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JP7759054B2 - Binder composition for lithium ion battery positive electrode, slurry for forming lithium ion battery positive electrode composite layer, positive electrode for lithium ion battery, and lithium ion battery - Google Patents
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Binder composition for lithium ion battery positive electrode, slurry for forming lithium ion battery positive electrode composite layer, positive electrode for lithium ion battery, and lithium ion battery

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JP7759054B2 JP2021214606A JP2021214606A JP7759054B2 JP 7759054 B2 JP7759054 B2 JP 7759054B2 JP 2021214606 A JP2021214606 A JP 2021214606A JP 2021214606 A JP2021214606 A JP 2021214606A JP 7759054 B2 JP7759054 B2 JP 7759054B2
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Description

本発明は、リチウムイオン電池正極用バインダ組成物、リチウムイオン電池正極合材層形成用スラリー、リチウムイオン電池用正極及びリチウムイオン電池に関するものである。 The present invention relates to a binder composition for lithium-ion battery positive electrodes, a slurry for forming a lithium-ion battery positive electrode composite layer, a lithium-ion battery positive electrode, and a lithium-ion battery.

リチウムイオン電池は、近年、電気機器等の電源として幅広く用いられている。さらに、最近は電気自動車の電源としてもその用途を拡大しつつあり、高容量化、高出力化、サイクル寿命の向上といった特性向上とともに、高い安全性が要望されている。 Lithium-ion batteries have been widely used in recent years as power sources for electrical devices and other devices. Furthermore, their use has recently expanded to include electric vehicles as power sources, and there is a demand for improved performance, such as higher capacity, higher output, and improved cycle life, as well as high safety.

リチウムイオン電池の正極は、粉末状の正極活物質と導電助剤とバインダを主成分とする多孔質体が集電体上に積層・結着した構造を有しており、その性能は、正極活物質の特性のみならず、バインダの種類によっても大きく影響されることが知られている。 The positive electrode of a lithium-ion battery has a structure in which a porous body composed primarily of powdered positive electrode active material, a conductive additive, and a binder is layered and bound onto a current collector. It is known that its performance is greatly affected not only by the characteristics of the positive electrode active material, but also by the type of binder.

従来、正極用バインダとしてはポリフッ化ビニリデン(PVDF)が主流であったが、電極製造時に有機溶媒を用いるため、スラリー調製工程や電極シート塗布工程で除害設備が、電極シート乾燥工程で溶媒回収設備が必要になることや、活物質に対するPVDFの接着力が低いためバインダ添加量が増えてしまうといった欠点を有していた。 Traditionally, polyvinylidene fluoride (PVDF) has been the mainstream binder for positive electrodes, but because organic solvents are used during electrode manufacturing, this has drawbacks, such as the need for decontamination equipment in the slurry preparation process and electrode sheet application process, and solvent recovery equipment in the electrode sheet drying process. Also, PVDF's low adhesive strength to the active material means that a larger amount of binder needs to be added.

一方、有機溶媒を用いず、水に分散・溶解可能な水系バインダとして、ポリビニルアルコールとメチルセルロースを用いること(例えば、特許文献1参照。)、キサンタンガムを用いること(例えば、特許文献2参照。)、アミロース、アミノペクチン等のデンプン型多糖を用いること(例えば、特許文献3、4参照。)、アルギン酸やアルギン酸誘導体を用いること(例えば、特許文献5、6、7、8、9参照。)が開示されている。水系バインダは電極シート製造時の除害設備が不要であり、作業環境も良好になるため好ましいが、アルギン酸やその誘導体などの多糖類をバインダに用いた際に、場合によっては電極シートが硬くなり柔軟性が不足して、電池作成時や充放電時に電極シートにクラックが生じたり、電極合材層の剥離が生じることがあり、問題となっていた。 On the other hand, methods have been disclosed for using aqueous binders that are dispersible and soluble in water without using organic solvents, such as those using polyvinyl alcohol and methyl cellulose (see, for example, Patent Document 1), xanthan gum (see, for example, Patent Document 2), starch-type polysaccharides such as amylose and aminopectin (see, for example, Patent Documents 3 and 4), and alginic acid or alginic acid derivatives (see, for example, Patent Documents 5, 6, 7, 8, and 9). Aqueous binders are preferable because they do not require decontamination equipment during electrode sheet production and improve the working environment. However, when polysaccharides such as alginic acid or its derivatives are used as binders, the electrode sheet can become hard and lack flexibility in some cases, which can lead to cracks in the electrode sheet or peeling of the electrode composite layer during battery production or charge/discharge, posing problems.

特開昭53-41732号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 53-41732 特開2003-68292号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-68292 特開2008-27904号公報JP 2008-27904 A 国際公開第2012/133120号International Publication No. 2012/133120 特開平10-92415号公報Japanese Patent Application Publication No. 10-92415 特開2001-15114号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-15114 特開2014-96238号公報JP 2014-96238 A 特開2014-195018号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-195018 特開2015-191862号公報JP 2015-191862 A

本発明は、正極および電池作製時の作業性に優れ、柔軟性を有する正極を作製可能とするリチウムイオン電池正極用バインダ組成物、並びに、それを用いたリチウムイオン電池正極合材層形成用スラリー、リチウムイオン電池用正極及びリチウムイオン電池を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a binder composition for lithium-ion battery positive electrodes that allows for the production of flexible positive electrodes with excellent workability during the production of positive electrodes and batteries, as well as a slurry for forming a lithium-ion battery positive electrode composite layer using the same, a lithium-ion battery positive electrode, and a lithium-ion battery.

本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討を行った結果、正極バインダに多糖類と特定の糖アルコールからなる組成物を用いることで前記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of extensive research into resolving the above-mentioned issues, the inventors discovered that the above objective could be achieved by using a composition consisting of polysaccharides and specific sugar alcohols as the positive electrode binder, leading to the completion of the present invention.

すなわち、本発明の各態様は、以下に示す[1]~[5]である。 That is, the various aspects of the present invention are [1] to [5] shown below.

[1]リチウムイオン電池の正極において正極活物質と導電助剤と集電体とを結着させるバインダ組成物において、多糖類と糖アルコールの合計量に対して、多糖類80~99.5%と炭素数が4~24の糖アルコール0.5~20%とを含むことを特徴とする、リチウムイオン電池正極用バインダ組成物。 [1] A binder composition for a lithium-ion battery positive electrode that binds together a positive electrode active material, a conductive additive, and a current collector in the positive electrode of the lithium-ion battery, characterized in that the binder composition contains 80 to 99.5% polysaccharide and 0.5 to 20% sugar alcohol having 4 to 24 carbon atoms relative to the total amount of polysaccharide and sugar alcohol.

[2]多糖類がアルギン酸またはアルギン酸誘導体である、請求項1に記載のバインダ組成物。 [2] The binder composition according to claim 1, wherein the polysaccharide is alginic acid or an alginic acid derivative.

[3]正極活物質、導電助剤、[1]または[2]に記載のバインダ組成物、及び水を含むことを特徴とする、リチウムイオン電池正極合材層形成用スラリー。 [3] A slurry for forming a positive electrode composite layer for a lithium ion battery, comprising a positive electrode active material, a conductive additive, the binder composition described in [1] or [2], and water.

[4][1]または[2]に記載のバインダ組成物を含むことを特徴とする、リチウムイオン電池用正極。 [4] A positive electrode for a lithium ion battery, comprising the binder composition described in [1] or [2].

[5][4]に記載のリチウムイオン電池用正極を有することを特徴とする、リチウムイオン電池。 [5] A lithium ion battery characterized by having the lithium ion battery positive electrode described in [4].

なお、本発明のリチウムイオン電池正極用バインダ組成物によって前記目的が達成される理由に関し、本発明者らは以下のように推察する。 The inventors speculate as follows as to why the above-mentioned objectives are achieved by the binder composition for lithium-ion battery positive electrodes of the present invention.

すなわち、本発明において用いられる特定の糖アルコールは多糖類の可塑剤として作用し、多糖類と糖アルコールからなるバインダ組成物に柔軟性を付与することができる。その結果、電極乾燥時や電池作成時に生じる正極シートのクラックや、充放電時の体積変化に伴う正極合材層の割れ、正極合材層や活物質の剥離・脱落を抑制し、導電チャンネルの破壊を防止することができる。正極シートにクラックがなく、電池作動時に正極合材層の剥離がないことは、優れた充放電特性とサイクル寿命の延長といった電池の高性能化に大きな寄与を及ぼす。なお、本発明で用いられる特定の糖アルコールは電解液に溶解しないため、電池特性に悪影響を及ぼさない。 In other words, the specific sugar alcohol used in the present invention acts as a plasticizer for polysaccharides, imparting flexibility to the binder composition composed of polysaccharides and sugar alcohols. As a result, cracks in the positive electrode sheet that occur during electrode drying or battery assembly, cracks in the positive electrode composite layer due to volume changes during charge and discharge, and peeling and detachment of the positive electrode composite layer and active material are suppressed, preventing destruction of the conductive channel. The absence of cracks in the positive electrode sheet and peeling of the positive electrode composite layer during battery operation contributes greatly to improved battery performance, such as excellent charge and discharge characteristics and extended cycle life. Furthermore, because the specific sugar alcohol used in the present invention does not dissolve in the electrolyte, it does not adversely affect battery characteristics.

