JP7683196B2 - Carbon nanotube dispersion, and resin composition, conductive film, composite material slurry, electrode, and non-aqueous electrolyte secondary battery using the same - Google Patents
Carbon nanotube dispersion, and resin composition, conductive film, composite material slurry, electrode, and non-aqueous electrolyte secondary battery using the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP7683196B2 JP7683196B2 JP2020201694A JP2020201694A JP7683196B2 JP 7683196 B2 JP7683196 B2 JP 7683196B2 JP 2020201694 A JP2020201694 A JP 2020201694A JP 2020201694 A JP2020201694 A JP 2020201694A JP 7683196 B2 JP7683196 B2 JP 7683196B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- boron
- carbon nanotube
- mass
- carbon
- carbon nanotubes
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Description
本発明は、ホウ素含有カーボンナノチューブ分散液に関する。さらに詳しくは、前記カーボンナノチューブ分散液と樹脂とを含む樹脂組成物、前記カーボンナノチューブ分散液と樹脂と活物質とを含む合材スラリー、それらを膜状に形成してなる導電膜および電極膜、電極膜と電解質とを具備してなる非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a boron-containing carbon nanotube dispersion. More specifically, the present invention relates to a resin composition containing the carbon nanotube dispersion and a resin, a composite slurry containing the carbon nanotube dispersion, a resin, and an active material, a conductive film and an electrode film formed by forming them into a film shape, and a nonaqueous electrolyte secondary battery comprising an electrode film and an electrolyte.
近年、エレクトロニクスの発達は目覚ましいものがあり、各種電子機器や電池で使用される導電性材料についても製品の小型・軽量化、低コスト化、様々な使用環境下での高寿命化が求められるようになってきている。導電性の炭素材料は、今日までに様々なグラファイトやカーボンナノチューブ等の体積抵抗率の低い導電性材料が検討されてきた。また、カーボンナノチューブでは、カーボンナノチューブとホウ素化合物を最大3000℃の高温加熱処理することで、カーボンナノチューブにホウ素をドーピングしてカーボンナノチューブの導電性を改善させる研究も報告されている(特許文献1)。カーボンナノチューブに対してホウ素を3%以上ドープすることにより、体積抵抗率10-2Ω・cmレベルの導電性が得られている。しかしながら、さらなる導電性材料の導電性の改善は課題である。
一方、導電性材料が各種電子機器や電池で使用される場合は、導電性材料が溶媒などにより分散された分散液を使用することが多いが、分散により導電性低下などの特性低下を招いてしまうことが最も大きな課題であった。そのため、所望の特性が得られる分散液を作製することが非常に重要である。
In recent years, electronics has developed remarkably, and conductive materials used in various electronic devices and batteries are now required to be smaller, lighter, less expensive, and have a longer life under various usage environments. To date, various conductive carbon materials with low volume resistivity, such as graphite and carbon nanotubes, have been considered as conductive carbon materials. In addition, research has been reported on carbon nanotubes, in which carbon nanotubes and boron compounds are subjected to high-temperature heat treatment at up to 3000° C. to dope the carbon nanotubes with boron and improve their conductivity (Patent Document 1). By doping carbon nanotubes with 3% or more of boron, conductivity at a volume resistivity level of 10 −2 Ω·cm has been obtained. However, further improvement of the conductivity of conductive materials is a challenge.
On the other hand, when conductive materials are used in various electronic devices and batteries, a dispersion liquid in which the conductive material is dispersed in a solvent or the like is often used, but the biggest problem is that the dispersion can cause a decrease in properties such as a decrease in conductivity, etc. Therefore, it is very important to prepare a dispersion liquid that can obtain the desired properties.
リチウムイオン二次電池を例に挙げると、リチウムイオン二次電池に用いられる負極材料としては、リチウムに近い卑な電位で単位質量あたりの充放電容量の大きい黒鉛に代表される炭素材料が用いられている。しかしながらこれらの電極材料は質量当たりの充放電容量が理論値に近いところまで使われており、電池としての質量当たりのエネルギー密度は限界に近づいている。従って、電極としての利用率を上げるため、放電容量には寄与しない導電助剤やバインダーを減らす試みが行われている。 For example, in the case of lithium-ion secondary batteries, carbon materials such as graphite, which have a large charge/discharge capacity per unit mass at a base potential close to that of lithium, are used as negative electrode materials in lithium-ion secondary batteries. However, these electrode materials are used to the point where the charge/discharge capacity per mass is close to the theoretical value, and the energy density per mass of the battery is approaching its limit. Therefore, in order to increase the utilization rate of the electrode, attempts are being made to reduce the conductive additives and binders that do not contribute to the discharge capacity.
導電助剤としては、カーボンブラック、ケッチェンブラック、グラフェン、微細炭素材料等が使用されており、特に微細炭素繊維の一種であるカーボンナノチューブが多く使用されている。例えば、負極活物質である黒鉛やシリコンにカーボンナノチューブを添加することにより、電極の抵抗を低減したり、電池の内部抵抗を改善したり、電極の強度を上げたり、電極の膨張収縮性を上げることで、リチウムイオン二次電池のサイクル寿命を向上させている(特許文献2~4)。また、正極にカーボンナノチューブを添加することにより、電極抵抗を低減する検討も行われている(特許文献5、6)。 Carbon black, Ketjen black, graphene, fine carbon materials, etc. are used as conductive additives, and carbon nanotubes, a type of fine carbon fiber, are particularly widely used. For example, adding carbon nanotubes to negative electrode active materials such as graphite and silicon reduces the resistance of the electrode, improves the internal resistance of the battery, increases the strength of the electrode, and increases the expansion and contraction properties of the electrode, thereby improving the cycle life of lithium-ion secondary batteries (Patent Documents 2 to 4). Also, studies are being conducted on reducing electrode resistance by adding carbon nanotubes to the positive electrode (Patent Documents 5 and 6).
平均外径が小さいカーボンナノチューブを用いると、少量で効率的に導電ネットワークを形成することができ、リチウムイオン二次電池用の正極および負極中に含まれる導電助材量を低減することができる。また、繊維長が大きいカーボンナノチューブを用いた場合も同様の効果があることが知られている(特許文献7)。しかしながら、これらの特徴を有するカーボンナノチューブは凝集力が強くて分散が困難であるため、十分な分散性を有するカーボンナノチューブ分散液を得ることができなかった。 When carbon nanotubes with a small average outer diameter are used, a conductive network can be efficiently formed with a small amount, and the amount of conductive auxiliary material contained in the positive and negative electrodes of lithium-ion secondary batteries can be reduced. It is also known that the same effect can be obtained when carbon nanotubes with a long fiber length are used (Patent Document 7). However, carbon nanotubes with these characteristics have strong cohesive forces and are difficult to disperse, so it has not been possible to obtain a carbon nanotube dispersion liquid with sufficient dispersibility.
そこで、様々な提案がなされている。例えば、分散剤を用いてカーボンナノチューブを分散安定化する方法が挙げられ、水及びNMP(N-メチル-2-ピロリドン)中へ水溶性高分子ポリビニルピロリドン等のポリマー系分散剤を用いた分散液が開示されている(特許文献5、6、8)。しかしながら、特許文献5では、外径10~150nmのカーボンナノチューブを用いて電極を作製しているが、電極の抵抗が高く、問題であった。また、特許文献6では、DBP吸油量の小さなカーボンナノチューブを用いた分散液が開示されているが、分散性は向上するものの、導電性の改善が不十分であった。特許文献8では、単層カーボンナノチューブを用いた分散液が開示されているが、溶媒中にカーボンナノチューブを高濃度で分散することが困難であった。特許文献9では、二層カーボンナノチューブを用いた分散液が開示されているが、カーボンナノチューブの酸化処理や超音波ホモジナイザーを用いた分散処理を行っているため、導電性の低下が起こるだけでなく、溶媒中にカーボンナノチューブを高濃度で分散することも不十分であった。特許文献10では、リチウムイオン二次電池の導電助剤として適切なカーボンナノチューブとするために、ボールミル型分散機を使用して、外径150nmのカーボンナノチューブを繊維長2~7μm程度に分散したカーボンナノチューブ分散液が開示されているが、十分な導電性を得るためにカーボンナノチューブを多く使用する必要があった。
したがって、良好な導電性と、高濃度かつ均一に分散したカーボンナノチューブ分散液を得ることは、用途拡大に向けた重要な課題であった。
Therefore, various proposals have been made. For example, a method of dispersing and stabilizing carbon nanotubes using a dispersant has been disclosed, and a dispersion liquid using a polymer-based dispersant such as a water-soluble polymer polyvinylpyrrolidone in water and NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) has been disclosed (Patent Documents 5, 6, and 8). However, in Patent Document 5, an electrode is produced using carbon nanotubes with an outer diameter of 10 to 150 nm, but the resistance of the electrode is high, which is a problem. In addition, Patent Document 6 discloses a dispersion liquid using carbon nanotubes with a small DBP oil absorption, but although the dispersibility is improved, the improvement in conductivity is insufficient. Patent Document 8 discloses a dispersion liquid using single-walled carbon nanotubes, but it is difficult to disperse carbon nanotubes at a high concentration in a solvent. Patent Document 9 discloses a dispersion liquid using double-walled carbon nanotubes, but since the carbon nanotubes are oxidized and dispersed using an ultrasonic homogenizer, not only does the conductivity decrease, but the carbon nanotubes are also insufficiently dispersed at a high concentration in a solvent. Patent Document 10 discloses a carbon nanotube dispersion in which carbon nanotubes with an outer diameter of 150 nm are dispersed to a fiber length of approximately 2 to 7 μm using a ball mill-type disperser in order to produce carbon nanotubes suitable as a conductive assistant in lithium-ion secondary batteries; however, it was necessary to use a large amount of carbon nanotubes to obtain sufficient conductivity.
Therefore, obtaining a carbon nanotube dispersion liquid with good electrical conductivity and in which the carbon nanotubes are uniformly dispersed at a high concentration has been an important challenge for expanding the range of applications.
本発明の目的は、導電性および密着性の高い導電膜や電極膜を得るために、良好な分散性を有するカーボンナノチューブ分散液、カーボンナノチューブ樹脂組成物および合材スラリーを提供することである。さらには、優れたレート特性およびサイクル特性を有する非水電解質二次電池を提供することである。 The object of the present invention is to provide a carbon nanotube dispersion, a carbon nanotube resin composition, and a composite slurry having good dispersibility in order to obtain a conductive film or an electrode film having high conductivity and adhesion. Furthermore, the object of the present invention is to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery having excellent rate characteristics and cycle characteristics.
本発明は、ホウ素含有カーボンナノチューブと、溶媒と、を含むカーボンナノチューブ分散液であって、動的粘弾性測定によるカーボンナノチューブ分散液の複素弾性率が200Pa未満であり、周波数1Hzにおける位相角が10°以上であることを特徴とするカーボンナノチューブ分散液に関する。 The present invention relates to a carbon nanotube dispersion liquid containing boron-containing carbon nanotubes and a solvent, characterized in that the complex modulus of the carbon nanotube dispersion liquid measured by dynamic viscoelasticity measurement is less than 200 Pa, and the phase angle at a frequency of 1 Hz is 10° or more.
また、本発明は、ホウ素含有カーボンナノチューブのホウ素の含有量が、0.01~3mol%であることを特徴とする前記カーボンナノチューブ分散液に関する。 The present invention also relates to the carbon nanotube dispersion liquid, characterized in that the boron content of the boron-containing carbon nanotubes is 0.01 to 3 mol%.
また、本発明は、ホウ素含有カーボンナノチューブの表面の炭素元素と置換するようにドープされているホウ素元素の含有量が、0.01~1mol%であることを特徴とする前記カーボンナノチューブ分散液に関する。 The present invention also relates to the carbon nanotube dispersion liquid, which is characterized in that the content of boron element doped to substitute for carbon element on the surface of the boron-containing carbon nanotubes is 0.01 to 1 mol %.
また、本発明は、さらに分散剤を含むことを特徴とする前記カーボンナノチューブ分散液に関する。 The present invention also relates to the carbon nanotube dispersion liquid, which further contains a dispersant.
また、本発明は、前記カーボンナノチューブ分散液と、バインダーとを含むことを特徴とするカーボンナノチューブ樹脂組成物に関する。 The present invention also relates to a carbon nanotube resin composition comprising the carbon nanotube dispersion and a binder.
また、本発明は、前記カーボンナノチューブ分散液、または前記カーボンナノチューブ樹脂組成物の塗工膜であるむことを特徴とする導電膜に関する。 The present invention also relates to a conductive film that is a coating film of the carbon nanotube dispersion liquid or the carbon nanotube resin composition.
また、本発明は、前記カーボンナノチューブ樹脂組成物と、活物質とを含むことを特徴とする合材スラリーに関する。 The present invention also relates to a composite slurry that contains the carbon nanotube resin composition and an active material.
また、本発明は、前記合材スラリーの塗工膜であるむことを特徴とする電極膜に関する。 The present invention also relates to an electrode film that is a coating film of the composite slurry.
また、本発明は、正極と、負極と、電解質とを具備してなる非水電解質二次電池であって、正極または負極の少なくとも一方が、前記電極膜を含むことを特徴とする非水電解質二次電池に関する。 The present invention also relates to a nonaqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode contains the electrode film.
本発明のカーボンナノチューブ分散液を使用することにより、導電性に優れた導電膜、導電性および密着性に優れた樹脂組成物、合材スラリー、電極が得られる。また、レート特性およびサイクル特性に優れた非水電解質二次電池が得られる。よって高い導電性、密着性、耐久性が求められる様々な用途分野において、本発明のカーボンナノチューブ分散液を使用することが可能である。 By using the carbon nanotube dispersion of the present invention, a conductive film with excellent conductivity, a resin composition with excellent conductivity and adhesion, a composite slurry, and an electrode can be obtained. In addition, a non-aqueous electrolyte secondary battery with excellent rate characteristics and cycle characteristics can be obtained. Therefore, the carbon nanotube dispersion of the present invention can be used in various fields of application where high conductivity, adhesion, and durability are required.
以下、本発明のカーボンナノチューブ分散液、樹脂組成物、導電膜、合材スラリー、電極、および非水電解質二次電池について詳しく説明する。本明細書において、ホウ素含有カーボンナノチューブをカーボンナノチューブまたはCNTと記載することがある。 The carbon nanotube dispersion, resin composition, conductive film, composite slurry, electrode, and nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention will be described in detail below. In this specification, boron-containing carbon nanotubes may be referred to as carbon nanotubes or CNTs.
<ホウ素含有カーボンナノチューブ>
まず初めに、本発明のカーボンナノチューブの形状について説明する。カーボンナノチューブは、平面的なグラファイトを円筒状に巻いた形状を有している。単層カーボンナノチューブは一層のグラファイトが巻かれた構造を有する。多層カーボンナノチューブは、二又は三以上の層のグラファイトが巻かれた構造を有する。また、カーボンナノチューブの側壁はグラファイト構造でなくともよい。例えば、アモルファス構造を有する側壁を備えるカーボンナノチューブをカーボンナノチューブとして用いることもできる。また、これらのカーボンナノチューブは複数の総数を有するカーボンナノチューブが混在するものであってもよい。
<Boron-containing carbon nanotubes>
First, the shape of the carbon nanotube of the present invention will be described. The carbon nanotube has a shape in which planar graphite is rolled into a cylindrical shape. A single-walled carbon nanotube has a structure in which one layer of graphite is rolled. A multi-walled carbon nanotube has a structure in which two or more layers of graphite are rolled. The sidewall of the carbon nanotube does not have to have a graphite structure. For example, a carbon nanotube having a sidewall with an amorphous structure can also be used as the carbon nanotube. Furthermore, these carbon nanotubes may be a mixture of carbon nanotubes having a plurality of total numbers.
本発明のカーボンナノチューブの形状は限定されない。かかる形状としては、針状、円筒チューブ状、魚骨状(フィッシュボーン又はカップ積層型)、及びコイル状を含む様々な形状が挙げられる。また、円筒チューブ状のカーボンナノチューブに乾式処理を行って得られた、板状またはプレートレット状の2次凝集体であってもよい。本発明におけるカーボンナノチューブの形状は、中でも、針状、又は、円筒チューブ状であることが好ましい。カーボンナノチューブは、単独の形状、または2種以上の形状の組合せであってもよい。 The shape of the carbon nanotubes of the present invention is not limited. Examples of such shapes include various shapes including needle-like, cylindrical tube-like, fishbone-like (fishbone or cup stacked type), and coil-like. In addition, the carbon nanotubes may be secondary aggregates in the form of plates or platelets obtained by dry processing of cylindrical tube-like carbon nanotubes. The shape of the carbon nanotubes in the present invention is preferably needle-like or cylindrical tube-like. The carbon nanotubes may be of a single shape or a combination of two or more shapes.
本発明のカーボンナノチューブの形態は、例えば、グラファイトウィスカー、フィラメンタスカーボン、グラファイトファイバー、極細炭素チューブ、カーボンチューブ、カーボンフィブリル、カーボンマイクロチューブ及びカーボンナノファイバーを挙げることができるが、これらに限定されない。カーボンナノチューブは、これらの単独の形態又は二種以上を組み合わせられた形態を有していてもよい。 The carbon nanotubes of the present invention may have, for example, but are not limited to, graphite whiskers, filamentous carbon, graphite fibers, ultrafine carbon tubes, carbon tubes, carbon fibrils, carbon microtubes, and carbon nanofibers. The carbon nanotubes may have any one of these forms or a combination of two or more of these forms.
次に、本発明のホウ素含有カーボンナノチューブのホウ素含有形態について説明する。ホウ素含有カーボンナノチューブ中のホウ素の含有量(材料全体におけるホウ素の含有量)は、0.005~10mol%であることが好ましく、0.01~3mol%であることがより好ましく、0.1~1mol%であることがさらに好ましい。ホウ素の含有量が0.005mol%以上であると、ホウ素のドープ効果が得られやすく、導電性は向上する。また、ホウ素の含有量が10mol%未満であると、電子の移動の阻害による導電性の低下が起こりにくい。また、ホウ素を含有することにより、有機溶媒や分散剤、樹脂などとの親和性が高まり、分散液の分散性が向上する。一方、ホウ素含有量が多いとカーボンナノチューブの硬さが増加する傾向が見られ、衝撃などの外力に対する耐久性や塗膜強度の改善や、二次電池の充放電に伴う電極活物質の膨張収縮における導電助剤の接触を維持することができるが、含有量が3mol%を超えると分散が難しくなる傾向にあり、カーボンナノチューブの強度や分散性の観点からもホウ素含有量は3mol%以下であることが好ましく、1mol%以下であることがより好ましい。
ホウ素含有カーボンナノチューブ中のホウ素の含有量は、ICP発光分光分析、ICP質量分析などの方法により求めることができる。一例として、JIS-R7223に準拠した測定方法が挙げられる。また、ホウ素含有カーボンナノチューブ中のホウ素の含有量は、炭素材料の表面や内部に含有されたホウ素単体、炭素材料中の炭素元素と置換するようにドープされているホウ素や、ホウ素化合物の全ホウ素量のことを示す。
Next, the boron-containing form of the boron-containing carbon nanotube of the present invention will be described. The boron content in the boron-containing carbon nanotube (the boron content in the entire material) is preferably 0.005 to 10 mol%, more preferably 0.01 to 3 mol%, and even more preferably 0.1 to 1 mol%. When the boron content is 0.005 mol% or more, the boron doping effect is easily obtained and the conductivity is improved. When the boron content is less than 10 mol%, the conductivity is less likely to decrease due to the inhibition of electron transfer. Furthermore, the inclusion of boron increases the affinity with organic solvents, dispersants, resins, etc., and improves the dispersibility of the dispersion liquid. On the other hand, a high boron content tends to increase the hardness of the carbon nanotubes, improving durability against external forces such as impacts and coating strength, and enabling the conductive assistant to maintain contact during the expansion and contraction of the electrode active material associated with charging and discharging the secondary battery. However, if the content exceeds 3 mol%, dispersion tends to become difficult, and from the standpoint of the strength and dispersibility of the carbon nanotubes, the boron content is preferably 3 mol% or less, and more preferably 1 mol% or less.
The boron content in the boron-containing carbon nanotubes can be determined by methods such as ICP emission spectrometry and ICP mass spectrometry. One example is a measurement method in accordance with JIS-R7223. The boron content in the boron-containing carbon nanotubes refers to the amount of boron alone contained on the surface or inside of the carbon material, boron doped to replace carbon elements in the carbon material, or the total amount of boron in the boron compound.
次に、本発明のホウ素含有カーボンナノチューブの表面の炭素元素と置換するようにドープされているホウ素について説明する。ホウ素含有カーボンナノチューブの表面の炭素元素と置換するようにドープされているホウ素の含有量は、X線光電子分光法(XPS)などの方法により求めることができる。 Next, we will explain the boron that is doped to replace the carbon elements on the surface of the boron-containing carbon nanotube of the present invention. The content of boron that is doped to replace the carbon elements on the surface of the boron-containing carbon nanotube can be determined by a method such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
XPS測定で得られるホウ素のB1sスペクトルは、ホウ素元素のB1s電子の結合エネルギー範囲(185~197eV付近)に現れ、大別すると4つの成分からなることが知られている。各成分の結合エネルギーの値(ピークトップ)は、ホウ素クラスターが186~187eV、炭化ホウ素が187~188eV、六角網面を基本骨格とした炭素元素と置換するようにドープされているホウ素(BC3)が188~189.3eV、各種酸化ホウ素であるBC2Oが189.5~190.5eV、BCO2が191.5~192eV、B2O3が192.5~193eVに現れる。これらのピークが重なっている場合には、各成分をガウス関数としてピーク強度、ピーク位置、ピーク半値全幅をパラメーターとして最適化することにより、フィッティングを行ってピークを分離することにより割合を求めることができる。従って、B1sのピーク分離を行い、ホウ素含有カーボンナノチューブの表面のホウ素の状態を分析することができる。
したがって、本発明のホウ素含有カーボンナノチューブの表面の炭素元素と置換するようにドープされているホウ素の結合エネルギーの値は、188~189.3eVに現れるものである。
The B1s spectrum of boron obtained by XPS measurement appears in the binding energy range of the B1s electron of boron element (around 185 to 197 eV), and is known to be roughly divided into four components. The binding energy values (peak tops) of each component are 186 to 187 eV for boron clusters, 187 to 188 eV for boron carbide, 188 to 189.3 eV for boron doped to replace carbon elements with a hexagonal mesh surface as a basic skeleton (BC 3 ), 189.5 to 190.5 eV for various boron oxides BC 2 O, 191.5 to 192 eV for BCO 2 , and 192.5 to 193 eV for B 2 O 3. When these peaks overlap, the ratio can be determined by fitting each component as a Gaussian function, optimizing the peak intensity, peak position, and full width at half maximum as parameters, and separating the peaks. Therefore, the state of boron on the surface of the boron-containing carbon nanotube can be analyzed by performing peak separation of B1s.
Therefore, the bond energy value of boron doped to substitute for carbon elements on the surface of the boron-containing carbon nanotube of the present invention appears in the range of 188 to 189.3 eV.
また、本発明のホウ素含有カーボンナノチューブは、炭素六角網面を基本骨格とした炭素材料であり、ラマンスペクトル測定およびX線回折測定により、確認することができる。 The boron-containing carbon nanotubes of the present invention are carbon materials whose basic skeleton is a hexagonal carbon mesh surface, and this can be confirmed by Raman spectroscopy and X-ray diffraction measurement.
ラマンスペクトル測定では、例えば励起レーザー波長532nmによるGバンド(1560~1620cm-1)の確認により、炭素六角網面を基本骨格とした炭素材料であることを確認できる。また、炭素材料の欠陥を表すDバンド(1310~1370cm-1)との強度比(G/D比)が高いとホウ素ドープ炭素材料の結晶化度が高く、導電性も高い。G/D比が0.6以上であると好ましく、より好ましくは0.8以上である。 In Raman spectroscopy, for example, by confirming the G band (1560-1620 cm -1 ) using an excitation laser wavelength of 532 nm, it can be confirmed that the carbon material has a hexagonal carbon mesh plane as its basic skeleton. Furthermore, when the intensity ratio (G/D ratio) to the D band (1310-1370 cm -1 ), which indicates defects in the carbon material, is high, the boron-doped carbon material has a high degree of crystallinity and high electrical conductivity. The G/D ratio is preferably 0.6 or more, and more preferably 0.8 or more.
X線回折(XRD)測定では、CuKα線をX線源として得られるホウ素含有カーボンナノチューブのXRD図において、回折角(2θ)が24.0~27.0°付近に現れる(002)面回折ピークの確認により、炭素六角網面を基本骨格とした炭素材料であることを確認できる。 In X-ray diffraction (XRD) measurements, the XRD pattern of boron-containing carbon nanotubes obtained using CuKα radiation as an X-ray source shows a (002) plane diffraction peak at a diffraction angle (2θ) of approximately 24.0 to 27.0°, confirming that the material is a carbon material with a hexagonal carbon mesh plane as its basic skeleton.
本発明のホウ素含有カーボンナノチューブの平均外径は1~250nmであることが好ましく、2~50nmであることが好ましく、5~25nmであることがより好ましく、5~15nmであることがさらに好ましい。カーボンナノチューブの平均外径が上記範囲であると、電極活物質表面がカーボンナノチューブで被覆されやすくなり、電極膜の導電性や密着性が向上する。 The average outer diameter of the boron-containing carbon nanotubes of the present invention is preferably 1 to 250 nm, more preferably 2 to 50 nm, more preferably 5 to 25 nm, and even more preferably 5 to 15 nm. When the average outer diameter of the carbon nanotubes is within the above range, the surface of the electrode active material is easily covered with the carbon nanotubes, improving the electrical conductivity and adhesion of the electrode film.
本発明のホウ素含有カーボンナノチューブの外径および平均外径は、次のように求められる。まず透過型電子顕微鏡によって、カーボンナノチューブを観測するとともに撮像する。次に観測写真において、任意の300本のカーボンナノチューブを選び、それぞれの外径を計測する。次に外径の数平均としてカーボンナノチューブの平均外径(nm)を算出する。 The outer diameter and average outer diameter of the boron-containing carbon nanotubes of the present invention are determined as follows. First, the carbon nanotubes are observed and photographed using a transmission electron microscope. Next, 300 carbon nanotubes are randomly selected from the photograph and the outer diameter of each is measured. Next, the average outer diameter (nm) of the carbon nanotubes is calculated as the number average of the outer diameters.
本発明のホウ素含有カーボンナノチューブは、カーボンナノチューブの層数が3層以上30層以下であることが好ましく、3層以上20層以下であることがさらに好ましく、3層以上10層以下であることがより好ましい。 The boron-containing carbon nanotube of the present invention preferably has 3 to 30 walls, more preferably 3 to 20 walls, and even more preferably 3 to 10 walls.
本発明のホウ素含有カーボンナノチューブのBET比表面積は10~1500m2/gであるものが好ましく、150~800m2/gであるものがより好ましく、200~700m2/gであるものがさらに好ましい。 The BET specific surface area of the boron-containing carbon nanotubes of the present invention is preferably 10 to 1500 m 2 /g, more preferably 150 to 800 m 2 /g, and even more preferably 200 to 700 m 2 /g.
本発明のホウ素含有カーボンナノチューブの体積抵抗率は1.0×10-2Ω・cm以下であることが好ましく、5.0×10-3Ω・cm以下であることがより好ましく、3.0×10-3Ω・cm以下であることがさらに好ましい。カーボンナノチューブの体積抵抗率は粉体抵抗率測定装置(日東精工アナリテック社製:ロレスターGP-粉体抵抗率測定システムMCP-PD-51))を用いて測定することができる。 The volume resistivity of the boron-containing carbon nanotube of the present invention is preferably 1.0×10 −2 Ω·cm or less, more preferably 5.0×10 −3 Ω·cm or less, and even more preferably 3.0×10 −3 Ω·cm or less. The volume resistivity of the carbon nanotube can be measured using a powder resistivity measuring device (Loresta GP-powder resistivity measuring system MCP-PD-51, manufactured by Nitto Seiko Analytech Co., Ltd.).
