JP7767280B2 - Binder for non-aqueous electrolyte secondary battery electrodes and its uses - Google Patents
Binder for non-aqueous electrolyte secondary battery electrodes and its usesInfo
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Description
(関連出願の相互参照)
本出願は、2020年5月26日付けで出願された日本国特許出願である特願2020-91604に基づく優先権を主張するものであり、ここに、当該日本国出願の全ての内容を本明細書の一部を構成するものとして援用する。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2020-91604, filed on May 26, 2020, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
本明細書はリチウムイオン二次電池等に使用可能な非水電解質二次電池電極用バインダー及びその用途、並びに、該バインダーに用いられる架橋重合体又はその塩の製造方法に関する。 This specification relates to a binder for electrodes of non-aqueous electrolyte secondary batteries that can be used in lithium ion secondary batteries, etc., its uses, and a method for producing a cross-linked polymer or its salt used in the binder.
非水電解質二次電池として、例えばリチウムイオン二次電池がよく知られている。非水電解質二次電池電極は、活物質及びバインダー等を含む電極合剤層を形成するための組成物(以下、「電極スラリー」ともいう。)を集電体上に塗布・乾燥等することにより作製される。負極合剤層組成物に用いられるバインダーとしては、スチレンブタジエンゴム(SBR)ラテックス及びカルボキシメチルセルロース(CMC)を含む水系のバインダーが使用されている。一方、正極合剤層組成物に用いられるバインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)のN-メチル-2-ピロリドン(NMP)溶液が広く使用されている。しかし、近年の環境意識の高まりを背景に、正極合剤層組成物に対しても有機溶剤を使用しない水系化の要求が高まっている。Lithium-ion secondary batteries are well-known examples of non-aqueous electrolyte secondary batteries. Non-aqueous electrolyte secondary battery electrodes are fabricated by applying a composition for forming an electrode mixture layer (hereinafter also referred to as "electrode slurry") containing an active material and a binder to a current collector and drying it. The binder used in the negative electrode mixture layer composition is an aqueous binder containing styrene butadiene rubber (SBR) latex and carboxymethyl cellulose (CMC). Meanwhile, the binder used in the positive electrode mixture layer composition is a solution of polyvinylidene fluoride (PVDF) in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). However, with growing environmental awareness in recent years, there is a growing demand for aqueous-based positive electrode mixture layer compositions that do not use organic solvents.
リチウムイオン二次電池は、用途が拡大するにつれて、エネルギー密度、信頼性及び耐久性向上への要求が強まる傾向にある。例えば、リチウムイオン二次電池の電気容量を高める目的で、負極用活物質としてシリコン系の活物質を用いる仕様が増えてきている。しかしながら、シリコン系活物質は充放電時の体積変化が大きいことが知られており、繰り返し使用するにつれて電極合剤層の剥離又は脱落等が生じ、その結果、電池の容量が低下し、サイクル特性(耐久性)が悪化するという問題があった。このような不具合を抑制するためには、一般的にはバインダーによって電極材料間を強固に密着させること(密着性)が有効であり、耐久性を改善する目的で、バインダーの密着性向上に関する検討が行われている。As the applications of lithium-ion secondary batteries expand, there is a growing demand for improved energy density, reliability, and durability. For example, in order to increase the electrical capacity of lithium-ion secondary batteries, an increasing number of specifications are using silicon-based active materials as the negative electrode active material. However, silicon-based active materials are known to undergo large volume changes during charging and discharging, and repeated use can lead to peeling or detachment of the electrode mixture layer, resulting in reduced battery capacity and poor cycle characteristics (durability). To prevent these problems, it is generally effective to use a binder to firmly bond the electrode materials together (adhesion), and research is being conducted to improve binder adhesion in order to improve durability.
そのような中、シリコン系活物質を用いた負極合剤層組成物に用いるバインダーとしてアクリル酸系重合体が有効であることが最近報告されている。例えば、特許文献1では、リチウムイオン二次電池の負極塗膜を形成するバインダーとして特定の架橋剤により架橋したアクリル酸重合体が開示されている。特許文献2には、エチレン性不飽和カルボン酸塩単量体由来の構造単位及びビニルアルコール単量体由来の構造単位を含む水溶性高分子を含有する二次電池用水系電極バインダーが開示されている。特許文献3には、エチレン性不飽和カルボン酸塩単量体由来の構造単位及びカルボン酸を含まない親水性の高いエチレン性不飽和単量体由来の構造単位を含む水溶性高分子を含有する二次電池用水系電極バインダーが開示されている。特許文献4には、1%NaCl水溶液中で特定の粒径を有する架橋したアクリル酸重合体が開示されている。Recently, it has been reported that acrylic acid polymers are effective as binders for negative electrode mixture layer compositions using silicon-based active materials. For example, Patent Document 1 discloses an acrylic acid polymer crosslinked with a specific crosslinking agent as a binder for forming a negative electrode coating film in lithium-ion secondary batteries. Patent Document 2 discloses an aqueous electrode binder for secondary batteries containing a water-soluble polymer including structural units derived from an ethylenically unsaturated carboxylate monomer and structural units derived from a vinyl alcohol monomer. Patent Document 3 discloses an aqueous electrode binder for secondary batteries containing a water-soluble polymer including structural units derived from an ethylenically unsaturated carboxylate monomer and structural units derived from a highly hydrophilic ethylenically unsaturated monomer that does not contain carboxylic acid. Patent Document 4 discloses a crosslinked acrylic acid polymer having a specific particle size in a 1% NaCl aqueous solution.
二次電池の性能向上に伴い、より良好なサイクル特性を付与し得るバインダーを求める要求が高まりつつある。また、バインダーを含む電極スラリーを塗布乾燥する際、スラリーの乾燥効率を高め、電極の生産性を向上する観点から、電極スラリーの固形分濃度を高くすることが有利である。しかしながら、通常、固形分濃度を高くするにつれて、良好な塗工性を確保することが難しくなる。特許文献1~4に開示されるバインダーは、いずれも良好な密着性およびサイクル特性を付与し得るものであったが、塗工性ひいては生産性にさらなる改善の余地があった。このように、現在までのところ、優れた塗工性と密着性とを同時に両立して生産性とサイクル特性の双方を向上させるバインダーを提供することは成功していない。 As the performance of secondary batteries improves, there is a growing demand for binders that can impart better cycle characteristics. Furthermore, when applying and drying an electrode slurry containing a binder, it is advantageous to increase the solids concentration of the electrode slurry in order to improve the drying efficiency of the slurry and increase electrode productivity. However, as the solids concentration increases, it typically becomes more difficult to ensure good coatability. While the binders disclosed in Patent Documents 1 to 4 all impart good adhesion and cycle characteristics, there is room for further improvement in coatability and, in turn, productivity. Thus, to date, no binder has been successfully developed that simultaneously achieves excellent coatability and adhesion, thereby improving both productivity and cycle characteristics.
本明細書の開示は、このような事情に鑑みてなされたものであり、優れた密着性を示してサイクル特性を発揮することができるとともに、電極スラリーの固形分濃度が高い場合であっても優れた塗工性を発揮して生産性向上に貢献する非水電解質二次電池電極用バインダーを提供する。また、本開示は、上記バインダーを用いて得られる非水電解質二次電池電極合剤層用組成物、非水電解質二次電池電極及び非水電解質二次電池も提供する。The disclosure of this specification has been made in light of these circumstances and provides a binder for electrodes of non-aqueous electrolyte secondary batteries that exhibits excellent adhesion and cycle characteristics, and also exhibits excellent coatability even when the solids concentration of the electrode slurry is high, contributing to improved productivity. The present disclosure also provides a composition for electrode mixture layers of non-aqueous electrolyte secondary batteries, non-aqueous electrolyte secondary battery electrodes, and non-aqueous electrolyte secondary batteries obtained using the binder.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、水媒体中での膨潤度(以下、「水膨潤度」ともいう)を制御した架橋重合体又はその塩であって、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する構造単位及び水酸基を有する特定の不飽和単量体に由来する構造単位を特定量含む架橋重合体又はその塩を含有するバインダーを用いた場合に、電極合剤層スラリーの塗工性とサイクル特性の双方に優れるという知見を得た。本開示によれば、こうした知見に基づき以下の手段が提供される。 As a result of extensive research to solve the above-mentioned problems, the present inventors have discovered that when a binder is used containing a crosslinked polymer or a salt thereof that has a controlled degree of swelling in an aqueous medium (hereinafter also referred to as "water swelling degree") and that contains a specific amount of structural units derived from an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer and structural units derived from a specific unsaturated monomer having a hydroxyl group, the electrode mixture layer slurry exhibits excellent both coatability and cycle characteristics. Based on this discovery, the present disclosure provides the following means.
[1]架橋重合体又はその塩を含有する非水電解質二次電池電極用バインダーであって、
前記架橋重合体又はその塩は、その全構造単位に対して、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する第一の構造単位を50質量%以上99.5質量%以下、式(1)及び式(2)で表される単量体からなる群より選ばれる1種以上の単量体に由来する第二の構造単位を0.5質量%以上50質量%以下含み、かつ、
前記架橋重合体又はその塩は、pH8における水膨潤度が25.0以上40.0以下である、非水電解質二次電池電極用バインダー。
CH2=C(R1)COOR2 (1)
[式中、R1は水素原子又はメチル基を表し、R2は水酸基を有する炭素原子数1~8の一価の有機基、(R3O)mH又はR4O[CO(CH2)5O]nHを表す。なお、R3は炭素原子数2~4のアルキレン基を表し、R4は炭素原子数1~8のアルキレン基を表し、mは2~15の整数を表し、nは1~15の整数を表す。]
CH2=C(R5)CONR6R7 (2)
[式中、R5は水素原子又はメチル基を表し、R6は水酸基又は炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基を表し、R7は水素原子又は1価の有機基を表す。]
[2]前記第二の構造単位は、ヒドロキシアルキル(メタ)アクリレートに由来する構造単位である、[1]に記載の非水電解質二次電池電極用バインダー。
[3]前記架橋重合体の塩は、リチウム塩を含む、[1]又は[2]に記載の非水電解質二次電池電極用バインダー。
[4]前記架橋重合体又はその塩は、中和度80~100モル%に中和された後、水媒体中で測定した粒子径が、体積基準メジアン径で0.1μm以上10μm以下である、[1]~[3]のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池電極用バインダー。
[5]前記架橋重合体は、架橋性単量体により架橋されたものである、[1]~[4]のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池電極用バインダー。
[6]前記架橋性単量体の使用量は、非架橋性単量体の総量に対して0.1モル%以上、1.0モル%以下である、[5]に記載の非水電解質二次電池電極用バインダー。
[7]前記架橋重合体又はその塩は、沈殿重合若しくは分散重合することにより得られる、[1]~[6]のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池電極用バインダー。
[8]前記架橋重合体又はその塩は、前記沈殿重合若しくは分散重合において、以下の重合ステップ:
(A)前記エチレン性不飽和カルボン酸単量体のみが重合される重合ステップ、並びに
(B)前記エチレン性不飽和カルボン酸単量体に対して前記式(1)及び式(2)で表される単量体を連続的又は断続的に添加して重合する重合ステップのいずれか又は双方を実施して得られる、[7]に記載の非水電解質二次電池電極用バインダー。
[9][1]~[8]のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池電極用バインダー、活物質及び水を含む、非水電解質二次電池電極合剤層用組成物。
[10]非水電解質二次電池電極用バインダーとしてさらにスチレン/ブタジエン系ラテックスを含む、[9]に記載の非水電解質二次電池電極合剤層用組成物。
[11]負極活物質として炭素系材料及び/またはケイ素系材料を含む、[9]又は[10]に記載の非水電解質二次電池電極合剤層用組成物。
[12]正極活物質としてリチウム含有金属酸化物を含む、[9]又は[10]に記載の非水電解質二次電池電極合剤層用組成物。
[13]集電体表面に、[9]~[12]のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池電極合剤層用組成物から形成される合剤層を備える、非水電解質二次電池電極。
[14][13]に記載の二次電池電極を備える、非水電解質二次電池。
[1] A binder for a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode containing a crosslinked polymer or a salt thereof,
The crosslinked polymer or salt thereof contains, relative to all structural units thereof, 50% by mass or more and 99.5% by mass or less of first structural units derived from an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer, and 0.5% by mass or more and 50% by mass or less of second structural units derived from one or more monomers selected from the group consisting of monomers represented by formula (1) and formula (2), and
The crosslinked polymer or salt thereof has a degree of swelling in water at pH 8 of 25.0 or more and 40.0 or less.
CH 2 =C(R 1 )COOR 2 (1)
[In the formula, R1 represents a hydrogen atom or a methyl group, R2 represents a monovalent organic group having 1 to 8 carbon atoms and a hydroxyl group, ( R3O ) mH or R4O [CO( CH2 ) 5O ] nH , R3 represents an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, R4 represents an alkylene group having 1 to 8 carbon atoms, m represents an integer of 2 to 15, and n represents an integer of 1 to 15.]
CH2 =C( R5 ) CONR6R7 ( 2 )
[In the formula, R5 represents a hydrogen atom or a methyl group, R6 represents a hydroxyl group or a hydroxyalkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and R7 represents a hydrogen atom or a monovalent organic group.]
[2] The binder for a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode according to [1], wherein the second structural unit is a structural unit derived from a hydroxyalkyl (meth)acrylate.
[3] The binder for a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode according to [1] or [2], wherein the salt of the crosslinked polymer includes a lithium salt.
[4] The binder for a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode according to any one of [1] to [3], wherein the crosslinked polymer or the salt thereof has a volume-based median particle size measured in an aqueous medium after being neutralized to a degree of neutralization of 80 to 100 mol % of 0.1 μm or more and 10 μm or less.
[5] The binder for a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode according to any one of [1] to [4], wherein the crosslinked polymer is crosslinked with a crosslinkable monomer.
[6] The binder for a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode according to [5], wherein the amount of the crosslinkable monomer used is 0.1 mol % or more and 1.0 mol % or less based on the total amount of the non-crosslinkable monomer.
[7] The binder for a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode according to any one of [1] to [6], wherein the crosslinked polymer or the salt thereof is obtained by precipitation polymerization or dispersion polymerization.
[8] The crosslinked polymer or the salt thereof is produced by the following polymerization step in the precipitation polymerization or dispersion polymerization:
The binder for a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode according to [7], which is obtained by carrying out either or both of (A) a polymerization step in which only the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer is polymerized, and (B) a polymerization step in which the monomers represented by the formulas (1) and (2) are continuously or intermittently added to the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer and polymerized.
[9] A composition for a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode mixture layer, comprising the binder for a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode according to any one of [1] to [8], an active material, and water.
[10] The composition for a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode mixture layer according to [9], further comprising a styrene/butadiene-based latex as a binder for a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode.
[11] The composition for a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode mixture layer according to [9] or [10], which contains a carbon-based material and/or a silicon-based material as a negative electrode active material.
[12] The composition for a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode mixture layer according to [9] or [10], which contains a lithium-containing metal oxide as a positive electrode active material.
[13] A non-aqueous electrolyte secondary battery electrode comprising a mixture layer formed on a current collector surface from the composition for a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode mixture layer according to any one of [9] to [12].
[14] A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising the secondary battery electrode according to [13].
本明細書に開示される二次電池電極用バインダーは、特定構造単位を備えるとともにその水膨潤度が制御されているため、優れた塗工性及び密着性を発揮して、二次電池電極等の生産性及び二次電池のサイクル特性に貢献することができる。 The binder for secondary battery electrodes disclosed in this specification has specific structural units and its degree of swelling in water is controlled, thereby exhibiting excellent coatability and adhesion, contributing to the productivity of secondary battery electrodes, etc., and the cycle characteristics of secondary batteries.
本明細書に開示される二次電池電極用バインダーは、架橋重合体又はその塩を含有するものであり、活物質及び水と混合することにより電極合剤層用組成物とすることができる。上記組成物は、特定構造単位を備えるとともにその水膨潤度が制御されているため、優れた塗工性及び密着性を発揮できる。上記組成物によれば、活物質濃度が高い条件下であっても優れた塗工性で電極合剤層を塗布して、乾燥除去する水などの媒体を低減することができ、電極等を製造する際の生産性向上に寄与し得るとともに、電極合剤層が密着性に優れるために優れたサイクル容量維持率を確保することができる。The binder for secondary battery electrodes disclosed herein contains a crosslinked polymer or a salt thereof, and can be mixed with an active material and water to form a composition for an electrode mixture layer. The composition has specific structural units and a controlled degree of swelling in water, thereby exhibiting excellent coatability and adhesion. The composition allows for the application of an electrode mixture layer with excellent coatability, even under conditions of high active material concentration, reducing the amount of water and other media that must be removed by drying. This can contribute to improved productivity when manufacturing electrodes, etc., and ensures excellent cycle capacity retention due to the excellent adhesion of the electrode mixture layer.
上記の組成物は、集電体への塗工が可能なスラリー状態であってもよいし、湿粉状態として調製し、集電体表面へのプレス加工に対応できるようにしてもよい。銅箔又はアルミニウム箔等の集電体表面に上記組成物から形成される合剤層を形成することにより、本明細書に開示される二次電池電極が得られる。The above composition may be in a slurry state that can be applied to a current collector, or may be prepared as a wet powder that can be pressed onto the current collector surface. The secondary battery electrode disclosed in this specification can be obtained by forming a mixture layer made from the above composition on the surface of a current collector such as copper foil or aluminum foil.
以下では、本明細書の代表的かつ非限定的な具体例について、適宜図面を参照して詳細に説明する。この詳細な説明は、本明細書の開示の好ましい例を実施するための詳細を当業者に示すことを単純に意図しており、本明細書の開示の範囲を限定することを意図したものではない。また、以下に開示される追加的な特徴ならびに開示は、さらに改善された「非水電解質二次電池電極用バインダー及びその用途」を提供するために、他の特徴や本明細書の開示とは別に、又は共に用いることができる。Representative, non-limiting examples of the present specification will be described in detail below, with reference to the accompanying drawings as appropriate. This detailed description is intended simply to provide those skilled in the art with details for implementing preferred examples of the present disclosure, and is not intended to limit the scope of the present disclosure. Furthermore, the additional features and disclosures disclosed below can be used separately from or in combination with other features and disclosures of the present specification to provide further improved "binders for electrodes of non-aqueous electrolyte secondary batteries and uses thereof."
また、以下の詳細な説明で開示される特徴や工程の組み合わせは、最も広い意味において本明細書の開示を実施する際に必須のものではなく、特に本明細書の代表的な具体例を説明するためにのみ記載されるものである。さらに、上記及び下記の代表的な具体例の様々な特徴、ならびに、独立及び従属クレームに記載されるものの様々な特徴は、本明細書の開示の追加的かつ有用な実施形態を提供するにあたって、ここに記載される具体例のとおりに、あるいは列挙された順番のとおりに組合せなければならないものではない。Furthermore, the combinations of features and steps disclosed in the following detailed description are not essential to implementing the disclosure of this specification in its broadest sense, but are described solely to specifically illustrate representative embodiments of this specification. Furthermore, the various features of the representative embodiments described above and below, as well as the various features of those described in the independent and dependent claims, do not necessarily have to be combined in the exact embodiments described herein or in the exact order listed to provide additional and useful embodiments of the disclosure of this specification.
本明細書及び/又はクレームに記載された全ての特徴は、実施例及び/又はクレームに記載された特徴の構成とは別に、出願当初の開示ならびにクレームされた特定事項に対する限定として、個別に、かつ互いに独立して開示されることを意図するものである。さらに、全ての数値範囲及びグループ又は集団に関する記載は、出願当初の開示ならびにクレームされた特定事項に対する限定として、それらの中間の構成を開示する意図を持ってなされている。All features described in this specification and/or claims are intended to be disclosed individually and independently of one another as limitations on the original disclosure and claimed particulars, apart from any configuration of features described in the examples and/or claims. Furthermore, all numerical ranges and group or aggregate descriptions are intended to disclose intermediate configurations thereof as limitations on the original disclosure and claimed particulars.
以下に、本明細書の開示の二次電池電極用バインダー、当該バインダーを用いて得られる二次電池電極合剤層用組成物及び二次電池電極の各々について詳細に説明する。 Below, we will explain in detail the binder for secondary battery electrodes disclosed in this specification, the composition for secondary battery electrode mixture layers obtained using the binder, and the secondary battery electrodes.
尚、本明細書において、「(メタ)アクリル」とは、アクリル及び/又はメタクリルを意味し、「(メタ)アクリレート」とは、アクリレート及び/又はメタクリレートを意味する。また、「(メタ)アクリロイル基」とは、アクリロイル基及び/又はメタクリロイル基を意味する。 In this specification, "(meth)acrylic" means acrylic and/or methacrylic, "(meth)acrylate" means acrylate and/or methacrylate, and "(meth)acryloyl group" means acryloyl group and/or methacryloyl group.
<バインダー>
本明細書に開示されるバインダーは、架橋重合体又はその塩を含むことができる。当該架橋重合体は、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する第一の構造単位及び水酸基を有する特定の単量体に由来する第二の構造単位を有することができる。
<Binder>
The binder disclosed herein may include a crosslinked polymer or a salt thereof. The crosslinked polymer may have a first structural unit derived from an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer and a second structural unit derived from a specific monomer having a hydroxyl group.
<架橋重合体の構造単位>
<第一の構造単位>
架橋重合体は、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する第一の構造単位(以下、「(a)成分」ともいう)を有することができる。架橋重合体が、係る構造単位を有することによりカルボキシル基を有する場合、集電体への密着性が向上するとともに、リチウムイオンの脱溶媒和効果及びイオン伝導性に優れるため、抵抗が小さく、ハイレート特性に優れた電極が得られる。また、水膨潤性が付与されるため、電極合剤層用組成物中における活物質等の分散安定性を高めることができる。
<Structural Unit of Crosslinked Polymer>
<First structural unit>
The crosslinked polymer may have a first structural unit (hereinafter also referred to as "component (a)") derived from an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer. When the crosslinked polymer has such a structural unit and thus a carboxyl group, adhesion to the current collector is improved, and the desolvation effect of lithium ions and ionic conductivity are excellent, resulting in an electrode with low resistance and excellent high-rate characteristics. In addition, water swelling properties are imparted, thereby improving the dispersion stability of the active material and the like in the composition for the electrode mixture layer.