本発明によれば、正極および電池作製時の作業性に優れ、柔軟性を有する正極を作製可能とするリチウムイオン電池正極用バインダ組成物、並びに、それを用いたリチウムイオン電池正極合材層形成用スラリー、リチウムイオン電池用正極及びリチウムイオン電池を提供することが可能となり、さらに、それを用いることにより、充放電特性に優れており、サイクル寿命低下が抑制されたリチウムイオン電池用正極及びリチウムイオン電池を提供することが可能となる。 The present invention makes it possible to provide a binder composition for lithium-ion battery positive electrodes that allows for the production of flexible positive electrodes with excellent workability during the production of positive electrodes and batteries, as well as a slurry for forming a lithium-ion battery positive electrode composite layer using the same, a positive electrode for lithium-ion batteries, and a lithium-ion battery.Furthermore, by using the same, it is possible to provide a positive electrode for lithium-ion batteries and a lithium-ion battery that have excellent charge/discharge characteristics and suppressed reduction in cycle life.

実施例1で得られた正極の表面のSEM画像である。(倍率1500倍)1 is an SEM image (magnification: 1500 times) of the surface of the positive electrode obtained in Example 1. 実施例2で得られた正極の表面のSEM画像である。(倍率1500倍)1 is an SEM image (magnification: 1500 times) of the surface of the positive electrode obtained in Example 2. 実施例3で得られた正極の表面のSEM画像である。(倍率3000倍)1 is an SEM image (magnification: 3000 times) of the surface of the positive electrode obtained in Example 3. 比較例1で得られた正極の表面のSEM画像である。(倍率1500倍)1 is an SEM image (magnification: 1500 times) of the surface of the positive electrode obtained in Comparative Example 1. 比較例2で得られた正極の表面のSEM画像である。(倍率3000倍)1 is an SEM image (magnification: 3000 times) of the surface of the positive electrode obtained in Comparative Example 2. 比較例3で得られた正極の表面のSEM画像である。(倍率1500倍)1 is an SEM image (magnification: 1500x) of the surface of the positive electrode obtained in Comparative Example 3. 実施例1、実施例2、比較例1で得られたコインセルの充放電サイクル特性を比較したグラフである。1 is a graph comparing the charge-discharge cycle characteristics of the coin cells obtained in Example 1, Example 2, and Comparative Example 1. 実施例3、比較例2で得られたコインセルの充放電サイクル特性を比較したグラフである。1 is a graph comparing the charge-discharge cycle characteristics of the coin cells obtained in Example 3 and Comparative Example 2. 比較例3で得られたコインセルの充放電サイクル特性を示したグラフである。10 is a graph showing the charge-discharge cycle characteristics of the coin cell obtained in Comparative Example 3.

以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。 The present invention will be described in detail below based on its preferred embodiments.

本発明の一態様であるリチウムイオン電池正極用バインダ組成物は、多糖類と特定の糖アルコールからなる組成物である。 One aspect of the present invention is a binder composition for lithium-ion battery positive electrodes, which is a composition consisting of a polysaccharide and a specific sugar alcohol.

多糖類とは、単糖がグリコシド結合により多数連結した構造を有するものを指し、本発明のバインダ組成物に含まれる多糖類としては、アミロース、アミロペクチン、デキストリン、グリコーゲン、セルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシアルキルセルロース、アセチルセルロース、ペクチン、プルラン、カードラン、キチン、キトサン、アガロース、キサンタンガム、グアーガム、ジェランガム、ローカストビーンガム、アラビアガム、タマリンドシードガム、サイリウムシードガム、カラギーナン、アルギン酸、アルギン酸誘導体、ヘパリン、ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、キシログルカン、グルコマンナン等が挙げられる。これらの中で、本発明においては中性多糖類や酸性多糖類が好ましく用いられる。具体例としては、アミロース、アミロペクチン、カルボキシメチルセルロース、グアーガム、ジェランガム、キサンタンガム、アラビアガム、アルギン酸、アルギン酸誘導体、アガロース、カラギーナン、コンドロイチン硫酸が挙げられる。更に好ましくは、アルギン酸またはアルギン酸誘導体が用いられる。アルギン酸誘導体とは、アルギン酸に種々の置換基が導入された化合物を指し、例えばアルギン酸アルカリ金属塩、アルギン酸アルカリ土類金属塩、アルギン酸アンモニウム塩、アルギン酸エステル、硫酸化アルギン酸などが挙げられる。 Polysaccharides refer to those having a structure in which multiple monosaccharides are linked together via glycosidic bonds. Examples of polysaccharides contained in the binder composition of the present invention include amylose, amylopectin, dextrin, glycogen, cellulose, carboxymethylcellulose, hydroxyalkylcellulose, acetylcellulose, pectin, pullulan, curdlan, chitin, chitosan, agarose, xanthan gum, guar gum, gellan gum, locust bean gum, gum arabic, tamarind seed gum, psyllium seed gum, carrageenan, alginic acid, alginic acid derivatives, heparin, hyaluronic acid, chondroitin sulfate, xyloglucan, and glucomannan. Of these, neutral and acidic polysaccharides are preferred for use in the present invention. Specific examples include amylose, amylopectin, carboxymethylcellulose, guar gum, gellan gum, xanthan gum, gum arabic, alginic acid, alginic acid derivatives, agarose, carrageenan, and chondroitin sulfate. More preferably, alginic acid or an alginic acid derivative is used. Alginic acid derivatives refer to compounds in which various substituents have been introduced into alginic acid, and examples include alkali metal alginates, alkaline earth metal alginates, ammonium alginates, alginic acid esters, and sulfated alginic acid.

多糖類の分子量は、重量平均分子量で10,000~2,000,000であることが好ましい。重量平均分子量が上記範囲にあれば、機械的特性が良好で、電極作製時のスラリー粘度も適切な値となるため好ましい。 The molecular weight of the polysaccharide is preferably a weight-average molecular weight of 10,000 to 2,000,000. A weight-average molecular weight within this range is preferable because it provides good mechanical properties and an appropriate slurry viscosity during electrode production.

アルギン酸またはアルギン酸誘導体の具体例としては、下記一般式(1) Specific examples of alginic acid or alginic acid derivatives include those represented by the following general formula (1):

(式中、m及びnは互いに独立して1以上の整数を表し、Rは同一でも異なっていてもよくそれぞれ水素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、四級アンモニウム及び-R-OHで示される基からなる群から選択される一種を表し、Rは炭素数2~6の2価の炭化水素基を表す。)
で示されるアルギン酸、アルギン酸塩、アルギン酸エステルが好適に用いられる。
(In the formula, m and n each independently represent an integer of 1 or greater; R 1 may be the same or different and each represents one selected from the group consisting of hydrogen, alkali metals, alkaline earth metals, quaternary ammonium, and groups represented by —R 3 —OH; and R 3 represents a divalent hydrocarbon group having 2 to 6 carbon atoms.)
Alginic acid, alginate salts, and alginate esters represented by the following formula are preferably used.

の2価の炭素数2~6の炭化水素基としては、エチレン基、エチリデン基、ビニレン基、トリメチレン基、メチルエチレン基、1-メチルエチリデン基、プロペニレン基、テトラメチレン基、メチルトリメチレン基、ジメチルエチレン基、1-エチルエチリデン基、エチルエチレン基、ペンタメチレン基、メチルテトラメチレン基、ジメチルトリメチレン基、メチルエチルエチレン基、ヘキサメチレン基、シクロへキシレン基、シクロヘキシリデン基が挙げられる。 Examples of the divalent hydrocarbon group having 2 to 6 carbon atoms for R3 include an ethylene group, an ethylidene group, a vinylene group, a trimethylene group, a methylethylene group, a 1-methylethylidene group, a propenylene group, a tetramethylene group, a methyltrimethylene group, a dimethylethylene group, a 1-ethylethylidene group, an ethylethylene group, a pentamethylene group, a methyltetramethylene group, a dimethyltrimethylene group, a methylethylethylene group, a hexamethylene group, a cyclohexylene group, and a cyclohexylidene group.