本発明のホウ素含有カーボンナノチューブの炭素純度はカーボンナノチューブ中の炭素原子の含有率(%)で表される。炭素純度はカーボンナノチューブ100質量%に対して、90質量%以上が好ましく、95質量%以上がより好ましく、98質量%以上がさらに好ましい。 The carbon purity of the boron-containing carbon nanotubes of the present invention is expressed as the content (%) of carbon atoms in the carbon nanotubes. The carbon purity is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, and even more preferably 98% by mass or more, relative to 100% by mass of the carbon nanotubes.
本発明のホウ素含有カーボンナノチューブ中に含まれる金属量はカーボンナノチューブ100質量%に対して、10質量%未満が好ましく、5質量%未満がより好ましく、2質量%未満がさらに好ましい。カーボンナノチューブに含まれる金属としては、カーボンナノチューブを合成する際に触媒として使用される金属や金属酸化物が挙げられる。具体的には、コバルト、ニッケル、アルミニウム、マグネシウム、シリカ、マンガンやモリブデン等の金属、金属酸化物やこれらの複合酸化物が挙げられる。 The amount of metal contained in the boron-containing carbon nanotubes of the present invention is preferably less than 10% by mass, more preferably less than 5% by mass, and even more preferably less than 2% by mass, based on 100% by mass of the carbon nanotubes. Examples of metals contained in the carbon nanotubes include metals and metal oxides used as catalysts when synthesizing carbon nanotubes. Specific examples include metals such as cobalt, nickel, aluminum, magnesium, silica, manganese, and molybdenum, metal oxides, and composite oxides of these.
本発明のホウ素含有カーボンナノチューブは、通常二次粒子として存在している。この二次粒子の形状は、例えば一般的な一次粒子であるカーボンナノチューブが複雑に絡み合っている状態でもよい。カーボンナノチューブを直線状にしたものの集合体であってもよい。直線状のカーボンナノチューブの集合体である二次粒子は、絡み合っているものと比べるとほぐれ易い。また直線状のものは、絡み合っているものに比べると分散性が良いのでカーボンナノチューブとして好適に利用できる。 The boron-containing carbon nanotubes of the present invention usually exist as secondary particles. The shape of these secondary particles may be, for example, a state in which carbon nanotubes, which are general primary particles, are intricately entangled. They may also be an aggregate of linear carbon nanotubes. Secondary particles that are an aggregate of linear carbon nanotubes are easier to disentangle than entangled ones. Furthermore, linear ones have better dispersibility than entangled ones, so they can be used preferably as carbon nanotubes.
本発明のホウ素含有カーボンナノチューブは、表面処理を行ったカーボンナノチューブでもよい。またカーボンナノチューブは、カルボキシル基に代表される官能基を付与させたカーボンナノチューブ誘導体であってもよい。また、有機化合物、金属原子、又はフラーレンに代表される物質を内包させたカーボンナノナノチューブも用いることができる。 The boron-containing carbon nanotubes of the present invention may be surface-treated carbon nanotubes. The carbon nanotubes may also be carbon nanotube derivatives to which functional groups such as carboxyl groups have been added. Carbon nanotubes that encapsulate organic compounds, metal atoms, or substances such as fullerenes may also be used.
本発明のホウ素含有カーボンナノチューブはどのような方法で製造したカーボンナノチューブでも構わない。カーボンナノチューブは一般にレーザーアブレーション法、アーク放電法、熱CVD法、プラズマCVD法及び燃焼法で製造できるが、これらに限定されない。例えば、酸素濃度が1体積%以下の雰囲気中、500~1000℃にて、炭素源を触媒と接触反応させることでカーボンナノチューブを製造することができる。炭素源は炭化水素及びアルコールの少なくともいずれか一方でもよい。 The boron-containing carbon nanotubes of the present invention may be carbon nanotubes produced by any method. Carbon nanotubes can generally be produced by, but are not limited to, laser ablation, arc discharge, thermal CVD, plasma CVD, and combustion methods. For example, carbon nanotubes can be produced by contacting a carbon source with a catalyst at 500 to 1000°C in an atmosphere with an oxygen concentration of 1% by volume or less. The carbon source may be at least one of a hydrocarbon and an alcohol.
本発明のホウ素含有カーボンナノチューブの炭素源となる原料ガスは、従来公知の任意のものを使用できる。例えば、炭素を含む原料ガスとしてメタン、エチレン、プロパン、ブタン及びアセチレンに代表される炭化水素、一酸化炭素、並びにアルコールを用いることができるが、これらに限定されない。特に使いやすさの観点から、炭化水素及びアルコールの少なくともいずれか一方を原料ガスとして用いることが望ましい。 The raw material gas that serves as the carbon source for the boron-containing carbon nanotubes of the present invention can be any conventionally known gas. For example, the raw material gas that contains carbon can be, but is not limited to, hydrocarbons such as methane, ethylene, propane, butane, and acetylene, carbon monoxide, and alcohol. From the viewpoint of ease of use, it is preferable to use at least one of a hydrocarbon and an alcohol as the raw material gas.
<ホウ素含有カーボンナノチューブの製造方法>
本発明におけるホウ素含有カーボンナノチューブの製造方法としては、特に限定されるものではないが、炭素源とホウ素源を加熱処理して合成することができる。具体的には、炭素源であるカーボンナノチューブとホウ素化合物等(炭化ホウ素等)のホウ素源を混合して加熱処理してホウ素含有カーボンナノチューブを製造する方法、基板上に担持された金属触媒上で芳香族炭化水素ガス等の炭素源とホウ素ガス等のホウ素源を加熱処理して化学気相成長(CVD)させる方法、噴霧等により浮遊させた金属触媒上で炭化水素ガス等の炭素源とホウ素ガス等のホウ素源を加熱処理して触媒化学気相成長(CCVD)させる方法、炭素源に対してホウ素をイオン注入処理する方法等により合成することができる。
<Method for producing boron-containing carbon nanotubes>
The method for producing the boron-containing carbon nanotube in the present invention is not particularly limited, but it can be synthesized by heating a carbon source and a boron source. Specifically, it can be synthesized by a method of mixing a carbon nanotube as a carbon source and a boron source such as a boron compound (boron carbide, etc.) and heating the mixture to produce a boron-containing carbon nanotube, a method of heating a carbon source such as an aromatic hydrocarbon gas and a boron source such as boron gas on a metal catalyst supported on a substrate to perform chemical vapor deposition (CVD), a method of heating a carbon source such as a hydrocarbon gas and a boron source such as boron gas on a metal catalyst suspended by spraying or the like to perform catalytic chemical vapor deposition (CCVD), a method of ion-implanting boron into a carbon source, etc.
次に、ホウ素含有カーボンナノチューブの製造に用いられるホウ素源について説明する。ホウ素源は、特に限定されるものではないが、炭化ホウ素、酸化ホウ素、窒化ホウ素、金属ホウ化物、ホウ素オキソ酸、ボラン、ホウ素含有有機化合物等が挙げられる。
具体的には、炭化ホウ素では、B4C(B12C3)、B12C2(B6C)等、
酸化ホウ素では、BC2O、BCO2、B2O2、B2O3 、B4O3、B4O5等、
窒化ホウ素では、BN等、
金属ホウ化物では、AlB2、CoB、FeB、MgB2、NiB、TiB2等、
ホウ素オキソ酸では、オルトホウ酸、メタホウ酸、四ホウ酸等、
ボランでは、モノボラン、ジボラン、デカボラン等、
ホウ素含有有機化合物では、ホウ酸トリメチル、ホウ酸トリエチル等のホウ酸エステル類、トリエチルボラン、トリフェニルボラン等の置換ボラン類、フェニルボロン酸、フェニルボロン酸エステル等のボロン酸類等が挙げられる。
Next, the boron source used in the production of boron-containing carbon nanotubes will be described. The boron source is not particularly limited, but examples thereof include boron carbide, boron oxide, boron nitride, metal borides, boron oxoacids, boranes, and boron-containing organic compounds.
Specifically, boron carbide includes B 4 C (B 12 C 3 ), B 12 C 2 (B 6 C), etc.
Boron oxides include BC2O , BCO2 , B2O2 , B2O3 , B4O3 , B4O5 , etc.
For boron nitride, BN, etc.
Metal borides include AlB2 , CoB, FeB, MgB2 , NiB, TiB2 , etc.
Boron oxo acids include orthoboric acid, metaboric acid, tetraboric acid, etc.
Boranes include monoborane, diborane, decaborane, etc.
Examples of boron-containing organic compounds include borate esters such as trimethyl borate and triethyl borate, substituted boranes such as triethylborane and triphenylborane, and boronic acids such as phenylboronic acid and phenylboronic acid esters.
ホウ素含有カーボンナノチューブを製造するための炭素源とホウ素源の原料組成比は、特に限定されるものではないが、炭素源100質量部に対してホウ素源の割合が0.01~300質量部であり、好ましくは0.05~100質量部であり、さらに好ましくは0.1~50質量部である。 The raw material composition ratio of the carbon source and the boron source for producing boron-containing carbon nanotubes is not particularly limited, but the ratio of the boron source to 100 parts by mass of the carbon source is 0.01 to 300 parts by mass, preferably 0.05 to 100 parts by mass, and more preferably 0.1 to 50 parts by mass.
前記炭素源とホウ素源の混合方法としては、特に限定されるものではないが、好ましくは乾式混合および湿式混合である。また、混合装置としては、以下のような乾式混合装置や湿式混合装置を使用できる。 The method for mixing the carbon source and the boron source is not particularly limited, but is preferably dry mixing or wet mixing. As a mixing device, the following dry mixing device or wet mixing device can be used.
乾式混合装置としては、例えば、2本ロールや3本ロール等のロールミル、ヘンシェルミキサーやスーパーミキサー等の高速攪拌機、マイクロナイザーやジェットミル等の流体エネルギー粉砕機、アトライター、ホソカワミクロン社製粒子複合化装置「ナノキュア」、「ノビルタ」、「メカノフュージョン」、奈良機械製作所社製粉体表面改質装置「ハイブリダイゼーションシステム」、「メカノマイクロス」、「ミラーロ」等が挙げられる。
また、乾式混合装置を使用する際、母体となる原料粉体に、他の原料を粉体のまま直接添加してもよいが、より均一な混合物を作製するために、前もって他の原料を少量の溶媒に溶解、又、分散させておき、母体となる原料粉体の凝集粒子を解しながら添加する方法を用いてもよいし、さらに処理の効率を上げるために、加温してもよい。
Examples of dry mixing devices include roll mills such as two-roll and three-roll devices, high-speed agitators such as Henschel mixers and super mixers, fluid energy pulverizers such as Micronizers and jet mills, attritors, particle composite devices manufactured by Hosokawa Micron Corporation such as "Nanocure,""Nobilta," and "Mechanofusion," and powder surface modification devices manufactured by Nara Machinery Manufacturing Co., Ltd. such as "Hybridization System,""MechanoMicros," and "Miraro."
In addition, when using a dry mixer, the other raw materials may be added directly in powder form to the base raw material powder, but in order to prepare a more uniform mixture, the other raw materials may be dissolved or dispersed in a small amount of solvent in advance and then added while breaking up the agglomerated particles of the base raw material powder. In order to further increase the efficiency of the process, the raw materials may be heated.
湿式混合装置としては、例えば、ディスパー、ホモミキサー、若しくはプラネタリーミキサー等のミキサー類、エム・テクニック社製「クレアミックス」、若しくはPRIMIX社製「フィルミックス」等のホモジナイザー類、レッドデビル社製ペイントコンディショナー、ボールミル、シンマルエンタープライゼス社製「ダイノミル」等のサンドミル類、アトライター、若しくはコボールミル等のメディア型分散機、 ジーナス社製「ジーナスPY」、スギノマシン社製「スターバースト」、ナノマイザー社製「ナノマイザー」等の湿式ジェットミル類、エム・テクニック社製「クレアSS-5」、若しくは奈良機械製作所社製「マイクロス」等のメディアレス分散機類、または、その他ロールミル、ニーダー等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、湿式混合装置としては、装置からの金属混入防止処理を施したものを用いることが好ましい場合がある。
例えば、メディア型分散機を使用する場合は、アジテーター及びベッセルがセラミック製又は樹脂製の分散機を使用する方法や、金属製アジテーター及びベッセル表面をタングステンカーバイド溶射や樹脂コーティング等の処理をした分散機を用いることが好ましい。そして、メディアとしては、ガラスビーズ、又は、ジルコニアビーズ、若しくはアルミナビーズ等のセラミックビーズを用いることが好ましい。又、ロールミルを使用する場合についても、セラミック製ロールを用いることが好ましい。分散装置は、1種のみを使用してもよいし、複数種の装置を組み合わせて使用してもよい。
Examples of wet mixing devices include mixers such as Disper, Homomixer, or Planetary Mixer, homogenizers such as M-Technique's "Clearmix" or PRIMIX's "Filmix", Red Devil's paint conditioner, ball mill, sand mills such as Shinmaru Enterprises'"Dynomill", attritor, or Coball Mill, media-type dispersers, wet jet mills such as Genus'"GenusPY", Sugino Machine's "Starburst", Nanomizer's "Nanomizer", media-less dispersers such as M-Technique's "Clear SS-5" or Nara Machinery's "Micros", or other roll mills, kneaders, etc., but are not limited thereto. In addition, it may be preferable to use a wet mixing device that has been treated to prevent metal from entering the device.
For example, when using a media type disperser, it is preferable to use a method using a disperser whose agitator and vessel are made of ceramic or resin, or to use a disperser whose metallic agitator and vessel surface are treated with tungsten carbide spraying, resin coating, or the like. As the media, it is preferable to use ceramic beads such as glass beads, zirconia beads, or alumina beads. Also, when using a roll mill, it is preferable to use a ceramic roll. Only one type of dispersing device may be used, or multiple types of devices may be used in combination.
また、原料が均一に溶解、または分散しない場合、各原料の溶媒への濡れ性、分散性を向上させるために、必要に応じて分散剤を添加して、分散、混合してもよい。 If the raw materials do not dissolve or disperse uniformly, a dispersant may be added as necessary to improve the wettability and dispersibility of each raw material in the solvent, and then dispersed and mixed.
前記炭素源とホウ素源の混合物を加熱処理する条件は、原料となる炭素源やホウ素源の種類や量によって異なり、特に限定されるものではないが、加熱温度は1000~3000℃であり、好ましくは1100~2500℃、さらに好ましくは1200~2000℃である。また、加熱時間は特に限定されるものではないが、10分~72時間であり、好ましくは30分~10時間である。
加熱処理工程における雰囲気は、原料の酸化等の副反応を防ぐために、窒素、アルゴンなどの不活性ガスや、真空での雰囲気が好ましい。
また、加熱処理工程は、一定の雰囲気、温度および時間について1段階で行う処理工程だけでなく、雰囲気、温度、温度を多段階で行う処理工程でもよい。
The conditions for heat-treating the mixture of the carbon source and the boron source vary depending on the types and amounts of the carbon source and the boron source used as raw materials, and are not particularly limited, but the heating temperature is 1000 to 3000° C., preferably 1100 to 2500° C., and more preferably 1200 to 2000° C. In addition, the heating time is not particularly limited, but is 10 minutes to 72 hours, and preferably 30 minutes to 10 hours.
The atmosphere in the heat treatment step is preferably an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, or a vacuum atmosphere, in order to prevent side reactions such as oxidation of the raw materials.
The heat treatment step may be not only a treatment step performed in one stage at a constant atmosphere, temperature and time, but also a treatment step performed in multiple stages with different atmospheres, temperatures and times.
<溶媒>
次に、本発明のカーボンナノチューブ分散液に用いられる溶媒について説明する。溶媒は、カーボンナノチューブが分散可能な溶媒であれば特に限定されないが、水、または、有機溶媒のいずれか一種、若しくは二種以上からなる混合溶媒であることが好ましく、水、または、水溶性有機溶媒のいずれか一種からなる溶媒、若しくは水溶性有機溶媒のいずれか2種以上からなる混合溶媒であることがさらに好ましい。また、後述する分散剤を使用する場合、その分散剤が一部、あるいは完全に溶解できる溶媒であることが好ましく、溶媒は特に限定されないが、水、または、水溶性有機溶媒を含むことが好ましい。
<Solvent>
Next, the solvent used in the carbon nanotube dispersion of the present invention will be described. The solvent is not particularly limited as long as it is a solvent in which carbon nanotubes can be dispersed, but is preferably water or a mixed solvent consisting of one or more organic solvents, and more preferably water or a solvent consisting of one or more water-soluble organic solvents, or a mixed solvent consisting of two or more water-soluble organic solvents. In addition, when a dispersant described later is used, it is preferable that the solvent is one in which the dispersant can be partially or completely dissolved, and although the solvent is not particularly limited, it is preferable that the solvent contains water or a water-soluble organic solvent.
有機溶媒の例としては、アルコール系(メタノールなど)、多価アルコール系(エチレングリコールなど)、多価アルコールエーテル系(エチレングリコールモノメチルエーテルなど)、アミン系(エタノールアミンなど)、アミド系(N-メチル-2-ピロリドン(NMP)など)、複素環系(γ-ブチロラクトンなど)、スルホキシド系(ジメチルスルホキシドなど)、スルホン系(スルホランなど)、芳香族系(トルエン、キシレンなど)、炭化水素系(ヘキサンなど)、低級ケトン系(アセトンなど)、エステル系(酢酸エチルなど)などを使用することができる。
好ましい水溶性有機溶媒としては、アミド系(N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、N-エチル-2-ピロリドン(NEP)、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジエチルアセトアミド、N-メチルカプロラクタムなど)、複素環系(シクロヘキシルピロリドン、2-オキサゾリドン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、γ-ブチロラクトンなど)、スルホキシド系(ジメチルスルホキシドなど)、スルホン系(ヘキサメチルホスホロトリアミド、スルホランなど)、アルコール系(メタノール、エタノールなど)、多価アルコール系(エチレングリコール、ジエチレングリコールなど)、低級ケトン系(アセトン、メチルエチルケトンなど)、その他、テトラヒドロフラン、尿素、アセトニトリルなどを使用することができる。
Examples of the organic solvent that can be used include alcohols (e.g., methanol), polyhydric alcohols (e.g., ethylene glycol), polyhydric alcohol ethers (e.g., ethylene glycol monomethyl ether), amines (e.g., ethanolamine), amides (e.g., N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)), heterocyclics (e.g., γ-butyrolactone), sulfoxides (e.g., dimethyl sulfoxide), sulfones (e.g., sulfolane), aromatics (e.g., toluene, xylene), hydrocarbons (e.g., hexane), lower ketones (e.g., acetone), and esters (e.g., ethyl acetate).
Preferred water-soluble organic solvents include amides (N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N-ethyl-2-pyrrolidone (NEP), N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, N,N-diethylacetamide, N-methylcaprolactam, etc.), heterocyclics (cyclohexylpyrrolidone, 2-oxazolidone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, γ-butyrolactone, etc.), sulfoxides (dimethyl sulfoxide, etc.), sulfones (hexamethylphosphorotriamide, sulfolane, etc.), alcohols (methanol, ethanol, etc.), polyhydric alcohols (ethylene glycol, diethylene glycol, etc.), lower ketones (acetone, methyl ethyl ketone, etc.), and others, such as tetrahydrofuran, urea, and acetonitrile.
<分散剤>
本発明における分散剤は、カーボンナノチューブを分散安定化できる範囲で特に限定されず、界面活性剤、樹脂型分散剤を使用することができる。界面活性剤は主にアニオン性、カチオン性、ノニオン性及び両性に分類される。カーボンナノチューブの分散に要求される特性に応じて適宜好適な種類の分散剤を、好適な配合量で使用することができる。
<Dispersant>
The dispersant in the present invention is not particularly limited as long as it can disperse and stabilize the carbon nanotubes, and a surfactant or a resin-type dispersant can be used. Surfactants are mainly classified into anionic, cationic, nonionic, and amphoteric. Depending on the characteristics required for dispersing the carbon nanotubes, a suitable type of dispersant can be used in a suitable amount.
アニオン性界面活性剤を選択する場合、その種類は特に限定されない。具体的には脂肪酸塩、ポリスルホン酸塩、ポリカルボン酸塩、アルキル硫酸エステル塩、アルキルアリールスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、ジアルキルスルホン酸塩、ジアルキルスルホコハク酸塩、アルキルリン酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸塩、ポリオキシエチレンアルキルアリールエーテル硫酸塩、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物、ポリオキシエチレンアルキルリン酸スルホン酸塩、グリセロールボレイト脂肪酸エステル及びポリオキシエチレングリセロール脂肪酸エステルが挙げられるが、これらに限定されない。さらに、具体的にはドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ラウリル酸硫酸ナトリウム、ポリオキシエチレンラウリルエーテル硫酸ナトリウム、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル硫酸エステル塩及びβ-ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物のナトリウム塩が挙げられるが、これらに限定されない。 When selecting an anionic surfactant, the type is not particularly limited. Specific examples include, but are not limited to, fatty acid salts, polysulfonates, polycarboxylates, alkyl sulfates, alkylaryl sulfonates, alkylnaphthalenesulfonates, dialkylsulfonates, dialkylsulfosuccinates, alkyl phosphates, polyoxyethylene alkyl ether sulfates, polyoxyethylene alkylaryl ether sulfates, naphthalenesulfonate formalin condensates, polyoxyethylene alkyl phosphate sulfonates, glycerol borate fatty acid esters, and polyoxyethylene glycerol fatty acid esters. Specific examples include, but are not limited to, sodium dodecylbenzenesulfonate, sodium laurate sulfate, sodium polyoxyethylene lauryl ether sulfate, polyoxyethylene nonylphenyl ether sulfate, and sodium salt of β-naphthalenesulfonate formalin condensates.
またカチオン性界面活性剤としては、アルキルアミン塩類及び第四級アンモニウム塩類がある。具体的にはステアリルアミンアセテート、トリメチルヤシアンモニウムクロリド、トリメチル牛脂アンモニウムクロリド、ジメチルジオレイルアンモニウムクロリド、メチルオレイルジエタノールクロリド、テトラメチルアンモニウムクロリド、ラウリルピリジニウムクロリド、ラウリルピリジニウムブロマイド、ラウリルピリジニウムジサルフェート、セチルピリジニウムブロマイド、4-アルキルメルカプトピリジン、ポリ(ビニルピリジン)-ドデシルブロマイド及びドデシルベンジルトリエチルアンモニウムクロリドが挙げられるが、これらに限定されない。 Cationic surfactants include alkylamine salts and quaternary ammonium salts. Specific examples include, but are not limited to, stearylamine acetate, trimethyl coconut ammonium chloride, trimethyl tallow ammonium chloride, dimethyldioleyl ammonium chloride, methyl oleyl diethanol chloride, tetramethyl ammonium chloride, lauryl pyridinium chloride, lauryl pyridinium bromide, lauryl pyridinium disulfate, cetyl pyridinium bromide, 4-alkyl mercaptopyridine, poly(vinylpyridine)-dodecyl bromide, and dodecylbenzyl triethyl ammonium chloride.
またノニオン性界面活性剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシアルキレン誘導体、ポリオキシエチレンフェニルエーテル、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル及びアルキルアリルエーテルが挙げられるが、これらに限定されない。具体的にはポリオキシエチレンラウリルエーテル、ソルビタン脂肪酸エステル及びポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテルが挙げられるが、これらに限定されない。また両性界面活性剤としては、アミノカルボン酸塩が挙げられるが、これらに限定されない。 Nonionic surfactants include, but are not limited to, polyoxyethylene alkyl ethers, polyoxyalkylene derivatives, polyoxyethylene phenyl ethers, sorbitan fatty acid esters, polyoxyethylene sorbitan fatty acid esters, and alkyl allyl ethers. Specific examples include, but are not limited to, polyoxyethylene lauryl ethers, sorbitan fatty acid esters, and polyoxyethylene octylphenyl ethers. Amphoteric surfactants include, but are not limited to, amino carboxylates.
界面活性剤は単独または二種以上の界面活性剤を組み合わせて使用することができる。例えばアニオン性界面活性剤及びノニオン性界面活性剤の組み合わせ、又はカチオン性界面活性剤及びノニオン性界面活性剤の組み合わせが利用できる。その際の配合量は、それぞれの界面活性剤成分に対して好適な配合量とすることが好ましい。組み合わせとしてはアニオン性界面活性剤及びノニオン性界面活性剤の組み合わせが好ましい。アニオン性界面活性剤はポリカルボン酸塩であることが好ましい。ノニオン性界面活性剤はポリオキシエチレンフェニルエーテルであることが好ましい。 The surfactant may be used alone or in combination of two or more kinds. For example, a combination of an anionic surfactant and a nonionic surfactant, or a combination of a cationic surfactant and a nonionic surfactant may be used. In this case, it is preferable to use an appropriate amount for each surfactant component. A combination of an anionic surfactant and a nonionic surfactant is preferable. The anionic surfactant is preferably a polycarboxylate. The nonionic surfactant is preferably polyoxyethylene phenyl ether.
また樹脂型分散剤として具体的には、セルロース誘導体(セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルロースブチレート、シアノエチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、ニトロセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースなど)、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリロニトリル系重合体、各種ゴム等が挙げられる。特にメチルセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリロニトリル系重合体、各種ゴム(例えば部分水素化ニトリルゴム)が好ましい。 Specific examples of resin-type dispersants include cellulose derivatives (cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose butyrate, cyanoethyl cellulose, ethylhydroxyethyl cellulose, nitrocellulose, methyl cellulose, ethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxypropylmethyl cellulose, carboxymethyl cellulose, etc.), polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, polyvinyl pyrrolidone, polyacrylonitrile polymers, various rubbers, etc. In particular, methyl cellulose, ethyl cellulose, carboxymethyl cellulose, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, polyvinyl pyrrolidone, polyacrylonitrile polymers, and various rubbers (e.g. partially hydrogenated nitrile rubber) are preferred.
樹脂型分散剤は、特に、構造単位として、ニトリル基含有構造単位、カルボキシル基含有構造単位、ヒドロキシル基含有構造単位、複素環含有構造単位の群から選択される1種以上を含有する重合体を使用することで、ホウ素含有カーボンナノチューブへの吸着性と媒体への親和性が高まり、より好ましい。重合体は、主鎖にアルキレン構造を含むことが好ましく、強い分極を有するニトリル基、カルボキシル基、ヒドロキシル基、複素環のいずれかの構造を有することで、カーボンナノチューブへの吸着性と媒体への親和性を高め、カーボンナノチューブを媒体中に安定に存在させることができる。また、重合体は、ニトリル基含有構造単位、カルボキシル基含有構造単位、ヒドロキシル基含有構造単位、複素環含有構造単位の群から選択される2種以上を含有すると、さらにカーボンナノチューブへの吸着性と媒体への親和性が高まり、より好ましい。 The resin-type dispersant is more preferably made of a polymer containing one or more structural units selected from the group consisting of a nitrile group-containing structural unit, a carboxyl group-containing structural unit, a hydroxyl group-containing structural unit, and a heterocyclic ring-containing structural unit, which enhances the adsorption to boron-containing carbon nanotubes and the affinity to the medium. The polymer preferably contains an alkylene structure in the main chain, and by having any of the structures of a nitrile group, a carboxyl group, a hydroxyl group, and a heterocyclic ring, which have strong polarization, the adsorption to carbon nanotubes and the affinity to the medium can be enhanced, and the carbon nanotubes can be stably present in the medium. In addition, the polymer is more preferably made of two or more structural units selected from the group consisting of a nitrile group-containing structural unit, a carboxyl group-containing structural unit, a hydroxyl group-containing structural unit, and a heterocyclic ring-containing structural unit, which further enhances the adsorption to carbon nanotubes and the affinity to the medium.
