例えば、50質量%以上であり、また例えば、70質量%以上である。The composition for the secondary battery electrode mixture layer uses water as a medium. In addition, for the purpose of adjusting the properties and drying property of the composition, it may be a mixed solvent with lower alcohols such as methanol and ethanol, carbonates such as ethylene carbonate, ketones such as acetone, tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone, and other water-soluble organic solvents. The proportion of water in the mixed medium is, for example, 50% by mass or more, and, for example, 70% by mass or more.
電極合剤層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、および乾燥に必要なエネルギーコスト、生産性の観点から、例えば、25~90質量%の範囲とすることができ、また例えば、35~70質量%とすることができる。When the electrode mixture layer composition is made into a coatable slurry state, the content of the water-containing medium in the entire composition can be in the range of, for example, 25 to 90 mass %, or can be, for example, 35 to 70 mass %, from the viewpoints of the coatability of the slurry, the energy cost required for drying, and productivity.
本発明のバインダーは、上記架橋重合体又はその塩のみからなるものであってもよいが、これ以外にもスチレン/ブタジエン系ラテックス(SBR)、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他のバインダー成分を併用してもよい。他のバインダー成分を併用する場合、その使用量は、活物質に対して、例えば、0.1~5質量%以下とすることができ、また例えば、0.1~2質量%以下とすることができ、また例えば、0.1~1質量%以下とすることができる。他のバインダー成分の使用量が5質量%を超えると抵抗が増大し、ハイレート特性が不十分なものとなる場合がある。上記の中でも、結着性及び耐屈曲性のバランスに優れる点で、スチレン/ブタジエン系ラテックスが好ましい。The binder of the present invention may consist only of the crosslinked polymer or its salt, but may also be used in combination with other binder components such as styrene/butadiene latex (SBR), acrylic latex, and polyvinylidene fluoride latex. When other binder components are used in combination, the amount of the binder components used may be, for example, 0.1 to 5% by mass or less, or, for example, 0.1 to 2% by mass or less, or, for example, 0.1 to 1% by mass or less, relative to the active material. If the amount of the other binder components used exceeds 5% by mass, the resistance increases and the high-rate characteristics may become insufficient. Among the above, styrene/butadiene latex is preferred because of its excellent balance of binding properties and flex resistance.
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1,3-ブタジエン等の脂肪族共役ジエン系単量体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。上記芳香族ビニル単量体としては、スチレンの他に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、主に結着性の観点から、例えば、20~60質量%の範囲とすることができ、また例えば、30~50質量%の範囲とすることができる。The styrene/butadiene latex refers to an aqueous dispersion of a copolymer having structural units derived from an aromatic vinyl monomer such as styrene and structural units derived from an aliphatic conjugated diene monomer such as 1,3-butadiene. In addition to styrene, examples of the aromatic vinyl monomer include α-methylstyrene, vinyltoluene, and divinylbenzene, and one or more of these can be used. The structural units derived from the aromatic vinyl monomer in the copolymer can be, for example, in the range of 20 to 60% by mass, or, for example, in the range of 30 to 50% by mass, mainly from the viewpoint of binding properties.
上記脂肪族共役ジエン系単量体としては、1,3-ブタジエンの他に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点で、例えば、30~70質量%の範囲とすることができ、また例えば、40~60質量%の範囲とすることができる。 In addition to 1,3-butadiene, examples of the aliphatic conjugated diene monomer include 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. The structural units derived from the aliphatic conjugated diene monomer in the copolymer can be in the range of, for example, 30 to 70% by mass, or, for example, 40 to 60% by mass, in order to improve the binding properties of the binder and the flexibility of the resulting 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ル基含有単量体を共重合単量体として用いてもよい。
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%の範囲とすることができ、また例えば、0~20質量%の範囲とすることができる。
In addition to the above-mentioned monomers, the styrene/butadiene-based latex may use other monomers as copolymerization monomers, such as nitrile group-containing monomers such as (meth)acrylonitrile, and carboxyl group-containing monomers such as (meth)acrylic acid, itanconic acid, and maleic acid, in order to further improve performance such as binding property.
The content of the structural units derived from the other monomers in the copolymer can be, for example, in the range of 0 to 30% by mass, and can be, for example, in the range of 0 to 20% by mass.