上記(a)成分は、例えば、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体を重合することにより架橋重合体に導入することができる。その他にも、(メタ)アクリル酸エステル単量体を(共)重合した後、加水分解することによっても得られる。また、(メタ)アクリルアミド及び(メタ)アクリロニトリル等を重合した後、強アルカリで処理してもよいし、水酸基を有する重合体に酸無水物を反応させる方法であってもよい。 The above-mentioned component (a) can be introduced into the crosslinked polymer by, for example, polymerizing a monomer containing an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer. Alternatively, it can be obtained by (co)polymerizing (meth)acrylic acid ester monomers and then hydrolyzing them. Alternatively, (meth)acrylamide and (meth)acrylonitrile, etc., can be polymerized and then treated with a strong alkali, or a polymer containing hydroxyl groups can be reacted with an acid anhydride.
エチレン性不飽和カルボン酸単量体としては、(メタ)アクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸、(メタ)アクリルアミドヘキサン酸;(メタ)アクリルアミドドデカン酸等の(メタ)アクリルアミドアルキルカルボン酸、コハク酸モノヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ω-カルボキシ-カプロラクトンモノ(メタ)アクリレート、β-カルボキシエチル(メタ)アクリレート等のカルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体またはそれらの(部分)アルカリ中和物が挙げられ、これらの内の1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。上記の中でも、重合速度が大きいために一次鎖長の長い重合体が得られ、バインダーの密着力が良好となる点で重合性官能基としてアクリロイル基を有する化合物が好ましく、特に好ましくはアクリル酸である。エチレン性不飽和カルボン酸単量体としてアクリル酸を用いた場合、カルボキシル基含有量の高い重合体を得ることができる。Examples of ethylenically unsaturated carboxylic acid monomers include (meth)acrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, maleic acid, fumaric acid, (meth)acrylamidohexanoic acid, (meth)acrylamidoalkylcarboxylic acids such as (meth)acrylamidododecanoic acid, ethylenically unsaturated monomers having a carboxyl group such as monohydroxyethyl succinate (meth)acrylate, ω-carboxy-caprolactone mono(meth)acrylate, and β-carboxyethyl (meth)acrylate, or their (partially) alkali-neutralized products. These may be used alone or in combination of two or more. Among the above, compounds having an acryloyl group as a polymerizable functional group are preferred, as they have a high polymerization rate, resulting in polymers with long primary chain lengths and good binder adhesion, and acrylic acid is particularly preferred. When acrylic acid is used as the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer, a polymer with a high carboxyl group content can be obtained.
架橋重合体における(a)成分の含有量は、特に限定するものではないが、例えば、架橋重合体の全構造単位に対して10質量%以上、99.5質量%以下含むことができる。かかる範囲で(a)成分を含有することで、集電体に対する優れた密着性を容易に確保することができる。下限は、例えば20質量%以上であり、また例えば30質量%以上であり、また例えば40質量%以上である。下限が50質量%以上の場合、電極合剤層用組成物の分散安定性が良好となるため好ましく、60質量%以上であってもよく、70質量%以上であってもよく、80質量%以上であってもよい。また、上限は、例えば99質量%以下であり、また例えば98質量%以下であり、また例えば95質量%以下であり、また例えば90質量%以下であり、また例えば80質量%以下である。範囲としては、こうした下限及び上限を適宜組み合わせた範囲とすることができるが、例えば、30質量%以上、99.5質量%以下であり、また例えば50質量%以上、99.5質量%以下であり、また例えば50質量%以上、99質量%以下であり、また例えば50質量%以上、98質量%以下であり、また例えば50質量%以上、95質量%以下である。また例えば、50質量%以上、90質量%以下であり、また例えば、55質量%以上、90質量%以下、また例えば、60質量%以上、90質量%以下、また例えば、70質量%以上、90質量%以下、また例えば、80質量%以上90質量%以下などとすることもできる。The content of component (a) in the crosslinked polymer is not particularly limited, but can be, for example, 10% by mass or more and 99.5% by mass or less, based on all structural units of the crosslinked polymer. By including component (a) in this range, excellent adhesion to the current collector can be easily ensured. The lower limit is, for example, 20% by mass or more, such as 30% by mass or more, or 40% by mass or more. A lower limit of 50% by mass or more is preferable because it improves the dispersion stability of the electrode mixture layer composition. It may also be 60% by mass or more, 70% by mass or more, or 80% by mass or more. The upper limit is, for example, 99% by mass or less, such as 98% by mass or less, such as 95% by mass or less, such as 90% by mass or less, or such as 80% by mass or less. The range can be a range that appropriately combines these lower and upper limits, for example, 30% by mass or more and 99.5% by mass or less, for example, 50% by mass or more and 99.5% by mass or less, for example, 50% by mass or more and 99% by mass or less, for example, 50% by mass or more and 98% by mass or less, for example, 50% by mass or more and 95% by mass or less, for example, 50% by mass or more and 90% by mass or less, for example, 55% by mass or more and 90% by mass or less, for example, 60% by mass or more and 90% by mass or less, for example, 70% by mass or more and 90% by mass or less, or for example, 80% by mass or more and 90% by mass or less.
<第二の構造単位>
架橋重合体は、(a)成分以外に、水酸基を有する特定の単量体に由来する第二の構造単位(以下、「(b)成分」ともいう)を有することができる。架橋重合体が(b)成分を有する場合、当該架橋重合体を含むバインダーを用いて得られる電極合剤層用組成物の塗工性を向上させることができる。(b)成分は、例えば、以下の式(1)及び式(2)で表される単量体からなる群より選ばれる1種以上の単量体を重合することにより架橋重合体に導入することができる。又は、式量が200以下であって、(メタ)アクリロイル基及び水酸基を有する単量体を重合することにより架橋重合体に導入してもよい。
<Second structural unit>
In addition to component (a), the crosslinked polymer may have a second structural unit (hereinafter also referred to as "component (b)") derived from a specific monomer having a hydroxyl group. When the crosslinked polymer has component (b), the coatability of an electrode mixture layer composition obtained using a binder containing the crosslinked polymer can be improved. Component (b) can be introduced into the crosslinked polymer by polymerizing, for example, one or more monomers selected from the group consisting of monomers represented by the following formulas (1) and (2). Alternatively, component (b) may be introduced into the crosslinked polymer by polymerizing a monomer having a formula weight of 200 or less and having a (meth)acryloyl group and a hydroxyl group.
CH2=C(R1)COOR2 (1)
[式中、R1は水素原子又はメチル基を表し、R2は水酸基を有する炭素原子数1~8の一価の有機基、(R3O)mH又はR4O[CO(CH2)5O]nHを表す。なお、R3は炭素原子数2~4のアルキレン基を表し、R4は炭素原子数1~8のアルキレン基を表し、mは2~15の整数を表し、nは1~15の整数を表す。]
CH 2 =C(R 1 )COOR 2 (1)
[In the formula, R1 represents a hydrogen atom or a methyl group, R2 represents a monovalent organic group having 1 to 8 carbon atoms and a hydroxyl group, ( R3O ) mH or R4O [CO( CH2 ) 5O ] nH , R3 represents an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, R4 represents an alkylene group having 1 to 8 carbon atoms, m represents an integer of 2 to 15, and n represents an integer of 1 to 15.]
CH2=C(R5)CONR6R7 (2)
[式中、R5は水素原子又はメチル基を表し、R6は水酸基又は炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基を表し、R7は水素原子又は1価の有機基を表す。]
CH2 =C( R5 ) CONR6R7 ( 2 )
[In the formula, R5 represents a hydrogen atom or a methyl group, R6 represents a hydroxyl group or a hydroxyalkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and R7 represents a hydrogen atom or a monovalent organic group.]
上記式(1)で表される単量体は、水酸基を有する(メタ)アクリレート化合物である。R2が水酸基を有する炭素原子数1~8の一価の有機基である場合、当該水酸基の数は、1個のみでもよいし、2個以上であってもよい。上記一価の有機基としては、特段制限されるものではないが、例えば、直鎖状、分岐状または環状構造を有していてもよいアルキル基、並びに、アリール基及びアルコキシアルキル基等が挙げられる。また、R2が(R3O)mH又はR4O[CO(CH2)5O]nHである場合、R3又はR4が表すアルキレン基は、直鎖状であってもよいし分岐状であってもよい。 The monomer represented by the above formula (1) is a (meth)acrylate compound having a hydroxyl group. When R2 is a monovalent organic group having 1 to 8 carbon atoms and having a hydroxyl group, the number of hydroxyl groups may be one or two or more. The monovalent organic group is not particularly limited, but examples thereof include alkyl groups which may have a linear, branched, or cyclic structure, as well as aryl groups and alkoxyalkyl groups. Furthermore, when R2 is ( R3O ) mH or R4O [CO( CH2 ) 5O ] nH , the alkylene group represented by R3 or R4 may be linear or branched.
上記式(1)で表される単量体としては、例えば、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシヘキシル(メタ)アクリレート及びヒドロキシオクチル(メタ)アクリレート等の炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基を有するヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート;ポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリブチレングリコールモノ(メタ)アクリレート及びポリエチレングリコール-ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート等のポリアルキレングリコールモノ(メタ)アクリレート;グリセリンモノ(メタ)アクリレート等のジヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート;カプロラクトン変性ヒドロキシメタクリレート(ダイセル社製、商品名「プラクセルFM1」、「プラクセルFM5」等)、カプロラクトン変性ヒドロキシアクリレート(ダイセル社製、商品名「プラクセルFA1」、「プラクセルFA10L」等)等が挙げられる。上記式(1)で表される単量体は、これらの内の1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 Examples of monomers represented by the above formula (1) include hydroxyalkyl (meth)acrylates having a hydroxyalkyl group having 1 to 8 carbon atoms, such as hydroxyethyl (meth)acrylate, hydroxypropyl (meth)acrylate, hydroxybutyl (meth)acrylate, hydroxyhexyl (meth)acrylate, and hydroxyoctyl (meth)acrylate; polyalkylene glycol mono(meth)acrylates such as polyethylene glycol mono(meth)acrylate, polypropylene glycol mono(meth)acrylate, polybutylene glycol mono(meth)acrylate, and polyethylene glycol-polypropylene glycol mono(meth)acrylate; dihydroxyalkyl (meth)acrylates such as glycerin mono(meth)acrylate; caprolactone-modified hydroxymethacrylates (manufactured by Daicel Corporation, trade names "PLACCEL FM1," "PLACCEL FM5," etc.), caprolactone-modified hydroxyacrylates (manufactured by Daicel Corporation, trade names "PLACCEL FA1," "PLACCEL FA10L," etc.), and the like. The monomer represented by the formula (1) may be used singly or in combination of two or more.
上記式(2)で表される単量体は、水酸基又は炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基を有する(メタ)アクリルアミド誘導体である。式(2)において、R7は水素原子又は1価の有機基を表す。上記1価の有機基としては、特段制限されるものではないが、例えば、直鎖状、分岐状または環状構造を有していてもよいアルキル基、並びに、アリール基及びアルコキシアルキル基等が挙げられ、炭素原子数1~8の有機基であることが好ましい。その他に、R7は、水酸基又は炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基であってもよい。 The monomer represented by the above formula (2) is a (meth)acrylamide derivative having a hydroxyl group or a hydroxyalkyl group having 1 to 8 carbon atoms. In formula (2), R7 represents a hydrogen atom or a monovalent organic group. The monovalent organic group is not particularly limited, but examples thereof include alkyl groups which may have a linear, branched, or cyclic structure, as well as aryl groups and alkoxyalkyl groups, and an organic group having 1 to 8 carbon atoms is preferred. Alternatively, R7 may be a hydroxyl group or a hydroxyalkyl group having 1 to 8 carbon atoms.
上記式(2)で表される単量体としては、例えば、ヒドロキシ(メタ)アクリルアミド;N-ヒドロキシエチル(メタ)アクリルアミド、N-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリルアミド、N-ヒドロキシブチル(メタ)アクリルアミド、N-ヒドロキシへキシル(メタ)アクリルアミド及びN-ヒドロキシオクチル(メタ)アクリルアミド、N-メチルヒドロキシエチル(メタ)アクリルアミド及びN-エチルヒドロキシエチル(メタ)アクリルアミド等の炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基を有する(メタ)アクリルアミド誘導体;N,N-ジヒドロキシエチル(メタ)アクリルアミド及びN,N-ジヒドロキシエチル(メタ)アクリルアミド等のN,N-ジ-ヒドロキシアルキル(メタ)アクリルアミド等が挙げられる。上記式(2)で表される単量体は、これらの内の1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 Examples of the monomer represented by formula (2) above include hydroxy(meth)acrylamide; (meth)acrylamide derivatives having a hydroxyalkyl group having 1 to 8 carbon atoms, such as N-hydroxyethyl(meth)acrylamide, N-hydroxypropyl(meth)acrylamide, N-hydroxybutyl(meth)acrylamide, N-hydroxyhexyl(meth)acrylamide, and N-hydroxyoctyl(meth)acrylamide, N-methylhydroxyethyl(meth)acrylamide, and N-ethylhydroxyethyl(meth)acrylamide; and N,N-dihydroxyalkyl(meth)acrylamides, such as N,N-dihydroxyethyl(meth)acrylamide and N,N-dihydroxyethyl(meth)acrylamide. The monomer represented by formula (2) above may be used alone or in combination of two or more.
式量が200以下であって、(メタ)アクリロイル基及び水酸基を有する単量体としては、例えば、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシヘキシル(メタ)アクリレート及びヒドロキシオクチルアクリレート等のヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート;ジエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート及びジプロピレングリコールモノアクリレート等のジアルキレングリコールモノ(メタ)アクリレート;N-ヒドロキシエチル(メタ)アクリルアミド、N-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリルアミド、N-ヒドロキシブチル(メタ)アクリルアミド、N-ヒドロキシへキシル(メタ)アクリルアミド及びN-ヒドロキシオクチル(メタ)アクリルアミド等の炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基を有する(メタ)アクリルアミド誘導体;N-メチロール(メタ)アクリルアミド等が挙げられ、これらの内の1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 Examples of monomers having a formula weight of 200 or less and containing a (meth)acryloyl group and a hydroxyl group include hydroxyalkyl (meth)acrylates such as hydroxyethyl (meth)acrylate, hydroxypropyl (meth)acrylate, hydroxybutyl (meth)acrylate, hydroxyhexyl (meth)acrylate, and hydroxyoctyl acrylate; dialkylene glycol mono(meth)acrylates such as diethylene glycol mono(meth)acrylate and dipropylene glycol monoacrylate; (meth)acrylamide derivatives having a hydroxyalkyl group having 1 to 8 carbon atoms such as N-hydroxyethyl (meth)acrylamide, N-hydroxypropyl (meth)acrylamide, N-hydroxybutyl (meth)acrylamide, N-hydroxyhexyl (meth)acrylamide, and N-hydroxyoctyl (meth)acrylamide; and N-methylol (meth)acrylamide. These may be used alone or in combination of two or more.
第二の構造単位としては、電極合剤層用組成物の塗工性向上効果に優れる点で、炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基を有するヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート、又は式量が200以下のヒドロキシアルキル(メタ)アクリレートが好ましい。より好ましくは、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート及びヒドロキシブチル(メタ)アクリレートである。As the second structural unit, a hydroxyalkyl (meth)acrylate having a hydroxyalkyl group with 1 to 8 carbon atoms or a hydroxyalkyl (meth)acrylate with a formula weight of 200 or less is preferred, as these are excellent in improving the coatability of the electrode mixture layer composition. Hydroxyethyl (meth)acrylate, hydroxypropyl (meth)acrylate, and hydroxybutyl (meth)acrylate are more preferred.
架橋重合体における(b)成分の含有量は、架橋重合体の全構造単位に対して0.5質量%以上含むことができる。(b)成分の含有量が0.5質量%以上であれば、電極合剤層用組成物の良好な塗工性を確保することが可能となる。下限は、1.0質量%以上でもよく、3.0質量%以上でもよく、5.0質量%以上でもよく、10質量%以上でもよく、15質量%以上でもよく、20質量%以上でもよい。また、(b)成分の含有量が50質量%以下であれば、結果として(a)成分の量を確保することが可能となり、電極合剤層用組成物(電極スラリー)の分散安定性を十分なものとすることができる。上限は、45質量%以下でもよく、40質量%以下でもよく、35質量%以下でもよく、30質量%以下でもよく、25質量%以下でもよく、20質量%以下でもよい。範囲としては、こうした下限及び上限を適宜組み合わせた範囲とすることができるが、例えば、0.5質量%以上、50質量%以下であり、また例えば1.0質量%以上、50質量%以下であり、また例えば、1.0質量%以上、45質量%以下であり、また例えば、1.0質量%以上、40質量%以下であり、また例えば、5.0質量%以上、40質量%以下である。また例えば、10質量%以上50質量%以下であり、また例えば、10質量%以上45質量%以下であり、また例えば、10質量%以上40質量%以下などとすることができる。The content of component (b) in the crosslinked polymer can be 0.5% by mass or more relative to the total structural units of the crosslinked polymer. A content of component (b) of 0.5% by mass or more ensures good coatability of the electrode mixture layer composition. The lower limit may be 1.0% by mass or more, 3.0% by mass or more, 5.0% by mass or more, 10% by mass or more, 15% by mass or more, or 20% by mass or more. Furthermore, a content of component (b) of 50% by mass or less ensures a sufficient amount of component (a), thereby ensuring sufficient dispersion stability of the electrode mixture layer composition (electrode slurry). The upper limit may be 45% by mass or less, 40% by mass or less, 35% by mass or less, 30% by mass or less, 25% by mass or less, or 20% by mass or less. The range can be a range that appropriately combines these lower and upper limits, for example, 0.5% by mass or more and 50% by mass or less, for example, 1.0% by mass or more and 50% by mass or less, for example, 1.0% by mass or more and 45% by mass or less, for example, 1.0% by mass or more and 40% by mass or less, for example, 5.0% by mass or more and 40% by mass or less, for example, 10% by mass or more and 50% by mass or less, for example, 10% by mass or more and 45% by mass or less, or for example, 10% by mass or more and 40% by mass or less.
<その他の構造単位>
本架橋重合体は、(a)成分及び(b)成分以外に、これらと共重合可能な他のエチレン性不飽和単量体に由来する構造単位(以下、「(c)成分」ともいう。)を含むことができる。(c)成分としては、例えば、スルホン酸基及びリン酸基等のカルボキシル基以外のアニオン性基を有するエチレン性不飽和単量体化合物、または(b)成分以外の非イオン性のエチレン性不飽和単量体等に由来する構造単位が挙げられる。これらの構造単位は、スルホン酸基及びリン酸基等のカルボキシル基以外のアニオン性基を有するエチレン性不飽和単量体化合物、または(b)成分以外の非イオン性のエチレン性不飽和単量体を含む単量体を共重合することにより導入することができる。これらの内でも、(c)成分としては、耐屈曲性良好な電極が得られる観点から非イオン性のエチレン性不飽和単量体に由来する構造単位が好ましく、バインダーの密着性が優れる点で(メタ)アクリルアミド及びその誘導体、並びに、ニトリル基含有エチレン性不飽和単量体等が好ましい。また、(c)成分として水中への溶解性が1g/100ml以下の疎水性のエチレン性不飽和単量体に由来する構造単位を導入した場合、電極材料と強い相互作用を奏することができ、活物質に対して良好な密着性を発揮することができる。これにより、堅固で一体性の良好な電極合剤層を得ることができるため好ましい。特に脂環構造含有エチレン性不飽和単量体に由来する構造単位が好ましい。
<Other structural units>
In addition to components (a) and (b), the crosslinked polymer may contain a structural unit derived from another ethylenically unsaturated monomer copolymerizable therewith (hereinafter also referred to as "component (c)"). Examples of component (c) include structural units derived from an ethylenically unsaturated monomer compound having an anionic group other than a carboxyl group, such as a sulfonic acid group or a phosphate group, or a nonionic ethylenically unsaturated monomer other than component (b). These structural units can be introduced by copolymerizing an ethylenically unsaturated monomer compound having an anionic group other than a carboxyl group, such as a sulfonic acid group or a phosphate group, or a monomer containing a nonionic ethylenically unsaturated monomer other than component (b). Among these, structural units derived from nonionic ethylenically unsaturated monomers are preferred as component (c) from the viewpoint of obtaining an electrode with good flex resistance, and (meth)acrylamide and its derivatives, as well as nitrile-group-containing ethylenically unsaturated monomers, are preferred from the viewpoint of excellent binder adhesion. Furthermore, when a structural unit derived from a hydrophobic ethylenically unsaturated monomer having a solubility in water of 1 g/100 ml or less is introduced as component (c), a strong interaction with the electrode material can be achieved, and good adhesion to the active material can be exhibited. This is preferable because it allows for a firm and well-integrated electrode mixture layer to be obtained. In particular, a structural unit derived from an alicyclic structure-containing ethylenically unsaturated monomer is preferable.
(c)成分の割合は、架橋重合体の全構造単位に対し、0質量%以上、49.5質量%以下とすることができる。(c)成分の割合は、1質量%以上、40質量%以下であってもよく、2質量%以上、40質量%以下であってもよく、2質量%以上、30質量%以下であってもよく、5質量%以上、30質量%以下であってもよい。また、架橋重合体の全構造単位に対して(c)成分を1質量%以上含む場合、電解液への親和性が向上するため、リチウムイオン伝導性が向上する効果も期待できる。 The proportion of component (c) can be 0% by mass or more and 49.5% by mass or less, based on the total structural units of the crosslinked polymer. The proportion of component (c) may be 1% by mass or more and 40% by mass or less, 2% by mass or more and 40% by mass or less, 2% by mass or more and 30% by mass or less, or 5% by mass or more and 30% by mass or less. Furthermore, when component (c) is contained at 1% by mass or more based on the total structural units of the crosslinked polymer, affinity with the electrolyte solution is improved, and the effect of improving lithium ion conductivity can also be expected.