ニトリル基含有構造単位は、ニトリル基を含む構造単位であり、好ましくはニトリル基を含む置換基により置換されたアルキレン構造を含有する構造単位を含む。アルキレン構造は、直鎖状又は分岐状のアルキレン構造であることが好ましい。ニトリル基含有構造単位に含まれるニトリル基の数は、1つまたは2つであることが好ましく、1つであることがより好ましい。重合体へのニトリル基含有構造単位の導入方法は、特に限定されないが、例えば、ニトリル基を含むモノマーの重合反応により重合体を調製する方法を好ましく用いることができる。 The nitrile group-containing structural unit is a structural unit containing a nitrile group, and preferably contains a structural unit containing an alkylene structure substituted with a substituent containing a nitrile group. The alkylene structure is preferably a linear or branched alkylene structure. The number of nitrile groups contained in the nitrile group-containing structural unit is preferably one or two, and more preferably one. There are no particular limitations on the method for introducing the nitrile group-containing structural unit into the polymer, but for example, a method of preparing a polymer by a polymerization reaction of a monomer containing a nitrile group can be preferably used.
ニトリル基を含むモノマーとしては、例えば、アクリロニトリル、メタアクリロニトリル、フマロニトリル等があげられ、1種を単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。特に、重合体同士及び/又は重合体と被分散物(被吸着物)との分子間力を高める観点、原料の入手しやすさ、反応性から、ニトリル基を含むモノマーはアクリロニトリルであることが好ましい。ニトリル基含有構造単位の含有量は、重合体の質量を基準として(すなわち、重合体の質量を100質量%とした場合に)、15質量%以上であることが好ましく、20質量%以上であることがより好ましく、30質量%以上であることが更に好ましい。また、100質量%以下であることが好ましく、90質量%以下であることがより好ましく、85質量%以下であることがさらに好ましい。ニトリル基含有構造単位の含有量を上記範囲にすることで、被分散物への吸着性及び分散媒への親和性をコントロールすることができ、被分散物を分散媒中に安定に存在させることができるものと思われる。また、重合体の電解液への親和性もコントロールでき、電池内で重合体が電解液に溶解して電解液の抵抗を増大させるなどの不具合を防ぐことができるものと思われる。 Examples of monomers containing nitrile groups include acrylonitrile, methacrylonitrile, fumaronitrile, etc., and one type can be used alone or two or more types can be used in combination. In particular, from the viewpoint of increasing the intermolecular force between polymers and/or between the polymer and the dispersed substance (adsorbed substance), ease of availability of raw materials, and reactivity, it is preferable that the monomer containing a nitrile group is acrylonitrile. The content of the nitrile group-containing structural unit is preferably 15% by mass or more, more preferably 20% by mass or more, and even more preferably 30% by mass or more, based on the mass of the polymer (i.e., when the mass of the polymer is 100% by mass). In addition, it is preferably 100% by mass or less, more preferably 90% by mass or less, and even more preferably 85% by mass or less. It is believed that by setting the content of the nitrile group-containing structural unit within the above range, it is possible to control the adsorption to the dispersed substance and the affinity to the dispersion medium, and the dispersed substance can be stably present in the dispersion medium. It is also possible to control the affinity of the polymer with the electrolyte, which is believed to prevent problems such as the polymer dissolving in the electrolyte inside the battery and increasing the resistance of the electrolyte.
カルボキシル基含有構造単位は、カルボキシル基を含む構造単位であり、好ましくはカルボキシル基を含む置換基により置換されたアルキレン構造を含有する構造単位を含む。アルキレン構造は、直鎖状又は分岐状のアルキレン構造であることが好ましい。カルボキシル基含有構造単位に含まれるカルボキシル基の数は、1つまたは2つであることが好ましく、1つであることがより好ましい。重合体へのカルボキシル基含有構造単位の導入方法は、特に限定されないが、例えば、カルボキシル基を含むモノマーの重合反応により重合体を調製する方法、または、カルボキシル基以外の官能基を含むモノマーの重合反応により重合体を調製し、カルボキシル基に変性させる方法が挙げられる。 The carboxyl group-containing structural unit is a structural unit containing a carboxyl group, and preferably contains a structural unit containing an alkylene structure substituted with a substituent containing a carboxyl group. The alkylene structure is preferably a linear or branched alkylene structure. The number of carboxyl groups contained in the carboxyl group-containing structural unit is preferably one or two, and more preferably one. The method of introducing the carboxyl group-containing structural unit into the polymer is not particularly limited, but examples include a method of preparing a polymer by polymerization reaction of a monomer containing a carboxyl group, or a method of preparing a polymer by polymerization reaction of a monomer containing a functional group other than a carboxyl group, and modifying it to a carboxyl group.
カルボキシル基を含むモノマーとしては、例えば、(メタ)アクリル酸、クロトン酸、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸、シトラコン酸等の不飽和脂肪酸、2-(メタ)アクリロイルオキシエチルフタレート、2-(メタ)アクリロイルオキシプロピルフタレート、等が挙げられる。また、(メタ)アクリルアミド等のカルバモイル基を含有するモノマーの重合反応により得られた重合体の、カルバモイル基を加水分解することで、カルボキシル基含有モノマーを得てもよい。カルボキシル基含有モノマーは、不飽和脂肪酸が好ましく、(メタ)アクリル酸がより好ましく、アクリル酸がさらに好ましい。 Examples of monomers containing a carboxyl group include unsaturated fatty acids such as (meth)acrylic acid, crotonic acid, itaconic acid, maleic acid, fumaric acid, and citraconic acid, 2-(meth)acryloyloxyethyl phthalate, and 2-(meth)acryloyloxypropyl phthalate. A carboxyl group-containing monomer may also be obtained by hydrolyzing the carbamoyl group of a polymer obtained by polymerization of a monomer containing a carbamoyl group such as (meth)acrylamide. The carboxyl group-containing monomer is preferably an unsaturated fatty acid, more preferably (meth)acrylic acid, and even more preferably acrylic acid.
カルボキシル基含有構造単位の含有量は、溶媒と適度な親和性を持たせる観点から、重合体の質量を基準として(すなわち、重合体の質量を100質量%とした場合に)、60質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、98質量%以下が好ましく、100質量%であってもよい。また、ニトリル基含有構造単位、ヒドロキシル基含有構造単位、複素環含有構造単位の群から選択される1種以上をさらに含有すると、カーボンナノチューブと媒体との親和性が高くなり、より好ましい。ニトリル基含有構造単位、ヒドロキシル基含有構造単位、複素環含有構造単位の群から選択される1種以上をさらに含有する場合、カルボキシル基含有構造単位の含有量は、重合体の質量を基準として(すなわち、重合体の質量を100質量%とした場合に)、3質量%以上であることが好ましく、10質量%以上であることがより好ましく、15質量%以上であることがさらに好ましい。また、電解液耐性の観点から、50質量%以下であることが好ましく、35質量%以下であることがより好ましく、30質量%以下であることがさらに好ましい。 The content of the carboxyl group-containing structural unit is preferably 60% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and preferably 98% by mass or less, and may be 100% by mass, based on the mass of the polymer (i.e., when the mass of the polymer is 100% by mass), from the viewpoint of having a moderate affinity with the solvent. In addition, if one or more types selected from the group of nitrile group-containing structural units, hydroxyl group-containing structural units, and heterocyclic ring-containing structural units are further contained, the affinity between the carbon nanotube and the medium is increased, which is more preferable. When one or more types selected from the group of nitrile group-containing structural units, hydroxyl group-containing structural units, and heterocyclic ring-containing structural units are further contained, the content of the carboxyl group-containing structural unit is preferably 3% by mass or more, more preferably 10% by mass or more, and even more preferably 15% by mass or more, based on the mass of the polymer (i.e., when the mass of the polymer is 100% by mass). In addition, from the viewpoint of electrolyte resistance, it is preferably 50% by mass or less, more preferably 35% by mass or less, and even more preferably 30% by mass or less.
ヒドロキシル基含有構造単位は、ヒドロキシル基を含む構造単位であり、好ましくは、ヒドロキシル基を含む置換基により置換されたアルキレン構造を含有する構造単位を含む。アルキレン構造は、直鎖状又は分岐状のアルキレン構造であることが好ましい。ヒドロキシル基含有構造単位に含まれるヒドロキシル基の数は、1つまたは2つであることが好ましく、1つであることがより好ましい。重合体へのヒドロキシル基含有構造単位の導入方法は、特に限定されないが、例えば、ヒドロキシル基を含むモノマーの重合反応により重合体を調製する方法、または、ヒドロキシル基以外の官能基を含むモノマーの重合反応により重合体を調製し、ヒドロキシル基に変性させる方法が挙げられる。 The hydroxyl group-containing structural unit is a structural unit containing a hydroxyl group, and preferably contains a structural unit containing an alkylene structure substituted with a substituent containing a hydroxyl group. The alkylene structure is preferably a linear or branched alkylene structure. The number of hydroxyl groups contained in the hydroxyl group-containing structural unit is preferably one or two, and more preferably one. The method of introducing the hydroxyl group-containing structural unit into the polymer is not particularly limited, but examples include a method of preparing a polymer by polymerization reaction of a monomer containing a hydroxyl group, or a method of preparing a polymer by polymerization reaction of a monomer containing a functional group other than a hydroxyl group, and modifying it to a hydroxyl group.
ヒドロキシル基を含むモノマーとしては、例えば、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、3-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4-ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、グリセロールモノ(メタ)アクリレート、4-ヒドロキシビニルベンゼン、2-ヒドロキシ-3-フェノキシプロピルアクリレートまたはこれらモノマーのカプロラクトン付加物(付加モル数は1~5)等が挙げられる。ヒドロキシル基を含むモノマーは、ヒドロキシアルキル(メタ)アクリレートが好ましく、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレートがより好ましく、2-ヒドロキシエチルアクリレートがさらに好ましい。 Examples of monomers containing a hydroxyl group include 2-hydroxyethyl (meth)acrylate, 3-hydroxypropyl (meth)acrylate, 4-hydroxybutyl (meth)acrylate, glycerol mono(meth)acrylate, 4-hydroxyvinylbenzene, 2-hydroxy-3-phenoxypropyl acrylate, and caprolactone adducts of these monomers (number of moles added is 1 to 5). The monomer containing a hydroxyl group is preferably a hydroxyalkyl (meth)acrylate, more preferably 2-hydroxyethyl (meth)acrylate, and even more preferably 2-hydroxyethyl acrylate.
ヒドロキシル基以外の官能基を含むモノマーの重合反応により重合体を調製し、ヒドロキシル基に変性させる方法としては、例えば、酢酸ビニルを重合して得られたポリ酢酸ビニルのアセチル基を、水酸化ナトリウム等のアルカリによりけん化し、ヒドロキシル基とする方法が挙げられる(けん化反応)。水酸化ナトリウムの濃度と処理時間を変えることで、けん化の反応率(けん化度)を任意にコントロールすることができる。 As a method for preparing a polymer by polymerization reaction of a monomer containing a functional group other than a hydroxyl group and modifying it to a hydroxyl group, for example, there is a method in which the acetyl group of polyvinyl acetate obtained by polymerizing vinyl acetate is saponified with an alkali such as sodium hydroxide to convert it to a hydroxyl group (saponification reaction). The saponification reaction rate (degree of saponification) can be controlled as desired by changing the concentration of sodium hydroxide and the treatment time.
また、カーボンナノチューブと媒体との親和性を高める等の目的で、重合体中のヒドロキシル基をアルデヒド化合物と反応させ、アセタール基に変性させて用いてもよい(アセタール化)。アセタール化反応に用いるアルデヒド化合物は、例えば、炭素数1~15の直鎖状、分枝状、環状飽和、不飽和、又は芳香族のアルデヒド等化合物等を用いることができるが、これらに限定されない。具体的には、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオニルアルデヒド、n-ブチルアルデヒド、イソブチルアルデヒド、tert-ブチルアルデヒド、ベンズアルデヒド等が挙げられる。これらのアルデヒド化合物は単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。汎用性の観点で、炭素数1~10の直鎖状、分枝状、環状飽和、不飽和、又は芳香族のアルデヒド等化合物が好ましく、炭素数1~4の直鎖状のアルデヒド化合物がより好ましい。アルデヒド化合物と処理時間を変えることで、アセタール化の反応率(アセタール化度)を任意にコントロールすることができる。 In addition, for the purpose of increasing the affinity between the carbon nanotube and the medium, the hydroxyl group in the polymer may be reacted with an aldehyde compound and modified into an acetal group (acetalization). The aldehyde compound used in the acetalization reaction may be, for example, a linear, branched, cyclic saturated, unsaturated, or aromatic aldehyde compound having 1 to 15 carbon atoms, but is not limited thereto. Specific examples include formaldehyde, acetaldehyde, propionyl aldehyde, n-butyl aldehyde, isobutyl aldehyde, tert-butyl aldehyde, and benzaldehyde. These aldehyde compounds may be used alone or in combination of two or more. From the viewpoint of versatility, linear, branched, cyclic saturated, unsaturated, or aromatic aldehyde compounds having 1 to 10 carbon atoms are preferred, and linear aldehyde compounds having 1 to 4 carbon atoms are more preferred. By changing the aldehyde compound and treatment time, the acetalization reaction rate (degree of acetalization) can be controlled as desired.
ヒドロキシル基含有構造単位の含有量は、重合体の質量を基準として(すなわち、重合体の質量を100質量%とした場合に)、80質量%以上であることが好ましく、85質量%以上であることがより好ましく、99.8質量%以下であることが好ましい。ただし、ニトリル基含有構造単位、ヒドロキシル基含有構造単位、複素環含有構造単位の群から選択される1種以上をさらに含有する場合には、5質量%以上であることが好ましく、95質量%以下であることが好ましく、85質量%以下であることがより好ましい。上記範囲とすることで、分極を強め、カーボンナノチューブおよび媒体への親和性を高めることができる。また、電解液耐性の観点からも好ましい。アセタール基の含有量は、前記ヒドロキシル基含有構造単位の含有量と同様の理由から、前記ヒドロキシル基含有構造単位の含有量の好ましい範囲内とするのが好ましい。 The content of the hydroxyl group-containing structural unit is preferably 80% by mass or more, more preferably 85% by mass or more, and more preferably 99.8% by mass or less, based on the mass of the polymer (i.e., when the mass of the polymer is 100% by mass). However, when one or more selected from the group consisting of a nitrile group-containing structural unit, a hydroxyl group-containing structural unit, and a heterocyclic ring-containing structural unit are further contained, the content is preferably 5% by mass or more, preferably 95% by mass or less, and more preferably 85% by mass or less. By setting the content in the above range, it is possible to strengthen the polarization and increase the affinity to the carbon nanotube and the medium. It is also preferable from the viewpoint of electrolyte resistance. For the same reasons as those for the content of the hydroxyl group-containing structural unit, the content of the acetal group is preferably set within the preferred range of the content of the hydroxyl group-containing structural unit.
複素環含有構造単位は、複素環を含む構造単位であり、複素環を含む置換基により置換されたアルキレン構造を含有する構造単位がより好ましい。アルキレン構造は、直鎖状又は分岐状のアルキレン構造であることが好ましい。複素環含有構造単位に含まれる複素環は、単環構造であっても縮合環構造であってもよいが、単環構造であることが好ましい。また、複素環含有構造単位に含まれる複素環の数は、1つまたは2つであることが好ましく、1つであることがより好ましい。複素環は環を構成する原子に炭素以外の原子を含んでおり、例えば、1つまたは2つ以上の窒素、酸素、硫黄原子等を含む。環を構成する炭素以外の原子としては、窒素、または酸素が好ましく、窒素がより好ましい。環を構成する原子に炭素以外の原子を含むと、複素環内で分極が生じ、カーボンナノチューブに強く作用できるようになる。また、重合体への複素環の導入方法は、特に限定されないが、例えば、複素環を含むモノマーの重合反応により重合体を調製する方法を用いることができる。 The heterocycle-containing structural unit is a structural unit containing a heterocycle, and more preferably a structural unit containing an alkylene structure substituted with a substituent containing a heterocycle. The alkylene structure is preferably a linear or branched alkylene structure. The heterocycle contained in the heterocycle-containing structural unit may be a monocyclic structure or a condensed ring structure, but is preferably a monocyclic structure. The number of heterocycles contained in the heterocycle-containing structural unit is preferably one or two, more preferably one. The heterocycle contains an atom other than carbon in the ring-constituting atoms, and for example, contains one or more nitrogen, oxygen, sulfur atoms, etc. As the atom other than carbon constituting the ring, nitrogen or oxygen is preferable, and nitrogen is more preferable. When the ring-constituting atoms contain an atom other than carbon, polarization occurs in the heterocycle, and it becomes possible to strongly act on the carbon nanotube. The method of introducing a heterocycle into a polymer is not particularly limited, but for example, a method of preparing a polymer by a polymerization reaction of a monomer containing a heterocycle can be used.
複素環を含むモノマーとしては、N-ビニル環状アミド構造単位が好ましく、例えば、N-ビニル-2-ピロリドン、N-ビニル-ε-カプロラクタム、N-ビニル-2-ピペリドン、N-ビニル-3-モルホリノン、N-ビニル-1,3-オキサジン-2-オン、N-ビニル-3,5-モルホリンジオン、等が挙げられる。特に、電池特性向上の観点からN-ビニル-2-ピロリドンが好ましい。なお、これらは、単独で、または、2種以上を組み合わせて用いることができる。 As a monomer containing a heterocycle, an N-vinyl cyclic amide structural unit is preferred, and examples thereof include N-vinyl-2-pyrrolidone, N-vinyl-ε-caprolactam, N-vinyl-2-piperidone, N-vinyl-3-morpholinone, N-vinyl-1,3-oxazin-2-one, and N-vinyl-3,5-morpholinedione. In particular, N-vinyl-2-pyrrolidone is preferred from the viewpoint of improving battery characteristics. These can be used alone or in combination of two or more kinds.
複素環含有構造単位の含有量は、重合体の質量を基準として(すなわち、重合体の質量を100質量%とした場合に)、前記カーボンナノチューブへの作用を高める観点から、70質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがさらに好ましく、95質量%以上であることが特に好ましく、100質量%であってもよい。 The content of the heterocycle-containing structural unit is preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, even more preferably 90% by mass or more, particularly preferably 95% by mass or more, based on the mass of the polymer (i.e., when the mass of the polymer is 100% by mass), from the viewpoint of enhancing the effect on the carbon nanotubes, and may be 100% by mass.
重合体は、さらに、その他の構造単位として、活性水素基含有構造単位(カルボキシル基およびヒドロキシル基を除く)、塩基性基含有構造単位、およびエステル基含有構造単位からなる群より選択される1種以上の構造単位を含んでもよい。本発明の導電材分散体を適用する基材や混合する材料の親水性、疎水性、酸性、塩基性等の特性に合わせて上記構造単位を選択し、含有させることで、種々の用途に適用することができる。 The polymer may further contain, as other structural units, one or more structural units selected from the group consisting of active hydrogen group-containing structural units (excluding carboxyl groups and hydroxyl groups), basic group-containing structural units, and ester group-containing structural units. By selecting and incorporating the above structural units in accordance with the properties such as hydrophilicity, hydrophobicity, acidity, and basicity of the substrate to which the conductive material dispersion of the present invention is applied or the material to be mixed, the conductive material dispersion of the present invention can be used for various purposes.
活性水素基含有構造単位は、活性水素基として、例えば、一級アミノ基、二級アミノ基、メルカプト基等を有する構造単位である。ここで、「一級アミノ基」とは、-NH2(アミノ基)を意味し、「二級アミノ基」とは、一級アミノ基上の一つの水素原子がアルキル基等の有機残基で置換された基を意味する。ただし、酸アミド中の一級アミノ基および二級アミノ基は、本明細書では、活性水素基には含めない。 The active hydrogen group-containing structural unit is a structural unit that has, for example, a primary amino group, a secondary amino group, a mercapto group, or the like as an active hydrogen group. Here, "primary amino group" means -NH2 (amino group), and "secondary amino group" means a group in which one hydrogen atom on a primary amino group is replaced with an organic residue such as an alkyl group. However, in this specification, the primary amino group and secondary amino group in an acid amide are not included in the active hydrogen group.
塩基性基含有構造単位は、塩基性基を有する構造単位である。塩基性基としては、例えば、3級アミノ基、アミド基などが挙げられる。なお、1級アミノ基を有する構造単位、および2級アミノ基を有する構造単位は、塩基性基含有構造単位にも含まれうるが、本発明においては前記活性水素基含有構造単位として扱い、塩基性基含有構造単位には含めない。 The basic group-containing structural unit is a structural unit that has a basic group. Examples of basic groups include tertiary amino groups and amide groups. Note that structural units that have a primary amino group and structural units that have a secondary amino group can also be included in the basic group-containing structural units, but in the present invention, they are treated as the active hydrogen group-containing structural units and are not included in the basic group-containing structural units.
エステル基含有構造単位 は、(R1)2C=CH-CO-O-R2で表される構造(ただし、R1は水素原子またはメチル基であって少なくとも一方が水素原子であり、R2は置換基を有していてもよいアルキル基である)を有する構造単位である。
なお、アルキル基の置換基として前記活性水素基または前記塩基性基を含むものは、前記活性水素基含有構造単位または前記塩基性基含有構造単位として扱い、エステル基含有構造単位には含めない。
The ester group-containing structural unit is a structural unit having a structure represented by (R1) 2 C=CH-CO-O-R2 (wherein R1 is a hydrogen atom or a methyl group, at least one of which is a hydrogen atom, and R2 is an alkyl group which may have a substituent).
In addition, those containing the active hydrogen group or basic group as the substituent of the alkyl group are treated as the active hydrogen group-containing structural unit or the basic group-containing structural unit, and are not included in the ester group-containing structural unit.
重合体の製造方法は、特に限定はされず、例えば、溶液重合法、懸濁重合法、塊状重合法、乳化重合法、沈殿重合等が挙げられるところ、溶液重合または沈殿重合法が好ましい。重合反応系は、例えば、イオン重合、フリーラジカル重合、リビングラジカル重合などの付加重合等が挙げられるところ、フリーラジカル重合またはリビングラジカル重合が好ましい。また、ラジカル重合開始剤は、例えば、過酸化物、アゾ系開始剤等が挙げられる。重合体の重合に際して、連鎖移動剤等の分子量調整剤が使用できる。 The method for producing the polymer is not particularly limited, and examples thereof include solution polymerization, suspension polymerization, bulk polymerization, emulsion polymerization, and precipitation polymerization, with solution polymerization or precipitation polymerization being preferred. The polymerization reaction system may include addition polymerization such as ionic polymerization, free radical polymerization, and living radical polymerization, with free radical polymerization or living radical polymerization being preferred. Examples of the radical polymerization initiator include peroxides and azo-based initiators. When polymerizing the polymer, a molecular weight regulator such as a chain transfer agent can be used.
重合開始剤としては、ラジカル重合を行う場合は、以下に限定されるものではないが、例えば、ジ-t-ブチルパーオキサイド、ラウロイルパーオキサイド、ステアリルパーオキサイド、ベンゾイルパーオキサイド、t-ブチルパーオキシネオデカネート、t-ブチルパーオキシピバレート、ジラウロイルパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、t-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート、1,1-ビス(t-ブチルパーオキシ)-3,3,5-トリメチルシクロヘキサン、1,1-ビス(t-ブチルパーオキシ)シクロヘキサン等の有機過酸化物や、アゾビスイソブチロニトリル、アゾビスイソバレロニトリル、1,1-アゾビス(1-シクロヘキサンカルボニトリル)、2,2'-アゾビス-4-メトキシ-2,4-アゾビスイソブチロニトリル、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-2-メチルブチロニトリル等のアゾ系の一般的なラジカル重合開始剤を挙げることができる。これらは一種のみを単独で用いてもよく、二種以上を併用してもよい。これらの重合開始剤は、使用する全モノマーの総質量を基準として(すなわち、全モノマーの総質量を100質量%とした場合に)、1質量%以下で用いるのが一般的であり、重合を行う温度と開始剤の半減期を考慮して適宜選ぶことができる。 When radical polymerization is performed, the polymerization initiator may be, but is not limited to, di-t-butyl peroxide, lauroyl peroxide, stearyl peroxide, benzoyl peroxide, t-butyl peroxy neodecane, t-butyl peroxy pivalate, dilauroyl peroxide, dicumyl peroxide, t-butylperoxy-2-ethylhexanoate, 1,1-bis(t-butylperoxy)-3,3,5-trimethyl Examples of the initiator include organic peroxides such as cyclohexane and 1,1-bis(t-butylperoxy)cyclohexane, and general azo-based radical polymerization initiators such as azobisisobutyronitrile, azobisisovaleronitrile, 1,1-azobis(1-cyclohexanecarbonitrile), 2,2'-azobis-4-methoxy-2,4-azobisisobutyronitrile, 2,2'-azobis-2,4-dimethylvaleronitrile, and 2,2'-azobis-2-methylbutyronitrile. These initiators may be used alone or in combination of two or more. These polymerization initiators are generally used in an amount of 1% by mass or less based on the total mass of all monomers used (i.e., when the total mass of all monomers is taken as 100% by mass), and can be appropriately selected taking into consideration the temperature at which the polymerization is performed and the half-life of the initiator.
重合体の製造工程においては、本発明の目的を損わない範囲で、連鎖移動剤等を用いて製造する重合体の分子量の制御を行うことができる。連鎖移動剤は例えば、例えば、オクチルメルカプタン、ノニルメルカプタン、デシルメルカプタン、ドデシルメルカプタン、3-メルカプト-1,2-プロパンジオール等のアルキルメルカプタン類、チオグリコール酸オクチル、チオグリコール酸ノニル、チオグリコール酸-2-エチルヘキシル等のチオグリコール酸エステル類、2,4-ジフェニル-4-メチル-1-ペンテン、1-メチル-4-イソプロピリデン-1-シクロヘキセン、-ピネン、β-ピネン等が挙げられる。取扱性や安定性の点から、特に、3-メルカプト-1,2-プロパンジオール、チオグリコール酸エステル類、2,4-ジフェニル-4-メチル-1-ペンテン、1-メチル-4-イソプロピリデン-1-シクロヘキセン、-ピネン、β-ピネン等が好ましい。これらは、要求される分子量に応じて適宜添加することができ、具体的には、連鎖移動剤の使用量は、重合体の質量を基準として(すなわち、重合体の質量を100質量%とした場合に)、0.01~4質量%が好ましく、0.1~2質量%がより好ましい。 In the polymer production process, the molecular weight of the polymer produced can be controlled using a chain transfer agent or the like within the scope of the present invention. Examples of chain transfer agents include alkyl mercaptans such as octyl mercaptan, nonyl mercaptan, decyl mercaptan, dodecyl mercaptan, and 3-mercapto-1,2-propanediol, thioglycolic acid esters such as octyl thioglycolate, nonyl thioglycolate, and 2-ethylhexyl thioglycolate, 2,4-diphenyl-4-methyl-1-pentene, 1-methyl-4-isopropylidene-1-cyclohexene, -pinene, and β-pinene. In terms of ease of handling and stability, 3-mercapto-1,2-propanediol, thioglycolic acid esters, 2,4-diphenyl-4-methyl-1-pentene, 1-methyl-4-isopropylidene-1-cyclohexene, -pinene, and β-pinene are particularly preferred. These can be added appropriately depending on the required molecular weight. Specifically, the amount of chain transfer agent used is preferably 0.01 to 4 mass%, and more preferably 0.1 to 2 mass%, based on the mass of the polymer (i.e., when the mass of the polymer is 100 mass%).
また、その他の分子量制御方法としては重合方法を変える方法、重合開始剤の量を調整する方法、重合温度を変更する方法等が挙げられる。これらの分子量制御方法は、一種の方法だけを単独で用いてもよいし、二種以上の方法を併用してもよい。 Other molecular weight control methods include changing the polymerization method, adjusting the amount of polymerization initiator, and changing the polymerization temperature. These molecular weight control methods may be used alone or in combination of two or more methods.