本発明の二次電池電極合剤層用組成物は、上記の活物質、水及びバインダーを必須の構成成分とするものであり、公知の手段を用いて各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、活物質、導電助剤及びバインダーである架橋重合体粒子等の粉末成分をドライブレンドした後、水等の分散媒と混合し、分散混練する方法が好ましい。電極合剤層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、例えば、500~100,000mPa・sの範囲とすることができる。スラリーの塗工性の観点から、粘度の上限は、好ましくは20,000mPa・s以下であり、より好ましくは10,000mPa・s以下であり、さらに好ましくは6,000mPa・s以下であり、一層好ましくは5,000mPa・s以下であり、より一層好ましくは4,000mPa・s以下であり、なお一層好ましくは3,000mPa・s以下である。尚、スラリー粘度は、液温25℃の条件下、実施例に記載の方法により測定することができる。The composition for the secondary battery electrode mixture layer of the present invention is essentially composed of the active material, water, and binder, and is obtained by mixing the components using known means. The method for mixing the components is not particularly limited, and known methods can be used, but a method in which the powder components such as the active material, the conductive assistant, and the crosslinked polymer particles serving as the binder are dry-blended, and then mixed with a dispersion medium such as water and kneaded for dispersion is preferred. When the composition for the electrode mixture layer is obtained in a slurry state, it is preferable to finish the slurry without poor dispersion or aggregation. As a mixing means, known mixers such as a planetary mixer, a thin film swirling mixer, and a self-revolving mixer can be used, but it is preferable to use a thin film swirling mixer in order to obtain a good dispersion state in a short time. In addition, when a thin film swirling mixer is used, it is preferable to perform preliminary dispersion in advance using a stirrer such as a disperser. In addition, the viscosity of the above slurry can be, for example, in the range of 500 to 100,000 mPa·s. From the viewpoint of the coatability of the slurry, the upper limit of the viscosity is preferably 20,000 mPa·s or less, more preferably 10,000 mPa·s or less, even more preferably 6,000 mPa·s or less, still more preferably 5,000 mPa·s or less, even more preferably 4,000 mPa·s or less, and still more preferably 3,000 mPa·s or less. The slurry viscosity can be measured at a liquid temperature of 25° C. by the method described in the Examples.
一方、電極合剤層用組成物を湿粉状態で得る場合、ヘンシェルミキサー、ブレンダ―、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。On the other hand, when the composition for the electrode mixture layer is obtained in a wet powder state, it is preferable to knead it to a uniform state without unevenness in concentration using a Henschel mixer, blender, planetary mixer, twin-screw kneader, etc.
<二次電池用電極>
本発明の二次電池用電極は、銅又はアルミニウム等の集電体表面に上記電極合剤層用組成物から形成される合剤層を備えてなるものである。合剤層は、集電体の表面に本発明の電極合剤層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される。電極合剤層用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など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。 <Electrode for secondary batteries>
The secondary battery electrode of the present invention comprises a mixture layer formed from the electrode mixture layer composition on the surface of a current collector such as copper or aluminum. The mixture layer is formed by applying the electrode mixture layer composition 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 electrode mixture layer composition is not particularly limited, and known methods such as doctor blade method, dip method, roll coating method, comma coating method, curtain coating method, gravure coating method and 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. By compressing, the active material and the binder are brought into close contact with each other, and the strength of the mixture layer and its adhesion to the current collector can be improved. By compressing, the thickness of the mixture layer can be adjusted 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.
本発明の二次電池用電極にセパレータ及び電解液を備えることにより、二次電池を作製することができる。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 secondary battery can be produced by providing the secondary battery electrode of the present invention with a separator and an electrolyte. 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.
以上説明したように、本明細書に開示される二次電池電極用バインダーは、合剤層において電極材料との優れた結着性と集電体との優れた接着性とを示すこのため、上記バインダーを使用して得られた電極を備えた二次電池は、良好な一体性を確保でき、充放電を繰り返しても良好な耐久性(サイクル特性)を示すと予想され、車載用二次電池等に好適である。As described above, the binder for secondary battery electrodes disclosed in this specification exhibits excellent binding properties with the electrode material and excellent adhesion with the current collector in the mixture layer. Therefore, secondary batteries equipped with electrodes obtained using the above binder are expected to ensure good integrity and exhibit good durability (cycle characteristics) even after repeated charging and discharging, making them suitable for use as in-vehicle secondary batteries, etc.
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。
以下の例において、架橋重合体(塩)についての評価は、以下の方法により実施した。
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.
In the following examples, the crosslinked polymer (salt) was evaluated by the following methods.
(1)水媒体中での粒子径(水膨潤粒子径)の測定
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、あわとり錬太郎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成した。
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)、及び、(体積基準平均粒子径)/(個数基準平均粒子径)で表される粒子径分布を得た。
(1) Measurement of particle size in aqueous medium (water-swollen particle size) 0.25 g of the crosslinked polymer salt powder and 49.75 g of ion-exchanged water were weighed into a 100 cc container and placed in a rotation/revolution type mixer (Thinky Corporation, Awatori Rentaro AR-250). Next, the mixture was stirred (rotation speed 2000 rpm/revolution speed 800 rpm, 7 minutes) and further degassed (rotation speed 2200 rpm/revolution speed 60 rpm, 1 minute) 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 in the hydrogel and an amount of hydrogel was added to obtain an appropriate scattered light intensity, the particle size distribution shape measured after a few minutes became stable. As soon as stability was confirmed, the particle size distribution was measured to obtain the volume-based median diameter (D50) as a representative value of the particle size, and the particle size distribution expressed as (volume-based average particle size)/(number-based average particle size).