アルギン酸とは、式(1)中のRが全て水素の場合であり、アルギン酸塩とは式(1)中のRの少なくとも一部がアルカリ金属(例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム)やアルカリ土類金属(例えば、マグネシウム、カルシウム)や四級アンモニウム(例えば、アンモニウム、テトラメチルアンモニウム)の場合であり、アルキン酸エステルとは式(1)中のRの少なくとも一部が-R-OH(Rは炭素数2~6の2価の炭化水素基)で示される基の場合を指し、このようなアルキン酸エステルはアルギン酸とエポキシ化合物を反応させることにより製造できる。 Alginic acid refers to the case where all R 1 in formula (1) are hydrogen; alginate refers to the case where at least some of R 1 in formula (1) are alkali metals (e.g., lithium, sodium, potassium), alkaline earth metals (e.g., magnesium, calcium), or quaternary ammonium (e.g., ammonium, tetramethylammonium); and alkynoic acid ester refers to the case where at least some of R 1 in formula (1) are groups represented by -R 3 -OH (R 3 is a divalent hydrocarbon group having 2 to 6 carbon atoms), and such alkynoic acid esters can be produced by reacting alginic acid with an epoxy compound.

また、前記一般式(1)中のm及びnは、互いに独立してそれぞれ1以上の整数であればよいが、前記一般式(1)で示されるアルギン酸またはアルギン酸誘導体の重量平均分子量が10,000~2,000,000となるように選択されることが好ましく、m及びnは互いに独立してそれぞれ30~6000であることが好ましい。 In addition, m and n in the general formula (1) may each independently be an integer of 1 or greater, but are preferably selected so that the weight-average molecular weight of the alginic acid or alginic acid derivative represented by the general formula (1) is 10,000 to 2,000,000, and m and n are preferably each independently 30 to 6,000.

アルギン酸の構成成分であるマンヌロン酸とグルロン酸の比率は任意であり、柔軟なゲルを生成するマンヌロン酸比率の高いアルギン酸、剛直なゲルが得られるグルロン酸比率の高いアルギン酸、いずれも用いることができる。 The ratio of mannuronic acid and guluronic acid, which are components of alginic acid, can be any ratio; either alginic acid with a high mannuronic acid ratio, which produces a flexible gel, or alginic acid with a high guluronic acid ratio, which produces a rigid gel, can be used.

上記多糖類に硫酸基及び/又は硫酸アルカリ金属塩基が導入された硫酸化多糖類も好適に用いられる。硫酸基は、塩基性塩のみならずNaClやCaCl等の中性塩もイオン交換可能なイオン交換基である。硫酸基の導入位置は、多糖類構造中に含まれる水酸基の部位であり、水酸基の水素が-SOHに置換されて導入される。 Sulfated polysaccharides in which sulfate groups and/or alkali metal sulfate groups have been introduced into the above polysaccharides are also suitable. The sulfate groups are ion-exchange groups that can exchange not only basic salts but also neutral salts such as NaCl and CaCl2. The sulfate groups are introduced at hydroxyl group sites in the polysaccharide structure, and the hydrogen atoms of the hydroxyl groups are replaced with -SO3H .

硫酸基及び/又は硫酸アルカリ金属塩基を有する多糖類は、下記一般式(2) Polysaccharides having sulfate groups and/or alkali metal sulfate groups are represented by the following general formula (2):

(式中、m及びnは互いに独立して1以上の整数を表し、Rは同一でも異なっていてもよくそれぞれ水素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、四級アンモニウム及び-R-O-Rで示される基からなる群から選択される一種を表し、Rは炭素数2~6の2価の炭化水素基を表し、Rは同一でも異なっていてもよくそれぞれ水素又は-SOM(Mは水素又はアルカリ金属)を表し、Rの少なくとも1つは-SOMである。)
で示される構造を有するものが好ましい。
(In the formula, m and n are each independently an integer of 1 or greater; R1 's may be the same or different and each represent one selected from the group consisting of hydrogen, alkali metals, alkaline earth metals, quaternary ammonium, and groups represented by -R3 -O- R2 ; R3 represents a divalent hydrocarbon group having 2 to 6 carbon atoms; R2 's may be the same or different and each represent hydrogen or -SO3M (M is hydrogen or an alkali metal), and at least one R2 is -SO3M .)
Preferably, the compound has the structure shown below.

式(2)中のRの2価の炭素数2~6の炭化水素基としては、式(1)中のRの2価の炭素数2~6の炭化水素基として例示したものが挙げられる。 Examples of the divalent hydrocarbon group having 2 to 6 carbon atoms for R 3 in formula (2) include those exemplified as the divalent hydrocarbon group having 2 to 6 carbon atoms for R 3 in formula (1).

硫酸基及び/又は硫酸アルカリ金属塩基の多糖類への導入量は、0.5~6.0mmol/gであることが好ましい。硫酸基及び/又は硫酸アルカリ金属塩基導入量が上記範囲であると、耐酸化性が向上し、活物質への結着力を維持しつつ、電解液親和性にも優れるため好ましい。 The amount of sulfate groups and/or alkali metal sulfate bases introduced into the polysaccharide is preferably 0.5 to 6.0 mmol/g. When the amount of sulfate groups and/or alkali metal sulfate bases introduced is within this range, oxidation resistance is improved, and excellent electrolyte affinity is achieved while maintaining binding strength to the active material, which is preferable.

硫酸基及び硫酸アルカリ金属塩基は強酸性陽イオン交換基であるため、系内のpHの影響を受けることなくマンガンイオン等の遷移金属イオンを効率良くイオン交換し、捕捉することができる。 Since sulfate groups and alkali metal sulfate bases are strongly acidic cation exchange groups, they can efficiently exchange and capture transition metal ions such as manganese ions without being affected by the pH of the system.

また、前記一般式(2)中のm及びnは、互いに独立してそれぞれ1以上の整数であればよいが、前記一般式(2)で示される硫酸基及び/又は硫酸アルカリ金属塩基を有する多糖類の重量平均分子量が10,000~2,000,000となるように選択されることが好ましく、m及びnは互いに独立してそれぞれ30~6000であることが好ましい。 In addition, m and n in the general formula (2) may each independently be an integer of 1 or greater, but are preferably selected so that the weight-average molecular weight of the polysaccharide having sulfate groups and/or alkali metal sulfate groups represented by the general formula (2) is 10,000 to 2,000,000, and m and n are preferably each independently 30 to 6,000.

硫酸基及び/又は硫酸アルカリ金属塩基を有する多糖類の製造方法に特に制限はなく、例えば、非プロトン極性溶媒中、多糖類と硫酸化試薬を反応させることで得られる。反応は、スラリー系でも均一系で実施可能である。 There are no particular limitations on the method for producing polysaccharides containing sulfate groups and/or alkali metal sulfate groups. For example, they can be obtained by reacting a polysaccharide with a sulfating reagent in an aprotic polar solvent. The reaction can be carried out in either a slurry system or a homogeneous system.

反応に用いられる溶媒としては非プロトン極性溶媒が好ましく、具体的にはジメチルスルホキシド、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、アセトニトリル、ヘキサメチルリン酸トリアミド、テトラメチル尿素、N,N’-ジメチルプロピレン尿素、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ピリジン、ビピリジン、フェナントロリン等が挙げられる。 Aprotic polar solvents are preferred as the solvent used in the reaction, and specific examples include dimethyl sulfoxide, formamide, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, acetonitrile, hexamethylphosphoric triamide, tetramethylurea, N,N'-dimethylpropyleneurea, tetrahydrofuran, dioxane, pyridine, bipyridine, and phenanthroline.

用いられる多糖類としては、非プロトン極性溶媒に対する溶解性に優れた多糖類が好ましく、アミロース、アミロペクチン、デキストリン、グリコーゲン、セルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシアルキルセルロース、アセチルセルロース、ペクチン、プルラン、カードラン、キチン、キトサン、アガロース、キサンタンガム、グアーガム、ジェランガム、ローカストビーンガム、アラビアガム、タマリンドシードガム、サイリウムシードガム、カラギーナン、アルギン酸、アルギン酸塩、アルギン酸エステル、ヘパリン、ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、キシログルカン、グルコマンナン等が挙げられ、好ましい例としては、アミロース、アミロペクチン、カルボキシメチルセルロース、グアーガム、ジェランガム、キサンタンガム、アラビアガム、アルギン酸、アルギン酸塩、アルギン酸エステル、アガロース、カラギーナン、コンドロイチン硫酸が挙げられる。更に好ましくはアルギン酸、アルギン酸エステルが挙げられる。 The polysaccharides used are preferably those with excellent solubility in aprotic polar solvents, such as amylose, amylopectin, dextrin, glycogen, cellulose, carboxymethylcellulose, hydroxyalkylcellulose, acetylcellulose, pectin, pullulan, curdlan, chitin, chitosan, agarose, xanthan gum, guar gum, gellan gum, locust bean gum, gum arabic, tamarind seed gum, psyllium seed gum, carrageenan, alginic acid, alginates, alginate esters, heparin, hyaluronic acid, chondroitin sulfate, xyloglucan, and glucomannan. Preferred examples include amylose, amylopectin, carboxymethylcellulose, guar gum, gellan gum, xanthan gum, gum arabic, alginic acid, alginates, alginate esters, agarose, carrageenan, and chondroitin sulfate. More preferred are alginic acid and alginate esters.