カーボンナノチューブ分散液において分散剤として重合体を用いる場合、重合体の含有量は、カーボンナノチューブの比表面積と濡れやすさに応じて決めるのが好ましく、導電材の質量を基準として(すなわち、カーボンナノチューブの質量を100質量%とした場合に)、2質量%以上であることが好ましく、20質量%以上であることがより好ましく、30質量%以上であることがさらに好ましく、また、250質量%以下であることが好ましく、150質量%以下であることがより好ましく、100質量%以下であることがさらに好ましい。 When a polymer is used as a dispersant in the carbon nanotube dispersion, the content of the polymer is preferably determined according to the specific surface area and wettability of the carbon nanotubes, and is preferably 2% by mass or more, more preferably 20% by mass or more, and even more preferably 30% by mass or more, based on the mass of the conductive material (i.e., when the mass of the carbon nanotubes is taken as 100% by mass), and is preferably 250% by mass or less, more preferably 150% by mass or less, and even more preferably 100% by mass or less.
分散剤は、少なくとも重合体を含有することが好ましい。分散剤は、任意の重合体、任意の共重合体等を更に含んでもよい。分散剤における重合体の含有量は、50質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがより好ましい。分散剤における重合体の含有量は100質量%であってもよく、この場合、分散剤は重合体のみからなる。 The dispersant preferably contains at least a polymer. The dispersant may further contain any polymer, any copolymer, etc. The polymer content in the dispersant is preferably 50% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and even more preferably 90% by mass or more. The polymer content in the dispersant may be 100% by mass, in which case the dispersant consists of only the polymer.
本発明のカーボンナノチューブ分散液のpHは、7.0以上が好ましく、8.0以上がより好ましく、9.0以上がさらに好ましい。また、12.0以下が好ましく、11.0以下がより好ましい。pHを上記範囲内に調整することで、カーボンナノチューブの濡れ性を向上させ、さらに、重合体の分散剤としての作用を高めることができるものと思われる。pHが上記範囲外であると、カーボンナノチューブの分散性が低下したり、バインダーのゲル化を招くことがある。また、電池用途に使用した場合は、電池内での各種原料及び外装材等の腐食といった問題が生じやすくなるおそれがある。
カーボンナノチューブ分散液のpHは、溶媒として水を含む場合、一般的なpHメーターを用いて測定することができる。一方、溶媒として実質的に水を含んでいない場合、例えば溶媒としてNMPのみを選択した場合は、カーボンナノチューブ分散液に水を添加することで、水を添加する前の固形分濃度を100%としたとき、水を添加した後の固形分濃度が50%となるように調製し、一般的なpHメーターを用いて測定した値を指し、例えば、以下の方法で測定することができる。
固形分濃度5%のカーボンナノチューブ分散液を、ディスパーなどで攪拌しながら、カーボンナノチューブ分散液の固形分濃度が2.5%になるように水を添加する。均一に攪拌した後、25℃にて、卓上型pHメーター(セブンコンパクトS220Expert Pro、メトラー・トレド製)を用いることで、カーボンナノチューブ分散液のpHを測定することができる。
尚、本発明において、実質的に水を含まない、とは意図して水を添加しないことを意味する。溶媒の質量を基準として、5質量%未満であることが好ましく、1質量%未満がより好ましく、0.5質量%未満が更に好ましい。
The pH of the carbon nanotube dispersion of the present invention is preferably 7.0 or more, more preferably 8.0 or more, and even more preferably 9.0 or more. Also, it is preferably 12.0 or less, and more preferably 11.0 or less. It is believed that by adjusting the pH within the above range, the wettability of the carbon nanotubes can be improved, and further, the action as a dispersant for the polymer can be enhanced. If the pH is outside the above range, the dispersibility of the carbon nanotubes may decrease, or the binder may gel. In addition, when used for battery applications, problems such as corrosion of various raw materials and exterior materials in the battery may easily occur.
The pH of the carbon nanotube dispersion liquid can be measured using a general pH meter when it contains water as a solvent. On the other hand, when it does not substantially contain water as a solvent, for example, when only NMP is selected as the solvent, the carbon nanotube dispersion liquid is prepared by adding water to the carbon nanotube dispersion liquid so that the solid concentration after adding water is 50% when the solid concentration before adding water is 100%, and the pH value is measured using a general pH meter, and can be measured, for example, by the following method.
Water is added to a carbon nanotube dispersion having a solid content of 5% while stirring the carbon nanotube dispersion with a disperser or the like so that the solid content of the carbon nanotube dispersion becomes 2.5%. After stirring uniformly, the pH of the carbon nanotube dispersion can be measured at 25° C. using a benchtop pH meter (Seven Compact S220 Expert Pro, manufactured by Mettler Toledo).
In the present invention, "substantially free of water" means that water is not intentionally added. The water content is preferably less than 5% by mass, more preferably less than 1% by mass, and even more preferably less than 0.5% by mass, based on the mass of the solvent.
カーボンナノチューブ分散液のpHは、特に限定されないが、(1)カーボンナノチューブ中に含まれる金属水酸化物量、(2)カーボンナノチューブ表面の官能基種や量、(3)添加する塩基種や量、によって調整することができる。上記(1)~(3)等の因子を総合してpHを調整することで、カーボンナノチューブの濡れ性を向上するだけでなく、分散性だけでなく安定性にも優れるカーボンナノチューブ分散液を得ることができる。 The pH of the carbon nanotube dispersion is not particularly limited, but can be adjusted by (1) the amount of metal hydroxide contained in the carbon nanotubes, (2) the type and amount of functional groups on the carbon nanotube surface, and (3) the type and amount of base added. By adjusting the pH by combining factors such as (1) to (3) above, it is possible to obtain a carbon nanotube dispersion that not only improves the wettability of the carbon nanotubes, but also has excellent dispersibility and stability.
上述の通り、カーボンナノチューブには、その製造工程において、触媒として使用される金属や金属酸化物、金属水酸化物が系中に残存している。カーボンナノチューブ中に残存する金属量のうち、特に上記(1)の、金属水酸化物の含有量を適切に調整することでpHを調整することができる。カーボンナノチューブは従来公知の純化処理方法で、残存金属量、炭素純度、そして、それを含むカーボンナノチューブ分散液のpHを調整することができる。 As mentioned above, metals, metal oxides, and metal hydroxides used as catalysts in the manufacturing process remain in the carbon nanotubes. The pH can be adjusted by appropriately adjusting the amount of metals remaining in the carbon nanotubes, particularly the content of metal hydroxides (1) above. The amount of remaining metals and carbon purity of carbon nanotubes, as well as the pH of the carbon nanotube dispersion liquid containing them, can be adjusted by conventionally known purification methods.
上記(2)の、カーボンナノチューブ表面の官能基は特に限定されないが、カルボキシル基やスルホ基、水酸基が挙げられる。カーボンナノチューブへの官能基の導入方法については特に限定されない。例えば、カーボンナノチューブにカルボキシル基を導入するには、酸化作用を有する酸とともに加熱すればよい。この操作は比較的容易であり、しかも反応性に富むカルボキシル基を付加することができるため、好ましい。酸化作用を有する酸としては、濃硝酸、過酸化水素水、硫酸と硝酸の混合液、王水等が挙げられる。特に濃硝酸を用いる場合には、その濃度としては、5質量%以上が好ましく、60質量%以上がより好ましい。加熱は、常法にて行えばよいが、その温度としては、使用する酸の沸点以下が好ましい。例えば、濃硝酸では50~130℃の範囲が好ましい。また、加熱の時間としては、30分~20時間の範囲が好ましく、1時間~8時間の範囲がより好ましい。カーボンナノチューブはカルボキシル基やスルホ基等の酸性官能基を有さないことが好ましい。酸性官能基を多く含むと、カーボンナノチューブ分散液が貯蔵中にゲル化する恐れがある。 The functional group on the carbon nanotube surface in (2) above is not particularly limited, but examples thereof include carboxyl groups, sulfo groups, and hydroxyl groups. There is no particular limit to the method of introducing functional groups into the carbon nanotube. For example, to introduce carboxyl groups into the carbon nanotube, it is sufficient to heat the carbon nanotube together with an acid having an oxidizing effect. This operation is relatively easy and is preferable because it can add highly reactive carboxyl groups. Examples of acids having an oxidizing effect include concentrated nitric acid, hydrogen peroxide, a mixture of sulfuric acid and nitric acid, aqua regia, etc. In particular, when concentrated nitric acid is used, the concentration is preferably 5% by mass or more, and more preferably 60% by mass or more. Heating may be performed by a conventional method, but the temperature is preferably below the boiling point of the acid used. For example, the range of 50 to 130°C is preferable for concentrated nitric acid. In addition, the heating time is preferably in the range of 30 minutes to 20 hours, and more preferably in the range of 1 hour to 8 hours. It is preferable that the carbon nanotube does not have an acidic functional group such as a carboxyl group or a sulfo group. If the carbon nanotube dispersion contains a large number of acidic functional groups, there is a risk that it will gel during storage.
上記(3)の、pH調整のために添加する塩基としては、特に限定されず、具体的には、無機塩基、無機金属塩、有機水酸化物、その他有機塩基、からなる群から選ばれる少なくとも一種の塩基を用いることができる。 The base added to adjust the pH in (3) above is not particularly limited, and specifically, at least one base selected from the group consisting of inorganic bases, inorganic metal salts, organic hydroxides, and other organic bases can be used.
無機塩基及び無機金属塩としては、例えば、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の、塩化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩、タングステン酸塩、バナジウム酸塩、モリブデン酸塩、ニオブ酸塩、又はホウ酸塩;及び水酸化アンモニウム等が挙げられる。これらの中でも容易にカチオンを供給できる観点から、アルカリ金属、アルカリ土類金属の塩化物、水酸化物、炭酸塩、アルコキシドが好ましい。アルカリ金属の水酸化物としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられる。アルカリ土類金属の水酸化物としては、例えば、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム等が挙げられる。アルカリ金属の炭酸塩は、例えば、炭酸リチウム、炭酸水素リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム等が挙げられる。アルカリ金属のアルコキシドは、例えば、リチウムメトキシド、リチウムエトキシド、リチウム-n-ブトキシド、リチウム-t-ブトキシド、カリウムメトキシド、カリウムエトキシド、カリウム-n-ブトキシド、カリウム-t-ブトキシド、ナトリウムメトキシド、ナトリウムエトキシド、ナトリウム-n-ブトキシド、ナトリウム-t-ブトキシド等が挙げられる。アルコキシドの炭素数は5以上であってもよい。アルカリ土類金属のアルコキシドは、例えば、マグネシウムメトキシド、マグネシウムエトキシド、マグネシウム-n-ブトキシド、マグネシウム-t-ブトキシド等が挙げられる。アルコキシドの炭素数は5以上であってもよい。
これらの中でも、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、リチウム-t-ブトキシド、カリウム-t-ブトキシド、ナトリウム-t-ブトキシド、がより好ましい。なお、本発明の無機塩基および及びが有する金属は、遷移金属であってもよい。
Examples of inorganic bases and inorganic metal salts include chlorides, hydroxides, carbonates, nitrates, sulfates, phosphates, tungstates, vanadates, molybdates, niobates, or borates of alkali metals or alkaline earth metals; and ammonium hydroxide. Among these, chlorides, hydroxides, carbonates, and alkoxides of alkali metals and alkaline earth metals are preferred from the viewpoint of easily supplying cations. Examples of hydroxides of alkali metals include lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide. Examples of hydroxides of alkaline earth metals include calcium hydroxide and magnesium hydroxide. Examples of carbonates of alkali metals include lithium carbonate, lithium hydrogen carbonate, sodium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium carbonate, and potassium hydrogen carbonate. Examples of the alkoxide of an alkali metal include lithium methoxide, lithium ethoxide, lithium n-butoxide, lithium t-butoxide, potassium methoxide, potassium ethoxide, potassium n-butoxide, potassium t-butoxide, sodium methoxide, sodium ethoxide, sodium n-butoxide, and sodium t-butoxide. The number of carbon atoms of the alkoxide may be 5 or more. Examples of the alkoxide of an alkaline earth metal include magnesium methoxide, magnesium ethoxide, magnesium n-butoxide, and magnesium t-butoxide. The number of carbon atoms of the alkoxide may be 5 or more.
Among these, lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium carbonate, sodium carbonate, lithium t-butoxide, potassium t-butoxide, and sodium t-butoxide are more preferable. The metal contained in the inorganic base and of the present invention may be a transition metal.
有機水酸化物は、有機カチオンと水酸化物イオンとを含む塩である。有機水酸化物としては、例えば、トリメチル-2-ヒドロキシエチルアンモニウムヒドロキシド、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、セチルトリメチルアンモニウムヒドロキシド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムヒドロキシド、トリメチルフェニルアンモニウムヒドロキシド、3-トリフルオロメチル-フェニルトリメチルアンモニウムヒドロキシド、ベンジルトリメチルアンモニウムヒドロキシド等が挙げられる。これらの中でも、トリメチル-2-ヒドロキシエチルアンモニウムヒドロキシド、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドが特に好ましい。 An organic hydroxide is a salt containing an organic cation and a hydroxide ion. Examples of organic hydroxides include trimethyl-2-hydroxyethylammonium hydroxide, tetramethylammonium hydroxide, cetyltrimethylammonium hydroxide, hexadecyltrimethylammonium hydroxide, trimethylphenylammonium hydroxide, 3-trifluoromethyl-phenyltrimethylammonium hydroxide, and benzyltrimethylammonium hydroxide. Among these, trimethyl-2-hydroxyethylammonium hydroxide and tetramethylammonium hydroxide are particularly preferred.
その他有機塩基としては、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ヘキシルアミン、オクチルアミン、ジオクチルアミン、トリオクチルアミン、アミノエタノール、アミノプロパノール、アミノブタノール、2-メトキシエチルアミン等が挙げられる。これら有機機塩基は電解液への溶解度が高いため、使用量が多すぎると電池性能を低下させる恐れがある。また、これらの化合物は分解しやすいことから、分解物が塗膜中に残留する可能性があり、電池中に存在すると初期容量が低下する恐れがある。 Other organic bases include methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, hexylamine, octylamine, dioctylamine, trioctylamine, aminoethanol, aminopropanol, aminobutanol, and 2-methoxyethylamine. These organic bases have high solubility in the electrolyte, so using too much of them may reduce battery performance. In addition, these compounds are prone to decomposition, so the decomposition products may remain in the coating film, and if they are present in the battery, the initial capacity may decrease.
塩基の使用量は、重合体の質量を基準として1質量%以上であることが好ましく、2質量%以上であることがより好ましく、3質量%以上であることが更に好ましい。塩基の使用量は、重合体の質量を基準として20質量%以下であることが好ましく、15質量%以下であることがより好ましく、10質量%以下であることが更に好ましい。使用量が多すぎると、得られるカーボンナノチューブ分散液の安定性が不良となるおそれがある。さらに、分散装置及び/又は電池内部の腐食の原因となり得る。 The amount of base used is preferably 1% by mass or more, more preferably 2% by mass or more, and even more preferably 3% by mass or more, based on the mass of the polymer. The amount of base used is preferably 20% by mass or less, more preferably 15% by mass or less, and even more preferably 10% by mass or less, based on the mass of the polymer. If the amount used is too large, the stability of the resulting carbon nanotube dispersion may be poor. Furthermore, it may cause corrosion of the dispersion device and/or the inside of the battery.
pHを所定の値に調整することで分散性が向上する理由は定かではないが、以下の要因等が考えられる。尚、分散性が向上する理由は、下記(1)~(3)に挙げた要因に限定されない。
(1)重合体の分散性を高める。
pHを所定の値に調整することで、ニトリル基含有構造単位、カルボキシル基含有構造単位、ヒドロキシル基含有構造単位、複素環含有構造単位の群から選択される一種以上を含有する重合体の、被分散物への吸着力を高めることができる。また、構造単位の有する官能基は水素結合を形成し得ることから、重合体の分子内に水素結合による架橋構造が導入され、被分散物に三次元的に吸着することができ、分散性だけでなく安定性にも優れる分散液を得ることができるものと思われる。
(2)重合体の溶液粘度を低下させる。
重合体を溶媒に溶解させて使用する際に、重合体溶液の粘度が低いと、凝集力の強いカーボンナノチューブの内部に分散剤が入り込みやすくなり、均一な分散液を得ることができるものと思われる。
(3)カーボンナノチューブの濡れ性を向上する。
カーボンナノチューブを分散する場合、カーボンナノチューブを溶媒で濡らすことでカーボンナノチューブ同士の凝集力を低下させ、その後解砕し、それを安定化させることで分散液として存在することができる。カーボンナノチューブは、他の導電材と比して濡れ性が顕著に低いため、カーボンナノチューブを化学処理、あるいは機械的に破砕する等の前処理による濡れ性改善の所作が必要となるが、これら処理によって導電性が低下する恐れがある。pHを所定の値に調整することでカーボンナノチューブの有する導電性を損なうことなく、濡れ性を飛躍的に向上させることができるものと思われる。
The reason why the dispersibility is improved by adjusting the pH to a predetermined value is unclear, but the following factors are considered. The reasons why the dispersibility is improved are not limited to the factors (1) to (3) listed below.
(1) Improve the dispersibility of the polymer.
By adjusting pH to a predetermined value, the polymer containing one or more selected from the group consisting of nitrile group-containing structural unit, carboxyl group-containing structural unit, hydroxyl group-containing structural unit, and heterocyclic ring-containing structural unit can increase the adsorption power to the dispersed material.In addition, since the functional group of the structural unit can form hydrogen bond, the crosslinked structure by hydrogen bond is introduced into the molecule of the polymer, and it can be three-dimensionally adsorbed to the dispersed material, and it is considered that the dispersion liquid having excellent not only dispersibility but also stability can be obtained.
(2) It reduces the solution viscosity of the polymer.
When a polymer is dissolved in a solvent and used, if the viscosity of the polymer solution is low, the dispersant can easily penetrate into the carbon nanotubes, which have strong cohesive forces, and it is believed that a uniform dispersion can be obtained.
(3) Improve the wettability of carbon nanotubes.
When dispersing carbon nanotubes, the carbon nanotubes are wetted with a solvent to reduce the cohesive force between the carbon nanotubes, and then crushed and stabilized to form a dispersion. Carbon nanotubes have significantly lower wettability than other conductive materials, so they need to be pretreated, such as chemically or mechanically crushed, to improve their wettability, but these treatments may reduce their conductivity. It is believed that by adjusting the pH to a specified value, the wettability of the carbon nanotubes can be dramatically improved without impairing their conductivity.
また、本発明のカーボンナノチューブ分散液では、分散剤に加えて、消泡剤を含んでもよい。消泡剤は、市販の消泡剤、湿潤剤、親水性有機溶剤水溶性有機溶剤等、消泡効果を有するものであれば任意に用いることができ、1種類でも、複数を組み合わせて用いてもよい。
例えば、アルコール系;エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、オクチルアルコール、ヘキサデシルアルコール、アセチレンアルコール、エチレングリコールモノブチルエーテル、メチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、プロピレングリコールモノメチルエーテル、アセチレングリコール、ポリオキシアルキレングリコール、プロピレングリコール、その他グリコール類等、
脂肪酸エステル系;ジエチレングリコールラウレート、グリセリンモノリシノレート、アルケニルコハク酸誘導体、ソルビトールモノラウレート、ソルビトールトリオレエート、ポリオキシエチレンモノラウレート、ポリオキシエチレンソルビトールモノラウレート、天然ワックス等、
アミド系;ポリオキシアルキレンアミド、アクリレートポリアミン等、
リン酸エステル系;リン酸トリブチル、ナトリウムオクチルホスフェート等、
金属セッケン系;アルミニウムステアレート、カルシウムオレエート等、
油脂系;動植物油、胡麻油、ひまし油等、
鉱油系:灯油、パラフィン等、
シリコーン系;ジメチルシリコーン油、シリコーンペースト、シリコーンエマルジョン、有機変性ポリシロキサン、フルオロシリコーン油等が挙げられる。
The carbon nanotube dispersion of the present invention may contain a defoaming agent in addition to the dispersant. Any defoaming agent having a defoaming effect, such as a commercially available defoaming agent, a wetting agent, a hydrophilic organic solvent, or a water-soluble organic solvent, may be used as the defoaming agent. One type of defoaming agent may be used alone, or a combination of two or more types may be used.
For example, alcohols: ethanol, propanol, isopropanol, butanol, octyl alcohol, hexadecyl alcohol, acetylene alcohol, ethylene glycol monobutyl ether, methyl cellosolve, butyl cellosolve, propylene glycol monomethyl ether, acetylene glycol, polyoxyalkylene glycol, propylene glycol, and other glycols;
Fatty acid esters: diethylene glycol laurate, glycerin monoricinoleate, alkenylsuccinic acid derivatives, sorbitol monolaurate, sorbitol trioleate, polyoxyethylene monolaurate, polyoxyethylene sorbitol monolaurate, natural waxes, etc.
Amide-based: polyoxyalkylene amide, acrylate polyamine, etc.
Phosphate esters: tributyl phosphate, sodium octyl phosphate, etc.
Metal soaps: aluminum stearate, calcium oleate, etc.
Oils and fats: animal and vegetable oils, sesame oil, castor oil, etc.
Mineral oils: kerosene, paraffin, etc.
Silicone-based: dimethylsilicone oil, silicone paste, silicone emulsion, organic modified polysiloxane, fluorosilicone oil, etc.
<その他の導電材>
本発明のカーボンナノチューブ分散液では、カーボンナノチューブ以外にも任意でその他の導電材を含んでもよい。その他の導電材としては、例えば金、銀、銅、銀メッキ銅粉、銀-銅複合粉、銀-銅合金、アモルファス銅、ニッケル、クロム、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、インジウム、ケイ素、アルミニウム、タングステン、モルブテン、白金等の金属粉、これらの金属で被覆した無機物粉体、酸化銀、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化ルテニウム等の金属酸化物の粉末、これらの金属酸化物で被覆した無機物粉末、及びカーボンブラック、グラファイト等の炭素材料が挙げられる。その他の導電材は、1種または2種以上組み合わせて用いてもよい。その他の導電材を用いる場合、分散剤の吸着性能の観点から、カーボンブラックが好ましい。その他の導電材は、後述する電極活物質とは異なる物質(材料)である。
<Other conductive materials>
The carbon nanotube dispersion of the present invention may contain other conductive materials in addition to the carbon nanotubes. Examples of the other conductive materials include metal powders such as gold, silver, copper, silver-plated copper powder, silver-copper composite powder, silver-copper alloy, amorphous copper, nickel, chromium, palladium, rhodium, ruthenium, indium, silicon, aluminum, tungsten, molbutene, and platinum, inorganic powders coated with these metals, powders of metal oxides such as silver oxide, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, and ruthenium oxide, inorganic powders coated with these metal oxides, and carbon materials such as carbon black and graphite. The other conductive materials may be used alone or in combination of two or more. When using the other conductive materials, carbon black is preferred from the viewpoint of the adsorption performance of the dispersant. The other conductive materials are substances (materials) different from the electrode active material described later.
カーボンブラックは、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、中空カーボンブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック等が挙げられる。また、カーボンブラックは、中性、酸性、塩基性のいずれでもよく、酸化処理されたカーボンブラックや、黒鉛化処理されたカーボンブラックを使用してもよい。 Examples of carbon black include acetylene black, furnace black, hollow carbon black, channel black, thermal black, and ketjen black. Carbon black may be neutral, acidic, or basic, and oxidation-treated carbon black or graphitized carbon black may be used.
<カーボンナノチューブ分散液>
本発明のカーボンナノチューブ分散液は、ホウ素含有カーボンナノチューブおよび溶媒を含むものであり、好ましくは分散剤をさらに含むものである。
<Carbon nanotube dispersion liquid>
The carbon nanotube dispersion of the present invention contains boron-containing carbon nanotubes and a solvent, and preferably further contains a dispersant.
本発明のカーボンナノチューブ分散液を得るには、ホウ素含有カーボンナノチューブを溶媒中に分散させる処理を行うことが好ましい。かかる処理を行うために使用される分散装置は特に限定されない。 To obtain the carbon nanotube dispersion of the present invention, it is preferable to carry out a process for dispersing boron-containing carbon nanotubes in a solvent. There are no particular limitations on the dispersing device used for carrying out such a process.
分散装置としては、顔料分散等に通常用いられている分散機を使用することができる。例えば、ディスパー、ホモミキサー、プラネタリーミキサー等のミキサー類、ホモジナイザー(BRANSON社製Advanced Digital Sonifer(登録商標)、MODEL 450DA、エム・テクニック社製「クレアミックス」、PRIMIX社「フィルミックス」等、シルバーソン社製「アブラミックス」等)類、ペイントコンディショナー(レッドデビル社製)、コロイドミル(PUC社製「PUCコロイドミル」、IKA社製「コロイドミルMK」)類、コーンミル(IKA社製「コーンミルMKO」等)、ボールミル、サンドミル(シンマルエンタープライゼス社製「ダイノミル」等)、アトライター、パールミル(アイリッヒ社製「DCPミル」等)、コボールミル等のメディア型分散機、湿式ジェットミル(ジーナス社製「ジーナスPY」、スギノマシン社製「スターバースト」、ナノマイザー社製「ナノマイザー」等)、エム・テクニック社製「クレアSS-5」、奈良機械社製「MICROS」等のメディアレス分散機、その他ロールミル等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 As the dispersing device, a dispersing machine that is normally used for dispersing pigments, etc., can be used. For example, mixers such as a disperser, homomixer, and planetary mixer, homogenizers (Advanced Digital Sonifer (registered trademark), MODEL 1000 manufactured by BRANSON) 450DA, M Technique's "Clearmix", PRIMIX's "Filmix", Silverson's "Abramix", etc.), paint conditioners (Red Devil), colloid mills (PUC's "PUC Colloid Mill", IKA's "Colloid Mill MK"), cone mills (IKA's "Cone Mill MKO", etc.), ball mills, sand mills (Shinmaru Enterprises' "Dyno Mill", etc.), attritors, pearl mills (Eirich's "DCP Mill", etc.), media-type dispersers such as Coball mills, wet jet mills (Genus' "Genus PY", Sugino Machine's "Starburst", Nanomizer's "Nanomizer", etc.), M Technique's "Clear SS-5", Nara Machine's "MICROS", and other media-less dispersers, as well as other roll mills, but are not limited to these.
本発明のカーボンナノチューブ分散液のホウ素含有カーボンナノチューブの量は、カーボンナノチューブ分散液100質量部に対して、0.2~20質量部が好ましく、0.5~10質量部が好ましく、0.5~3.0質量部がより好ましい。 The amount of boron-containing carbon nanotubes in the carbon nanotube dispersion of the present invention is preferably 0.2 to 20 parts by mass, more preferably 0.5 to 10 parts by mass, and more preferably 0.5 to 3.0 parts by mass, per 100 parts by mass of the carbon nanotube dispersion.
本発明のカーボンナノチューブ分散液中の分散剤の量は、ホウ素含有カーボンナノチューブ100質量部に対して、0.1~100質量部使用することが好ましく、5~80質量部使用することがより好ましく、20~50質量部使用することがさらに好ましい。 The amount of dispersant used in the carbon nanotube dispersion of the present invention is preferably 0.1 to 100 parts by mass, more preferably 5 to 80 parts by mass, and even more preferably 20 to 50 parts by mass, per 100 parts by mass of boron-containing carbon nanotubes.
カーボンナノチューブ分散液におけるカーボンナノチューブの分散性は、動的粘弾性測定による複素弾性率及び位相角で評価できる。複素弾性率は、カーボンナノチューブ分散液の硬さを示し、カーボンナノチューブの分散性が良好であるほど、また、低粘度であるほど小さくなる傾向にある。しかし、カーボンナノチューブの繊維長が大きい場合、またはカーボンブラックのストラクチャー長が大きい場合には、カーボンナノチューブが媒体中で均一かつ安定に解れた状態であっても、カーボンナノチューブ自体の構造粘性があるため、複素弾性率が高い数値となる場合がある。本発明のカーボンナノチューブ分散液は、動的粘弾性測定による複素弾性率が200Pa未満であり、50Pa未満であることが好ましく、20Pa未満であることが好ましい。また、1Pa以上であることが好ましく、5Pa以上であることがより好ましい。 The dispersibility of carbon nanotubes in a carbon nanotube dispersion can be evaluated by the complex modulus and phase angle measured by dynamic viscoelasticity measurement. The complex modulus indicates the hardness of the carbon nanotube dispersion, and tends to be smaller as the dispersibility of the carbon nanotubes improves and the viscosity decreases. However, when the fiber length of the carbon nanotubes is large or the structure length of the carbon black is large, the complex modulus may be a high value even if the carbon nanotubes are uniformly and stably dissolved in the medium, due to the structural viscosity of the carbon nanotubes themselves. The complex modulus of the carbon nanotube dispersion of the present invention measured by dynamic viscoelasticity measurement is less than 200 Pa, preferably less than 50 Pa, and more preferably less than 20 Pa. It is also preferably 1 Pa or more, and more preferably 5 Pa or more.