(2)pH8における水膨潤度
pH8における水膨潤度は、以下の方法によって測定した。測定装置を図1に示す。
測定装置は図1における<1>~<3>から構成される。
<1> 空気抜きするための枝管が付いたビュレット1、ピンチコック2、シリコンチューブ3およびポリテトラフルオロエチレンチューブ4から成る。
<2> ロート5の上に底面に多数の穴が空いた支柱円筒8、さらにその上に装置用濾紙10が設置されている。
<3> 架橋重合体又はその塩の試料6(測定試料)は2枚の試料固定用濾紙7に挟まれ、試料固定用濾紙は粘着テープ9によって固定される。なお、使用する濾紙は全てADVANTEC No.2、内径55mmである。
<1>と<2>とはシリコンチューブ3によって繋がれる。
また、ロート5および支柱円筒8は、ビュレット1に対する高さが固定されており、ビュレット枝管の内部に設置されたポリテトラフルオロエチレンチューブ4の下端と支柱円筒8の底面とが同じ高さになる様に設定されている(図1中の点線)。
(2) Water Swelling Degree at
The measurement device is composed of <1> to <3> in FIG.
<1> Consists of a burette 1 with a branch pipe for venting air, a
<2> A
<3> A sample 6 (measurement sample) of a crosslinked polymer or a salt thereof is sandwiched between two sheets of sample fixing filter paper 7, and the sample fixing filter paper is fixed with adhesive tape 9. All the filters used are ADVANTEC No. 2, with an inner diameter of 55 mm.
<1> and <2> are connected by a
The funnel 5 and the
測定方法について以下に説明する。
<1>にあるピンチコック2を外し、ビュレット1の上部からシリコンチューブ3を通してイオン交換水を入れ、ビュレット1から装置用濾紙10までイオン交換水12で満たされた状態とする。次いで、ピンチコック2を閉じ、ビュレット枝管にゴム栓で接続されたポリテトラフルオロエチレンチューブ4から空気を除去する。こうして、ビュレット1から装置用濾紙10までイオン交換水12が連続的に供給される状態とする。
次に、装置用濾紙10からにじみ出た余分なイオン交換水12を除去した後、ビュレット1の目盛りの読み(a)を記録する。
測定試料の乾燥粉末0.1~0.2gを秤量し、<3>にある様に、試料固定用濾紙7の中央部に均一に置く。もう1枚の濾紙でサンプルを挟み、粘着テープ9で2枚の濾紙を留め、サンプルを固定する。サンプルが固定された濾紙を<2>に示される装置用濾紙10上に載置する。
次に、装置用濾紙10上に蓋11を載置した時点から、30分間経過した後のビュレット1の目盛りの読み(b)を記録する。
測定試料の吸水量と2枚の試料固定用濾紙7の吸水量の合計(c)は(a-b)で求められる。同様の操作により、架橋重合体又はその塩の試料を含まない、2枚の濾紙7のみの吸水量を測定する(d)。
上記操作を行い、水膨潤度を以下の式より計算した。なお、計算に使用する固形分は、後述する方法により測定した値を使用した。
水膨潤度={測定試料の乾燥重量(g)+(c-d)}/{測定試料の乾燥重量(g)}
ただし、測定試料の乾燥重量(g)=測定試料の重量(g)×(固形分%÷100)
The measurement method is described below.
The
Next, after removing the excess ion-exchanged
Weigh out 0.1 to 0.2 g of the dry powder of the measurement sample and place it evenly in the center of the sample fixing filter paper 7 as shown in <3>. Sandwich the sample with another filter paper and secure the two filter papers with adhesive tape 9 to fix the sample. Place the filter paper with the sample fixed on the instrument filter paper 10 shown in <2>.
Next, the reading (b) of the scale of the burette 1 is recorded 30 minutes after the
The total (c) of the water absorption of the measurement sample and the two sheets of sample fixing filter paper 7 is calculated by (a-b). By the same procedure, the water absorption of only the two sheets of filter paper 7 that do not contain the sample of the crosslinked polymer or its salt is measured (d).
After carrying out the above operations, the water swelling degree was calculated from the following formula: The solid content used in the calculation was a value measured by the method described below.