用いられる硫酸化試薬としては、水酸基と反応して硫酸基を導入できる試薬であり、具体例としては、濃硫酸、クロロスルホン酸、三酸化硫黄ピリジン錯体、三酸化硫黄トリメチルアミン錯体、三酸化硫黄ジメチルホルムアミド錯体、三酸化硫黄ジメチルスルホキシド錯体、三酸化硫黄ジオキサン錯体等が挙げられる。これら硫酸化試薬のうち、多糖類の分子量低下が少ない試薬が本発明では好ましく用いられる。好ましい硫酸化試薬としては、三酸化硫黄錯体が挙げられ、特に好ましい硫酸化試薬としては、三酸化硫黄ピリジン錯体、三酸化硫黄ジメチルホルムアミド錯体が挙げられる。これら硫酸化試薬の使用量は、特に制限はないが、多糖類の構成単位である単糖に対し1~5倍モルの範囲が好ましく用いられる。硫酸化試薬をこの範囲で用いると、硫酸基導入量が大きく、多糖類の分子量低下も抑制されて高分子量のものが得られるため好ましい。 The sulfating reagent used is one that can react with hydroxyl groups to introduce sulfate groups. Specific examples include concentrated sulfuric acid, chlorosulfonic acid, sulfur trioxide pyridine complex, sulfur trioxide trimethylamine complex, sulfur trioxide dimethylformamide complex, sulfur trioxide dimethylsulfoxide complex, and sulfur trioxide dioxane complex. Among these sulfating reagents, those that result in minimal reduction in the molecular weight of polysaccharides are preferred for use in the present invention. A preferred sulfating reagent is sulfur trioxide complex, and particularly preferred sulfating reagents are sulfur trioxide pyridine complex and sulfur trioxide dimethylformamide complex. There are no particular restrictions on the amount of sulfating reagent used, but a range of 1 to 5 times the molar amount of monosaccharides that constitute polysaccharides is preferred. Using a sulfating reagent within this range is preferred because it introduces a large amount of sulfate groups, suppresses reduction in the molecular weight of the polysaccharide, and results in a high molecular weight product.

その他の反応条件は任意に設定可能であり、反応温度は0℃~100℃、反応時間は30分~12時間、反応中の多糖類の濃度は0.1~50質量%の範囲から選択されることが好ましい。 Other reaction conditions can be set as desired, but it is preferable that the reaction temperature be selected from the range of 0°C to 100°C, the reaction time be 30 minutes to 12 hours, and the polysaccharide concentration during the reaction be selected from the range of 0.1 to 50% by mass.

反応終了後の反応液から硫酸基及び/又は硫酸アルカリ金属塩基を有する多糖類を単離する方法についても特に制限はなく、溶媒を加熱除去し硫酸基及び/又は硫酸アルカリ金属塩基を有する多糖類を単離する方法や、貧溶媒中に反応溶液を滴下して硫酸基及び/又は硫酸アルカリ金属塩基を有する多糖類を沈殿させ、ろ過回収する方法等が採用可能である。 There are no particular limitations on the method for isolating the polysaccharide having sulfate groups and/or alkali metal sulfate bases from the reaction solution after completion of the reaction. Possible methods include heating and removing the solvent to isolate the polysaccharide having sulfate groups and/or alkali metal sulfate bases, or adding the reaction solution dropwise to a poor solvent to precipitate the polysaccharide having sulfate groups and/or alkali metal sulfate bases, and then filtering and recovering it.

硫酸基及び/又は硫酸アルカリ金属塩基を有する多糖類としては、導入された硫酸基が製造当初は再生型(-SOH)になっているものが得られるが、本発明においては、前記再生型の少なくとも一部がアルカリ金属塩型(-SOM’(M’はアルカリ金属(例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム)を表す)にイオン交換されていてもよい。上記再生型から塩型へのイオン交換は、通常のイオン交換体と同様に、再生型のバインダをアルカリ金属イオンを含む溶液と接触させることで塩型のバインダにイオン交換できる。 Polysaccharides having sulfate groups and/or alkali metal sulfate salt groups are obtained in which the introduced sulfate groups are in the regenerated form (-SO 3 H) at the time of production. However, in the present invention, at least a portion of the regenerated groups may be ion-exchanged into alkali metal salt forms (-SO 3 M'(M' represents an alkali metal (e.g., lithium, sodium, potassium)). Ion exchange from the regenerated form to the salt form can be carried out by bringing the regenerated binder into contact with a solution containing alkali metal ions, as in the case of ordinary ion exchangers.

硫酸基以外の官能基を導入した多糖類も、本発明で好適に用いられる。硫酸基以外の官能基としては、イミノ二酢酸基、ニトリロ三酢酸基、エチレンジアミン四酢酸基、アミノメチルリン酸基、ポリエチレンイミン基等のキレート基やグリシジル基等のエポキシ基が挙げられる。 Polysaccharides incorporating functional groups other than sulfate groups are also suitable for use in the present invention. Examples of functional groups other than sulfate groups include chelating groups such as iminodiacetic acid groups, nitrilotriacetic acid groups, ethylenediaminetetraacetic acid groups, aminomethylphosphate groups, and polyethyleneimine groups, as well as epoxy groups such as glycidyl groups.

なお、必須ではないが、本発明のリチウムイオン電池正極用バインダ組成物は、他のバインダ成分として、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリマレイン酸共重合体、ポリフマル酸、ポリイタコン酸やその塩を含んでいても良い。 Although not required, the binder composition for lithium-ion battery positive electrodes of the present invention may contain other binder components such as polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polymaleic acid copolymer, polyfumaric acid, polyitaconic acid, or salts thereof.

次に、本発明のバインダ組成物に含まれる糖アルコールについて説明する。 Next, we will explain the sugar alcohols contained in the binder composition of the present invention.

糖アルコールとは、アルドースやケトースのカルボニル基が還元されて生成する糖の一種であり、広義にはポリヒドロキシシクロアルカンであるシクリトールも含まれる。本発明のバインダ組成物に含まれる糖アルコールは、炭素数が4~24の糖アルコールであり、具体例としては、エリトリトール、D-トレイロール、L-トレイトール、D-アラビニトール、L-アラビニトール、キシリトール、リビトール、D-イジトール、ガラクチトール、ソルビトール、マンニトール、ボレミトール、イノシトール、クエルシトール、マルチトール、還元水飴等が挙げられる。炭素数が上記範囲にあることで、電解液に不溶化するため負極への移行および負極での還元分解が抑制され、電池特性の劣化が抑制される。また、炭素数が上記範囲にあることで、糖アルコールと多糖類との親和性が高くなるため可塑化効果が高められ、電極シートに柔軟性を付与できる。 Sugar alcohols are a type of sugar produced by the reduction of the carbonyl group of aldoses or ketoses, and broadly include cyclitols, which are polyhydroxycycloalkanes. The sugar alcohols contained in the binder composition of the present invention are sugar alcohols with 4 to 24 carbon atoms, and specific examples include erythritol, D-threol, L-threitol, D-arabinitol, L-arabinitol, xylitol, ribitol, D-iditol, galactitol, sorbitol, mannitol, volemitol, inositol, quercitol, maltitol, and reduced starch syrup. Having a carbon number within the above range makes the sugar alcohol insoluble in the electrolyte, thereby inhibiting migration to the negative electrode and reductive decomposition at the negative electrode, thereby suppressing deterioration of battery characteristics. Furthermore, having a carbon number within the above range increases the affinity between the sugar alcohol and polysaccharides, enhancing the plasticizing effect and imparting flexibility to the electrode sheet.

本発明のバインダ組成物においては、多糖類と糖アルコールの合計量に対して、多糖類の含有量が80~99.5質量%であり、糖アルコールの含有量が0.5~20質量%であることが必要であり、多糖類の含有量が85~95質量%であり、糖アルコールの含有量が5~15質量%であることが好ましい。多糖類及び糖アルコールの含有量がこの範囲にあると、多糖類が十分に可塑化され、柔軟性が付与されるため好ましい。 In the binder composition of the present invention, the polysaccharide content must be 80 to 99.5% by mass and the sugar alcohol content must be 0.5 to 20% by mass, based on the total amount of polysaccharides and sugar alcohols. It is preferable that the polysaccharide content be 85 to 95% by mass and the sugar alcohol content be 5 to 15% by mass. Having the polysaccharide and sugar alcohol contents within these ranges is preferable because the polysaccharides are sufficiently plasticized, imparting flexibility.

上記バインダ組成物の正極合材層中の配合量は、正極活物質、バインダ組成物、導電助剤の合計量に対して1~20質量%であることが好ましく、3~10質量%であることがより好ましい。 The amount of the binder composition in the positive electrode mixture layer is preferably 1 to 20 mass %, and more preferably 3 to 10 mass %, of the total amount of the positive electrode active material, binder composition, and conductive additive.