また、位相角は、CNT分散液に与えるひずみを正弦波とした場合の応力波の位相ズレを意味し、流れやすさを示している。純弾性体であれば、与えたひずみと同位相の正弦波となるため、位相角0°となる。一方で、純粘性体であれば90°進んだ応力波となる。一般的な粘弾性測定用試料では、位相角が0°より大きく90°より小さい正弦波となり、CNT分散液におけるCNTの分散性が良好であれば、位相角は純粘性体である90°に近づく。しかし、複素弾性率と同様に、導電材自体の構造粘性がある場合には、導電材が媒体中で均一かつ安定に解れた状態であっても、位相角が低い数値となる場合がある。本発明のCNT分散液の動的粘弾性測定による周波数1Hzでの位相角は、10°以上であり、20°以上であることが好ましい。また、75°未満であることが好ましく、65°未満であることがより好ましい。 The phase angle means the phase shift of the stress wave when the strain applied to the CNT dispersion is a sine wave, and indicates the ease of flow. If it is a pure elastic body, the phase angle will be 0° because it will be a sine wave in phase with the applied strain. On the other hand, if it is a pure viscous body, the stress wave will be 90° advanced. In a typical viscoelasticity measurement sample, the phase angle will be a sine wave greater than 0° and less than 90°, and if the dispersibility of the CNT in the CNT dispersion is good, the phase angle will approach 90° for a pure viscous body. However, as with the complex elastic modulus, if the conductive material itself has structural viscosity, the phase angle may be a low value even if the conductive material is uniformly and stably dissolved in the medium. The phase angle at a frequency of 1 Hz in the dynamic viscoelasticity measurement of the CNT dispersion of the present invention is 10° or more, and preferably 20° or more. It is also preferably less than 75°, and more preferably less than 65°.
カーボンナノチューブの繊維長や、カーボンブラックのストラクチャー長が大きい導電材を、長さを一定以上に保ったまま均一かつ良好に分散させることで、発達した導電ネットワークが形成される。したがって、単に導電材分散体の粘度が低く(見かけ上の)分散性が良好であればよいのではなく、複素弾性率および位相角を、粘度等の従来の指標と組み合わせて分散状態を判断することが特に有効である。複素弾性率および位相角を上記範囲とすることで、導電性および電極強度の良好な導電材分散体を得ることができる。導電材分散体の複素弾性率および位相角は、実施例に記載の方法により測定することができる。 By uniformly and well dispersing conductive materials with long fiber lengths (carbon nanotubes, etc.) or long structure lengths (carbon black) while maintaining the length at a certain level, a well-developed conductive network is formed. Therefore, it is not enough for the conductive material dispersion to simply have low viscosity and good (apparent) dispersibility; it is particularly effective to judge the dispersion state by combining the complex modulus and phase angle with conventional indices such as viscosity. By setting the complex modulus and phase angle within the above ranges, a conductive material dispersion with good conductivity and electrode strength can be obtained. The complex modulus and phase angle of the conductive material dispersion can be measured by the method described in the examples.
本発明のカーボンナノチューブ分散液中のカーボンナノチューブの繊維長は、0.1~5μmであることが好ましく、0.2~3.5μmであることがより好ましく、0.3~2.5μmであることがさらに好ましい。 The fiber length of the carbon nanotubes in the carbon nanotube dispersion of the present invention is preferably 0.1 to 5 μm, more preferably 0.2 to 3.5 μm, and even more preferably 0.3 to 2.5 μm.
本発明のカーボンナノチューブ分散液の累積粒径D50は、100~5000nmであることが好ましく、300~3000nmであることがより好ましい。カーボンナノチューブ分散液の累積粒径D50は粒度分布計(マイクロトラック・ベル株式会社製、Nanotrac UPA、model UPA-EX)を用いて測定することができる。 The cumulative particle size D50 of the carbon nanotube dispersion of the present invention is preferably 100 to 5000 nm, and more preferably 300 to 3000 nm. The cumulative particle size D50 of the carbon nanotube dispersion can be measured using a particle size distribution meter (Microtrac Bell Co., Ltd., Nanotrac UPA, model UPA-EX).
本実施形態のカーボンナノチューブ分散液の粘度は、カーボンナノチューブ分散液100質量部中に0.5質量部以上3.0質量部以下のカーボンナノチューブを含む分散液であって、B型粘度計を用いて、60rpmで測定した粘度が10mPa・s以上10000mPa・s未満であることが好ましく、10mPa・s以上5000mPa・s未満であることがより好ましく、10mPa・s以上2000mPa・s未満であることがさらに好ましい。 The viscosity of the carbon nanotube dispersion of this embodiment, which contains 0.5 parts by mass or more and 3.0 parts by mass or less of carbon nanotubes per 100 parts by mass of the carbon nanotube dispersion, is preferably 10 mPa·s or more and less than 10,000 mPa·s, more preferably 10 mPa·s or more and less than 5,000 mPa·s, and even more preferably 10 mPa·s or more and less than 2,000 mPa·s, as measured at 60 rpm using a B-type viscometer.
本発明のカーボンナノチューブ分散液は、優れた分散性と導電性を両立するだけでなく、衝撃などの外力に対する耐久性や塗膜強度の改善も改善するため、導電配線形成用や透明導電膜形成用の分散液、二次電池、キャパシタやセンサー等の電気化学デバイス形成用の分散液などに好適に使用することが可能である。 The carbon nanotube dispersion of the present invention not only achieves both excellent dispersibility and conductivity, but also improves durability against external forces such as impacts and coating strength, making it suitable for use as a dispersion for forming conductive wiring or transparent conductive films, or as a dispersion for forming electrochemical devices such as secondary batteries, capacitors, and sensors.
<カーボンナノチューブ樹脂組成物>
本発明のカーボンナノチューブ樹脂組成物は、カーボンナノチューブと溶媒とバインダーとを含むものである。
<Carbon nanotube resin composition>
The carbon nanotube resin composition of the present invention contains carbon nanotubes, a solvent, and a binder.
本発明のカーボンナノチューブ樹脂組成物を得るには、カーボンナノチューブ分散液とバインダーとを混合し、均一化することが好ましい。混合方法としては、従来公知の様々な方法を行うことができる。カーボンナノチューブ樹脂組成物は前記カーボンナノチューブ分散液で説明した分散装置を用いて作製することができる。 To obtain the carbon nanotube resin composition of the present invention, it is preferable to mix and homogenize the carbon nanotube dispersion liquid and the binder. As a mixing method, various conventionally known methods can be used. The carbon nanotube resin composition can be produced using the dispersing device described above for the carbon nanotube dispersion liquid.
<バインダー>
本発明のバインダーとは、カーボンナノチューブなどの物質間を結着するための樹脂である。
<Binder>
The binder of the present invention is a resin for binding substances such as carbon nanotubes together.
本発明のバインダーとしては特に限定されず、目的とする物性に合わせて適宜選択できる。例えば、エチレン、プロピレン、塩化ビニル、酢酸ビニル、ビニルアルコール、マレイン酸、アクリル酸、アクリル酸エステル、メタクリル酸、メタクリル酸エステル、アクリロニトリル、スチレン、ビニルブチラール、ビニルアセタール、ビニルピロリドン等を構成単位として含む重合体または共重合体;ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、アルキッド樹脂、アクリル樹脂、ホルムアルデヒド樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂;カルボキシメチルセルロースのようなセルロース樹脂;スチレンブタジエンゴム、フッ素ゴムのようなゴム類;ポリアニリン、ポリアセチレンのような導電性樹脂等が挙げられる。また、これらの樹脂の変性体や混合物、および共重合体でもよい。これらの中でも、正極膜のバインダー樹脂として使用する場合は、耐性面から分子内にフッ素原子を有する重合体又は共重合体、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、テトラフルオロエチレン等が好ましい。また、負極膜のバインダー樹脂として使用する場合は、密着性が良好なカルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴム、ポリアクリル酸等が好ましい。 The binder of the present invention is not particularly limited and can be appropriately selected according to the desired physical properties. For example, polymers or copolymers containing ethylene, propylene, vinyl chloride, vinyl acetate, vinyl alcohol, maleic acid, acrylic acid, acrylic acid esters, methacrylic acid, methacrylic acid esters, acrylonitrile, styrene, vinyl butyral, vinyl acetal, vinyl pyrrolidone, etc. as constituent units; polyurethane resins, polyester resins, phenolic resins, epoxy resins, phenoxy resins, urea resins, melamine resins, alkyd resins, acrylic resins, formaldehyde resins, silicon resins, fluororesins; cellulose resins such as carboxymethylcellulose; rubbers such as styrene butadiene rubber and fluororubber; conductive resins such as polyaniline and polyacetylene. Modified bodies, mixtures, and copolymers of these resins may also be used. Among these, when used as a binder resin for the positive electrode film, polymers or copolymers having fluorine atoms in the molecule, such as polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, and tetrafluoroethylene, are preferred from the perspective of resistance. Furthermore, when used as a binder resin for the negative electrode film, carboxymethyl cellulose, styrene butadiene rubber, polyacrylic acid, etc., which have good adhesion, are preferred.
バインダー樹脂の重量平均分子量は、10,000~2,000,000が好ましく、100,000~1,000,000がより好ましく、200,000~1,000,000が更に好ましい。 The weight average molecular weight of the binder resin is preferably 10,000 to 2,000,000, more preferably 100,000 to 1,000,000, and even more preferably 200,000 to 1,000,000.
バインダー樹脂としてのカルボキシメチルセルロースは、高粘度であることが好ましく、例えば、1%水溶液を作製した際の粘度が500~6000mPa・sであることが好ましく、1000~3000mPa・sであることがさらに好ましい。カルボキシメチルセルロース1%水溶液の粘度は25℃の条件下で、B型粘度計ローター回転速度60rpmで測定することができる。 Carboxymethylcellulose as a binder resin preferably has a high viscosity. For example, the viscosity of a 1% aqueous solution is preferably 500 to 6000 mPa·s, and more preferably 1000 to 3000 mPa·s. The viscosity of a 1% aqueous solution of carboxymethylcellulose can be measured at 25°C with a rotor speed of 60 rpm using a B-type viscometer.
バインダー樹脂としてのカルボキシメチルセルロースは、エーテル化度が高いことが好ましい。例えば、エーテル化度が0.6~1.5であることが好ましく、0.8~1.2であることがさらに好ましい。 Carboxymethyl cellulose as a binder resin preferably has a high degree of etherification. For example, the degree of etherification is preferably 0.6 to 1.5, and more preferably 0.8 to 1.2.
バインダーの種類や量比は、カーボンナノチューブ、活物質など共存する物質の性状に合わせて、適宜選択される。例えば、カルボキシメチルセルロースを使用する量については、活物質の質量を100質量%とした場合、カルボキシメチルセルロースの割合が0.5~3.0質量%が好ましく、1.0~2.0質量%がさらに好ましい。 The type and amount of the binder are appropriately selected according to the properties of the coexisting materials, such as carbon nanotubes and active materials. For example, the amount of carboxymethyl cellulose used is preferably 0.5 to 3.0% by mass, and more preferably 1.0 to 2.0% by mass, assuming that the mass of the active material is 100% by mass.
スチレンブタジエンゴムは、水中油滴エマルションであれば、一般に電極の結着材として用いられているものを使用することができる。スチレンブタジエンゴムを使用する量については、活物質の質量を100質量%とした場合、スチレンブタジエンゴムの割合が0.5~3.0質量%が好ましく、1.0~2.0質量%がさらに好ましい。 Styrene-butadiene rubber that is generally used as an electrode binder can be used as long as it is an oil-in-water emulsion. The amount of styrene-butadiene rubber used is preferably 0.5 to 3.0% by mass, and more preferably 1.0 to 2.0% by mass, assuming that the mass of the active material is 100% by mass.
ポリアクリル酸を使用する量については、活物質の質量を100質量%とした場合、ポリアクリル酸の割合が1~25質量%が好ましく、5~20質量%がさらに好ましい。 Regarding the amount of polyacrylic acid used, when the mass of the active material is taken as 100 mass%, the proportion of polyacrylic acid is preferably 1 to 25 mass%, and more preferably 5 to 20 mass%.
<合材スラリー>
本発明の合材スラリーとは、カーボンナノチューブと溶媒とバインダーと活物質とを含むものである。
<Compound Slurry>
The composite slurry of the present invention contains carbon nanotubes, a solvent, a binder, and an active material.
<活物質>
本発明の活物質とは、電池反応の基となる材料のことである。活物質は起電力から正極活物質と負極活物質に分けられる。
<Active material>
The active material of the present invention is a material that is the basis of a battery reaction. Based on the electromotive force, active materials are divided into positive electrode active materials and negative electrode active materials.
正極活物質としては、特に限定はされないが、リチウムイオンをドーピングまたはインターカレーション可能な金属酸化物、金属硫化物等の金属化合物、および導電性高分子等を使用することができる。例えば、Fe、Co、Ni、Mn等の遷移金属の酸化物、リチウムとの複合酸化物、遷移金属硫化物等の無機化合物等が挙げられる。具体的には、MnO、V2O5、V6O13、TiO2等の遷移金属酸化物粉末、層状構造のニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、スピネル構造のマンガン酸リチウムなどのリチウムと遷移金属との複合酸化物粉末、オリビン構造のリン酸化合物であるリン酸鉄リチウム系材料、TiS2、FeSなどの遷移金属硫化物粉末等が挙げられる。また、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン等の導電性高分子を使用することもできる。また、上記の無機化合物や有機化合物を混合して用いてもよい。 The positive electrode active material is not particularly limited, but may be a metal compound such as a metal oxide or metal sulfide capable of doping or intercalating lithium ions, or a conductive polymer. For example, an oxide of a transition metal such as Fe, Co, Ni, or Mn, a composite oxide with lithium, or an inorganic compound such as a transition metal sulfide may be used. Specifically, a transition metal oxide powder such as MnO, V 2 O 5 , V 6 O 13 , or TiO 2 , a composite oxide powder of lithium and a transition metal such as lithium nickel oxide having a layered structure, lithium cobalt oxide, lithium manganate, or lithium manganate having a spinel structure, a lithium iron phosphate material which is a phosphoric acid compound having an olivine structure, or a transition metal sulfide powder such as TiS 2 or FeS may be used. In addition, a conductive polymer such as polyaniline, polyacetylene, polypyrrole, or polythiophene may be used. In addition, the above-mentioned inorganic compounds and organic compounds may be mixed and used.
負極活物質としては、リチウムイオンをドーピングまたはインターカレーション可能なものであれば特に限定されない。例えば、金属Li、その合金であるスズ合金、シリコン合金、鉛合金等の合金系、LiXFe2O3、LiXFe3O4、LiXWO2(xは0<x<1の数である。)、チタン酸リチウム、バナジウム酸リチウム、ケイ素酸リチウム等の金属酸化物系、ポリアセチレン、ポリ-p-フェニレン等の導電性高分子系、ソフトカーボンやハードカーボンといった、アモルファス系炭素質材料や、高黒鉛化炭素材料等の人造黒鉛、あるいは天然黒鉛等の炭素質粉末、カーボンブラック、メソフェーズカーボンブラック、樹脂焼成炭素材料、気層成長炭素繊維、炭素繊維などの炭素系材料が挙げられる。これら負極活物質は、1種または複数を組み合わせて使用することもできる。 The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can dope or intercalate lithium ions. For example, metal Li, its alloys such as tin alloys, silicon alloys, lead alloys, and the like, metal oxides such as Li x Fe 2 O 3 , Li x Fe 3 O 4 , Li x WO 2 (x is a number of 0<x<1), lithium titanate, lithium vanadate, and lithium silicate, conductive polymers such as polyacetylene and poly-p-phenylene, amorphous carbonaceous materials such as soft carbon and hard carbon, artificial graphite such as highly graphitized carbon materials, carbonaceous powders such as natural graphite, carbon black, mesophase carbon black, resin-sintered carbon materials, vapor-grown carbon fibers, and carbon fibers, and other carbonaceous materials, can be used alone or in combination. These negative electrode active materials can also be used alone or in combination.
本発明の負極活物質としては、シリコン合金やケイ素酸リチウム等のシリコンを含む負極活物質であるシリコン系負極活物質が好ましい。 As the negative electrode active material of the present invention, a silicon-based negative electrode active material, which is a negative electrode active material containing silicon such as a silicon alloy or lithium silicate, is preferred.
シリコン系負極活物質としては、例えば、二酸化珪素を炭素で還元して作製される所謂冶金グレードシリコンや、冶金グレードシリコンを酸処理や一方向凝固などで不純物を低減した工業グレードシリコン、そしてシリコンを反応させて得られたシランから作製される高純度の単結晶、多結晶、アモルファスなど結晶状態の異なる高純度シリコンや、工業グレードシリコンをスパッタ法やEB蒸着(電子ビーム蒸着)法などで高純度にすると同時に、結晶状態や析出状態を調整したシリコンなどが挙げられる。 Examples of silicon-based negative electrode active materials include so-called metallurgical grade silicon produced by reducing silicon dioxide with carbon, industrial grade silicon in which impurities have been reduced from metallurgical grade silicon by acid treatment or unidirectional solidification, high purity silicon with different crystal states such as high purity single crystal, polycrystalline, and amorphous produced from silane obtained by reacting silicon, and silicon in which industrial grade silicon has been made highly pure by sputtering or EB deposition (electron beam deposition) while simultaneously adjusting the crystal state and precipitation state.
また、シリコンと酸素の化合物である酸化珪素や、シリコンと各種合金及びそれらの結晶状態を急冷法などで調整したシリコン化合物も挙げられる。中でも、外側がカーボン皮膜で被覆された、珪素ナノ粒子が酸化珪素中に分散した構造を有するシリコン系負極活物質が好ましい。 Other examples include silicon oxide, which is a compound of silicon and oxygen, silicon and various alloys, and silicon compounds in which the crystalline state of these is adjusted by a quenching method or the like. Among these, silicon-based negative electrode active materials having a structure in which silicon nanoparticles are dispersed in silicon oxide and the outside is coated with a carbon film are preferred.
本発明の負極活物質は、シリコン系負極活物質に加えて、ソフトカーボンやハードカーボンといった、アモルファス系炭素質材料や、高黒鉛化炭素材料等の人造黒鉛、あるいは天然黒鉛等の炭素質粉末を使用することが好ましい。その中でも、人造黒鉛や天然黒鉛等の炭素質粉末を使用することが好ましい。 In addition to the silicon-based negative electrode active material, the negative electrode active material of the present invention preferably uses amorphous carbonaceous materials such as soft carbon and hard carbon, artificial graphite such as highly graphitized carbon materials, or carbonaceous powder such as natural graphite. Among these, it is preferable to use carbonaceous powder such as artificial graphite and natural graphite.
シリコン系負極活物質の量は、人造黒鉛、あるいは天然黒鉛等の炭素質粉末100質量%とした場合、3~50質量%であることが好ましく、5~25質量%であることがより好ましい。 The amount of silicon-based negative electrode active material is preferably 3 to 50 mass %, and more preferably 5 to 25 mass %, assuming that the carbonaceous powder, such as artificial graphite or natural graphite, is 100 mass %.
本発明の活物質のBET比表面積は0.1~10m2/gのものが好ましく、0.2~5m2/gのものがより好ましく、0.3~3m2/gのものがさらに好ましい。 The BET specific surface area of the active material of the present invention is preferably from 0.1 to 10 m 2 /g, more preferably from 0.2 to 5 m 2 /g, and even more preferably from 0.3 to 3 m 2 /g.
本発明の活物質の平均粒子径は0.5~50μmの範囲内であることが好ましく、
2~20μmであることがより好ましい。本明細書でいう活物質の平均粒子径とは、活物質を電子顕微鏡で測定した粒子径の平均値である。
The average particle size of the active material of the present invention is preferably within the range of 0.5 to 50 μm.
It is more preferably 2 to 20 μm. The average particle size of the active material as used herein means the average value of particle sizes measured by an electron microscope.
<合材スラリーの製造方法>
本発明の合材スラリーは従来公知の様々な方法で作製することができる。例えば、カーボンナノチューブ樹脂組成物に活物質を添加して作製する方法や、カーボンナノチューブ分散液に活物質を添加した後、バインダーを添加して作製する方法が挙げられる。
<Method for producing composite slurry>
The composite slurry of the present invention can be prepared by various conventionally known methods, such as a method of adding an active material to a carbon nanotube resin composition, or a method of adding an active material to a carbon nanotube dispersion and then adding a binder.
本発明の合材スラリーを得るには、カーボンナノチューブ樹脂組成物に活物質を加えた後、分散させる処理を行うことが好ましい。かかる処理を行うために使用される分散装置は特に限定されない。合材スラリーは前記カーボンナノチューブ分散液で説明した分散装置を用いて、合材スラリーを得ることができる。 To obtain the composite slurry of the present invention, it is preferable to add an active material to the carbon nanotube resin composition and then carry out a dispersion process. The dispersion device used for such a process is not particularly limited. The composite slurry can be obtained using the dispersion device described above for the carbon nanotube dispersion liquid.
本発明の合材スラリー中の活物質の量は合材スラリー100質量部に対して、20~85質量部であることが好ましく、30~75質量部であることがより好ましく、40~70質量部であることがさらに好ましい。 The amount of active material in the composite slurry of the present invention is preferably 20 to 85 parts by mass, more preferably 30 to 75 parts by mass, and even more preferably 40 to 70 parts by mass, per 100 parts by mass of the composite slurry.
本発明の合材スラリー中のカーボンナノチューブの量は活物質100質量部に対して、0.01~10質量部であることが好ましく、0.02~5質量部であることが好ましく0.03~1質量部であることが好ましい。 The amount of carbon nanotubes in the composite slurry of the present invention is preferably 0.01 to 10 parts by mass, more preferably 0.02 to 5 parts by mass, and even more preferably 0.03 to 1 part by mass, per 100 parts by mass of active material.
本発明の合材スラリー中のバインダーの量は活物質100質量%に対して、0.5~30質量%であることが好ましく、1~25質量%であることがさらに好ましく、2~20質量%であることが特に好ましい。 The amount of binder in the composite slurry of the present invention is preferably 0.5 to 30% by mass, more preferably 1 to 25% by mass, and particularly preferably 2 to 20% by mass, relative to 100% by mass of the active material.
本発明の合材スラリーの固形分の量は、合材スラリー100質量%に対して、30~90質量%であることが好ましく、30~80質量%であることがより好ましく、40~75質量%であることが好ましい。 The amount of solids in the composite slurry of the present invention is preferably 30 to 90% by mass, more preferably 30 to 80% by mass, and more preferably 40 to 75% by mass, relative to 100% by mass of the composite slurry.
<導電膜および電極膜>
本発明の導電膜とは、カーボンナノチューブ分散液またはカーボンナノチューブ樹脂組成物を膜状に形成してなるものである。例えば、シート状基材上にカーボンナノチューブ分散液またはカーボンナノチューブ樹脂組成物を塗工乾燥することで形成した塗工膜である。シート状基材としては特に限定されず、導電性または非導電性の基材を使用することができ、導電性基材としては下記の集電体等を使用することができる。
また、本発明の電極膜とは、合材スラリーを膜状に形成してなるものである。例えば、集電体上に合材スラリーを塗工乾燥することで、電極合材層を形成した塗工膜である。
<Conductive Film and Electrode Film>
The conductive film of the present invention is formed by forming a carbon nanotube dispersion liquid or a carbon nanotube resin composition into a film shape. For example, it is a coating film formed by coating a carbon nanotube dispersion liquid or a carbon nanotube resin composition on a sheet-like substrate and drying it. The sheet-like substrate is not particularly limited, and a conductive or non-conductive substrate can be used, and the conductive substrate can be a current collector described below.
The electrode film of the present invention is formed by forming a composite material slurry into a film shape, for example, a coating film formed by coating a composite material slurry on a current collector and drying the coating film to form an electrode composite material layer.
本発明の電極膜に使用する集電体の材質や形状は特に限定されず、各種二次電池にあったものを適宜選択することができる。例えば、集電体の材質としては、アルミニウム、銅、ニッケル、チタン、又はステンレス等の金属や合金が挙げられる。また、形状としては、一般的には平板上の箔が用いられるが、表面を粗面化したものや、穴あき箔状のもの、及びメッシュ状の集電体も使用できる。 The material and shape of the current collector used in the electrode film of the present invention are not particularly limited, and can be appropriately selected from those suitable for various secondary batteries. For example, the material of the current collector can be metals or alloys such as aluminum, copper, nickel, titanium, or stainless steel. In addition, the shape of the current collector is generally a flat foil, but current collectors with a roughened surface, perforated foils, and mesh-shaped current collectors can also be used.
集電体上に合材スラリーを塗工する方法としては、特に制限はなく公知の方法を用いることができる。具体的には、ダイコーティング法、ディップコーティング法、ロールコーティング法、ドクターコーティング法、ナイフコーティング法、スプレーコティング法、グラビアコーティング法、スクリーン印刷法または静電塗装法等が挙げる事ができ、乾燥方法としては放置乾燥、送風乾燥機、温風乾燥機、赤外線加熱機、遠赤外線加熱機などが使用できるが、特にこれらに限定されるものではない。 There are no particular limitations on the method for applying the composite slurry onto the current collector, and any known method can be used. Specific examples include die coating, dip coating, roll coating, doctor coating, knife coating, spray coating, gravure coating, screen printing, and electrostatic painting. Drying methods that can be used include, but are not limited to, leaving to dry, using a blower dryer, a hot air dryer, an infrared heater, or a far-infrared heater.
また、塗布後に平版プレスやカレンダーロール等による圧延処理を行ってもよい。電極合材層の厚みは、一般的には1μm以上、500μm以下であり、好ましくは10μm以上、300μm以下である。 After coating, a rolling process using a lithographic press or a calendar roll may be performed. The thickness of the electrode mixture layer is generally 1 μm or more and 500 μm or less, and preferably 10 μm or more and 300 μm or less.
<非水電解質二次電池>
本発明の非水電解質二次電池とは正極と、負極と、電解質とを含むものである。
<Nonaqueous electrolyte secondary battery>
The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte.
正極としては、集電体上に正極活物質を含む合材スラリーを塗工乾燥して電極膜を作製したものを使用することができる。 The positive electrode can be made by applying a composite slurry containing a positive electrode active material onto a current collector and drying it to create an electrode film.
負極としては、集電体上に負極活物質を含む合材スラリーを塗工乾燥して電極膜を作製したものを使用することができる。 The negative electrode can be made by applying a composite slurry containing a negative electrode active material onto a current collector and drying it to create an electrode film.
電解質としては、イオンが移動可能な従来公知の様々なものを使用することができる。例えば、LiBF4、LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、LiC4F9SO3、Li(CF3SO2)3C、LiI、LiBr、LiCl、LiAlCl、LiHF2、LiSCN、又はLiBPh4(ただし、Phはフェニル基である)等リチウム塩を含むものが挙げられるが、これらに限定されず、ナトリウム塩やカルシウム塩を含むものも使用できる。電解質は非水系の溶媒に溶解して、電解液として使用することが好ましい。 As the electrolyte, various conventionally known electrolytes capable of moving ions can be used. For example, those containing lithium salts such as LiBF 4 , LiClO 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiCF 3 SO 3 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , Li(CF 3 SO 2 ) 3 C, LiI, LiBr, LiCl, LiAlCl, LiHF 2 , LiSCN, or LiBPh 4 (wherein Ph is a phenyl group) can be used, but are not limited thereto, and those containing sodium salts or calcium salts can also be used. It is preferable that the electrolyte is dissolved in a non-aqueous solvent and used as an electrolytic solution.