(メタ)アクリルアミド誘導体としては、例えば、イソプロピル(メタ)アクリルアミド、t-ブチル(メタ)アクリルアミド等のN-アルキル(メタ)アクリルアミド化合物;N-n-ブトキシメチル(メタ)アクリルアミド、N-イソブトキシメチル(メタ)アクリルアミド等のN-アルコキシアルキル(メタ)アクリルアミド化合物;ジメチル(メタ)アクリルアミド、ジエチル(メタ)アクリルアミド等のN,N-ジアルキル(メタ)アクリルアミド化合物が挙げられ、これらの内の1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 Examples of (meth)acrylamide derivatives include N-alkyl (meth)acrylamide compounds such as isopropyl (meth)acrylamide and t-butyl (meth)acrylamide; N-alkoxyalkyl (meth)acrylamide compounds such as N-n-butoxymethyl (meth)acrylamide and N-isobutoxymethyl (meth)acrylamide; and N,N-dialkyl (meth)acrylamide compounds such as dimethyl (meth)acrylamide and diethyl (meth)acrylamide. These may be used alone or in combination of two or more.
ニトリル基含有エチレン性不飽和単量体としては、例えば、(メタ)アクロリニトリル;(メタ)アクリル酸シアノメチル、(メタ)アクリル酸シアノエチル等の(メタ)アクリル酸シアノアルキルエステル化合物;4-シアノスチレン、4-シアノ-α-メチルスチレン等のシアノ基含有不飽和芳香族化合物;シアン化ビニリデン等が挙げられ、これらの内の1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 Examples of nitrile group-containing ethylenically unsaturated monomers include (meth)acrylonitrile; (meth)acrylic acid cyanoalkyl ester compounds such as cyanomethyl (meth)acrylate and cyanoethyl (meth)acrylate; cyano group-containing unsaturated aromatic compounds such as 4-cyanostyrene and 4-cyano-α-methylstyrene; vinylidene cyanide; and the like. One of these may be used alone, or two or more may be used in combination.
脂環構造含有エチレン性不飽和単量体としては、例えば、(メタ)アクリル酸シクロペンチル、(メタ)アクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリル酸メチルシクロヘキシル、(メタ)アクリル酸t-ブチルシクロヘキシル、(メタ)アクリル酸シクロデシル及び(メタ)アクリル酸シクロドデシル等の脂肪族置換基を有していてもよい(メタ)アクリル酸シクロアルキルエステル;(メタ)アクリル酸イソボルニル、(メタ)アクリル酸アダマンチル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンテニル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンテニルオキシエチル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンタニル、並びに、シクロヘキサンジメタノールモノ(メタ)アクリレート及びシクロデカンジメタノールモノ(メタ)アクリレート等のシクロアルキルポリアルコールモノ(メタ)アクリレート等が挙げられ、これらの内の1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。上記の中でも、重合速度が大きいために一次鎖長の長い重合体が得られ、バインダーの密着力が良好となる点で重合性官能基としてアクリロイル基を有する化合物が好ましい。Examples of alicyclic structure-containing ethylenically unsaturated monomers include (meth)acrylic acid cycloalkyl esters that may have an aliphatic substituent, such as cyclopentyl (meth)acrylate, cyclohexyl (meth)acrylate, methylcyclohexyl (meth)acrylate, t-butylcyclohexyl (meth)acrylate, cyclodecyl (meth)acrylate, and cyclododecyl (meth)acrylate; isobornyl (meth)acrylate, adamantyl (meth)acrylate, dicyclopentenyl (meth)acrylate, dicyclopentenyloxyethyl (meth)acrylate, dicyclopentanyl (meth)acrylate; and cycloalkyl polyalcohol mono(meth)acrylates such as cyclohexanedimethanol mono(meth)acrylate and cyclodecanedimethanol mono(meth)acrylate. These may be used alone or in combination of two or more. Among the above, compounds having an acryloyl group as a polymerizable functional group are preferred because of their high polymerization rate, which results in a polymer with a long primary chain length and good binder adhesion.
その他の非イオン性のエチレン性不飽和単量体としては、例えば(メタ)アクリル酸エステルを用いてもよい。(メタ)アクリル酸エステルとしては、例えば、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル、(メタ)アクリル酸イソブチル及び(メタ)アクリル酸2-エチルヘキシル等の(メタ)アクリル酸アルキルエステル化合物;(メタ)アクリル酸フェニル、(メタ)アクリル酸フェニルメチル、(メタ)アクリル酸フェニルエチル等の芳香族(メタ)アクリル酸エステル化合物;(メタ)アクリル酸2-メトキシエチル、(メタ)アクリル酸2-エトキシエチル等の(メタ)アクリル酸アルコキシアルキルエステル化合物;等が挙げられ、これらの内の1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。活物質との密着性及びサイクル特性の観点からは、芳香族(メタ)アクリル酸エステル化合物を好ましく用いることができる。また、リチウムイオン伝導性及びハイレート特性がより向上する観点からは、(メタ)アクリル酸アルコキシアルキルエステル化合物等のエーテル結合を有する化合物が好ましく、(メタ)アクリル酸2-メトキシエチルがより好ましい。Other nonionic ethylenically unsaturated monomers may include, for example, (meth)acrylic acid esters. Examples of (meth)acrylic acid esters include (meth)acrylic acid alkyl ester compounds such as methyl (meth)acrylate, ethyl (meth)acrylate, butyl (meth)acrylate, isobutyl (meth)acrylate, and 2-ethylhexyl (meth)acrylate; aromatic (meth)acrylic acid ester compounds such as phenyl (meth)acrylate, phenylmethyl (meth)acrylate, and phenylethyl (meth)acrylate; and (meth)acrylic acid alkoxyalkyl ester compounds such as 2-methoxyethyl (meth)acrylate and 2-ethoxyethyl (meth)acrylate. One of these compounds may be used alone, or two or more may be used in combination. From the viewpoints of adhesion to the active material and cycle characteristics, aromatic (meth)acrylic acid ester compounds are preferred. Furthermore, from the viewpoint of further improving lithium ion conductivity and high-rate characteristics, compounds having an ether bond, such as (meth)acrylic acid alkoxyalkyl ester compounds, are preferred, with 2-methoxyethyl (meth)acrylate being more preferred.
非イオン性のエチレン性不飽和単量体の中でも、重合速度が速いために一次鎖長の長い重合体が得られ、バインダーの密着力が良好となる点でアクリロイル基を有する化合物が好ましい。また、非イオン性のエチレン性不飽和単量体としては、得られる電極の耐屈曲性が良好となる点でホモポリマーのガラス転移温度(Tg)が0℃以下の化合物が好ましい。Among nonionic ethylenically unsaturated monomers, compounds containing an acryloyl group are preferred because they have a fast polymerization rate, resulting in polymers with long primary chain lengths and good binder adhesion. Furthermore, as nonionic ethylenically unsaturated monomers, compounds whose homopolymer glass transition temperature (Tg) is 0°C or less are preferred because the resulting electrodes have good flex resistance.
架橋重合体は塩であってもよい。塩の種類としては特に限定しないが、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属塩;カルシウム塩及びバリウム塩等のアルカリ土類金属塩;マグネシウム塩、アルミニウム塩等のその他の金属塩;アンモニウム塩及び有機アミン塩等が挙げられる。これらの中でも電池特性への悪影響が生じにくい点からアルカリ金属塩及びマグネシウム塩が好ましく、アルカリ金属塩がより好ましい。The crosslinked polymer may be a salt. The type of salt is not particularly limited, but examples include alkali metal salts such as lithium, sodium, and potassium; alkaline earth metal salts such as calcium salts and barium salts; other metal salts such as magnesium salts and aluminum salts; ammonium salts, and organic amine salts. Among these, alkali metal salts and magnesium salts are preferred, as they are less likely to adversely affect battery characteristics, and alkali metal salts are more preferred.
<架橋重合体の態様>
本明細書に開示される架橋重合体における架橋方法は特に制限されるものではなく、例えば以下の方法による態様が例示される。
1)架橋性単量体の共重合
2)ラジカル重合時のポリマー鎖への連鎖移動を利用
3)反応性官能基を有する重合体を合成後、必要に応じて架橋剤を添加して後架橋
重合体が架橋構造を有することにより、当該重合体又はその塩を含むバインダーは、優れた密着力を有することができる。上記の内でも、操作が簡便であり、架橋の程度を制御し易い点から架橋性単量体の共重合による方法が好ましい。
<Embodiments of Crosslinked Polymer>
The crosslinking method for the crosslinked polymer disclosed in this specification is not particularly limited, and examples thereof include the following methods.
1) copolymerization of a crosslinkable monomer; 2) utilizing chain transfer to a polymer chain during radical polymerization; 3) synthesizing a polymer having a reactive functional group, and then adding a crosslinking agent as needed to perform post-crosslinking. By having a crosslinked structure in the polymer, a binder containing the polymer or a salt thereof can have excellent adhesive strength. Among the above methods, the method of copolymerization of a crosslinkable monomer is preferred because it is simple to operate and the degree of crosslinking can be easily controlled.
<架橋性単量体>
架橋性単量体としては、2個以上の重合性不飽和基を有する多官能重合性単量体、及び加水分解性シリル基等の自己架橋可能な架橋性官能基を有する単量体等が挙げられる。
<Crosslinkable Monomer>
Examples of the crosslinkable monomer include polyfunctional polymerizable monomers having two or more polymerizable unsaturated groups, and monomers having a self-crosslinkable crosslinkable functional group such as a hydrolyzable silyl group.
上記多官能重合性単量体は、(メタ)アクリロイル基、アルケニル基等の重合性官能基を分子内に2つ以上有する化合物であり、多官能(メタ)アクリレート化合物、多官能アルケニル化合物、(メタ)アクリロイル基及びアルケニル基の両方を有する化合物等が挙げられる。これらの化合物は、1種のみを単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの内でも、均一な架橋構造を得やすい点で多官能アルケニル化合物が好ましく、分子内に2個以上のアリルエーテル基を有する多官能アリルエーテル化合物が特に好ましい。The polyfunctional polymerizable monomer is a compound having two or more polymerizable functional groups, such as (meth)acryloyl groups or alkenyl groups, in the molecule. Examples include polyfunctional (meth)acrylate compounds, polyfunctional alkenyl compounds, and compounds having both (meth)acryloyl groups and alkenyl groups. These compounds may be used alone or in combination of two or more. Among these, polyfunctional alkenyl compounds are preferred because they facilitate the formation of a uniform crosslinked structure, and polyfunctional allyl ether compounds having two or more allyl ether groups in the molecule are particularly preferred.
多官能(メタ)アクリレート化合物としては、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート等の2価アルコールのジ(メタ)アクリレート類;トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンエチレンオキサイド変性体のトリ(メタ)アクリレート、グリセリントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート等の3価以上の多価アルコールのトリ(メタ)アクリレート、テトラ(メタ)アクリレート等のポリ(メタ)アクリレート;メチレンビスアクリルアミド、ヒドロキシエチレンビスアクリルアミド等のビスアミド類等を挙げることができる。 Examples of polyfunctional (meth)acrylate compounds include di(meth)acrylates of dihydric alcohols such as ethylene glycol di(meth)acrylate, propylene glycol di(meth)acrylate, 1,6-hexanediol di(meth)acrylate, polyethylene glycol di(meth)acrylate, and polypropylene glycol di(meth)acrylate; poly(meth)acrylates such as tri(meth)acrylate and tetra(meth)acrylate of trihydric or higher polyhydric alcohols such as trimethylolpropane tri(meth)acrylate, trimethylolpropane ethylene oxide modified tri(meth)acrylate, glycerin tri(meth)acrylate, pentaerythritol tri(meth)acrylate, and pentaerythritol tetra(meth)acrylate; and bisamides such as methylene bisacrylamide and hydroxyethylene bisacrylamide.
多官能アルケニル化合物としては、トリメチロールプロパンジアリルエーテル、トリメチロールプロパントリアリルエーテル、ペンタエリスリトールジアリルエーテル、ペンタエリスリトールトリアリルエーテル、テトラアリルオキシエタン、ポリアリルサッカロース等の多官能アリルエーテル化合物;ジアリルフタレート等の多官能アリル化合物;ジビニルベンゼン等の多官能ビニル化合物等を挙げることができる。 Examples of polyfunctional alkenyl compounds include polyfunctional allyl ether compounds such as trimethylolpropane diallyl ether, trimethylolpropane triallyl ether, pentaerythritol diallyl ether, pentaerythritol triallyl ether, tetraallyloxyethane, and polyallylsucrose; polyfunctional allyl compounds such as diallyl phthalate; and polyfunctional vinyl compounds such as divinylbenzene.
(メタ)アクリロイル基及びアルケニル基の両方を有する化合物としては、(メタ)アクリル酸アリル、(メタ)アクリル酸イソプロペニル、(メタ)アクリル酸ブテニル、(メタ)アクリル酸ペンテニル、(メタ)アクリル酸2-(2-ビニロキシエトキシ)エチル等を挙げることができる。 Examples of compounds having both a (meth)acryloyl group and an alkenyl group include allyl (meth)acrylate, isopropenyl (meth)acrylate, butenyl (meth)acrylate, pentenyl (meth)acrylate, and 2-(2-vinyloxyethoxy)ethyl (meth)acrylate.
上記自己架橋可能な架橋性官能基を有する単量体の具体的な例としては、加水分解性シリル基含有ビニル単量体、N-メチロール(メタ)アクリルアミド、N-メトキシアルキル(メタ)アクリレート等が挙げられる。これらの化合物は、1種単独であるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。 Specific examples of the above-mentioned self-crosslinkable monomer having a crosslinkable functional group include hydrolyzable silyl group-containing vinyl monomers, N-methylol (meth)acrylamide, N-methoxyalkyl (meth)acrylate, etc. These compounds can be used alone or in combination of two or more.
加水分解性シリル基含有ビニル単量体としては、加水分解性シリル基を少なくとも1個有するビニル単量体であれば、特に限定されない。例えば、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルメチルジメトキシシラン、ビニルジメチルメトキシシランン等のビニルシラン類;アクリル酸トリメトキシシリルプロピル、アクリル酸トリエトキシシリルプロピル、アクリル酸メチルジメトキシシリルプロピル等のシリル基含有アクリル酸エステル類;メタクリル酸トリメトキシシリルプロピル、メタクリル酸トリエトキシシリルプロピル、メタクリル酸メチルジメトキシシリルプロピル、メタクリル酸ジメチルメトキシシリルプロピル等のシリル基含有メタクリル酸エステル類;トリメトキシシリルプロピルビニルエーテル等のシリル基含有ビニルエーテル類;トリメトキシシリルウンデカン酸ビニル等のシリル基含有ビニルエステル類等を挙げることができる。The hydrolyzable silyl group-containing vinyl monomer is not particularly limited as long as it is a vinyl monomer having at least one hydrolyzable silyl group. Examples include vinyl silanes such as vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, vinylmethyldimethoxysilane, and vinyldimethylmethoxysilane; silyl group-containing acrylic esters such as trimethoxysilylpropyl acrylate, triethoxysilylpropyl acrylate, and methyldimethoxysilylpropyl acrylate; silyl group-containing methacrylic esters such as trimethoxysilylpropyl methacrylate, triethoxysilylpropyl methacrylate, methyldimethoxysilylpropyl methacrylate, and dimethylmethoxysilylpropyl methacrylate; silyl group-containing vinyl ethers such as trimethoxysilylpropyl vinyl ether; and silyl group-containing vinyl esters such as vinyl trimethoxysilylundecanoate.
架橋重合体が架橋性単量体により架橋されたものである場合、上記架橋性単量体の使用量は、架橋性単量体以外の単量体(非架橋性単量体)の総量100質量部に対して好ましくは0.1質量部以上2.0質量部以下であり、より好ましくは0.3質量部以上1.5質量部以下であり、さらに好ましくは0.5質量部以上1.5質量部以下である。架橋性単量体の使用量が0.1質量部以上であれば密着性及び電極スラリーの安定性がより良好となる点で好ましい。2.0質量部以下であれば、架橋重合体の安定性が高くなる傾向がある。
同様に、上記架橋性単量体の使用量は、架橋性単量体以外の単量体(非架橋性単量体)の総量に対して0.02~0.7モル%であることが好ましく、0.03~0.4モル%であることがより好ましい。
When the crosslinked polymer is crosslinked by a crosslinkable monomer, the amount of the crosslinkable monomer used is preferably 0.1 to 2.0 parts by mass, more preferably 0.3 to 1.5 parts by mass, and even more preferably 0.5 to 1.5 parts by mass, relative to 100 parts by mass of the total amount of monomers other than the crosslinkable monomer (non-crosslinkable monomers). If the amount of the crosslinkable monomer used is 0.1 parts by mass or more, this is preferable in terms of improving adhesion and the stability of the electrode slurry. If it is 2.0 parts by mass or less, the stability of the crosslinked polymer tends to be high.
Similarly, the amount of the crosslinkable monomer used is preferably 0.02 to 0.7 mol %, more preferably 0.03 to 0.4 mol %, based on the total amount of monomers other than the crosslinkable monomer (non-crosslinkable monomers).
<架橋重合体の粒子径>
電極合剤層用組成物において、架橋重合体が大粒径の塊(二次凝集体)として存在することなく、適度な粒径を有する水膨潤粒子として良好に分散している場合、当該架橋重合体を含むバインダーが良好な密着性能を発揮し得るため好ましい。
<Particle size of crosslinked polymer>
In the composition for an electrode mixture layer, it is preferable that the crosslinked polymer is not present as large lumps (secondary aggregates) but is well dispersed as water-swellable particles having an appropriate particle size, because the binder containing the crosslinked polymer can exhibit good adhesion performance.
本明細書に開示される架橋重合体又はその塩は、該架橋重合体が有するカルボキシル基に基づく中和度が80~100モル%であるものを水中に分散させた際の粒子径(水膨潤粒子径)が、体積基準メジアン径で0.1μm以上、10.0μm以下の範囲にあることが好ましい。粒子径が0.1μm以上、10.0μm以下の範囲であれば、電極合剤層用組成物中において好適な大きさで均一に存在するため、電極合剤層用組成物の安定性が高く、優れた密着性を発揮することが可能となる。粒子径が10.0μmを超えると、上記の通り密着性が不十分となる虞がある。また、平滑性な塗面が得られにくい点で、塗工性が不十分となる虞がある。一方、粒子径が0.1μm未満の場合には、安定製造性の観点において懸念される。上記粒子径の下限は、0.2μm以上であってもよく、0.3μm以上であってもよく、0.5μm以上であってもよく、0.6μm以上であってもよく、0.7μm以上であってよく、0.8μm以上であってもよく、1.0μm以上であってもよい。粒子径の上限は9.0μm以下であってもよく、8.0μm以下であってもよく、7.0μm以下であってもよく、5.0μm以下であってもよく、3.0μm以下であってもよく、2.0μm以下であってもよく、1.8μm以下であってもよく、1.6μm以下であってもよく、1.5μm以下であってもよい。粒子径の範囲は、上記下限値および上限値を適宜組合わせて設定することができ、例えば、0.1μm以上、9.0μm以下であってもよく、0.2μm以上、8.0μm以下であってもよく、0.3μm以上、5.0μm以下であってもよく、0.5μm以上、4.0μm以下であってもよく、0.6μm以上、3.0μm以下であってもよく、0.6μm以上、2.0μm以下であってもよい。なお、上記水膨潤粒子径は、本明細書実施例に記載の方法により測定することができる。The crosslinked polymer or salt thereof disclosed herein preferably has a particle size (water-swollen particle size) of 0.1 μm or more and 10.0 μm or less, in terms of volume-based median diameter, when dispersed in water, with the degree of neutralization based on the carboxyl groups of the crosslinked polymer being 80 to 100 mol %. A particle size in the range of 0.1 μm or more and 10.0 μm or less allows the particles to be uniformly present at an appropriate size in the electrode mixture layer composition, resulting in high stability of the electrode mixture layer composition and excellent adhesion. A particle size exceeding 10.0 μm may result in insufficient adhesion, as described above. Furthermore, it may be difficult to obtain a smooth coating surface, resulting in insufficient coatability. On the other hand, a particle size of less than 0.1 μm raises concerns about stable production. The lower limit of the particle size may be 0.2 μm or more, 0.3 μm or more, 0.5 μm or more, 0.6 μm or more, 0.7 μm or more, 0.8 μm or more, or 1.0 μm or more. The upper limit of the particle size may be 9.0 μm or less, 8.0 μm or less, 7.0 μm or less, 5.0 μm or less, 3.0 μm or less, 2.0 μm or less, 1.8 μm or less, 1.6 μm or less, or 1.5 μm or less. The particle size range can be set by appropriately combining the above lower and upper limits, and may be, for example, 0.1 μm or more and 9.0 μm or less, 0.2 μm or more and 8.0 μm or less, 0.3 μm or more and 5.0 μm or less, 0.5 μm or more and 4.0 μm or less, 0.6 μm or more and 3.0 μm or less, or 0.6 μm or more and 2.0 μm or less. The water-swollen particle size can be measured by the method described in the Examples of this specification.
架橋重合体が未中和若しくは中和度80モル%未満の場合は、アルカリ金属水酸化物等により中和度80~100モル%に中和し、水中に分散させた際の粒子径を測定すればよい。一般に、架橋重合体又はその塩は、粉末または溶液(分散液)の状態では一次粒子が会合、凝集した塊状粒子として存在する場合が多い。上記の水分散させた際の粒子径が上記範囲である場合、当該架橋重合体又はその塩は極めて優れた分散性を有するものであり、中和度80~100モル%に中和して水分散することにより塊状粒子が解れ、ほぼ一次粒子の分散体、若しくは2次凝集体であっても、その粒子径が0.1~10.0μmの範囲内にある、安定な分散状態を形成するものである。If the crosslinked polymer is unneutralized or has a degree of neutralization of less than 80 mol%, it can be neutralized to a degree of neutralization of 80-100 mol% with an alkali metal hydroxide or the like, and the particle size can be measured when dispersed in water. Generally, crosslinked polymers or their salts exist as aggregates of primary particles in powder or solution (dispersion) form. If the particle size when dispersed in water is within the above range, the crosslinked polymer or its salt has excellent dispersibility, and neutralizing it to a degree of neutralization of 80-100 mol% and dispersing it in water breaks down the aggregated particles, forming a dispersion of mostly primary particles, or even secondary aggregates, forming a stable dispersion with particle sizes in the range of 0.1-10.0 μm.