本発明のバインダ組成物は柔軟性に富むため、充放電時の正極の体積変化に追従可能であり、体積変化に伴う正極の割れやそれに伴う活物質の剥離・脱落や導電チャンネルの破壊を防止できる。更に、本発明のバインダ組成物は、電解液に対して不溶ではあるが親和性に優れるため、リチウムイオンの伝導性にも優れている点や、耐酸化性に優れ正極近傍の過酷な酸化条件下でも安定性を確保できるため、正極活物質を被覆することで正極活物質による電解液や電解質の分解を抑制できる等、リチウムイオン電池正極用バインダ組成物として卓越した性能を有している。 The binder composition of the present invention is highly flexible, allowing it to adapt to volume changes in the positive electrode during charge and discharge, preventing cracking of the positive electrode due to volume changes, as well as the resulting peeling and detachment of the active material and destruction of the conductive channel. Furthermore, although the binder composition of the present invention is insoluble in the electrolyte, it has excellent affinity, resulting in excellent lithium ion conductivity. It also has excellent oxidation resistance, ensuring stability even under harsh oxidative conditions near the positive electrode. Therefore, by coating the positive electrode active material, it is possible to suppress decomposition of the electrolyte or electrolyte by the positive electrode active material, making it an excellent binder composition for lithium-ion battery positive electrodes.

本発明において、正極活物質は、リチウムイオンの挿入及び脱離が可能であれば特に制限はなく、例えば、CuO、CuO、MnO、MoO、V、CrO、Fe、Ni、CoO等の遷移金属酸化物や、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiMn、LiNiCo(1-X)、LiNiMn(2-X)、LiMnNiCo(a+b+c=1)、LiFePO等のリチウム複合酸化物が挙げられる。これらの中で、Co、Ni、Mn等の遷移金属から選ばれる少なくとも一種の遷移金属とリチウムの複合酸化物が好ましく、具体例としては、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiMn、LiNiCo(1-X)、LiNiMn(2-X)、LiMnNiCo(a+b+c=1)が挙げられる。これらのリチウム複合酸化物には、少量のフッ素、ホウ素、Al、Cr、Zr、Mo、Fe等の元素をドープしても良いし、リチウム複合酸化物の粒子表面を炭素、MgO、Al、SiO等で表面処理しても良い。 In the present invention, the positive electrode active material is not particularly limited as long as it is capable of inserting and extracting lithium ions, and examples thereof include transition metal oxides such as CuO, Cu 2 O, MnO 2 , MoO 3 , V 2 O 5 , CrO 3 , Fe 2 O 3 , Ni 2 O 3 , and CoO 3, and lithium composite oxides such as Li x CoO 2 , Li x NiO 2 , Li x MnO 2 , Li x Mn 2 O 4 , LiNi x Co (1-X) O 2 , LiNi x Mn (2-X) O 4 , LiMna a Ni b Co c O 2 (a + b + c = 1), and LiFePO 4 . Among these, composite oxides of lithium and at least one transition metal selected from transition metals such as Co, Ni, and Mn are preferred, and specific examples include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi X Co (1-X) O 2 , LiNi X Mn (2-X) O 4 , and LiMna Ni b Co c O 2 (a + b + c = 1). These lithium composite oxides may be doped with small amounts of elements such as fluorine, boron, Al, Cr, Zr, Mo, and Fe, or the particle surfaces of the lithium composite oxide may be surface-treated with carbon, MgO, Al 2 O 3 , SiO 2, or the like.

正極中に含まれる導電助剤についても特に制限はなく、電池特性に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば用いることができる。具体的には、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等の導電性カーボン、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンウィスカー、カーボンナノチューブ、炭素繊維粉末等の炭素材料や、Cu、Fe、Ag、Ni、Pd、Au、Pt、In、W等の金属粉末や金属繊維や、酸化インジウムや酸化スズ等の導電性金属酸化物が挙げられる。これら導電助剤の配合量は、上記正極活物質に対して1~30質量%が好ましい。 There are no particular restrictions on the conductive additive contained in the positive electrode, and any electronically conductive material that does not adversely affect battery characteristics can be used. Specific examples include conductive carbon such as ketjen black and acetylene black; carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, carbon whiskers, carbon nanotubes, and carbon fiber powder; metal powders or fibers such as Cu, Fe, Ag, Ni, Pd, Au, Pt, In, and W; and conductive metal oxides such as indium oxide and tin oxide. The amount of these conductive additives to be added is preferably 1 to 30% by mass of the positive electrode active material.

本発明の一態様であるリチウムイオン電池正極合材層形成用スラリーは、上記バインダ組成物、正極活物質、導電助剤及び水を含むものである。該スラリーには、必要に応じてカルボキシメチルセルロース等の粘度調節剤や、酸、アルカリ等のpH調節剤を含んでいても良い。上記スラリーの固形分濃度は、特に限定されないが、スラリーの粘度、固形分の分散性、乾燥工程への負荷等を考慮して20~80質量%が好ましい。また、上記スラリー中の成分比率は、質量比で、正極活物質:導電助剤:バインダ組成物=70~98:1~30:1~20が好ましい。上記スラリーの製造方法についても特に制限はなく、バインダ組成物、正極活物質、導電助剤を一括で水に混合・分散・溶解させ、スラリーを作製する方法や、最初にバインダ組成物を水に溶解させ、次いで正極活物質と導電助剤をバインダ組成物水溶液に添加し、混合してスラリーを作製する方法や、最初に正極活物質と導電助剤を混合し、次いでバインダ組成物水溶液と混合する方法等が挙げられる。また、スラリー作製に用いるミキサーにも特に制約はなく、乳鉢、ロールミル、ボールミル、スクリューミル、振動ミル、ホモジナイザー、自転公転ミキサー等を用いることができる。 One embodiment of the present invention is a slurry for forming a positive electrode composite layer for a lithium-ion battery, which contains the binder composition, a positive electrode active material, a conductive additive, and water. The slurry may optionally contain a viscosity modifier such as carboxymethyl cellulose, or a pH adjuster such as an acid or alkali. The solids concentration of the slurry is not particularly limited, but is preferably 20 to 80% by mass, taking into consideration the viscosity of the slurry, the dispersibility of the solids, the load on the drying process, and other factors. Furthermore, the mass ratio of components in the slurry is preferably positive electrode active material:conductive additive:binder composition = 70 to 98:1 to 30:1 to 20. There are no particular restrictions on the method for producing the slurry, and examples include a method in which the binder composition, positive electrode active material, and conductive additive are mixed, dispersed, and dissolved all at once in water to produce a slurry; a method in which the binder composition is first dissolved in water, and then the positive electrode active material and conductive additive are added to the aqueous binder composition solution and mixed to produce a slurry; and a method in which the positive electrode active material and conductive additive are first mixed, and then mixed with the aqueous binder composition solution. There are also no particular restrictions on the mixer used to produce the slurry, and a mortar, roll mill, ball mill, screw mill, vibration mill, homogenizer, planetary mixer, etc. can be used.

本発明の一態様であるリチウムイオン電池用正極は、上記バインダ組成物を含むものである。このようなリチウムイオン電池用正極は、上記スラリーを正極集電体上に塗布し、乾燥させて得られる正極合材層と、正極集電体とから構成される。正極活物質、バインダ組成物、導電助剤よりなる正極合材層の厚さは、10~200μmが好ましく、この厚みの正極合材層を正極集電体上に形成させるためには、正極合材層の目付を4~25mg/cmに設定すると良い。 A lithium-ion battery positive electrode according to one embodiment of the present invention includes the binder composition. This lithium-ion battery positive electrode comprises a positive electrode composite layer obtained by applying the slurry to a positive electrode current collector and drying the slurry, and the positive electrode current collector. The thickness of the positive electrode composite layer, which is composed of the positive electrode active material, the binder composition, and the conductive additive, is preferably 10 to 200 μm. To form a positive electrode composite layer of this thickness on the positive electrode current collector, the basis weight of the positive electrode composite layer is preferably set to 4 to 25 mg/ cm² .

正極集電体は、正極合材層と接する面が導電性を示す導電体であればよく、銅、金、アルミニウム、チタン、ニッケル、ステンレス鋼もしくはそれらの合金等の金属や酸化インジウムや酸化スズ等の導電性金属酸化物や導電性カーボン等の導電性材料で形成された導電体が例示される。正極集電体の形状については特に制限はなく、フォイル状、フィルム状、シート状、ネット状、エキスパンドメタル、パンチングメタル、発泡体等の形状が採用可能である。正極集電体の厚みについても特に制限がなく、1~100μm程度であることが好ましい。 The positive electrode current collector may be any conductor as long as the surface in contact with the positive electrode composite layer exhibits electrical conductivity. Examples include conductors formed from metals such as copper, gold, aluminum, titanium, nickel, stainless steel, or alloys thereof; conductive metal oxides such as indium oxide or tin oxide; and conductive materials such as conductive carbon. There are no particular restrictions on the shape of the positive electrode current collector, and it can be in the form of foil, film, sheet, net, expanded metal, punched metal, foam, or the like. There are also no particular restrictions on the thickness of the positive electrode current collector, with a thickness of approximately 1 to 100 μm being preferred.