非水系の溶媒としては、特に限定はされないが、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、及びジエチルカーボネート等のカーボネート類;γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、及びγ-オクタノイックラクトン等のラクトン類;テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、1,3-ジオキソラン、4-メチル-1,3-ジオキソラン、1,2-メトキシエタン、1,2-エトキシエタン、及び1,2-ジブトキシエタン等のグライム類;メチルフォルメート、メチルアセテート、及びメチルプロピオネート等のエステル類;ジメチルスルホキシド、及びスルホラン等のスルホキシド類;並びに、アセトニトリル等のニトリル類等が挙げられる。これらの溶媒は、それぞれ単独で使用してもよいが、2種以上を混合して使用してもよい。 Non-aqueous solvents include, but are not limited to, carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and diethyl carbonate; lactones such as γ-butyrolactone, γ-valerolactone, and γ-octanoic lactone; glymes such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 1,2-methoxyethane, 1,2-ethoxyethane, and 1,2-dibutoxyethane; esters such as methyl formate, methyl acetate, and methyl propionate; sulfoxides such as dimethyl sulfoxide and sulfolane; and nitriles such as acetonitrile. These solvents may be used alone or in combination of two or more.
本発明の非水電解質二次電池には、セパレーターを含むことが好ましい。セパレーターとしては、例えば、ポリエチレン不織布、ポリプロピレン不織布、ポリアミド不織布及びこれらに親水性処理を施したものが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。 The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention preferably includes a separator. Examples of separators include polyethylene nonwoven fabric, polypropylene nonwoven fabric, polyamide nonwoven fabric, and those that have been subjected to a hydrophilic treatment, but are not limited to these.
本発明の非水電解質二次電池の構造は特に限定されないが、通常、正極及び負極と、必要に応じて設けられるセパレーターとから構成され、ペーパー型、円筒型、ボタン型、積層型等、使用する目的に応じた種々の形状とすることができる。 The structure of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is not particularly limited, but is usually composed of a positive electrode, a negative electrode, and a separator that is provided as necessary, and can be in various shapes depending on the purpose of use, such as a paper type, a cylindrical type, a button type, or a laminated type.
以下、実施例により、本発明をより詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。また、実施例中、「カーボンナノチューブ」を「CNT」と略記することがある。なお、特に断らない限り、「部」は「質量部」を表す。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. The present invention is not limited to the following examples, so long as it does not depart from the gist of the invention. In the examples, "carbon nanotubes" may be abbreviated as "CNT." Unless otherwise specified, "parts" refers to "parts by mass."
<CNT>
後述の実施例および比較例において使用されたCNTおよび、その物性について示す。
<CNT>
The CNTs used in the examples and comparative examples described below and their physical properties will be described below.
(ホウ素含有CNT)
以下にCNTの製造例について説明する。
(Boron-containing CNTs)
An example of CNT production will be described below.
[製造例(A)]
特開2018-150218の段落[0117]記載の方法により、CNT合成用触媒を作製した。その後、加圧可能で、外部ヒーターで加熱可能な、内容積が10Lの横型反応管の中央部に、前記CNT合成用触媒1.0gを散布した石英ガラス製耐熱皿を設置した。窒素ガスを注入しながら排気を行い、反応管内の空気を窒素ガスで置換し、横型反応管中の雰囲気を酸素濃度1体積%以下とした。次いで、外部ヒーターにて加熱し、横型反応管内の中心温度が680℃になるまで加熱した。680℃に到達した後、炭素源としてプロパンガスを毎分2Lの流速で反応管内に導入し、2時間接触反応させた。反応終了後、反応管内のガスを窒素ガスで置換し、反応管内のガスを窒素ガスで置換し、反応管の温度を100℃以下になるまで冷却し取り出すことで、CNT(A)を得た。
[Production example (A)]
A catalyst for CNT synthesis was prepared by the method described in paragraph [0117] of JP 2018-150218 A. Then, a quartz glass heat-resistant plate on which 1.0 g of the catalyst for CNT synthesis was sprayed was placed in the center of a horizontal reaction tube with an internal volume of 10 L, which can be pressurized and heated by an external heater. The reaction tube was evacuated while nitrogen gas was injected, and the air in the reaction tube was replaced with nitrogen gas, and the atmosphere in the horizontal reaction tube had an oxygen concentration of 1% by volume or less. Next, the horizontal reaction tube was heated with an external heater until the central temperature in the horizontal reaction tube reached 680°C. After reaching 680°C, propane gas was introduced into the reaction tube as a carbon source at a flow rate of 2L per minute, and contact reaction was carried out for 2 hours. After the reaction was completed, the gas in the reaction tube was replaced with nitrogen gas, and the gas in the reaction tube was replaced with nitrogen gas, and the reaction tube was cooled to 100°C or less and taken out, thereby obtaining CNT (A).
[製造例(B)]
特開2019-108256の段落[0147]、段落[0148]記載の方法により、CNT合成用触媒を作製した。その後、加圧可能で、外部ヒーターで加熱可能な、内容積が10Lの横型反応管の中央部に、前記CNT合成用触媒1gを散布した石英ガラス製耐熱皿を設置した。窒素ガスを注入しながら排気を行い、反応管内の空気を窒素ガスで置換し、横型反応管中の雰囲気温度が700℃になるまで加熱した。700℃に到達した後、炭化水素としてエチレンガスを毎分2Lの流速で反応管内に導入し、15分間接触反応させた。反応終了後、反応管内のガスを窒素ガスで置換し、反応管の温度を100℃以下になるまで冷却し取り出すことでCNT(B)を得た。
[Production example (B)]
A catalyst for CNT synthesis was prepared by the method described in paragraphs [0147] and [0148] of JP 2019-108256 A. Then, a quartz glass heat-resistant dish on which 1 g of the catalyst for CNT synthesis was sprayed was placed in the center of a horizontal reaction tube with an internal volume of 10 L, which can be pressurized and heated by an external heater. The reaction tube was evacuated while injecting nitrogen gas, and the air in the reaction tube was replaced with nitrogen gas, and the horizontal reaction tube was heated until the atmospheric temperature reached 700 ° C. After reaching 700 ° C., ethylene gas was introduced into the reaction tube as a hydrocarbon at a flow rate of 2 L per minute and reacted for 15 minutes. After the reaction was completed, the gas in the reaction tube was replaced with nitrogen gas, and the reaction tube was cooled to 100 ° C. or less and taken out to obtain CNT (B).
[製造例(1)]
炭素源であるCNT(A)95部と、ホウ素源であるホウ酸5部と、溶媒であるトルエン/エタノール(=1/1、重量比)9900部とを混合し、超音波処理による湿式混合を行った後、65℃にて加熱乾燥して溶媒を除去し、前駆体(1)を作製した。
次に、黒鉛ルツボに前駆体(1)を充填し、焼成炉にてアルゴン雰囲気下、昇温速度10℃/分で炉内温度が1700℃となるよう加熱した後、1700℃で2時間熱処理を行い、ホウ素含有CNT(1)を得た。
[Production Example (1)]
95 parts of CNT (A) as a carbon source, 5 parts of boric acid as a boron source, and 9,900 parts of toluene/ethanol (=1/1, weight ratio) as a solvent were mixed and wet-mixed by ultrasonic treatment, and then the mixture was heated and dried at 65° C. to remove the solvent, thereby producing precursor (1).
Next, the precursor (1) was filled into a graphite crucible and heated in a firing furnace under an argon atmosphere at a heating rate of 10°C/min until the temperature inside the furnace reached 1700°C. Then, heat treatment was performed at 1700°C for 2 hours to obtain boron-containing CNTs (1).
[製造例(2)]
炭素源である100P(KUMHO PETROCHEMICAL社カーボンナノチューブ)92.5部と、ホウ素源であるホウ酸7.5部とを混合し、メカノフュージョン(ホソカワミクロン社製)による乾式処理を行い、前駆体(2)を作製した。
次に、黒鉛ルツボに前駆体(2)を充填し、焼成炉にてアルゴン雰囲気下、昇温速度10℃/分で炉内温度が1650℃となるよう加熱した後、1650℃で2時間熱処理を行い、ホウ素含有CNT(2)を得た。
[Production Example (2)]
92.5 parts of 100P (Kumho Petrochemical carbon nanotube) as a carbon source and 7.5 parts of boric acid as a boron source were mixed and subjected to a dry treatment using Mechanofusion (Hosokawa Micron Corporation) to prepare a precursor (2).
Next, the precursor (2) was filled into a graphite crucible and heated in a firing furnace under an argon atmosphere at a heating rate of 10°C/min until the temperature inside the furnace reached 1650°C. Then, heat treatment was performed at 1650°C for 2 hours to obtain boron-containing CNTs (2).
[製造例(3)、(5)、(8)、(9)]
表1に示す、炭素源、ホウ素源、焼成温度に変更した以外は、製造例2と同様にしてホウ素含有CNT(3)、(5)、(8)、(9)を得た。
[Production Examples (3), (5), (8), and (9)]
Boron-containing CNTs (3), (5), (8), and (9) were obtained in the same manner as in Production Example 2, except that the carbon source, boron source, and firing temperature were changed as shown in Table 1.
[製造例(4)、(6)、(7)]
表1に示す、炭素源、ホウ素源、溶媒、焼成温度に変更した以外は、製造例1と同様にしてホウ素含有CNT(4)、(6)、(7)を得た。
[Production Examples (4), (6), and (7)]
Boron-containing CNTs (4), (6), and (7) were obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the carbon source, boron source, solvent, and firing temperature were changed as shown in Table 1.
(CNT中のホウ素元素の含有量)
ICP発光分光分析(SPECTRO社製 SPECTROARCOS FHS12)を用いて、CNT中のホウ素元素の含有量を測定した。得られた値は、CNT材料の全体に含有するホウ素元素の量(mol%)を示す。
(Content of boron element in CNT)
The boron content in the CNTs was measured using ICP emission spectroscopy (SPECTROARCOS FHS12, manufactured by Spectro Corporation). The obtained value indicates the amount (mol%) of boron contained in the entire CNT material.
(CNTの置換ホウ素元素量)
XPS(Thermo Fisher scientific社製、K-Alpha)を用いて、CNTの表面の置換ホウ素量(mol%)を測定した。
ホウ素1s電子のスペクトルは結合エネルギー185~194eVに現れるため、そのピーク面積を求めることで表面のホウ素の状態を評価することができる。
また、詳細には、ホウ素クラスターが186~187eV、炭化ホウ素が187~188eV、六角網面を基本骨格とした炭素元素と置換するようにドープされているホウ素元素(表面の置換ホウ素)が188~189.3eV、各種酸化ホウ素であるBC2Oが189.5~190.5eV、BCO2が191.5~192eV、B2O3が192.5~193eVに現れる。従って、ホウ素1sのピーク分離を行い、CNTの表面のホウ素のドープ状態を分析することができるため、CNTの置換ホウ素量を測定することができる。
(Substituted boron element amount of CNT)
The amount of substituted boron (mol %) on the surface of the CNTs was measured using XPS (K-Alpha, manufactured by Thermo Fisher Scientific).
The spectrum of boron 1s electrons appears at binding energies of 185 to 194 eV, so the state of boron on the surface can be evaluated by determining the peak area.
In detail, boron clusters appear at 186 to 187 eV, boron carbide at 187 to 188 eV, boron element doped to substitute for carbon element with a hexagonal mesh surface as a basic skeleton (substitutional boron on the surface) at 188 to 189.3 eV, various boron oxides BC2O at 189.5 to 190.5 eV, BCO2 at 191.5 to 192 eV, and B2O3 at 192.5 to 193 eV. Therefore, by performing peak separation of boron 1s, the doping state of boron on the surface of CNT can be analyzed, and the amount of substitutional boron in CNT can be measured.
(CNTの平均外径)
電子天秤を用いて、サンプル瓶にCNTを0.2g計量し、トルエン200mLを加えた後、超音波ホモジナイザー(Advanced Digital Sonifer(登録商標)、MODEL 450DA、BRANSON社製)を使用して振幅50%で5分間氷冷下分散処理を行い、CNT分散液を調整した。その後、CNT分散液を適宜希釈し、コロジオン膜状に数μL滴下し、室温で乾燥させた後、直接透過型電子顕微鏡(H-7650、株式会社日立製作所社製)を用いて、観察した。観察は5万倍の倍率で、視野内に10本以上のCNTが含まれる写真を複数撮り、任意に抽出した300本のCNTの外径を測定し、その平均値をCNTの平均外径(nm)とした。
(Average outer diameter of CNTs)
Using an electronic balance, 0.2 g of CNT was weighed into a sample bottle, 200 mL of toluene was added, and then an ultrasonic homogenizer (Advanced Digital Sonifer (registered trademark), MODEL 450DA, manufactured by BRANSON) was used to perform dispersion treatment under ice cooling at an amplitude of 50% for 5 minutes to prepare a CNT dispersion. Thereafter, the CNT dispersion was appropriately diluted, several μL was dropped onto a collodion film, and the mixture was dried at room temperature, and then directly observed using a transmission electron microscope (H-7650, manufactured by Hitachi, Ltd.). The observation was performed at a magnification of 50,000 times, and multiple photographs containing 10 or more CNTs were taken within the field of view, and the outer diameters of 300 CNTs randomly extracted were measured, and the average value was taken as the average outer diameter (nm) of the CNTs.
(CNTのBET比表面積)
電子天秤を用いて、CNTを0.03g計量した後、110℃で15分間、脱気しながら乾燥させた。その後、全自動比表面積測定装置(MOUNTECH社製、HM-model1208)を用いて、CNTのBET比表面積を測定した。
(BET specific surface area of CNT)
0.03 g of CNT was weighed out using an electronic balance, and then dried while degassing for 15 minutes at 110° C. Thereafter, the BET specific surface area of the CNT was measured using a fully automatic specific surface area measuring device (MOUNTECH, HM-model 1208).
(CNTのG/D比)
ラマン顕微鏡(XploRA、株式会社堀場製作所社製)にCNTを設置し、532nmのレーザー波長を用いて測定を行った。測定条件は取り込み時間60秒、積算回数2回、減光フィルタ10%、対物レンズの倍率20倍、コンフォーカスホール500、スリット幅100μm、測定波長は100~3000cm-1とした。測定用のCNTはスライドガラス上に分取し、スパチュラを用いて平坦化した。得られたピークの内、スペクトルで1560~1600cm-1の範囲内で最大ピーク強度をG、1310~1350cm-1の範囲内で最大ピーク強度をDとし、G/Dの比をCNTのG/D比とした。
(G/D ratio of CNTs)
CNT was placed in a Raman microscope (XploRA, manufactured by Horiba, Ltd.) and measured using a laser wavelength of 532 nm. The measurement conditions were: capture time 60 seconds, number of integrations 2, neutral density filter 10%, objective lens magnification 20 times, confocus hole 500, slit width 100 μm, measurement wavelength 100 to 3000 cm −1 . The CNT for measurement was separated onto a slide glass and flattened using a spatula. Of the peaks obtained, the maximum peak intensity in the range of 1560 to 1600 cm −1 in the spectrum was taken as G, the maximum peak intensity in the range of 1310 to 1350 cm −1 was taken as D, and the ratio of G/D was taken as the G/D ratio of the CNT.
(CNTの体積抵抗率)
粉体抵抗測定システム(日東精工アナリテック社製、MCP-PD51型)を用いて、
CNTの体積抵抗率を測定した。体積抵抗率は、測定セルの中にCNTを加えた後、荷重を加えながら測定し、1g/cm3の密度におけるCNTの体積抵抗率の値について評価した。
(Volume resistivity of CNT)
Using a powder resistivity measurement system (manufactured by Nitto Seiko Analytech, MCP-PD51 type),
The volume resistivity of the CNT was measured. After the CNT was placed in a measurement cell, the volume resistivity was measured while applying a load, and the volume resistivity value of the CNT at a density of 1 g/ cm3 was evaluated.
<分散剤>
後述の実施例および比較例において使用された分散剤について示す。
<Dispersant>
The dispersants used in the examples and comparative examples described later are shown below.
分散剤(1):アクリロニトリル-共役ジエン系ゴム(下記、合成例1)
分散剤(2):ポリビニルピロリドン(日本触媒社製、K-30)
分散剤(3):ポリビニルアルコール(クラレ社製、クラレポバール PVA-403)
分散剤(4):Therban(登録商標)3406、(ARLANXEO社製)
分散剤(5):Zetpole(登録商標)2000L(日本ゼオン社製)
分散剤(6):ポリビニルブチラール(積水化学工業社製、エスレックBL-10)
分散剤(7):アクリロニトリル-アクリル酸共重合体(下記、合成例2)
分散剤(8):カルボキシメチルセルロース(日本製紙社製、APP-084)
分散剤(9):カルボキシメチルセルロースアンモニウム塩(信越工業社製、メトローズ(登録商標)SM-4)
分散剤(10):ポリビニルアルコール(クラレ社製、クラレポバールSD1000)
分散剤(11):カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(日本製紙社製、サンローズ(登録商標)F01MC)
Dispersant (1): Acrylonitrile-conjugated diene rubber (Synthesis Example 1 below)
Dispersant (2): Polyvinylpyrrolidone (K-30, manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd.)
Dispersant (3): Polyvinyl alcohol (Kuraray Co., Ltd., Kuraray Poval PVA-403)
Dispersant (4): Therban (registered trademark) 3406 (manufactured by ARLANXEO)
Dispersant (5): Zetpole (registered trademark) 2000L (manufactured by Zeon Corporation)
Dispersant (6): Polyvinyl butyral (manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd., S-LEC BL-10)
Dispersant (7): Acrylonitrile-acrylic acid copolymer (Synthesis Example 2 below)
Dispersant (8): Carboxymethyl cellulose (manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd., APP-084)
Dispersant (9): Carboxymethylcellulose ammonium salt (Metolose (registered trademark) SM-4, manufactured by Shin-Etsu Kogyo Co., Ltd.)
Dispersant (10): Polyvinyl alcohol (Kuraray Co., Ltd., Kuraray Poval SD1000)
Dispersant (11): Carboxymethylcellulose sodium salt (Sunrose (registered trademark) F01MC, manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd.)
[合成例(1)]
ステンレス製重合反応器に、アクリロニトリル35部、1,3-ブタジエン65部、オレイン酸カリ石ケン3部、アゾビスイソブチロニトリル0.3部、t-ドデシルメルカプタン0.55部、及びイオン交換水200部を加えた。窒素雰囲気下において、撹拌しながら、45℃で20時間の重合を行い、転化率90%で重合を終了した。未反応のモノマーを減圧ストリッピングにより除き、固形分濃度約30%のアクリロニトリル-共役ジエン系ゴムラテックスを得た。続いて、ラテックスにイオン交換水を追加して全固形分濃度を12%に調整し、容積1Lの撹拌機付きオートクレーブに投入して、窒素ガスを10分間にわたり流して内容物中の溶存酸素を除去した。水素化触媒としての酢酸パラジウム75mgを、パラジウムに対して4倍モルの硝酸を添加したイオン交換水180mLに溶解して調製した触媒液を、オートクレーブに添加した。オートクレーブ内を水素ガスで2回置換した後、3MPaまで水素ガスで加圧した状態でオートクレーブの内容物を50℃に加温し、6時間の水素化反応を行った。その後、内容物を常温に戻し、オートクレーブ内を窒素雰囲気とした後、固形分を乾燥させて分散剤(1)を回収した。分散剤(1)の水素添加率は99.6%であり、重量平均分子量(Mw)は150,000であった。
[Synthesis Example (1)]
Into a stainless steel polymerization reactor, 35 parts of acrylonitrile, 65 parts of 1,3-butadiene, 3 parts of potassium soap oleate, 0.3 parts of azobisisobutyronitrile, 0.55 parts of t-dodecyl mercaptan, and 200 parts of ion-exchanged water were added. Under a nitrogen atmosphere, polymerization was carried out at 45°C for 20 hours while stirring, and the polymerization was terminated at a conversion rate of 90%. Unreacted monomers were removed by vacuum stripping to obtain an acrylonitrile-conjugated diene rubber latex with a solid content concentration of about 30%. Subsequently, ion-exchanged water was added to the latex to adjust the total solid content concentration to 12%, and the latex was placed in a 1L autoclave equipped with a stirrer, and nitrogen gas was passed through it for 10 minutes to remove dissolved oxygen in the contents. A catalyst solution prepared by dissolving 75 mg of palladium acetate as a hydrogenation catalyst in 180 mL of ion-exchanged water to which nitric acid was added in an amount four times the moles of palladium was added was added to the autoclave. After replacing the inside of the autoclave with hydrogen gas twice, the contents of the autoclave were heated to 50°C while being pressurized with hydrogen gas up to 3MPa, and hydrogenation reaction was carried out for 6 hours. After that, the contents were returned to room temperature, the inside of the autoclave was made into a nitrogen atmosphere, and the solid content was dried to recover dispersant (1). The hydrogenation rate of dispersant (1) was 99.6%, and the weight average molecular weight (Mw) was 150,000.
[合成例(2)]
ガス導入管、温度計、コンデンサー、攪拌機を備えた反応容器に、アセトニトリル100部を仕込み、窒素ガスで置換した。反応容器内を75℃に加熱して、アクリロニトリル90.0部、アクリル酸10.0部、および2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)を(日油社製;V-65)5.0部の混合物を3時間かけて滴下し、重合反応を行った。滴下終了後、さらに75℃で1時間反応させた後、パーブチルOを0.5部添加し、さらに75℃で1時間反応を続けた。その後、不揮発分測定にて転化率が98%超えたことを確認し、減圧濃縮して分散媒を完全に除去し、分散剤(7)を得た。分散剤(7)の重量平均分子量(Mw)は45,000であった。
[Synthesis Example (2)]
A reaction vessel equipped with a gas inlet tube, a thermometer, a condenser, and a stirrer was charged with 100 parts of acetonitrile and substituted with nitrogen gas. The reaction vessel was heated to 75°C, and a mixture of 90.0 parts of acrylonitrile, 10.0 parts of acrylic acid, and 5.0 parts of 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile) (manufactured by NOF Corp.; V-65) was added dropwise over 3 hours to carry out a polymerization reaction. After completion of the dropwise addition, the reaction was continued for another hour at 75°C, and then 0.5 parts of Perbutyl O was added, and the reaction was continued for another hour at 75°C. Thereafter, the conversion rate was confirmed to exceed 98% by non-volatile content measurement, and the dispersion medium was completely removed by vacuum concentration to obtain a dispersant (7). The weight average molecular weight (Mw) of the dispersant (7) was 45,000.
<CNT分散液>
次に、CNT分散液の作製や、分散液の評価方法を示す。
<CNT dispersion>
Next, the preparation of the CNT dispersion liquid and the method for evaluating the dispersion liquid will be described.
[実施例1-N1]
ステンレス容器に分散剤(1)0.9部、溶媒としてNMP(N-メチルピロリドン)94.064部、及び添加剤としてNaOH0.036部を加え、ディスパーで均一になるまで撹拌した。その後、ホウ素含有CNT(1)5部をディスパーで撹拌しながら添加し、ハイシアミキサー(L5M-A、SILVERSON製)に角穴ハイシアスクリーンを装着し、8,500rpmの速度で全体が均一になり、グラインドゲージにて分散粒度が250μm以下になるまでバッチ式分散を行った。続いて、ステンレス容器から、配管を介して高圧ホモジナイザー(スターバーストラボHJP-17007、スギノマシン製)に被分散液を供給し、20回パス式分散処理を行った。分散処理はシングルノズルチャンバーを使用し、ノズル径0.25mm、圧力100MPaにて行い、CNT分散液(N1)を得た。
[Example 1-N1]
0.9 parts of dispersant (1), 94.064 parts of NMP (N-methylpyrrolidone) as a solvent, and 0.036 parts of NaOH as an additive were added to a stainless steel container, and the mixture was stirred with a disperser until it became uniform. Then, 5 parts of boron-containing CNT (1) were added while stirring with a disperser, and a square-hole high shear screen was attached to a high shear mixer (L5M-A, manufactured by SILVERSON), and batch dispersion was performed at a speed of 8,500 rpm until the entire mixture became uniform and the dispersion particle size was 250 μm or less as measured by a grind gauge. Next, the liquid to be dispersed was supplied from the stainless steel container to a high-pressure homogenizer (Starburst Lab HJP-17007, manufactured by Sugino Machine) through a pipe, and a 20-pass dispersion process was performed. The dispersion process was performed using a single nozzle chamber, with a nozzle diameter of 0.25 mm and a pressure of 100 MPa, to obtain a CNT dispersion (N1).
[実施例1-N2~N15]
表3に示す組成に従い、実施例1-N1と同様にして、各CNT分散液(N2)~(N15)を得た。
[Examples 1-N2 to N15]
According to the compositions shown in Table 3, CNT dispersions (N2) to (N15) were obtained in the same manner as in Example 1-N1.
[比較例1-N1]
表3に示す組成に従い、ガラス瓶に、CNT、NMP、分散剤およびジルコニアビーズ(ビーズ径0.3mmφ)140部を仕込み、レッドデビル社製ペイントコンディショナーを用いて8時間分散処理を行った後、ジルコニアビーズを分離して、CNT分散液(N16)を得た。
[Comparative Example 1-N1]
According to the composition shown in Table 3, CNT, NMP, a dispersant, and 140 parts of zirconia beads (bead diameter 0.3 mmφ) were charged into a glass bottle, and a dispersion treatment was carried out for 8 hours using a paint conditioner manufactured by Red Devil Co., Ltd., and then the zirconia beads were separated to obtain a CNT dispersion liquid (N16).
[比較例1-N2]
表3に示す組成に従い、ステンレス容器に分散剤、NMPを加え、NMPを追加して濃度を調整した後、ディスパーで均一になるまで撹拌した。その後、ホウ素含有CNT(6)をディスパーで撹拌しながら添加し、ハイシアミキサーに角穴ハイシアスクリーンを装着し、8,500rpmの速度で全体が均一になり、グラインドゲージにて分散粒度が250μm以下になるまでバッチ式分散を行った。続いて、ステンレス容器から、配管を介して高圧ホモジナイザーに被分散液を供給し、5回パス式分散処理を行った。分散処理はシングルノズルチャンバーを使用し、ノズル径0.25mm、圧力100MPaにて行い、CNT分散液(N17)を得た。
[Comparative Example 1-N2]
According to the composition shown in Table 3, a dispersant and NMP were added to a stainless steel container, and the concentration was adjusted by adding NMP, and the mixture was stirred with a disperser until it was uniform. Then, boron-containing CNT (6) was added while stirring with a disperser, and a square-hole high shear screen was attached to a high shear mixer, and the mixture was dispersed in a batch manner at a speed of 8,500 rpm until the entire mixture became uniform and the dispersion particle size was 250 μm or less as measured by a grind gauge. Next, the liquid to be dispersed was supplied from the stainless steel container to a high-pressure homogenizer through a pipe, and a five-pass dispersion process was performed. The dispersion process was performed using a single nozzle chamber, with a nozzle diameter of 0.25 mm and a pressure of 100 MPa, to obtain a CNT dispersion (N17).
[比較例1-N3]
表3に示す組成に従い、ガラス瓶に、ホウ素含有CNT、NMP、分散剤およびジルコニアビーズ(ビーズ径0.3mmφ)140部を仕込み、レッドデビル社製ペイントコンディショナーを用いて2時間分散処理を行った後、ジルコニアビーズを分離して、CNT分散液(N18)を得た。
[Comparative example 1-N3]
According to the composition shown in Table 3, boron-containing CNT, NMP, a dispersant, and 140 parts of zirconia beads (bead diameter 0.3 mmφ) were charged into a glass bottle, and a dispersion treatment was carried out for 2 hours using a paint conditioner manufactured by Red Devil Co., Ltd., and then the zirconia beads were separated to obtain a CNT dispersion liquid (N18).