Water swelling degree={dry weight of measurement sample (g)+(c−d)}/{dry weight of measurement sample (g)}
Here, dry weight of measurement sample (g) = weight of measurement sample (g) × (solid content % ÷ 100)
ここで、固形分の測定方法について以下に記載する。
試料約0.5gを、予め重さを測定しておいた秤量瓶[秤量瓶の重さ=B(g)]に採取して、秤量瓶ごと正確に秤量した後[W0(g)]、その試料を秤量瓶ごと無風乾燥機内に収容して155℃で45分間乾燥してその時の重さを秤量瓶ごと測定し[W1(g)]、以下の式により固形分%を求めた。
固形分(%)=(W1-B)/(W0-B)×100
The method for measuring the solid content will be described below.
Approximately 0.5 g of a sample was placed in a weighing bottle whose weight had been measured in advance [weight of weighing bottle = B (g)] and the weighing bottle was accurately weighed [W 0 (g)]. The sample together with the weighing bottle was then placed in a windless dryer and dried at 155°C for 45 minutes, at which point the weight of the weighing bottle was measured [W 1 (g)] and the solids content % was calculated using the following formula.
Solid content (%) = (W 1 -B)/(W 0 -B) x 100
(3)3質量%濃度水溶液の粘度測定
架橋重合体塩の粉末3.0部、及びイオン交換水97部を容器に秤量し、自転/公転式撹拌機(シンキー社製、あわとり錬太郎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)処理を未膨潤粉末状部がなくなるまで繰り返し、架橋重合体塩が水に膨潤した状態のハイドロゲル微粒子分散液を調製した。得られた各ハイドロゲル微粒子分散液を25℃±1℃に調整した後、B型粘度計(東機産業社製、TVB-10)を用いて、ローター速度12rpmにおける粘度を測定した。
(3) Viscosity measurement of 3% by mass aqueous solution 3.0 parts of the crosslinked polymer salt powder and 97 parts of ion-exchanged water were weighed into a container and set in a rotation/revolution type mixer (Thinky Corporation, Awatori Rentaro AR-250). Then, stirring (rotation speed 2000 rpm/revolution speed 800 rpm, 7 minutes) and degassing (rotation speed 2200 rpm/revolution speed 60 rpm, 1 minute) were repeated until no unswollen powdery parts remained, to prepare a hydrogel microparticle dispersion in which the crosslinked polymer salt was swollen in water. After adjusting each of the obtained hydrogel microparticle dispersions to 25°C ± 1°C, the viscosity was measured at a rotor speed of 12 rpm using a B-type viscometer (Toki Sangyo Co., Ltd., TVB-10).
≪架橋重合体塩の製造≫
(製造例1:架橋重合体塩R-1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、イオン交換水2.20部、アクリル酸(以下、「AA」という)80部、アクリル酸2-ヒドロキシエチル(以下、「HEA」という)20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」)2.0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。単量体濃度は15.0%と算出された。外温(水バス温度)を調整して内温を55℃に維持しながら重合反応を継続し、重合開始点から6時間経過した時点で内温を65℃まで昇温した。内温を65℃で維持し、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41.9部を添加した。添加後室温下12時間撹拌を継続して、架橋重合体塩R-1(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。
<Production of Crosslinked Polymer Salt>
(Production Example 1: Production of Crosslinked Polymer Salt R-1)
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, 2.20 parts of ion-exchanged water, 80 parts of acrylic acid (hereinafter referred to as "AA"), 20 parts of 2-hydroxyethyl acrylate (hereinafter referred to as "HEA"), 2.0 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 as the polymerization initiation point. The monomer concentration was calculated to be 15.0%. The polymerization reaction was continued while maintaining the internal temperature at 55° C. by adjusting the external temperature (water bath temperature), and the internal temperature was raised to 65° C. 6 hours after the polymerization initiation point. The internal temperature was maintained at 65° C., and cooling of the reaction solution was started 12 hours after the polymerization initiation point. After the internal temperature had dropped to 25° C., 41.9 parts of lithium hydroxide monohydrate (hereinafter referred to as "LiOH.H 2 O") powder was added. After the addition, stirring was continued at room temperature for 12 hours to obtain a slurry-like polymerization reaction solution in which particles of the crosslinked polymer salt R-1 (Li salt, neutralization degree 90 mol%) were dispersed in the medium.
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、架橋重合体塩R-1の粉末を得た。架橋重合体塩R-1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、架橋重合体塩R-1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。
上記で得られた架橋重合体塩R-1について水媒体中での粒子径(水膨潤粒子径)を測定したところ、0.88μmであり、粒子径分布は1.8と算出された。また、水膨潤度は4.1であり、3質量%濃度水溶液の粘度は15mPa・s未満であった。
The obtained polymerization reaction solution was centrifuged to settle the polymer particles, and the supernatant was removed. Thereafter, the precipitate was redispersed in acetonitrile of the same weight as the polymerization reaction solution, and the polymer particles were precipitated by centrifugation to remove the supernatant. This washing operation 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 crosslinked polymer salt R-1. Since the crosslinked polymer salt R-1 is hygroscopic, it was sealed and stored in a container with water vapor barrier properties. The powder of crosslinked polymer salt R-1 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.