水膨潤粒子径の体積平均粒子径を個数平均粒子径で除した値である粒子径分布は、密着性及び塗工性の観点から好ましくは10以下であり、より好ましくは5.0以下であり、さらに好ましくは3.0以下であり、一層好ましくは1.5以下である。上記粒子径分布の下限値は、通常は1.0である。 The particle size distribution, which is the volume average particle size of water-swollen particles divided by the number average particle size, is preferably 10 or less, more preferably 5.0 or less, even more preferably 3.0 or less, and even more preferably 1.5 or less, from the viewpoint of adhesion and coatability. The lower limit of the particle size distribution is usually 1.0.
また、本明細書に開示される架橋重合体又はその塩の乾燥時における粒子径(乾燥粒子径)は、体積基準メジアン径で0.03μm以上、3μm以下の範囲にあることが好ましい。上記粒子径のより好ましい範囲は0.1μm以上、1μm以下であり、さらに好ましい範囲は0.3μm以上、0.8μm以下である。 The particle size (dry particle size) of the crosslinked polymer or salt thereof disclosed herein when dried is preferably in the range of 0.03 μm or more and 3 μm or less in volume-based median size. A more preferred range for the particle size is 0.1 μm or more and 1 μm or less, and an even more preferred range is 0.3 μm or more and 0.8 μm or less.
架橋重合体又はその塩は、電極合剤層用組成物中において、中和度が20~100モル%となるように、エチレン性不飽和カルボン酸単量体由来のカルボキシル基等の酸基が中和され、塩の態様として用いることが好ましい。上記中和度は50~100モル%であることがより好ましく、60~95モル%であることがさらに好ましい。中和度が20モル%以上の場合、水膨潤性が良好となり分散安定化効果が得やすいという点で好ましい。本明細書では、上記中和度は、カルボキシル基等の酸基を有する単量体及び中和に用いる中和剤の仕込み値から計算により算出することができる。なお、中和度は架橋重合体又はその塩を、減圧条件下、80℃で3時間乾燥処理後の粉末をIR測定し、カルボン酸のC=O基由来のピークとカルボン酸塩のC=O基由来のピークの強度比より確認することができる。The crosslinked polymer or its salt is preferably used in the electrode mixture layer composition in the form of a salt, in which acid groups such as carboxyl groups derived from the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer are neutralized to a degree of neutralization of 20 to 100 mol%. The degree of neutralization is more preferably 50 to 100 mol%, and even more preferably 60 to 95 mol%. A degree of neutralization of 20 mol% or higher is preferable in that it provides good water swelling properties and facilitates dispersion stabilization. In this specification, the degree of neutralization can be calculated from the amounts of the monomer containing an acid group such as a carboxyl group and the neutralizing agent used for neutralization. The degree of neutralization can be confirmed by IR measurement of the powder of the crosslinked polymer or its salt after drying at 80°C under reduced pressure for 3 hours, and then determining the intensity ratio of the peak derived from the C=O group of the carboxylic acid to the peak derived from the C=O group of the carboxylate salt.
<架橋重合体の分子量(一次鎖長)>
本明細書に開示される架橋重合体は、三次元架橋構造を有し、水などの媒体中でミクロゲルとして存在するものである。一般的に、このような三次元架橋重合体は溶媒に不溶であるため、その分子量を測定することはできない。同様に、架橋重合体の一次鎖長を測定し、定量することも、通常は困難である。
<Molecular weight of crosslinked polymer (primary chain length)>
The crosslinked polymers disclosed herein have a three-dimensional crosslinked structure and exist as microgels in a medium such as water. Generally, such three-dimensional crosslinked polymers are insoluble in solvents, making it impossible to measure their molecular weight. Similarly, it is usually difficult to measure and quantify the primary chain length of crosslinked polymers.
<架橋重合体の水膨潤度>
本明細書では、水膨潤度は架橋重合体又はその塩の乾燥時の質量「(WA)g」、及び当該架橋重合体又はその塩を水で飽和膨潤させた際に吸収される水の量「(WB)g」とから、以下の式(3)に基づいて算出される。
(水膨潤度)={(WA)+(WB)}/(WA) (3)
<Water swelling degree of crosslinked polymer>
In this specification, the water swelling degree is calculated based on the following formula (3) from the dry mass "(WA) g" of the crosslinked polymer or a salt thereof and the amount of water "(WB) g" absorbed when the crosslinked polymer or a salt thereof is swelled to saturation with water.
(Water swelling degree) = {(WA) + (WB)}/(WA) (3)
さらに、架橋重合体の水膨潤度に着目しその数値を制御することで、塗工性と密着性とを同時に充足することができる。この観点からは、架橋重合体のpH8における水膨潤度は、例えば、25.0以上、40.0以下とすることが好適である。水膨潤度が25.0未満では、密着性が低下しサイクル特性が低下する傾向が生じ、水膨潤度が40.0を超えると、塗工性が低下してしまう。 Furthermore, by focusing on the water swelling degree of the crosslinked polymer and controlling this value, it is possible to simultaneously achieve satisfactory coatability and adhesion. From this perspective, it is preferable that the water swelling degree of the crosslinked polymer at pH 8 be, for example, 25.0 or more and 40.0 or less. If the water swelling degree is less than 25.0, adhesion tends to decrease and cycle characteristics tend to deteriorate, while if the water swelling degree exceeds 40.0, coatability deteriorates.
pH8における水膨潤度の下限は、また例えば、26.0であり、また例えば、27.0であり、また例えば、28.0であり、また例えば、29.0であり、また例えば、30.0である。水膨潤度の上限は、例えば、密着性の観点から、また例えば、39.0であり、38.0であり、また例えば、37.0であり、また例えば、36.0であり、また例えば、35.0であり、また例えば、34.0であり、また例えば、33.0であり、また例えば、32.0である。水膨潤度の範囲は、既述の下限及び上限から任意で選択することができるが、例えば、25.0以上35.0以下であり、また例えば、25.0以上34.0以下であり、また例えば、25.0以上33.0以下であり、また例えば、25.0以上32.0以下である。The lower limit of the water swelling degree at pH 8 is, for example, 26.0, for example, 27.0, for example, 28.0, for example, 29.0, or for example, 30.0. From the standpoint of adhesion, the upper limit of the water swelling degree is, for example, 39.0, 38.0, for example, 37.0, for example, 36.0, for example, 35.0, for example, 34.0, for example, 33.0, or for example, 32.0. The range of the water swelling degree can be selected arbitrarily from the above-mentioned lower and upper limits, but is, for example, 25.0 to 35.0 inclusive, for example, 25.0 to 34.0 inclusive, for example, 25.0 to 33.0 inclusive, or for example, 25.0 to 32.0 inclusive.
pH8における水膨潤度は、pH8の水中における架橋重合体又はその塩の水膨潤度を測定することにより得ることができる。上記pH8の水としては、例えばイオン交換水を使用することができ、必要に応じて適当な酸若しくはアルカリ、又は緩衝液等を用いてpHの値を調整してもよい。測定時のpHは、例えば、8.0±0.5の範囲であり、好ましくは8.0±0.3の範囲であり、より好ましくは8.0±0.2の範囲であり、さらに好ましくは8.0±0.1の範囲である。また、測定は、25±5℃で行う。The degree of swelling in water at pH 8 can be obtained by measuring the degree of swelling in water of a crosslinked polymer or a salt thereof in water of pH 8. The water of pH 8 can be, for example, ion-exchanged water, and the pH value can be adjusted as needed using an appropriate acid, alkali, or buffer solution. The pH during measurement is, for example, in the range of 8.0±0.5, preferably 8.0±0.3, more preferably 8.0±0.2, and even more preferably 8.0±0.1. Measurements are performed at 25±5°C.
尚、当業者であれば、本明細書の実施例における組成及び水膨潤度のほか本出願時の技術常識に基づいて、架橋重合体又はその塩の組成及び構造等を制御することにより、その水膨潤度の調整を行うことができる。例えば、架橋重合体における酸性官能基又は親水性の高い構造単位の導入量によって、水膨潤度を調整することができ、概して、こうした構造単位の導入によって水膨潤度を向上させることができる。また、架橋重合体の架橋度を低くすることによっても、通常その水膨潤度は高くなる。さらに、沈殿重合又は分散重合で架橋重合体を製造するのにあたって、第二の構造単位が由来する単量体の添加タイミングや添加方法を制御することでも、水膨潤度の調整が可能である。 A person skilled in the art would be able to adjust the water swelling degree by controlling the composition and structure of the crosslinked polymer or its salt based on the composition and water swelling degree in the examples herein as well as the common general technical knowledge at the time of filing. For example, the water swelling degree can be adjusted by adjusting the amount of acidic functional groups or highly hydrophilic structural units introduced into the crosslinked polymer, and generally, the introduction of such structural units can improve the water swelling degree. Furthermore, decreasing the degree of crosslinking of the crosslinked polymer usually increases its water swelling degree. Furthermore, when producing a crosslinked polymer by precipitation polymerization or dispersion polymerization, the water swelling degree can also be adjusted by controlling the timing and method of addition of the monomer from which the second structural unit is derived.
<架橋重合体又はその塩の製造方法>
架橋重合体は、溶液重合、沈殿重合、懸濁重合、乳化重合等の公知の重合方法を使用することが可能であるが、生産性の点で沈殿重合及び懸濁重合(逆相懸濁重合)が好ましい。密着性等に関してより良好な性能が得られる点で、沈殿重合、懸濁重合、乳化重合等の不均一系の重合法が好ましく、中でも沈殿重合法がより好ましい。沈殿重合は、原料である不飽和単量体を溶解するが、生成する重合体を実質溶解しない溶媒中で重合反応を行うことにより重合体を製造する方法である。重合の進行とともにポリマー粒子は凝集及び成長により大きくなり、数十nm~数百nmの一次粒子が数μm~数十μmに二次凝集したポリマー粒子の分散液が得られる。ポリマーの粒子サイズを制御するために分散安定剤を使用することもできる。尚、分散安定剤や重合溶剤等を選定することにより上記二次凝集を抑制することもできる。一般に、二次凝集を抑制した沈殿重合は、分散重合とも呼ばれる。
<Method of producing a crosslinked polymer or a salt thereof>
Crosslinked polymers can be produced using known polymerization methods such as solution polymerization, precipitation polymerization, suspension polymerization, and emulsion polymerization. However, from the perspective of productivity, precipitation polymerization and suspension polymerization (reverse-phase suspension polymerization) are preferred. Heterogeneous polymerization methods such as precipitation polymerization, suspension polymerization, and emulsion polymerization are preferred because they provide better performance in terms of adhesion, among which precipitation polymerization is more preferred. Precipitation polymerization is a method of producing a polymer by carrying out a polymerization reaction in a solvent that dissolves the raw material unsaturated monomer but does not substantially dissolve the resulting polymer. As the polymerization proceeds, the polymer particles grow through aggregation and growth, resulting in a dispersion of polymer particles in which primary particles of tens to hundreds of nanometers in size have secondary aggregation to several micrometers to several tens of micrometers. A dispersion stabilizer can also be used to control the polymer particle size. Furthermore, the secondary aggregation can be suppressed by selecting the dispersion stabilizer, polymerization solvent, etc. Precipitation polymerization with suppressed secondary aggregation is generally also called dispersion polymerization.
沈殿重合の場合、重合溶媒は、使用する単量体の種類等を考慮して水及び各種有機溶剤等から選択される溶媒を使用することができる。より一次鎖長の長い重合体を得るためには、連鎖移動定数の小さい溶媒を使用することが好ましい。In the case of precipitation polymerization, the polymerization solvent can be selected from water and various organic solvents, taking into account the type of monomer used, etc. To obtain a polymer with a longer primary chain length, it is preferable to use a solvent with a small chain transfer constant.
沈殿重合または分散重合は、重合の進行に伴い媒体から析出した重合鎖が一次粒子表面に積層する重合方法である。そのため、例えば、重合反応において、重合反応途中に構成単量体を添加することや構成単量体をフィードすることで、粒子のポリマー組成を制御することが可能であり、この結果、水膨潤度の制御が可能となっている。Precipitation polymerization or dispersion polymerization is a polymerization method in which polymer chains precipitate from the medium as the polymerization progresses and are layered on the surface of primary particles. Therefore, for example, by adding or feeding constituent monomers during the polymerization reaction, it is possible to control the polymer composition of the particles, and as a result, the degree of swelling in water can be controlled.
沈殿重合又は分散重合において、重合粒子の組成を制御するには、より具体的には、例えば、以下の重合ステップ:(A)エチレン性不飽和カルボン酸単量体のみが重合される重合ステップ(B)エチレン性不飽和カルボン酸単量体に対して前記式(1)及び式(2)で表される単量体を連続的又は断続的に添加して重合する重合ステップのいずれか又は双方を実施することで、水膨潤度を容易に制御することができる。To control the composition of polymerized particles in precipitation polymerization or dispersion polymerization, more specifically, the degree of water swelling can be easily controlled by carrying out one or both of the following polymerization steps: (A) a polymerization step in which only ethylenically unsaturated carboxylic acid monomers are polymerized; or (B) a polymerization step in which monomers represented by the above formulas (1) and (2) are continuously or intermittently added to and polymerized with the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomers.
(A)の重合ステップは、例えば、重合初期においては、第一の構造単位が由来するエチレン性不飽和カルボン酸単量体を投入するが、第二の構造単位が由来する式(1)及び(2)で表される単量体を投入しないで、エチレン性不飽和カルボン酸単量体のみの重合を先行させる重合ステップが挙げられる。かかる重合ステップによると、粒子内部にエチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する第一の構造単位を多く含む重合体を備え、粒子表面に式(1)及び/又(2)で表される単量体に由来する第二の構造単位を多く含む重合体が積層されることになり、水膨潤度が大きくなる。かかる重合ステップの場合、例えば、エチレン性不飽和単量体の全量を初期に供給して重合ステップを実施し、その後、式(1)及び/又は式(2)で表される単量体の単量体を一括又は分割して供給してもよいし、一定時間かけて連続的に又は断続的に供給してもよい(後者は、上記(B)の重合ステップに相当する。)。The polymerization step (A) may, for example, be a polymerization step in which, in the initial stage of polymerization, the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer from which the first structural unit is derived is added, but the monomers represented by formulas (1) and (2) from which the second structural unit is derived are not added, and only the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer is polymerized first. This polymerization step results in particles having a polymer rich in the first structural unit derived from the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer within the particles, and a polymer rich in the second structural unit derived from the monomers represented by formulas (1) and/or (2) layered on the particle surface, resulting in a high degree of water swelling. In this polymerization step, for example, the entire amount of the ethylenically unsaturated monomer may be added initially, and then the monomers represented by formulas (1) and/or (2) may be added all at once or in portions, or continuously or intermittently over a certain period of time (the latter corresponds to the polymerization step (B) above).
一括して供給するとは、式(1)及び/又は(2)で表される単量体の所用量の全てを一度に供給することを意味し、分割して供給するとは、前記所用量の全てを2回以上に分割して、例えば、10分以上1時間以下の間隔で供給することを意味する。 Supplying all at once means supplying the entire required amount of the monomer represented by formula (1) and/or (2) at one time, and supplying in portions means supplying the entire required amount in two or more portions, for example, at intervals of 10 minutes to 1 hour.
また、(B)の重合ステップは、エチレン性不飽和カルボン酸単量体の所用量の例えば10質量%以上、また例えば30質量%以上、また例えば50質量%以上、また例えば70質量%以上、また例えば、80質量%以上、また例えば、全量の存在下に、式(1)及び/又は(2)で表される単量体の所用量を連続的又は断続的に供給する重合ステップが挙げられる。連続的に供給するとは、1分未満の間隔で途切れずに、好適には一定の供給量を維持して供給することであり、断続的に供給するとは、1分以上~5分程度間隔で間欠的に、好適には一定の供給量を維持して供給することである。 The polymerization step (B) may be a polymerization step in which a predetermined amount of the monomer represented by formula (1) and/or (2) is continuously or intermittently supplied in the presence of, for example, 10% by mass or more, for example, 30% by mass or more, for example, 50% by mass or more, for example, 70% by mass or more, for example, 80% by mass or more, or even the entire amount of the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer. "Continuous supply" means supplying without interruption at intervals of less than one minute, preferably while maintaining a constant supply amount. "Intermittent supply" means supplying intermittently at intervals of one minute or more to about five minutes, preferably while maintaining a constant supply amount.
エチレン性不飽和カルボン酸単量体は、単量体として存在していることのみを意味するものではなく、既に部分的に重合されて存在していることを意味する。こうすることで、少なくとも式(1)及び/又は(2)で表される単量体の供給初期においては、大過剰のエチレン性不飽和カルボン酸単量体の存在下に、式(1)及び/又は(2)で表される単量体が重合されることになる。かかる重合ステップにより、粒子内部にエチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する第一の構造単位を多く含む重合体を有し、粒子表面に式(1)及び/又(2)で表される単量体に由来する第二の構造単位を多く含む重合体が積層されることとなり水膨潤度が大きくなる。This does not mean that the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer exists only as a monomer, but that it has already been partially polymerized. This means that, at least in the initial stage of supplying the monomers represented by formula (1) and/or (2), the monomers represented by formula (1) and/or (2) are polymerized in the presence of a large excess of the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer. This polymerization step results in particles having a polymer rich in first structural units derived from the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer inside, and a layer of polymer rich in second structural units derived from the monomers represented by formula (1) and/or (2) on the particle surface, resulting in an increased degree of water swelling.
(B)の重合ステップは、重合反応の初期から一定時間実施してもよいし、(A)の重合ステップの後に一定時間実施してもよい。尚、(B)の重合ステップの時間については、当業者であれば、本明細書の実施例のほか本出願時の技術常識に基づいて、任意に設定できる。The polymerization step (B) may be carried out for a certain period of time from the beginning of the polymerization reaction, or may be carried out for a certain period of time after the polymerization step (A). The duration of the polymerization step (B) can be freely determined by a person skilled in the art based on the common general technical knowledge at the time of filing, as well as the examples in this specification.
以上のことから、本明細書に開示される製造方法としては、例えば以下の態様が挙げられる。
・重合反応初期から(A)の重合ステップを実施し、その後、一括又は分割して式(1)及び/又は(2)で表される単量体を供給する。
・重合反応初期から(A)の重合ステップを実施し、その後、(B)の重合ステップを一回実施する。
・重合反応初期から(B)の重合ステップを実施する。
In view of the above, the production method disclosed in this specification may take the following forms, for example.
The polymerization step (A) is carried out from the initial stage of the polymerization reaction, and then the monomers represented by the formula (1) and/or (2) are supplied all at once or in portions.
The polymerization step (A) is carried out from the initial stage of the polymerization reaction, and then the polymerization step (B) is carried out once.
The polymerization step (B) is carried out from the initial stage of the polymerization reaction.
なお、式(1)及び/又は(2)で表される単量体を複数種類を用いるときは、複数の単量体を一括して連続的又は断続的に供給してもよいし、1種又は2種以上の単量体を、任意の順序で連続的又は断続的に供給してもよい。 When multiple types of monomers represented by formula (1) and/or (2) are used, the multiple monomers may be supplied all at once continuously or intermittently, or one or more types of monomers may be supplied continuously or intermittently in any order.
沈殿重合及び分散重合において用いうる具体的な重合溶媒としては、メタノール、t-ブチルアルコール、アセトン、メチルエチルケトン、アセトニトリル及びテトラヒドロフラン等の水溶性溶剤の他、ベンゼン、酢酸エチル、ジクロロエタン、n-ヘキサン、シクロヘキサン及びn-ヘプタン等が挙げられ、これらの1種を単独であるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。又は、これらと水との混合溶媒として用いてもよい。本明細書において水溶性溶剤とは、20℃における水への溶解度が10g/100mlより大きいものを指す。上記の内、粗大粒子の生成や反応器への付着が小さく重合安定性が良好であること、析出した重合体微粒子が二次凝集しにくい(若しくは二次凝集が生じても水媒体中で解れやすい)こと、連鎖移動定数が小さく重合度(一次鎖長)の大きい重合体が得られること、及び後述する工程中和の際に操作が容易であること等の点で、メチルエチルケトン及びアセトニトリルが好ましい。Specific polymerization solvents that can be used in precipitation polymerization and dispersion polymerization include water-soluble solvents such as methanol, t-butyl alcohol, acetone, methyl ethyl ketone, acetonitrile, and tetrahydrofuran, as well as benzene, ethyl acetate, dichloroethane, n-hexane, cyclohexane, and n-heptane. These can be used alone or in combination with two or more. Alternatively, they can be used as a mixed solvent with water. As used herein, a water-soluble solvent refers to a solvent with a solubility in water of greater than 10 g/100 ml at 20°C. Of the above, methyl ethyl ketone and acetonitrile are preferred because they provide good polymerization stability with minimal generation of coarse particles and adhesion to the reactor, are less likely to cause secondary aggregation of the precipitated polymer particles (or, even if secondary aggregation does occur, are easily disintegrated in an aqueous medium), produce polymers with a small chain transfer constant and a high degree of polymerization (primary chain length), and are easy to handle during the neutralization process described below.
また、同じく工程中和において中和反応を安定かつ速やかに進行させるため、重合溶媒中に高極性溶媒を少量加えておくことが好ましい。係る高極性溶媒としては、好ましくは水及びメタノールが挙げられる。高極性溶媒の使用量は、媒体の全質量に基づいて好ましくは0.05~20.0質量%であり、より好ましくは0.1~10.0質量%、さらに好ましくは0.1~5.0質量%であり、一層好ましくは0.1~1.0質量%である。高極性溶媒の割合が0.05質量%以上であれば、上記中和反応への効果が認められ、20.0質量%以下であれば重合反応への悪影響も見られない。また、アクリル酸等の親水性の高いエチレン性不飽和カルボン酸単量体の重合では、高極性溶媒を加えた場合には重合速度が向上し、一次鎖長の長い重合体を得やすくなる。高極性溶媒の中でも特に水は上記重合速度を向上させる効果が大きく好ましい。Similarly, in the neutralization step, it is preferable to add a small amount of a highly polar solvent to the polymerization solvent to ensure stable and rapid progress of the neutralization reaction. Examples of such highly polar solvents include water and methanol. The amount of highly polar solvent used is preferably 0.05 to 20.0 mass% based on the total mass of the medium, more preferably 0.1 to 10.0 mass%, even more preferably 0.1 to 5.0 mass%, and even more preferably 0.1 to 1.0 mass%. A high-polarity solvent content of 0.05 mass% or more is effective in promoting the neutralization reaction, while a high-polarity solvent content of 20.0 mass% or less does not adversely affect the polymerization reaction. Furthermore, in the polymerization of highly hydrophilic ethylenically unsaturated carboxylic acid monomers such as acrylic acid, the addition of a highly polar solvent increases the polymerization rate, making it easier to obtain polymers with long primary chain lengths. Among highly polar solvents, water is particularly preferred due to its significant effect in promoting the polymerization rate.