[実施例1-W1]
ステンレス容器にイオン交換水97.7部、分散剤(2)0.45部、消泡剤(A)(サンノプコ株式会社製 SNデフォーマー1312)0.05部を加えて、ディスパーで均一になるまで撹拌した。その後、ディスパーで撹拌しながら、ホウ素含有CNT(1)1.8部を加えてさらにディスパーで均一になるまで撹拌した。さらにその後、高圧ホモジナイザー(スギノマシン社製、スターバースト10)により分散処理を行った。分散処理はシングルノズルチャンバーを使用し、ノズル径0.17mm、圧力100MPaにて、5パス処理を行い、CNT分散液(W1)を得た。
[Example 1-W1]
97.7 parts of ion-exchanged water, 0.45 parts of dispersant (2), and 0.05 parts of defoamer (A) (SN DEFORMER 1312, manufactured by San Nopco Ltd.) were added to a stainless steel container, and the mixture was stirred with a disperser until it was uniform. Then, while stirring with a disperser, 1.8 parts of boron-containing CNT (1) were added and further stirred with a disperser until it was uniform. After that, a dispersion treatment was performed using a high-pressure homogenizer (Starburst 10, manufactured by Sugino Machine Co., Ltd.). The dispersion treatment was performed using a single nozzle chamber, with a nozzle diameter of 0.17 mm and a pressure of 100 MPa, and 5 passes were performed to obtain a CNT dispersion liquid (W1).
[実施例1-W3、W4、W6、W7、W9、W11、W12,W15]
表5に示すCNT種類、CNT添加量、イオン交換水添加量、分散剤種類、分散剤添加量、消泡剤添加量、パス回数に変更した以外は実施例1-W1と同様の方法により、CNT分散液(W3)、(W4)、(W6)、(W7)、(W9)、(W11)、(W12)、(W15)を得た。
[Example 1-W3, W4, W6, W7, W9, W11, W12, W15]
CNT dispersions (W3), (W4), (W6), (W7), (W9), (W11), (W12), and (W15) were obtained in the same manner as in Example 1-W1, except that the CNT type, CNT addition amount, ion-exchanged water addition amount, dispersant type, dispersant addition amount, defoamer addition amount, and number of passes were changed to those shown in Table 5.
[実施例1-W2]
ガラス瓶に、ホウ素含有CNT(1)を2部、分散剤(7)0.5部、消泡剤(A)(サンノプコ株式会社製 SNデフォーマー1312)0.05部、イオン交換水を97.45部およびジルコニアビーズ(ビーズ径0.3mmφ)140部を仕込み、レッドデビル社製ペイントコンディショナーを用いて4時間分散処理を行った後、ジルコニアビーズを分離して、CNT分散液(W2)を得た。
[Example 1-W2]
A glass bottle was charged with 2 parts of the boron-containing CNT (1), 0.5 parts of the dispersant (7), 0.05 parts of the defoamer (A) (SN DEFORMER 1312 manufactured by SAN NOPCO LTD.), 97.45 parts of ion-exchanged water, and 140 parts of zirconia beads (bead diameter 0.3 mmφ), and the mixture was dispersed for 4 hours using a paint conditioner manufactured by Red Devil Co., Ltd., and the zirconia beads were separated to obtain a CNT dispersion (W2).
[実施例1-W5、W8、W10、W13、W14]
表5に掲載したCNT種類、CNT添加量、イオン交換水添加量、分散剤種、分散剤添加量、消泡剤添加量、分散時間に変更した以外は実施例1-W2と同様の方法により、CNT分散液(W5)、(W8)、(W10)、(W13)、(W14)を得た。
[Example 1-W5, W8, W10, W13, W14]
CNT dispersions (W5), (W8), (W10), (W13), and (W14) were obtained in the same manner as in Example 1-W2, except that the CNT type, CNT addition amount, ion-exchanged water addition amount, dispersant type, dispersant addition amount, antifoaming agent addition amount, and dispersion time were changed to those shown in Table 5.
[比較例1-W1]
表5に示す組成に従い、ガラス瓶に、CNT、イオン交換水、分散剤、消泡剤およびジルコニアビーズ(ビーズ径0.3mmφ)140部を仕込み、レッドデビル社製ペイントコンディショナーを用いて4時間分散処理を行った後、ジルコニアビーズを分離して、CNT分散液(W16)を得た。
[Comparative Example 1-W1]
According to the composition shown in Table 5, CNT, ion-exchanged water, a dispersant, an antifoaming agent, and 140 parts of zirconia beads (bead diameter 0.3 mmφ) were charged into a glass bottle, and a dispersion treatment was carried out for 4 hours using a paint conditioner manufactured by Red Devil Co., Ltd., and then the zirconia beads were separated to obtain a CNT dispersion (W16).
[比較例1-W2]
ステンレス容器にイオン交換水97.85部、分散剤(8)0.1部、消泡剤(A)(サンノプコ株式会社製 SNデフォーマー1312)0.05部を加えて、ディスパーで均一になるまで撹拌した。その後、ディスパーで撹拌しながら、ホウ素含有CNT(9)2部を加えてさらにディスパーで均一になるまで撹拌した。さらにその後、高圧ホモジナイザーにより分散処理を行った。分散処理はシングルノズルチャンバーを使用し、ノズル径0.17mm、圧力100MPaにて、1パス処理を行い、CNT分散液(W17)を得た。
[Comparative Example 1-W2]
97.85 parts of ion-exchanged water, 0.1 parts of dispersant (8), and 0.05 parts of defoamer (A) (SN DEFORMER 1312, manufactured by San Nopco Ltd.) were added to a stainless steel container, and the mixture was stirred with a disperser until it was uniform. Then, while stirring with a disperser, 2 parts of boron-containing CNT (9) were added and further stirred with a disperser until it was uniform. Then, a dispersion process was performed with a high-pressure homogenizer. The dispersion process was performed using a single nozzle chamber, with a nozzle diameter of 0.17 mm and a pressure of 100 MPa, and a CNT dispersion liquid (W17) was obtained by one pass process.
[比較例1-W3]
表5に示す組成に従い、ガラス瓶に、ホウ素含有CNT、イオン交換水、分散剤、消泡剤およびジルコニアビーズ(ビーズ径0.3mmφ)140部を仕込み、レッドデビル社製ペイントコンディショナーを用いて0.5時間分散処理を行った後、ジルコニアビーズを分離して、CNT分散液(W18)を得た。
[Comparative example 1-W3]
According to the composition shown in Table 5, boron-containing CNT, ion-exchanged water, a dispersant, an antifoaming agent, and 140 parts of zirconia beads (bead diameter 0.3 mmφ) were charged into a glass bottle, and a dispersion treatment was carried out for 0.5 hours using a paint conditioner manufactured by Red Devil Co., Ltd., and then the zirconia beads were separated to obtain a CNT dispersion (W18).
(CNT分散液の複素弾性率及び位相角の測定)
CNT分散液の複素弾性率及び位相角は、直径60mm、2°のコーンにてレオメーター(Thermo Fisher Scientific株式会社製RheoStress1回転式レオメーター)を用い、25℃、周波数1Hzにて、ひずみ率0.01%から5%の範囲で動的粘弾性測定を実施することで評価した。得られた複素弾性率が小さいほど分散性が良好であり、大きいほど分散性が不良である。また、得られた位相角が大きいほど分散性が良好であり、小さいほど分散性が不良である。
判定基準(複素弾性率)
◎:20Pa未満(極めて優良)
○:20Pa以上50Pa未満(優良)
○△:50Pa以上100Pa未満(良)
△:100Pa以上、200Pa未満(可)
×:200Pa以上(不良)
判定基準(位相角)
◎:30°以上(優良)
○:20°以上30°未満(良)
△:10°以上20°未満(可)
×:10°未満(不良)
(Measurement of Complex Modulus and Phase Angle of CNT Dispersion)
The complex modulus and phase angle of the CNT dispersion were evaluated by performing dynamic viscoelasticity measurements at 25°C, a frequency of 1 Hz, and a strain rate in the range of 0.01% to 5% using a rheometer (RheoStress1 rotational rheometer manufactured by Thermo Fisher Scientific Co., Ltd.) with a cone of 60 mm diameter and 2°. The smaller the complex modulus obtained, the better the dispersibility, and the larger the complex modulus, the worse the dispersibility. In addition, the larger the phase angle obtained, the better the dispersibility, and the smaller the phase angle, the worse the dispersibility.
Criteria (complex elastic modulus)
◎: Less than 20 Pa (very good)
○: 20 Pa or more and less than 50 Pa (excellent)
○△: 50 Pa or more and less than 100 Pa (good)
△: 100 Pa or more, less than 200 Pa (acceptable)
×: 200 Pa or more (defective)
Judgment criteria (phase angle)
◎: 30° or more (excellent)
○: 20° or more and less than 30° (good)
△: 10° or more and less than 20° (acceptable)
×: Less than 10° (bad)
(分散液の粘度)
CNT分散液を25℃の恒温槽に1時間以上静置した後、CNT分散液を十分に撹拌してから、B型粘度計ローター回転速度60rpmにて直ちに行った。測定に使用したローターは、粘度値が100mPa・s未満の場合はNo.1を、100以上500mPa・s未満の場合はNo.2を、500以上2000mPa・s未満の場合はNo.3を、2000以上10000mPa・s未満の場合はNo.4のものをそれぞれ用いた。
判定基準
◎:2000mPa・s未満(優良)
○:2000mPa・s以上5,000mPa・s未満(良)
△:5,000mPa・s以上10,000mPa・s未満(可)
×:10,000mPa・s以上、沈降又は分離(不良)
(Viscosity of Dispersion)
After leaving the CNT dispersion in a thermostatic chamber at 25°C for at least 1 hour, the CNT dispersion was thoroughly stirred and immediately subjected to measurement with a B-type viscometer rotor at a rotation speed of 60 rpm. The rotors used in the measurement were No. 1 when the viscosity value was less than 100 mPa·s, No. 2 when it was 100 or more and less than 500 mPa·s, No. 3 when it was 500 or more and less than 2000 mPa·s, and No. 4 when it was 2000 or more and less than 10000 mPa·s.
Judgment criteria: ◎: Less than 2000 mPa·s (excellent)
○: 2000 mPa·s or more and less than 5,000 mPa·s (good)
△: 5,000 mPa·s or more and less than 10,000 mPa·s (acceptable)
×: 10,000 mPa·s or more, settling or separation (bad)
(分散液の安定性評価)
貯蔵安定性の評価は、導電材分散体を50℃にて7日間静置して保存した後の、液性状の変化から評価した。液性状の変化は、ヘラで撹拌した際の撹拌しやすさから判断した。
判定基準
○:問題なし(良好)
△:粘度は上昇しているがゲル化はしていない(可)
×:ゲル化している(極めて不良)
(Evaluation of Dispersion Stability)
The storage stability was evaluated based on the change in the liquid properties after storing the conductive material dispersion at 50° C. for 7 days. The change in the liquid properties was judged based on the ease of stirring when stirred with a spatula.
Judgment criteria: ○: No problem (good)
△: Viscosity has increased but gelation has not occurred (passable)
×: Gelled (very poor)
(分散液中のCNT繊維長)
CNT分散液をCNT濃度が0.01質量%となるようにCNT分散液を作製する際に使用した溶媒で希釈し、マイカ基板上に数μL滴下した後、120℃の電気オーブン中で乾燥して、CNT繊維長観察用の基板を作製した。その後、CNT繊維長観察用の作製した基盤表面を白金でスパッタリングした。さらにその後、SEMを用いて、観察した。観察はCNTの繊維長に合わせて5000倍または2万倍の倍率で、視野内に10本以上のCNTが含まれる写真を複数撮り、任意に抽出した100本のCNTの繊維長を測定し、その平均値をCNT分散液中のCNT繊維長(μm)とした。
(CNT fiber length in dispersion)
The CNT dispersion was diluted with the solvent used in preparing the CNT dispersion so that the CNT concentration was 0.01% by mass, and several μL was dropped onto a mica substrate, followed by drying in an electric oven at 120° C. to prepare a substrate for observing the CNT fiber length. The surface of the substrate prepared for observing the CNT fiber length was then sputtered with platinum. Further, the substrate was observed using a SEM. The observation was performed at a magnification of 5,000 times or 20,000 times according to the fiber length of the CNT, and multiple photographs containing 10 or more CNTs were taken within the field of view, and the fiber lengths of 100 CNTs randomly extracted were measured, and the average value was taken as the CNT fiber length (μm) in the CNT dispersion.
(分散液の粒度分布測定)
CNT分散液を25℃の恒温槽に1時間以上静置した後、CNT分散液を十分に撹拌および希釈してから、粒度分布計(マイクロトラック・ベル株式会社製、Nanotrac UPA、model UPA-EX)を用いて、CNT分散液の累積粒径D50を測定した。
(Measurement of particle size distribution of dispersion liquid)
The CNT dispersion was allowed to stand in a thermostatic chamber at 25° C. for 1 hour or more, and then thoroughly stirred and diluted. The cumulative particle size D50 of the CNT dispersion was then measured using a particle size distribution meter (Microtrac-Bell Corporation, Nanotrac UPA, model UPA-EX).
(CNT塗膜の体積抵抗率)
CNT分散液を、アプリケーターを用いて、PET基材上に塗工した後、オーブン中で120℃30分間乾燥させてCNT塗膜(膜厚3μm)を得た。その後、(日東精工アナリテック社製:ロレスターGP、MCP-T610を用いて乾燥後の塗膜の表面抵抗率(Ω/□)を測定した。測定後、PET基材上に形成したCNT塗膜の厚みを掛けて、塗膜の体積抵抗率(Ω・cm)とした。塗膜の厚みは、膜厚計を用いて、膜中の5点を測定した平均値から、PET基材の膜厚を引き算し、塗膜の体積抵抗率(Ω・cm)を算出した。以下に判定基準を示す。
判定基準
◎:CNT塗膜の体積抵抗率(Ω・cm)が7×10-3未満(優良)
〇:CNT塗膜の体積抵抗率(Ω・cm)が7×10-3以上1×10-2未満(良)
△:CNT塗膜の体積抵抗率(Ω・cm)が1×10-2以上2×10-2未満(可)
×:CNT塗膜の体積抵抗率(Ω・cm)が2×10-2以上(不良)
(Volume resistivity of CNT coating film)
The CNT dispersion was applied onto a PET substrate using an applicator, and then dried in an oven at 120°C for 30 minutes to obtain a CNT coating film (film thickness 3 µm). The surface resistivity (Ω/□) of the coating film after drying was then measured using Loresta GP, MCP-T610 (manufactured by Nitto Seiko Analytech Co., Ltd.). After measurement, the surface resistivity was multiplied by the thickness of the CNT coating film formed on the PET substrate to obtain the volume resistivity (Ω·cm) of the coating film. The thickness of the coating film was calculated by subtracting the film thickness of the PET substrate from the average value measured at five points in the film using a film thickness meter, and the volume resistivity (Ω·cm) of the coating film was calculated. The criteria for evaluation are shown below.
Judgment criteria: ⊚: Volume resistivity (Ω cm) of the CNT coating film is less than 7 × 10 -3 (excellent)
◯: The volume resistivity (Ω·cm) of the CNT coating film is 7×10 −3 or more and less than 1×10 −2 (good)
△: The volume resistivity (Ω·cm) of the CNT coating film is 1×10 −2 or more and less than 2×10 −2 (acceptable)
×: The volume resistivity (Ω·cm) of the CNT coating film is 2×10 −2 or more (poor)
上記実施例の結果から、複素弾性率および位相角が本発明の範囲内にあるカーボンナノチューブ分散液を用いることにより、比較例に比べて導電性に優れることが明らかとなった。本発明のカーボンナノチューブ分散液は、比較例1-N2、1-N3や1-W2、1-W3に対して、塗膜中のカーボンナノチューブが効率的に導電ネットワークを形成出来たためと思われるが、比較例1-N1、1-W1では分散液中のカーボンナノチューブの分散性が良くても導電性が低い。ここで、実施例1-W2と比較例1-W1を比較すると、カーボンナノチューブ以外は同様の条件でカーボンナノチューブ分散液を作製しているが、実施例1-W2の方が分散液のカーボンナノチューブ繊維長が長く、粒度分布が小さいことが明らかとなった。このことは、実施例1-W2のホウ素含有カーボンナノチューブが、比較例のホウ素を含有しないカーボンナノチューブよりも硬く、カーボンナノチューブの分散時に加わる衝撃などのエネルギーに対して耐久性が高いために、カーボンナノチューブが折れにくくなり、カーボンナノチューブの繊維長を保ったまま解すことが出来たためと考察している。その結果、本発明のカーボンナノチューブ分散液は、塗膜中のカーボンナノチューブが良好な導電ネットワークを形成出来たと考察している。一方、実施例1-N1、1-N5、1-N10を比較すると、カーボンナノチューブのホウ素含有量の違いによってもカーボンナノチューブ分散液の分散状態に大きな影響を及ぼし、塗膜の導電性にも影響をもたらすことも分かった。これらについて詳細は明らかとなっていないが、ホウ素含有量の多いカーボンナノチューブでは、硬さが硬すぎてもカーボンナノチューブを別々に解すことが難しくなり、十分な分散性が得られないために塗膜の導電性にも影響を及ぼしたと考えている。 From the results of the above examples, it became clear that the carbon nanotube dispersion liquid having a complex modulus and phase angle within the range of the present invention has superior conductivity compared to the comparative examples. It is believed that the carbon nanotubes in the coating film of the carbon nanotube dispersion liquid of the present invention were able to form a conductive network more efficiently than those of the comparative examples 1-N2, 1-N3, 1-W2, and 1-W3, but the conductivity of the carbon nanotubes in the dispersion liquid is low even though the dispersibility of the carbon nanotubes in the dispersion liquid is good in the comparative examples 1-N1 and 1-W1. Here, when comparing Example 1-W2 with Comparative Example 1-W1, it became clear that the carbon nanotube fiber length of the dispersion liquid in Example 1-W2 was longer and the particle size distribution was smaller, although the carbon nanotube dispersion liquid was prepared under similar conditions except for the carbon nanotubes. This is considered to be because the boron-containing carbon nanotubes in Example 1-W2 are harder than the boron-free carbon nanotubes in the comparative example and have high durability against energy such as impacts applied during dispersion of the carbon nanotubes, making the carbon nanotubes less likely to break and allowing them to be unraveled while maintaining their fiber length. As a result, it is believed that the carbon nanotube dispersion of the present invention was able to form a good conductive network in the coating film of the carbon nanotubes. On the other hand, when comparing Examples 1-N1, 1-N5, and 1-N10, it was also found that differences in the boron content of the carbon nanotubes also had a significant effect on the dispersion state of the carbon nanotube dispersion, and also affected the conductivity of the coating film. Although the details of these have not been clarified, it is believed that with carbon nanotubes with a high boron content, if the hardness is too high, it becomes difficult to separate the carbon nanotubes, and sufficient dispersibility cannot be obtained, which also affected the conductivity of the coating film.
<合材スラリー、電極の作製および評価>
次に、合材スラリー、電極、電池の作製や評価方法について示す。
<Preparation and evaluation of composite slurry and electrodes>
Next, the preparation and evaluation methods of the composite slurry, electrodes, and batteries will be described.
[実施例2-N1]
CNT、PVDF、活物質の組成(質量比)が、0.25/1.5/98.25となるように、CNT分散液(1)と、8質量%PVDF(Solef#5130、Solvey株式会社製)を溶解したNMPとを加えた後、自転公転ミキサー(株式会社シンキー製あわとり練太郎、ARE-310)を用いて2000rpmで30秒間撹拌した。その後、電極活物質NCM523(日本化学工業株式会社製、組成:LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)を添加し、自転公転ミキサーを用いて2000rpmで20分間にわたり撹拌した。さらに、正極用合材スラリーの固形分は75質量%となるようNMPを添加し、自転公転ミキサーを用いて2000rpmで30秒間撹拌して正極用合材スラリー(1)を得た。
[Example 2-N1]
CNT dispersion (1) and NMP in which 8% by mass of PVDF (Solef#5130, Solvey Co., Ltd.) was dissolved were added so that the composition (mass ratio) of CNT, PVDF, and active material was 0.25/1.5/98.25, and then the mixture was stirred at 2000 rpm for 30 seconds using a planetary centrifugal mixer (Thinky Corporation, Awatori Rentaro, ARE-310). Then, electrode active material NCM523 (Nippon Chemical Industry Co., Ltd., composition: LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 ) was added, and the mixture was stirred at 2000 rpm for 20 minutes using a planetary centrifugal mixer. Further, NMP was added so that the solid content of the positive electrode mixture slurry was 75 mass %, and the mixture was stirred at 2000 rpm for 30 seconds using a planetary centrifugal mixer to obtain a positive electrode mixture slurry (1).
[実施例2-N2~N15、比較例2-N1~N3]
表7に示す材料にした以外は実施例2-1と同様にして正極用合材スラリー(N2)~(N18)を得た。
[Examples 2-N2 to N15, Comparative Examples 2-N1 to N3]
Positive electrode composite slurries (N2) to (N18) were obtained in the same manner as in Example 2-1, except that the materials shown in Table 7 were used.
[実施例2-W1]
CNT分散液(W1)7.5質量部、CMC(ダイセルファインケム株式会社製、#1190)を2質量%溶解した水溶液を12.5質量部、イオン交換水4.9質量部計量した。その後、自転公転ミキサーを用いて、2000rpmで30秒間撹拌し、CNT樹脂組成物(W1)を得た。その後、一酸化珪素(株式会社大阪チタニウムテクノロジー社製、SILICON MONOOXIDE、SiO 1.3C 5μm)を2.4質量部添加し、自転公転ミキサーを用いて、2000rpmで30秒間撹拌した。さらに、人造黒鉛(日本黒鉛工業株式会社製、CGB-20)を21.9質量部添加し、自転公転ミキサーを用いて、2000rpmで30秒間撹拌した。さらにその後、スチレンブタジエンエマルション(JSR株式会社製、TRD2001)0.78質量部を加えて、自転公転ミキサーを用いて、2000rpmで30秒間撹拌し、負極用合材スラリー(W1)を得た。
[Example 2-W1]
7.5 parts by mass of CNT dispersion (W1), 12.5 parts by mass of an aqueous solution in which 2% by mass of CMC (manufactured by Daicel FineChem Co., Ltd., #1190) was dissolved, and 4.9 parts by mass of ion-exchanged water were weighed. Then, using a rotation and revolution mixer, the mixture was stirred at 2000 rpm for 30 seconds to obtain a CNT resin composition (W1). Then, 2.4 parts by mass of silicon monoxide (manufactured by Osaka Titanium Technology Co., Ltd., SILICON MONOOXIDE, SiO 1.3C 5 μm) was added, and the mixture was stirred at 2000 rpm for 30 seconds using a rotation and revolution mixer. Furthermore, 21.9 parts by mass of artificial graphite (manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd., CGB-20) was added, and the mixture was stirred at 2000 rpm for 30 seconds using a rotation and revolution mixer. Thereafter, 0.78 parts by mass of styrene-butadiene emulsion (TRD2001, manufactured by JSR Corporation) was further added, and the mixture was stirred at 2000 rpm for 30 seconds using a planetary centrifugal mixer to obtain a negative electrode mixture slurry (W1).
[実施例2-W2~W15、比較例2-W1~W3]
表7に示す材料に変更し、合材スラリー100質量部中のCNTが0.27質量部となるようにCNT樹脂組成物、CNT分散液の添加量を調節した以外は実施例2-W1と同様にして負極用合材スラリー(W2)~(W18)を得た。
[Examples 2-W2 to W15, Comparative Examples 2-W1 to W3]
Negative electrode composite slurries (W2) to (W18) were obtained in the same manner as in Example 2-W1, except that the materials were changed to those shown in Table 7 and the amounts of the CNT resin composition and the CNT dispersion liquid added were adjusted so that the CNT was 0.27 parts by mass in 100 parts by mass of the composite slurry.
(正極用合材層の体積抵抗率)
正極用合材スラリーを、アプリケーターを用いて、電極の目付量が20mg/cm2となるようにPET基材上に塗工した後、電気オーブン中で120℃30分間乾燥させて正極を得た。その後、(日東精工アナリテック社製:ロレスターGP、MCP-T610を用いて乾燥後の塗膜の表面抵抗率(Ω/□)を測定した。測定後、PET基材上に形成した電極合材層の厚みを掛けて、正極用の電極膜の体積抵抗率(Ω・cm)とした。電極合材層の厚みは、膜厚計を用いて、電極膜中の5点を測定した平均値から、PET基材の膜厚を引き算し、合材層の体積抵抗率(Ω・cm)を算出した。以下に判定基準を示し、結果を表7に示す。
判定基準
◎:正極合材層の体積抵抗率(Ω・cm)が8未満(優良)
〇:正極合材層の体積抵抗率(Ω・cm)が8以上12未満(良)
△:正極合材層の体積抵抗率(Ω・cm)が12以上16未満(可)
×:正極合材層の体積抵抗率(Ω・cm)が16以上(不良)
(Volume resistivity of positive electrode mixture layer)
The positive electrode composite slurry was applied to a PET substrate using an applicator so that the electrode weight was 20 mg/ cm2 , and then dried in an electric oven at 120°C for 30 minutes to obtain a positive electrode. Thereafter, the surface resistivity (Ω/□) of the coating film after drying was measured using (Nitto Seiko Analytech Co., Ltd.: Loresta GP, MCP-T610). After the measurement, the surface resistivity (Ω/□) of the electrode film for the positive electrode was determined by multiplying the thickness of the electrode composite layer formed on the PET substrate. The thickness of the electrode composite layer was calculated by subtracting the film thickness of the PET substrate from the average value measured at five points in the electrode film using a film thickness meter, and the volume resistivity (Ω/cm) of the composite layer was calculated. The criteria are shown below, and the results are shown in Table 7.
Judgment criteria: The volume resistivity (Ω cm) of the positive electrode mixture layer is less than 8 (excellent)
◯: The volume resistivity (Ω cm) of the positive electrode mixture layer is 8 or more and less than 12 (good)
△: The volume resistivity (Ω cm) of the positive electrode mixture layer is 12 or more and less than 16 (acceptable)
×: The volume resistivity (Ω cm) of the positive electrode mixture layer is 16 or more (poor)
(正極用合材層の剥離強度)
正極用合材スラリーを、アプリケーターを用いて、電極の目付量が20mg/cm2となるようにアルミ箔上に塗工した後、オーブン中で120℃30分間、塗膜を乾燥させた。その後、塗工方向を長軸として90mm×20mmの長方形に2本カットした。剥離強度の測定には引張試験機を用い、180度剥離試験法により評価した。具体的には、100mm×30mmサイズの両面テープをステンレス板上に貼り付け、作製した電池電極合材層を両面テープのもう一方の面に密着させ、一定速度(50mm/分)で下方から上方に引っ張りながら剥がし、このときの応力の平均値を剥離強度とした。以下に判定基準を示し、結果を表87に示す。
◎:正極合材層の剥離強度(N/cm)が0.3以上(優良)
〇:正極合材層の剥離強度(N/cm)が0.25以上0.3未満(良)
△:正極合材層の剥離強度(N/cm)が0.2以上0.25未満(可)
×:正極合材層の剥離強度(N/cm)が0.2未満(不良)
(Peel strength of positive electrode mixture layer)
The positive electrode composite slurry was applied to an aluminum foil using an applicator so that the electrode weight was 20 mg/ cm2 , and the coating was dried in an oven at 120°C for 30 minutes. Then, two 90 mm x 20 mm rectangles were cut with the coating direction as the long axis. The peel strength was measured using a tensile tester and evaluated by a 180-degree peel test method. Specifically, a double-sided tape of 100 mm x 30 mm size was attached to a stainless steel plate, and the prepared battery electrode composite layer was adhered to the other side of the double-sided tape and peeled off while pulling from the bottom to the top at a constant speed (50 mm/min). The average value of the stress at this time was taken as the peel strength. The criteria are shown below, and the results are shown in Table 87.