The particle size (water-swollen particle size) of the crosslinked polymer salt R-1 obtained above in an aqueous medium was measured to be 0.88 μm, and the particle size distribution was calculated to be 1.8. The water swelling degree was 4.1, and the viscosity of a 3% by mass aqueous solution was less than 15 mPa·s.
(製造例2~18及び比較製造例1:架橋重合体塩R-2~R-19の製造)
各原料の仕込み量を表1~表3に記載の通りとした以外は製造例1と同様の操作を行い、架橋重合体塩R-2~R-19を含む重合反応液を得た。
次いで、各重合反応液について製造例1と同様の操作を行い、粉末状の架橋重合体塩R-2~R-19を得た。各架橋重合体塩は、水蒸気バリア性を有する容器に密封保管した。
得られた各重合体塩について、製造例1と同様に物性値を測定し、結果を表1~表3に示した。
(Production Examples 2 to 18 and Comparative Production Example 1: Production of Crosslinked Polymer Salts R-2 to R-19)
The same procedure as in Production Example 1 was carried out except that the amounts of the respective raw materials were changed as shown in Tables 1 to 3, thereby obtaining polymerization reaction solutions containing crosslinked polymer salts R-2 to R-19.
Next, each polymerization reaction solution was subjected to the same operation as in Production Example 1 to obtain powdery crosslinked polymer salts R-2 to R-19. Each crosslinked polymer salt was stored in a sealed container having water vapor barrier properties.
For each of the resulting polymer salts, the physical properties were measured in the same manner as in Production Example 1, and the results are shown in Tables 1 to 3.
(比較製造例2:架橋重合体塩R-20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。
反応器内にメタノール300部、AA80部、HEA20部、ネオアリルT-20を0.75部、及びメタクリル酸アリル(三菱ガス化学社製、以下「AMA」という)0.20部を仕込んだ。次いで、撹拌下、初期中和用のLiOH・H2O粉末25.6部、及びイオン交換水1.40部を内温が40℃以下に維持されるようゆっくりと添加した。
反応器内を十分に窒素置換した後、加温して内温を68℃まで昇温した。内温が68℃で安定したことを確認した後、重合開始剤として4,4’-アゾビスシアノ吉草酸(大塚化学社製、商品名「ACVA」)0.020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。溶媒が穏やかに還流するように外温(水バス温度)を調整しながら重合反応を継続し、重合開始点から3時間経過した時点でACVA0.020部、重合開始点から6時間経過した時点でACVA0.035部を追加で添加するとともに、引き続き溶媒の還流を維持した。重合開始点から9時間を経過したところで反応液の冷却を開始し、内温が30℃まで低下した後、LiOH・H2O粉末16.3部を内温が50℃を超えないようにゆっくりと添加した。LiOH・H2O粉末の添加後、3時間撹拌を継続して架橋重合体塩R-20(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。
(Comparative Production Example 2: Production of Crosslinked Polymer Salt R-20)
For the polymerization, a reactor equipped with a stirring blade, a thermometer, a reflux condenser and a nitrogen inlet tube was used.
A reactor was charged with 300 parts of methanol, 80 parts of AA, 20 parts of HEA, 0.75 parts of Neoallyl T-20, and 0.20 parts of allyl methacrylate (manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Company, hereinafter referred to as "AMA"). Next, with stirring, 25.6 parts of LiOH.H 2 O powder for initial neutralization and 1.40 parts of ion-exchanged water were slowly added so that the internal temperature was maintained at 40°C or less.
After the inside of the reactor was sufficiently replaced with nitrogen, the inside temperature was raised to 68°C by heating. After confirming that the inside temperature was stable at 68°C, 0.020 parts of 4,4'-azobiscyanovaleric acid (manufactured by Otsuka Chemical Co., Ltd., trade name "ACVA") was added as a polymerization initiator, and the reaction solution became cloudy, so this point was designated as the polymerization initiation point. The polymerization reaction was continued while adjusting the external temperature (water bath temperature) so that the solvent was gently refluxed, and 0.020 parts of ACVA were additionally added at the
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メタノー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、架橋重合体塩R-20の粉末を得た。架橋重合体塩R-20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、架橋重合体塩R-20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。
得られた架橋重合体塩R-20について、製造例1と同様に物性値を測定し、結果を表3に示した。
The obtained polymerization reaction solution was centrifuged to settle the polymer particles, and the supernatant was removed. The sediment was then redispersed in methanol of the same weight as the polymerization reaction solution, and the operation of settling the polymer particles by centrifugation and removing the supernatant was repeated twice. The sediment was collected and dried at 80°C for 3 hours under reduced pressure conditions to remove the volatile matter, thereby obtaining a powder of crosslinked polymer salt R-20. Since crosslinked polymer salt R-20 is hygroscopic, it was sealed and stored in a container with water vapor barrier properties. The powder of crosslinked polymer salt R-20 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%, which was equal to the calculated value from the charge.