架橋重合体又はその塩の製造においては、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体成分を重合する重合工程を備えることが好ましい。例えば、(a)成分の由来となるエチレン性不飽和カルボン酸単量体を50質量%以上99.5質量%以下、(b)成分の由来となる水酸基を有する特定の単量体を0.5質量%以上50質量%以下、及び(c)成分の由来となる他のエチレン性不飽和単量体を0質量%以上49.5質量%以下含む単量体成分を重合する重合工程を備えることが好ましい。上記水酸基を有する特定の単量体としては、以下の式(1)及び式(2)で表される単量体からなる群より選ばれる1種以上の単量体、並びに、式量が200以下であって、(メタ)アクリロイル基及び水酸基を有する単量体が挙げられる。
CH2=C(R1)COOR2 (1)
[式中、R1は水素原子又はメチル基を表し、R2は水酸基を有する炭素原子数1~8の一価の有機基、(R3O)mH又はR4O[CO(CH2)5O]nHを表す。なお、R3は炭素原子数2~4のアルキレン基を表し、R4は炭素原子数1~8のアルキレン基を表し、mは2~15の整数を表し、nは1~15の整数を表す。]
The production of a crosslinked polymer or a salt thereof preferably includes a polymerization step of polymerizing a monomer component containing an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer. For example, it preferably includes a polymerization step of polymerizing a monomer component containing 50% by mass to 99.5% by mass of the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer from which component (a) is derived, 0.5% by mass to 50% by mass of a specific monomer having a hydroxyl group from which component (b) is derived, and 0% by mass to 49.5% by mass of another ethylenically unsaturated monomer from which component (c) is derived. Examples of the specific monomer having a hydroxyl group include one or more monomers selected from the group consisting of monomers represented by the following formulas (1) and (2), and monomers having a formula weight of 200 or less and having a (meth)acryloyl group and a hydroxyl group.
CH 2 =C(R 1 )COOR 2 (1)
[In the formula, R1 represents a hydrogen atom or a methyl group, R2 represents a monovalent organic group having 1 to 8 carbon atoms and a hydroxyl group, ( R3O ) mH or R4O [CO( CH2 ) 5O ] nH , R3 represents an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, R4 represents an alkylene group having 1 to 8 carbon atoms, m represents an integer of 2 to 15, and n represents an integer of 1 to 15.]
CH2=C(R5)CONR6R7 (2)
[式中、R5は水素原子又はメチル基を表し、R6は水酸基又は炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基を表し、R7は水素原子又は1価の有機基を表す。]
CH2 =C( R5 ) CONR6R7 ( 2 )
[In the formula, R5 represents a hydrogen atom or a methyl group, R6 represents a hydroxyl group or a hydroxyalkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and R7 represents a hydrogen atom or a monovalent organic group.]
上記重合工程により、架橋重合体には、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する構造単位((a)成分)が50質量%以上99.5質量%以下導入され、水酸基を有する特定の単量体に由来する構造単位((b)成分)が0.5質量%以上50質量%以下導入される。エチレン性不飽和カルボン酸単量体の使用量は、また例えば、30質量%以上、99.5質量%以下であり、また例えば、50質量%以上、99.5質量%以下であり、また例えば、50質量%以上、99質量%以下であり、また例えば、50質量%以上、98質量%以下であり、また例えば、50質量%以上、95質量%以下である。また例えば、50質量%以上、90質量%以下であり、また例えば、55質量%以上、90質量%以下、また例えば、60質量%以上90質量%以下などとすることができる。水酸基を有する特定の単量体の使用量は、また例えば、1.0質量%以上、50質量%以下であり、また例えば、1.0質量%以上、45質量%以下であり、また例えば、1.0質量%以上、40質量%以下であり、また例えば、5.0質量%以上、40質量%以下である。また例えば、10質量%以上50質量%以下であり、また例えば、10質量%以上45質量%以下であり、また例えば、10質量%以上40質量%以下などとすることができる。Through the above polymerization process, the crosslinked polymer contains structural units derived from ethylenically unsaturated carboxylic acid monomers (component (a)) in an amount of 50% by mass to 99.5% by mass, and structural units derived from a specific monomer having a hydroxyl group (component (b)) in an amount of 0.5% by mass to 50% by mass. The amount of ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer used may be, for example, 30% by mass to 99.5% by mass, 50% by mass to 99.5% by mass, 50% by mass to 99% by mass, 50% by mass to 98% by mass, or 50% by mass to 95% by mass. It may also be, for example, 50% by mass to 90% by mass, 55% by mass to 90% by mass, or 60% by mass to 90% by mass. The amount of the specific monomer having a hydroxyl group used may be, for example, 1.0% by mass or more and 50% by mass or less, for example, 1.0% by mass or more and 45% by mass or less, for example, 1.0% by mass or more and 40% by mass or less, for example, 5.0% by mass or more and 40% by mass or less, for example, 10% by mass or more and 50% by mass or less, for example, 10% by mass or more and 45% by mass or less, or for example, 10% by mass or more and 40% by mass or less.
上記他のエチレン性不飽和単量体としては、例えば、スルホン酸基及びリン酸基等のカルボキシル基以外のアニオン性基を有するエチレン性不飽和単量体化合物、並びに、(b)成分以外の非イオン性のエチレン性不飽和単量体等が挙げられる。具体的な化合物としては、上述した(c)成分を導入可能な単量体化合物が挙げられる。上記他のエチレン性不飽和単量体は、単量体成分の全量に対して0質量%以上、49.5質量%以下含んでもよく、1質量%以上、40質量%以下であってもよく、2質量%以上、40質量%以下であってもよく、2質量%以上、30質量%以下であってもよく、5質量%以上、30質量%以下であってもよい。Examples of the other ethylenically unsaturated monomer include ethylenically unsaturated monomer compounds having anionic groups other than carboxyl groups, such as sulfonic acid groups and phosphate groups, as well as nonionic ethylenically unsaturated monomers other than component (b). Specific examples of such compounds include the monomer compounds into which component (c) can be introduced. The other ethylenically unsaturated monomer may be present in an amount of 0% to 49.5% by mass, 1% to 40% by mass, 2% to 40% by mass, 2% to 30% by mass, or 5% to 30% by mass, based on the total amount of the monomer components.
重合工程において重合される単量体成分は、架橋性単量体を含んでいてもよい。架橋性単量体としては、既述した通り、2個以上の重合性不飽和基を有する多官能重合性単量体、及び加水分解性シリル基等の自己架橋可能な架橋性官能基を有する単量体等が挙げられる。架橋性単量体の使用量は、架橋性単量体以外の単量体(非架橋性単量体)の総量100質量部に対して好ましくは0.1質量部以上2.0質量部以下であり、より好ましくは0.3質量部以上1.5質量部以下であり、さらに好ましくは0.5質量部以上1.5質量部以下である。The monomer components polymerized in the polymerization step may contain a crosslinkable monomer. Examples of crosslinkable monomers include, as described above, polyfunctional polymerizable monomers having two or more polymerizable unsaturated groups, and monomers having self-crosslinkable crosslinkable functional groups such as hydrolyzable silyl groups. The amount of crosslinkable monomer used is preferably 0.1 to 2.0 parts by weight, more preferably 0.3 to 1.5 parts by weight, and even more preferably 0.5 to 1.5 parts by weight, per 100 parts by weight of the total amount of monomers other than the crosslinkable monomer (non-crosslinkable monomers).
重合時の単量体濃度については、より一次鎖長の長い重合体を得る観点から高い方が好ましい。ただし、単量体濃度が高すぎると、重合体粒子の凝集が進行し易い他、重合熱の制御が困難となり重合反応が暴走する虞がある。このため、例えば沈殿重合法の場合、重合開始時の単量体濃度は、2~40質量%程度の範囲が一般的であり、好ましくは5~40質量%の範囲である。なお、本明細書において「単量体濃度」とは、反応液全体の質量に対する重合に用いる単量体の総質量の濃度をいう。 A higher monomer concentration during polymerization is preferable in order to obtain a polymer with a longer primary chain length. However, if the monomer concentration is too high, the polymer particles are more likely to aggregate, and it may become difficult to control the heat of polymerization, leading to the risk of the polymerization reaction running out of control. For this reason, in the case of precipitation polymerization, for example, the monomer concentration at the start of polymerization is generally in the range of approximately 2 to 40% by mass, and preferably in the range of 5 to 40% by mass. In this specification, "monomer concentration" refers to the concentration of the total mass of the monomers used in polymerization relative to the mass of the entire reaction liquid.
架橋重合体は、塩基化合物の存在下に重合反応を行うことにより製造してもよい。塩基化合物存在下において重合反応を行うことにより、高い単量体濃度条件下であっても、重合反応を安定に実施することができる。単量体濃度は、13.0質量%以上であってもよく、好ましくは15.0質量%以上であり、より好ましくは17.0質量%以上であり、更に好ましくは19.0質量%以上であり、一層好ましくは20.0質量%以上である。単量体濃度はなお好ましくは22.0質量%以上であり、より一層好ましくは25.0質量%以上である。一般に、重合時の単量体濃度を高くするほど高分子量化が可能であり、一次鎖長の長い重合体を製造することができる。Crosslinked polymers may be produced by carrying out a polymerization reaction in the presence of a basic compound. By carrying out the polymerization reaction in the presence of a basic compound, the polymerization reaction can be carried out stably even under high monomer concentration conditions. The monomer concentration may be 13.0% by mass or higher, preferably 15.0% by mass or higher, more preferably 17.0% by mass or higher, even more preferably 19.0% by mass or higher, and even more preferably 20.0% by mass or higher. The monomer concentration is even more preferably 22.0% by mass or higher, and even more preferably 25.0% by mass or higher. In general, the higher the monomer concentration during polymerization, the higher the molecular weight and the longer the primary chain length of the polymer that can be produced.
単量体濃度の上限値は、使用する単量体及び溶媒の種類、並びに、重合方法及び各種重合条件等により異なるが、重合反応熱の除熱が可能であれば、沈殿重合では上記の通り概ね40質量%程度、懸濁重合では概ね50質量%程度、乳化重合では概ね70質量%程度である。 The upper limit of the monomer concentration varies depending on the type of monomer and solvent used, as well as the polymerization method and various polymerization conditions, but if it is possible to remove the heat generated by the polymerization reaction, it is approximately 40% by mass in precipitation polymerization, approximately 50% by mass in suspension polymerization, and approximately 70% by mass in emulsion polymerization, as mentioned above.
上記塩基化合物は、いわゆるアルカリ性化合物であり、無機塩基化合物及び有機塩基化合物の何れを用いてもよい。塩基化合物存在下において重合反応を行うことにより、例えば13.0質量%を超えるような高い単量体濃度条件下であっても、重合反応を安定に実施することができる。また、このような高い単量体濃度で重合して得られた重合体は、分子量が高いため(一次鎖長が長いため)密着性にも優れる。
無機塩基化合物としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム等のアルカリ土類金属水酸化物等が挙げられ、これらの内の1種又は2種以上を用いることができる。
有機塩基化合物としては、アンモニア及び有機アミン化合物が挙げられ、これらの内の1種又は2種以上を用いることができる。中でも、重合安定性及び得られる架橋重合体又はその塩を含むバインダーの密着性の観点から、有機アミン化合物が好ましい。
The basic compound is a so-called alkaline compound, and may be either an inorganic basic compound or an organic basic compound. By carrying out the polymerization reaction in the presence of a basic compound, the polymerization reaction can be carried out stably even under high monomer concentration conditions, for example, exceeding 13.0 mass%. Furthermore, the polymer obtained by polymerization at such a high monomer concentration has a high molecular weight (long primary chain length) and therefore excellent adhesion.
Examples of inorganic base compounds include alkali metal hydroxides such as lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide, and alkaline earth metal hydroxides such as calcium hydroxide and magnesium hydroxide, and one or more of these can be used.
Examples of the organic base compound include ammonia and organic amine compounds, and one or more of these can be used. Among these, organic amine compounds are preferred from the viewpoints of polymerization stability and adhesion of the resulting binder containing the crosslinked polymer or a salt thereof.
有機アミン化合物としては、例えば、モノメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、モノエチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、モノブチルアミン、ジブチルアミン、トリブチルアミン、モノヘキシルアミン、ジヘキシルアミン、トリヘキシルアミン、トリオクチルアミン及びトリドデシルアミン等のN-アルキル置換アミン;モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、プロパノールアミン、ジメチルエタノールアミン及びN,N-ジメチルエタノールアミン等の(アルキル)アルカノールアミン;ピリジン、ピペリジン、ピペラジン、1,8-ビス(ジメチルアミノ)ナフタレン、モルホリン及びジアザビシクロウンデセン(DBU)等の環状アミン;ジエチレントリアミン、N、N-ジメチルベンジルアミンが挙げられ、これらの内の1種又は2種以上を用いることができる。
これらの内でも、長鎖アルキル基を有する疎水性アミンを用いた場合、より大きな静電反発及び立体反発が得られることから、単量体濃度の高い場合であっても重合安定性を確保しやすい点で好ましい。具体的には、有機アミン化合物に存在する窒素原子数に対する炭素原子数の比で表される値(C/N)が高い程、立体反発効果による重合安定化効果が高い。上記C/Nの値は、好ましくは3以上であり、より好ましくは5以上であり、さらに好ましくは10以上であり、一層好ましくは20以上である。
Examples of the organic amine compound include N-alkyl-substituted amines such as monomethylamine, dimethylamine, trimethylamine, monoethylamine, diethylamine, triethylamine, monobutylamine, dibutylamine, tributylamine, monohexylamine, dihexylamine, trihexylamine, trioctylamine, and tridodecylamine; (alkyl)alkanolamines such as monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, propanolamine, dimethylethanolamine, and N,N-dimethylethanolamine; cyclic amines such as pyridine, piperidine, piperazine, 1,8-bis(dimethylamino)naphthalene, morpholine, and diazabicycloundecene (DBU); and diethylenetriamine and N,N-dimethylbenzylamine. One or more of these may be used.
Among these, the use of a hydrophobic amine having a long-chain alkyl group is preferred because it provides greater electrostatic and steric repulsion, making it easier to ensure polymerization stability even at high monomer concentrations. Specifically, the higher the value (C/N) representing the ratio of the number of carbon atoms to the number of nitrogen atoms present in the organic amine compound, the higher the polymerization stabilization effect due to the steric repulsion effect. The C/N value is preferably 3 or more, more preferably 5 or more, even more preferably 10 or more, and even more preferably 20 or more.
塩基化合物の使用量は、上記エチレン性不飽和カルボン酸単量体に対し、0.001モル%以上4.0モル%以下の範囲とすることが好ましい。塩基化合物の使用量がこの範囲であれば、重合反応を円滑に行うことができる。使用量は、0.05モル%以上4.0モル%以下であってもよく、0.1モル%以上4.0モル%以下であってもよく、0.1モル%以上3.0モル%以下であってもよく、0.1モル%以上2.0モル%以下であってもよい。尚、本明細書では、塩基化合物の使用量は、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に対して用いた塩基化合物のモル濃度を表したものであり、中和度を意味するものではない。すなわち、用いる塩基化合物の価数は考慮しない。The amount of the base compound used is preferably in the range of 0.001 mol% to 4.0 mol% relative to the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer. This range of base compound usage allows for smooth polymerization. The usage amount may be 0.05 mol% to 4.0 mol%, 0.1 mol% to 4.0 mol%, 0.1 mol% to 3.0 mol%, or 0.1 mol% to 2.0 mol%. Note that, in this specification, the amount of base compound used represents the molar concentration of the base compound relative to the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer, and does not refer to the degree of neutralization. In other words, the valence of the base compound used is not taken into consideration.
重合開始剤は、アゾ系化合物、有機過酸化物、無機過酸化物等の公知の重合開始剤を用いることができるが、特に限定されるものではない。熱開始、還元剤を併用したレドックス開始、UV開始等、公知の方法で適切なラジカル発生量となるように使用条件を調整することができる。一次鎖長の長い架橋重合体を得るためには、製造時間が許容される範囲内で、ラジカル発生量がより少なくなるように条件を設定することが好ましい。 The polymerization initiator may be any known polymerization initiator, such as an azo compound, organic peroxide, or inorganic peroxide, but is not limited to these. The conditions for use can be adjusted to generate an appropriate amount of radicals using known methods such as thermal initiation, redox initiation using a reducing agent, or UV initiation. To obtain a crosslinked polymer with a long primary chain length, it is preferable to set the conditions so that the amount of radicals generated is as low as possible within the allowable production time range.
上記アゾ系化合物としては、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)、2,2’-アゾビス(N-ブチル-2-メチルプロピオンアミド)、2-(tert-ブチルアゾ)-2-シアノプロパン、2,2’-アゾビス(2,4,4-トリメチルペンタン)、2,2’-アゾビス(2-メチルプロパン)等が挙げられ、これらの内の1種又は2種以上を用いることができる。 Examples of the azo compounds include 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile), 2,2'-azobis(N-butyl-2-methylpropionamide), 2-(tert-butylazo)-2-cyanopropane, 2,2'-azobis(2,4,4-trimethylpentane), 2,2'-azobis(2-methylpropane), etc., and one or more of these can be used.
上記有機過酸化物としては、2,2-ビス(4,4-ジ-t-ブチルパーオキシシクロヘキシル)プロパン(日油社製、商品名「パーテトラA」)、1,1-ジ(t-ヘキシルパーオキシ)シクロヘキサン(同「パーヘキサHC」)、1,1-ジ(t-ブチルパーオキシ)シクロヘキサン(同「パーヘキサC」)、n-ブチル-4,4-ジ(t-ブチルパーオキシ)バレレート(同「パーヘキサV」)、2,2-ジ(t-ブチルパーオキシ)ブタン(同「パーヘキサ22」)、t-ブチルハイドロパーオキサイド(同「パーブチルH」)、クメンハイドロパーオキサイド(日油社製、商品名「パークミルH」)、1,1,3,3-テトラメチルブチルハイドロパーオキサイド(同「パーオクタH」)、t-ブチルクミルパーオキサイド(同「パーブチルC」)、ジ-t-ブチルパーオキサイド(同「パーブチルD」)、ジ-t-ヘキシルパーオキサイド(同「パーヘキシルD」)、ジ(3,5,5-トリメチルヘキサノイル)パーオキサイド(同「パーロイル355」)、ジラウロイルパーオキサイド(同「パーロイルL」)、ビス(4-t-ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネート(同「パーロイルTCP」)、ジ-2-エチルヘキシルパーオキシジカーボネート(同「パーロイルOPP」)、ジ-sec-ブチルパーオキシジカーボネート(同「パーロイルSBP」)、クミルパーオキシネオデカノエート(同「パークミルND」)、1,1,3,3-テトラメチルブチルパーオキシネオデカノエート(同「パーオクタND」)、t-ヘキシルパーオキシネオデカノエート(同「パーヘキシルND」)、t-ブチルパーオキシネオデカノエート(同「パーブチルND」)、t-ブチルパーオキシネオヘプタノエート(同「パーブチルNHP」)、t-ヘキシルパーオキシピバレート(同「パーヘキシルPV」)、t-ブチルパーオキシピバレート(同「パーブチルPV」)、2,5-ジメチル-2,5-ジ(2-エチルヘキサノイル)ヘキサン(同「パーヘキサ250」)、1,1,3,3-テトラメチルブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート(同「パーオクタO」)、t-ヘキシルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート(同「パーヘキシルO」)、t-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート(同「パーブチルO」)、t-ブチルパーオキシラウレート(同「パーブチルL」)、t-ブチルパーオキシ-3,5,5-トリメチルヘキサノエート(同「パーブチル355」)、t-ヘキシルパーオキシイソプロピルモノカーボネート(同「パーヘキシルI」)、t-ブチルパーオキシイソプロピルモノカーボネート(同「パーブチルI」)、t-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキシルモノカーボネート(同「パーブチルE」)、t-ブチルパーオキシアセテート(同「パーブチルA」)、t-ヘキシルパーオキシベンゾエート(同「パーヘキシルZ」)及びt-ブチルパーオキシベンゾエート(同「パーブチルZ」)等が挙げられ、これらの内の1種又は2種以上を用いることができる。 The above organic peroxides include 2,2-bis(4,4-di-t-butylperoxycyclohexyl)propane (manufactured by NOF Corporation, trade name "Pertetra A"), 1,1-di(t-hexylperoxy)cyclohexane (manufactured by NOF Corporation, trade name "Perhexa HC"), 1,1-di(t-butylperoxy)cyclohexane (manufactured by NOF Corporation, trade name "Perhexa C"), n-butyl-4,4-di(t-butylperoxy)valerate (manufactured by NOF Corporation, trade name "Perhexa V"), 2,2-di(t-butylperoxy)butane (manufactured by NOF Corporation, trade name "Perhexa 22"), t-butyl hydroperoxide (manufactured by NOF Corporation, trade name "Percumyl H"), 1,1,3,3-tetramethylbutyl hydroperoxide (manufactured by NOF Corporation, trade name "Perocta H"), t- Butylcumyl peroxide (Perbutyl C), di-t-butyl peroxide (Perbutyl D), di-t-hexyl peroxide (Perhexyl D), di(3,5,5-trimethylhexanoyl) peroxide (Perloyl 355), dilauroyl peroxide (Perloyl L), bis(4-t-butylcyclohexyl) peroxydicarbonate (Perloyl TCP), di-2-ethylhexyl peroxydicarbonate (Perloyl OPP), di-sec-butyl peroxydicarbonate (Perloyl SBP), cumyl peroxyneodecanoate (Percumyl ND), 1,1,3,3-tetramethylbutylperoxyneodecanoate peroxyneodecanoate (Perocta ND), t-hexyl peroxyneodecanoate (Perhexyl ND), t-butyl peroxyneodecanoate (Perbutyl ND), t-butyl peroxyneoheptanoate (Perbutyl NHP), t-hexyl peroxypivalate (Perhexyl PV), t-butyl peroxypivalate (Perbutyl PV), 2,5-dimethyl-2,5-di(2-ethylhexanoyl)hexane (Perhexa 250), 1,1,3,3-tetramethylbutylperoxy-2-ethylhexanoate (Perocta O), t-hexylperoxy-2-ethylhexanoate (Perhexyl O), t-butylperoxy-2-ethylhexanoate peroxyisopropyl tert-butyl ether ("Perbutyl O"), t-butyl peroxylaurate ("Perbutyl L"), t-butylperoxy-3,5,5-trimethylhexanoate ("Perbutyl 355"), t-hexylperoxyisopropyl monocarbonate ("Perhexyl I"), t-butylperoxyisopropyl monocarbonate ("Perbutyl I"), t-butylperoxy-2-ethylhexyl monocarbonate ("Perbutyl E"), t-butyl peroxyacetate ("Perbutyl A"), t-hexylperoxybenzoate ("Perhexyl Z"), and t-butylperoxybenzoate ("Perbutyl Z"), and one or more of these can be used.