リチウムイオン電池用正極の製造方法には特に制約はなく、上記スラリーを正極集電体上に塗布し、乾燥させて製造することができる。スラリーの塗布方法についても制約はなく、スリットコート、ダイコート、ロールコート、ディップコート、ブレードコート、ナイフコート、ワイヤーバーコート等の方法を用いることができる。乾燥方法、条件についても特に制約はなく、通常の温風循環型乾燥機や減圧乾燥機、赤外線乾燥機、マイクロ波加熱乾燥機を用いることができる。加熱温度にも制限はなく、50~150℃で加熱し乾燥することができる。更に、乾燥途中や乾燥後に正極を加圧しプレスすることで、多孔構造を均一にすることもできる。 There are no particular restrictions on the manufacturing method of positive electrodes for lithium-ion batteries; they can be produced by applying the above-mentioned slurry to a positive electrode current collector and drying it. There are also no particular restrictions on the method for applying the slurry; methods such as slit coating, die coating, roll coating, dip coating, blade coating, knife coating, and wire bar coating can be used. There are also no particular restrictions on the drying method or conditions; a standard hot air circulation dryer, reduced pressure dryer, infrared dryer, or microwave heating dryer can be used. There are also no restrictions on the heating temperature; drying can be carried out at a temperature between 50 and 150°C. Furthermore, the porous structure can be made uniform by applying pressure to the positive electrode during or after drying.

本発明の一態様であるリチウムイオン電池は、上記リチウムイオン電池用正極を有することを特徴とする。上記リチウムイオン電池用正極を用いることで、優れた充放電特性とサイクル寿命の長寿命化が達成された高性能なリチウムイオン電池を提供することができる。リチウムイオン電池は、一般的に正極、負極、セパレータ、非水電解液等から構成されている。正極は、上記の正極活物質を上記の導電助剤とともに上記のバインダ組成物により正極集電体上に結着させたものであり、正極活物質、バインダ組成物、導電助剤からなる正極合材層が集電体上に形成された構造を有している。負極も正極と類似の構造を有しており、下記の負極活物質と上記の導電助剤をバインダにより負極集電体上に結着させたものである。セパレータはポリオレフィン等の多孔フィルムが一般的に用いられ、電池が熱暴走した際にシャットダウン機能を担うため、正極と負極の中間に挟み込まれる。非水電解液はLiPF等の電解質塩を環状カーボネート等の有機溶媒に溶解させたものである。電池内部は非水電解液で満たされており、リチウムイオンは、充電時には正極から負極に移動し、放電時には負極から正極に移動する。 One aspect of the present invention is a lithium-ion battery characterized by having the above-described positive electrode for a lithium-ion battery. Use of the above-described positive electrode for a lithium-ion battery can provide a high-performance lithium-ion battery with excellent charge/discharge characteristics and a long cycle life. A lithium-ion battery generally comprises a positive electrode, a negative electrode, a separator, a nonaqueous electrolyte, and the like. The positive electrode is formed by binding the above-described positive electrode active material together with the above-described conductive additive to a positive electrode current collector using the above-described binder composition, and has a structure in which a positive electrode composite layer composed of the positive electrode active material, binder composition, and conductive additive is formed on the current collector. The negative electrode has a similar structure to the positive electrode, and is formed by binding the below-described negative electrode active material and the above-described conductive additive to the negative electrode current collector using a binder. The separator is typically a porous film such as polyolefin, and is sandwiched between the positive and negative electrodes to provide a shutdown function in the event of thermal runaway of the battery. The nonaqueous electrolyte is formed by dissolving an electrolyte salt such as LiPF4 in an organic solvent such as cyclic carbonate. The inside of the battery is filled with a non-aqueous electrolyte, and lithium ions move from the positive electrode to the negative electrode during charging, and from the negative electrode to the positive electrode during discharging.

本発明のリチウムイオン電池で用いられる負極に特に制限はなく、公知の材料を用いて作製することができる。負極は、負極活物質、導電助剤、バインダからなる負極合材層と集電体とから構成されている。 There are no particular restrictions on the negative electrode used in the lithium-ion battery of the present invention, and it can be made using known materials. The negative electrode is composed of a negative electrode composite layer made of a negative electrode active material, a conductive additive, and a binder, and a current collector.

負極活物質としては、リチウムイオンを脱挿入可能な材料であればいずれも使用可能であり、天然黒鉛、人造黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素等の炭素系材料や、シリコンやシリコン合金、酸化ケイ素等のシリコン系材料や、スズやスズ合金等のスズ系材料や、金属リチウムや合金等を挙げることができる。 Any material capable of inserting and detaching lithium ions can be used as the negative electrode active material. Examples include carbon-based materials such as natural graphite, artificial graphite, non-graphitizable carbon, and easily graphitizable carbon; silicon-based materials such as silicon, silicon alloys, and silicon oxide; tin-based materials such as tin and tin alloys; and metallic lithium and alloys.

負極用導電助剤としては、前記正極において例示した導電助剤と同様の導電助剤を用いることができる。 The same conductive additives as those exemplified for the positive electrode can be used as conductive additives for the negative electrode.

負極用バインダについても公知のバインダを用いればよく、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン‐ヘキサフルオロプロピレン共重合体、パーフルオロメチルビニルエーテル‐テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等のフッ素系樹脂や、スチレン‐ブタジエン共重合体、エチレン‐プロピレン共重合体等の炭化水素系エラストマーや、カルボキシメチルセルロース、アルギン酸、アルギン酸ナトリウム等の多糖類や、ポリイミド等を用いることができる。 Any known binder can be used for the negative electrode binder, including fluororesins such as polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, polytetrafluoroethylene, and fluororubber; hydrocarbon elastomers such as styrene-butadiene copolymer and ethylene-propylene copolymer; polysaccharides such as carboxymethyl cellulose, alginic acid, and sodium alginate; and polyimides.

負極集電体としては、前記正極において例示した集電体と同様の集電体を用いることができる。 The negative electrode current collector can be the same as the current collector exemplified for the positive electrode.

非水電解液も特に制約はなく、公知の材料を用いることができる。非水電解液は電解質塩を有機溶媒に溶解させたものであり、電解質塩としては、CFSOLi、(CFSONLi、(CFSOCLi、LiBF、LiB(C、LiPF、LiClO、LiAsF、LiCl、LiBr等が例示される。電解質塩を溶解させる有機溶媒としては、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、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、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、1,2‐ジメトキシエタン、1,2‐ジエトキシエタン、γ‐ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、1,4‐ジオキサン、アニソール、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、バレロニトリル、ベンゾニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル等が挙げられる。非水電解液中の電解質塩の濃度は、0.1~5mol/L、好ましくは0.5~3mol/Lの範囲で選択できる。 The non-aqueous electrolyte is not particularly limited, and known materials can be used. The non-aqueous electrolyte is obtained by dissolving an electrolyte salt in an organic solvent . Examples of the electrolyte salt include CF3SO3Li , ( CF3SO2 ) 2NLi , (CF3SO2)2CLi, LiBF4, LiB(C6H8)4 , LiPF4 , LiClO4 , LiAsF6 , LiCl , and LiBr. Examples of organic solvents that dissolve the electrolyte salt include ethylene carbonate, vinylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, anisole, diethyl ether, sulfolane, methyl sulfolane, acetonitrile, propionitrile, butyronitrile, valeronitrile, benzonitrile, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, etc. The concentration of the electrolyte salt in the nonaqueous electrolyte solution can be selected from the range of 0.1 to 5 mol/L, preferably 0.5 to 3 mol/L.

セパレータに関しても特に制約はなく、公知のセパレータを用いることができる。セパレータの例としては、ポリエチレン製微多孔膜、ポリプロピレン製微多孔膜、ポリエチレン製微多孔膜とポリプロピレン製微多孔膜との積層膜や、ポリエステル繊維、アラミド繊維、カラス繊維等からなる不織布、上記微多孔膜表面にセラミックスやアラミド、PVDFがコートされたセパレータが挙げられる。 There are no particular restrictions on the separator, and any known separator can be used. Examples of separators include polyethylene microporous membranes, polypropylene microporous membranes, laminated membranes of polyethylene microporous membranes and polypropylene microporous membranes, nonwoven fabrics made of polyester fibers, aramid fibers, glass fibers, etc., and separators in which the surface of the above microporous membranes is coated with ceramics, aramid, or PVDF.