The physical properties of the resulting crosslinked polymer salt R-20 were measured in the same manner as in Production Example 1, and the results are shown in Table 3.
表1~表3において用いた化合物の詳細を以下に示す。
AA:アクリル酸
HEA:アクリル酸2-ヒドロキシエチル
4HBA:アクリル酸4-ヒドロキシブチル
HEAAm:ヒドロキシエチルアクリルアミド
MEA:アクリル酸2-メトキシエチル
AN:アクリロニトリル
T-20: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」)
AMA:メタクリル酸アリル
TEA:トリエチルアミン
AcN:アセトニトリル
MeOH:メタノール
V-65:2,2’-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)
ACVA:4,4’-アゾビスシアノ吉草酸(大塚化学社製、商品名「ACVA」)
LiOH・H2O:水酸化リチウム・一水和物
NaOH・H2O:水酸化ナトリウム・一水和物
K2CO3:炭酸カリウム
Details of the compounds used in Tables 1 to 3 are shown below.
AA: Acrylic acid HEA: 2-hydroxyethyl acrylate 4HBA: 4-hydroxybutyl acrylate HEAAm: Hydroxyethylacrylamide MEA: 2-methoxyethyl acrylate AN: Acrylonitrile T-20: Trimethylolpropane diallyl ether (manufactured by Daiso Co., Ltd., product name "Neoallyl T-20")
AMA: allyl methacrylate TEA: triethylamine AcN: acetonitrile MeOH: methanol V-65: 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
ACVA: 4,4'-azobiscyanovaleric acid (manufactured by Otsuka Chemical Co., Ltd., trade name "ACVA")
LiOH.H 2 O: Lithium hydroxide monohydrate NaOH.H 2 O: Sodium hydroxide monohydrate K 2 CO 3 : Potassium carbonate
≪実施例≫
活物質として、負極用活物質である黒鉛、又は、黒鉛及びケイ素粒子を用い、各架橋重合体塩をバインダーとして用いた電極合剤層用組成物について、そのスラリー粘度及び形成された合剤層/集電体間の剥離強度(すなわちバインダーの結着性)を測定した。黒鉛としては天然黒鉛(日本黒鉛社製、商品名「CGB-10」)、ケイ素粒子としてはSiナノパウダー(Sigma-Aldrich社製、粒子径<100nm)を使用した。
Example
The electrode mixture layer compositions using graphite or graphite and silicon particles as the negative electrode active material as the active material and each crosslinked polymer salt as the binder were used to measure the slurry viscosity and the peel strength between the mixture layer and the current collector (i.e., the binding property of the binder). Natural graphite (manufactured by Nippon Graphite Co., Ltd., product name "CGB-10") was used as the graphite, and Si nanopowder (manufactured by Sigma-Aldrich, particle size <100 nm) was used as the silicon particles.
実施例1
天然黒鉛100部に粉末状の架橋重合体Li塩R-1を2.4部秤量し、予めよく混合した後、イオン交換水90部を加えてディスパーで予備分散を行った後、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、スラリー状の電極合剤層用組成物(電極スラリー)を得た。電極スラリー中の活物質濃度は52.0%、また、電極スラリーの固形分濃度は53.2%と算出された。 Example 1
2.4 parts of powdered crosslinked polymer Li salt R-1 was weighed into 100 parts of natural graphite and mixed thoroughly in advance, and then 90 parts of ion-exchanged water was added and pre-dispersed with a disperser. After that, main dispersion was performed for 15 seconds at a peripheral speed of 20 m/sec using a thin film rotary mixer (FM-56-30, manufactured by Primix Corporation), to obtain a slurry-like electrode mixture layer composition (electrode slurry). The active material concentration in the electrode slurry was calculated to be 52.0%, and the solid content concentration of the electrode slurry was calculated to be 53.2%.
<電極スラリーの粘度測定>
上記で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、25℃におけるせん断速度60s-1のスラリー粘度を測定したところ、1,500mPa・sであった。
<Measurement of Viscosity of Electrode Slurry>
The electrode slurry obtained above was subjected to measurement of the slurry viscosity at 25° C. and a shear rate of 60 s using a CP25-5 cone plate (diameter 25 mm, cone angle 5°) using an Anton Paar rheometer (Physica MCR301), and the viscosity was 1,500 mPa·s.