上記無機過酸化物としては、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸アンモニウム等が挙げられる。また、レドックス開始の場合、亜硫酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、ナトリウムホルムアルデヒドスルホキシレート、アスコルビン酸、亜硫酸ガス(SO2)、硫酸第一鉄等を還元剤として用いることができる。 Examples of the inorganic peroxide include potassium persulfate, sodium persulfate, ammonium persulfate, etc. In the case of redox initiation, sodium sulfite, sodium thiosulfate, sodium formaldehyde sulfoxylate, ascorbic acid, sulfurous acid gas (SO 2 ), ferrous sulfate, etc. can be used as a reducing agent.
重合開始剤の好ましい使用量は、用いる単量体成分の総量を100質量部としたときに、例えば、0.001~2質量部であり、また例えば、0.005~1質量部であり、また例えば、0.01~0.1質量部である。重合開始剤の使用量が0.001質量部以上であれば重合反応を安定的に行うことができ、2質量部以下であれば一次鎖長の長い重合体を得やすい。 A preferred amount of polymerization initiator used is, for example, 0.001 to 2 parts by mass, or for example, 0.005 to 1 part by mass, or for example, 0.01 to 0.1 parts by mass, based on 100 parts by mass of the total amount of the monomer components used. If the amount of polymerization initiator used is 0.001 part by mass or more, the polymerization reaction can be carried out stably, and if it is 2 parts by mass or less, it is easier to obtain a polymer with a long primary chain length.
重合温度は、使用する単量体の種類及び濃度等の条件にもよるが、0~100℃が好ましく、20~80℃がより好ましい。重合温度は一定であってもよいし、重合反応の期間において変化するものであってもよい。また、重合時間は1分間~20時間が好ましく、1時間~10時間がより好ましい。The polymerization temperature varies depending on conditions such as the type and concentration of the monomers used, but is preferably 0 to 100°C, more preferably 20 to 80°C. The polymerization temperature may be constant or may vary over the course of the polymerization reaction. The polymerization time is preferably 1 minute to 20 hours, more preferably 1 to 10 hours.
重合工程を経て得られた架橋重合体分散液は、乾燥工程において減圧及び/又は加熱処理等を行い溶媒留去することにより、目的とする架橋重合体を粉末状態で得ることができる。この際、上記乾燥工程の前に、未反応単量体(及びその塩)、開始剤由来の不純物等を除去する目的で、重合工程に引き続き、遠心分離及び濾過等の固液分離工程、水、メタノール又は重合溶媒と同一の溶媒等を用いた洗浄工程を備えることが好ましい。上記洗浄工程を備えた場合、架橋重合体が二次凝集した場合であっても使用時に解れやすく、さらに残存する未反応単量体が除去されることにより密着性や電池特性の点でも良好な性能を示す。The crosslinked polymer dispersion obtained through the polymerization process can be dried under reduced pressure and/or heat to remove the solvent, yielding the desired crosslinked polymer in powder form. In this case, it is preferable to include a solid-liquid separation process such as centrifugation and filtration, and a washing process using water, methanol, or the same solvent as the polymerization solvent, following the drying process, in order to remove unreacted monomer (and its salt), impurities derived from the initiator, etc. If the washing process is included, the crosslinked polymer will easily disintegrate during use, even if it undergoes secondary aggregation. Furthermore, the removal of remaining unreacted monomer results in favorable performance in terms of adhesion and battery characteristics.
本製造方法では、塩基化合物存在下にエチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体組成物の重合反応を行うが、重合工程により得られた重合体分散液にアルカリ化合物を添加して重合体を中和(以下、「工程中和」ともいう)した後、乾燥工程で溶媒を除去してもよい。また、上記工程中和の処理を行わずに架橋重合体の粉末を得た後、電極スラリーを調製する際にアルカリ化合物を添加して、重合体を中和(以下、「後中和」ともいう)してもよい。上記の内、工程中和の方が、二次凝集体が解れやすい傾向にあり好ましい。In this manufacturing method, a polymerization reaction of a monomer composition containing an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer is carried out in the presence of a basic compound. Alternatively, an alkali compound may be added to the polymer dispersion obtained in the polymerization process to neutralize the polymer (hereinafter also referred to as "process neutralization"), and then the solvent may be removed in a drying process. Alternatively, a crosslinked polymer powder may be obtained without the process neutralization, and then an alkali compound may be added when preparing the electrode slurry to neutralize the polymer (hereinafter also referred to as "post-neutralization"). Of the above methods, process neutralization is preferred because it tends to break up secondary aggregates more easily.
<二次電池電極合剤層用組成物>
本明細書に開示される二次電池電極合剤層用組成物は、上記架橋重合体又はその塩を含有するバインダー、活物質及び水を含む。本明細書に開示される電極合剤層用組成物における架橋重合体又はその塩の使用量は、活物質の全量100質量部に対して、例えば、0.1質量部以上20質量部以下である。上記使用量は、また例えば、0.2質量部以上10質量部以下であり、また例えば0.3質量部以上8質量部以下であり、また例えば0.4質量部以上5質量部以下である。架橋重合体及びその塩の使用量が0.1質量部未満の場合、十分な密着性が得られないことがある。また、活物質等の分散安定性が不十分となり、形成される合剤層の均一性が低下する場合がある。一方、架橋重合体及びその塩の使用量が20質量部を超える場合、電極合剤層用組成物が高粘度となり集電体への塗工性が低下することがある。その結果、得られた合剤層にブツや凹凸が生じて電極特性に悪影響を及ぼす虞がある。
<Composition for secondary battery electrode mixture layer>
The composition for a secondary battery electrode mixture layer disclosed herein includes a binder containing the crosslinked polymer or a salt thereof, an active material, and water. The amount of the crosslinked polymer or salt thereof used in the composition for an electrode mixture layer disclosed herein is, for example, 0.1 parts by mass or more and 20 parts by mass or less, relative to 100 parts by mass of the total amount of active material. The amount used may also be, for example, 0.2 parts by mass or more and 10 parts by mass or less, such as 0.3 parts by mass or more and 8 parts by mass or less, or 0.4 parts by mass or more and 5 parts by mass or less. If the amount of the crosslinked polymer and its salt used is less than 0.1 parts by mass, sufficient adhesion may not be obtained. Furthermore, the dispersion stability of the active material may be insufficient, resulting in reduced uniformity of the mixture layer formed. On the other hand, if the amount of the crosslinked polymer and its salt used exceeds 20 parts by mass, the viscosity of the composition for an electrode mixture layer may increase, reducing its coatability on the current collector. As a result, bumps and irregularities may occur in the resulting mixture layer, adversely affecting electrode characteristics.
架橋重合体及びその塩の使用量が上記範囲内であれば、分散安定性に優れた組成物が得られるとともに、集電体への密着性が極めて高い合剤層を得ることができ、結果として電池の耐久性が向上する。さらに、上記架橋重合体及びその塩は、活物質に対して少量(例えば5質量%以下)でも十分高い密着性を示し、かつ、カルボキシアニオンを有することから、界面抵抗が小さく、ハイレート特性に優れた電極が得られる。 When the amount of crosslinked polymer and its salt used is within the above range, a composition with excellent dispersion stability can be obtained, and a mixture layer with extremely high adhesion to the current collector can be obtained, resulting in improved battery durability. Furthermore, the crosslinked polymer and its salt exhibit sufficiently high adhesion to the active material even in small amounts (e.g., 5% by mass or less), and because they contain carboxy anions, they can produce electrodes with low interfacial resistance and excellent high-rate performance.
上記活物質の内、正極活物質としては遷移金属酸化物のリチウム塩を用いることができ、例えば、層状岩塩型及びスピネル型のリチウム含有金属酸化物を使用することができる。層状岩塩型の正極活物質の具体的な化合物としては、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、並びに、三元系と呼ばれるNCM{Li(Nix,Coy,Mnz)、x+y+z=1}及びNCA{Li(Ni1-a-bCoaAlb)}等が挙げられる。また、スピネル型の正極活物質としてはマンガン酸リチウム等が挙げられる。酸化物以外にもリン酸塩、ケイ酸塩及び硫黄等が使用され、リン酸塩としては、オリビン型のリン酸鉄リチウム等が挙げられる。正極活物質としては、上記のうちの1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて混合物又は複合物として使用してもよい。 Among the above active materials, lithium salts of transition metal oxides can be used as the positive electrode active material. For example, layered rock salt and spinel-type lithium-containing metal oxides can be used. Specific examples of layered rock salt-type positive electrode active materials include lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, and ternary compounds called NCM {Li(Ni x , Co y , Mn z ), x + y + z = 1} and NCA {Li(Ni 1-a-b Co a Al b )}. Examples of spinel-type positive electrode active materials include lithium manganate. In addition to oxides, phosphates, silicates, sulfur, and the like can also be used. Examples of phosphates include olivine-type lithium iron phosphate. As the positive electrode active material, one of the above may be used alone, or two or more may be combined to form a mixture or composite.
尚、層状岩塩型のリチウム含有金属酸化物を含む正極活物質を水に分散させた場合、活物質表面のリチウムイオンと水中の水素イオンとが交換されることにより、分散液がアルカリ性を示す。このため、一般的な正極用集電体材料であるアルミ箔(Al)等が腐食される虞がある。このような場合には、バインダーとして未中和又は部分中和された架橋重合体を用いることにより、活物質から溶出するアルカリ分を中和することが好ましい。また、未中和又は部分中和された架橋重合体の使用量は、架橋重合体の中和されていないカルボキシル基量が活物質から溶出するアルカリ量に対して当量以上となるように用いることが好ましい。When a positive electrode active material containing a layered rock salt-type lithium-containing metal oxide is dispersed in water, the lithium ions on the active material surface are exchanged with hydrogen ions in the water, causing the dispersion to become alkaline. This can lead to corrosion of aluminum foil (Al), a common positive electrode current collector material. In such cases, it is preferable to neutralize the alkali leaching from the active material by using an unneutralized or partially neutralized crosslinked polymer as a binder. Furthermore, it is preferable to use an amount of unneutralized or partially neutralized crosslinked polymer such that the amount of unneutralized carboxyl groups in the crosslinked polymer is equivalent to or greater than the amount of alkali leaching from the active material.
正極活物質はいずれも電気伝導性が低いため、導電助剤を添加して使用されるのが一般的である。導電助剤としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー、黒鉛微粉、炭素繊維等の炭素系材料が挙げられ、これらの内、優れた導電性を得やすい点からカーボンブラック、カーボンナノチューブ及びカーボンファイバー、が好ましい。また、カーボンブラックとしては、ケッチェンブラック及びアセチレンブラックが好ましい。導電助剤は、上記の1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。導電助剤の使用量は、導電性とエネルギー密度を両立するという観点から活物質の全量100質量部に対して、例えば、0.2~20質量部とすることができ、また例えば、0.2~10質量部とすることができる。また正極活物質は導電性を有する炭素系材料で表面コーティングしたものを使用してもよい。Because all positive electrode active materials have low electrical conductivity, they are generally used with the addition of a conductive additive. Examples of conductive additives include carbon-based materials such as carbon black, carbon nanotubes, carbon fiber, graphite powder, and carbon fiber. Of these, carbon black, carbon nanotubes, and carbon fiber are preferred because they are more likely to provide excellent conductivity. Furthermore, ketjen black and acetylene black are preferred as carbon black. The conductive additives may be used alone or in combination with two or more of the above. The amount of conductive additive used may be, for example, 0.2 to 20 parts by weight, or, for example, 0.2 to 10 parts by weight, per 100 parts by weight of the total active material, from the perspective of achieving both electrical conductivity and energy density. Furthermore, the positive electrode active material may be surface-coated with a conductive carbon-based material.
一方、負極活物質としては、例えば炭素系材料、リチウム金属、リチウム合金及び金属酸化物等が挙げられ、これらの内の1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの内でも、天然黒鉛、人造黒鉛、ハードカーボン及びソフトカーボン等の炭素系材料からなる活物質(以下、「炭素系活物質」ともいう)が好ましく、天然黒鉛及び人造黒鉛等の黒鉛、並びにハードカーボンがより好ましい。また、黒鉛の場合、電池性能の面から球形化黒鉛が好適に用いられ、その粒子サイズの好ましい範囲は、例えば、1~20μmであり、また例えば、5~15μmである。また、エネルギー密度を高くするために、ケイ素やスズなどのリチウムを吸蔵できる金属又は金属酸化物等を負極活物質として使用することもできる。その中でも、ケイ素は黒鉛に比べて高容量であり、ケイ素、ケイ素合金及び一酸化ケイ素(SiO)等のケイ素酸化物のようなケイ素系材料からなる活物質(以下、「ケイ素系活物質」ともいう)を用いることができる。しかし、上記ケイ素系活物質は高容量である反面充放電に伴う体積変化が大きい。このため、上記炭素系活物質と併用するのが好ましい。この場合、ケイ素活物質の使用量は、炭素系活物質及びケイ素系活物質の総量に対し、好ましくは2~80質量%である。ケイ素系活物質の使用量は、5~70質量%であってもよく、8~60質量%であってもよく、10~50質量%であってもよい。 On the other hand, examples of negative electrode active materials include carbon-based materials, lithium metal, lithium alloys, and metal oxides, and these can be used alone or in combination. Among these, active materials made from carbon-based materials such as natural graphite, artificial graphite, hard carbon, and soft carbon (hereinafter also referred to as "carbon-based active materials") are preferred, with graphite such as natural graphite and artificial graphite, and hard carbon being more preferred. In the case of graphite, spherical graphite is preferably used from the perspective of battery performance, and its particle size preferably ranges from 1 to 20 μm, for example, and from 5 to 15 μm. Furthermore, to increase energy density, metals or metal oxides capable of absorbing lithium, such as silicon and tin, can also be used as negative electrode active materials. Among these, silicon has a higher capacity than graphite, and active materials made from silicon-based materials such as silicon, silicon alloys, and silicon oxides such as silicon monoxide (SiO) (hereinafter also referred to as "silicon-based active materials") can be used. However, while the silicon-based active material has a high capacity, it undergoes a large volume change during charging and discharging. For this reason, it is preferable to use it in combination with the carbon-based active material. In this case, the amount of silicon active material used is preferably 2 to 80% by mass based on the total amount of the carbon-based active material and the silicon-based active material. The amount of silicon-based active material used may be 5 to 70% by mass, 8 to 60% by mass, or 10 to 50% by mass.
本明細書に開示される架橋重合体を含むバインダーは、当該架橋重合体がエチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する構造単位((a)成分)を有する。ここで、(a)成分はケイ素系活物質に対する親和性が高く、良好な密着性を示す。このため、本明細書に開示されるバインダーはケイ素系活物質を含む高容量タイプの活物質を用いた場合にも優れた密着性を示すことから、得られる電極の耐久性向上に対しても有効であるものと考えられる。 The binder containing the crosslinked polymer disclosed herein has structural units (component (a)) derived from an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer. Component (a) has high affinity for silicon-based active materials and exhibits good adhesion. Therefore, the binder disclosed herein exhibits excellent adhesion even when used with high-capacity active materials containing silicon-based active materials, and is therefore believed to be effective in improving the durability of the resulting electrodes.
また、本明細書に開示される橋重合体は、水酸基を有する特定の単量体に由来する構造単位((b)成分)を有する。架橋重合体が(b)成分を有する場合、電極合剤層用組成物の塗工性を向上させることができる。かかる効果が得られる理由は明確ではないが、架橋重合体が当該重合体の側鎖に比較的フレキシブルな水酸基を有するため、重合体中のカルボキシル基と相互作用する結果、水中における架橋重合体の膨らみが抑制されたことによるものと推察している。ただし、上記推察は、本明細書の開示範囲を制限するものではない。 The bridge polymer disclosed herein also has a structural unit (component (b)) derived from a specific monomer having a hydroxyl group. When the crosslinked polymer contains component (b), the coatability of the electrode mixture layer composition can be improved. While the reason for this effect is unclear, it is believed that the crosslinked polymer has relatively flexible hydroxyl groups on its side chains, which interact with the carboxyl groups in the polymer, thereby suppressing swelling of the crosslinked polymer in water. However, this assumption does not limit the scope of the disclosure herein.
炭素系活物質は、それ自身が良好な電気伝導性を有するため、必ずしも導電助剤を添加する必要はない。抵抗をより低減する等の目的で導電助剤を添加する場合、エネルギー密度の観点からその使用量は活物質の総量に対して、例えば、10質量%以下であり、また例えば、5質量%以下である。 Since carbon-based active materials themselves have good electrical conductivity, it is not necessary to add a conductive additive. If a conductive additive is added for purposes such as further reducing resistance, the amount used is, from the standpoint of energy density, for example, 10% by mass or less, or, for example, 5% by mass or less, of the total amount of active material.
二次電池電極合剤層用組成物がスラリー状態の場合、活物質の使用量は、組成物全量に対して、例えば、10~75質量%の範囲である。活物質の使用量が10質量%以上であればバインダー等のマイグレーションが抑えられる。また、媒体の乾燥コストの面でも有利となることから、活物質の使用量は、好ましくは30質量%以上であり、より好ましくは40質量%以上であり、さらに好ましくは50質量%以上である。一方、75質量%以下であれば組成物の流動性及び塗工性を確保することができ、均一な合剤層を形成することができる。 When the composition for a secondary battery electrode mixture layer is in a slurry state, the amount of active material used is, for example, in the range of 10 to 75% by mass, based on the total amount of the composition. If the amount of active material used is 10% by mass or more, migration of binders and the like is suppressed. Furthermore, since this is advantageous in terms of drying costs for the medium, the amount of active material used is preferably 30% by mass or more, more preferably 40% by mass or more, and even more preferably 50% by mass or more. On the other hand, if it is 75% by mass or less, the fluidity and coatability of the composition can be ensured, and a uniform mixture layer can be formed.
二次電池電極合剤層用組成物は、媒体として水を使用する。また、組成物の性状及び乾燥性等を調整する目的で、メタノール及びエタノール等の低級アルコール類、エチレンカーボネート等のカーボネート類、アセトン等のケトン類、テトラヒドロフラン、N-メチルピロリドン等の水溶性有機溶剤との混合溶媒としてもよい。混合媒体中の水の割合は、例えば、50質量%以上であり、また例えば、70質量%以上である。 The composition for secondary battery electrode mixture layers uses water as a medium. Furthermore, to adjust the properties and drying properties of the composition, the composition may be mixed with lower alcohols such as methanol and ethanol, carbonates such as ethylene carbonate, ketones such as acetone, or water-soluble organic solvents such as tetrahydrofuran and N-methylpyrrolidone. The proportion of water in the mixed medium is, for example, 50% by mass or more, or, for example, 70% by mass or more.
電極合剤層用組成物を塗工可能なスラリー状態とする場合、組成物全体に占める水を含む媒体の含有量は、スラリーの塗工性、および乾燥に必要なエネルギーコスト、生産性の観点から、例えば、25~90質量%の範囲とすることができ、また例えば、35~70質量%とすることができる。 When the electrode mixture layer composition is prepared as a coatable slurry, the content of the water-containing medium in the entire composition can be, for example, in the range of 25 to 90% by mass, or, for example, 35 to 70% by mass, from the viewpoints of the coatability of the slurry, the energy cost required for drying, and productivity.
本明細書に開示されるのバインダーは、上記架橋重合体又はその塩のみからなるものであってもよいが、これ以外にもスチレン/ブタジエン系ラテックス(SBR)、アクリル系ラテックス及びポリフッ化ビニリデン系ラテックス等の他のバインダー成分を併用してもよい。他のバインダー成分を併用する場合、その使用量は、活物質に対して、例えば、0.1~5質量%以下とすることができ、また例えば、0.1~2質量%以下とすることができ、また例えば、0.1~1質量%以下とすることができる。他のバインダー成分の使用量が5質量%を超えると抵抗が増大し、ハイレート特性が不十分なものとなる場合がある。上記の中でも、密着性及び耐屈曲性のバランスに優れる点で、スチレン/ブタジエン系ラテックスが好ましい。The binder disclosed herein may consist solely of the crosslinked polymer or its salt, but may also contain other binder components, such as styrene/butadiene latex (SBR), acrylic latex, and polyvinylidene fluoride latex. When other binder components are used, the amount used may be, for example, 0.1 to 5% by mass or less, or, for example, 0.1 to 2% by mass or less, or, for example, 0.1 to 1% by mass or less, relative to the active material. If the amount of other binder components used exceeds 5% by mass, resistance may increase, resulting in insufficient high-rate performance. Among the above, styrene/butadiene latex is preferred due to its excellent balance of adhesion and flex resistance.