以下に、本発明を更に詳細に実施例に基づき説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

<硫酸化アルギン酸類の製造>
(参考例1)硫酸化アルギン酸の製造
ジメチルスルホキシド(以下DMSOと略す)150mlにH形アルギン酸(株式会社キミカ製、商品名キミカアシッドSA)3.0g(単糖ユニットとして17mmol)を撹拌下少量ずつ添加し、均一分散させた。次いで、三酸化硫黄ピリジン錯体6.75g(42.5mmol)を撹拌下添加し、均一に分散させた後昇温し、40℃で5時間反応させた。アルギン酸は反応の進行に伴って溶解し、反応終了時には均一溶液となった。反応終了後、反応液をエタノールに滴下し、析出した生成物をガラスフィルターで捕集し、更にエタノールで洗浄した後、室温で減圧乾燥し生成物を単離した。単離収量は5.0g、元素分析で求めた硫黄含有量は10.1質量%、ゲルパミエーション・クロマトグラフィー(GPC)で測定した重量平均分子量は48,000であった。硫黄含有量から算出した硫酸基導入量は3.2mmol/gであった。
<Production of sulfated alginates>
(Reference Example 1) Production of sulfated alginic acid To 150 ml of dimethyl sulfoxide (hereinafter abbreviated as DMSO), 3.0 g (17 mmol as monosaccharide units) of H-type alginic acid (manufactured by Kimika Co., Ltd., trade name Kimika Acid SA) was added little by little with stirring and uniformly dispersed. Next, 6.75 g (42.5 mmol) of sulfur trioxide pyridine complex was added with stirring, and after uniform dispersion, the temperature was raised and the reaction was carried out at 40 ° C. for 5 hours. The alginic acid dissolved as the reaction progressed and became a homogeneous solution at the end of the reaction. After the reaction was completed, the reaction solution was added dropwise to ethanol, and the precipitated product was collected with a glass filter and further washed with ethanol, and then dried under reduced pressure at room temperature to isolate the product. The isolated yield was 5.0 g, the sulfur content determined by elemental analysis was 10.1% by mass, and the weight average molecular weight measured by gel permeation chromatography (GPC) was 48,000. The amount of sulfate group introduction calculated from the sulfur content was 3.2 mmol / g.

(実施例1)
<正極の製造>
先ず、以下の材料から正極合材を調製し、正極を作製した。
正極活物質:リチウムニッケルマンガン複合酸化物
(LNMO:LiNi0.5Mn1.5) 80質量部
導電助剤:アセチレンブラック(AB:デンカ株式会社製Li-400) 10質量部
バインダ組成物:硫酸化アルギン酸(参考例1) 9質量部
キシリトール(富士フィルム和光純薬製) 1質量部。
Example 1
<Production of positive electrode>
First, a positive electrode mixture was prepared from the following materials to fabricate a positive electrode.
Positive electrode active material: Lithium nickel manganese composite oxide
(LNMO: LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ) 80 parts by mass Conductive additive: Acetylene black (AB: Li-400 manufactured by Denka Co., Ltd.) 10 parts by mass Binder composition: Sulfated alginic acid (Reference Example 1) 9 parts by mass
Xylitol (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 1 part by mass.

硫酸化アルギン酸を1mol/L水酸化リチウム水溶液で中和し、硫酸化アルギン酸リチウム水溶液を調製した。次いでキシリトールを上記硫酸化アルギン酸リチウム水溶液に添加し、溶解させた。あらかじめLNMOとABを乳鉢で混合し、それを上記硫酸化アルギン酸リチウム/キシリトール水溶液と混合し、再び乳鉢で混合して正極合材スラリーを調製した。そして、上記スラリーをドクターブレードを用いてアルミニウム箔上に塗布し、80℃で24時間乾燥させ、更に、80℃24時間減圧乾燥を行い、正極を作製した。得られた正極の柔軟性及び正極合材層の密着性を以下の方法により評価したところ、得られた正極は柔軟性を有し、折り曲げても正極合材層の剥離は認められず、密着性も良好であった。 Sulfated alginic acid was neutralized with a 1 mol/L aqueous solution of lithium hydroxide to prepare a lithium sulfated alginate aqueous solution. Xylitol was then added to the lithium sulfated alginate aqueous solution and dissolved. LNMO and AB were mixed in a mortar, and this was mixed with the lithium sulfated alginate/xylitol aqueous solution and mixed again in the mortar to prepare a positive electrode composite slurry. The slurry was then applied to aluminum foil using a doctor blade, dried at 80°C for 24 hours, and further dried under reduced pressure at 80°C for 24 hours to prepare a positive electrode. The flexibility of the resulting positive electrode and the adhesion of the positive electrode composite layer were evaluated using the following methods. The resulting positive electrode was flexible, no peeling of the positive electrode composite layer was observed even when bent, and adhesion was also good.

<正極の柔軟性試験>
正極を直径10mmの円盤状に打ち抜き、180°に折り曲げ、再び開いて折り曲げ部分の状態を観察した。以下、本試験を180°折り曲げ試験と称する。折り曲げ部分の正極合材層が破壊されず形状を維持していた場合は、柔軟性を有していると判定し、正極合材層が破壊され下部のアルミニウム箔が露出していた場合は、柔軟性なしと判定した。
<Positive electrode flexibility test>
The positive electrode was punched into a disk shape with a diameter of 10 mm, bent 180°, and then opened again to observe the state of the bent portion. Hereinafter, this test will be referred to as the 180° bending test. If the positive electrode composite layer at the bent portion was not broken and maintained its shape, it was determined to have flexibility. If the positive electrode composite layer was broken and the underlying aluminum foil was exposed, it was determined to have no flexibility.

<正極合材層の密着性>
上記180°折り曲げ試験において、折り曲げ部分の正極合材層とアルミニウム箔の密着性を観察した。正極合材層とアルミニウム箔が密着し、正極合材層の剥離や剥落が認められない場合、密着性良好と判定した。一方、アルミニウム箔が露出し正極合材層の剥離や剥落が認められる場合、密着性不良と判定した。
<Adhesion of the positive electrode mixture layer>
In the 180° bending test, the adhesion between the positive electrode composite layer and the aluminum foil at the bent portion was observed. When the positive electrode composite layer and the aluminum foil were in close contact and no peeling or delamination of the positive electrode composite layer was observed, the adhesion was judged to be good. On the other hand, when the aluminum foil was exposed and peeling or delamination of the positive electrode composite layer was observed, the adhesion was judged to be poor.

<コインセルの製造>
負極にリチウム金属箔を用い、エチレンカーボネート/ジメチルカーボネート(1/1)混合溶媒に1mol/Lとなるように六フッ化リン酸リチウムを溶解させて電解液とした。なお、セパレータにはポリオレフィン製微多孔膜(東レ株式会社製、厚み20μm)を用いた。そして、上記正極と負極をセパレータの両側に配置し、積層し、電解液を注液して2032型コインセルを作製した。
<Coin cell manufacturing>
A lithium metal foil was used for the negative electrode, and lithium hexafluorophosphate was dissolved in a 1/1 ethylene carbonate/dimethyl carbonate mixed solvent to a concentration of 1 mol/L to prepare an electrolyte solution. A polyolefin microporous membrane (manufactured by Toray Industries, Inc., thickness: 20 μm) was used as the separator. The positive and negative electrodes were then placed on either side of the separator, stacked, and the electrolyte was poured into the resulting 2032-type coin cell.

(実施例2)
キシリトールに代えてソルビトール(富士フィルム和光純薬製)を用いたことを除いて、実施例1と同様の操作にて正極およびコインセルを作製した。得られた正極の柔軟性及び正極合材層の密着性を実施例1と同様の方法にて評価したところ、得られた正極は柔軟性を有し、折り曲げても正極合材層の剥離は認められず、密着性も良好であった。
Example 2
Except for using sorbitol (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) instead of xylitol, a positive electrode and a coin cell were fabricated in the same manner as in Example 1. The flexibility of the obtained positive electrode and the adhesion of the positive electrode composite layer were evaluated in the same manner as in Example 1. The obtained positive electrode was flexible, no peeling of the positive electrode composite layer was observed even when bent, and the adhesion was also good.

(実施例3)
硫酸化アルギン酸に代えてH形アルギン酸(株式会社キミカ製、商品名キミカアシッドSA)を水酸化リチウムで中和したアルギン酸リチウムを用いたことを除いて、実施例1と同様の操作にて正極およびコインセルを作製した。得られた正極の柔軟性及び正極合材層の密着性を実施例1と同様の方法にて評価したところ、得られた正極は柔軟性を有し、折り曲げても正極合材層の剥離は認められず、密着性も良好であった。
Example 3
A positive electrode and a coin cell were produced in the same manner as in Example 1, except that lithium alginate, which was obtained by neutralizing H-type alginic acid (manufactured by Kimica Corporation, product name Kimica Acid SA) with lithium hydroxide, was used instead of sulfated alginic acid. The flexibility of the obtained positive electrode and the adhesion of the positive electrode composite layer were evaluated in the same manner as in Example 1. The obtained positive electrode was flexible, no peeling of the positive electrode composite layer was observed even when bent, and the adhesion was also good.