次いで、可変式アプリケーターを用いて、厚さ20μmの銅箔(日本製箔社製)上に上記電極スラリーを塗布し、通風乾燥機内で100℃×15分間の乾燥を行うことにより合剤層を形成した。その後、合剤層の厚みが50±5μm、充填密度が1.70±0.20g/cm3になるよう圧延し、負極電極を得た。 Next, the electrode slurry was applied onto a 20 μm-thick copper foil (manufactured by Nippon Foil Co., Ltd.) using a variable applicator, and dried in a ventilated dryer at 100° C. for 15 minutes to form a mixture layer. The mixture layer was then rolled to a thickness of 50±5 μm and a packing density of 1.70±0.20 g/cm 3 to obtain a negative electrode.
<90°剥離強度(結着性)>
上記で得られた負極電極を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当該負極電極の合剤層面を貼付け、剥離試験用試料を作成した。試験用試料を60℃、1晩減圧条件下で乾燥させた後、引張速度50mm/分における90°剥離(測定温度23℃)を行い、合剤層と銅箔間の剥離強度を測定した。剥離強度は11.4N/mと高く、良好であった。
<90° peel strength (bonding strength)>
The negative electrode obtained above was cut into a strip of 25 mm width, and the composite layer surface of the negative electrode 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 90° peeling (measurement temperature 23°C) was performed at a tensile speed of 50 mm/min to measure the peel strength between the composite layer and the copper foil. The peel strength was high and good at 11.4 N/m.
実施例2~20、及び比較例1~3
活物質、バインダーとして使用する架橋重合体塩及びイオン交換水を表4~表6の通り用いた以外は実施例1と同様の操作を行うことにより、電極スラリーを調製した。なお、実施例3及び4では、天然黒鉛及びケイ素粒子を、遊星ボールミル(FRITSCH社製、P-5)を用いて400rpmで1時間撹拌し、得られた混合物に粉末状の架橋重合体Li塩R-2を2.4部秤量し、予めよく混合した後、実施例1と同様の操作を行うことにより、電極スラリーを調製した。各電極スラリーについて塗工性及び90°剥離強度を評価した。結果を表4~表6に示す。 Examples 2 to 20 and Comparative Examples 1 to 3
The electrode slurries were prepared by carrying out the same operation as in Example 1, except that the active material, the crosslinked polymer salt used as the binder, and ion-exchanged water were used as shown in Tables 4 to 6. In Examples 3 and 4, natural graphite and silicon particles were stirred at 400 rpm for 1 hour using a planetary ball mill (P-5, manufactured by FRITSCH), and 2.4 parts of powdered crosslinked polymer Li salt R-2 were weighed into the resulting mixture, which was then thoroughly mixed in advance, and the electrode slurries were prepared by carrying out the same operation as in Example 1. The coating properties and 90° peel strength of each electrode slurry were evaluated. The results are shown in Tables 4 to 6.
各実施例は、本発明に属する二次電池電極用バインダーを含む電極合剤層用組成物及びこれを用いて電極を作製したものである。各電極合剤層用組成物(電極スラリー)は、活物質濃度が50質量%を超えるような高濃度条件であっても十分低い値であり、良好な塗工性を確保することができた。また、乾燥時に除去される媒体(水)の量を低減することができるため、生産性の向上に寄与し得るものであった。さらに、得られた電極の合剤層と集電体との剥離強度はいずれも高い値が得られており、優れた結着性を示すものであった。
水酸基を有する特定の単量体に由来する第二の構造単位に着目すると、アクリルアミド誘導体に由来する構造単位を有する架橋重合体塩R-14を用いた実施例16のスラリー粘度(5,200mPa・s)に比較して、ヒドロキシアルキル(メタ)アクリレートに由来する構造単位を有する架橋重合体塩R-2又はR-13を用いた場合のスラリー粘度は、各々2,200mPa・s(実施例2)及び2,100mPa・s(実施例15)であり、より高いスラリー粘度低減効果を示した。
Each example is an electrode mixture layer composition containing a secondary battery electrode binder belonging to the present invention, and an electrode prepared using the same. Each electrode mixture layer composition (electrode slurry) had a sufficiently low value even under high concentration conditions such as an active material concentration exceeding 50 mass%, and good coatability could be ensured. In addition, the amount of medium (water) removed during drying can be reduced, which can contribute to improving productivity. Furthermore, the peel strength between the mixture layer and the current collector of the obtained electrode was high in all cases, indicating excellent binding properties.
Focusing on the second structural unit derived from a specific monomer having a hydroxyl group, the slurry viscosity (5,200 mPa·s) of Example 16 using crosslinked polymer salt R-14 having a structural unit derived from an acrylamide derivative was 2,200 mPa·s (Example 2) and 2,100 mPa·s (Example 15), respectively, showing a higher slurry viscosity reduction effect.
一方、水酸基を有する特定の単量体に由来する第二の構造単位を有しない架橋重合体塩R-19では、スラリー粘度は18,600mPa・sと著しく高く(比較例1)、塗工性を考慮して濃度を薄めた場合であっても、結着性が不十分な結果であった(比較例2)。また、本発明で規定する粒子径範囲の上限を超える架橋重合体塩R-20では、スラリー粘度は高く、剥離強度も非常に低いものであった(比較例3)。On the other hand, cross-linked polymer salt R-19, which does not have a second structural unit derived from a specific monomer having a hydroxyl group, had a significantly high slurry viscosity of 18,600 mPa·s (Comparative Example 1), and even when the concentration was diluted in consideration of coating properties, the binding properties were insufficient (Comparative Example 2). Furthermore, cross-linked polymer salt R-20, which exceeds the upper limit of the particle size range specified in the present invention, had a high slurry viscosity and very low peel strength (Comparative Example 3).
本発明の二次電池電極用バインダーは、合剤層において優れた結着性を示すこのため、上記バインダーを使用して得られた電極を備えた二次電池は、良好な耐久性(サイクル特性)を示すと予想され、車載用二次電池への適用が期待される。また、シリコンを含む活物質の使用にも有用であり、電池の高容量化への寄与が期待される。さらに、活物質濃度が高い条件下であっても、電極合剤層用組成物(電極スラリー)の粘度を低減することができる。よって、合剤層形成時の乾燥エネルギー低減、生産性向上の点で有利である。
本発明の二次電池電極用バインダーは、特に非水電解質二次電池電極に好適に用いることができ、中でも、エネルギー密度が高い非水電解質リチウムイオン二次電池に有用である。
The binder for secondary battery electrodes of the present invention exhibits excellent binding properties in the mixture layer. Therefore, a secondary battery equipped with an electrode obtained using the binder is expected to exhibit good durability (cycle characteristics), and is expected to be applied to a secondary battery for vehicle use. It is also useful for the use of active materials containing silicon, and is expected to contribute to increasing the capacity of batteries. Furthermore, even under conditions where the active material concentration is high, the viscosity of the composition for electrode mixture layer (electrode slurry) can be reduced. Therefore, it is advantageous in terms of reducing the drying energy during the formation of the mixture layer and improving productivity.
The binder for secondary battery electrodes of the present invention can be suitably used in particular for electrodes of non-aqueous electrolyte secondary batteries, and is particularly useful for non-aqueous electrolyte lithium ion secondary batteries having high energy density.
Claims (5)
前記架橋重合体又はその塩は、その全構造単位に対し、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する第一の構造単位を50質量%以上99.5質量%以下、及び、ヒドロキシアルキル(メタ)アクリレートに由来する第二の構造単位を0.5質量%以上50質量%以下含み、
かつ、中和度80~100モル%に中和された後、水媒体中で測定した粒子径が、体積基準メジアン径で0.1μm以上10μm以下であり、
pH8における水膨潤度が3.0以上、100以下である、二次電池電極用バインダー。 A binder for a secondary battery electrode containing a crosslinked polymer or a salt thereof,
The crosslinked polymer or salt thereof contains, relative to all structural units thereof, 50% by mass or more and 99.5% by mass or less of a first structural unit derived from an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer, and 0.5% by mass or more and 50% by mass or less of a second structural unit derived from a hydroxyalkyl (meth)acrylate,
and after being neutralized to a degree of neutralization of 80 to 100 mol%, the particle size measured in an aqueous medium is 0.1 μm or more and 10 μm or less in volume-based median size,
A binder for a secondary battery electrode, having a water swelling degree at pH 8 of 3.0 or more and 100 or less .
前記架橋重合体又はその塩は、その全構造単位に対し、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する第一の構造単位を50質量%以上99.5質量%以下、及び、式量が200以下であって、ヒドロキシアルキル(メタ)アクリレートに由来する第二の構造単位を0.5質量%以上50質量%以下含み、
かつ、中和度80~100モル%に中和された後、水媒体中で測定した粒子径が、体積基準メジアン径で0.1μm以上10μm以下であり、
pH8における水膨潤度が3.0以上、100以下である、二次電池電極用バインダー。 A binder for a secondary battery electrode containing a crosslinked polymer or a salt thereof,
The crosslinked polymer or salt thereof contains, relative to all structural units thereof, 50% by mass or more and 99.5% by mass or less of a first structural unit derived from an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer, and 0.5% by mass or more and 50% by mass or less of a second structural unit having a formula weight of 200 or less and derived from a hydroxyalkyl (meth)acrylate;
and after being neutralized to a degree of neutralization of 80 to 100 mol%, the particle size measured in an aqueous medium is 0.1 μm or more and 10 μm or less in terms of volume-based median size;
A binder for a secondary battery electrode, having a water swelling degree at pH 8 of 3.0 or more and 100 or less .
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