上記スチレン/ブタジエン系ラテックスとは、スチレン等の芳香族ビニル単量体に由来する構造単位及び1,3-ブタジエン等の脂肪族共役ジエン系単量体に由来する構造単位を有する共重合体の水系分散体を示す。上記芳香族ビニル単量体としては、スチレンの他にα-メチルスチレン、ビニルトルエン、ジビニルベンゼン等が挙げられ、これらの内の1種又は2種以上を用いることができる。上記共重合体中における上記芳香族ビニル単量体に由来する構造単位は、主に密着性の観点から、例えば、20~60質量%の範囲とすることができ、また例えば、30~50質量%の範囲とすることができる。 The styrene/butadiene latex refers to an aqueous dispersion of a copolymer having structural units derived from an aromatic vinyl monomer such as styrene and structural units derived from an aliphatic conjugated diene monomer such as 1,3-butadiene. Examples of the aromatic vinyl monomer include styrene, α-methylstyrene, vinyltoluene, and divinylbenzene, and one or more of these can be used. The structural units derived from the aromatic vinyl monomer in the copolymer can be, for example, in the range of 20 to 60% by weight, or, for example, in the range of 30 to 50% by weight, primarily from the standpoint of adhesion.
上記脂肪族共役ジエン系単量体としては、1,3-ブタジエンの他に2-メチル-1,3-ブタジエン、2,3-ジメチル-1,3-ブタジエン、2-クロロ-1,3-ブタジエン等が挙げられ、これらの内の1種又は2種以上を用いることができる。上記共重合体中における上記脂肪族共役ジエン系単量体に由来する構造単位は、バインダーの密着性及び得られる電極の柔軟性が良好なものとなる点で、例えば、30~70質量%の範囲とすることができ、また例えば、40~60質量%の範囲とすることができる。 In addition to 1,3-butadiene, examples of the aliphatic conjugated diene monomer include 2-methyl-1,3-butadiene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, and 2-chloro-1,3-butadiene, and one or more of these can be used. The structural units derived from the aliphatic conjugated diene monomer in the copolymer can be in the range of, for example, 30 to 70% by mass, or, for example, 40 to 60% by mass, in order to improve the adhesion of the binder and the flexibility of the resulting electrode.
スチレン/ブタジエン系ラテックスは、上記の単量体以外にも、密着性等の性能をさらに向上させるために、その他の単量体として(メタ)アクリロニトリル等のニトリル基含有単量体、(メタ)アクリル酸、イタンコン酸、マレイン酸等のカルボキシル基含有単量体を共重合単量体として用いてもよい。上記共重合体中における上記その他の単量体に由来する構造単位は、例えば、0~30質量%の範囲とすることができ、また例えば、0~20質量%の範囲とすることができる。In addition to the above-mentioned monomers, styrene/butadiene latex may also contain other copolymerizable monomers, such as nitrile group-containing monomers such as (meth)acrylonitrile, and carboxyl group-containing monomers such as (meth)acrylic acid, itanconic acid, and maleic acid, to further improve performance such as adhesion. The structural units derived from these other monomers in the copolymer may range, for example, from 0 to 30% by mass, or from 0 to 20% by mass.
本明細書に開示される二次電池電極合剤層用組成物は、上記の活物質、水及びバインダーを必須の構成成分とするものであり、公知の手段を用いて各成分を混合することにより得られる。各成分の混合方法は特段制限されるものではなく、公知の方法を採用することができるが、活物質、導電助剤及びバインダーである架橋重合体粒子等の粉末成分をドライブレンドした後、水等の分散媒と混合し、分散混練する方法が好ましい。電極合剤層用組成物をスラリー状態で得る場合、分散不良や凝集のないスラリーに仕上げることが好ましい。混合手段としては、プラネタリーミキサー、薄膜旋回式ミキサー及び自公転式ミキサー等の公知のミキサーを使用することができるが、短時間で良好な分散状態が得られる点で薄膜旋回式ミキサーを使用して行うことが好ましい。また、薄膜旋回式ミキサーを用いる場合は、予めディスパー等の攪拌機で予備分散を行うことが好ましい。The secondary battery electrode mixture layer composition disclosed herein contains the above-described active material, water, and binder as essential components, and is obtained by mixing the components using known means. The method for mixing the components is not particularly limited, and any known method can be used. However, a preferred method involves dry-blending powder components, such as the active material, conductive additive, and binder crosslinked polymer particles, followed by mixing with a dispersion medium such as water and kneading. When obtaining the electrode mixture layer composition in a slurry state, it is preferable to prepare a slurry that is free of poor dispersion and aggregation. Known mixers, such as planetary mixers, thin-film gyratory mixers, and planetary/revolving mixers, can be used as mixing means. However, a thin-film gyratory mixer is preferred because it achieves a good dispersion state in a short time. When using a thin-film gyratory mixer, it is preferable to pre-disperse the components using a stirrer such as a disperser.
一方、電極合剤層用組成物を湿粉状態で得る場合、ヘンシェルミキサー、ブレンダ―、プラネタリーミキサー及び2軸混練機等を用いて、濃度ムラのない均一な状態まで混練することが好ましい。 On the other hand, when the composition for the electrode mixture layer is obtained in a wet powder state, it is preferable to knead it to a uniform state without uneven concentration using a Henschel mixer, blender, planetary mixer, twin-screw kneader, etc.
<二次電池用電極>
本明細書に開示される二次電池用電極は、銅又はアルミニウム等の集電体表面に上記電極合剤層用組成物から形成される合剤層を備えてなるものである。合剤層は、集電体の表面に本明細書に開示される電極合剤層用組成物を塗工した後、水等の媒体を乾燥除去することにより形成される。電極合剤層用組成物を塗工する方法は特に限定されず、ドクターブレード法、ディップ法、ロールコート法、コンマコート法、カーテンコート法、グラビアコート法及びエクストルージョン法などの公知の方法を採用することができる。また、上記乾燥は、温風吹付け、減圧、(遠)赤外線、マイクロ波照射等の公知の方法により行うことができる。通常、乾燥後に得られた合剤層には、金型プレス及びロールプレス等による圧縮処理が施される。圧縮することにより活物質及びバインダーを密着させ、合剤層の強度及び集電体への密着性を向上させることができる。圧縮により合剤層の厚みを、例えば、圧縮前の30~80%程度に調整することができ、圧縮後の合剤層の厚みは4~200μm程度が一般的である。
<Electrode for secondary batteries>
The secondary battery electrode disclosed herein comprises a mixture layer formed from the electrode mixture layer composition on the surface of a current collector such as copper or aluminum. The mixture layer is formed by applying the electrode mixture layer composition disclosed herein to the surface of the current collector and then drying to remove the medium, such as water. The method for applying the electrode mixture layer composition is not particularly limited, and known methods such as doctor blade coating, dipping, roll coating, comma coating, curtain coating, gravure coating, and extrusion can be used. The drying can be performed by known methods such as hot air blowing, reduced pressure, (far) infrared radiation, and microwave irradiation. The mixture layer obtained after drying is usually subjected to a compression treatment using a mold press or roll press. Compression brings the active material and binder into close contact, improving the strength of the mixture layer and its adhesion to the current collector. The thickness of the mixture layer can be adjusted by compression to, for example, approximately 30 to 80% of the thickness before compression, and the thickness of the mixture layer after compression is typically approximately 4 to 200 μm.
本明細書に開示される二次電池用電極にセパレータ及び有機溶媒を用いた電解液を備えることにより、二次電池を作製することができる。電解液は液状であってもよく、ゲル状であってもよい。セパレータは電池の正極及び負極間に配され、両極の接触による短絡の防止や電解液を保持してイオン導電性を確保する役割を担う。セパレータにはフィルム状の絶縁性微多孔膜であって、良好なイオン透過性及び機械的強度を有するものが好ましい。具体的な素材としては、ポリエチレン及びポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン等を使用することができる。A secondary battery can be fabricated by combining the secondary battery electrodes disclosed herein with a separator and an electrolyte solution using an organic solvent. The electrolyte solution may be liquid or gel-like. The separator is disposed between the positive and negative electrodes of the battery and serves to prevent short circuits due to contact between the electrodes and to retain the electrolyte solution to ensure ionic conductivity. The separator is preferably a film-like insulating microporous membrane with good ion permeability and mechanical strength. Specific materials that can be used include polyolefins such as polyethylene and polypropylene, and polytetrafluoroethylene.
電解液は、活物質の種類に応じて一般的に使用される公知のものを用いることができる。リチウムイオン二次電池では、具体的な溶媒として、プロピレンカーボネート及びエチレンカーボネート等の高誘電率で電解質の溶解能力の高い環状カーボネート、並びに、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート及びジエチルカーボネート等の粘性の低い鎖状カーボネート等が挙げられ、これらを単独で又は混合溶媒として使用することができる。電解液は、これらの溶媒にLiPF6、LiSbF6、LiBF4、LiClO4、LiAlO4等のリチウム塩を溶解して使用される。ニッケル水素二次電池では、電解液として水酸化カリウム水溶液を使用することができる。二次電池は、セパレータで仕切られた正極極板及び負極極板を渦巻き状又は積層構造にしてケース等に収納することにより得られる。 The electrolyte may be a commonly used known solvent depending on the type of active material. For lithium-ion secondary batteries, specific solvents include cyclic carbonates with high dielectric constants and high electrolyte dissolving capabilities, such as propylene carbonate and ethylene carbonate, and chain carbonates with low viscosity, such as ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate. These solvents can be used alone or as a mixed solvent. The electrolyte is prepared by dissolving lithium salts, such as LiPF 6 , LiSbF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , and LiAlO 4 , in these solvents. For nickel-metal hydride secondary batteries, an aqueous potassium hydroxide solution can be used. A secondary battery can be obtained by spirally or stacking positive and negative electrode plates separated by a separator and encasing them in a case or the like.
以上説明したように、本明細書に開示される二次電池電極用バインダーは、合剤層において電極材料との優れた密着性を示す。電極材料との優れた密着性を示す。このため、上記バインダーを使用して得られた電極を備えた二次電池は、良好な一体性を確保でき、充放電を繰り返しても良好な耐久性(サイクル特性)を示すと予想され、車載用二次電池等に好適である。また、シリコンを含む活物質の使用にも有用であり、電池の高容量化への寄与が期待される。さらに、活物質濃度が高い条件下であっても、電極合剤層用組成物(電極スラリー)の塗工性を向上することができる。よって、合剤層形成時の乾燥エネルギー低減、生産性向上の点で有利である。したがって、本明細書に開示される二次電池電極用バインダーは、特に非水電解質二次電池電極に好適に用いることができ、中でも、エネルギー密度が高い非水電解質リチウムイオン二次電池に有用である。As described above, the binder for secondary battery electrodes disclosed herein exhibits excellent adhesion to electrode materials in the mixture layer. Therefore, secondary batteries equipped with electrodes obtained using the binder are expected to ensure good integrity and exhibit good durability (cycling characteristics) even after repeated charge/discharge cycles, making them suitable for automotive secondary batteries, etc. The binder is also useful for the use of active materials containing silicon, which is expected to contribute to increasing the capacity of batteries. Furthermore, it can improve the coatability of the electrode mixture layer composition (electrode slurry) even under conditions with high active material concentrations. This is advantageous in terms of reducing the drying energy required during mixture layer formation and improving productivity. Therefore, the binder for secondary battery electrodes disclosed herein is particularly suitable for use in non-aqueous electrolyte secondary battery electrodes, and is particularly useful for non-aqueous electrolyte lithium-ion secondary batteries with high energy density.
以下、実施例に基づいて本明細書の開示を具体的に説明する。尚、本明細書の開示は、これらの実施例により限定されるものではない。尚、以下において「部」及び「%」は、特に断らない限り質量部及び質量%を意味する。以下の例において、架橋重合体(塩)についての評価は、以下の方法により実施した。 The disclosure of this specification will be explained in more detail below based on examples. However, the disclosure of this specification is not limited to these examples. In the following, "parts" and "%" mean parts by mass and % by mass unless otherwise specified. In the following examples, the crosslinked polymer (salt) was evaluated using the following method.
(1)水媒体中での粒子径(水膨潤粒子径)の測定
架橋重合体塩の粉末0.25g、及びイオン交換水49.75gを100ccの容器に量りとり、自転/公転式攪拌機(シンキー社製、あわとり錬太郎AR-250)にセットした。次いで、撹拌(自転速度2000rpm/公転速度800rpm、7分)、さらに脱泡(自転速度2200rpm/公転速度60rpm、1分)処理を行い架橋重合体塩が水に膨潤した状態のハイドロゲルを作製した。
(1) Measurement of particle size in aqueous medium (water-swollen particle size) 0.25 g of crosslinked polymer salt powder and 49.75 g of ion-exchanged water were weighed into a 100 cc container and placed in a rotation/revolution mixer (Thinky Corporation, Awatori Rentaro AR-250). Next, the mixture was stirred (rotation speed 2000 rpm/revolution speed 800 rpm, 7 minutes) and further degassed (rotation speed 2200 rpm/revolution speed 60 rpm, 1 minute) to produce a hydrogel in which the crosslinked polymer salt was swollen in water.
次に、イオン交換水を分散媒とするレーザー回折/散乱式粒度分布計(マイクロトラックベル社製、マイクロトラックMT-3300EXII)にて上記ハイドロゲルの粒度分布測定を行った。ハイドロゲルに対し、過剰量の分散媒を循環しているところに、適切な散乱光強度が得られる量のハイドロゲルを投入したところ、数分後に、測定される粒度分布形状が安定した。安定を確認次第、粒度分布測定を行い、粒子径の代表値としての体積基準メジアン径(D50)、及び、(体積基準平均粒子径)/(個数基準平均粒子径)で表される粒子径分布を得た。Next, the particle size distribution of the above hydrogel was measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer (Microtrac MT-3300EXII, manufactured by Microtrac Bell) using ion-exchanged water as the dispersant. An excess amount of dispersant was circulated relative to the hydrogel, and an amount of hydrogel sufficient to obtain an appropriate scattered light intensity was added. After a few minutes, the measured particle size distribution shape stabilized. Once stability was confirmed, particle size distribution measurement was performed to obtain the volume-based median diameter (D50) as a representative value of particle size, and the particle size distribution expressed as (volume-based average particle diameter) / (number-based average particle diameter).
(2)pH8における水膨潤度
pH8における水膨潤度は、以下の方法によって測定した。測定装置を図1に示す。測定装置は図1における<1>~<3>から構成される。
<1> 空気抜きするための枝管が付いたビュレット1、ピンチコック2、シリコンチューブ3およびポリテトラフルオロエチレンチューブ4から成る。
<2> ロート5の上に底面に多数の穴が空いた支柱円筒8、さらにその上に装置用濾紙10が設置されている。
<3> 架橋重合体又はその塩の試料6(測定試料)は2枚の試料固定用濾紙7に挟まれ、試料固定用濾紙は粘着テープ9によって固定される。なお、使用する濾紙は全てADVANTEC No.2、内径55mmである。
<1>と<2>とはシリコンチューブ3によって繋がれる。
また、ロート5および支柱円筒8は、ビュレット1に対する高さが固定されており、ビュレット枝管の内部に設置されたポリテトラフルオロエチレンチューブ4の下端と支柱円筒8の底面とが同じ高さになる様に設定されている(図1中の点線)。
(2) Water Swelling Degree at pH 8 The water swelling degree at pH 8 was measured by the following method. The measuring apparatus is shown in Figure 1. The measuring apparatus is composed of <1> to <3> in Figure 1.
<1> Consists of a burette 1 with a branch pipe for venting air, a pinch cock 2, a silicone tube 3, and a polytetrafluoroethylene tube 4.
<2> A support cylinder 8 with many holes on the bottom is placed on top of the funnel 5, and filter paper 10 for the device is placed on top of that.
<3> A sample 6 (measurement sample) of a crosslinked polymer or a salt thereof is sandwiched between two sheets of sample-fixing filter paper 7, and the sample-fixing filter paper is fixed with adhesive tape 9. All of the filter papers used are ADVANTEC No. 2, with an inner diameter of 55 mm.
<1> and <2> are connected by a silicon tube 3.
The funnel 5 and the cylindrical support 8 are fixed in height relative to the burette 1, and are set so that the lower end of the polytetrafluoroethylene tube 4 installed inside the burette branch pipe is at the same height as the bottom surface of the cylindrical support 8 (dotted line in Figure 1).
測定方法について以下に説明する。以下の操作は、特に断りのない限り、25℃で実施した。<1>にあるピンチコック2を外し、ビュレット1の上部からシリコンチューブ3を通してpH8.0に調整されたイオン交換水を入れ、ビュレット1から装置用濾紙10までイオン交換水12で満たされた状態とする。次いで、ピンチコック2を閉じ、ビュレット枝管にゴム栓で接続されたポリテトラフルオロエチレンチューブ4から空気を除去する。こうして、ビュレット1から装置用濾紙10までイオン交換水12が連続的に供給される状態とする。
次に、装置用濾紙10からにじみ出た余分なイオン交換水12を除去した後、ビュレット1の目盛りの読み(a)を記録する。測定試料の乾燥粉末0.1~0.2gを秤量し、<3>にある様に、試料固定用濾紙7の中央部に均一に置く。もう1枚の濾紙でサンプルを挟み、粘着テープ9で2枚の濾紙を留め、サンプルを固定する。サンプルが固定された濾紙を<2>に示される装置用濾紙10上に載置する。次に、装置用濾紙10上に蓋11を載置した時点から、30分間経過した後のビュレット1の目盛りの読み(b)を記録する。測定試料の吸水量と2枚の試料固定用濾紙7の吸水量の合計(c)は(a-b)で求められる。同様の操作により、架橋重合体又はその塩の試料を含まない、2枚の濾紙7のみの吸水量を測定する(d)。
The measurement method is explained below. Unless otherwise specified, the following operations were carried out at 25°C. The pinch cock 2 in <1> was removed, and ion-exchanged water adjusted to pH 8.0 was poured into the top of the burette 1 through the silicone tube 3, until the burette 1 to the filter paper 10 was filled with ion-exchanged water 12. Next, the pinch cock 2 was closed, and air was removed from the polytetrafluoroethylene tube 4 connected to the burette branch pipe with a rubber stopper. In this way, the ion-exchanged water 12 was continuously supplied from the burette 1 to the filter paper 10.
Next, after removing the excess ion-exchanged water 12 that has seeped out of the filter paper 10 for the device, record the reading (a) on the scale of the burette 1. Weigh out 0.1 to 0.2 g of dry powder of the measurement sample and place it evenly in the center of the filter paper 7 for sample fixation, as shown in <3>. The sample is sandwiched between another filter paper, and the two filter papers are secured with adhesive tape 9 to fix the sample. The filter paper with the fixed sample is placed on the filter paper 10 for the device, as shown in <2>. Next, record the reading (b) on the scale of the burette 1 30 minutes after placing the lid 11 on the filter paper 10 for the device. The sum (c) of the water absorption of the measurement sample and the water absorption of the two filter papers 7 for sample fixation is calculated by (a - b). Using the same procedure, measure the water absorption of only the two filter papers 7, without the crosslinked polymer or its salt sample (d).
上記操作を行い、水膨潤度を以下の式より計算した。なお、計算に使用する固形分は、後述する方法により測定した値を使用した。
水膨潤度={測定試料の乾燥質量(g)+(c-d)}/{測定試料の乾燥質量(g)}
ただし、測定試料の乾燥質量(g)=測定試料の質量(g)×(固形分%÷100)
After carrying out the above procedure, the degree of swelling in water was calculated using the following formula: The solid content used in the calculation was a value measured by the method described below.
Water swelling degree={dry mass of measurement sample (g)+(c−d)}/{dry mass of measurement sample (g)}
Here, dry mass (g) of measurement sample = mass (g) of measurement sample × (solid content % ÷ 100)
ここで、固形分の測定方法について以下に記載する。試料約0.5gを、予め重さを測定しておいた秤量瓶[秤量瓶の重さ=B(g)]に採取して、秤量瓶ごと正確に秤量した後[W0(g)]、その試料を秤量瓶ごと無風乾燥機内に収容して155℃で45分間乾燥してその時の重さを秤量瓶ごと測定し[W1(g)]、以下の式により固形分%を求めた。
固形分(%)=(W1-B)/(W0-B)×100
The method for measuring the solid content is as follows: Approximately 0.5 g of a sample was placed in a weighing bottle whose weight had been measured in advance [weight of weighing bottle = B (g)], and the weighing bottle was accurately weighed [W 0 (g)]. The sample and the weighing bottle were then placed in a windless dryer and dried at 155°C for 45 minutes, at which point the weight of the weighing bottle was measured [W 1 (g)], and the solid content (%) was calculated using the following formula:
Solid content (%)=(W 1 -B)/(W 0 -B)×100
≪架橋重合体塩の製造≫
(製造例1:架橋重合体塩R-1の製造)
重合には、攪拌翼、温度計、還流冷却器及び窒素導入管を備えた反応器を用いた。反応器内にアセトニトリル567部、イオン交換水2.20部、アクリル酸(以下、「AA」という。)80.0部、トリメチロールプロパンジアリルエーテル(ダイソー社製、商品名「ネオアリルT-20」)0.5部及び上記AAに対して1.0モル%に相当するトリエチルアミンを仕込んだ。反応器内を十分に窒素置換した後、加温して内温を55℃まで昇温した。内温が55℃で安定したことを確認した後、重合開始剤として2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)(和光純薬工業社製、商品名「V-65」)0.040部を添加したところ、反応液に白濁が認められたため、この点を重合開始点とした。重合開始から2時間後、アクリル酸2-ヒドロキシエチル(以下、「HEA」という)20.0部を一括して途中添加した。なお、単量体濃度は15.0%と算出された。重合開始点から12時間経過した時点で反応液の冷却を開始し、内温が25℃まで低下した後、水酸化リチウム・一水和物(以下、「LiOH・H2O」という)の粉末41.9部を添加した。添加後室温下12時間撹拌を継続して、架橋重合体塩R-1(Li塩、中和度90モル%)の粒子が媒体に分散したスラリー状の重合反応液を得た。重合開始から2時間経過した時点でのAAの反応率は72.4%であり、重合開始から12時間経過した時点のAAおよびHEAの反応率はそれぞれ97.6%、98.0%と算出された。HEAは重合途中に添加しているため、粒子の表層付近にHEAを多く含む重合鎖が局在化した粒子が得られたものと推定された。
<Production of Crosslinked Polymer Salt>
(Production Example 1: Production of Crosslinked Polymer Salt R-1)
A reactor equipped with a stirring blade, thermometer, reflux condenser, and nitrogen inlet tube was used for the polymerization. The reactor was charged with 567 parts of acetonitrile, 2.20 parts of ion-exchanged water, 80.0 parts of acrylic acid (hereinafter referred to as "AA"), 0.5 parts of trimethylolpropane diallyl ether (manufactured by Daiso Co., Ltd., trade name "Neoallyl T-20"), and triethylamine equivalent to 1.0 mol% of the AA. The atmosphere inside the reactor was thoroughly purged with nitrogen, and the internal temperature was raised to 55°C. After confirming that the internal temperature had stabilized at 55°C, 0.040 parts of 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., trade name "V-65") was added as a polymerization initiator. The reaction solution became cloudy, and this point was designated as the polymerization initiation point. Two hours after the initiation of polymerization, 20.0 parts of 2-hydroxyethyl acrylate (hereinafter referred to as "HEA") was added all at once during the polymerization. The monomer concentration was calculated to be 15.0%. Cooling of the reaction solution began 12 hours after the initiation of polymerization, and after the internal temperature had dropped to 25°C, 41.9 parts of lithium hydroxide monohydrate (hereinafter referred to as "LiOH.H 2 O") powder was added. After the addition, stirring was continued for 12 hours at room temperature, yielding a slurry-like polymerization reaction solution in which particles of crosslinked polymer salt R-1 (Li salt, degree of neutralization 90 mol%) were dispersed in the medium. The reaction rate of AA was 72.4% 2 hours after the initiation of polymerization, and the reaction rates of AA and HEA were calculated to be 97.6% and 98.0%, respectively, 12 hours after the initiation of polymerization. Since HEA was added during the polymerization, it was presumed that particles in which polymer chains containing a large amount of HEA were localized near the surface layer of the particles were obtained.
得られた重合反応液は、遠心分離して重合体粒子を沈降させた後、上澄みを除去した。その後、重合反応液と同質量のアセトニトリルに沈降物を再分散させた後、遠心分離により重合体粒子を沈降させて上澄みを除去する洗浄操作を2回繰り返した。沈降物を回収し、減圧条件下、80℃で3時間乾燥処理を行い、揮発分を除去することにより、架橋重合体塩R-1の粉末を得た。架橋重合体塩R-1は吸湿性を有するため、水蒸気バリア性を有する容器に密封保管した。なお、架橋重合体塩R-1の粉末をIR測定し、カルボン酸のC=O基由来のピークとカルボン酸LiのC=O由来のピークの強度比より中和度を求めたところ、仕込みから算出された計算値に等しく90モル%であった。また、水膨潤粒子径は1.4μmであり、水膨潤度は38.9であった。The resulting polymerization reaction solution was centrifuged to settle the polymer particles, and the supernatant was removed. The precipitate was then redispersed in an equal mass of acetonitrile to the polymerization reaction solution, followed by two washing steps: centrifuging to settle the polymer particles and removing the supernatant. The precipitate was collected and dried under reduced pressure at 80°C for three hours to remove the volatiles, yielding a powder of crosslinked polymer salt R-1. Because crosslinked polymer salt R-1 is hygroscopic, it was stored sealed in a container with water vapor barrier properties. The crosslinked polymer salt R-1 powder was subjected to IR analysis to determine the degree of neutralization based on the intensity ratio of the peak derived from the C=O group of the carboxylic acid to the peak derived from the C=O group of the Li carboxylate. The neutralization degree was 90 mol%, equal to the calculated value calculated from the starting material. The water-swollen particle diameter was 1.4 μm, and the water swelling degree was 38.9.
(製造例2~12及び比較製造例1~2:架橋重合体塩R-2~R-14の製造)
単量体、架橋性単量体、及び中和剤の仕込み量および途中に添加する単量体のタイミングおよび添加方法を表1に記載の通りとした以外は製造例1と同様の操作を行い、架橋重合体塩R-2~R-14を含む重合反応液を得た。なお、架橋重合体塩R-4及びR-6についての「逐次添加」は、表1に記載した所定の時間中に途中添加する単量体の全量を一定速度で連続的に重合反応液に滴下し続けるようにして添加を行うことで重合反応をおこなった。いずれの重合反応液も重合開始点から12時間経過した時点でのAAおよびHEAの反応率は95%以上であった。R-2~R-14の水膨潤粒子径及び水膨潤度を表1に示す。
(Production Examples 2 to 12 and Comparative Production Examples 1 and 2: Production of Crosslinked Polymer Salts R-2 to R-14)
Polymerization reaction solutions containing crosslinked polymer salts R-2 to R-14 were obtained by the same procedure as in Production Example 1, except that the amounts of monomer, crosslinkable monomer, and neutralizing agent charged, and the timing and method of adding the monomers during the course of the polymerization were as shown in Table 1. The "sequential addition" of crosslinked polymer salts R-4 and R-6 involved the polymerization reaction being carried out by continuously adding the entire amount of the monomers added during the course of the polymerization at a constant rate over the specified time period shown in Table 1. The reaction rates of AA and HEA for all polymerization reaction solutions were 95% or higher 12 hours after the start of polymerization. The water-swelling particle sizes and water swelling degrees of R-2 to R-14 are shown in Table 1.
AA:アクリル酸
HEA:アクリル酸2-ヒドロキシエチル
HBA:アクリル酸4-ヒドロキシブチル
HEAAm:ヒドロキシエチルアクリルアミド
T-20:トリメチロールプロパンジアリルエーテル(ダイソー社製、商品名「ネオアリルT-20」)
P-30:ペンタエリスリトールトリアリルエーテル(ダイソー社製、商品名「ネオアリルP-30」)
TEA:トリエチルアミンAcN:アセトニトリルMeOH:メタノールV-65:2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)(和光純薬工業社製)
LiOH・H2O:水酸化リチウム・一水和物K2CO3:炭酸カリウム
AA: acrylic acid, HEA: 2-hydroxyethyl acrylate, HBA: 4-hydroxybutyl acrylate, HEAAm: hydroxyethyl acrylamide, T-20: trimethylolpropane diallyl ether (manufactured by Daiso Co., Ltd., trade name "Neoallyl T-20")
P-30: Pentaerythritol triallyl ether (manufactured by Daiso Co., Ltd., trade name "Neoallyl P-30")
TEA: Triethylamine AcN: Acetonitrile MeOH: Methanol V-65: 2,2'-Azobis(2,4-dimethylvaleronitrile) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
LiOH.H 2 O: Lithium hydroxide monohydrate K 2 CO 3 : Potassium carbonate
<実施例>
(実施例1)
架橋重合体塩R-1を用いた電極を作製し、その評価を行った。具体的な手順及び評価方法等について以下に示す。
<Example>
Example 1
An electrode was prepared using the crosslinked polymer salt R-1 and evaluated. The specific procedures and evaluation methods are described below.
<電極スラリーの塗工性評価>
(負極極板の作製)
SiOx(0.8<x<1.2)の表面にCVD法で炭素を10%コートしたものを準備し、これと黒鉛を5:95の質量比率で混合したものを活物質として用いた。また、バインダーとしては、架橋重合体塩R-1、スチレン/ブタジエン系ラテックス(SBR)及びカルボキシメチルセルロース(CMC)の混合物を用いた。水を希釈溶媒として、活物質:R-1:SBR:CMC=97.0:1.0:1.0:1.0(固形分)の質量比でプライミクス社製T.K.ハイビスミックスを用いて混合し、固形分50%の負極合剤スラリーを調製した。上記負極合剤スラリーを銅箔の両面に塗布し、乾燥することにより合剤層を形成した。その後、片面当たりの合剤層の厚みが80μm、充填密度が1.60g/cm3になるよう圧延した。
<Evaluation of electrode slurry coating properties>
(Preparation of negative electrode plate)
A 10% carbon-coated SiO x (0.8<x<1.2) surface was prepared by CVD, and this was mixed with graphite in a mass ratio of 5:95 to prepare the active material. Furthermore, a mixture of crosslinked polymer salt R-1, styrene/butadiene latex (SBR), and carboxymethyl cellulose (CMC) was used as the binder. Using water as a dilution solvent, the active material: R-1: SBR: CMC = 97.0: 1.0: 1.0: 1.0 (solids) mass ratio was mixed using a T.K. Hibismix manufactured by Primix Corporation to prepare a negative electrode mixture slurry with a solids content of 50%. The negative electrode mixture slurry was applied to both sides of copper foil and dried to form a mixture layer. The mixture layer was then rolled to a thickness of 80 μm per side and a packing density of 1.60 g/cm 3 .
(塗工性評価方法)
上記で得られた負極合剤スラリーについて銅箔に塗布、乾燥後、合剤層の外観を目視により観察することにより、塗工性を評価した。評価基準は以下のとおりとした。
(Coatability evaluation method)
The negative electrode mixture slurry obtained above was applied to a copper foil, dried, and then the appearance of the mixture layer was visually observed to evaluate the coatability. The evaluation criteria were as follows:
A:表面に筋ムラ、ブツ等の外観異常が全く認められない。
B:表面に筋ムラ、ブツ等の外観異常がわずかに認められる。
C:表面に筋ムラ、ブツ等の外観異常が顕著に認められる。
A: No abnormal appearance such as streaks or bumps is observed on the surface.
B: Slight abnormalities in appearance such as streaks or bumps are observed on the surface.
C: Significant abnormalities in appearance such as streaks and bumps are observed on the surface.
<100サイクル容量維持率(サイクル特性)の評価>
次いで、架橋重合体塩R-1を用いた上記負極極板を含む電池を作製し、100サイクル容量維持率の評価を行った。具体的な手順及び評価方法について以下に示す。
<Evaluation of 100-cycle capacity retention rate (cycle characteristics)>
Next, a battery including the above-mentioned negative electrode plate using the crosslinked polymer salt R-1 was fabricated, and the 100-cycle capacity retention rate was evaluated. The specific procedure and evaluation method are described below.
(正極極板の作製)
N-メチルピロリドン(NMP)溶媒中、正極活物質としてLiNi0.8Co0.15Al0.05O2と、炭素導電剤であるアセチレンブラックと、平均分子量が110万のポリフッ化ビニリデン(PVDF)を、95:2.5:2.5の質量比で混合機を用いて混合し、固形分50%の正極合剤スラリーを調整した。調製したスラリーをアルミニウム箔の両面に塗布し、乾燥後、片面当たりの合剤層の厚みが95μm、充填密度が3.60g/cm3になるよう圧延した。
(Preparation of positive electrode plate)
In N-methylpyrrolidone (NMP) solvent, LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 as a positive electrode active material , acetylene black as a carbon conductive agent, and polyvinylidene fluoride (PVDF) with an average molecular weight of 1.1 million were mixed in a mass ratio of 95:2.5:2.5 using a mixer to prepare a positive electrode mixture slurry with a solid content of 50%. The prepared slurry was applied to both sides of aluminum foil, dried, and rolled so that the thickness of the mixture layer per side was 95 μm and the packing density was 3.60 g/ cm3 .
(電解液の調製)
エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とからなる混合溶媒(体積比でEC:DMC=1:3)に、ビニレンカーボネート(VC)を5質量部添加し、LiPF6を1モル/リットル溶解して非水電解質を調製した。
(Preparation of Electrolyte)
A non-aqueous electrolyte was prepared by adding 5 parts by mass of vinylene carbonate (VC) to a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) (volume ratio of EC:DMC = 1:3), and dissolving 1 mol/L of LiPF6 .
(電池の作製)
電池の構成は、正・負極それぞれにリード端子を取り付け、セパレータ(ポリエチレン製:膜厚16μm、空孔率47%)を介して渦巻状に巻き取ったものをプレスして、扁平状に押し潰した電極体を電池外装体としてアルミニウムラミネートを用いたものに入れて注液を行い、封止して試験用電池とした。尚、本試作電池の設計容量は800mAhである。電池の設計容量としては、4.2Vまでの充電終止電圧を基準にして設計を行った。
(Battery Construction)
The battery was constructed by attaching lead terminals to the positive and negative electrodes, and then spirally winding the electrodes together with a separator (made of polyethylene: 16 μm thick, 47% porosity) and pressing them to form a flat electrode assembly. The electrode assembly was then placed in an aluminum laminate battery case, and the battery was sealed to form a test battery. The design capacity of this prototype battery was 800 mAh. The design capacity of the battery was based on a charge cut-off voltage of 4.2 V.
(サイクル特性の評価)
上記で得られた電池について以下に示す充放電試験を25℃で100サイクル繰り返し、容量維持率を評価した。
(Evaluation of cycle characteristics)
The battery obtained above was subjected to the following charge/discharge test at 25° C. for 100 cycles, and the capacity retention rate was evaluated.
(1)充電試験
0.3C(240mA)の電流で4.2Vまで定電流充電を行い、4.2V定電圧で電流が1/20C(40mA)になるまで定電圧充電した。
(2)放電試験
0.5C(400mA)の電流で2.75Vまで定電流放電を行った。
(3)休止
充電試験と放電試験の間隔は10分間とした。
(1) Charging Test The battery was charged at a constant current of 0.3 C (240 mA) up to 4.2 V, and then charged at a constant voltage of 4.2 V until the current reached 1/20 C (40 mA).
(2) Discharge Test A constant current discharge was carried out at a current of 0.5 C (400 mA) down to 2.75 V.
(3) Rest The interval between the charge test and the discharge test was 10 minutes.
(1)充電条件
単極電池に対して0.01C(0.8mA)で0.05VvsLiになるまで25℃条件下で定電流充電を行った。
(1) Charging Conditions The single-electrode battery was charged at a constant current of 0.01 C (0.8 mA) at 25° C. until the V vs. Li reached 0.05.
(実施例2~12、比較例1~2)
架橋重合体塩を表1に記載の通りとした以外は実施例1と同様の操作を行い、負極極板および電池を得た。得られた負極極板および電池について実施例1と同様の評価を行い、結果を表2に示した。
(Examples 2 to 12, Comparative Examples 1 and 2)
A negative electrode plate and a battery were obtained in the same manner as in Example 1, except that the crosslinked polymer salt was changed as shown in Table 1. The obtained negative electrode plate and battery were evaluated in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 2.
表1に示すように、実施例1~12及び比較例1との対比から、重合方法として、重合反応初期において、全ての単量体成分を一挙に投入すると、水膨潤度が低くなってしまう一方、式(1)及び/又は(2)で表される単量体(表中、HEA、HBA、HEAAm)を重合反応の途中において一括して又は初期から連続的に添加することで、水膨潤度を大きくできることがわかった。また、実施例1~12及び比較例2との対比から、式(1)及び/又は(2)で表される単量体の種類と配合量、架橋性単量体の種類と使用量、重合溶媒の選択、単量体濃度などにより、容易に水膨潤度を変化させることができることがわかった。As shown in Table 1, a comparison of Examples 1 to 12 and Comparative Example 1 indicates that adding all of the monomer components at once at the beginning of the polymerization reaction results in a low degree of water swelling, whereas adding the monomers represented by formula (1) and/or (2) (HEA, HBA, HEAAm in the table) all at once during the polymerization reaction or continuously from the beginning can increase the degree of water swelling. Furthermore, a comparison of Examples 1 to 12 and Comparative Example 2 indicates that the degree of water swelling can be easily controlled by the type and amount of the monomers represented by formula (1) and/or (2), the type and amount of the crosslinkable monomer, the selection of the polymerization solvent, the monomer concentration, etc.
また、表1及び表2に示すように、pH8における水膨潤度が25.2以上38.9以下であるバインダーを用いた実施例1~12においては、塗工性(A~B)とサイクル特性(80~90%)との双方を両立できることがわかった。比較例1及び2の結果を合わせると、水膨潤度が25.0以上40.0以下で、塗工性とサイクル特性とを両立できることが理解される。 Furthermore, as shown in Tables 1 and 2, it was found that in Examples 1 to 12, which used binders with a water swelling degree of 25.2 to 38.9 at pH 8, both coatability (A to B) and cycle characteristics (80 to 90%) could be achieved. Combining the results of Comparative Examples 1 and 2, it can be seen that a water swelling degree of 25.0 to 40.0 can achieve both coatability and cycle characteristics.
また、水膨潤度が25.0~32.0の範囲のほとんどの実施例(実施例2~4(製造例2~4)、実施例6~10(製造例6~10))において、良好な塗工性(A)を発揮できることがわかった。また、サイクル特性の観点からは、水膨潤度が25.0~32.0の範囲のほとんどの実施例(実施例1~4(製造例1~4)、実施例6(製造例6)及び実施例8~9及び11(製造例8~9及び11))で良好な特性(83~90%)を示すことがわかった。 It was also found that good coatability (A) was exhibited in most of the examples (Examples 2 to 4 (Production Examples 2 to 4), Examples 6 to 10 (Production Examples 6 to 10)) in which the water swelling degree was in the range of 25.0 to 32.0. Furthermore, from the perspective of cycle characteristics, it was found that good characteristics (83 to 90%) were exhibited in most of the examples (Examples 1 to 4 (Production Examples 1 to 4), Example 6 (Production Example 6), and Examples 8 to 9 and 11 (Production Examples 8 to 9 and 11)) in which the water swelling degree was in the range of 25.0 to 32.0.
また、実施例6は、HEA40部を添加して製造されたバインダー(製造例6)を用いたことにより、最高の結果を呈した。 In addition, Example 6 showed the best results by using a binder (Production Example 6) manufactured with the addition of 40 parts of HEA.
以上のことから、種々の水膨潤度を備える架橋重合体を製造できること及び水膨潤度を一定範囲に制御することで塗工性とサイクル特性を両立できることがわかった。 From the above, it was found that cross-linked polymers with various degrees of water swelling can be produced, and that by controlling the degree of water swelling within a certain range, it is possible to achieve both coatability and cycle characteristics.
本明細書に開示される二次電池電極用バインダーは、合剤層において優れた密着性を示すこのため、上記バインダーを使用して得られた電極を備えた二次電池は、良好な耐久性(サイクル特性)を示すと予想され、車載用二次電池への適用が期待される。また、シリコンを含む活物質の使用にも有用であり、電池の高容量化への寄与が期待される。さらに、活物質濃度が高い条件下であっても、電極合剤層用組成物(電極スラリー)の塗工性を向上させることができる。合剤層形成時の乾燥エネルギー低減、生産性向上の点で有利である。本明細書に開示される二次電池電極用バインダーは、特に非水電解質二次電池電極に好適に用いることができ、中でも、エネルギー密度が高い非水電解質リチウムイオン二次電池に有用である。
The binder for secondary battery electrodes disclosed herein exhibits excellent adhesion in the mixture layer. Therefore, secondary batteries equipped with electrodes obtained using the binder are expected to exhibit good durability (cycling characteristics) and are expected to be applied to automotive secondary batteries. It is also useful for the use of active materials containing silicon, and is expected to contribute to increasing the capacity of batteries. Furthermore, it can improve the coatability of the electrode mixture layer composition (electrode slurry) even under conditions of high active material concentration. This is advantageous in terms of reducing the drying energy required during mixture layer formation and improving productivity. The binder for secondary battery electrodes disclosed herein can be particularly suitable for use in non-aqueous electrolyte secondary battery electrodes, and is particularly useful for non-aqueous electrolyte lithium-ion secondary batteries with high energy density.
Claims (13)
前記架橋重合体又はその塩は、その全構造単位に対して、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する第一の構造単位を50質量%以上99.5質量%以下、式(1)及び式(2)で表される単量体からなる群より選ばれる1種以上の単量体に由来する第二の構造単位を0.5質量%以上50質量%以下含み、かつ、
前記架橋重合体又はその塩は、pH8における水膨潤度が25.0以上40.0以下である、非水電解質二次電池電極用バインダー。
CH2=C(R1)COOR2 (1)
[式中、R1は水素原子又はメチル基を表し、R2は水酸基を有する炭素原子数1~8の一価の有機基、(R3O)mH又はR4O[CO(CH2)5O]nHを表す。なお、R3は炭素原子数2~4のアルキレン基を表し、R4は炭素原子数1~8のアルキレン基を表し、mは2~15の整数を表し、nは1~15の整数を表す。]
CH2=C(R5)CONR6R7 (2)
[式中、R5は水素原子又はメチル基を表し、R6は水酸基又は炭素原子数1~8のヒドロキシアルキル基を表し、R7は水素原子又は1価の有機基を表す。] A binder for a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode containing a crosslinked polymer or a salt thereof,
The crosslinked polymer or salt thereof contains, relative to all structural units thereof, 50% by mass or more and 99.5% by mass or less of first structural units derived from an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer, and 0.5% by mass or more and 50% by mass or less of second structural units derived from one or more monomers selected from the group consisting of monomers represented by formula (1) and formula (2), and
The crosslinked polymer or salt thereof has a degree of swelling in water at pH 8 of 25.0 or more and 40.0 or less.
CH 2 =C(R 1 )COOR 2 (1)
[In the formula, R1 represents a hydrogen atom or a methyl group, R2 represents a monovalent organic group having 1 to 8 carbon atoms and a hydroxyl group, ( R3O ) mH or R4O [CO( CH2 ) 5O ] nH , R3 represents an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, R4 represents an alkylene group having 1 to 8 carbon atoms, m represents an integer of 2 to 15, and n represents an integer of 1 to 15.]
CH2 =C( R5 ) CONR6R7 ( 2 )
[In the formula, R5 represents a hydrogen atom or a methyl group, R6 represents a hydroxyl group or a hydroxyalkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and R7 represents a hydrogen atom or a monovalent organic group.]
(A)前記エチレン性不飽和カルボン酸単量体のみが重合される重合ステップ、並びに
(B)前記エチレン性不飽和カルボン酸単量体に対して前記式(1)及び式(2)で表される単量体を連続的又は断続的に添加して重合する重合ステップのいずれか又は双方を実施して、製造する、製造方法。 The crosslinked polymer or salt thereof according to any one of claims 1 to 6 is polymerized by precipitation polymerization or dispersion polymerization in the following polymerization steps:
(A) a polymerization step in which only the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer is polymerized; and
(B) A production method comprising carrying out one or both of a polymerization step of continuously or intermittently adding the monomers represented by the formula (1) and the formula (2) to the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer and polymerizing the monomers .
A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising the secondary battery electrode according to claim 12 .
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