JP7782554B2 - Non-aqueous secondary battery electrode binder and non-aqueous secondary battery electrode - Google Patents
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Description
本発明は、非水系二次電池電極用バインダー、その組成物、非水系二次電池電極及び非水系二次電池に関する。
本願は、2021年5月28日に、日本に出願された特願2021-090167号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
The present invention relates to a binder for non-aqueous secondary battery electrodes, a composition thereof, a non-aqueous secondary battery electrode, and a non-aqueous secondary battery.
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2021-090167, filed on May 28, 2021, the contents of which are incorporated herein by reference.
非水系電解質を用いる二次電池(非水系二次電池)は高電圧化、小型化、軽量化の面において水系電解質を用いる二次電池よりも優れている。そのため、非水系二次電池は、ノート型パソコン、携帯電話、電動工具、電子・通信機器の電源として広く使用されている。また、最近では環境車両適用の観点から電気自動車やハイブリッド自動車用にも非水系電池が使用されているが、高出力化、高容量化、長寿命化等が強く求められてきている。非水系二次電池としてリチウムイオン二次電池が代表例として挙げられる。 Secondary batteries that use nonaqueous electrolytes (non-aqueous secondary batteries) are superior to secondary batteries that use aqueous electrolytes in terms of higher voltage, smaller size, and lighter weight. For this reason, non-aqueous secondary batteries are widely used as power sources for laptop computers, mobile phones, power tools, and electronic and communication devices. Recently, non-aqueous batteries have also been used in electric vehicles and hybrid vehicles to promote environmentally friendly vehicles, but there is a strong demand for higher output, higher capacity, and longer life. A typical example of a non-aqueous secondary battery is the lithium-ion secondary battery.
非水系二次電池は、金属酸化物などを活物質とした正極と、黒鉛等の炭素材料を活物質とした負極と、カーボネート類または難燃性のイオン液体を中心した非水系電解液溶剤とを備える。非水系二次電池は、イオンが正極と負極との間を移動することにより電池の充放電が行われる二次電池である。詳細には、正極は、金属酸化物とバインダーから成るスラリーをアルミニウム箔などの正極集電体表面に塗布し、乾燥させた後に、適当な大きさに切断することにより得られる。負極は、炭素材料とバインダーから成るスラリーを銅箔などの負極集電体表面に塗布し、乾燥させた後に、適当な大きさに切断することにより得られる。バインダーは、正極及び負極において活物質同士及び活物質と集電体を結着させ、集電体からの活物質の剥離を防止させる役割がある。A nonaqueous secondary battery comprises a positive electrode with an active material such as a metal oxide, a negative electrode with a carbon material such as graphite, and a nonaqueous electrolyte solvent primarily composed of carbonates or a flame-retardant ionic liquid. Nonaqueous secondary batteries are secondary batteries in which ions move between the positive and negative electrodes to charge and discharge the battery. Specifically, a positive electrode is obtained by applying a slurry consisting of a metal oxide and a binder to the surface of a positive electrode current collector such as aluminum foil, drying the resulting material, and then cutting it to an appropriate size. A negative electrode is obtained by applying a slurry consisting of a carbon material and a binder to the surface of a negative electrode current collector such as copper foil, drying the resulting material, and then cutting it to an appropriate size. The binder serves to bind the active materials together and to the current collectors in the positive and negative electrodes, preventing the active materials from peeling off from the current collectors.
バインダーとしては、有機溶剤系のN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を溶剤としたポリフッ化ビニリデン(PVDF)系バインダーがよく知られている。しかしながら、このバインダーは活物質同士及び活物質と集電体との結着性が低く、実際に使用するには多量のバインダーを必要とする。そのため、非水系二次電池の容量が低下する欠点がある。また、バインダーに高価な有機溶剤であるNMPを使用しているため、製造コストを抑えることが困難であった。 A well-known binder is a polyvinylidene fluoride (PVDF) binder that uses the organic solvent N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent. However, this binder has poor adhesion between active materials and between the active materials and the current collector, requiring a large amount of binder for practical use. This has the drawback of reducing the capacity of non-aqueous secondary batteries. Furthermore, because the binder uses NMP, an expensive organic solvent, it has been difficult to reduce manufacturing costs.
これらの問題を解決する方法として、水分散系バインダーの開発が進められている。水分散系バインダーとして、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)を増粘剤とし、(メタ)アクリル酸エステル系またはスチレン-ブタジエンゴム(SBR)系の水分散体を併用することが知られている。As a way to solve these problems, efforts are underway to develop water-dispersed binders. Known examples of water-dispersed binders include using carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener in combination with a (meth)acrylic acid ester-based or styrene-butadiene rubber (SBR)-based water dispersion.
特許文献1では、(メタ)アクリル酸エステル化合物及び多官能チオール化合物を含むリチウムイオン電池二次電池電極用バインダー組成物が開示されている。また、特許文献2では、アクリル酸と4官能性(メタ)アクリレート単量体とアクリルアミドを含むリチウムイオン二次電池シリコン系負極用バインダー組成物が開示されている。 Patent Document 1 discloses a binder composition for lithium-ion battery secondary battery electrodes containing a (meth)acrylic acid ester compound and a polyfunctional thiol compound. Patent Document 2 discloses a binder composition for lithium-ion battery silicon-based negative electrodes containing acrylic acid, a tetrafunctional (meth)acrylate monomer, and an acrylamide.
特許文献3では、アクリル酸ナトリウム-N-ビニルアセトアミド共重合体(共重合比:アクリル酸ナトリウム/N-ビニルアセトアミド=10/90質量比)を含む非水系電池電極用バインダーが開示されている。 Patent document 3 discloses a non-aqueous battery electrode binder containing sodium acrylate-N-vinylacetamide copolymer (copolymerization ratio: sodium acrylate/N-vinylacetamide = 10/90 mass ratio).
しかしながら、特許文献1に記載の多官能チオールを用いたバインダーは、増粘剤であるカルボキシメチルセルロースを併用する必要があり、スラリー作製工程が複雑である。かつこのバインダーにおいても活物質同士、及び活物質と集電体との結着性が足りず、少量のバインダーで電極を生産した場合に、集電体を切断する工程で活物質の一部が剥離する問題があった。However, the binder using a multifunctional thiol described in Patent Document 1 requires the use of carboxymethyl cellulose as a thickener, making the slurry preparation process complicated. Furthermore, even this binder does not provide sufficient adhesion between the active materials themselves and between the active material and the current collector. Therefore, when electrodes are produced using a small amount of binder, there is a problem in that some of the active material peels off during the process of cutting the current collector.
特許文献2に開示されている4官能アクリレートを用いたバインダーでは、後述する比較例5に示されるように、電極の柔軟性が確保できず、電極を巻回したときにクラックが発生するという課題があった。 The binder using a tetrafunctional acrylate disclosed in Patent Document 2 had the problem that it was not possible to ensure the flexibility of the electrode, and cracks occurred when the electrode was wound, as shown in Comparative Example 5 described below.
特許文献3で開示されている非水系電池電極用バインダーでは、後述する比較例3に示されるように、電極の柔軟性が低く、また充放電サイクル後の放電容量維持率が低いという課題があった。 The non-aqueous battery electrode binder disclosed in Patent Document 3 had the problem of low electrode flexibility and low discharge capacity retention rate after charge-discharge cycling, as shown in Comparative Example 3 described below.
そこで、本発明は、集電体上に形成された電極活物質層の柔軟性を向上しつつ、充放電サイクル後の放電容量維持率を大きく向上できる非水系二次電池電極バインダー及び非水系二次電池電極バインダー組成物を提供することを目的とする。
また、本発明は、柔軟性が高く、充放電サイクル後の放電容量維持率が高い非水系二次電池電極を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、柔軟性が高く、充放電サイクル後の放電容量維持率が高い電極を備えた非水系二次電池を提供することを目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to provide a nonaqueous secondary battery electrode binder and a nonaqueous secondary battery electrode binder composition that can significantly improve the discharge capacity retention rate after charge-discharge cycling while improving the flexibility of an electrode active material layer formed on a current collector.
Another object of the present invention is to provide a non-aqueous secondary battery electrode that is highly flexible and has a high discharge capacity retention rate after charge-discharge cycles.
Another object of the present invention is to provide a non-aqueous secondary battery having an electrode that is highly flexible and has a high discharge capacity retention rate after charge/discharge cycles.
上記課題を解決するために、本発明は以下の〔1〕~〔14〕の通りである。
〔1〕 共重合体(P)を含む非水系二次電池電極バインダーであって、
前記共重合体(P)は、
炭素原子間の結合のみからなる主鎖と、
アミド結合を有する置換基と、
カルボキシ基の塩を有する置換基と、
以下の一般式(1)で表される置換基(c)と、
を有し、
前記アミド結合を有する置換基、前記カルボキシ基の塩を有する置換基、及び前記置換基(c)は、それぞれ、前記主鎖に結合しており、
前記共重合体(P)1gあたりに含まれるアミド結合の量は0.050mmol/g以上5.0mmol/g以下であり、
前記共重合体(P)1gあたりに含まれるカルボキシ基の塩の量は5.0mmol/g以上12.0mmol/g以下であり、
前記共重合体(P)1gあたりに含まれる前記置換基(c)の量は0.15×10-2mmol/g以上8.0×10-2mmol/g以下である
ことを特徴とする非水系二次電池電極バインダー。
〔2〕 前記一般式(1)において、R31は炭素原子及び水素原子からなる〔1〕に記載の非水系二次電池電極バインダー。
〔3〕 前記一般式(1)において、R31は複数の炭素原子を有し、炭素原子間の結合は全て単結合である〔1〕または〔2〕に記載の非水系二次電池電極バインダー。
〔4〕 前記置換基(c)の式量をMcとすると、Mc/(m+n)≦400である〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の非水系二次電池電極バインダー。
〔5〕 前記置換基(c)は、多官能チオール化合物(C)由来の構造であり、前記多官能チオール化合物(C)は1分子中にメルカプト基を2個以上有する〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の非水系二次電池電極バインダー。
〔6〕 前記共重合体(P)は、更に、以下の一般式(2)で表される構造単位(d)を0.50質量%以上20.0質量%以下含む〔1〕~〔5〕のいずれかに記載の非水系二次電池電極バインダー。
〔7〕 前記共重合体(P)は、更に、以下の一般式(3)で表される構造単位(e)を、前記共重合体(P)1gあたりに、0.030mmol/g以上1.75mmol/g以下含む〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の非水系二次電池電極バインダー。
〔8〕 前記共重合体(P)において、前記アミド結合の少なくとも一部が以下の一般式(4)で表される構造単位(a)として含まれる〔1〕~〔7〕のいずれかに記載の非水系二次電池電極バインダー。
〔9〕 前記共重合体(P)において、前記カルボキシ基の塩の少なくとも一部は以下の一般式(5)で表される構造単位(b)として含まれる〔1〕~〔8〕のいずれかに記載の非水系二次電池電極バインダー。
〔10〕 前記共重合体(P)の重量平均分子量が、70万以上750万以下であることを特徴とする〔1〕~〔9〕のいずれかに記載の非水系二次電池電極バインダー。
〔11〕 〔1〕~〔10〕のいずれかに記載の非水系二次電池電極バインダーと水性媒体とを含む非水系二次電池電極バインダー組成物。
〔12〕 集電体と、該集電体表面に形成された電極活物質層と、を備え
該電極活物質層は〔1〕~〔10〕のいずれかに記載の非水系二次電池電極用バインダーと電極活物質とを含む非水系二次電池電極。
〔13〕 正極と負極と電解液とを含み、
前記正極と前記負極のうち少なくとも一方は、〔12〕に記載の非水系二次電池電極であることを特徴とする非水系二次電池。
〔14〕 エチレン性不飽和結合を有する単量体(M)を、1分子中に2個以上のメルカプト基を有する多官能チオール化合物(C)の存在下でラジカル重合する重合工程を含む、非水系二次電池電極バインダーを製造する方法であって、
前記単量体(M)は、アミド結合を有する単量体(A)と、カルボキシ基の塩を有する単量体(B)と、を含み、
前記単量体(M)、前記多官能チオール化合物(C)、重合開始剤、及び連鎖移動剤を用いる場合は連鎖移動剤も合わせて重合成分とすると、
前記重合成分1gあたりに含まれる前記単量体(A)の量は0.050mmol/g以上5.0mmol/g以下であり、
前記重合成分1gあたりに含まれる前記単量体(B)の量は5.0mmol/g以上12.0mmol/g以下であり、
前記重合成分1gあたりに含まれる前記多官能チオール化合物(C)の量は0.15×10-2mmol/g以上8.0×10-2mmol/g以下である
ことを特徴とする非水系二次電池電極バインダーの製造方法。
In order to solve the above problems, the present invention provides the following [1] to [14].
[1] A non-aqueous secondary battery electrode binder containing a copolymer (P),
The copolymer (P) is
a main chain consisting only of bonds between carbon atoms;
a substituent having an amide bond;
a substituent having a salt of a carboxy group;
A substituent (c) represented by the following general formula (1):
and
the substituent having an amide bond, the substituent having a salt of a carboxy group, and the substituent (c) are each bonded to the main chain,
the amount of amide bonds contained per 1 g of the copolymer (P) is 0.050 mmol/g or more and 5.0 mmol/g or less,
the amount of the salt of the carboxy group contained per 1 g of the copolymer (P) is 5.0 mmol/g or more and 12.0 mmol/g or less;
a non-aqueous secondary battery electrode binder, wherein the amount of the substituent (c) contained per 1 g of the copolymer (P) is 0.15×10 −2 mmol/g or more and 8.0×10 −2 mmol/g or less.
[2] The non-aqueous secondary battery electrode binder according to [1], wherein in the general formula (1), R 31 is a carbon atom and a hydrogen atom.
[3] The nonaqueous secondary battery electrode binder according to [1] or [2], wherein in the general formula (1), R 31 has a plurality of carbon atoms, and all of the bonds between the carbon atoms are single bonds.
[4] The nonaqueous secondary battery electrode binder according to any one of [1] to [3], wherein Mc/(m+n)≦400, where Mc is the formula weight of the substituent (c).
[5] The nonaqueous secondary battery electrode binder according to any one of [1] to [4], wherein the substituent (c) has a structure derived from a polyfunctional thiol compound (C), and the polyfunctional thiol compound (C) has two or more mercapto groups in one molecule.
[6] The nonaqueous secondary battery electrode binder according to any one of [1] to [5], wherein the copolymer (P) further contains 0.50 mass % or more and 20.0 mass % or less of a structural unit (d) represented by the following general formula (2):
[7] The nonaqueous secondary battery electrode binder according to any one of [1] to [6], wherein the copolymer (P) further contains a structural unit (e) represented by the following general formula (3) in an amount of 0.030 mmol/g or more and 1.75 mmol/g or less per 1 g of the copolymer (P):
[8] The nonaqueous secondary battery electrode binder according to any one of [1] to [7], wherein in the copolymer (P), at least a part of the amide bonds is contained as a structural unit (a) represented by the following general formula (4):
[9] The nonaqueous secondary battery electrode binder according to any one of [1] to [8], wherein in the copolymer (P), at least a part of the salt of the carboxy group is contained as a structural unit (b) represented by the following general formula (5):
[10] The nonaqueous secondary battery electrode binder according to any one of [1] to [9], wherein the weight average molecular weight of the copolymer (P) is 700,000 or more and 7,500,000 or less.
[11] A non-aqueous secondary battery electrode binder composition comprising the non-aqueous secondary battery electrode binder according to any one of [1] to [10] and an aqueous medium.
[12] A non-aqueous secondary battery electrode comprising: a current collector; and an electrode active material layer formed on the surface of the current collector, wherein the electrode active material layer contains the binder for a non-aqueous secondary battery electrode according to any one of [1] to [10] and an electrode active material.
[13] A battery including a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte solution,
A non-aqueous secondary battery, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode is the non-aqueous secondary battery electrode according to [12].
[14] A method for producing a non-aqueous secondary battery electrode binder, comprising a polymerization step of radically polymerizing a monomer (M) having an ethylenically unsaturated bond in the presence of a polyfunctional thiol compound (C) having two or more mercapto groups in one molecule,
the monomer (M) includes a monomer (A) having an amide bond and a monomer (B) having a salt of a carboxy group,
When the monomer (M), the polyfunctional thiol compound (C), a polymerization initiator, and a chain transfer agent (if used), the chain transfer agent are collectively used as polymerization components, the following can be obtained:
the amount of the monomer (A) contained per 1 g of the polymerization component is 0.050 mmol/g or more and 5.0 mmol/g or less,
the amount of the monomer (B) contained per 1 g of the polymerization component is 5.0 mmol/g or more and 12.0 mmol/g or less,
The method for producing a non-aqueous secondary battery electrode binder, wherein the amount of the polyfunctional thiol compound (C) contained per 1 g of the polymerization component is 0.15×10 −2 mmol/g or more and 8.0×10 −2 mmol/g or less.
本発明によれば、集電体上に形成された電極活物質層の柔軟性を向上しつつ、充放電サイクル後の放電容量維持率を大きく向上できる非水系二次電池電極バインダー、及びその組成物を提供することができる。
また、本発明によれば、柔軟性が高く、充放電サイクル後の放電容量維持率が高い非水系二次電池電極を提供することができる。
さらに、本発明によれば、柔軟性が高く、充放電サイクル後の放電容量維持率が高い電極を備えた非水系二次電池を提供することができる。
According to the present invention, it is possible to provide a nonaqueous secondary battery electrode binder and a composition thereof that can significantly improve the discharge capacity retention rate after charge-discharge cycling while improving the flexibility of an electrode active material layer formed on a current collector.
Furthermore, the present invention can provide a non-aqueous secondary battery electrode that is highly flexible and has a high discharge capacity retention rate after charge-discharge cycles.
Furthermore, according to the present invention, a non-aqueous secondary battery can be provided that includes an electrode that is highly flexible and has a high discharge capacity retention rate after charge/discharge cycles.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態において、電池は、充放電において正極と負極との間でイオンの移動を伴う二次電池である。正極は正極活物質を備え、負極は負極活物質を備える。これらの電極活物質はイオンを挿入及び脱離(Intercaration及びDeintercalation)可能な材料である。このような構成の二次電池としての好ましい例として、リチウムイオン二次電池が挙げられる。 Embodiments of the present invention are described in detail below. In these embodiments, the battery is a secondary battery in which ions move between the positive and negative electrodes during charging and discharging. The positive electrode comprises a positive electrode active material, and the negative electrode comprises a negative electrode active material. These electrode active materials are materials capable of ion insertion and deintercalation (intercalation and deintercalation). A preferred example of a secondary battery with this configuration is a lithium-ion secondary battery.
「(メタ)アクリル酸」とは、メタクリル酸及びアクリル酸の一方または両方をいう。「(メタ)アクリル酸単量体」とは、メタクリル酸単量体及びアクリル酸単量体の一方又は両方をいう。「(メタ)アクリレート」とは、メタクリレート及びアクリレートの一方又は両方をいう。 "(Meth)acrylic acid" refers to either or both of methacrylic acid and acrylic acid. "(Meth)acrylic acid monomer" refers to either or both of methacrylic acid monomer and acrylic acid monomer. "(Meth)acrylate" refers to either or both of methacrylate and acrylate.
「重量平均分子量」は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)を用いて算出されるプルラン換算値である。 "Weight average molecular weight" is a pullulan-equivalent value calculated using gel permeation chromatography (GPC).
「炭化水素基」は、炭素原子及び水素原子のみからなる構造を意味する。ただし、一部の水素原子が置換されている等の特段の断りがある場合は、この限りではない。 "Hydrocarbon group" means a structure consisting only of carbon and hydrogen atoms. However, this does not apply unless otherwise specified, such as when some of the hydrogen atoms have been substituted.
以下の説明では、構造単位を示す式において、結合を示す線の先に原子がない場合、その部分は重合体を形成する他の構造単位または末端構造に結合していることを意味する。 In the following description, if there is no atom at the end of a line indicating a bond in a formula showing a structural unit, it means that the moiety is bonded to another structural unit or terminal structure that forms the polymer.
官能基の塩とは、官能基の一部が解離したイオンと、水素イオン及び水酸化物イオン以外の対イオンとが結合した形態を意味し、例えば、カルボキシ基の塩とは、COO-と、水素イオン以外のカチオンとが結合した形態を意味する。 The salt of a functional group refers to a form in which a partially dissociated ion of the functional group is bonded to a counter ion other than a hydrogen ion or a hydroxide ion. For example, the salt of a carboxy group refers to a form in which COO − is bonded to a cation other than a hydrogen ion.
<1.非水系二次電池電極バインダー>
本実施形態にかかる非水系二次電池電極バインダー(または、非水系二次電池電極バインダー。以下、「電極バインダー」とすることがある)は、以下に説明する共重合体(P)を含む。電極バインダーは、その他の成分を含んでもよく、例えば、共重合体(P)以外の重合体、界面活性剤等を含んでもよい。
<1. Non-aqueous secondary battery electrode binder>
The nonaqueous secondary battery electrode binder (or nonaqueous secondary battery electrode binder, hereinafter sometimes referred to as "electrode binder") according to this embodiment contains the copolymer (P) described below. The electrode binder may contain other components, such as a polymer other than the copolymer (P), a surfactant, etc.
ここで電極バインダーは、後述する電池の製造工程における加熱を伴う工程において揮発せずに残る成分からなる。具体的には電極バインダーを構成する成分は、電極バインダーを含む混合物を直径5cmのアルミ皿に1g秤量し、大気圧、乾燥器内で空気を循環させながら110℃で5時間乾燥させ後に残った成分である。Here, the electrode binder consists of components that remain without volatilizing during the heating process in the battery manufacturing process described below. Specifically, the components that make up the electrode binder are those that remain after weighing 1 g of a mixture containing the electrode binder into an aluminum dish with a diameter of 5 cm and drying it at 110°C for 5 hours under atmospheric pressure in a dryer with air circulating.
電極バインダー中の共重合体(P)の含有率は、80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましく、95質量%以上であることがさらに好ましく、98質量%以上であることがさらに好ましい。共重合体(P)による本発明の目的とする効果への寄与を大きくするためである。The content of copolymer (P) in the electrode binder is preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, even more preferably 95% by mass or more, and even more preferably 98% by mass or more. This is to maximize the contribution of copolymer (P) to the intended effects of the present invention.
〔1-1.共重合体(P)〕
共重合体(P)は、炭素原子間の結合のみからなる主鎖と、アミド結合を有する置換基と、カルボキシ基の塩を有する置換基と、下記一般式(1)で表される置換基(c)と、を有する。前記主鎖は炭素原子間の単結合のみからなることが好ましい。
[1-1. Copolymer (P)]
The copolymer (P) has a main chain consisting only of bonds between carbon atoms, a substituent having an amide bond, a substituent having a salt of a carboxy group, and a substituent (c) represented by the following general formula (1): Preferably, the main chain consists only of single bonds between carbon atoms.
アミド結合を有する置換基、カルボキシ基の塩を有する置換基、及び置換基(c)は、それぞれ、前記主鎖に結合している。アミド結合を有する置換基、及びカルボキシ基の塩を有する置換基は、前記主鎖から分岐していることが好ましい。置換基(c)は、前記主鎖の末端に結合していることが好ましい。また、1つの置換基(c)に対して、複数の主鎖が結合していてもよい。すなわち、1つの分子中に置換基(c)を介して、炭素原子間の結合からなる主鎖が複数結合した構造を有してもよい。The substituent having an amide bond, the substituent having a carboxyl salt, and the substituent (c) are each bonded to the main chain. The substituent having an amide bond and the substituent having a carboxyl salt are preferably branched from the main chain. The substituent (c) is preferably bonded to the end of the main chain. Multiple main chains may be bonded to one substituent (c). In other words, a single molecule may have a structure in which multiple main chains formed by bonds between carbon atoms are bonded via the substituent (c).
共重合体(P)は、更に、後述する一般式(2)で表される構造単位(d)、及び後述する一般式(3)で表される構造単位(e)のうち少なくともいずれかを有することが好ましく、両方有することがより好ましい。共重合体(P)は、分子の末端構造等、上記構造以外の構造を有していてもよい。Copolymer (P) preferably further contains at least one of structural unit (d) represented by general formula (2) described below and structural unit (e) represented by general formula (3) described below, and more preferably contains both. Copolymer (P) may also contain structures other than those described above, such as molecular terminal structures.
共重合体(P)の重量平均分子量は、70万以上であることが好ましく、100万以上であることがより好ましく、150万以上であることがさらに好ましい。また、共重合体(P)の重量平均分子量は、750万以下であることが好ましく、500万以下であることがより好ましく、400万以下であることがさらに好ましい。The weight-average molecular weight of copolymer (P) is preferably 700,000 or more, more preferably 1,000,000 or more, and even more preferably 1,500,000 or more. The weight-average molecular weight of copolymer (P) is preferably 7,500,000 or less, more preferably 5,000,000 or less, and even more preferably 4,000,000 or less.
[1-1-1.アミド結合]
共重合体(P)1gあたりに含まれるアミド結合の量は、0.050mmol/g以上であり、0.085mmol/g以上であることが好ましく、0.40mmol/g以上であることがより好ましい。後述する電極スラリー作製時の電極活物質、導電助剤等の分散性に優れ、塗工性が良好な電極スラリーを作製することができるためである。また、共重合体(P)により、負極活物質層の耐電解液性が向上するためである。
[1-1-1. Amide bond]
The amount of amide bonds contained per gram of copolymer (P) is 0.050 mmol/g or more, preferably 0.085 mmol/g or more, and more preferably 0.40 mmol/g or more. This is because the dispersibility of the electrode active material, conductive additive, etc. during the preparation of the electrode slurry described below is excellent, and an electrode slurry with good coatability can be prepared. In addition, copolymer (P) improves the electrolyte resistance of the negative electrode active material layer.
共重合体(P)1gあたりに含まれるアミド結合の量は、5.0mmol/g以下であり、3.0mmol/g以下であることが好ましく、1.7mmol/g以下であることがより好ましく、0.90mmol/g以下であることがさらに好ましい。共重合体(P)に他の構造を含有させるためである。また、後述する電極のクラックの発生が抑制され、電極の生産性が向上するためである。The amount of amide bonds contained per gram of copolymer (P) is 5.0 mmol/g or less, preferably 3.0 mmol/g or less, more preferably 1.7 mmol/g or less, and even more preferably 0.90 mmol/g or less. This is to allow copolymer (P) to contain other structures. Furthermore, this is to suppress the occurrence of cracks in electrodes, as described below, and improve electrode productivity.
なお、アミド結合は、後述する構造単位(e)等、他の官能基を有する構造単位にともに含まれていてもよい。 The amide bond may also be contained in a structural unit having another functional group, such as the structural unit (e) described below.
共重合体(P)において、アミド結合は少なくとも一部が以下の一般式(4)で表される構造単位(a)として含まれることが好ましい。構造単位(a)の質量に対するアミド結合の量が多く、共重合体(P)に効率的にアミド結合を含ませることができるためである。共重合体(P)中のアミド結合のうち、構造単位(a)に含まれる割合は、95mol%以上であることが好ましく、98mol%以上であることがより好ましく、99mol%以上であることがさらに好ましい。In copolymer (P), it is preferable that at least a portion of the amide bonds be contained as structural units (a) represented by the following general formula (4). This is because the amount of amide bonds relative to the mass of structural units (a) is large, allowing amide bonds to be efficiently contained in copolymer (P). Of the amide bonds in copolymer (P), the proportion contained in structural units (a) is preferably 95 mol% or more, more preferably 98 mol% or more, and even more preferably 99 mol% or more.
一般式(4)において、R11、R12は各々独立に水素原子または炭素数1以上5以下のアルキル基を表す。 In formula (4), R 11 and R 12 each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms.
一般式(4)において、R11、R12は各々独立に水素原子または炭素数1以上3以下のアルキル基であることがより好ましく、R11、R12は各々独立に水素原子またはメチル基であることがさらに好ましい。 In formula (4), it is more preferable that R 11 and R 12 each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, and it is even more preferable that R 11 and R 12 each independently represent a hydrogen atom or a methyl group.
R11、R12の組み合わせとして特に好ましい具体例は、R11:HかつR12:H、またはR11:HかつR12:CH3である。質量に対するアミド結合の量が多く、共重合体(P)により多くのアミド結合を含ませることができるためである。 Particularly preferred specific examples of the combination of R 11 and R 12 are R 11 :H and R 12 :H, or R 11 :H and R 12 :CH 3 , because the amount of amide bonds relative to the mass is large and the copolymer (P) can contain a large number of amide bonds.
[1-1-2.カルボキシ基の塩]
カルボキシ基の塩は、-COO-と1価のカチオンとの塩であることが好ましい。1価のカチオンは、アルカリ金属イオンまたはアンモニウムイオンであることがより好ましく、アルカリ金属イオンであることがさらに好ましく、リチウムイオンまたはナトリウムイオンであることが特に好ましい。
[1-1-2. Salt of Carboxy Group]
The salt of the carboxy group is preferably a salt of —COO— with a monovalent cation. The monovalent cation is more preferably an alkali metal ion or an ammonium ion, even more preferably an alkali metal ion, and particularly preferably a lithium ion or a sodium ion.
共重合体(P)1gあたりに含まれるカルボキシ基の塩の量は、5.0mmol/g以上であり、6.0mmol/g以上であることが好ましく、7.0mmol/g以上であることがより好ましい。共重合体(P)により、集電体に対する剥離強度の高い電極活物質層を得ることができるためである。The amount of carboxyl group salt contained per gram of copolymer (P) is 5.0 mmol/g or more, preferably 6.0 mmol/g or more, and more preferably 7.0 mmol/g or more. This is because copolymer (P) enables the formation of an electrode active material layer with high peel strength from the current collector.
共重合体(P)1gあたりに含まれるカルボキシ基の塩の量は、12.0mmol/g以下であり、9.9mmol/g以下であることが好ましい。後述する電極スラリー作製時の電極活物質、導電助剤等の固形分の分散性がより向上するためである。The amount of carboxyl group salt contained per gram of copolymer (P) is 12.0 mmol/g or less, and preferably 9.9 mmol/g or less. This improves the dispersibility of solid components such as the electrode active material and conductive additive during the preparation of electrode slurry, as described below.
なお、カルボキシ基の塩の量は、水素イオン以外のカチオンと結合している-COO-の量である。例えば、2価のカチオン1個に、2個のCOO-が結合している場合、カルボキシ基の塩は2個である。 The amount of a carboxyl group salt is the amount of -COO- bonded to a cation other than a hydrogen ion. For example, if two COO- bonds are bonded to one divalent cation, the amount of a carboxyl group salt is two.
なお、カルボキシ基の塩は、後述する構造単位(e)等、他の官能基を有する構造単位にともに含まれていてもよい。 In addition, the salt of the carboxy group may be contained together with a structural unit having another functional group, such as the structural unit (e) described below.
共重合体(P)において、カルボキシ基の塩の少なくとも一部は以下の一般式(5)で表される構造単位(b)として含まれることが好ましい。質量に対するカルボキシ基の塩の量が多く、共重合体(P)に効率的にカルボキシ基の塩を含ませることができるためである。共重合体(P)中のカルボキシ基の塩のうち、構造単位(b)に含まれる割合は95mol%以上であることが好ましく、98mol%以上であることがより好ましく、99mol%以上であることがさらに好ましい。In copolymer (P), it is preferable that at least a portion of the carboxyl group salt is contained as structural unit (b) represented by the following general formula (5). This is because the amount of carboxyl group salt relative to the mass is large, allowing the carboxyl group salt to be efficiently contained in copolymer (P). Of the carboxyl group salt in copolymer (P), the proportion contained in structural unit (b) is preferably 95 mol% or more, more preferably 98 mol% or more, and even more preferably 99 mol% or more.
一般式(5)において、R2は水素原子またはメチル基を表し、Xはカチオンである。 In the general formula (5), R2 represents a hydrogen atom or a methyl group, and X represents a cation.
一般式(5)中、Xは1価のカチオンであることがより好ましく、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、アンモニウムイオンのうち少なくとも1種であることがさらに好ましい。その中でも、リチウムイオン、ナトリウムイオンのうち少なくとも一方を含むことが特に好ましい。In general formula (5), X is preferably a monovalent cation, and even more preferably at least one of lithium ion, sodium ion, potassium ion, and ammonium ion. Among these, it is particularly preferable for X to contain at least one of lithium ion and sodium ion.
構造単位(b)として、上記一般式(5)において、Xが異なる2種類以上の構造が共重合体(P)に含まれていてもよい。例えば、構造単位(b)はリチウムとの塩、及びナトリウムとの塩の2種類の構造を含んでもよい。 The structural unit (b) may be present in the copolymer (P) as two or more structures having different X's in the general formula (5) above. For example, the structural unit (b) may contain two structures: a salt with lithium and a salt with sodium.
[1-1-3.置換基(c)]
置換基(c)は、以下の一般式(1)で表される。
[1-1-3. Substituent (c)]
The substituent (c) is represented by the following general formula (1).
一般式(1)において、R31は、炭化水素基であり、m及びnはそれぞれ、R31に直接結合している対応する置換基の数(m及びnのそれぞれに対応するカッコ内の構造の分岐の数)を表し、mは0以上の整数、nは1以上の整数、m+n≧2であり、R32は、水素原子またはメチル基である。 In general formula (1), R 31 is a hydrocarbon group, m and n each represent the number of corresponding substituents directly bonded to R 31 (the number of branches in the structure in parentheses corresponding to m and n), m is an integer of 0 or more, n is an integer of 1 or more, m+n≧2, and R 32 is a hydrogen atom or a methyl group.
置換基(c)は、前記主鎖どうしを連結し、分子鎖を延長する役割を有し、n≧3であれば、共重合体(P)において、架橋構造を形成させることができる。 The substituent (c) serves to link the main chains together and extend the molecular chain, and if n≧3, it can form a crosslinked structure in the copolymer (P).
一般式(1)において、m+n≧3であることが好ましく、m+n≧4であることがより好ましい。共重合体(P)を含む電極活物質層の、集電体に対する剥離強度及び靭性が向上するためであり、これは、置換基(c)の少なくとも一部が共重合体(P)における架橋構造を形成していると考えられるためである。In general formula (1), it is preferable that m + n ≥ 3, and more preferably m + n ≥ 4. This is because the electrode active material layer containing copolymer (P) has improved peel strength and toughness from the current collector, and this is because it is believed that at least a portion of the substituents (c) form a crosslinked structure in copolymer (P).
なお、特に限定されないが、m+n≦6であることが好ましく、m+n≦5であることがより好ましい。m+n≦4であることがさらに好ましく、m+n=4であることが特に好ましい。共重合体(P)を含む電極活物質層の柔軟性が向上するためである。 Although not particularly limited, it is preferable that m + n ≦ 6, and more preferably that m + n ≦ 5. It is even more preferable that m + n ≦ 4, and particularly preferable that m + n = 4. This is because the flexibility of the electrode active material layer containing copolymer (P) is improved.
一般式(1)において、R31は、炭素原子及び水素原子からなることが好ましい。R31は複数の炭素原子を有し、炭素原子間の結合は全て単結合であることがより好ましい。
一般式(1)において、R31は、直鎖の炭化水素基であってもよく、分岐構造を有する炭化水素基であってもよい。R31に含まれる炭素原子の数は10個以下であることが好ましく、8個以下であることがより好ましく、6個以下であることがさら好ましい。また、R31は、直接前記主鎖と結合していないことが好ましい。R31において、炭素原子間の結合は全て単結合であることが好ましい。置換基(c)の屈曲性を向上させ、電極バインダーの柔軟性を向上させるためである。
In general formula (1), R 31 preferably consists of a carbon atom and a hydrogen atom, and more preferably has a plurality of carbon atoms, and all of the bonds between the carbon atoms are single bonds.
In general formula (1), R 31 may be a linear hydrocarbon group or a hydrocarbon group having a branched structure. The number of carbon atoms contained in R 31 is preferably 10 or less, more preferably 8 or less, and even more preferably 6 or less. Furthermore, it is preferable that R 31 is not directly bonded to the main chain. In R 31 , it is preferable that all bonds between carbon atoms are single bonds. This is to improve the flexibility of the substituent (c) and improve the flexibility of the electrode binder.
一般式(1)において、R32はメチル基であることが好ましい。共重合体(P)を含む電極活物質層の剥離強度が向上するためである。 In general formula (1), R 32 is preferably a methyl group, because this improves the peel strength of the electrode active material layer containing the copolymer (P).
置換基(c)の式量をMcとすると、Mc/(m+n)≦400であることが好ましく、Mc/(m+n)≦300であることがより好ましく、Mc/(m+n)≦200であることがさらに好ましい。置換基(c)による分子鎖延長の効果、及び/または共重合体(P)の架橋密度を向上させ、集電体に対する電極活物質層の剥離強度及び電極活物質層の靭性が向上するためである。 Where the formula weight of the substituent (c) is Mc, it is preferable that Mc/(m+n) ≦ 400, more preferably Mc/(m+n) ≦ 300, and even more preferably Mc/(m+n) ≦ 200. This is because the substituent (c) has the effect of extending the molecular chain and/or improves the crosslinking density of the copolymer (P), thereby improving the peel strength of the electrode active material layer from the current collector and the toughness of the electrode active material layer.
置換基(c)は、多官能チオール化合物(C)由来の構造単位であり、前記多官能チオール化合物(C)は、1分子中にメルカプト基を2個以上有することが好ましい。ここで多官能チオール化合物(C)は、1分子中にメルカプト基を3個以上有することがより好ましく、4個以上有することがさらに好ましい。多官能チオール化合物(C)の詳細については、共重合体(P)の製造方法にて後述する。 Substituent (c) is a structural unit derived from a polyfunctional thiol compound (C), and the polyfunctional thiol compound (C) preferably has two or more mercapto groups per molecule. Here, the polyfunctional thiol compound (C) more preferably has three or more mercapto groups per molecule, and even more preferably has four or more mercapto groups per molecule. Details of the polyfunctional thiol compound (C) will be described later in the section on the method for producing copolymer (P).
共重合体(P)1gあたりに含まれる置換基(c)の量は、0.15×10-2mmol/g以上であり、0.30×10-2mmol/g以上であることが好ましく、0.65×10-2mmol/g以上であることがより好ましい。後述する電極において、電極の合材層強度が向上し、充放電サイクル後の放電容量維持率が向上するためである。 The amount of the substituent (c) contained per 1 g of the copolymer (P) is 0.15×10 −2 mmol/g or more, preferably 0.30×10 −2 mmol/g or more, and more preferably 0.65×10 −2 mmol/g or more, because in the electrode described below, the strength of the composite layer of the electrode is improved and the discharge capacity retention rate after charge-discharge cycles is improved.
共重合体(P)1gあたりに含まれる置換基(c)の量は、8.0×10-2mmol/g以下であり、5.5×10-2mmol/g以下であることが好ましく、4.0×10-2mmol/g以下であることがより好ましく、1.4×10-2mmol/g以下であることがさらに好ましい。後述する電極において、電極の柔軟性を向上させるためである。また、後述する非水系二次電池において、サイクル特性(放電容量維持率)を向上させるためである。 The amount of the substituent (c) contained per 1 g of the copolymer (P) is 8.0 × 10 -2 mmol/g or less, preferably 5.5 × 10 -2 mmol/g or less, more preferably 4.0 × 10 -2 mmol/g or less, and even more preferably 1.4 × 10 -2 mmol/g or less. This is to improve the flexibility of the electrode in the electrode described below. Also, this is to improve the cycle characteristics (discharge capacity retention rate) in the nonaqueous secondary battery described below.
[1-1-4.構造単位(d)]
構造単位(d)は、以下の一般式(2)で表される構造である。
[1-1-4. Structural unit (d)]
The structural unit (d) is a structure represented by the following general formula (2).
一般式(2)において、R41、R42、R44は各々独立に水素原子または炭素数1以上5以下のアルキル基である。R43は、炭素数1以上6以下のアルキル基であり、R42よりも炭素原子の数が多い。この式において、j及びkはそれぞれ、対応するカッコ内の構造が直列的に結合している数を意味する。jは1以上の整数、kは0以上の整数であり、j+k≧20である。 In general formula (2), R 41 , R 42 , and R 44 each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms. R 43 represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and has a larger number of carbon atoms than R 42. In this formula, j and k each represent the number of structures in the corresponding parentheses that are bonded in series. j is an integer of 1 or more, k is an integer of 0 or more, and j+k≧20.
一般式(2)において、R41、R42、R44は各々独立に水素原子または炭素数1以上3以下のアルキル基であることが好ましく、R41、R42、R44は各々独立に水素原子またはメチル基であることがより好ましい。R44はメチル基であることがさらに好ましい。 In general formula (2), R 41 , R 42 , and R 44 are preferably each independently a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, more preferably a hydrogen atom or a methyl group, and even more preferably a methyl group.
一般式(2)において、jは1以上の整数、kは0以上の整数であり、j+k≧20である。共重合体(P)を電極活物質のためのバインダーとして電極を作製した場合、電極の可撓性が向上し、クラックの発生を抑制されるためである。この観点から、j+k≧30であることが好ましく、j+k≧40であることがより好ましい。また、j+k≦500であることが好ましく、j+k≦200であることがより好ましく、j+k≦150であることがさらに好ましい。電極バインダーの結着力がより高くなるためである。In general formula (2), j is an integer of 1 or greater, k is an integer of 0 or greater, and j + k ≥ 20. This is because when an electrode is prepared using copolymer (P) as a binder for an electrode active material, the flexibility of the electrode is improved and the occurrence of cracks is suppressed. From this perspective, j + k ≥ 30 is preferable, and j + k ≥ 40 is more preferable. Furthermore, j + k ≤ 500 is preferable, j + k ≤ 200 is more preferable, and j + k ≤ 150 is even more preferable. This is because the binding strength of the electrode binder is increased.
なお、一般式(2)では、R42を含む構造単位j個及びR43を含む構造単位k個が含まれるということを限定しているが、これらの構造単位の配列について限定はしていない。すなわち、k≧1の場合、一般式(2)のポリオキシアルキレン鎖では、それぞれの構造単位が全てまたは一部が連続したブロック構造を有していてもよく、2つの構造単位が交互に配列した構造等の周期的な規則性をもって配列した構造でもよく、2つの構造単位がランダムに配列した構造でもよい。一般式(2)のポリオキシアルキレン鎖の好ましい形態としては、周期的な規則性をもって配列した構造、またはランダムに配列した構造である。一般式(2)を形成する分子鎖内での各構造単位の分布の偏りを抑制するためである。一般式(2)の共重合体のより好ましい形態としては、ランダムに配列した構造である。特殊な触媒を用いずにラジカル重合開始剤により重合可能であり、製造コストを低減できるためである。 In addition, while general formula (2) is limited to the presence of j structural units containing R 42 and k structural units containing R 43 , it does not limit the arrangement of these structural units. That is, when k≧1, the polyoxyalkylene chain of general formula (2) may have a block structure in which all or part of the structural units are continuous, a structure in which two structural units are arranged with periodic regularity, such as a structure in which two structural units are arranged alternately, or a structure in which two structural units are arranged randomly. A preferred form of the polyoxyalkylene chain of general formula (2) is a structure in which the structural units are arranged with periodic regularity or a structure in which the structural units are arranged randomly. This is to suppress uneven distribution of each structural unit within the molecular chain forming general formula (2). A more preferred form of the copolymer of general formula (2) is a structure in which the structural units are arranged randomly. This is because polymerization can be performed using a radical polymerization initiator without using a special catalyst, thereby reducing production costs.
一般式(2)において、R41、R42、R43、R44、j、kの組み合わせとして好ましい例としては、以下の表1の例が挙げられる。 In the general formula (2), preferred examples of the combination of R 41 , R 42 , R 43 , R 44 , j, and k include the examples in Table 1 below.
共重合体(P)における、構造単位(d)の含有率は、0.50質量%以上であることが好ましく、0.70質量%以上であることがより好ましく、3.5質量%以上であることがさらに好ましい。後述する電極の、クラック発生を抑制するためである。The content of structural unit (d) in copolymer (P) is preferably 0.50% by mass or more, more preferably 0.70% by mass or more, and even more preferably 3.5% by mass or more. This is to suppress the occurrence of cracks in the electrodes described below.
共重合体(P)における、構造単位(d)の含有率は、20.0質量%以下であることが好ましく、14.0質量%以下であることがより好ましく、7.0質量%以下であることがより好ましい。電極活物質層の剥離強度を向上させるためである。また、後述する非水系二次電池において、サイクル特性(放電容量維持率)を向上させるためである。 The content of structural unit (d) in copolymer (P) is preferably 20.0% by mass or less, more preferably 14.0% by mass or less, and even more preferably 7.0% by mass or less. This is to improve the peel strength of the electrode active material layer. It is also to improve the cycle characteristics (discharge capacity retention rate) in nonaqueous secondary batteries, which will be described later.
[1-1-5.構造単位(e)]
構造単位(e)は、以下の一般式(3)で表される構造である。
The structural unit (e) is a structure represented by the following general formula (3).
一般式(3)において、R51は水素原子またはメチル基を表し、R52は、芳香環を有する置換基である。R52に含まれる芳香環は1個であることが好ましい。R52は、アミド結合及びカルボキシ基の塩のいずれも有さないことが好ましい。R52は、ベンゼン環を有することが好ましく、炭素原子と水素原子からなることがより好ましい。 In general formula (3), R51 represents a hydrogen atom or a methyl group, and R52 is a substituent having an aromatic ring. R52 preferably contains one aromatic ring. R52 preferably does not have either an amide bond or a salt of a carboxy group. R52 preferably has a benzene ring, and more preferably consists of carbon atoms and hydrogen atoms.
構造単位(e)は、以下の一般式(6)で表されることが好ましい。 The structural unit (e) is preferably represented by the following general formula (6):
一般式(6)において、R51は水素原子またはメチル基である。R53は-CH2-または-(CH2CH2O)h-または-CH2CH(OH)CH2O-である。ここでhは1以上5以下の整数である。R54は、芳香環を有する置換基である。R53は-CH2-または-CH2CH2O-であることがより好ましく、-CH2-であることがさらに好ましい。R54に含まれる芳香環は1個であることが好ましい。R54は、ベンゼン環を有することが好ましく、炭素原子及び水素原子からなることがより好ましい。R54は、アミド結合及びカルボキシ基の塩のいずれも有さないことが好ましい。R54は、フェニル基であることが特に好ましい。 In general formula (6), R 51 is a hydrogen atom or a methyl group. R 53 is -CH 2 -, -(CH 2 CH 2 O) h -, or -CH 2 CH(OH)CH 2 O-. Here, h is an integer of 1 or more and 5 or less. R 54 is a substituent having an aromatic ring. R 53 is more preferably -CH 2 - or -CH 2 CH 2 O-, and even more preferably -CH 2 -. It is preferable that R 54 contains one aromatic ring. R 54 preferably has a benzene ring, and more preferably consists of carbon atoms and hydrogen atoms. It is preferable that R 54 does not have either an amide bond or a salt of a carboxy group. It is particularly preferable that R 54 is a phenyl group.
共重合体(P)1gあたりに含まれる、構造単位(e)の量は、0.030mmol/g以上であることが好ましく、0.045mmol/g以上であることがより好ましく、0.30mmol/g以上であることがさらに好ましい。後述する電極のクラックの発生が抑制され、電極の生産性が向上するためである。The amount of structural unit (e) contained per gram of copolymer (P) is preferably 0.030 mmol/g or more, more preferably 0.045 mmol/g or more, and even more preferably 0.30 mmol/g or more. This is because the occurrence of cracks in the electrode, as described below, is suppressed and electrode productivity is improved.
共重合体(P)1gあたりに含まれる、構造単位(e)の量は、1.75mmol/g以下であることが好ましく、1.50mmol/g以下であることがより好ましく、0.90mmol/g以下であることがさらに好ましい。後述する電極において、電極活物質層の剥離強度を向上させるため、及び電極活物質層の膨れを抑制するためである。また、後述する非水系二次電池において、サイクル特性(放電容量維持率)を向上させるためである。The amount of structural unit (e) contained per gram of copolymer (P) is preferably 1.75 mmol/g or less, more preferably 1.50 mmol/g or less, and even more preferably 0.90 mmol/g or less. This is to improve the peel strength of the electrode active material layer and suppress swelling of the electrode active material layer in the electrode described below. It is also to improve the cycle characteristics (discharge capacity retention rate) of the nonaqueous secondary battery described below.
[1-1-6.その他の構造]
共重合体(P)に含まれる、その他の構造としては、分子鎖末端の構造、前記主鎖から分岐した上記構造以外の構造が挙げられる。
[1-1-6. Other structures]
Examples of other structures contained in the copolymer (P) include structures at the molecular chain terminals and structures other than the above-mentioned structures branched from the main chain.
分子鎖末端の構造としては、例えば、重合開始剤由来の構造、連鎖移動剤由来の構造等が挙げられる。なお、置換基(c)は、例えば、一般式(1)においてn=1であっても分子鎖末端の構造とはしない。共重合体(P)中の末端構造の含有率は、10質量%以下であることが好ましく、2.0質量%以下であることがより好ましく、1.0質量%以下であることがさらに好ましい。共重合体(P)における上記構造による効果をより大きくするためである。なお、1個の連鎖移動剤由来の構造における、共重合体(P)の分子鎖への結合箇所は1箇所のみである。 Examples of molecular chain terminal structures include structures derived from polymerization initiators and chain transfer agents. Note that the substituent (c) is not considered a molecular chain terminal structure, even if, for example, n = 1 in general formula (1). The content of terminal structures in copolymer (P) is preferably 10% by mass or less, more preferably 2.0% by mass or less, and even more preferably 1.0% by mass or less. This is to maximize the effect of the above structures in copolymer (P). Note that each chain transfer agent-derived structure is bonded to the molecular chain of copolymer (P) at only one point.
共重合体(P)に含まれる上記構造以外の構造としては、カルボキシ基が挙げられる。共重合体(P)がカルボキシ基を有する場合、共重合体(P)1gあたりに含まれるカルボキシ基の量は0.030mmol/g以上であることが好ましく、1.5mmol/g以上であることがより好ましい。共重合体(P)1gあたりに含まれるカルボキシ基の量は5.0mmol/g以下であることが好ましく、3.0mmol/g以下であることがより好ましい。 An example of a structure contained in copolymer (P) other than the above structures is a carboxy group. When copolymer (P) contains a carboxy group, the amount of carboxy groups contained per 1 g of copolymer (P) is preferably 0.030 mmol/g or more, and more preferably 1.5 mmol/g or more. The amount of carboxy groups contained per 1 g of copolymer (P) is preferably 5.0 mmol/g or less, and more preferably 3.0 mmol/g or less.
共重合体(P)には、炭素原子間の結合からなる主鎖、置換基(c)、エステル結合、アミド結合、カルボキシ基の塩、構造単位(d)、構造単位(e)、及びカルボキシ基のいずれにも該当しない構造を含んでもよい。その含有率は0.50mmol/g以下であることが好ましく、0.30mmol/g以下であることがより好ましく、0.10mmol/g以下であることがさらに好ましい。共重合体(P)に含まれる、官能基及び構造による効果をより強く発揮させるためである。Copolymer (P) may contain a structure that does not fall under any of the following: a main chain formed by bonds between carbon atoms, a substituent (c), an ester bond, an amide bond, a salt of a carboxy group, a structural unit (d), a structural unit (e), or a carboxy group. Its content is preferably 0.50 mmol/g or less, more preferably 0.30 mmol/g or less, and even more preferably 0.10 mmol/g or less. This is to more effectively utilize the effects of the functional groups and structures contained in copolymer (P).
[1-1-7.共重合体(P)の好適な構成の例]
共重合体(P)の好適な構成の一例は、一般式(4)で表される構造単位(a)、一般式(5)で表させる構造単位(b)、及び一般式(1)で表される置換基(c)を有する共重合体が挙げられる。この共重合体において、分子鎖末端に開始剤由来の構造及び連鎖移動剤由来の構造等を有していてもよい。各構造単位の含有量は、共重合体(P)に導入する官能基及び構造の量によって決定する。共重合体(P)に含まれる官能基及び構造の量は、上記の通りである。この一例における共重合体(P)中の、構造単位(a)、構造単位(b)及び置換基(c)の合計含有率は、97.0質量%以上であることが好ましく、98.0質量%以上であることがより好ましく、99.0質量%以上であることがさらに好ましい。
[1-1-7. Examples of suitable structures of copolymer (P)]
An example of a suitable structure of the copolymer (P) is a copolymer having a structural unit (a) represented by general formula (4), a structural unit (b) represented by general formula (5), and a substituent (c) represented by general formula (1). This copolymer may have a structure derived from an initiator and a structure derived from a chain transfer agent at the molecular chain end. The content of each structural unit is determined by the amount of functional groups and structures introduced into the copolymer (P). The amount of functional groups and structures contained in the copolymer (P) is as described above. In this example, the total content of the structural unit (a), the structural unit (b), and the substituent (c) in the copolymer (P) is preferably 97.0% by mass or more, more preferably 98.0% by mass or more, and even more preferably 99.0% by mass or more.
共重合体(P)の好適な構成の別の一例は、構造単位(a)、構造単位(b)、及び置換基(c)に加えて、上記構造単位(d)及び構造単位(e)のうち一方または両方を有する共重合体が挙げられる。この共重合体において、分子鎖末端に開始剤由来の構造及び連鎖移動剤由来の構造等を有していてもよい。各構造単位の含有量は、共重合体(P)に導入する官能基及び構造の量によって決定する。共重合体(P)に含まれる官能基及び構造の量は、上記の通りである。この一例における共重合体(P)中の、構造単位(a)、構造単位(b)、置換基(c)、構造単位(d)、及び構造単位(e)の合計含有率は、97.0質量%以上であることが好ましく、98.0質量%以上であることがより好ましく、99.0質量%以上であることがさらに好ましい。Another example of a suitable structure for copolymer (P) is a copolymer having, in addition to structural unit (a), structural unit (b), and substituent (c), one or both of the structural unit (d) and structural unit (e). This copolymer may have a structure derived from an initiator and a structure derived from a chain transfer agent at the molecular chain end. The content of each structural unit is determined by the amount of functional groups and structures introduced into copolymer (P). The amounts of functional groups and structures contained in copolymer (P) are as described above. In this example, the total content of structural unit (a), structural unit (b), substituent (c), structural unit (d), and structural unit (e) in copolymer (P) is preferably 97.0% by mass or more, more preferably 98.0% by mass or more, and even more preferably 99.0% by mass or more.
〔1-2.共重合体(P)の製造方法〕
共重合体(P)の製造方法は、特に限定されないが、1分子中に2個以上のメルカプト基を有する多官能チオール化合物(C)の存在下で、エチレン性不飽和結合を有する単量体(M)を、ラジカル重合することが好ましい。重合は水性媒体中で行うことが好ましい。重合の手順としては、例えば、重合に使用する単量体(M)を全て一括して仕込んで重合する方法、重合に使用する単量体(M)を連続供給しながら重合する方法等が適用できる。重合温度は、特に限定されないが、30℃以上90℃以下であることが好ましい。
1-2. Method for producing copolymer (P)
The method for producing the copolymer (P) is not particularly limited, but preferably involves radical polymerization of a monomer (M) having an ethylenically unsaturated bond in the presence of a polyfunctional thiol compound (C) having two or more mercapto groups per molecule. The polymerization is preferably carried out in an aqueous medium. Examples of polymerization procedures that can be used include a method in which all of the monomers (M) used in the polymerization are charged at once and polymerized, and a method in which the monomers (M) used in the polymerization are polymerized while being continuously supplied. The polymerization temperature is not particularly limited, but is preferably 30°C or higher and 90°C or lower.
単量体(M)としては、アミド結合を有する単量体(A)、カルボキシ基の塩を有する単量体(B)を用いることが製造工程の簡素化のために好ましい。構造単位(d)含む共重合体(P)を合成する場合、後述する一般式(10)で表される単量体(D)を用いることが製造工程の簡素化のために好ましい。構造単位(e)含む共重合体(P)を合成する場合、後述する一般式(11)で表される単量体(E)を用いることが製造工程の簡素化のために好ましい。なお、これらの単量体を用いずに、重合後の反応等で、必要な官能基を形成させてもよい。As the monomer (M), it is preferable to use a monomer (A) having an amide bond or a monomer (B) having a salt of a carboxy group to simplify the manufacturing process. When synthesizing a copolymer (P) containing structural unit (d), it is preferable to use a monomer (D) represented by general formula (10) described below to simplify the manufacturing process. When synthesizing a copolymer (P) containing structural unit (e), it is preferable to use a monomer (E) represented by general formula (11) described below to simplify the manufacturing process. However, the necessary functional groups may be formed by a post-polymerization reaction or the like without using these monomers.
[1-2-1.単量体(A)]
単量体(A)は、エチレン性不飽和結合及びアミド結合を有する。なお、単量体(A)がカルボキシ基の塩を有する場合、この単量体(A)は単量体(B)にも該当する。単量体(A)は、(メタ)アクリロイルオキシ基を有することが好ましい。重合速度が向上し、共重合体(P)の生産性が向上するためである。単量体(A)は、以下の一般式(7)で表される構造であることがより好ましい。
[1-2-1. Monomer (A)]
The monomer (A) has an ethylenically unsaturated bond and an amide bond. When the monomer (A) has a salt of a carboxy group, the monomer (A) also corresponds to the monomer (B). The monomer (A) preferably has a (meth)acryloyloxy group. This is because the polymerization rate is improved and the productivity of the copolymer (P) is improved. The monomer (A) more preferably has a structure represented by the following general formula (7).
一般式(7)における、R11、R12は、上記一般式(4)におけるこれらの構成と同様である。単量体(A)の特に好ましい具体例は、N-ビニルホルムアミド(R11:HかつR12:H)、またはN-ビニルアセトアミド(R11:HかつR12:CH3)である。単量体(A)の質量に対するアミド結合の量が多く、共重合体(P)により多くのアミド結合を含ませることができるためである。 In general formula (7), R 11 and R 12 have the same structure as those in general formula (4). Particularly preferred examples of the monomer (A) are N-vinylformamide (R 11 : H and R 12 : H) and N-vinylacetamide (R 11 : H and R 12 : CH 3 ). This is because the amount of amide bonds relative to the mass of the monomer (A) is large, and therefore the copolymer (P) can contain a large number of amide bonds.
[1-2-2.単量体(B)]
単量体(B)は、エチレン性不飽和結合及びカルボキシ基の塩を有する。なお、単量体(B)がアミド結合を有する場合、この単量体(B)は、単量体(A)にも該当する。単量体(B)は、(メタ)アクリロイルオキシ基を有することが好ましい。重合速度が向上し、共重合体(P)の生産性が向上するためである。単量体(B)は、以下の一般式(8)で表される構造であることがより好ましい。
[1-2-2. Monomer (B)]
The monomer (B) has an ethylenically unsaturated bond and a salt of a carboxy group. When the monomer (B) has an amide bond, the monomer (B) also corresponds to the monomer (A). The monomer (B) preferably has a (meth)acryloyloxy group. This is because the polymerization rate is improved, and the productivity of the copolymer (P) is improved. The monomer (B) more preferably has a structure represented by the following general formula (8).
一般式(8)における、R2及びXは、上記一般式(5)におけるこれらの構成と同様である。単量体(B)として、一般式(8)においてXが異なる2種類以上の化合物を用いてもよい。例えば、単量体(B)として、リチウム塩、及びナトリウム塩の2種類の化合物を用いてもよい。 In general formula (8), R2 and X have the same structure as those in general formula (5). As the monomer (B), two or more types of compounds having different X in general formula (8) may be used. For example, two types of compounds, a lithium salt and a sodium salt, may be used as the monomer (B).
[1-2-3.多官能チオール化合物(C)]
多官能チオール化合物(C)は、2個以上のメルカプト基を有する。多官能チオール化合物(C)は、以下の一般式(9)で表される構造であることが好ましい。安価かつ容易に入手できること、及び反応速度が向上し、共重合体(P)の生産性が向上するためである。
[1-2-3. Polyfunctional thiol compound (C)]
The polyfunctional thiol compound (C) has two or more mercapto groups. The polyfunctional thiol compound (C) preferably has a structure represented by the following general formula (9). This is because the polyfunctional thiol compound (C) is inexpensive and easily available, and the reaction rate is improved, thereby improving the productivity of the copolymer (P).
一般式(9)における、R32は、上記一般式(1)における構成と同様である。R33は、炭化水素基である。fは、R33に直接結合している対応する置換基の数(カッコ内の構造の分岐の数)を表す。f≧2である。 In general formula (9), R32 has the same structure as in general formula (1). R33 is a hydrocarbon group. f represents the number of corresponding substituents directly bonded to R33 (the number of branches in the structure in parentheses). f≧2.
f≧3であることが好ましく、f≧4であることがより好ましい。共重合体(P)において架橋構造を形成させることができ、共重合体(P)を含む電極活物質層の、集電体に対する剥離強度及び靭性が向上するためである。また、特に限定されないが、f≦6であることが好ましく、f≦5であることがより好ましく、f≦4であることがさらに好ましく、f=4であることが最も好ましい。共重合体(P)を含む電極活物質層の柔軟性が向上するためである。 Preferably, f ≧ 3, and more preferably f ≧ 4. This is because a crosslinked structure can be formed in the copolymer (P), improving the peel strength and toughness of the electrode active material layer containing the copolymer (P) relative to the current collector. Although not particularly limited, f ≦ 6 is preferred, f ≦ 5 is more preferred, f ≦ 4 is even more preferred, and f = 4 is most preferred. This is because the flexibility of the electrode active material layer containing the copolymer (P) is improved.
一般式(9)において、R33は、直鎖の炭化水素基であってもよく、分岐構造を有する炭化水素基であってもよい。R33に含まれる炭素原子の数は10個以下であることが好ましく、8個以下であることがより好ましく、6個以下であることがさら好ましい。また、R33は、エチレン性不飽和結合を有さないことが好ましい。架橋密度の偏り及び、架橋密度が過剰になることを抑制するためである。 In general formula (9), R 33 may be a linear hydrocarbon group or a hydrocarbon group having a branched structure. The number of carbon atoms contained in R 33 is preferably 10 or less, more preferably 8 or less, and even more preferably 6 or less. Furthermore, R 33 preferably does not have an ethylenically unsaturated bond. This is to prevent uneven crosslink density and excessive crosslink density.
多官能チオール化合物(C)のチオール当量(メルカプト基1個当たりの分子量)は400以下であることが好ましく、300以下であることがより好ましく、200以下であることがさらに好ましい。多官能チオール化合物(C)による分子鎖延長の効果、及び/または共重合体(P)の架橋密度を向上させ、集電体に対する電極活物質層の剥離強度及び電極活物質層の靭性が向上するためである。 The thiol equivalent weight (molecular weight per mercapto group) of the polyfunctional thiol compound (C) is preferably 400 or less, more preferably 300 or less, and even more preferably 200 or less. This is because the effect of molecular chain extension by the polyfunctional thiol compound (C) and/or the crosslinking density of the copolymer (P) are improved, thereby improving the peel strength of the electrode active material layer from the current collector and the toughness of the electrode active material layer.
同様の理由から、多官能チオール化合物(C)が、式(9)で表される化合物である場合、多官能チオール化合物(C)の分子量をMCとすると、MC/f≦400であることが好ましく、MC/f≦300であることがより好ましく、MC/f≦200であることがさらに好ましい。 For the same reason, when the polyfunctional thiol compound (C) is a compound represented by formula (9), where MC is the molecular weight of the polyfunctional thiol compound (C), it is preferable that MC/f≦400, more preferably MC/f≦300, and even more preferably MC/f≦200.
多官能チオール化合物(C)としては、例えばペンタエリスリトール=テトラキス(3-メルカプトブチレート)、ペンタエリスリトール=テトラキス(3-メルカプトプロピオネート)、トリメチロールプロパン=トリス(3-メルカプトブチレート)、トリメチロールプロパン=トリス(3-メルカプトプロピオネート)、トリス-[(3-メルカプトプロピオニルオキシ)-エチル]-イソシアヌレート、1,4-ビス(3-メルカプトブチリルオキシ)ブタン、テトラエチレングリコール=ビス(3-メルカプトプロピオネート)、ジペンタエリスリトール=ヘキサキス(3-メルカプトプロピオネート)等があげられる。単量体(C)は、これらの化合物のうち、ペンタエリスリトール=テトラキス(3-メルカプトブチレート)、ペンタエリスリトール=テトラキス(3-メルカプトプロピオネート)、トリメチロールプロパン=トリス(3-メルカプトブチレート)、1,4-ビス(3-メルカプトブチリルオキシ)ブタンを含むことがさらに好ましい。 Examples of polyfunctional thiol compounds (C) include pentaerythritol tetrakis(3-mercaptobutyrate), pentaerythritol tetrakis(3-mercaptopropionate), trimethylolpropane tris(3-mercaptobutyrate), trimethylolpropane tris(3-mercaptopropionate), tris-[(3-mercaptopropionyloxy)-ethyl]-isocyanurate, 1,4-bis(3-mercaptobutyryloxy)butane, tetraethylene glycol bis(3-mercaptopropionate), and dipentaerythritol hexakis(3-mercaptopropionate). Of these compounds, the monomer (C) more preferably contains pentaerythritol tetrakis(3-mercaptobutyrate), pentaerythritol tetrakis(3-mercaptopropionate), trimethylolpropane tris(3-mercaptobutyrate), or 1,4-bis(3-mercaptobutyryloxy)butane.
[1-2-4.単量体(D)]
単量体(D)は、以下の一般式(10)で表される。
[1-2-4. Monomer (D)]
The monomer (D) is represented by the following general formula (10).
一般式(10)においてk=0であることがより好ましい。k=0の単量体(D)の例として、ポリエチレングリコールのモノ(メタ)アクリレートが挙げられ、より具体的には、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート(例えば、表1の単量体d1、d2)等を挙げることができる。メトキシポリエチレングリコールメタクリレートの一例としては、EVONIK INDUSTRIES製のVISIOMER(登録商標)MPEG2005 MA Wが挙げられる。この製品においてはR41=CH3、R42=H、R44=CH3、j=45、k=0である。メトキシポリエチレングリコールメタクリレートの他の例としては、EVONIK INDUSTRIES製のVISIOMER(登録商標)MPEG5005 MA Wが挙げられ、この製品においては、R41=CH3、R42=H、R44=CH3、j=113、k=0である。 In general formula (10), k = 0 is more preferred. Examples of the monomer (D) in which k = 0 include polyethylene glycol mono(meth)acrylates, and more specifically, methoxypolyethylene glycol (meth)acrylates (e.g., monomers d1 and d2 in Table 1). An example of methoxypolyethylene glycol methacrylate is VISIOMER (registered trademark) MPEG2005 MA W manufactured by EVONIK INDUSTRIES. In this product, R41 = CH3 , R42 = H, R44 = CH3 , j = 45, and k = 0. Another example of methoxypolyethylene glycol methacrylate is VISIOMER® MPEG5005 MA W manufactured by EVONIK INDUSTRIES, in which R 41 =CH 3 , R 42 =H, R 44 =CH 3 , j=113, k=0.
k=0の単量体(D)の別の例として、ポリプロピレングリコールのモノ(メタ)アクリレートが挙げられ、より具体的には、メトキシポリプロピレングリコール(メタ)アクリレート等を挙げることができる。 Another example of monomer (D) where k = 0 is polypropylene glycol mono(meth)acrylate, more specifically, methoxypolypropylene glycol (meth)acrylate, etc.
[1-2-5.単量体(E)]
単量体(E)は、以下の一般式(11)で表される。
[1-2-5. Monomer (E)]
The monomer (E) is represented by the following general formula (11).
一般式(11)における、R51及びR52は、上記一般式(3)におけるこれらの構成と同様である。 In the general formula (11), R 51 and R 52 have the same structure as those in the general formula (3).
単量体(E)は、以下の一般式(12)で表されることが好ましい。 It is preferable that monomer (E) is represented by the following general formula (12):
一般式(12)における、R51、R53、及びR54は、上記一般式(6)におけるこれらの構成と同様である。 In the general formula (12), R 51 , R 53 and R 54 have the same structure as those in the general formula (6) above.
単量体(E)としては、例えば、(メタ)アクリル酸ベンジル、(メタ)アクリル酸フェノキシエチル、フェノキシエチレングリコール(メタ)アクリレート、フェノキシジエチレングリコール(メタ)アクリレート、フェノキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、エトキシ化-o-フェニルフェノール(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシ-3-フェノキシプロピル(メタ)アクリレート等が挙げられる。単量体(E)は、これらの化合物のうち、(メタ)アクリル酸ベンジル、(メタ)アクリル酸フェノキシエチルのうち一方または両方を用いることがより好ましい。 Examples of monomer (E) include benzyl (meth)acrylate, phenoxyethyl (meth)acrylate, phenoxyethylene glycol (meth)acrylate, phenoxydiethylene glycol (meth)acrylate, phenoxypolyethylene glycol (meth)acrylate, ethoxylated-o-phenylphenol (meth)acrylate, and 2-hydroxy-3-phenoxypropyl (meth)acrylate. Of these compounds, it is more preferable to use one or both of benzyl (meth)acrylate and phenoxyethyl (meth)acrylate as monomer (E).
[1-2-7.重合開始剤]
ラジカル重合の場合、重合開始剤としては、例えば、過酸化水素、t-ブチルハイドロパーオキサイド、アゾ化合物等が挙げられるが、これらに限られない。アゾ化合物としては、例えば、2,2’-アゾビス(2-メチルプロピオンアミジン)2塩酸塩が挙げられる。重合を水中で行う場合は、水溶性の重合開始剤を用いることが好ましい。また、必要に応じて、重合の際にラジカル重合開始剤と、還元剤とを併用して、レドックス重合してもよい。還元剤としては、重亜硫酸ナトリウム、ロンガリット、アスコルビン酸等が挙げられる。なお、重合開始剤としてアゾ化合物を用いる場合、過硫酸塩等、アゾ化合物からのラジカル生成を補助する成分を添加してもよいが、これらの成分は、共重合体(P)の構成とはならない。過硫酸塩としては過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム等が挙げられる。
[1-2-7. Polymerization initiator]
In the case of radical polymerization, examples of polymerization initiators include, but are not limited to, hydrogen peroxide, t-butyl hydroperoxide, and azo compounds. Examples of azo compounds include 2,2'-azobis(2-methylpropionamidine) dihydrochloride. When polymerization is carried out in water, it is preferable to use a water-soluble polymerization initiator. If necessary, redox polymerization may be carried out by using a radical polymerization initiator in combination with a reducing agent during polymerization. Examples of reducing agents include sodium bisulfite, Rongalite, and ascorbic acid. When an azo compound is used as the polymerization initiator, a component that assists radical generation from the azo compound, such as a persulfate, may be added, but these components do not constitute the copolymer (P). Examples of persulfates include ammonium persulfate and potassium persulfate.
[1-2-8.水性媒体]
水性媒体として水を用いることが好ましいが、得られるバインダー用共重合体の重合安定性を損なわない限り、水に親水性の溶媒を添加したものを水性媒体として用いてもよい。水に添加する親水性の溶媒としては、メタノール、エタノール及びN-メチルピロリドン等が挙げられる。
[1-2-8. Aqueous medium]
Although water is preferably used as the aqueous medium, a hydrophilic solvent may be added to water as long as the polymerization stability of the resulting binder copolymer is not impaired. Examples of the hydrophilic solvent to be added to water include methanol, ethanol, and N-methylpyrrolidone.
[1-2-9.連鎖移動剤]
重合に際し、共重合体(P)の分子量を調節する目的で連鎖移動剤を用いてもよい。連鎖移動剤として、特に制限されることはないが、例えばβ-メルカプトプロピオン酸及びチオグリコール酸オクチル等の単官能チオール、イソプロピルアルコール及びエタノール等のアルコール、四臭化炭素及び四塩化炭素等のハロゲン化炭化水素、及びα-メチルスチレンダイマー等が挙げられる。
[1-2-9. Chain transfer agent]
During the polymerization, a chain transfer agent may be used to adjust the molecular weight of the copolymer (P). The chain transfer agent is not particularly limited, but examples thereof include monofunctional thiols such as β-mercaptopropionic acid and octyl thioglycolate, alcohols such as isopropyl alcohol and ethanol, halogenated hydrocarbons such as carbon tetrabromide and carbon tetrachloride, and α-methylstyrene dimer.
[1-2-10.重合成分中の各成分の含有量]
重合反応により共重合体(P)の構造の一部となる化合物を重合成分とすると、重合成分には、各単量体、連鎖移動剤、及び重合開始剤が含まれる。重合成分の構成は共重合体(P)に導入する官能基及び構造の量によって決定される。ラジカル重合であれば、特定の官能基を変化させるための操作がない限り、各単量体は全て、エチレン性不飽和結合以外の部分は反応せずに共重合体(P)の構造単位となる。また、ラジカル重合であれば、特定の官能基を変化させるための操作がない限り、多官能チオール化合物(C)は全て、共重合体(P)の置換基(c)となる。
[1-2-10. Content of each component in the polymerizable components]
If the compounds that become part of the structure of the copolymer (P) through a polymerization reaction are considered polymerization components, the polymerization components include each monomer, a chain transfer agent, and a polymerization initiator. The composition of the polymerization components is determined by the amount of functional groups and structures introduced into the copolymer (P). In the case of radical polymerization, unless there is an operation to change a specific functional group, all of the monomers except for the ethylenically unsaturated bond do not react and become structural units of the copolymer (P). Furthermore, in the case of radical polymerization, unless there is an operation to change a specific functional group, all of the polyfunctional thiol compound (C) becomes the substituent (c) of the copolymer (P).
共重合体(P)の合成において、単量体(D)および単量体(E)を用いない形態、単量体(D)及び単量体(E)のうち一方または両方を用いる形態が挙げられる。 In the synthesis of copolymer (P), there are forms in which neither monomer (D) nor monomer (E) is used, and forms in which one or both of monomer (D) and monomer (E) are used.
以下、本発明にかかる共重合体(P)を得るために用いる、各単量体及び多官能チオール化合物(C)の好適な使用量について説明するが、これに限定されない。ここでは、共重合体(P)の合成に用いられる単量体、多官能チオール化合物(C)、重合開始剤、及び連鎖移動剤を用いる場合は連鎖移動剤も合わせて重合成分と呼ぶ。 The following describes suitable amounts of each monomer and polyfunctional thiol compound (C) used to obtain the copolymer (P) of the present invention, but is not limited to these. Hereinafter, the monomers, polyfunctional thiol compound (C), polymerization initiator, and, if a chain transfer agent is used, the chain transfer agent used in the synthesis of the copolymer (P) are collectively referred to as polymerization components.
重合成分1gあたりに含まれる単量体(A)の量は、0.050mmol/g以上であることが好ましく、0.085mmol/g以上であることがより好ましく、0.40mmol/g以上であることがさらに好ましい。重合成分1gあたりに含まれる単量体(A)の量は、5.0mmol/g以下であることが好ましく、3.0mmol/g以下であることがより好ましく、1.7mmol/g以下であることがさらに好ましく、0.90mmol/g以下であることが特に好ましい。The amount of monomer (A) contained per 1 g of polymerization component is preferably 0.050 mmol/g or more, more preferably 0.085 mmol/g or more, and even more preferably 0.40 mmol/g or more. The amount of monomer (A) contained per 1 g of polymerization component is preferably 5.0 mmol/g or less, more preferably 3.0 mmol/g or less, even more preferably 1.7 mmol/g or less, and particularly preferably 0.90 mmol/g or less.
重合成分1gあたりに含まれる単量体(B)の量は、5.0mmol/g以上であることが好ましく、6.0mmol/g以上であることがより好ましく、7.0mmol/g以上であることがさらに好ましい。重合成分1gあたりに含まれる単量体(B)の量は、12.0mmol/g以下であることが好ましく、9.9mmol/g以下であることがより好ましい。なお、2価以上のカチオンに単量体(B)の構造に対応するカルボン酸イオンが複数結合している場合は、単量体(B)はそのカチオンに結合している数存在すると考える。The amount of monomer (B) contained per 1 g of polymerization component is preferably 5.0 mmol/g or more, more preferably 6.0 mmol/g or more, and even more preferably 7.0 mmol/g or more. The amount of monomer (B) contained per 1 g of polymerization component is preferably 12.0 mmol/g or less, and more preferably 9.9 mmol/g or less. Note that when multiple carboxylate ions corresponding to the structure of monomer (B) are bonded to a divalent or higher cation, it is considered that there are as many monomers (B) as there are bonded to the cations.
重合成分1gあたりに含まれる多官能チオール化合物(C)の量は、0.15×10-2mmol/g以上であり、0.30×10-2mmol/g以上であることが好ましく、0.65×10-2mmol/g以上であることがより好ましい。重合成分1gあたりに含まれる多官能チオール化合物(C)の量は、8.0×10-2mmol/g以下であり、5.5×10-2mmol/g以下であることが好ましく、4.0×10-2mmol/g以下であることがより好ましく、1.4×10-2mmol/g以下であることがさらに好ましい。 The amount of the polyfunctional thiol compound (C) contained per 1 g of the polymerization component is 0.15 × 10 -2 mmol/g or more, preferably 0.30 × 10 -2 mmol/g or more, and more preferably 0.65 × 10 -2 mmol/g or more. The amount of the polyfunctional thiol compound (C) contained per 1 g of the polymerization component is 8.0 × 10 -2 mmol/g or less, preferably 5.5 × 10 -2 mmol/g or less, more preferably 4.0 × 10 -2 mmol/g or less, and even more preferably 1.4 × 10 -2 mmol/g or less.
重合成分中の単量体(D)の含有率は、0.50質量%以上であることが好ましく、0.70質量%以上であることがより好ましく、3.5質量%以上であることがさらに好ましい。重合成分中の単量体(D)の含有率は、20.0質量%以下であることが好ましく、14.0質量%以下であることがより好ましく、7.0質量%以下であることがより好ましい。The content of monomer (D) in the polymerization components is preferably 0.50% by mass or more, more preferably 0.70% by mass or more, and even more preferably 3.5% by mass or more. The content of monomer (D) in the polymerization components is preferably 20.0% by mass or less, more preferably 14.0% by mass or less, and even more preferably 7.0% by mass or less.
重合成分1gあたりに含まれる単量体(E)の量は、0.030mmol/g以上であることが好ましく、0.045mmol/g以上であることがより好ましく、0.30mmol/g質量%以上であることがさらに好ましい。重合成分1gあたりに含まれる単量体(E)の量は、1.75mmol/g以下であることが好ましく、1.50mmol/g質量%以下であることが好ましく、0.90mmol/g質量%以下であることがより好ましい。The amount of monomer (E) contained per 1 g of polymerization component is preferably 0.030 mmol/g or more, more preferably 0.045 mmol/g or more, and even more preferably 0.30 mmol/g mass% or more. The amount of monomer (E) contained per 1 g of polymerization component is preferably 1.75 mmol/g or less, preferably 1.50 mmol/g mass% or less, and more preferably 0.90 mmol/g mass% or less.
重合成分中の連鎖移動剤の含有率は、特に制限されることはないが、0.10質量%以上であることが好ましく、0.25質量%以上であることがより好ましく、0.35質量%以上であることがさらに好ましい。重合成分中の連鎖移動剤の含有率は、特に制限されることはないが、10質量%以下であることが好ましく、2.0質量%以下であることがより好ましく、0.70質量%以下であることがさらに好ましい。The content of the chain transfer agent in the polymerization components is not particularly limited, but is preferably 0.10% by mass or more, more preferably 0.25% by mass or more, and even more preferably 0.35% by mass or more. The content of the chain transfer agent in the polymerization components is not particularly limited, but is preferably 10% by mass or less, more preferably 2.0% by mass or less, and even more preferably 0.70% by mass or less.
重合成分1gあたりに含まれる連鎖移動剤の量は、1.0×10-2mmol/g以上であることが好ましく、2.0×10-2mmol/g以上であることがより好ましく、3.0×10-2mmol/g以上であることがさらに好ましい。重合成分1gあたりに含まれる連鎖移動剤の量は、20×10-2mmol/g以下であることが好ましく、10×10-2mmol/g以下であることがより好ましく、7.0×10-2mmol/g以下であることがさらに好ましい。 The amount of chain transfer agent contained per 1 g of polymerization component is preferably 1.0×10 −2 mmol/g or more, more preferably 2.0×10 −2 mmol/g or more, and even more preferably 3.0×10 −2 mmol/g or more. The amount of chain transfer agent contained per 1 g of polymerization component is preferably 20×10 −2 mmol/g or less, more preferably 10×10 −2 mmol/g or less, and even more preferably 7.0×10 −2 mmol/g or less.
重合成分中の重合開始剤の含有率は、0.020質量%以上であることが好ましく、0.10質量%以上であることがより好ましく、0.15質量%以上であることがさらに好ましい。重合成分中の重合開始剤の含有率は、1.0質量%以下であることが好ましく、0.50質量%以下であることがより好ましく、0.35質量%以下であることがさらに好ましい。ここで、還元剤等の共重合体(P)の構造とはならずに重合開始剤の機能を補助する成分は含まない。The content of the polymerization initiator in the polymerization components is preferably 0.020% by mass or more, more preferably 0.10% by mass or more, and even more preferably 0.15% by mass or more. The content of the polymerization initiator in the polymerization components is preferably 1.0% by mass or less, more preferably 0.50% by mass or less, and even more preferably 0.35% by mass or less. This does not include components such as reducing agents that do not form part of the copolymer (P) structure and that support the function of the polymerization initiator.
重合成分1gあたりに含まれる重合開始剤の量は、0.10×10-2mmol/g以上であることが好ましく、0.20×10-2mmol/g以上であることがより好ましく、0.50×10-2mmol/g以上であることがさらに好ましい。重合成分1gあたりに含まれる重合開始剤の量は、5.0×10-2mmol/g以下であることが好ましく、2.0×10-2mmol/g以下であることがより好ましく、1.0×10-2mmol/g以下であることがさらに好ましい。ここで、還元剤等の共重合体(P)の構造とはならずに重合開始剤の機能を補助する成分は含まない。 The amount of polymerization initiator contained per 1 g of polymerization components is preferably 0.10×10 −2 mmol/g or more, more preferably 0.20×10 −2 mmol/g or more, and even more preferably 0.50×10 −2 mmol/g or more. The amount of polymerization initiator contained per 1 g of polymerization components is preferably 5.0×10 −2 mmol/g or less, more preferably 2.0×10 −2 mmol/g or less, and even more preferably 1.0×10 −2 mmol/g or less. Here, components such as reducing agents that do not form part of the structure of copolymer (P) and that assist the function of the polymerization initiator are not included.
共重合体(P)の合成方法の一例として、単量体(M)(全単量体)中の一般式(7)で表される単量体及び一般式(8)で表される単量体の合計含有率は90質量%以上であり、95質量%以上であることが好ましく、100質量%であることがさらに好ましい構成が挙げられる。 An example of a method for synthesizing copolymer (P) is a configuration in which the total content of the monomer represented by general formula (7) and the monomer represented by general formula (8) in monomer (M) (total monomers) is 90% by mass or more, preferably 95% by mass or more, and even more preferably 100% by mass.
また別の一例として、単量体(D)及び単量体(E)のうち一方または両方が用いられる構成が挙げられる。この一例では、単量体(M)(全単量体)中の一般式(7)で表される単量体、一般式(8)で表される単量体、一般式(10)で表される単量体、及び一般式(11)で表される単量体の合計含有率は90質量%以上であり、95質量%以上であることが好ましく、100質量%であることがさらに好ましい。 Another example is a configuration in which one or both of monomer (D) and monomer (E) are used. In this example, the total content of the monomer represented by general formula (7), the monomer represented by general formula (8), the monomer represented by general formula (10), and the monomer represented by general formula (11) in monomer (M) (total monomers) is 90% by mass or more, preferably 95% by mass or more, and more preferably 100% by mass.
〔1-3.非水系二次電池電極バインダーの製造方法〕
非水系二次電池電極バインダーの製造方法は、エチレン性不飽和結合を有する単量体(M)を、1分子中に2個以上のメルカプト基を有する多官能チオール化合物(C)の存在下でラジカル重合する重合工程を含む。
非水系二次電池電極バインダーの製造方法は、共重合体(P)の製造方法と同じであってもよく、さらに工程を加えてもよい。共重合体(P)の製造方法は上記の通りである。さらに加えられる工程は、例えば、精製工程、添加剤の混合工程等が挙げられる。
[1-3. Method for producing non-aqueous secondary battery electrode binder]
The method for producing a non-aqueous secondary battery electrode binder includes a polymerization step of radically polymerizing a monomer (M) having an ethylenically unsaturated bond in the presence of a polyfunctional thiol compound (C) having two or more mercapto groups in one molecule.
The method for producing the nonaqueous secondary battery electrode binder may be the same as the method for producing the copolymer (P), or may include additional steps. The method for producing the copolymer (P) is as described above. Examples of additional steps include a purification step and a mixing step of additives.
<2.非水系二次電池電極用バインダー組成物>
本実施形態の非水系二次電池電極バインダー組成物(以下、「電極バインダー組成物」とすることもある。)は、電極バインダー、及び水性媒体を含む。また、電極バインダー組成物は、必要に応じてpH調整剤、界面活性剤等、その他の成分を含んでもよい。
<2. Binder composition for non-aqueous secondary battery electrodes>
The nonaqueous secondary battery electrode binder composition (hereinafter sometimes referred to as "electrode binder composition") of this embodiment contains an electrode binder and an aqueous medium. The electrode binder composition may also contain other components such as a pH adjuster and a surfactant, as necessary.
電極バインダー組成物に含まれる水性媒体は、水を含む。電極バインダー組成物に含まれる水性媒体は、親水性の溶媒を含んでもよい。親水性の溶媒としては、メタノール、エタノール及びN-メチルピロリドン等が挙げられる。電極バインダー組成物に含まれる水性媒体中の水の含有率は80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましく、95質量%以上であることがさらに好ましい。 The aqueous medium contained in the electrode binder composition contains water. The aqueous medium contained in the electrode binder composition may also contain a hydrophilic solvent. Examples of hydrophilic solvents include methanol, ethanol, and N-methylpyrrolidone. The water content in the aqueous medium contained in the electrode binder composition is preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, and even more preferably 95% by mass or more.
電極バインダー組成物に含まれる水性媒体の組成は、共重合体(P)の合成に用いた水性媒体と同じであってもよく、異なっていてもよい。また、本実施形態の電極バインダー組成物において、電極バインダーは、水性媒体中に溶解していてもよく、分散していてもよい。The composition of the aqueous medium contained in the electrode binder composition may be the same as or different from the aqueous medium used in synthesizing the copolymer (P). Furthermore, in the electrode binder composition of this embodiment, the electrode binder may be dissolved or dispersed in the aqueous medium.
電極バインダー組成物中の共重合体(P)の含有率は、30質量%以下であることが好ましく、20質量%以下であることがより好ましい。電極バインダー組成物の粘度の上昇を抑制し、後述する電極活物質等と混合して、電極スラリーを作製する場合に、効率よく電極活物質等を分散させるためである。The content of copolymer (P) in the electrode binder composition is preferably 30% by mass or less, and more preferably 20% by mass or less. This is to suppress an increase in the viscosity of the electrode binder composition and to efficiently disperse the electrode active material, etc., when the electrode binder composition is mixed with the electrode active material, etc., described below, to prepare an electrode slurry.
電極バインダー組成物中の共重合体(P)の含有率は、3.0質量%以上であることが好ましく、5.0質量%以上であることがより好ましく、8.0質量%以上であることがさらに好ましい。より少ない電極バインダー組成物から電極スラリー及び電極を作製することができるためである。The content of copolymer (P) in the electrode binder composition is preferably 3.0% by mass or more, more preferably 5.0% by mass or more, and even more preferably 8.0% by mass or more. This is because the electrode slurry and electrode can be produced using a smaller amount of electrode binder composition.
電極バインダー組成物のpHは、4.0以上であることが好ましく、5.0以上であることがより好ましく、6.0以上であることがさらに好ましい。後述する電極活物質等と混合して、電極スラリーを作製する場合に、効率よく電極活物質等を分散させるためである。電極バインダー組成物のpHは、11以下であることが好ましく、10以下であることがより好ましく、9.0以下であることがさらに好ましい。後述する電極活物質等と混合して、電極スラリーを作製する場合に、効率よく電極活物質等を分散させるためである。ここで、pHは、液温23℃において、pHメーターにより測定された値である。 The pH of the electrode binder composition is preferably 4.0 or higher, more preferably 5.0 or higher, and even more preferably 6.0 or higher. This is to ensure efficient dispersion of the electrode active material, etc., when mixed with the electrode active material, etc., described below, to prepare an electrode slurry. The pH of the electrode binder composition is preferably 11 or lower, more preferably 10 or lower, and even more preferably 9.0 or lower. This is to ensure efficient dispersion of the electrode active material, etc., when mixed with the electrode active material, etc., described below, to prepare an electrode slurry. Here, the pH is the value measured with a pH meter at a liquid temperature of 23°C.
<3.非水系二次電池電極スラリー>
本実施形態の非水系二次電池電極スラリー(以下、「電極スラリー」とすることもある。)では、電極バインダーと、電極活物質とが、水性媒体に溶解または分散している。本実施形態の電極スラリーは、必要に応じて導電助剤、増粘剤等を含んでもよいが、電極スラリー作製工程を簡単化するためには、増粘剤を含まないほうが好ましい。電極スラリーを調製する方法としては、特に限定されないが、例えば、攪拌式、回転式、または振とう式などの混合装置を使用して必要な成分を混合する方法が挙げられる。
<3. Non-aqueous secondary battery electrode slurry>
In the non-aqueous secondary battery electrode slurry of this embodiment (hereinafter sometimes referred to as "electrode slurry"), an electrode binder and an electrode active material are dissolved or dispersed in an aqueous medium. The electrode slurry of this embodiment may contain a conductive aid, a thickener, etc. as needed, but it is preferable that the electrode slurry does not contain a thickener in order to simplify the electrode slurry preparation process. The method for preparing the electrode slurry is not particularly limited, and examples include a method in which the necessary components are mixed using a mixing device such as a stirring type, a rotary type, or a shaking type.
電極スラリーの不揮発分濃度は好ましくは30質量%以上であり、より好ましくは40質量%以上である。少ない電極スラリーの量でより多くの電極活物質層を形成させるためである。電極スラリーの不揮発分濃度は好ましくは70質量%以下であり、より好ましくは60質量%以下である。不揮発分濃度は、水性媒体の量により調整できる。 The nonvolatile content of the electrode slurry is preferably 30% by mass or more, and more preferably 40% by mass or more. This is to allow a larger amount of electrode active material layer to be formed with a smaller amount of electrode slurry. The nonvolatile content of the electrode slurry is preferably 70% by mass or less, and more preferably 60% by mass or less. The nonvolatile content can be adjusted by the amount of aqueous medium.
ここで不揮発分濃度とは、特に断りがなければ、混合物を直径5cmのアルミ皿に1g秤量し、大気圧、乾燥器内で空気を循環させながら130℃で1時間乾燥させ、後に残った成分の質量の、乾燥前の質量に対する割合である。 Unless otherwise specified, the non-volatile content concentration here refers to the ratio of the mass of the remaining components to the mass before drying when 1 g of the mixture is weighed into an aluminum dish with a diameter of 5 cm and dried at 130°C for 1 hour at atmospheric pressure in a dryer with air circulating.
〔3-1.電極スラリー中の共重合体(P)の含有量〕
電極スラリー中の共重合体(P)の含有量は、電極活物質(後述する)と導電助剤(後述する)と電極バインダーとを合計した質量に対して、0.5質量%以上であることが好ましく、1.0質量%以上であることがより好ましく、2.0質量%以上であることがさらに好ましい。共重合体(P)により、電極活物質間、及び電極活物質と集電体との結着性を確保することができるためである。電極スラリー中の共重合体(P)の含有量は、電極活物質と導電助剤と電極バインダーとを合計した質量に対して、10質量%以下であることが好ましく、7.0質量%以下であることがより好ましく、4.0質量%以下であることがさらに好ましい。電極スラリーから形成される電極活物質層の充放電容量を大きくすることができ、電池としたときの内部抵抗も低くすることができるためである。
3-1. Content of copolymer (P) in electrode slurry
The content of copolymer (P) in the electrode slurry is preferably 0.5% by mass or more, more preferably 1.0% by mass or more, and even more preferably 2.0% by mass or more, relative to the total mass of the electrode active material (described later), the conductive additive (described later), and the electrode binder. This is because copolymer (P) can ensure the binding between the electrode active materials and between the electrode active material and the current collector. The content of copolymer (P) in the electrode slurry is preferably 10% by mass or less, more preferably 7.0% by mass or less, and even more preferably 4.0% by mass or less, relative to the total mass of the electrode active material, the conductive additive, and the electrode binder. This is because the charge/discharge capacity of the electrode active material layer formed from the electrode slurry can be increased, and the internal resistance when formed into a battery can be reduced.
〔3-2.電極活物質〕
非水系二次電池は、特に限定されないが、リチウムイオン二次電池である場合、負極活物質の例として、導電性ポリマー、炭素材料、チタン酸リチウム、シリコン、シリコン化合物等が挙げられる。導電性ポリマーとして、ポリアセチレン、ポリピロール等が挙げられる。炭素材料としては、石油コークス、ピッチコークス、石炭コークス等のコークス;有機化合物の炭化物;人造黒鉛、天然黒鉛等の黒鉛などが挙げられる。シリコン化合物としては、SiOx(0.1≦x≦2.0)等が挙げられる。
[3-2. Electrode active material]
The nonaqueous secondary battery is not particularly limited, but in the case of a lithium ion secondary battery, examples of the negative electrode active material include conductive polymers, carbon materials, lithium titanate, silicon, silicon compounds, etc. Examples of conductive polymers include polyacetylene and polypyrrole, etc. Examples of carbon materials include cokes such as petroleum coke, pitch coke, and coal coke; carbides of organic compounds; and graphites such as artificial graphite and natural graphite, etc. Examples of silicon compounds include SiO x (0.1≦x≦2.0), etc.
また、電極活物質としては、Siと黒鉛とを含む複合材料(Si/黒鉛)等を用いてもよい。これら活物質の中でも、体積当たりのエネルギー密度が大きい点から、炭素材料、チタン酸リチウム、シリコン、シリコン化合物を用いることが好ましい。また、コークス、有機化合物の炭化物、黒鉛等の炭素材料、SiOx(0.1≦x≦2.0)、Si、Si/黒鉛等のシリコン含有材料であると、本実施形態の電極バインダーによる結着性を向上させる効果が顕著である。例えば、人造黒鉛の具体例としては、SCMG(登録商標)-XRs(昭和電工(株)製)が挙げられる。なお、負極活物質として、ここで挙げた材料を2種類以上複合化してもよい。 Furthermore, a composite material containing Si and graphite (Si/graphite) or the like may be used as the electrode active material. Among these active materials, carbon materials, lithium titanate, silicon, and silicon compounds are preferably used because of their high energy density per volume. Furthermore, carbon materials such as coke, carbides of organic compounds, and graphite, and silicon-containing materials such as SiO x (0.1≦x≦2.0), Si, and Si/graphite are significantly effective in improving the binding strength of the electrode binder of this embodiment. For example, a specific example of artificial graphite is SCMG (registered trademark)-XRs (manufactured by Showa Denko K.K.). Two or more of the materials listed here may be combined to form the negative electrode active material.
リチウムイオン二次電池の正極活物質の例として、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケルを含むリチウム複合酸化物、スピネル型マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、オリビン型燐酸鉄リチウム、TiS2、MnO2、MoO3、V2O5等のカルコゲン化合物が挙げられる。正極活物質は、これらの化合物のいずれかを単独で含んでもよく、あるいは複数種を含んでもよい。また、その他のアルカリ金属の酸化物も使用することができる。ニッケルを含むリチウム複合酸化物として、Ni-Co-Mn系のリチウム複合酸化物、Ni-Mn-Al系のリチウム複合酸化物、Ni-Co-Al系のリチウム複合酸化物などが挙げられる。正極活物質の具体例として、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2やLiNi3/5Mn1/5Co1/5など挙げられる。 Examples of positive electrode active materials for lithium-ion secondary batteries include lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium composite oxides containing nickel, spinel-type lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), olivine-type lithium iron phosphate, and chalcogen compounds such as TiS 2 , MnO 2 , MoO 3 , and V 2 O 5. The positive electrode active material may contain any of these compounds alone or in combination. Oxides of other alkali metals can also be used. Examples of lithium composite oxides containing nickel include Ni-Co-Mn-based lithium composite oxides, Ni-Mn-Al-based lithium composite oxides, and Ni-Co-Al-based lithium composite oxides. Specific examples of positive electrode active materials include LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 and LiNi 3/5 Mn 1/5 Co 1/5 .
〔3-3.導電助剤〕
電極スラリーは、導電助剤として、カーボンブラック、気相法炭素繊維等を含んでもよい。気相法炭素繊維の具体例としては、VGCF(登録商標)-H(昭和電工(株))が挙げられる。
[3-3. Conductive additive]
The electrode slurry may contain, as a conductive aid, carbon black, vapor grown carbon fiber, etc. A specific example of vapor grown carbon fiber is VGCF (registered trademark)-H (Showa Denko K.K.).
〔3-4.水性媒体〕
電極スラリーの水性媒体は、水を含む。電極スラリーの水性媒体は、親水性の溶媒を含んでもよい。親水性の溶媒としては、メタノール、エタノール及びN-メチルピロリドン等が挙げられる。水性媒体中の水の含有率は80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましく、95質量%以上であることがさらに好ましい。電極スラリーの水性媒体の組成は、電極バインダー組成物に含まれる水性媒体と同じでもよく、異なっていてもよい。
[3-4. Aqueous medium]
The aqueous medium of the electrode slurry contains water. The aqueous medium of the electrode slurry may contain a hydrophilic solvent. Examples of hydrophilic solvents include methanol, ethanol, and N-methylpyrrolidone. The water content in the aqueous medium is preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, and even more preferably 95% by mass or more. The composition of the aqueous medium of the electrode slurry may be the same as or different from the aqueous medium contained in the electrode binder composition.
<4.電極>
本実施形態の電極は、集電体と、集電体の表面に形成された電極活物質層とを有する。電極活物質層は、電極活物質、及び本実施形態の電極バインダーを含む。電極の形状としては、例えば、積層体や捲回体が挙げられるが、特に限定されない。集電体は、厚さ0.001~0.5mmの金属シートであることが好ましい。集電体の金属としては、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス等が挙げられる。非水系二次電池がリチウムイオン二次電池の場合、正極の集電体としてはアルミニウム、負極の集電体としては銅が好ましいが、特に限定されない。
<4. Electrode>
The electrode of this embodiment has a current collector and an electrode active material layer formed on the surface of the current collector. The electrode active material layer contains an electrode active material and the electrode binder of this embodiment. The electrode may be in the form of, for example, a laminate or a wound body, but is not particularly limited thereto. The current collector is preferably a metal sheet having a thickness of 0.001 to 0.5 mm. Examples of metals for the current collector include iron, copper, aluminum, nickel, and stainless steel. When the nonaqueous secondary battery is a lithium ion secondary battery, the positive electrode current collector is preferably aluminum, and the negative electrode current collector is preferably copper, but are not particularly limited thereto.
本実施形態の電極は、例えば、電極スラリーを集電体上に塗布し、乾燥させることにより製造できるが、この方法に限られない。 The electrode of this embodiment can be manufactured, for example, by applying electrode slurry to a current collector and drying it, but this method is not limited to this.
電極スラリーを集電体上に塗布する方法としては、例えば、リバースロール法、ダイレクトロール法、ドクターブレード法、ナイフ法、エクストルージョン法、カーテン法、グラビア法、バー法、ディップ法およびスクイーズ法等が挙げられる。これらの中でも、ドクターブレード法、ナイフ法、またはエクストルージョン法が好ましく、ドクターブレードを用いて塗布することがより好ましい。電極スラリーの粘性等の諸物性及び乾燥性に対して好適であり、良好な表面状態の塗布膜を得られるためである。 Methods for applying the electrode slurry to the current collector include, for example, the reverse roll method, direct roll method, doctor blade method, knife method, extrusion method, curtain method, gravure method, bar method, dip method, and squeeze method. Among these, the doctor blade method, knife method, and extrusion method are preferred, and application using a doctor blade is more preferred. This is because it is suitable for the physical properties of the electrode slurry, such as viscosity, and drying speed, and produces a coating film with a good surface condition.
電極スラリーは、集電体の片面にのみ塗布してもよいし、両面に塗布してもよい。電極スラリーを集電体の両面に塗布する場合は、片面ずつ塗布してもよく、両面同時に塗布してもよい。また、電極スラリーは、集電体の表面に連続して塗布してもよいし、間欠的に塗布してもよい。電極スラリーの塗布量、塗布範囲は、電池の大きさなどに応じて、適宜決定できる。乾燥後の電極活物質層の目付量は、4~20mg/cm2であることが好ましく、6~16mg/cm2であることがより好ましい。 The electrode slurry may be applied to only one side of the current collector, or may be applied to both sides. When the electrode slurry is applied to both sides of the current collector, it may be applied to one side at a time, or to both sides simultaneously. The electrode slurry may be applied continuously or intermittently to the surface of the current collector. The amount and area of application of the electrode slurry can be determined appropriately depending on the size of the battery, etc. The basis weight of the electrode active material layer after drying is preferably 4 to 20 mg/ cm2 , and more preferably 6 to 16 mg/ cm2 .
集電体に塗布された電極スラリーを乾燥することにより電極シートが得られる。乾燥方法は、特に限定されないが、例えば、熱風、真空、(遠)赤外線、電子線、マイクロ波および低温風を単独あるいは組み合わせて用いることができる。乾燥温度は、40℃以上180℃以下であることが好ましく、乾燥時間は、1分以上30分以下であることが好ましい。 An electrode sheet is obtained by drying the electrode slurry applied to the current collector. The drying method is not particularly limited, but for example, hot air, vacuum, (far) infrared rays, electron beams, microwaves, and low-temperature air can be used alone or in combination. The drying temperature is preferably 40°C or higher and 180°C or lower, and the drying time is preferably 1 minute or higher and 30 minutes or lower.
電極シートはそのまま電極として用いてもよいが、電極として適当な大きさや形状にするために切断してもよい。電極シートの切断方法は特に限定されないが、例えば、スリット、レーザー、ワイヤーカット、カッター、トムソン等を用いることができる。 The electrode sheet may be used as an electrode as is, or may be cut to an appropriate size and shape for the electrode. There are no particular limitations on the method for cutting the electrode sheet, but for example, slitting, laser cutting, wire cutting, cutter, Thomson cutting, etc. can be used.
電極シートを切断する前または後に、必要に応じてそれをプレスしてもよい。それによって電極活物質を電極により強固に結着させ、さらに電極を薄くすることによる非水系電池のコンパクト化が可能になる。プレスの方法としては、一般的な方法を用いることができ、特に金型プレス法またはロールプレス法を用いることが好ましい。プレス圧は、特に限定されないが、プレスによる電極活物質へのリチウムイオン等のドープ/脱ドープに影響を及ぼさない範囲である0.5~5t/cm2とすることが好ましい。 The electrode sheet may be pressed as needed before or after cutting. This allows the electrode active material to be more firmly attached to the electrode, further thinning the electrode and making the nonaqueous battery more compact. Conventional methods can be used for pressing, with die pressing or roll pressing being particularly preferred. The pressing pressure is not particularly limited, but is preferably set to 0.5 to 5 t/ cm² , a range that does not affect the doping/undoping of lithium ions and the like into the electrode active material by pressing.
<5.電池>
本実施形態にかかる電池の好ましい一例として、リチウムイオン二次電池について説明するが、電池の構成は以下に説明する構成に限られない。ここで説明する例にかかるリチウムイオン二次電池は、正極、負極、電解液、及び必要に応じてセパレータ等の部品が外装体に収容されている。正極と負極のうち少なくとも一方は、本実施形態にかかる電極バインダーを含む。
<5. Battery>
As a preferred example of the battery according to the present embodiment, a lithium ion secondary battery will be described, but the configuration of the battery is not limited to the configuration described below. The lithium ion secondary battery according to the example described here has a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and, if necessary, components such as a separator housed in an exterior body. At least one of the positive electrode and the negative electrode contains the electrode binder according to the present embodiment.
<5-1.電解液>
電解液としては、イオン伝導性を有する非水系の液体を使用する。電解液としては、電解質を有機溶媒に溶解させた溶液、イオン液体等が挙げられるが、製造コストが低く、内部抵抗の低い電池が得られるため、前者が好ましい。
<5-1. Electrolyte>
The electrolyte solution is a non-aqueous liquid having ion conductivity. Examples of the electrolyte solution include a solution in which an electrolyte is dissolved in an organic solvent, an ionic liquid, etc., but the former is preferred because it is inexpensive to manufacture and can provide a battery with low internal resistance.
電解質としては、アルカリ金属塩を用いることができ、電極活物質の種類等に応じ適宜選択できる。電解質としては、例えば、LiClO4、LiBF6、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiB10Cl10、LiAlCl4、LiCl、LiBr、LiB(C2H5)4、CF3SO3Li、CH3SO3Li、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、Li(CF3SO2)2N、脂肪族カルボン酸リチウム等が挙げられる。また、電解質として、その他のアルカリ金属塩を用いることもできる。 As the electrolyte, an alkali metal salt can be used, and can be appropriately selected depending on the type of electrode active material, etc. Examples of the electrolyte include LiClO4 , LiBF6 , LiPF6 , LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiB10Cl10, LiAlCl4 , LiCl , LiBr , LiB ( C2H5)4 , CF3SO3Li , CH3SO3Li , LiCF3SO3 , LiC4F9SO3 , Li ( CF3SO2 ) 2N , and aliphatic lithium carboxylates . Other alkali metal salts can also be used as the electrolyte.
電解質を溶解する有機溶媒としては、特に限定されないが、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ビニレンカーボネート(VC)等の炭酸エステル化合物、アセトニトリル等のニトリル化合物、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピルなどのカルボン酸エステルが挙げられる。これらの有機溶媒は、1種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。The organic solvent for dissolving the electrolyte is not particularly limited, but examples include carbonate ester compounds such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), methyl ethyl carbonate (MEC), dimethyl carbonate (DMC), fluoroethylene carbonate (FEC), and vinylene carbonate (VC); nitrile compounds such as acetonitrile; and carboxylic acid esters such as ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, and propyl propionate. These organic solvents may be used alone or in combination of two or more.
<5-2.外装体>
外装体としては、金属やアルミラミネート材などを適宜使用できる。電池の形状は、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角型、扁平型等、いずれの形状であってもよい。
<5-2. Exterior body>
The exterior body can be made of a suitable material such as a metal or an aluminum laminate. The shape of the battery may be any of a coin type, a button type, a sheet type, a cylindrical type, a rectangular type, a flat type, and the like.
以下に、リチウムイオン二次電池の負極バインダー、負極スラリー、負極、リチウムイオン二次電池についての実施例および比較例を示して本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明はこれらに実施例によって限定されない。The present invention will be explained in more detail below by showing examples and comparative examples of negative electrode binders, negative electrode slurries, negative electrodes, and lithium ion secondary batteries for lithium ion secondary batteries. However, the present invention is not limited to these examples.
<1.負極バインダー>
〔1-1.共重合体の合成〕
実施例1~20及び比較例1~5で用いた各単量体、多官能チオール化合物(C)、及び連鎖移動剤の構成を表2~4に示した。ここで表2~4に示される各単量体、多官能チオール化合物(C)、連鎖移動剤、及び重合開始剤を重合成分と称する。以下、表2~4に示される各原料化合物の詳細は以下の通りである。単量体が溶液として用いられる場合、表中の単量体の使用量は、溶媒を含まないその単量体自体の量を示す。
<1. Negative electrode binder>
1-1. Synthesis of copolymer
The compositions of each monomer, polyfunctional thiol compound (C), and chain transfer agent used in Examples 1 to 20 and Comparative Examples 1 to 5 are shown in Tables 2 to 4. Here, each monomer, polyfunctional thiol compound (C), chain transfer agent, and polymerization initiator shown in Tables 2 to 4 are referred to as polymerization components. Details of each raw material compound shown in Tables 2 to 4 are as follows. When a monomer is used as a solution, the amount of monomer used in the table indicates the amount of the monomer itself, not including the solvent.
なお、重合開始剤は、脱離する窒素等、一部が重合体に取り込まれない部分がある。しかし、重合開始剤の使用量は少ないため、表2~4において、重合成分中の各成分の含有率(質量%)、及び重合成分1g当たりの各成分のモル数は、生成する共重合体中の各成分に対応する構造の含有率、及び共重合体1g当たりの各成分に対応する構造のモル数とできる。 Note that some of the polymerization initiator, such as nitrogen, is not incorporated into the polymer. However, because the amount of polymerization initiator used is small, in Tables 2 to 4, the content (mass%) of each component in the polymerization components and the number of moles of each component per gram of polymerization components can be taken as the content of the structure corresponding to each component in the resulting copolymer and the number of moles of the structure corresponding to each component per gram of copolymer.
単量体(A-1):N-ビニルアセトアミド(NVA)
単量体(B-1):アクリル酸ナトリウム(AaNa)(28.5質量%水溶液)
単量体(B-2):アクリル酸リチウム(AaLi)(28.5質量%水溶液)、
Aa:アクリル酸
多官能チオール化合物(C-1):ペンタエリスリトールテトラキス(3-メルカプトブチレート)
多官能チオール化合物(C-2):トリメチロールプロパントリス(3-メルカプトブチレート)
多官能チオール化合物(C-3):1,4-ビス(3-メルカプトブチリルオキシ)ブタン
多官能チオール化合物(C-4):ペンタエリスリトールテトラキス(3-メルカプトプロピオネート)
単量体(D-1):メトキシポリエチレングリコールメタクリレート(EVONIK INDUSTRIES製;VISIOMER(登録商標)MPEG2005 MA W)(一般式(10)中のR41=CH3、R42=H、R44=CH3、j=45、k=0、j+k=45)の50.0質量%水溶液
単量体(E-1):ベンジルアクリレート
MPA:β-メルカプトプロピオン酸
TMA:テトラメチロールメタンテトラアクリレート
重合開始剤:2,2’-アゾビス(2-メチルプロピオンアミジン)2塩酸塩(和光純薬工業社製;V-50)及び過硫酸アンモニウム(和光純薬工業社製)
Monomer (A-1): N-vinylacetamide (NVA)
Monomer (B-1): Sodium acrylate (AaNa) (28.5% by mass aqueous solution)
Monomer (B-2): lithium acrylate (AaLi) (28.5% by mass aqueous solution),
Aa: acrylic acid Multifunctional thiol compound (C-1): pentaerythritol tetrakis(3-mercaptobutyrate)
Multifunctional thiol compound (C-2): Trimethylolpropane tris(3-mercaptobutyrate)
Multifunctional thiol compound (C-3): 1,4-bis(3-mercaptobutyryloxy)butane Multifunctional thiol compound (C-4): pentaerythritol tetrakis(3-mercaptopropionate)
Monomer (D-1): 50.0 mass% aqueous solution of methoxypolyethylene glycol methacrylate (VISIOMER (registered trademark) MPEG2005 MA W, manufactured by EVONIK INDUSTRIES) (in general formula (10), R 41 = CH 3 , R 42 = H, R 44 = CH 3 , j = 45, k = 0, j + k = 45) Monomer (E-1): benzyl acrylate MPA: β-mercaptopropionic acid TMA: tetramethylolmethane tetraacrylate Polymerization initiator: 2,2'-azobis(2-methylpropionamidine) dihydrochloride (V-50, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and ammonium persulfate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
冷却管、温度計、攪拌機、滴下ロートが組みつけられたセパラブルフラスコに、各実施例及び比較例に対応する組成(表2~4)の重合成分を合計で100質量部と、過硫酸アンモニウムを0.050質量部と、水693質量部とを30℃で仕込んだ。これを、80℃に昇温し、4時間重合を行い、共重合体P1~CP20及び共重合体CP1~CP5をそれぞれ合成した。 A separable flask equipped with a condenser, thermometer, stirrer, and dropping funnel was charged with a total of 100 parts by mass of the polymerization components corresponding to each example and comparative example (Tables 2 to 4), 0.050 parts by mass of ammonium persulfate, and 693 parts by mass of water at 30°C. The temperature was raised to 80°C, and polymerization was carried out for 4 hours to synthesize copolymers P1 to CP20 and copolymers CP1 to CP5, respectively.
〔1-2.負極バインダー組成物の作製〕
共重合体が得られた反応液に、不揮発分濃度10.0質量%となるように水を加えて(単量体(B-1)に含まれる水を考慮して水の添加量を調節する)、負極バインダー組成物Q1~Q20、及びCQ1~CQ5を調製した。以下の説明において、共重合体P1~P20を区別せずに言及する場合は共重合体(P)、及び共重合体CP1~CP5を区別せずに言及する場合は共重合体(CP)とすることもある。負極バインダー組成物Q1~Q20を区別せずに言及する場合は負極バインダー組成物(Q)、及び負極バインダー組成物CQ1~CQ5を区別せずに言及する場合は負極バインダー組成物(CQ)とすることもある。
1-2. Preparation of negative electrode binder composition
Water was added to the reaction solution from which the copolymer was obtained so that the nonvolatile content was 10.0% by mass (the amount of water added was adjusted taking into account the water contained in the monomer (B-1)), and negative electrode binder compositions Q1 to Q20 and CQ1 to CQ5 were prepared. In the following description, when copolymers P1 to P20 are referred to without distinction, they are sometimes referred to as copolymer (P), and when copolymers CP1 to CP5 are referred to without distinction, they are sometimes referred to as copolymer (CP). When negative electrode binder compositions Q1 to Q20 are referred to without distinction, they are sometimes referred to as negative electrode binder composition (Q), and when negative electrode binder compositions CQ1 to CQ5 are referred to without distinction, they are sometimes referred to as negative electrode binder composition (CQ).
〔1-3.共重合体(P)の重量平均分子量〕
共重合体(P)及び共重合体(CP)の重量平均分子量を、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)を用いて以下の条件で測定し、測定結果を表4に示した。
[1-3. Weight average molecular weight of copolymer (P)]
The weight average molecular weights of the copolymers (P) and (CP) were measured by gel permeation chromatography (GPC) under the following conditions. The measurement results are shown in Table 4.
GPC装置: GPC‐101(昭和電工(株)製))
溶媒:0.1M NaNO3水溶液
サンプルカラム:Shodex Column Ohpak SB-806 HQ(8.0mmI.D. x 300mm) ×2
リファレンスカラム:Shodex Column Ohpak SB-800 RL(8.0mmI.D. x 300mm) ×2
カラム温度:40℃
サンプル濃度:0.1質量%
検出器:RI-71S(株式会社島津製作所製)
ポンプ:DU-H2000(株式会社島津製作所製)
圧力:1.3MPa
流量:1ml/min
分子量スタンダード:プルラン(P‐5、P-10、P‐20、P-50、P‐100、P-200、P-400、P-800、P-1300、P-2500(昭和電工(株)製))
GPC device: GPC-101 (Showa Denko K.K.)
Solvent: 0.1 M NaNO3 aqueous solution Sample column: Shodex Column Ohpak SB-806 HQ (8.0 mm ID x 300 mm) x 2
Reference column: Shodex Column Ohpak SB-800 RL (8.0 mm ID x 300 mm) x 2
Column temperature: 40°C
Sample concentration: 0.1% by mass
Detector: RI-71S (Shimadzu Corporation)
Pump: DU-H2000 (Shimadzu Corporation)
Pressure: 1.3 MPa
Flow rate: 1ml/min
Molecular weight standard: pullulan (P-5, P-10, P-20, P-50, P-100, P-200, P-400, P-800, P-1300, P-2500 (manufactured by Showa Denko K.K.))
<2.負極スラリー>
〔2-1.負極スラリーの作製〕
黒鉛としてSCMG(登録商標)-XRs(昭和電工(株)製)を76.8質量部と、一酸化ケイ素(SiO)(Sigma-Aldrich製)を19.2質量部と、VGCF(登録商標)-H(昭和電工(株))を1.0質量部と、バインダー組成物(Q)を30質量部(共重合体(P)を3.0質量部、水を27質量部含む)と、及び水を20質量部と、を混合した。混合は、攪拌式混合装置(自転公転撹拌ミキサー)を用いて2000回転/分で4分間混練することにより行われた。得られた混合物に、さらに水を53質量部加え、上記混合装置で、さらに2000回転/分で4分間混合し、負極スラリーを作製した。
<2. Negative electrode slurry>
2-1. Preparation of negative electrode slurry
76.8 parts by mass of SCMG (registered trademark)-XRs (Showa Denko K.K.) graphite, 19.2 parts by mass of silicon monoxide (SiO) (Sigma-Aldrich), 1.0 part by mass of VGCF (registered trademark)-H (Showa Denko K.K.), 30 parts by mass of binder composition (Q) (containing 3.0 parts by mass of copolymer (P) and 27 parts by mass of water), and 20 parts by mass of water were mixed. Mixing was performed by kneading for 4 minutes at 2000 rpm using an agitation mixer (rotation-revolution agitation mixer). 53 parts by mass of water was further added to the obtained mixture, and the mixture was further mixed for 4 minutes at 2000 rpm using the mixer to prepare a negative electrode slurry.
〔2-2.負極スラリーの外観評価〕
作製された負極スラリーを目視して外観を確認し、凝集物のサイズをマイクロメーターで測定した。負極スラリー10g中に最長寸法1mm以上の凝集物がある場合を×、ない場合を○とした。評価結果を表5に示した。
2-2. Appearance evaluation of negative electrode slurry
The appearance of the prepared negative electrode slurry was visually confirmed, and the size of the agglomerates was measured with a micrometer. The presence of agglomerates with a longest dimension of 1 mm or more in 10 g of negative electrode slurry was evaluated as ×, and the absence of agglomerates was evaluated as ○. The evaluation results are shown in Table 5.
<3.負極>
〔3-1.負極活物質層の柔軟性(巻回試験)〕
上記の通り作製された負極スラリーを厚さ10μmの銅箔(集電体)の両面に、乾燥後の目付量が8mg/cm2となるようにドクターブレードを用いて塗布した。負極スラリーが塗布された銅箔を、60℃で10分乾燥後、さらに100℃で5分乾燥して負極活物質層が形成された負極シートを作製した。この負極シートを、金型プレスを用いてプレス圧1t/cm2でプレスした。
<3. Negative electrode>
3-1. Flexibility of negative electrode active material layer (winding test)
The negative electrode slurry prepared as described above was applied to both sides of a 10 μm-thick copper foil (current collector) using a doctor blade so that the coating weight after drying would be 8 mg/ cm² . The copper foil to which the negative electrode slurry was applied was dried at 60°C for 10 minutes and then further dried at 100°C for 5 minutes to prepare a negative electrode sheet on which a negative electrode active material layer was formed. This negative electrode sheet was pressed using a mold press at a pressure of 1 t/ cm² .
ここでプレスされた負極シートを幅50mm、長さ60mmで切り出し、試験片とした。この試験片を80℃で12時間乾燥させた。乾燥後の試験片の幅方向の一辺を、直径3mmのステンレス製棒に、厚さ50μmの片面粘着テープで固定した(試験片の幅方向とステンレス製棒の長手方向が平行)。試験片の幅方向の他辺をガラス板に固定した。このステンレス製棒に試験片を巻回させた後、その試験片を目視して外観を観察し、試験片におけるクラックの数を数えた。 The pressed negative electrode sheet was cut into a piece 50 mm wide and 60 mm long to serve as a test specimen. This test specimen was dried at 80°C for 12 hours. After drying, one widthwise edge of the test specimen was fixed to a 3 mm diameter stainless steel rod with 50 μm thick single-sided adhesive tape (the widthwise edge of the test specimen was parallel to the longitudinal direction of the stainless steel rod). The other widthwise edge of the test specimen was fixed to a glass plate. After wrapping the test specimen around the stainless steel rod, the appearance of the test specimen was visually observed, and the number of cracks in the test specimen was counted.
〔3-2.負極活物質層の集電体に対する剥離強度〕
銅箔の両面に負極スラリーを、乾燥後の目付量が8mg/cm2となるように塗布したこと以外は上記柔軟性の評価と同様に、プレスされた負極シートを作製した。
3-2. Peel strength of negative electrode active material layer from current collector
A pressed negative electrode sheet was prepared in the same manner as in the evaluation of flexibility, except that the negative electrode slurry was applied to both sides of the copper foil so that the weight per unit area after drying would be 8 mg/cm 2 .
ここでプレスされた負極シートを用いて、全工程において23℃、相対湿度50質量%雰囲気で行った。試験機はテンシロン(登録商標、(株)エー・アンド・デイ製)を用いた。負極シートを幅25mm、長さ70mmで切り出し、試験片とした。試験片上の負極活物質層と、幅50mm、長さ200mmSUS板とを両面テープ(NITTOTAPE(登録商標) No5、日東電工(株)製)を用いて、試験片の中心とSUS板の中心とが一致するように貼り合わせた。なお、両面テープは試験片の全範囲をカバーするように貼り合わせた。貼り合わせは2kgローラを試験片全体にわたって1往復させることにより行った。 The entire process was carried out using the pressed negative electrode sheet at 23°C and a relative humidity of 50% by mass. The testing machine used was Tensilon (registered trademark, manufactured by A&D Corporation). The negative electrode sheet was cut into a piece 25 mm wide and 70 mm long to prepare a test piece. The negative electrode active material layer on the test piece was attached to a 50 mm wide and 200 mm long SUS plate using double-sided tape (NITTOTAPE (registered trademark) No. 5, manufactured by Nitto Denko Corporation) so that the center of the test piece coincided with the center of the SUS plate. The double-sided tape was attached to cover the entire area of the test piece. Attachment was performed by moving a 2 kg roller back and forth once over the entire test piece.
試験片とSUS板とを貼り合わせた状態で10分放置した後、負極活物質から銅箔を、試験片の一端から長さ方向に20mm剥がし、180°折り返し、剥がした銅箔の部分を試験機の上側のチャックで掴んだ。さらに、銅箔を剥がした方のSUS板の一端を下側チャックで掴んだ。その状態で、試験片から銅箔を100±10mm/minの速度で引き剥がし、剥離長さ(mm)-剥離力(mN)のグラフを得た。得られたグラフにおいて剥離長さ10~45mmにおける剥離力の平均値(mN)を算出し、剥離力の平均値を試験片の幅25mmで割った数値を負極活物質層の剥離強度(mN/mm)とした。なお、いずれの実施例及び比較例においても、試験中、両面テープとSUS板の間での剥離、及び両面テープと負極活物質層との間での界面剥離は起こらなかった。After leaving the test specimen and SUS plate bonded together for 10 minutes, the copper foil was peeled off from the negative electrode active material by 20 mm from one end of the specimen in the longitudinal direction, folded back 180°, and the peeled portion of the copper foil was gripped with the upper chuck of the testing machine. The end of the SUS plate from which the copper foil was peeled was then gripped with the lower chuck. In this state, the copper foil was peeled off from the test specimen at a rate of 100±10 mm/min, and a graph of peel length (mm) vs. peel force (mN) was obtained. The average peel force (mN) for peel lengths of 10 to 45 mm was calculated from the graph, and the value obtained by dividing the average peel force by the width of the test specimen (25 mm) was used as the peel strength (mN/mm) of the negative electrode active material layer. In all examples and comparative examples, no peeling occurred between the double-sided tape and the SUS plate, nor between the double-sided tape and the negative electrode active material layer during the test.
<4.リチウムイオン二次電池>
〔4-1.電池の作製〕
[負極]
上記プレスされた負極シートを22mm×22mmに切り出し、導電タブを取り付けて負極を作製した。
4. Lithium-ion secondary battery
4-1. Battery Construction
[Negative electrode]
The pressed negative electrode sheet was cut into a size of 22 mm x 22 mm, and a conductive tab was attached to prepare a negative electrode.
[正極]
LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2を90質量部、アセチレンブラックを5質量部、及びポリフッ化ビニリデン5質量部を混合し、その後、N-メチルピロリドン100質量部を混合して正極スラリーを調製した(固形分中のLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2の割合は0.90)。
[Positive electrode]
90 parts by mass of LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , 5 parts by mass of acetylene black, and 5 parts by mass of polyvinylidene fluoride were mixed, and then 100 parts by mass of N-methylpyrrolidone was mixed to prepare a positive electrode slurry (the proportion of LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 in the solid content was 0.90).
調製した正極スラリーを、ドクターブレード法により厚さ20μmのアルミニウム箔(集電体)の片面に、乾燥後の目付量が22.5mg/cm2(22.5×10-3g/cm2)となるようにドクターブレードを用いて塗布した。正極スラリーが塗布されたアルミニウム箔を、120℃で5分乾燥後、ロールプレスによりプレスして、厚さ100μmの正極活物質層が形成された正極シートを作製した。得られた正極シートを20mm×20mm(2.0cm×2.0cm)に切り出し、導電タブを取り付けて正極を作製した。 The prepared positive electrode slurry was applied to one side of a 20 μm thick aluminum foil (current collector) using a doctor blade method so that the basis weight after drying was 22.5 mg/cm 2 (22.5 × 10 -3 g/cm 2 ). The aluminum foil to which the positive electrode slurry was applied was dried at 120 ° C. for 5 minutes and then pressed with a roll press to produce a positive electrode sheet on which a 100 μm thick positive electrode active material layer was formed. The obtained positive electrode sheet was cut into 20 mm × 20 mm (2.0 cm × 2.0 cm), and a conductive tab was attached to produce a positive electrode.
作製した正極の理論容量は、正極スラリーの乾燥後の目付量(22.5×10-3gg/cm2)×正極スラリーの塗布面積(2.0cm×2.0cm)×LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2の正極活物質としての容量(160mAh/g)×固形分中のLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2の割合(0.90)で求められ、算出される値は、13mAhである。 The theoretical capacity of the produced positive electrode was calculated as follows: basis weight of the positive electrode slurry after drying (22.5 × 10 −3 gg/cm 2 ) × application area of the positive electrode slurry (2.0 cm × 2.0 cm) × capacity of LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 as a positive electrode active material (160 mAh/g) × proportion of LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 in the solid content (0.90), and the calculated value was 13 mAh.
[電解液]
エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とフルオロエチレンカーボネート(FEC)とを体積比30:60:10で混合した混合溶媒に、LiPF6を1.0mol/L、ビニレンカーボネート(VC)を1.0質量%の濃度になるように溶解して、電解液を調製した。
[Electrolyte]
An electrolyte solution was prepared by dissolving LiPF6 at a concentration of 1.0 mol/L and vinylene carbonate (VC) at a concentration of 1.0 mass% in a mixed solvent prepared by mixing ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and fluoroethylene carbonate (FEC) in a volume ratio of 30:60:10.
[電池の組み立て]
ポリオレフィン多孔性フィルムからなるセパレータを介して、正極と負極とを、それぞれの活物質層が互いに対向するように配して、アルミラミネート外装体(電池パック)の中に収納した。この外装体の中に電解液を注入し、真空ヒートシーラーでパッキングし、ラミネート型電池を得た。
[Battery assembly]
The positive electrode and the negative electrode were arranged with their active material layers facing each other via a separator made of a polyolefin porous film, and the resulting structure was housed in an aluminum laminate exterior (battery pack). An electrolyte solution was poured into the exterior, and the battery was sealed with a vacuum heat sealer to obtain a laminated battery.
〔4-2.電池のサイクル特性(放電容量維持率)の評価〕
各実施例及び比較例で作製したそれぞれの電池のサイクル特性を評価した。評価方法は以下の通りで、評価結果は表5に示した通りである。
4-2. Evaluation of battery cycle characteristics (discharge capacity retention rate)
The cycle characteristics of the batteries prepared in each of the Examples and Comparative Examples were evaluated. The evaluation methods were as follows, and the evaluation results are shown in Table 5.
電池の放電容量維持率の測定(電池の充放電サイクル試験)は、25℃の条件下、以下の手順で行った。まず、電圧4.2Vになるまで1Cの電流で充電し(CC充電)、次に、電流0.05Cになるまで4.2Vの電圧で充電した(CV充電)。30分放置後、電圧2.75Vになるまで1Cの電流で放電した(CC放電)。CC充電、CV充電、及びCC放電の一連の操作を1サイクルとする。nサイクル目のCC充電及びCV充電における電流の時間積分値の和をnサイクル目の充電容量(mAh)、nサイクル目のCC放電における電流の時間積分値をnサイクル目の放電容量(mAh)とする。電池のnサイクル目の放電容量維持率は、1サイクル目の放電容量に対するnサイクル目の放電容量の割合(%)である。本実施例及び比較例では、100サイクル目の放電容量維持率を評価した。The battery discharge capacity retention rate (battery charge/discharge cycle test) was measured at 25°C using the following procedure. First, the battery was charged at 1 C until the voltage reached 4.2 V (CC charging), and then charged at 4.2 V until the current reached 0.05 C (CV charging). After leaving the battery for 30 minutes, it was discharged at 1 C until the voltage reached 2.75 V (CC discharging). A series of CC charging, CV charging, and CC discharging operations constitutes one cycle. The sum of the time-integrated values of the current during CC charging and CV charging at the nth cycle is defined as the charge capacity (mAh) at the nth cycle, and the time-integrated value of the current during CC discharging at the nth cycle is defined as the discharge capacity (mAh) at the nth cycle. The discharge capacity retention rate of a battery at the nth cycle is the ratio (%) of the discharge capacity at the nth cycle to the discharge capacity at the 1st cycle. In this example and comparative example, the discharge capacity retention rate was evaluated at the 100th cycle.
<5.評価結果>
表5からわかるように、実施例1~20で作製された負極スラリーは、凝集物の発生が少ない。実施例1~20で作製された負極は、巻回試験において発生したクラックが少なく、電極活物質層の柔軟性が高いことがわかる。実施例1~20で作製された負極は、負極活物質層の集電体に対する剥離強度も高い。実施例1~20で作製されたリチウムイオン二次電池は、電池の使用に伴う放電容量維持率が高い、すなわちサイクル特性が優れていることがわかる。
<5. Evaluation Results>
As can be seen from Table 5, the negative electrode slurries produced in Examples 1 to 20 produced little aggregates. The negative electrodes produced in Examples 1 to 20 produced few cracks in the winding test, indicating high flexibility of the electrode active material layer. The negative electrodes produced in Examples 1 to 20 also had high peel strength of the negative electrode active material layer from the current collector. It can be seen that the lithium ion secondary batteries produced in Examples 1 to 20 had high discharge capacity retention rates during battery use, i.e., excellent cycle characteristics.
比較例1では、アミド結合を有さない共重合体CP1を用いて負極スラリーを作製した。比較例1で作製した負極スラリーには凝集物があった。比較例1で作製された負極スラリーは、集電体に対して平坦に塗工することができず、評価可能な負極及び電池の作製はできなかった。In Comparative Example 1, a negative electrode slurry was prepared using copolymer CP1, which does not have an amide bond. The negative electrode slurry prepared in Comparative Example 1 contained agglomerates. The negative electrode slurry prepared in Comparative Example 1 could not be applied evenly to the current collector, and an evaluable negative electrode and battery could not be prepared.
比較例2では、アミド結合を過剰に含む共重合体CP2を用いて、負極スラリー、負極、及びリチウムイオン二次電池を作製した。比較例2で作製した電極スラリーには凝集物があった。比較例2で作製した負極は、巻回試験中に負極活物質層が滑落した。また、比較例2では、負極活物質層の集電体に対する剥離強度が低かった。比較例2で作製したリチウムイオン二次電池は、放電容量維持率が低かった。In Comparative Example 2, a negative electrode slurry, a negative electrode, and a lithium-ion secondary battery were prepared using copolymer CP2, which contains an excess of amide bonds. The electrode slurry prepared in Comparative Example 2 contained agglomerates. The negative electrode active material layer of the negative electrode prepared in Comparative Example 2 slid off during a winding test. Furthermore, in Comparative Example 2, the peel strength of the negative electrode active material layer to the current collector was low. The lithium-ion secondary battery prepared in Comparative Example 2 had a low discharge capacity retention rate.
比較例3では、置換基(c)を有さない共重合体CP3を用いて、負極スラリー、負極、及びリチウムイオン二次電池を作製した。比較例3で作製した負極は、巻回試験後に負極活物質層に多数のクラックが発生し、負極の柔軟性が低いことが分かった。また、比較例3では、負極活物質層の集電体に対する剥離強度が低かった。比較例3で作製したリチウムイオン二次電池は、放電容量維持率が低かった。In Comparative Example 3, a negative electrode slurry, a negative electrode, and a lithium-ion secondary battery were prepared using copolymer CP3, which does not have the substituent (c). The negative electrode prepared in Comparative Example 3 had numerous cracks in the negative electrode active material layer after a winding test, indicating low anode flexibility. Furthermore, in Comparative Example 3, the negative electrode active material layer had low peel strength from the current collector. The lithium-ion secondary battery prepared in Comparative Example 3 also had a low discharge capacity retention rate.
比較例4では、多官能チオール化合物(C)を多量に用いて、置換基(c)を過剰に含む共重合体CP4を合成しようとしたが、生成物はゲル化し、評価可能な負極スラリーを作製できなかった。 In Comparative Example 4, an attempt was made to synthesize copolymer CP4 containing an excess of substituent (c) using a large amount of multifunctional thiol compound (C), but the product gelled and it was not possible to produce a negative electrode slurry that could be evaluated.
比較例5では、置換基(c)を含まず、4官能アクリレート(テトラメチロールメタンテトラアクリラート)由来の構造単位を含む共重合体CP5を用いて、負極スラリー、負極、及びリチウムイオン二次電池を作製した。比較例5で作製した負極は、巻回試験後に負極活物質層に多数のクラックが発生し、負極の柔軟性が低いことが分かった。また、比較例5では、負極活物質層の集電体に対する剥離強度が低かった。比較例5で作製したリチウムイオン二次電池は、放電容量維持率が低かった。In Comparative Example 5, a negative electrode slurry, a negative electrode, and a lithium-ion secondary battery were prepared using copolymer CP5, which does not contain substituent (c) and contains structural units derived from a tetrafunctional acrylate (tetramethylolmethane tetraacrylate). The negative electrode prepared in Comparative Example 5 showed numerous cracks in the negative electrode active material layer after a winding test, indicating low anode flexibility. Furthermore, in Comparative Example 5, the negative electrode active material layer exhibited low peel strength from the current collector. The lithium-ion secondary battery prepared in Comparative Example 5 also exhibited low discharge capacity retention.
したがって、本実施例にかかるバインダー用共重合体を非水系電池負極用のバインダーとして用いることにより、非水系電池負極における負極活物質同士、及び負極活物質と集電体との間で十分な結着性を確保しつつ、柔軟性を付与し電池として良好な充放電サイクル特性となることが分かった。 Therefore, it was found that by using the binder copolymer of this example as a binder for a non-aqueous battery negative electrode, sufficient binding strength is ensured between the negative electrode active materials in the non-aqueous battery negative electrode and between the negative electrode active material and the current collector, while also imparting flexibility, resulting in good charge-discharge cycle characteristics for the battery.
また、これらバインダーは非水系電池正極用のバインダーとしても用いることができ、正極活物質同士、及び正極活物質と集電体との間で十分な結着性を確保しつつ、充放電サイクル特性が良好な電池を作製できる。 These binders can also be used as binders for non-aqueous battery positive electrodes, ensuring sufficient binding between the positive electrode active materials and between the positive electrode active materials and the current collector, while producing batteries with good charge-discharge cycle characteristics.
Claims (14)
前記共重合体(P)は、
炭素原子間の結合のみからなる主鎖と、
アミド結合を有する置換基と、
カルボキシ基の塩を有する置換基と、
以下の一般式(1)で表される置換基(c)と、
を有し、
前記アミド結合を有する置換基、前記カルボキシ基の塩を有する置換基、及び前記置換基(c)は、それぞれ、前記主鎖に結合しており、
前記共重合体(P)1gあたりに含まれるアミド結合の量は0.050mmol/g以上5.0mmol/g以下であり、
前記共重合体(P)1gあたりに含まれるカルボキシ基の塩の量は5.0mmol/g以上12.0mmol/g以下であり、
前記共重合体(P)1gあたりに含まれる前記置換基(c)の量は0.15×10-2mmol/g以上8.0×10-2mmol/g以下である
ことを特徴とする非水系二次電池電極バインダー。
The copolymer (P) is
a main chain consisting only of bonds between carbon atoms;
a substituent having an amide bond;
a substituent having a salt of a carboxy group;
A substituent (c) represented by the following general formula (1):
and
the substituent having an amide bond, the substituent having a salt of a carboxy group, and the substituent (c) are each bonded to the main chain,
the amount of amide bonds contained per 1 g of the copolymer (P) is 0.050 mmol/g or more and 5.0 mmol/g or less,
the amount of the salt of the carboxy group contained per 1 g of the copolymer (P) is 5.0 mmol/g or more and 12.0 mmol/g or less;
a non-aqueous secondary battery electrode binder, wherein the amount of the substituent (c) contained per 1 g of the copolymer (P) is 0.15×10 −2 mmol/g or more and 8.0×10 −2 mmol/g or less.
該電極活物質層は請求項1または2に記載の非水系二次電池電極用バインダーと電極活物質とを含む非水系二次電池電極。 A non-aqueous secondary battery electrode comprising: a current collector; and an electrode active material layer formed on the surface of the current collector, wherein the electrode active material layer contains the binder for a non-aqueous secondary battery electrode according to claim 1 or 2 and an electrode active material.
前記正極と前記負極のうち少なくとも一方は、請求項12に記載の非水系二次電池電極であることを特徴とする非水系二次電池。 a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte;
13. A non-aqueous secondary battery, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode is the non-aqueous secondary battery electrode according to claim 12.
前記単量体(M)は、アミド結合を有する単量体(A)と、カルボキシ基の塩を有する単量体(B)と、を含み、
前記単量体(M)、前記多官能チオール化合物(C)、重合開始剤、及び連鎖移動剤を用いる場合は連鎖移動剤も合わせて重合成分とすると、
前記重合成分1gあたりに含まれる前記単量体(A)の量は0.050mmol/g以上5.0mmol/g以下であり、
前記重合成分1gあたりに含まれる前記単量体(B)の量は5.0mmol/g以上12.0mmol/g以下であり、
前記重合成分1gあたりに含まれる前記多官能チオール化合物(C)の量は0.15×10-2mmol/g以上8.0×10-2mmol/g以下である
ことを特徴とする非水系二次電池電極バインダーの製造方法。 A method for producing a non-aqueous secondary battery electrode binder, comprising a polymerization step of radically polymerizing a monomer (M) having an ethylenically unsaturated bond in the presence of a polyfunctional thiol compound (C) having two or more mercapto groups in one molecule,
the monomer (M) includes a monomer (A) having an amide bond and a monomer (B) having a salt of a carboxy group,
When the monomer (M), the polyfunctional thiol compound (C), a polymerization initiator, and a chain transfer agent (if used), the chain transfer agent are collectively used as polymerization components, the following can be obtained:
the amount of the monomer (A) contained per 1 g of the polymerization component is 0.050 mmol/g or more and 5.0 mmol/g or less,
the amount of the monomer (B) contained per 1 g of the polymerization component is 5.0 mmol/g or more and 12.0 mmol/g or less,
The method for producing a non-aqueous secondary battery electrode binder, wherein the amount of the polyfunctional thiol compound (C) contained per 1 g of the polymerization component is 0.15×10 −2 mmol/g or more and 8.0×10 −2 mmol/g or less.
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