(比較例1)
キシリトールを用いなかったことを除いて、実施例1と同様の操作にて正極およびコインセルを作製した。得られた正極の柔軟性及び正極合材層の密着性を実施例1と同様の方法にて評価したところ、得られた正極は柔軟性に乏しく、180°折り曲げ試験において折り曲げ部分のアルミニウム箔が露出し、正極合材層の剥離が認められた。
(Comparative Example 1)
Except for not using xylitol, a positive electrode and a coin cell were produced in the same manner as in Example 1. The flexibility of the obtained positive electrode and the adhesion of the positive electrode mixture layer were evaluated in the same manner as in Example 1. The obtained positive electrode had poor flexibility, and in a 180° bending test, the aluminum foil was exposed at the bent portion, and peeling of the positive electrode mixture layer was observed.

(比較例2)
ソルビトールを用いなかったことを除いて、実施例3と同様の操作にて正極およびコインセルを作製した。得られた正極の柔軟性及び正極合材層の密着性を実施例1と同様の方法にて評価したところ、得られた正極は柔軟性に乏しく、180°折り曲げ試験において折り曲げ部分のアルミニウム箔が露出し、正極合材層の剥離が認められた。
(Comparative Example 2)
Except for not using sorbitol, a positive electrode and a coin cell were produced in the same manner as in Example 3. The flexibility of the obtained positive electrode and the adhesion of the positive electrode composite layer were evaluated in the same manner as in Example 1. The obtained positive electrode had poor flexibility, and in a 180° bending test, the aluminum foil was exposed at the bent portion, and peeling of the positive electrode composite layer was observed.

(比較例3)
硫酸化アルギン酸を8.5質量部とし、キシリトールに代えてSBR(スチレン・ブタジエンゴム)(JSR株式会社製、(グレード名)TRD2001)1.5質量部を用いたことを除いて、実施例1と同様の操作にて正極およびコインセルを作製した。得られた正極の柔軟性及び正極合材層の密着性を実施例1と同様の方法にて評価したところ、得られた正極は柔軟性を有し、折り曲げても正極合材層の剥離は認められず、密着性は良好であった。
(Comparative Example 3)
A positive electrode and a coin cell were produced in the same manner as in Example 1, except that the amount of sulfated alginic acid was 8.5 parts by mass and 1.5 parts by mass of SBR (styrene-butadiene rubber) (manufactured by JSR Corporation, (grade name) TRD2001) was used instead of xylitol. The flexibility of the obtained positive electrode and the adhesion of the positive electrode composite layer were evaluated in the same manner as in Example 1. The obtained positive electrode was flexible, and no peeling of the positive electrode composite layer was observed even when bent, indicating good adhesion.

<正極表面のSEM観察>
実施例1~3及び比較例1~3で得られた正極表面をSEMで観察した。結果を図1~6に示す。図1、図2及び図3はそれぞれ実施例1、実施例2及び実施例3で得られた正極の表面のSEM画像であるが、クラックは僅かであった。それに対して、糖アルコールを添加していない比較例1及び比較例2で得られた正極の表面のSEM画像(図4及び図5)ではクラックの多発が確認された。このことから、糖アルコールを添加しないとクラックの発生を抑制できないことがわかる。なお、図6はSBRを添加した比較例3で得られた正極の表面のSEM画像であるが、クラックの発生は僅かであり、エラストマーの添加もクラックの発生を抑制できることがわかる。
<SEM Observation of Positive Electrode Surface>
The surfaces of the positive electrodes obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were observed using an SEM. The results are shown in Figures 1 to 6. Figures 1, 2, and 3 are SEM images of the surfaces of the positive electrodes obtained in Examples 1, 2, and 3, respectively; cracks were minimal. In contrast, SEM images (Figures 4 and 5) of the surfaces of the positive electrodes obtained in Comparative Examples 1 and 2, to which no sugar alcohol was added, confirmed the occurrence of numerous cracks. This demonstrates that cracking cannot be suppressed without the addition of a sugar alcohol. Figure 6 is an SEM image of the surface of the positive electrode obtained in Comparative Example 3, to which SBR was added; cracks were minimal, demonstrating that the addition of an elastomer can also suppress cracking.

<充放電特性評価>
実施例1~3及び比較例1~3で得られたコインセルを用いて、下記条件にて充放電特性を評価した。
充電:定電流(CCモード)
放電:定電流(CCモード)
電位範囲:3.5~5.0V
電流密度:20mA/g。
<Charge/discharge characteristic evaluation>
The coin cells obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were used to evaluate the charge/discharge characteristics under the following conditions.
Charging: Constant current (CC mode)
Discharge: Constant current (CC mode)
Potential range: 3.5 to 5.0 V
Current density: 20mA/g.

上記条件下にて、充放電を50サイクル行った。結果を図7~9に示す。図7は実施例1、実施例2及び比較例1で得られたコインセルの充放電曲線であるが、50サイクル後も放電容量の低下は軽微で、糖アルコールの添加が電池特性に悪影響を及ぼさないことがわかる。図8は実施例3及び比較例2で得られたコインセルの充放電曲線であるが、50サイクル後も放電容量の低下は軽微で、糖アルコールの添加が電池特性に悪影響を及ぼさないことがわかる。それに対して、図9は比較例3で得られたコインセルの充放電曲線であるが、サイクル数の増加に伴って放電容量の低下が認められた。このことから、耐酸化性に劣るSBRを添加すると、サイクル数の増加に伴ってSBRの酸化分解が進行し、電池特性の低下を引き起こすことがわかる。 Under the above conditions, 50 charge/discharge cycles were performed. The results are shown in Figures 7 to 9. Figure 7 shows the charge/discharge curves of the coin cells obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. Even after 50 cycles, there was only a slight decrease in discharge capacity, demonstrating that the addition of sugar alcohols does not adversely affect battery performance. Figure 8 shows the charge/discharge curves of the coin cells obtained in Example 3 and Comparative Example 2. Even after 50 cycles, there was only a slight decrease in discharge capacity, demonstrating that the addition of sugar alcohols does not adversely affect battery performance. In contrast, Figure 9 shows the charge/discharge curve of the coin cell obtained in Comparative Example 3. It can be seen that the discharge capacity decreased with increasing cycle count. This indicates that the addition of SBR, which has poor oxidation resistance, causes oxidative decomposition of the SBR as the cycle count increases, resulting in a decrease in battery performance.

以上説明したように、本発明によれば、正極および電池作製時の作業性に優れ、柔軟性を有する正極を作製可能とするリチウムイオン電池正極用バインダ組成物、並びに、それを用いたリチウムイオン電池正極合材層形成用スラリー、リチウムイオン電池用正極及びリチウムイオン電池を提供することが可能となり、さらに、それを用いることにより、充放電特性に優れており、サイクル寿命低下が抑制されたリチウムイオン電池用正極及びリチウムイオン電池を提供することが可能となる。 As explained above, the present invention makes it possible to provide a binder composition for lithium-ion battery positive electrodes that allows for the production of flexible positive electrodes with excellent workability during the production of positive electrodes and batteries, as well as a slurry for forming a lithium-ion battery positive electrode composite layer using the same, a positive electrode for lithium-ion batteries, and a lithium-ion battery.Furthermore, by using the same, it is possible to provide a positive electrode for lithium-ion batteries and a lithium-ion battery that have excellent charge/discharge characteristics and suppressed reduction in cycle life.

Claims (5)

リチウムイオン電池の正極において正極活物質と導電助剤と集電体とを結着させるバインダ組成物であって、多糖類と糖アルコールの合計量に対して、多糖類80~99.5質量%及び炭素数が4~24の糖アルコール0.5~20質量%を含む、リチウムイオン電池正極用バインダ組成物。 A binder composition for lithium-ion battery positive electrodes that binds together a positive electrode active material, a conductive additive, and a current collector. The binder composition contains 80 to 99.5% by mass of polysaccharides and 0.5 to 20% by mass of sugar alcohols having 4 to 24 carbon atoms, based on the total amount of polysaccharides and sugar alcohols. 前記多糖類がアルギン酸またはアルギン酸誘導体である、請求項1に記載のバインダ組成物。 The binder composition according to claim 1, wherein the polysaccharide is alginic acid or an alginic acid derivative. 正極活物質、導電助剤、請求項1または2に記載のバインダ組成物、及び水を含む、リチウムイオン電池正極合材層形成用スラリー。 A slurry for forming a positive electrode composite layer for a lithium ion battery, comprising a positive electrode active material, a conductive additive, the binder composition of claim 1 or 2, and water. 請求項1または2に記載のバインダ組成物を含む、リチウムイオン電池用正極。 A positive electrode for a lithium ion battery comprising the binder composition according to claim 1 or 2. 請求項4に記載のリチウムイオン電池用正極を有する、リチウムイオン電池。 A lithium ion battery having the lithium ion battery positive electrode described in claim 4.
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