◎: Peel strength (N/cm) of the positive electrode mixture layer is 0.3 or more (excellent)
◯: The peel strength (N/cm) of the positive electrode mixture layer is 0.25 or more and less than 0.3 (good)
△: The peel strength (N/cm) of the positive electrode mixture layer is 0.2 or more and less than 0.25 (acceptable)
×: The peel strength (N/cm) of the positive electrode mixture layer is less than 0.2 (poor)
(負極用合材層の体積抵抗率)
負極用合材スラリーを用いて、電極の目付量を8mg/cm2にした以外は正極用合材層と同様にして合材層の体積抵抗率(Ω・cm)を測定した。以下に判定基準を示し、結果を表7に示す。
判定基準
◎:負極合材層の体積抵抗率(Ω・cm)が0.12未満(優良)
〇:負極合材層の体積抵抗率(Ω・cm)が0.12以上0.15未満(良)
△:負極合材層の体積抵抗率(Ω・cm)が0.15以上0.25未満(可)
×:負極合材層の体積抵抗率(Ω・cm)が0.25以上(不良)
(Volume resistivity of negative electrode mixture layer)
The volume resistivity (Ω cm) of the composite layer was measured in the same manner as for the positive electrode composite layer, except that the negative electrode composite slurry was used and the electrode weight was 8 mg/cm 2. The criteria for evaluation are shown below, and the results are shown in Table 7.
Criteria : Volume resistivity (Ω cm) of the negative electrode mixture layer is less than 0.12 (excellent)
◯: The volume resistivity (Ω cm) of the negative electrode mixture layer is 0.12 or more and less than 0.15 (good)
△: The volume resistivity (Ω cm) of the negative electrode mixture layer is 0.15 or more and less than 0.25 (acceptable)
×: The volume resistivity (Ω cm) of the negative electrode mixture layer is 0.25 or more (poor)
(負極用合材層の剥離強度)
負極用合材スラリーを、アプリケーターを用いて、電極の目付量が8mg/cm2となるように銅箔上に塗工した以外は正極用合材層の剥離強度と同様にして負極用合材層の剥離強度を測定した。以下に判定基準を示し、結果を表7に示す。
判定基準
◎:負極合材層の剥離強度(N/cm)が0.5以上(優良)
〇:負極合材層の剥離強度(N/cm)が0.4以上0.5未満(良)
△:負極合材層の剥離強度(N/cm)が0.3以上0.4未満(可)
×:負極合材層の剥離強度(N/cm)が0.3未満(不良)
(Peel strength of negative electrode mixture layer)
The peel strength of the negative electrode composite layer was measured in the same manner as for the positive electrode composite layer, except that the negative electrode composite slurry was applied to the copper foil using an applicator so that the electrode weight was 8 mg/cm 2. The evaluation criteria are shown below, and the results are shown in Table 7.
Criteria : Peel strength (N/cm) of the negative electrode mixture layer is 0.5 or more (excellent)
◯: The peel strength (N/cm) of the negative electrode mixture layer is 0.4 or more and less than 0.5 (good)
△: The peel strength (N/cm) of the negative electrode mixture layer is 0.3 or more and less than 0.4 (acceptable)
×: Peel strength (N/cm) of the negative electrode mixture layer is less than 0.3 (bad)
<非水電解質二次電池の作製および特性評価>
[実施例3-N1~N15、3-W1~W15、比較例3-N1~N3、3-W1~W3]
評価用の正極および負極は以下の方法で作製した。正極用合材スラリーを集電体となる厚さ20μmのアルミ箔上にアプリケーターを用いて塗工した後、オーブンで120℃30分間乾燥させて電極の目付量が20mg/cm2となるように作製し、さらにロールプレスによる圧延処理を行い、正極合材層の密度が3.1g/cm3となる正極を作製した。また、負極用合材スラリーを集電体となる厚さ20μmの銅箔上にアプリケーターを用いて塗工した後、オーブンで80℃30分間乾燥させて電極の目付量が10mg/cm2となるように作製し、さらにロールプレスによる圧延処理を行い、負極合材層の密度が1.6g/cm3となる負極を作製した。
表7に示す正極と下記の標準負極、または表7に示す負極と下記の標準正極をそれぞれ50mm×45mm、45mm×40mmに打ち抜き、その間に挿入されるセパレーター(多孔質ポリプロプレンフィルム)とをアルミ製ラミネート袋に挿入し、電気オーブン中、70℃で1時間乾燥させた。続いて、アルゴンガスで満たされたグローブボックス内で、電解液を2mL注入し、アルミ製ラミネート袋を封口して非水電解質二次電池(N1)~(N18)、(W1)~(W18)を作製した。電解液は、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネートを1:1:1(体積比)の割合で混合した混合溶媒を作製し、さらに添加剤として、VC(ビニレンカーボネート)を電解液100部に対して1部加えた後、LiPF6を1Mの濃度で溶解させた非水電解液である。
<Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery and evaluation of its characteristics>
[Examples 3-N1 to N15, 3-W1 to W15, Comparative Examples 3-N1 to N3, 3-W1 to W3]
The positive and negative electrodes for evaluation were prepared by the following method. The positive electrode composite slurry was applied to an aluminum foil having a thickness of 20 μm as a current collector using an applicator, and then dried in an oven at 120 ° C. for 30 minutes to prepare an electrode with a weight of 20 mg / cm 2 , and then rolled by a roll press to prepare a positive electrode with a positive electrode composite layer having a density of 3.1 g / cm 3. The negative electrode composite slurry was applied to a copper foil having a thickness of 20 μm as a current collector using an applicator, and then dried in an oven at 80 ° C. for 30 minutes to prepare an electrode with a weight of 10 mg / cm 2 , and then rolled by a roll press to prepare a negative electrode with a negative electrode composite layer having a density of 1.6 g / cm 3 .
The positive electrode shown in Table 7 and the standard negative electrode shown below, or the negative electrode shown in Table 7 and the standard positive electrode shown below, were punched out to 50 mm x 45 mm and 45 mm x 40 mm, respectively, and the separator (porous polypropylene film) inserted therebetween was inserted into an aluminum laminate bag, and dried in an electric oven at 70 ° C. for 1 hour. Then, in a glove box filled with argon gas, 2 mL of electrolyte was injected, and the aluminum laminate bag was sealed to prepare nonaqueous electrolyte secondary batteries (N1) to (N18), (W1) to (W18). The electrolyte was a nonaqueous electrolyte prepared by mixing ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate in a ratio of 1:1:1 (volume ratio) to prepare a mixed solvent, and further adding 1 part of VC (vinylene carbonate) to 100 parts of the electrolyte as an additive, and then dissolving LiPF 6 at a concentration of 1M.
[標準負極の作製]
容量150mLのプラスチック容器にアセチレンブラック(デンカ株式会社製、デンカブラック(登録商標)HS-100)と、CMC(ダイセルファインケム株式会社製、カルボキシメチルセルロース#1190)と、水とを加えた後、自転及び公転ミキサーを用いて、2,000rpmで30秒間撹拌した。さらに負極活物質として人造黒鉛(日本黒鉛工業株式会社製、CGB-20)を添加し、自転及び公転ミキサーを用いて、2,000rpmで150秒間撹拌した。続いてSBR(JSR株式会社製、TRD2001、固形分48%分散液)を加えて、自転及び公転ミキサーを用いて、2,000rpmで30秒間撹拌し、標準負極用合材スラリーを得た。標準負極用合材スラリーの固形分は48質量%とした。標準負極用合材スラリー中の負極活物質:導電材:CMC:SBRの固形分比率は97:0.5:1:1.5とした。
次に、標準負極用合材スラリーを集電体となる厚さ20μmの銅箔上にアプリケーターを用いて塗工した後、電気オーブン中で80℃で30分間にわたり乾燥させて電極の単位面積当たりの目付量が10mg/cm2となるように調整した。さらにロールプレスによる圧延処理を行い、負極合材層の密度が1.6g/cm3となる標準負極(SA)を作製した。
[Preparation of standard negative electrode]
Acetylene black (Denka Co., Ltd., Denka Black (registered trademark) HS-100), CMC (Daicel FineChem Co., Ltd., carboxymethylcellulose #1190), and water were added to a plastic container with a capacity of 150 mL, and then the mixture was stirred for 30 seconds at 2,000 rpm using a rotation and revolution mixer. Furthermore, artificial graphite (Nippon Graphite Industries Co., Ltd., CGB-20) was added as a negative electrode active material, and the mixture was stirred for 150 seconds at 2,000 rpm using a rotation and revolution mixer. SBR (JSR Corporation, TRD2001, solid content 48% dispersion) was then added, and the mixture was stirred for 30 seconds at 2,000 rpm using a rotation and revolution mixer to obtain a standard negative electrode composite slurry. The solid content of the standard negative electrode composite slurry was 48% by mass. The solid content ratio of the negative electrode active material:conductive material:CMC:SBR in the standard negative electrode mixture slurry was 97:0.5:1:1.5.
Next, the standard negative electrode composite slurry was applied to a copper foil having a thickness of 20 μm as a current collector using an applicator, and then dried in an electric oven at 80° C. for 30 minutes to adjust the weight per unit area of the electrode to 10 mg/cm 2. Further, rolling treatment was performed using a roll press to produce a standard negative electrode (SA) with a negative electrode composite layer density of 1.6 g/cm 3 .
[標準正極の作製]
容量150cm3のプラスチック容器に正極活物質(BASF戸田バッテリーマテリアルズ合同会社製、HED(登録商標)NCM-111 1100)93質量部、アセチレンブラック(デンカ株式会社製、デンカブラック(登録商標)HS100)4質量部、PVDF(株式会社社クレハ・バッテリー・マテリアルズ・ジャパン社製、クレハKFポリマー W#1300)3質量部を加えた後、ヘラを用いて粉末が均一になるまで混合した。その後、NMPを20.5質量部添加し、自転・公転ミキサーを用いて、2000rpmで30秒間撹拌した。その後、プラスチック容器内の混合物をヘラを用いて、均一になるまで混合し、前記自転・公転ミキサーを用いて、2000rpmで30秒間撹拌した。さらにその後、NMPを14.6質量部添加し、前記自転・公転ミキサーを用いて、2000rpmで30秒間撹拌した。最後に、高速攪拌機を用いて、3000rpmで10分間撹拌し、標準正極用合材スラリーを得た。その後、標準正極用合材スラリーを集電体となる厚さ20μmのアルミ箔上にアプリケーターを用いて塗工した後、電気オーブン中で120℃で30分間乾燥して電極の単位面積当たりの目付量が20mg/cm2となるように調整した。さらにロールプレスによる圧延処理を行い、合材層の密度が3.1g/cm3となる標準正極(SC)を作製した。
[Preparation of standard positive electrode]
A positive electrode active material (BASF Toda Battery Materials LLC, HED (registered trademark) NCM-111 1100) 93 parts by mass, acetylene black (Denka Co., Ltd., Denka Black (registered trademark) HS100) 4 parts by mass, and PVDF (Kureha Battery Materials Japan Co., Ltd., Kureha KF Polymer W # 1300) 3 parts by mass were added to a plastic container with a capacity of 150 cm 3, and then mixed with a spatula until the powder was uniform. Then, 20.5 parts by mass of NMP was added, and the mixture was stirred at 2000 rpm for 30 seconds using a rotation and revolution mixer. Then, the mixture in the plastic container was mixed with a spatula until it was uniform, and the mixture was stirred at 2000 rpm for 30 seconds using the rotation and revolution mixer. Further, 14.6 parts by mass of NMP was added, and the mixture was stirred at 2000 rpm for 30 seconds using the rotation and revolution mixer. Finally, the mixture was stirred at 3000 rpm for 10 minutes using a high-speed stirrer to obtain a standard positive electrode composite slurry. The standard positive electrode composite slurry was then applied to an aluminum foil having a thickness of 20 μm as a current collector using an applicator, and then dried in an electric oven at 120° C. for 30 minutes to adjust the weight per unit area of the electrode to 20 mg/cm 2. A rolling process was then performed using a roll press to produce a standard positive electrode (SC) with a composite layer density of 3.1 g/cm 3 .
(非水電解質二次電池のレート特性評価)
非水電解質二次電池を25℃の恒温室内に設置し、充放電装置(北斗電工株式会社製、SM-8)を用いて充放電測定を行った。充電電流10mA(0.2C)にて充電終止電圧4.3Vで定電流定電圧充電(カットオフ電流1mA(0.02C))を行った後、放電電流10mA(0.2C)にて、放電終止電圧3Vで定電流放電を行った。この操作を3回繰り返した後、充電電流10mA(0.2C)にて充電終止電圧4.3Vで定電流定電圧充電(カットオフ電流(1mA(0.02C))を行い、放電電流0.2C及び3Cで放電終止電圧3.0Vに達するまで定電流放電を行って、それぞれ放電容量を求めた。レート特性は0.2C放電容量と3C放電容量の比、以下の式1で表すことができる。また、以下に判定基準を示し、結果を表7に示す。
(式1)
レート特性 = 3C放電容量/3回目の0.2C放電容量 ×100 (%)
判定基準
◎:レート特性が80%以上(極めて優良)
〇:レート特性が70%以上80%未満(優良)
〇△:レート特性が60%以上70%未満(良)
△:レート特性が50%以上60%未満(可)
×:レート特性が50%未満(不良)
(Evaluation of rate characteristics of non-aqueous electrolyte secondary batteries)
The non-aqueous electrolyte secondary battery was placed in a thermostatic chamber at 25°C, and charge/discharge measurements were performed using a charge/discharge device (SM-8, manufactured by Hokuto Denko Corporation). After constant current/constant voltage charging (cut-off current 1mA (0.02C)) at a charge end voltage of 4.3V at a charge current of 10mA (0.2C), constant current discharging was performed at a discharge end voltage of 3V at a discharge current of 10mA (0.2C). After repeating this operation three times, constant current/constant voltage charging (cut-off current (1mA (0.02C))) was performed at a charge end voltage of 4.3V at a charge current of 10mA (0.2C), and constant current discharging was performed at discharge currents of 0.2C and 3C until the discharge end voltage reached 3.0V, and the discharge capacity was determined. The rate characteristic can be expressed by the ratio of the 0.2C discharge capacity to the 3C discharge capacity, as shown in the following formula 1. The criteria for judgment are shown below, and the results are shown in Table 7.
(Formula 1)
Rate characteristic = 3C discharge capacity / 3rd 0.2C discharge capacity × 100 (%)
Judgment criteria: ◎: Rate characteristics are 80% or more (very good)
○: Rate characteristics are 70% or more and less than 80% (excellent)
◯△: Rate characteristics are 60% or more and less than 70% (good)
△: Rate characteristics are 50% or more and less than 60% (acceptable)
×: Rate characteristic is less than 50% (bad)
(非水電解質二次電池のサイクル特性評価方法)
非水電解質二次電池を40℃の恒温室内に設置し、充放電装置(北斗電工株式会社製、SM-8)を用いて充放電測定を行った。充電電流25mA(0.5C)にて充電終止電圧4.3Vで定電流定電圧充電(カットオフ電流2.5mA(0.05C))を行った後、放電電流25mA(0.5C)にて、放電終止電圧3Vで定電流放電を行った。この操作を200回繰り返した。サイクル特性は25℃における3回目の0.5C放電容量と200回目の0.5C放電容量の比、以下の式2で表すことができる。また、以下に判定基準を示し、結果を表7に示す。
(式2)
サイクル特性 = 3回目の0.5C放電容量/200回目の0.5C放電容量 ×100(%)
判定基準
◎:サイクル特性が80%以上(極めて優良)
〇:サイクル特性が70%以上80%未満(優良)
〇△:サイクル特性が60%以上70%未満(良)
△:サイクル特性が60%以上70%未満(可)
×:サイクル特性が60%未満(不良)
(Method for Evaluating Cycle Characteristics of Non-Aqueous Electrolyte Secondary Battery)
The non-aqueous electrolyte secondary battery was placed in a thermostatic chamber at 40° C., and charge/discharge measurements were performed using a charge/discharge device (SM-8, manufactured by Hokuto Denko Corporation). After constant-current constant-voltage charging (cutoff current 2.5 mA (0.05 C)) at a charge current of 25 mA (0.5 C) and a charge end voltage of 4.3 V, constant-current discharging was performed at a discharge current of 25 mA (0.5 C) and a discharge end voltage of 3 V. This operation was repeated 200 times. The cycle characteristics can be expressed by the ratio of the third 0.5 C discharge capacity at 25° C. to the 200th 0.5 C discharge capacity, as shown in the following formula 2. The criteria for judgment are shown below, and the results are shown in Table 7.
(Formula 2)
Cycle characteristic = 3rd 0.5C discharge capacity / 200th 0.5C discharge capacity × 100 (%)
Evaluation criteria: Cycle characteristics are 80% or more (excellent)
◯: Cycle characteristics are 70% or more and less than 80% (excellent)
◯△: Cycle characteristics are 60% or more and less than 70% (good)
△: Cycle characteristics are 60% or more and less than 70% (acceptable)
×: Cycle characteristics are less than 60% (bad)
上記実施例の結果から、複素弾性率および位相角が本発明の範囲内にあるカーボンナノチューブ分散液を用いることにより、比較例に比べてレート特性およびサイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池が得られることが分かった。
本発明のカーボンナノチューブ分散液は、粘度が低くて分散性が良好であり、さらに分散安定性も良好であるため、電極中でカーボンナノチューブが効率的に導電ネットワークを形成出来たことにより、サイクル特性が良好であったと思われるが、比較例3-N1、比較例3-W1ではカーボンナノチューブ分散液の分散性は良くても、導電性が不足しているために十分なレート特性を引き出せなかったと考えられる。また、比較例3-N1、比較例3-W1では電極中の導電ネットワークが形成出来きていても、実施例と比べるとサイクル特性が悪い。これらの結果は、本発明のホウ素含有カーボンナノチューブがホウ素を含有しないカーボンナノチューブに対して硬さが硬いため、電池の充放電中における電極中の活物質の膨張収縮の繰り返しに対してカーボンナノチューブの導電ネットワークが崩れずに維持出来ているためにサイクル特性が改善したのだと考察している。一方、実施例2-N1、2-N5、2-N10、あるいは実施例3-N1、3-N5、3-N10を比較すると、カーボンナノチューブのホウ素含有量の違いにより、電極(合材層)の導電性、剥離強度や電池特性(レート特性、サイクル特性)に影響を及ぼすことも分かった。
以上より、本発明は従来のカーボンナノチューブ分散液では実現しがたい高容量、高出力かつ高耐久性を有するリチウムイオン二次電池を提供できることが明らかとなった。
From the results of the above examples, it was found that by using a carbon nanotube dispersion liquid whose complex modulus and phase angle are within the range of the present invention, a lithium ion secondary battery having superior rate characteristics and cycle characteristics compared to the comparative examples can be obtained.
The carbon nanotube dispersion of the present invention has low viscosity and good dispersibility, and further has good dispersion stability, so that the carbon nanotubes can efficiently form a conductive network in the electrode, which is thought to have resulted in good cycle characteristics. However, in Comparative Example 3-N1 and Comparative Example 3-W1, although the carbon nanotube dispersion has good dispersibility, it is thought that sufficient rate characteristics could not be obtained due to insufficient conductivity. In addition, in Comparative Example 3-N1 and Comparative Example 3-W1, even though a conductive network in the electrode was formed, the cycle characteristics were poor compared to the Examples. These results are considered to be due to the fact that the boron-containing carbon nanotubes of the present invention are harder than the carbon nanotubes not containing boron, so that the conductive network of the carbon nanotubes can be maintained without collapsing against the repeated expansion and contraction of the active material in the electrode during charging and discharging of the battery, thereby improving the cycle characteristics. On the other hand, when comparing Examples 2-N1, 2-N5, and 2-N10, or Examples 3-N1, 3-N5, and 3-N10, it was also found that the difference in boron content of the carbon nanotubes affects the conductivity and peel strength of the electrode (composite layer) and the battery characteristics (rate characteristics, cycle characteristics).
From the above, it has become clear that the present invention can provide a lithium ion secondary battery having high capacity, high output and high durability, which are difficult to achieve with conventional carbon nanotube dispersion liquids.
1: ホウ素クラスター(186~187eV)のピーク
2: 炭化ホウ素(187~188eV)のピーク
3: 六角網面を基本骨格とした炭素元素と置換するようにドープされているホウ素(188.2~189.3eV)のピーク
4: 酸化ホウ素BC2O(189.5~190.5eV)のピーク
5: 酸化ホウ素BCO2(191.5~192eV)のピーク
6: 酸化ホウ素B2O3(192.5~193eV)のピーク
1: Peak of boron cluster (186-187 eV) 2: Peak of boron carbide (187-188 eV) 3: Peak of boron doped to substitute for carbon elements with a basic skeleton of a hexagonal mesh face (188.2-189.3 eV) 4: Peak of boron oxide BC 2 O (189.5-190.5 eV) 5: Peak of boron oxide BCO 2 (191.5-192 eV) 6: Peak of boron oxide B 2 O 3 (192.5-193 eV)
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020201694A JP7683196B2 (en) | 2020-12-04 | 2020-12-04 | Carbon nanotube dispersion, and resin composition, conductive film, composite material slurry, electrode, and non-aqueous electrolyte secondary battery using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020201694A JP7683196B2 (en) | 2020-12-04 | 2020-12-04 | Carbon nanotube dispersion, and resin composition, conductive film, composite material slurry, electrode, and non-aqueous electrolyte secondary battery using the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022089358A JP2022089358A (en) | 2022-06-16 |
| JP7683196B2 true JP7683196B2 (en) | 2025-05-27 |
Family
ID=81989067
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020201694A Active JP7683196B2 (en) | 2020-12-04 | 2020-12-04 | Carbon nanotube dispersion, and resin composition, conductive film, composite material slurry, electrode, and non-aqueous electrolyte secondary battery using the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7683196B2 (en) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102867914B1 (en) * | 2021-06-28 | 2025-10-13 | 세종대학교산학협력단 | Boron-doped Carbon Nanotube synthesized by Arc Discharge and Method of manufacturing the same |
| JP2024000897A (en) * | 2022-06-21 | 2024-01-09 | 東洋インキScホールディングス株式会社 | Carbon nanotube dispersion, composite slurry for electrode films, electrode films, and secondary batteries |
| JP2024030584A (en) * | 2022-08-24 | 2024-03-07 | 三菱鉛筆株式会社 | carbon nanotube dispersion |
| JP7848647B2 (en) * | 2022-09-22 | 2026-04-21 | 株式会社豊田自動織機 | Method for manufacturing electrodes for energy storage devices and composite materials for active material layers. |
| KR20250161627A (en) * | 2023-03-23 | 2025-11-17 | 나가세케무텍쿠스가부시키가이샤 | challenging composition |
| JP7818032B2 (en) * | 2023-04-12 | 2026-02-19 | インディアン オイル コーポレーション リミテッド | Electrode composition for lithium ion secondary battery and manufacturing process thereof |
| JP7620756B1 (en) * | 2023-10-26 | 2025-01-23 | artience株式会社 | Carbon nanotube dispersion composition, composite slurry, electrode film, secondary battery, and vehicle |
| JP7620757B1 (en) * | 2023-10-26 | 2025-01-23 | artience株式会社 | Carbon material dispersion, electrode slurry, electrode, and method for manufacturing secondary battery |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002266170A (en) | 2000-12-20 | 2002-09-18 | Showa Denko Kk | Branched vapor grown carbon fiber, transparent electrically conductive composition and use thereof |
| JP2010520148A (en) | 2007-03-07 | 2010-06-10 | カーボレックス インコーポレイテッド | Boron-doped single-walled nanotubes (SWCNT) |
| JP2017226595A (en) | 2016-06-15 | 2017-12-28 | 国立大学法人東北大学 | Carbon material and method for producing the same |
| JP2018534731A (en) | 2015-12-10 | 2018-11-22 | エルジー・ケム・リミテッド | Conductive material dispersion and lithium secondary battery produced using the same |
| JP2019212489A (en) | 2018-06-05 | 2019-12-12 | 花王株式会社 | Carbon nanotube water-based dispersion |
| JP2020011872A (en) | 2018-07-20 | 2020-01-23 | 東洋インキScホールディングス株式会社 | Carbon nanotube dispersion and its use |
| JP2020011873A (en) | 2018-07-20 | 2020-01-23 | 東洋インキScホールディングス株式会社 | Carbon nanotube dispersion liquid and its use |
| CN111285354A (en) | 2020-02-19 | 2020-06-16 | 东华大学 | A kind of boron-doped carbon nanotube and its preparation and application |
| WO2020203714A1 (en) | 2019-03-29 | 2020-10-08 | 東洋インキScホールディングス株式会社 | Dispersant, dispersed material, resin composition, mixture slurry, electrode film, and non-aqueous electrolyte secondary battery |
-
2020
- 2020-12-04 JP JP2020201694A patent/JP7683196B2/en active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002266170A (en) | 2000-12-20 | 2002-09-18 | Showa Denko Kk | Branched vapor grown carbon fiber, transparent electrically conductive composition and use thereof |
| JP2010520148A (en) | 2007-03-07 | 2010-06-10 | カーボレックス インコーポレイテッド | Boron-doped single-walled nanotubes (SWCNT) |
| JP2018534731A (en) | 2015-12-10 | 2018-11-22 | エルジー・ケム・リミテッド | Conductive material dispersion and lithium secondary battery produced using the same |
| JP2017226595A (en) | 2016-06-15 | 2017-12-28 | 国立大学法人東北大学 | Carbon material and method for producing the same |
| JP2019212489A (en) | 2018-06-05 | 2019-12-12 | 花王株式会社 | Carbon nanotube water-based dispersion |
| JP2020011872A (en) | 2018-07-20 | 2020-01-23 | 東洋インキScホールディングス株式会社 | Carbon nanotube dispersion and its use |
| JP2020011873A (en) | 2018-07-20 | 2020-01-23 | 東洋インキScホールディングス株式会社 | Carbon nanotube dispersion liquid and its use |
| WO2020203714A1 (en) | 2019-03-29 | 2020-10-08 | 東洋インキScホールディングス株式会社 | Dispersant, dispersed material, resin composition, mixture slurry, electrode film, and non-aqueous electrolyte secondary battery |
| CN111285354A (en) | 2020-02-19 | 2020-06-16 | 东华大学 | A kind of boron-doped carbon nanotube and its preparation and application |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2022089358A (en) | 2022-06-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7683196B2 (en) | Carbon nanotube dispersion, and resin composition, conductive film, composite material slurry, electrode, and non-aqueous electrolyte secondary battery using the same | |
| CN114585587B (en) | Carbon nanotube dispersion liquid and resin composition using the same, composite material slurry, electrode film, and non-aqueous electrolyte secondary battery | |
| JP7669897B2 (en) | Carbon nanotube dispersion and its use | |
| KR102924485B1 (en) | Carbon nanotubes, carbon nanotube dispersions, and non-aqueous electrolyte secondary batteries using them | |
| JP7688470B2 (en) | Carbon nanotube dispersion composition, and resin composition, electrode film, secondary battery, and vehicle using the same | |
| JP2022079432A (en) | Carbon nanotube dispersion liquid and its use | |
| JP7548473B2 (en) | Carbon nanotube dispersion, and resin composition, conductive film, composite material slurry, electrode, and non-aqueous electrolyte secondary battery using the same | |
| JP7687401B2 (en) | Resin composition for secondary battery electrodes, method for producing composite slurry for secondary battery electrodes, method for producing electrode film, and method for producing secondary battery | |
| JP7568157B1 (en) | Carbon nanotubes, carbon nanotube dispersion, secondary battery using same, and method for producing carbon nanotubes | |
| WO2025005255A1 (en) | Composite for secondary battery electrode | |
| JP2025007086A (en) | Composite for secondary battery electrodes | |
| JP2024090343A (en) | Electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery, and non-aqueous electrolyte secondary battery | |
| JP2025007087A (en) | Composite for secondary battery electrodes | |
| JP2025084577A (en) | Composite for secondary battery electrodes | |
| JP2023092639A (en) | Carbon material resin composite for non-aqueous electrolyte secondary battery, dispersion liquid for non-aqueous electrolyte secondary battery using the same, electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery, and non-aqueous electrolyte secondary battery |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230801 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20240319 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240423 |
|
| A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20240620 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240822 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20241126 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20250124 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20250415 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20250428 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7683196 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |