(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024140955
(43)【公開日】2024-10-10
(54)【発明の名称】組成物、アンダーコート層、電極、リチウムイオン二次電池
(51)【国際特許分類】
H01M 4/66 20060101AFI20241003BHJP
H01M 4/13 20100101ALI20241003BHJP
【FI】
H01M4/66 A
H01M4/13
【審査請求】未請求
【請求項の数】16
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023052346
(22)【出願日】2023-03-28
(71)【出願人】
【識別番号】000005887
【氏名又は名称】三井化学株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】房 楠
(72)【発明者】
【氏名】杉原 裕理
(72)【発明者】
【氏名】富田 嘉彦
【テーマコード(参考)】
5H017
5H050
【Fターム(参考)】
5H017AA03
5H017AS02
5H017CC01
5H017DD06
5H017EE05
5H017EE06
5H017EE07
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5H050BA17
5H050CA08
5H050CA09
5H050CB01
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5H050CB07
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5H050CB09
5H050CB11
5H050CB12
5H050DA08
5H050FA02
5H050FA04
5H050HA01
5H050HA05
5H050HA12
5H050HA14
(57)【要約】
【課題】安全性に優れ、充放電初期の直流抵抗が低く抑えられ、かつ、高温環境下での直流抵抗の上昇が抑制された電極の形成に好適な組成物、並びにアンダーコート層、電極及びリチウムイオン二次電池を提供する。
【解決手段】本開示の組成物は、導電性炭素材料(A)、オレフィン系樹脂(B)及びアクリル系水溶性ポリマー(C)を含有する。アクリル系水溶性ポリマー(C)は、(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位と、カルボキシ基および水酸基の少なくとも1つを有するビニルモノマーに由来する構成単位と、を有する。(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位の含有量は、アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、35質量%~95質量%である。カルボキシ基および水酸基の少なくとも1つを有するビニルモノマーに由来する構成単位の含有量は、アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、5質量%~65質量%である。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
導電性炭素材料(A)、オレフィン系樹脂(B)及びアクリル系水溶性ポリマー(C)を含有し、
前記アクリル系水溶性ポリマー(C)が、(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位と、カルボキシ基および水酸基の少なくとも1つを有するビニルモノマーに由来する構成単位と、を有し、
前記(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位の含有量が、前記アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、35質量%~95質量%であり、
前記カルボキシ基および水酸基の少なくとも1つを有するビニルモノマーに由来する構成単位の含有量が、前記アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、5質量%~65質量%である、組成物。
【請求項2】
前記導電性炭素材料(A)の含有量が、組成物の総量に対して、1質量%~30質量%であり、
前記オレフィン系樹脂(B)の含有量が、組成物の総量に対して、30質量%~90質量%であり、
前記アクリル系水溶性ポリマー(C)の含有量が、組成物の総量に対して、1質量%~20質量%である、請求項1に記載の組成物。
【請求項3】
前記オレフィン系樹脂(B)が、エチレン系樹脂又はプロピレン系樹脂を含む、請求項1に記載の組成物。
【請求項4】
前記オレフィン系樹脂(B)の粒径が、0.1μm~9.0μmであり、
前記オレフィン系樹脂(B)の軟化点が、70℃以上である、請求項1に記載の組成物。
【請求項5】
前記アクリル系水溶性ポリマー(C)が、(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位と、カルボキシ基を有するビニルモノマーに由来する構成単位と、水酸基を有するビニルモノマーに由来する構成単位と、を有する、請求項1に記載の組成物。
【請求項6】
前記アクリル系水溶性ポリマー(C)のTgが、150℃以上である、請求項1に記載の組成物。
【請求項7】
更に、添加剤(D)を含有し、
前記添加剤(D)の含有量が、組成物の総量に対して、1質量%~50質量%である、請求項1に記載の組成物。
【請求項8】
前記添加剤(D)が、カルボキシメチルセルロースを含む、請求項7に記載の組成物。
【請求項9】
前記添加剤(D)が、70℃~180℃の最大体積膨張温度を有する熱膨張性マイクロカプセルと、無機酸化物フィラーとの少なくとも一方を含む、請求項7に記載の組成物。
【請求項10】
レーザー光回折散乱法で測定した、粒度分布D10に対する粒度分布D99の比(D99/D10)が、35以下である、請求項1に記載の組成物。
【請求項11】
レーザー光回折散乱法で測定した粒度分布D99が、20μm以下である、請求項1に記載の組成物。
【請求項12】
レーザー光回折散乱法で測定した、粒度分布D50に対する粒度分布D99の比(D99/D50)が、20以下である、請求項1に記載の組成物。
【請求項13】
請求項1~請求項12のいずれか1記載の組成物を含むアンダーコート層。
【請求項14】
集電体と、請求項13に記載のアンダーコート層と、合材層と、を備える、電極。
【請求項15】
前記集電体と、前記アンダーコート層と、前記合材層とが、この順に積層された、請求項14に記載の電極。
【請求項16】
請求項14に記載の電極を備える、リチウムイオン二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、組成物、アンダーコート層、電極、リチウムイオン二次電池に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、リチウムイオン二次電池は、電子機器、電気自動車、又は電気貯蔵用の電源として広く使用されている。特に最近では、ハブリッド自動車等に搭載可能な、高容量で高出力かつエネルギー密度の高い電池が求められている。このようなリチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高いという利点がある。一方で、リチウム金属及びリチウムイオンを使用することから、安全性に対する十分な対応策が必要となる。
【0003】
特許文献1は、リチウムイオン二次電池の安全性を向上させたリチウムイオン二次電池用正極を開示している。特許文献1に開示の正極は、正極集電体、及び正極合材層を備える。正極合材層は、正極集電体の少なくとも片面に積層されている。正極合材層は、正極合材層と、アンダーコート層とを有する。アンダーコート層は、正極集電体及び正極合材層との間に形成されている。アンダーコート層は、導電助剤と、バインダーと、熱膨張性マイクロカプセルとを含む。熱膨張性マイクロカプセルは、70℃~180℃の最大体積膨張温度を有する。
【0004】
特許文献2には、内部短絡が発生した際の電池温度の上昇を抑えるため、正極集電体と正極合材層との間に、特定の官能基を有する硬化性樹脂の硬化物と導電材とを含む中間層を備えた二次電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】国際公開第2019/189866号
【特許文献2】国際公開第2018/198689号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
安全性に優れるとともに、充放電の初期の直流抵抗と、高温環境下でのリチウムイオン二次電池の長期保存後の直流抵抗の上昇とが抑制された電池性能に優れるリチウムイオン二次電池が求められている。充放電の初期の直流抵抗が抑制されたリチウムイオン二次電池の出力は、充放電の初期の直流抵抗が抑制されていないリチウムイオン二次電池の出力よりも優れる。高温環境下での長期保存後の直流抵抗の上昇が抑制されたリチウムイオン二次電池の寿命は、高温環境下での長期保存後の直流抵抗の上昇が抑制されていないリチウムイオン二次電池の寿命よりも優れる。
【0007】
本開示の一実施形態が解決しようとする課題は、安全性に優れ、充放電初期の直流抵抗が低く抑えられ、かつ、高温環境下(特に長期保存後)での直流抵抗の上昇が抑制された電極の形成に好適な組成物(好ましくはアンダーコート用組成物)及びアンダーコート層を提供することにある。
本開示の他の実施形態が解決しようとする課題は、安全性が高く、充放電初期の直流抵抗が低く抑えられ、かつ、高温環境下(特に長期保存後)での直流抵抗の上昇が抑制され、優れた電池性能を安定的に供し得る電極及びリチウムイオン二次電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。
<1> 導電性炭素材料(A)、オレフィン系樹脂(B)及びアクリル系水溶性ポリマー(C)を含有し、
前記アクリル系水溶性ポリマー(C)が、(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位と、カルボキシ基および水酸基の少なくとも1つを有するビニルモノマーに由来する構成単位と、を有し、
前記(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位の含有量が、前記アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、35質量%~95質量%であり、
前記カルボキシ基および水酸基の少なくとも1つを有するビニルモノマーに由来する構成単位の含有量が、前記アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、5質量%~65質量%である、組成物。
<2> 前記導電性炭素材料(A)の含有量が、組成物の総量に対して、1質量%~30質量%であり、
前記オレフィン系樹脂(B)の含有量が、組成物の総量に対して、30質量%~90質量%であり、
前記アクリル系水溶性ポリマー(C)の含有量が、組成物の総量に対して、1質量%~20質量%である、前記<1>に記載の組成物。
<3> 前記オレフィン系樹脂(B)が、エチレン系樹脂又はプロピレン系樹脂を含む、前記<1>又は<2>に記載の組成物。
<4> 前記オレフィン系樹脂(B)の粒径が、0.1μm~9.0μmであり、
前記オレフィン系樹脂(B)の軟化点が、70℃以上である、前記<1>~<3>のいずれか1つに記載の組成物。
<5> 前記アクリル系水溶性ポリマー(C)が、(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位と、カルボキシ基を有するビニルモノマーに由来する構成単位と、水酸基を有するビニルモノマーに由来する構成単位と、を有する、前記<1>~<4>のいずれか1つに記載の組成物。
<6> 前記アクリル系水溶性ポリマー(C)のTgが、150℃以上である、前記<1>~<5>のいずれか1つに記載の組成物。
<7> 更に、添加剤(D)を含有し、
前記添加剤(D)の含有量が、組成物の総量に対して、1質量%~50質量%である、前記<1>~<6>のいずれか1つに記載の組成物。
<8> 前記添加剤(D)が、カルボキシメチルセルロースを含む、前記<7>に記載の組成物。
<9> 前記添加剤(D)が、70℃~180℃の最大体積膨張温度を有する熱膨張性マイクロカプセルと、無機酸化物フィラーとの少なくとも一方を含む、前記<7>又は<8>に記載の組成物。
<10> レーザー光回折散乱法で測定した、粒度分布D10に対する粒度分布D99の比(D99/D10)が、35以下である、前記<1>~<9>のいずれか1つに記載の組成物。
<11> レーザー光回折散乱法で測定した粒度分布D99が、20μm以下である、前記<1>~<10>のいずれか1つに記載の組成物。
<12> レーザー光回折散乱法で測定した、粒度分布D50に対する粒度分布D99の比(D99/D50)が、20以下である、前記<1>~<11>のいずれか1つに記載の組成物。
<13> 前記<1>~<12>のいずれか1記載の組成物を含むアンダーコート層。
<14> 集電体と、前記<13>に記載のアンダーコート層と、合材層と、を備える、電極。
<15> 前記集電体と、前記アンダーコート層と、前記合材層とが、この順に積層された、前記<14>に記載の電極。
<16> 前記<14>又は<15>に記載の電極を備える、リチウムイオン二次電池。
【発明の効果】
【0009】
本開示によれば、安全性に優れ、充放電初期の直流抵抗が低く抑えられ、かつ、高温環境下(特に長期保存後)での直流抵抗の上昇が抑制された電極の形成に好適な組成物(好ましくはアンダーコート用組成物)及びアンダーコート層が提供される。
また、本開示の他の実施形態によれば、安全性が高く、充放電初期の直流抵抗が低く抑えられ、かつ、高温環境下(特に長期保存後)での直流抵抗の上昇が抑制され、優れた電池性能を安定的に供し得る電極及びリチウムイオン二次電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【
図1】本開示のリチウムイオン二次電池の一例であるラミネート型電池を示す概略断面図である。
【
図2】本開示の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池における正極の概略断面図である。
【
図3】本開示の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池における負極の概略断面図である。
【
図4】3本ロールミルの一例を示す概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下において、本開示の内容について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本開示の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本開示はそのような実施態様に限定されるものではない。
【0012】
本開示において、「~」を用いて示された数値範囲は、「~」の前に記載される数値を下限値として、「~」の前に記載される数値を上限値として含む範囲を示す。本開示に段階的に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
【0013】
本明細書における基(原子団)の表記において、置換及び無置換を記していない表記は、置換基を有さない基(原子団)と共に置換基を有する基(原子団)をも包含する。例えば、「アルキル基」とは、置換基を有さないアルキル基(無置換アルキル基)のみならず、置換基を有するアルキル基(置換アルキル基)をも包含する。
【0014】
本明細書において、「(メタ)アクリレート」は、アクリレート及びメタクリレートの双方、又は、いずれかを表し、「(メタ)アクリル」は、アクリル及びメタクリルの双方、又は、いずれかを表し、「(メタ)アクリロイル」は、アクリロイル及びメタクリロイルの双方、又は、いずれかを表す。
【0015】
本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の作用が達成されれば、本用語に含まれる。
以下、本開示を詳細に説明する。
【0016】
(1)組成物
本開示の組成物は、導電性炭素材料(A)、オレフィン系樹脂(B)及びアクリル系水溶性ポリマー(C)を含有する。前記アクリル系水溶性ポリマー(C)は、(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位と、カルボキシ基および水酸基の少なくとも1つを有するビニルモノマーに由来する構成単位と、を有する。前記(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位の含有量は、前記アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、35質量%~95質量%である。前記カルボキシ基および水酸基の少なくとも1つを有するビニルモノマーに由来する構成単位の含有量は、前記アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、5質量%~65質量%である。
【0017】
本開示において、「導電性炭素材料」とは、20℃における体積抵抗率が40Ω・cm未満、好ましくは3Ω・cm未満である炭素材料を示す。
本開示において、「オレフィン系樹脂」とは、オレフィンから導かれる構造単位を含む樹脂を指す。詳しくは、「オレフィン系樹脂」とは、オレフィンの単独重合体、2種以上のオレフィンの共重合体、又は、オレフィンと他のモノマーとの共重合体が含まれる。
本開示において、「アクリル系水溶性ポリマー」とは、(メタ)アクリロイル基を有するモノマー(以下、「(メタ)アクリルモノマー」ともいう)から導かれる構造単位を含むポリマーを指す。「アクリル系水溶性ポリマー」は、(メタ)アクリルモノマーの単独重合体、及び2種以上の(メタ)アクリルモノマーの共重合体を含む。
本開示において、「水溶性ポリマー」とは、水100mlに対しポリマー1gを24時間撹拌溶解させた後、300メッシュの金網でろ過した場合において、残存固形分が0.1%以下であるポリマーを示す。
本開示において、「含有量」と「添加量」とは、実質的に同一とみなす。
【0018】
本開示の組成物は、上記の構成を有するので、安全性に優れるとともに、充放電初期の直流抵抗が低く抑えられ、かつ、高温環境下(特に長期保存後)での直流抵抗の上昇が抑制された電極を形成することができる。換言すると、本開示の組成物を、電極を備えた二次電池に適用した場合に、安全性と電池性能(すなわち、出力及び寿命)とのバランスのとれたリチウムイオン二次電池とすることができる。
【0019】
本開示の効果を奏する理由は必ずしも明らかでないが、以下のように推定される。
本開示の組成物に含まれる樹脂成分のうち、水分散性のオレフィン系樹脂(B)は、より低い温度領域で溶融する機能を担う。つまり、発熱時のシャットダウン機能の発現に有利である。アクリル系水溶性ポリマー(C)は、耐熱性に優れる(メタ)アクリルアミドを含む。これにより、本開示の組成物がアンダーコート層の原料に用いられる場合、アンダーコート層の耐熱性、耐電解液性及びイオン透過性は、バランス良く向上する。したがって、安全性に優れ、しかも充放電初期の直流抵抗が低く抑えられるだけでなく、高温環境下(特に長期保存後)での直流抵抗の上昇も大幅に抑制された電極が得られる。その結果、本開示の組成物を用いてリチウム二次電池を作製した場合に、安全性と電池性能(すなわち、出力及び寿命)とのバランスのとれたリチウムイオン二次電池となる。
【0020】
本開示の組成物は、例えば、リチウムイオン二次電池の電極の部品等に好適に用いられる。詳しくは、本開示の組成物は、集電体の少なくとも一方の主面上にアンダーコート層及び合材層がこの順で積層された電極を備えるリチウムイオン二次電池において、電極に含まれるアンダーコート層を形成するために用いられることが好ましい。中でも、本開示の組成物は、集電体の少なくとも一方の主面上にアンダーコート層及び合材層がこの順で積層された正極を備えるリチウムイオン二次電池において、正極に含まれるアンダーコート層を形成するために用いられることがより好ましい。
【0021】
本開示において、「集電体」とは、リチウムイオン二次電池において、活物質から発生した電子を集め、かつ、活物質に電子を供給するためのシート状物のことを指す。「集電体の主面」とは、対向する複数の一対の面のうち、面積が最も広い対向する一対の面のことである。
【0022】
(1.1)導電性炭素材料(A)
本開示の組成物は、導電性炭素材料(A)を含有する。これにより、本開示の組成物の電気的抵抗は低減する。
【0023】
導電性炭素材料(A)としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、導電性炭素繊維、及びフラーレン等が挙げられる。グラファイトとしては、例えば、人造黒鉛、及び天然黒鉛(例えば、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛、及び土状黒鉛など)等が挙げられる。導電性炭素繊維(A)としては、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、及びカーボンファイバー等が挙げられる。導電性炭素材料(A)は、1種単独又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
【0024】
導電性炭素材料(A)の形状は、特に限定されず、粒子状であってもよい。導電性炭素材料(A)の形状が粒子状である場合、導電性炭素材料(A)の粒径は、特に限定されない。導電性炭素材料(A)の粒径は、導電性炭素材料(A)をアンダーコート層に含まれる各粒子間に分散し導電助剤として機能させる観点から、好ましくは5μm以下、より好ましくは1μm~4μmである。この場合、導電性炭素材料の粒子の1次粒子径は、好ましくは0.5μm以下、より好ましくは0.1μm~0.4μmである。
導電性炭素材料(A)の粒径は、レーザー光回折散乱法に基づく粒度分布測定装置によって測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側からの累積50体積%に相当する粒径(粒度分布D50、メジアン径)を示す。
【0025】
導電性炭素材料(A)は、市販品であってもよい。カーボンブラックの市販品としては、例えば、「Super P」(TIMCAL社製)等が挙げられる。鱗片状黒鉛の市販品としては、「KS-6」(TIMREX社製)等が挙げられる。
【0026】
導電性炭素材料(A)の含有量は、特に限定されず、組成物の総量に対して、好ましくは1質量%~30質量%である。導電性炭素材料(A)の含有量が上記範囲内であれば、本開示の組成物中において、導電性炭素材料(A)同士の連絡点の数が多く、パーコレーション効果によって本開示の組成物の常温時の電気的抵抗を低減することができる。更に、リチウムイオン二次電池の急激な温度上昇時には、導電性炭素材料(A)同士の接触が保たれにくく、アンダーコート層の電気的抵抗が増大することによって、得られるリチウムイオン二次電池は、シャットダウン機能を発揮することができる。つまり、リチウムイオン二次電池の安全性は優れる。シャットダウン機能は、リチウムイオン二次電池の電池反応の進行を阻止することを含む。「電池反応」とは、正極と負極との間で行われるリチウムイオンの挿入反応及び脱離反応を示す。
導電性炭素材料(A)の含有量が高ければ高いほど、リチウムイオン二次電池の電池性能はより優れる傾向にある。
導電性炭素材料(A)の含有量は、シャットダウン機能の確保の観点から、組成物の総量に対して、好ましくは28質量%以下であり、より好ましくは25質量%以下、更に好ましくは20質量%以下である。導電性炭素材料(A)の含有量は、電池性能の確保の観点から、組成物の総量に対して、好ましくは3質量%以上、より好ましくは5質量%以上であり、さらに好ましくは10質量%以上である。
【0027】
(1.2)オレフィン系樹脂(B)
本開示の組成物は、オレフィン系樹脂(B)を含有する。これにより、本開示の組成物がアンダーコート層の原料に用いられる場合、リチウムイオン二次電池は熱暴走しにくく、リチウムイオン二次電池の安全性はより向上する。
【0028】
オレフィン系樹脂(B)の材質は、特に限定されない。オレフィン系樹脂(B)の軟化点は、リチウムイオン二次電池の急激な温度上昇時に、より低い温度領域でオレフィン系樹脂(B)が溶融することにより、シャットダウン機能をより効果的に発揮させること(以下、「シャットダウン機能の効果的発揮」という)の観点から、好ましくは150℃以下、より好ましく140℃以下、さらに好ましくは135℃以下である。オレフィン系樹脂(B)の軟化点は、正極の製造過程で行われる乾燥処理の実行前後において、オレフィン系樹脂(B)の形状を保持すること(以下、「正極乾燥工程の際のオレフィン系樹脂(B)の形状保持」という。)の観点から、好ましくは70℃以上、より好ましく90℃以上、さらに好ましくは110℃以上、特に好ましくは120℃以上である。オレフィン系樹脂(B)の軟化点は、好ましくは70℃~150℃である。
オレフィン系樹脂(B)の軟化点は、JIS K2207(環球法)で測定される値である。
【0029】
オレフィン系樹脂(B)としては、例えば、エチレン系樹脂(例えば、ポリエチレン、エチレン-酢酸ビニル共重合体(EVA)、ポリエチレンオキサイド)、プロピレン系樹脂(例えば、ポリプロピレン)、ポリビニルクロライド、ポリビニリデンクロライド、ポリビニルフルオライド、ポリビニリデンフルオライド、ポリアミド、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、及びポリメチル(メタ)アクリレートが挙げられる。中でも、オレフィン系樹脂(B)は、シャットダウン機能の効果的発揮と、正極乾燥工程の際のオレフィン系樹脂の形状保持との両立の観点から、エチレン系樹脂、又はプロピレン系樹脂を含むことが好ましい。
【0030】
「エチレン系樹脂」とは、エチレンを主たる成分とする樹脂であり、「プロプレン系樹脂」とはプロピレンを主たる成分とする樹脂である。ここで、「主たる成分」とは、樹脂に含まれる成分のうち、最も含有量の多い成分のことを意味する。エチレン系樹脂としては、エチレンの単独重合体又は共重合体が挙げられる。中でも、エチレン系樹脂は、エチレンと少なくとも1種のα-オレフィンとの共重合体であることが好ましい。プロピレン系樹脂は、プロピレンの単独重合体又は共重合体が挙げられる。
【0031】
オレフィン系樹脂(B)は、水分散性オレフィン系樹脂を含むことが好ましい。これにより、本開示の組成物がアンダーコート層の原料に用いられる場合、リチウムイオン二次電池はより熱暴走しにくく、リチウムイオン二次電池の安全性は向上する。
【0032】
本開示において、「水分散性オレフィン系樹脂」とは、界面活性剤及び有機溶剤の少なくとも一方を添加しなくとも、水に分散可能なオレフィン系樹脂を示す。
【0033】
水分散性オレフィン系樹脂の材質としては、ポリエチレン、ポリエチレン系エラストマー、ポリオレフィンのアイオノマー、及びEVA等が挙げられる。
【0034】
水分散性オレフィン系樹脂の含有量は、特に限定されず、オレフィン系樹脂(B)の総量に対して、好ましくは20質量%以上、より好ましくは50質量%以上であり、100質量%であってもよい。
【0035】
オレフィン系樹脂(B)としては、上市されている市販品を用いてもよい。
オレフィン系樹脂(B)の市販品としては、三井化学株式会社製のケミパール(登録商標)シリーズ(ポリオレフィン水性ディスパージョン)が挙げられる。ポリエチレンまたはポリプロピレンを微粒状水性ディスパージョン化したものとして、WP100、W100、W200、W300、W308、W310、W400、W401、W410、W4005、W500、WF640、W700、W800、W900、W950、P301W及びWH201等が挙げられる。
【0036】
オレフィン系樹脂(B)の形状は、特に限定されず、粒子状であってもよい。オレフィン系樹脂(B)の形状が粒子状である場合、粒径は特に限定されない。オレフィン系樹脂(B)の粒径は、最適なアンダーコート層の膜厚範囲に収まるようにオレフィン系樹脂の粒径を調整する観点から、平均一次粒子径として、好ましく9.0μm以下、より好ましくは4.0μm以下、さらに好ましくは2.0μm以下である。オレフィン系樹脂(B)の粒径は、組成物(例えば、アンダーコート層用スラリー)の加工性の観点から、好ましく0.1μm以上、より好ましくは0.5μm以上である。オレフィン系樹脂(B)の粒径は0.1μm~9.0μmであることが好ましい。オレフィン系樹脂(B)の粒径が小さくなればなるほど、オレフィン系樹脂(B)は凝集しやすくなる傾向にある。
オレフィン系樹脂(B)の粒径は、コールカウンター法により測定された平均一次粒子径の値である。
【0037】
オレフィン系樹脂(B)の粒径は0.1μm~9.0μmであり、かつ、オレフィン系樹脂(B)の軟化点は70℃以上であることが好ましい。これにより、本開示の組成物がアンダーコート層の原料に用いられる場合、リチウムイオン二次電池はより熱暴走しにくく、リチウムイオン二次電池の安全性がより向上する。
【0038】
オレフィン系樹脂(B)は、1種単独又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
オレフィン系樹脂(B)の含有量は、組成物の総量に対して、好ましくは30質量%~90質量%である。オレフィン系樹脂(B)の含有量が上記範囲内であると、シャットダウン機能を良好に確保することができる。
オレフィン系樹脂(B)の含有量が高いほど、リチウムイオン二次電池の安全性はより優れたものになるのに対し、リチウムイオン二次電池の電池性能は低下する傾向にある。つまり、リチウムイオン二次電池の安全性とリチウムイオン二次電池の電池性能とは、トレードオフの関係を有する。かかる観点からは、オレフィン系樹脂(B)の含有量は、アンダーコート層の低抵抗化の観点から、組成物の総量に対して、80質量%以下が好ましく、75質量%以下がより好ましい。また、オレフィン系樹脂(B)の含有量は、シャットダウン機能の効果的発揮の観点から、組成物の総量に対して、好ましくは35質量%以上、より好ましくは40質量%以上、さらに好ましくは50質量%以上であり、特に好ましくは60%質量%以上である。
【0039】
(1.3)アクリル系水溶性ポリマー(C)
本開示の組成物は、アクリル系水溶性ポリマー(C)を含有する。
【0040】
アクリル系水溶性ポリマー(C)の含有量は、特に限定されず、組成物の総量に対して、好ましくは1質量%以上、より好ましくは2質量%以上、さらに好ましくは3質量%以上である。アクリル系水溶性ポリマー(C)の含有量は、特に限定されず、組成物の総量に対して、好ましくは20質量%以下、より好ましくは15質量%以下、さらに好ましくは10質量%以下である。
【0041】
アクリル系水溶性ポリマー(C)は、(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位と、カルボキシ基および水酸基の少なくとも1つを有するビニルモノマー(以下、「特定のビニルモノマー」ともいう)に由来する構成単位と、を有する。前記(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位の含有量は、前記アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、35質量%~95質量%である。前記特定のビニルモノマーに由来する構成単位の含有量は、前記アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、5質量%~65質量%である。
【0042】
アクリル系水溶性ポリマー(C)のガラス転移温度(Tg)は、特に限定されないが、150℃以上であることが好ましい。これにより、アンダーコート層の耐熱性は、より優れる。
アクリル系水溶性ポリマー(C)のガラス転移温度(Tg)は、より優れた耐熱性を有するアンダーコート層を得る観点から、より好ましくは200℃以上、さらに好ましくは210℃以上、特に好ましくは220℃以上、一層好ましくは230℃以上、より一層好ましくは240℃以上である。水溶性ポリマーのガラス転移温度(Tg)は、好ましくは400℃以下、より好ましくは300℃以下、さらに好ましくは280℃以下である。
ガラス転移温度(Tg)の測定方法は、実施例に記載の方法と同様である。
【0043】
(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位の含有量は、アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、35質量%以上であり、好ましくは60質量%以上、より好ましくは70質量%以上、さらに好ましくは75質量%以上である。(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位の含有量は、優れた耐熱性を有するアンダーコート層を得る観点から、アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、好ましくは95質量%以下であり、好ましくは90質量%以下、より好ましくは80質量%以下である。
【0044】
特定のビニルモノマーに由来する構成単位の含有量は、アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、5質量%以上であり、好ましくは10質量%以上、より好ましくは20質量%以上である。特定のビニルモノマーに由来する構成単位の含有量は、優れた耐熱性を有するアンダーコート層を得る観点から、アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、好ましくは65質量%以下であり、好ましくは40質量%以下、より好ましくは30質量%以下である。
【0045】
前記アクリル系水溶性ポリマーは、(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位と、カルボキシ基を有するビニルモノマー(以下、「カルボキシ基含有ビニルモノマー」ともいう)に由来する構成単位と、水酸基を有するビニルモノマー(以下、「水酸基含有ビニルモノマー」ともいう)に由来する構成単位と、を有することが好ましい。これにより、導電性炭素材料(A)とオレフィン系樹脂(B)との密着性に優れ、且つアクリルポリマー同士の相互作用による結着力を高めることができる。
【0046】
アクリル系水溶性ポリマー(C)が、カルボキシ基含有ビニルモノマーに由来する構成単位と、水酸基含有ビニルモノマーに由来する構成単位と、を有する場合、カルボキシ基含有ビニルモノマーに由来する構成単位の含有量は、下記の範囲内であることが好ましい。
カルボキシ基含有ビニルモノマーに由来する構成単位の含有量は、アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、好ましくは3質量%以上であり、より好ましくは5質量%以上、さらに好ましくは7質量%以上である。カルボキシ基含有ビニルモノマーに由来する構成単位の含有量は、優れた耐熱性を有するアンダーコート層を得る観点から、アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、好ましくは35質量%以下であり、より好ましくは30質量%以下、さらに好ましくは20質量%以下である。
【0047】
アクリル系水溶性ポリマー(C)が、カルボキシ基含有ビニルモノマーに由来する構成単位と、水酸基含有ビニルモノマーに由来する構成単位と、を有する場合、水酸基含有ビニルモノマーに由来する構成単位の含有量は、下記の範囲内であることが好ましい。
水酸基含有ビニルモノマーに由来する構成単位の含有量は、アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、好ましくは2質量%以上であり、より好ましくは5質量%以上、さらに好ましくは13質量%以上である。水酸基含有ビニルモノマーに由来する構成単位の含有量は、優れた耐熱性を有するアンダーコート層を得る観点から、アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、好ましくは30質量%以下であり、好ましくは20質量%以下、より好ましくは15質量%以下である。
【0048】
(1.3.1)アクリル系水溶性ポリマー(C)の原料
アクリル系水溶性ポリマー(C)は、アクリル系水溶性ポリマー原料を重合してなる重合体である。アクリル系水溶性ポリマー(C)の原料(以下、「アクリル系水溶性ポリマー原料」ともいう)は、(メタ)アクリルアミドと、特定のビニルモノマーと、を含有する。
【0049】
(1.3.1.1)(メタ)アクリルアミド
(メタ)アクリルアミドは、メタクリルアミド及びアクリルアミドであってもよいし、メタアクリルアミドであってもよいし、アクリルアミドであってもよい。耐熱性の向上を図る観点から、(メタ)アクリルアミドは、メタクリルアミドであることが好ましい。
【0050】
アクリル系水溶性ポリマー原料の総量に対して、好ましくは35質量%以上、より好ましくは60質量%以上、さらに好ましくは70質量%以上、特に好ましくは75質量%以上である。(メタ)アクリルアミドの含有量は、優れた耐熱性を得る観点から、水溶性ポリマー原料の総量に対して、好ましくは95質量%以下であり、好ましくは90質量%以下、より好ましくは80質量%以下である。
【0051】
(1.3.1.2)特定のビニルモノマー
特定のビニルモノマーは、(メタ)アクリルアミドと共重合可能であり、カルボキシ基および水酸基の少なくとも1つを有する。
【0052】
特定のビニルモノマーは、カルボキシ基含有ビニルモノマーと、水酸基含有ビニルモノマーと、からなる群から選択される少なくとも1つである。特定のビニルモノマーは、導電性炭素材料(A)とオレフィン系樹脂(B)との密着性、及びバインダー同士の相互作用による密着性向上の観点から、カルボキシ基含有ビニルモノマー及び水酸基含有ビニルモノマーであることが好ましい。
【0053】
特定のビニルモノマーの含有量は、水溶性ポリマー原料の総量に対して、好ましくは5質量%以上、より好ましくは10質量%以上、より好ましくは20質量%以上である。特定のビニルモノマーの含有量は、水溶性ポリマー原料の総量に対して、好ましくは65質量%以下、より好ましくは40質量%以下、さらに好ましくは30質量%以下である。
【0054】
(1.3.1.2.1)カルボキシ基含有ビニルモノマー
カルボキシ基含有ビニルモノマーとしては、例えば、モノカルボン酸、ジカルボン酸、または、これらの塩などが挙げられる。モノカルボン酸としては、例えば、(メタ)アクリル酸などが挙げられる。ジカルボン酸としては、例えば、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸、無水イタコン酸、無水マレイン酸、無水フマル酸などが挙げられる。これらカルボキシ基含有ビニルモノマーは、単独使用または2種類以上併用することができる。
カルボキシ基含有ビニルモノマーは、モノカルボン酸であることが好ましく、(メタ)アクリル酸であることがより好ましく、メタクリル酸であることがさらに好ましい。
【0055】
カルボキシ基含有ビニルモノマーの含有量は、アクリル系水溶性ポリマー原料の総量に対して、好ましくは3質量%以上、より好ましくは5質量%以上、より好ましくは7質量%以上である。カルボキシ基含有ビニルモノマーの含有量は、水溶性ポリマー原料の総量に対して、好ましくは35質量%以下、より好ましくは30質量%以下、さらに好ましくは20質量%以下である。
カルボキシ基含有ビニルモノマーの含有量は、特定のビニルモノマーの総量に対して、好ましくは20質量%以上、より好ましくは25質量%以上、より好ましくは30質量%以上である。カルボキシ基含有ビニルモノマーの含有量は、特定のビニルモノマーの総量に対して、好ましくは95質量%以下、より好ましくは90質量%以下、さらに好ましくは85質量%以下である。
【0056】
(1.3.1.2.2)水酸基含有ビニルモノマー
水酸基含有ビニルモノマーは、水酸基を有し、カルボキシ基を有しないビニルモノマー(以下、「水酸基含有ビニルモノマー(c10)」ともいう)と、水酸基及びカルボキシ基を有するビニルモノマー(以下、「水酸基含有ビニルモノマー(c20)」ともいう)と、を包含する。
【0057】
水酸基含有ビニルモノマー(c10)としては、水酸基を有するモノ(メタ)アクリレート(c11)、水酸基を有するジ(メタ)アクリレート(c12)、及び水酸基を有するトリ(メタ)アクリレート(c13)等が挙げられる。
水酸基を有するモノ(メタ)アクリレート(c11)としては、例えば、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、3-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシ-3-フェノキシ-プロピル(メタ)アクリレート、3-クロロー2-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、ブタンジオールモノ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、2-(6-ヒドロヘキサノイルオキシ)エチルアクリレート、グリセリンモノ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンモノ(メタ)アクリレート、および、ペンタエリスリトールモノ(メタ)アクリレートが挙げられる。
水酸基を有するジ(メタ)アクリレート(c12)としては、例えば、グリセリンジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンジ(メタ)アクリレート、および、ペンタエリスリトールジ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
水酸基を有するトリ(メタ)アクリレート(c13)としては、例えば、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
これらは、単独使用または2種類以上併用できる。
水酸基含有ビニルモノマー(c10)は、水酸基を有するモノ(メタ)アクリレート(c11)であることが好ましく、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート及び2-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレートの少なくとも一方が好ましく、2-ヒドロキシエチルメタクリレートであることがさらに好ましい。
【0058】
水酸基含有ビニルモノマー(c10)の含有量は、アクリル系水溶性ポリマー原料の総量に対して、好ましくは2質量%以上、より好ましくは5質量%以上、より好ましくは13質量%以上である。水酸基含有ビニルモノマー(c10)の含有量は、水溶性ポリマー原料の総量に対して、好ましくは30質量%以下、より好ましくは20質量%以下、さらに好ましくは15質量%以下である。
水酸基含有ビニルモノマー(c10)の含有量は、特定のビニルモノマーの総量に対して、好ましくは5質量%以上、より好ましくは10質量%以上、より好ましくは15質量%以上である。水酸基含有ビニルモノマー(c10)の含有量は、特定のビニルモノマーの総量に対して、好ましくは80質量%以下、より好ましくは75質量%以下、さらに好ましくは70質量%以下である。
【0059】
水酸基含有ビニルモノマー(c20)としては、例えば、リシノール酸、レスケロール酸(lesquerolic acid)、15-ヒドロキシリノール酸、アウリコール酸(auricolic acid)、ヒドロキシパルミトレイン酸、コーヒー酸等が挙げられる。これらは、単独使用または2種類以上併用できる。
【0060】
(1.3.1.3)水溶性-共重合性モノマー
アクリル系水溶性ポリマー原料は、(メタ)アクリルアミドおよび/または特定のビニルモノマーと共重合可能な共重合性モノマー(以下、「水溶性-共重合性モノマー」ともいう。)を含有してもよい。
【0061】
水溶性-共重合性モノマーとしては、例えば、(メタ)アクリル酸アルキルエステル(例えば、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート等)、官能基含有ビニルモノマー(例えば、(メタ)アクリル酸2-アミノエチル、(メタ)アクリル酸グリシジル等、(メタ)アクリロニトリル、アリルスルホン酸、2-メタクロイロキシエチルアシッドフォスフェート等)、ビニルエステル類(例えば、例えば、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等)、芳香族ビニルモノマー(例えば、スチレン、α―メチルスチレン等)、N-置換不飽和カルボン酸アミド(例えば、N-メチロール(メタ)アクリルアミド等)、複素環式ビニル化合物(例えば、ビニルピロリドン等)、ハロゲン化ビニリデン化合物(例えば、塩化ビニリデン、フッ化ビニリデン等)、α-オレフィン類(例えば、例えば、エチレン、プロピレン等)、ジエン類(例えば、ブタジエン等)、架橋性ビニルモノマー(例えば、メチレンビス(メタ)アクリルアミド、ジビニルベンゼン等)などが挙げられる。
【0062】
水溶性-共重合性モノマーの含有量は、水溶性ポリマーの水溶性が保たれる範囲であって、例えば、水溶性ポリマー原料の総量に対して、例えば、37質量%以下、好ましくは、15質量%以下であり、0質量%以上であり、とりわけ好ましくは、0質量%である。
【0063】
(1.3.1.4)水溶性ポリマー原料の重合方法
水溶性ポリマー原料を、公知の方法で重合することにより、水溶性ポリマーが得られる。より具体的には、例えば、水に、水溶性ポリマー原料および重合開始剤を配合し、水溶性ポリマー原料を重合させ、その後、必要に応じて熟成させる。
重合開始剤としては、特に制限されず、公知の重合開始剤であればよい。重合温度は、30℃~95℃であってもよい。重合時間は、0.5時間~20時間であってもよい。熟成時間は、0.5時間~6時間であってもよい。
【0064】
(1.4)添加剤(D)
本開示の組成物は、必要に応じて、添加剤(D)を含んでもよい。添加剤(D)の種類によって、本開示の組成物に種々の機能を付与することができる。
【0065】
本開示における「添加剤」とは、導電性炭素材料(A)、オレフィン系樹脂(B)及びアクリル系水溶性ポリマー(C)以外の成分を示す。
【0066】
添加剤(D)としては、例えば、増粘安定剤、70℃~180℃の最大体積膨張温度を有する熱膨張性マイクロカプセル(以下、単に「熱膨張性マイクロカプセル」ともいう)、無機酸化物フィラー、硬化性樹脂フィラー、鱗片状フィラー、バインダー樹脂、合成ゴム、非固形分等が挙げられる。
【0067】
「熱膨張性マイクロカプセル」とは、熱可塑性樹脂からなる外殻と、外殻に内包されたコア成分である揮発性膨張剤と、を有する粒子を示す。詳しくは、熱膨張性マイクロカプセルは、後述する電解液と接触した状態において、リチウムイオン二次電池の異常発熱による熱暴走が開始される直前の温度(例えば、70℃~160℃)に曝され場合に軟化発泡して体積膨張を起こすものが好ましい。
「最大体積膨張温度」とは、熱膨張性マイクロカプセルに内包される揮発性膨張剤がガス化して、熱膨張性マイクロカプセルが体積膨張する際に、熱膨張性マイクロカプセルの膨張体積が最大となる温度を示す。そして、熱膨張性マイクロカプセルに内包される揮発性膨張剤がガス化し、熱膨張性マイクロカプセルが体積膨張を始める温度を「体積膨張開始温度」という。
【0068】
添加剤(D)を含有する場合、添加剤(D)の含有量は、組成物の総量に対して1質量%~50質量%であることが好ましく、添加剤(D)の含有量が上記範囲内であると、添加剤(D)の有する特性に起因したシャットダウン機能をより効果的に発現させることができる。
添加剤(D)の含有量は、導電性炭素材料(A)及びオレフィン系樹脂(B)の含有比率に与える影響が小さく、シャットダウン機能の効果的発揮と電池性能の維持との観点から、組成物の総量に対して、40質量%以下が好ましく、より好ましくは30質量%以下である。また、添加剤(D)の含有量は、シャットダウン機能の効果的発揮の観点から、組成物の総量に対して、好ましくは5質量%以上、より好ましくは10質量%以上である。
【0069】
(1.4.1)増粘安定剤
本開示の組成物は、増粘安定剤を含有してもよい。本開示の組成物は、増粘安定剤を含有しなくてもよい。
本開示の組成物が増粘安定剤を含有し、本開示の組成物がアンダーコート層の原料に用いられる場合、アンダーコート層用スラリーの調整時に粒子を安定的に分散させることが可能となる。
【0070】
増粘安定剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリビニルアルコール(PVA)、メチルセルロース(MC)、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリカルボン酸アンモニウム塩、レシチン、サポニンなどの配糖体やキサンタンガムなどの多糖類などで例示される糖類、スクロースポリエーテルポリオール、ポリオキシプロピレンソルビトールエーテル、トリメチロールプロパンポリエーテルポリオール、ペンタエリスリトールポリエーテルポリオールなどのポリエーテルポリオール、酸化スターチ、リン酸スターチ、カゼイン、各種変性デンプンなどが挙げられる。
【0071】
増粘安定剤の含有量は、組成物の総量に対して、1質量~50質量%であることが好ましい。増粘安定剤の含有量は、シャットダウン機能の効果的発揮と電池性能の維持の観点から、組成物の総量に対して、好ましくは15質量%以下、より好ましくは10質量%以下である。増粘安定剤の含有量は、アンダーコートスラリー中の微粒子をより効果的に分散させる観点から、組成物の総量に対して、好ましくは1質量%以上、より好ましくは2質量%以上である。
【0072】
CMCの市販品としては、ダイセルミライズ株式会社製の「1130」、「1140」、「1240」、[1250]、「1260」、「1330」、「2200」、「DL100L」等が挙げられる。
【0073】
(1.4.2)熱膨張性マイクロカプセル
本開示の組成物は、熱膨張性マイクロカプセルを含有してもよい。本開示の組成物は、熱膨張性マイクロカプセルを含有しなくてもよい。
本開示の組成物が熱膨張性マイクロカプセルを含有し、本開示の組成物がアンダーコート層の原料に用いられる場合、熱膨張性マイクロカプセルは、リチウムイオン二次電池の異常発熱によって体積膨張を起こして電極の直流抵抗を効率的に増大させ、リチウムイオン二次電池の安全性を向上させることができる。
【0074】
熱膨張性マイクロカプセルの体積膨張開始温度は、120℃~130℃であることが好ましい。熱膨張性マイクロカプセルの最大体積膨張温度は、145℃~155℃であることが好ましい。
【0075】
外殻を構成する熱可塑性樹脂は、塩化ビニリデンを含む(共)重合体、及び(メタ)アクリロニトリルを含む(共)重合体を含むことが好ましい。これにより、外殻を構成する熱可塑性樹脂は、耐電解液性に優れ、熱可塑性で且つガスバリヤー性に優れる。中でも、電解液耐性の観点から、外殻を構成する熱可塑性樹脂は、(メタ)アクリロニトリルを主成分(51質量%以上)とする(共)重合体であることが好ましい。外殻を構成する熱可塑性樹脂の原料は、得られる熱膨張性マイクロカプセルの発泡特性及び耐熱性を改良するため、重合性単量体に加えて、架橋性単量体を含んでもよい。
【0076】
揮発性膨張剤は、熱膨張性マイクロカプセルの最大体積膨張温度がオレフィン系樹脂(B)の軟化点より高くなるように、沸点を選択することが好ましい。熱膨張性マイクロカプセルの体積膨張開始温度はオレフィン系樹脂(B)の軟化点と同等の温度となるように、沸点を選択することが好ましい。これにより、リチウムイオン二次電池の発熱によりアンダーコート層の温度がオレフィン系樹脂(B)の軟化点を超えて上昇したとき、電極の直流抵抗は効率的に増大する。その結果、リチウムイオン二次電池の安全性はより向上する。
揮発性膨張剤としては、例えば、沸点が100℃以下である低分子量炭化水素、不燃性又は難燃性の化合物等が挙げられる。沸点が100℃以下である低分子量炭化水素としては、低分子量炭化水素が好ましく用いられる。低分子量炭化水素としては、例えば、プロパン、プロピレン、n-ブタン、イソブタン、ブテン、イソブテン、イソペンタン、ネオペンタン、n-ペンタン、n-ヘキサン、イソヘキサン、ヘプタン、及び石油エーテルなどが挙げられる。不燃性又は難燃性の化合物としては、例えば、ハロゲン化炭化水素(例えば、塩化メチル、メチレンクロライド、フロロトリクロロメタン、ジフロロジクロロメタン、クロロトリフロロメタン等)、及びクロロフロロカーボン類等が挙げられる。揮発性膨張剤は、1種単独又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
【0077】
熱膨張性マイクロカプセルの粒径は、特に限定されず、1μm~40μmが好ましく、3μm~30μmがより好ましく、さらに好ましくは5μm~25μmである。
【0078】
熱膨張性マイクロカプセルの粒径は、レーザー光回折散乱法に基づく粒度分布測定装置によって測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側からの累積50体積%に相当する粒径(粒度分布D50、メジアン径)を示す。
【0079】
熱膨張性マイクロカプセルの含有量は、組成物の総量に対して、0質量%~50質量%であることが好ましい。熱膨張性マイクロカプセルの含有量は、導電性炭素材料(A)とオレフィン系樹脂(B)の含有比率に与える影響が小さく、シャットダウン機能と電池性能の維持との観点から、組成物の総量に対して、50質量%以下が好ましく、より好ましくは40質量%以下である。また、熱膨張性マイクロカプセルの含有量は、異常発熱時、熱膨張性マイクロカプセルの熱膨張によるシャットダウン機能の増強の観点から、組成物の総量に対して、好ましくは5質量%以上、より好ましくは10質量%以上である。
【0080】
熱膨張性マイクロカプセルとしては、上市されている市販品を用いてもよい。
熱膨張性マイクロカプセルの市販品としては、松本油脂製薬株式会社製の「マツモトマイクロスフェアー(登録商標)」シリーズ、アクゾノーベル社製の「EXPANCEL(登録商標)」シリーズ、及び積水化学工業株式会社製の「ADVANCELL(登録商標)」シリーズなどが挙げられる。
【0081】
(1.4.3)無機酸化物フィラー
本開示の組成物は、無機酸化物フィラーを含有してもよい。本開示の組成物は、無機酸化物フィラーを含有しなくてもよい。本開示の組成物が無機酸化物フィラーを含有する場合、無機酸化物フィラーは充填材として機能する。
無機酸化物フィラーの含有量を多くすると、正極の耐熱性向上に寄与し、無機酸化物フィラーの含有量を極力少なくすると正極合材層に密着するアンダーコート層となって、内部短絡時にアンダーコート層が溶融して安全性向上に寄与する。さらに、無機酸化物フィラーの種類及び物性を選択することにより、電池の過充電時に電解液を分解してガスを発生させることもできる。
【0082】
無機酸化物フィラーとしては、酸化アルミニウム(α-Al2O3、γ-Al2O3)、水酸化アルミニウム(Al(OH)3)、ベーマイト(AlOOH))、マグネシア(酸化マグネシウム:MgO)、水酸化マグネシウム(Mg(OH)2)、ジルコニア(ZrO2)、チタニア(TiO2)、シリカ(SiO2)、二酸化ケイ素(SiO2)、炭化ケイ素(SiC)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ホウ素(BN)、マイカ、及び酸化黒鉛(例えば、膨張黒鉛等)等が挙げられる。無機酸化物フィラーは、1種単独又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。中でも、無機酸化物フィラーは、酸化アルミニウムを含むことが好ましい。
【0083】
無機酸化物フィラーの形状としては、特に限定されず、例えば、球形状、針状、楕円体状、板状、鱗片状等が挙げられる。無機酸化物フィラーの粒径は、特に限定されず、0.01μm~5μmであることが好ましい。
無機酸化物フィラーの粒径は、レーザー光回折散乱法に基づく粒度分布測定装置によって測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側からの累積50体積%に相当する粒径(粒度分布D50、メジアン径)を示す。
【0084】
無機酸化物フィラーの含有量は、組成物の総量に対して、0質量%~50質量%であることが好ましい。無機酸化物フィラーの含有量は、導電性炭素材料(A)とオレフィン系樹脂(B)の含有比率に与える影響が小さく、シャットダウン機能と電池性能の維持との観点から、組成物の総量に対して、40質量%以下が好ましく、より好ましくは30質量%以下である。また、無機酸化物フィラーの含有量は、高温時にアンダーコート層中に熔解したオレフィン系樹脂(B)の流動性を抑制し、シャットダウン機能を長い時間維持する観点から、組成物の総量に対して、好ましくは5質量%以上、より好ましくは10質量%以上である。
【0085】
(1.4.4)バインダー樹脂
本開示の組成物は、他の成分として、バインダー樹脂を含有することができる。これにより、本開示の組成物がアンダーコート層の原料に用いられる場合、バインダー樹脂は、アンダーコート層の物性(例えば、電解液浸透性・剥離強度)を向上させるとともに、リチウムイオン二次電池の電池性能を向上させることができる。
【0086】
バインダー樹脂としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、PVDF共重合体、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ポリビニルアルコール、及びジアセチルセルロース等が挙げられる。PVDF共重合体は、フッ化ビニリデンと他の単量体との共重合体であり、例えば、PVDF-HFP(ヘキサフルオロプロピレン)及びPVDF-PEO(ポリオキシエチレン)等が挙げられる。中でも、バインダー樹脂は、アンダーコート層の低抵抗化の観点から、PVDFを含むことが好ましい。
【0087】
バインダー樹脂として、上市されている市販品を用いてもよい。
PVDFの市販品としては、株式会社クレハ製のクレハ(登録商標)KFポリマーシリーズが挙げられ、例えば「W#1100」、「W#1300」、「W#1700」、「W#7200」、「W#7300」が挙げられる。
【0088】
バインダー樹脂は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
バインダー樹脂の含有量は、組成物の総量に対して、1質量%~20質量%であることが好ましい。シャットダウン機能は、バインダー樹脂の含有量と、オレフィン系樹脂(B)及びアクリル系水溶性ポリマー(C)の合計含有量と、のバランスに依存する。バインダー樹脂の組成物の総量に対する含有量の割合が高い場合、オレフィン系樹脂(B)及びアクリル系水溶性ポリマー(C)の組成物の総量に対する含有量の割合は低くなるため、シャットダウン機能が低下する場合が考えられる。バインダー樹脂の含有量が上記範囲内であると、組成物(例えば、アンダーコート層用スラリー)の加工性とシャットダウン機能の確保との両立が図れる。
バインダー樹脂の含有量は、オレフィン系樹脂(B)及びアクリル系水溶性ポリマー(C)の含有量との関係でシャットダウン機能を確保する観点から、組成物の総量に対して、15質量%以下が好ましく、より好ましくは10質量%以下である。また、バインダー樹脂の含有量は、組成物(例えば、アンダーコート層用スラリー)の加工性の観点から、組成物の総量に対して、好ましくは2質量%以上、より好ましくは3質量%以上である。
【0089】
(1.4.5)合成ゴム
本開示の組成物は、他の成分として、合成ゴムを含有してもよい。これにより、本開示の組成物がアンダーコート層の原料に用いられる場合、アンダーコート層と集電体との接着性が向上して、電池抵抗をより低減できる。
【0090】
合成ゴムとしては、スチレンブタジエンゴム(SBR)、アクリロニトリル-ブタジエンゴム、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレンゴム、水素添加スチレンブタジエンゴム(HSBR)、ブチレンゴム、ポリブタジエン、及びポリイソプレンゴム等が挙げられる。中でも、合成ゴムは、アンダーコート層の低抵抗性の観点から、SBRのエマルジョンなどの水分散性バインダーを適宜混合したものが好ましく、SBRを含むことがより好ましい。合成ゴムは、1種単独又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
【0091】
合成ゴムの形状は、特に限定されず、粒子状であってもよい。
【0092】
合成ゴムとして、上市されている市販品を用いてもよい。合成ゴムの市販品としては、JSR株式会社製の「TRD2001」(スチレンブタジエンゴム粒子の水分散体)等が挙げられる。
【0093】
(1.4.6)非固形分
本開示の組成物は、非固形分を含んでもよい。非固形分としては、アンダーコート層用スラリー由来の各種配合成分(例えば、界面活性剤、分散剤、濡れ剤、消泡剤等)、水等が挙げられる。
【0094】
本開示の組成物は、更に、添加剤(D)を含有し、前記添加剤(D)の含有量が、組成物の総量に対して、1質量%~50質量%であり、前記添加剤(D)は、カルボキシメチルセルロースを含むことが好ましい。これにより、アンダーコートスラリー中の微粒子の分散を安定させることができる。
【0095】
本開示の組成物は、更に、添加剤(D)を含有し、前記添加剤(D)の含有量が、組成物の総量に対して、1質量%~50質量%であり、前記添加剤(D)は、70℃~180℃の最大体積膨張温度を有する熱膨張性マイクロカプセル及び無機酸化物フィラーの少なくとも一方を含むことが好ましい。これにより、オレフィン系樹脂(B)のシャットダウン機能は、発揮しやすくなる。
【0096】
本開示の組成物は、更に、添加剤(D)を含有し、前記添加剤(D)の含有量が、組成物の総量に対して、1質量%~50質量%であり、前記添加剤(D)は、酸化アルミニウムを含むことが好ましい。これにより、オレフィン系樹脂(B)のシャットダウン機能は、発揮しやすくなる。
【0097】
(1.5)組成物の物性
本開示の組成物の各種物性について説明する。
【0098】
本開示の組成物では、安全性に優れるとともに、充放電初期の直流抵抗が低く抑えられ、かつ、高温環境下での直流抵抗の上昇が抑制された電極を形成する観点から、レーザー光回折散乱法で測定した、粒度分布D10に対する粒度分布D99の比(D99/D10)は、35以下であることが好ましい。
【0099】
「レーザー光回折散乱法で測定した粒度分布D99」とは、レーザー光回折散乱法に基づく粒度分布測定装置によって測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側からの累積99体積%に相当する粒径を示す。D99の測定方法は、実施例に記載の方法と同様である。
「レーザー光回折散乱法で測定した粒度分布D10」とは、レーザー光回折散乱法に基づく粒度分布測定装置によって測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側からの累積10体積%に相当する粒径を示す。D10の測定方法は、実施例に記載の方法と同様である。
【0100】
比(D99/D10)が35以下であることは、組成物中の成分の凝集物の数が少ないこと(換言すると、組成物中に分散されている成分の数が多いこと)を示す。即ち、比(D99/D10)が低いほど、組成物中の成分の凝集物の数がより少ないことを示す。組成物中の導電性炭素材料(A)が均一に分散されることになり、アンダーコート層内に均一な導電パスが形成されやすくなる。これにより、電池充放電の初期の直流抵抗と、高温環境下で長期保存した後の直流抵抗の上昇とを抑制することができる。更に、組成物中のオレフィン系樹脂(B)及びアクリル系水溶性ポリマー(C)が均一に分散されていることで、シャットダウン機能が効率良く発揮されやすくなる。結果、本開示の組成物は、安全性に優れるとともに、充放電初期の直流抵抗が低く抑えられ、かつ、高温環境下での直流抵抗の上昇が大幅に抑制された電極の形成が可能になる。したがって、電池性能に優れたリチウムイオン二次電池が得られる。
【0101】
比(D99/D10)は、リチウムイオン二次電池の安全性及び電池性能を向上させる観点から、3.0~30.0がより好ましく、さらに好ましくは3.0~22.0、特に好ましくは3.0~15.0である。
【0102】
比(D99/D10)を上記範囲内に調整する方法としては、ニーダー、2本ロールミル、3本ロールミル、プラネタリーミキサー、ボールミル、横型サンドミル、縦型サンドミル、アニュラー型ビーズミル、アトライター、ハイシアミキサー、ディスパー、フィルミックス、超音波及び高圧ホモジナイザー等が挙げられる。
【0103】
本開示の組成物では、レーザー光回折散乱法で測定した粒度分布D99は、20μm以下であることが好ましい。微粒子の凝集物が小さいほど、組成物に含まれる材料の分散性に優れたものとなる。D99が20μm以下であることで、D99が20μm超である場合に比べ、リチウムイオン二次電池の安全性及び電池性能を向上させやすい。組成物のD99としては、リチウムイオン二次電池の安全性及び電池性能を向上させる観点から、2.0μm~20.0μmがより好ましく、さらに好ましくは2.0μm~15.0μmであり、特に好ましくは2.0μm~10.0μmである。
【0104】
組成物のD99を上記範囲内に調整する方法としては、ニーダー、2本ロールミル、3本ロールミル、プラネタリーミキサー、ボールミル、横型サンドミル、縦型サンドミル、アニュラー型ビーズミル、アトライター、ハイシアミキサー、ディスパー、フィルミックス、超音波及び高圧ホモジナイザー等が挙げられる。
【0105】
本開示の組成物は、レーザー光回折散乱法で測定した粒度分布D10としては、0.1μm~1.5μmが好ましく、より好ましくは0.1μm~1.0μmであり、さらに好ましくは0.1μm~0.7μmである。D10が上記範囲内であると組成物に含まれる材料の分散性に優れ、D10が上記範囲内にない場合に比べて、リチウムイオン二次電池の安全性及び電池性能を向上させやすい。
【0106】
D10を上記範囲内に調整する方法としては、ニーダー、2本ロールミル、3本ロールミル、プラネタリーミキサー、ボールミル、横型サンドミル、縦型サンドミル、アニュラー型ビーズミル、アトライター、ハイシアミキサー、ディスパー、フィルミックス、超音波及び高圧ホモジナイザー等が挙げられる。
【0107】
本開示の組成物では、レーザー光回折散乱法で測定した、粒度分布D50(単に「D50」ともいう)に対する粒度分布D99の比(D99/D50)は、20以下であることが好ましい。比(D99/D50)が20以下であることは、組成物中の微粒子のメジアン径に対して凝集物の大きさが抑制されていることを示す。比(D99/D50)が20以下であることで、組成物の分散性に優れる。これにより、比(D99/D50)が20超である場合に比べて、リチウムイオン二次電池の安全性及び電池性能を向上させやすい。比(D99/D50)は、リチウムイオン二次電池の安全性及び電池性能を向上させる観点から、2.0~16.0がより好ましく、2.0~10.0が更に好ましく、特に好ましくは2.0~6.0である。
【0108】
「レーザー光回折散乱法で測定した粒度分布D50」とは、レーザー光回折散乱法に基づく粒度分布測定装置によって測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側からの累積50体積%に相当する粒径を示す。D50の測定方法は、実施例に記載の方法と同様である。
【0109】
比(D99/D50)を上記範囲内に調整する方法としては、ニーダー、2本ロールミル、3本ロールミル、プラネタリーミキサー、ボールミル、横型サンドミル、縦型サンドミル、アニュラー型ビーズミル、アトライター、ハイシアミキサー、ディスパー、フィルミックス、超音波及び高圧ホモジナイザー等が挙げられる。
【0110】
本開示の組成物は、レーザー光回折散乱法で測定した粒度分布D50は、特に限定されず、好ましくは0.5μm~5.0μm、より好ましくは0.5μm~3.0μm、さらに好ましくは0.5μm~2.0μmである。D50が上記範囲内であれば、組成物の分散性に優れ、リチウムイオン二次電池の安全性及び電池性能は向上しやすい。
【0111】
D50を上記範囲内に調整する方法としては、ニーダー、2本ロールミル、3本ロールミル、プラネタリーミキサー、ボールミル、横型サンドミル、縦型サンドミル、アニュラー型ビーズミル、アトライター、ハイシアミキサー、ディスパー、フィルミックス、超音波及び高圧ホモジナイザー等が挙げられる。
【0112】
本開示の組成物は、レーザー光回折散乱法で測定した粒度分布D90(単に「D90」ともいう)は、1.0μm~10.0μmが好ましく、1.0μm~7.0μmがより好ましく、更に好ましくは1.0μm~4.0μmである。D90が上記範囲内であると、組成物の分散性に優れ、リチウムイオン二次電池の安全性及び電池性能を向上させやすい。
「レーザー光回折散乱法で測定した粒度分布D90」とは、レーザー光回折散乱法に基づく粒度分布測定装置によって測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側からの累積90体積%に相当する粒径を示す。D90の測定方法は、実施例に記載の方法と同様である。
【0113】
D90を上記範囲内に調整する方法としては、ニーダー、2本ロールミル、3本ロールミル、プラネタリーミキサー、ボールミル、横型サンドミル、縦型サンドミル、アニュラー型ビーズミル、アトライター、ハイシアミキサー、ディスパー、フィルミックス、超音波及び高圧ホモジナイザー等が挙げられる。
【0114】
(1.6)好ましい組成
上述の導電性炭素材料(A)、オレフィン系樹脂(B)及びアクリル系水溶性ポリマー(C)の含有比率については、シャットダウン機能の効果的発揮と電池性能の維持の観点から、導電性炭素材料(A)の含有量が、組成物の総量に対して1質量%~30質量%であり、オレフィン系樹脂(B)の含有量が、組成物の総量に対して30質量%~90質量%であり、かつ、アクリル系水溶性ポリマー(C)の含有量が、組成物の総量に対して1質量%~20質量%である場合が好ましい。
【0115】
(1.6.1)好ましい組成(i)
本開示の組成物は、上述した構成に加えて、下記の要件(a1)を満たすことが好ましい。これにより、導電性炭素材料(A)とオレフィン系樹脂(B)との密着性に優れ、池性能を維持することができる。
本開示の組成物は、上述した構成に加えて、下記の要件(a1)及び要件(a2)を満たすことが好ましい。これにより、シャットダウン機能の効果的発揮と電池性能の維持のバランスが改善する。
本開示の組成物は、上述した構成に加えて、下記の要件(a1)、要件(a2)及び要件(a3)を満たすことが好ましい。これにより、シャットダウン機能の効果的発揮と電池性能の維持のバランスが改善する。
本開示の組成物は、上述した構成に加えて、下記の要件(a1)、要件(a2)、要件(a3)及び要件(a4)を満たすことが好ましい。これにより、リチウム二次電池のエネルギー密度が維持でき、シャットダウン機能の効果的発揮と電池性能の維持のバランスが改善する。
本開示の組成物は、上述した構成に加えて、下記の要件(a1)、要件(a2)、要件(a3)、要件(a4)及び要件(a5)を満たすことが好ましい。これにより、 電極の高温処理耐性に優れ、リチウム二次電池のエネルギー密度が維持でき、シャットダウン機能の効果的発揮と電池性能の維持のバランスが改善する。
本開示の組成物は、上述した構成に加えて、下記の要件(a1)、要件(a2)、要件(a3)、要件(a4)、要件(a5)及び要件(a6)を満たすことが好ましい。これにより、これにより、本開示の組成物を、電極を備えたリチウム二次電池に適用した場合に、安全性と電池性能(すなわち、出力及び寿命)とのバランスがより優れるリチウムイオン二次電池とすることができる。
【0116】
(1.6.1.1)要件(a1)~要件(a6)
要件(a1):(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位の含有量が、アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、60質量%~85質量%であること
要件(a2):導電性炭素材料(A)の含有量が、組成物の総量に対して、10質量%~20質量%であること
要件(a3):オレフィン樹脂(B)の含有量が、組成物の総量に対して、60質量%~80質量%であること
要件(a4):オレフィン樹脂(B)の粒径が、1μm~3μmであること
要件(a5):オレフィン樹脂(B)の軟化点が、120℃以上であること
要件(a6):本開示の組成物が、更に、添加剤(D)を含有し、添加剤(D)が、CMCを含むこと
【0117】
(1.6.2)好ましい組成(ii)
本開示の組成物は、上述した構成に加えて、下記の要件(b1)を満たすことが好ましい。これにより、導電性炭素材料(A)とオレフィン系樹脂(B)との密着性に優れ、池性能を維持することができる。
本開示の組成物は、上述した構成に加えて、下記の要件(b1)及び要件(b2)を満たすことが好ましい。これにより、シャットダウン機能の効果的発揮と電池性能の維持のバランスが改善する。
本開示の組成物は、上述した構成に加えて、下記の要件(b1)、要件(b2)及び要件(b3)を満たすことが好ましい。これにより、シャットダウン機能の効果的発揮と電池性能の維持のバランスが改善する。
本開示の組成物は、上述した構成に加えて、下記の要件(b1)、要件(b2)、要件(b3)及び要件(b4)を満たすことが好ましい。これにより、リチウム二次電池のエネルギー密度が維持でき、シャットダウン機能の効果的発揮と電池性能の維持のバランスが改善する。
本開示の組成物は、上述した構成に加えて、下記の要件(b1)、要件(b2)、要件(b3)、要件(b4)及び要件(b5)を満たすことが好ましい。これにより、 電極の高温処理耐性に優れ、リチウム二次電池のエネルギー密度が維持でき、シャットダウン機能の効果的発揮と電池性能の維持のバランスが改善する。
本開示の組成物は、上述した構成に加えて、下記の要件(b1)、要件(b2)、要件(b3)、要件(b4)、要件(b5)及び要件(b6)を満たすことが好ましい。これにより、これにより、本開示の組成物を、電極を備えたリチウム二次電池に適用した場合に、安全性と電池性能(すなわち、出力及び寿命)とのバランスが特に優れるリチウムイオン二次電池とすることができる。
【0118】
(1.6.2.1)要件(b1)~要件(b6)
要件(b1):(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位の含有量が、アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、60質量%~85質量%であること
要件(b2):導電性炭素材料(A)の含有量が、組成物の総量に対して、10質量%~20質量%であること
要件(b3):オレフィン樹脂(B)の含有量が、組成物の総量に対して、70質量%~80質量%であること
要件(b4):オレフィン樹脂(B)の粒径が、1μm~2μmであること
要件(b5):オレフィン樹脂(B)の軟化点が、120℃以上であること
要件(b6):本開示の組成物が、更に、添加剤(D)を含有し、添加剤(D)が、CMCを含むこと
【0119】
(1.7)組成物の製造方法
本開示の組成物の製造方法は、導電性炭素材料(A)、オレフィン系樹脂(B)、及びアクリル系水溶性ポリマー(C)を混合して混合物を作製すること(以下、「混合工程」ともいう)と、混合物を分散ロールを用いて分散すること(以下、「分散工程」ともいう)と、を含むことが好ましい。混合工程及び分散工程は、この順で実施することができ、この順で実施する場合、混合工程と分散工程との間に他の工程(例えば、混合物を混練する工程)を有してもよい。
【0120】
(1.7.1)混合工程
混合工程では、導電性炭素材料(A)、オレフィン系樹脂(B)、及びアクリル系水溶性ポリマー(C)を混合して混合物を作製する。混合方法は、特に限定されず、公知の方法であればよい。
導電性炭素材料(A)、オレフィン系樹脂(B)及びアクリル系水溶性ポリマー(C)の配合量は、本開示の組成物において導電性炭素材料(A)、オレフィン系樹脂(B)及びアクリル系水溶性ポリマー(C)の含有量として説明した既述の範囲と同様である。
【0121】
(1.7.2)分散工程
分散工程では、混合物を分散ロールを用いて分散する。これにより、分散工程を実施する前の混合物よりも原料がより分散された組成物が得られる。結果、得られる組成物は、作製した電極を二次電池に備えた場合における、充放電初期の直流抵抗の低減だけでなく、高温環境下での直流抵抗の上昇を、分散工程を実施しない場合に比べて効果的に抑制することができる。
混合物を分散ロールを用いて分散する処理を「分散処理」ともいう。混合物を分散処理する前にあらかじめ混練しておいてもよい。
【0122】
分散方法は、特に限定されず、混練装置を用いる方法等が挙げられる。混練装置としては、例えば、ニーダー、2本ロールミル、3本ロールミル、プラネタリーミキサー、ボールミル、横型サンドミル、縦型サンドミル、アニュラー型ビーズミル、アトライター、ハイシアミキサー、ディスパー、フィルミックス、超音波及び高圧ホモジナイザー等が挙げられる。中でも、混練装置は、混合物中に微粒子をより均一に分散する観点から、3本ロールミルであることが好ましい。
混練装置を用いる場合、混合物の分散方式としては、バッチ式分散、パス式分散、及び循環分散等が挙げられる。混合物の分散方式は、2つ以上の方式が組み合わせられてもよい。「バッチ式分散」とは、配管などを用いずに、混練装置のみで混合物の分散を行う方法を示す。「パス式分散」とは、混練システムを用いて、混合物を混練装置に通過(パス)させて、混合物の分散を行う方法を示す。混練システムは、混練装置と、配管を介して混練装置に混合物を供給する第1タンクと、混練処理後の混合物を受ける第2タンクと、を備える。「循環式分散」とは、第2タンク中の混練処理後の混合物を第1タンクに戻して、循環させながら混合物の分散を行う方式を示す。
【0123】
3本ロールミルについて
図4を参照して説明する。
図4において、符号D1は第1ロール91(以下、「仕込ロール91」ともいう)の回転方向を示す。符号D2は第2ロール92(以下、「中間ロール92」ともいう)の回転方向を示す。符号D3は第3ロール93(以下、「仕上ロール93」ともいう)の回転方向を示す。
【0124】
図4に示すように、3本ロールミル90は、仕込ロール91と、中間ロール92と、仕上ロール93と、ブレード94と、を備える。仕込ロール91と中間ロール92とは、第1間隔L1(
図4参照)を空けて配置されている。中間ロール92と仕上ロール93とは、第2間隔L2(
図4参照)を空けて配置されている。ブレード94は、仕上ロール93の表面と接触するようにして、配置されている。
【0125】
3本ロールミル90では、
図4に示すように、仕込ロール91と中間ロール92とで形成される上側空間に混合物1110が貯められる。仕込ロール91の表面に付着した混合物1110は、中間ロール92の表面に転写される。中間ロール92の表面に付着した混合物1110は、仕上ロール93の表面に転写される。仕上ロール93の表面に付着した混合物1110は、ブレード94によって掻き取られる。
【0126】
仕込ロール91、中間ロール92、及び仕上ロール93の各々は、公知の3本ロールミルで用いられるロールであればよい。仕込ロール91、中間ロール92、及び仕上ロール93の各々の直径は、略同一である。ブレード94としては、例えば、ドクターブレード等が挙げられる。
【0127】
仕込ロール91、中間ロール92及び仕上ロール93の各々の回転速度は、特に限定されず、仕込ロール91、中間ロール92及び仕上ロール93の順に速くてもよい。
仕込ロール91の回転速度は、特に限定されず、好ましくは5rpm(revolutions per minute)~84rpm、より好ましくは16rpm~56rpmである。中間ロール92の回転速度は、特に限定されず、好ましくは16rpm~240rpm、より好ましくは50rpm~160rpmである。仕上ロール93の回転速度は、特に限定されず、好ましくは50rpm~600rpm、より好ましくは150rpm~400rpmである。
仕込ロール91の回転速度に対する中間ロール92の回転速度の比(中間ロール92の回転速度/仕込ロール91の回転速度)は、混合物中に微粒子を均一分散する観点から、好ましくは2.0~4.0、より好ましくは2.5~3.5である。
仕込ロール91の回転速度に対する仕上ロール93の回転速度の比(仕上ロール93の回転速度/仕込ロール91の回転速度)は、混合物中に微粒子を均一分散する観点から、好ましくは5.0~12.0、より好ましくは6.5~10.0である。
【0128】
第1間隔L1は、特に限定されず、混合物中に微粒子を均一に分散する観点から、好ましくは0mm~0.05mm、より好ましくは0mm~0.02mmである。
第2間隔L2は、特に限定されず、混合物中に微粒子を均一に分散する観点から、好ましくは0mm~0.05mm、より好ましくは0mm~0.02mmである。
【0129】
分散処理の回数(以下、「処理数」ともいう)は、1回以上であってもよい。中でも、処理数は、3回であることが好ましい。処理数が3回であれば、処理数が2回以下又は4回以上である場合よりも、混合物中の導電性炭素材料(A)及びオレフィン系樹脂(B)は均一に分散されやすい。結果、充放電初期の直流抵抗と、高温環境下(特に長期保存後)での直流抵抗の上昇と、がより効果的に抑制されたリチウムイオン二次電池とすることができる組成物が得られる。
【0130】
(2)アンダーコート
本開示のアンダーコート層は、既述の本開示の組成物を含む。本開示の組成物については既述のとおりであるので、ここでの説明を省略する。
【0131】
アンダーコート層の厚みは、特に限定されない。アンダーコート層の厚みは、リチウムイオン二次電池の正常時の直流抵抗をより抑制する等の観点から、50μm以下が好ましく、より好ましくは20μm以下である。アンダーコート層の厚みは、リチウムイオン二次電池の異常発熱時に直流抵抗をより高め、シャットダウン機能をより確実に発現させる観点から、好ましくは0.1μm以上、より好ましくは0.2μm以上である。
【0132】
アンダーコート層の形成位置は、正極集電体の少なくとも一方の主面の少なくとも一部であることが好ましく、正極合材層の塗工パターン(例えば、間欠塗工、ストライプ塗工等)等に応じて適宜選択すればよい。
【0133】
(3)電極
本開示の電極は、集電体と、既述の本開示のアンダーコート層と、合材層と、を備えている。「電極」とは、リチウムイオン二次電池の正極及び負極の少なくとも一方を指す。
【0134】
本開示の電極は、上記の構成を有するので、安全性に優れるとともに、充放電初期及び高温環境下(特に長期保存後)での直流抵抗の上昇が抑制されたリチウムイオン二次電池を作製することができる。
【0135】
本開示の電極では、集電体とアンダーコート層と合材層とをこの順に積層して有することが好ましい。これにより、本開示の電極は、リチウムイオン二次電池が急激に温度上昇した際に集電体と合材層との間の電気的抵抗を増大させる。これにより、リチウムイオン二次電池の過熱を抑制する。したがって、本開示の電極は、リチウムイオン二次電池の安全性を向上させることができる。更に、本開示の電極は、高温環境下にリチウムイオン二次電池が長期保存されても、リチウムイオン二次電池における直流抵抗の上昇を抑制することができる。
【0136】
本開示の電極は、正極であってもよいし、負極であってもよい。中でも、本開示の電極は、正極であることが好ましい。本開示の電極が正極である場合、正極の電気的抵抗が増大することによって、得られるリチウムイオン二次電池はシャットダウン機能を良好に発現することができる。
【0137】
(3.1)正極
本開示の正極は、集電体(以下、「正極集電体」ともいう)と、アンダーコート層と、合材層(以下、「正極合材層」ともいう)とを備えてもよい。
【0138】
本開示の正極は、第1正極構成、第2正極構成、第3正極構成、及び第4正極構成を含む。
第1正極構成は、集電体の両方の主面上にアンダーコート層及び正極合材層がこの順に積層された構成を示す。
第2正極構成は、集電体の一方の主面上にアンダーコート層及び正極合材層がこの順に積層され、集電体の他方の主面上にアンダーコート層が積層された構成を示す。
第3正極構成は、集電体の一方の主面上にアンダーコート層及び正極合材層がこの順に積層され、集電体の他方の主面上に正極合材層が積層された構成を示す。
第4正極構成は、集電体の一方の主面上にアンダーコート層及び正極合材層がこの順に積層され、集電体の他方の主面上にアンダーコート層及び正極合材層の各々が積層されていない構成を示す。
【0139】
(3.1.1)正極集電体
正極集電体の材質としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼材(SUS)、銅などが挙げられる。「アルミニウム」は、純アルミニウム又はアルミニウム合金を含む。
【0140】
(3.1.2)アンダーコート層
アンダーコート層及びこれを形成する組成物の詳細については既述のとおりであるので、ここでの説明を省略する。
【0141】
(3.1.3)正極合材層
正極合材層は、正極活物質及びバインダーを含有する。
【0142】
(3.1.3.1)正極活物質
正極活物質としては、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な物質であれば特に限定されず、リチウムイオン二次電池の用途などに応じて、適宜調整され得る。
【0143】
正極活物質としては、例えば、第1酸化物、第2酸化物などが挙げられる。
第1酸化物は、リチウム(Li)とニッケル(Ni)とを構成金属元素とする。
第2酸化物は、Liと、Niと、Li及びNi以外の金属元素の少なくとも1種と、を構成金属元素として含む。Li及びNi以外の金属元素としては、例えば、遷移金属元素、典型金属元素などが挙げられる。第2酸化物は、Li及びNi以外の金属元素として、好ましくは、原子数換算で、Niと同程度、又は、Niよりも少ない割合で含むことが好ましい。Li及びNi以外の金属元素は、例えば、Co、Mn、Al、Cr、Fe、V、Mg、Ca、Na、Ti、Zr、Nb、Mo、W、Cu、Zn、Ga、In、Sn、La及びCeからなる群から選択される少なくとも1種であり得る。正極活物質は、1種単独又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
【0144】
正極活物質は、下記式(X)で表されるリチウム含有複合酸化物(以下、「NCM」という場合がある。)を含むことが好ましい。リチウム含有複合酸化物(X)は、単位体積当たりのエネルギー密度が高く、熱安定性にも優れるという利点を有する。
【0145】
LiNiaCobMncO2 … 式(X)
【0146】
式(X)中、a、b及びcは、それぞれ独立に、0超1未満であり、a、b及びcの合計は、0.99~1.00である。
【0147】
NCMの具体例としては、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2、LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2などが挙げられる。
【0148】
正極活物質は、下記式(Y)で表されるリチウム含有複合酸化物(以下、「NCA」という場合がある。)を含んでもよい。
【0149】
LitNi1-x-yCoxAlyO2 … 式(Y)
【0150】
式(Y)中、tは、0.95~1.15であり、xは、0~0.3であり、yは、0.01~0.2であり、x及びyの合計は、0.5未満である。
【0151】
NCAの具体例としては、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2などが挙げられる。
【0152】
正極活物質の含有量は、正極合材層の総量に対して、好ましくは10質量%以上、より好ましくは30質量%以上、更に好ましくは50質量%以上、特に好ましくは70質量%以上である。
正極活物質の含有量は、正極合材層の総量に対して、好ましくは99.9質量%以下、より好ましくは99質量%以下である。
【0153】
(3.1.3.2)バインダー
バインダーとしては、例えば、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ニトロセルロース、フッ素樹脂、ゴム粒子などが挙げられる。
フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体などが挙げられる。
ゴム粒子としては、スチレン-ブタジエンゴム粒子、アクリロニトリルゴム粒子などが挙げられる。
これらの中でも、正極合材層の耐酸化性を向上させる観点から、バインダーは、フッ素樹脂を含むことが好ましい。バインダーは、1種単独又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
バインダーの含有量は、正極合材層の物性(例えば、電解液浸透性、剥離強度、など)と電池性能との両立の観点から、正極合材層の全量に対し、好ましくは0.1質量%~4質量%である。
【0154】
(3.1.3.3)導電助剤
正極合材層は、導電助剤を更に含んでもよい。
導電助剤としては、公知の導電助剤を用いることができる。公知の導電助剤としては、導電性を有する炭素材料が好ましい。導電性を有する炭素材料としては、グラファイト、カーボンブラック、導電性炭素繊維、及びフラーレンなどが挙げられる。導電性炭素繊維としては、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、及びカーボンファイバーなどが挙げられる。グラファイトとしては、例えば、人造黒鉛、及び天然黒鉛などが挙げられる。天然黒鉛としては、例えば、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛、及び土状黒鉛などが挙げられる。導電助剤は、1種単独又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。導電助剤の材質は、市販品であってもよい。
【0155】
(3.1.3.4)その他の成分
正極合材層は、その他の成分を含んでいてもよい。その他の成分としては、増粘剤、界面活性剤、分散剤、濡れ剤、消泡剤などが挙げられる。
【0156】
(3.2)負極
本開示の負極は、集電体(以下、「負極集電体」ともいう)と、合材層(以下、「負極合材層」ともいう)とを備え、アンダーコート層を備えてもよい。
【0157】
本開示の負極は、第1負極構成、第2負極構成、第3負極構成、及び第4負極構成を含んでもよい。
第1負極構成は、集電体の両方の主面上にアンダーコート層及び負極合材層がこの順に積層された構成を示す。
第2負極構成は、集電体の一方の主面上にアンダーコート層及び負極合材層がこの順に積層され、集電体の他方の主面上にアンダーコート層が積層された構成を示す。
第3負極構成は、集電体の一方の主面上にアンダーコート層及び負極合材層がこの順に積層され、集電体の他方の主面上に負極合材層が積層された構成を示す。
第4負極構成は、集電体の一方の主面上にアンダーコート層及び負極合材層がこの順に積層され、集電体の他方の主面上にアンダーコート層及び負極合材層の各々が積層されていない構成を示す。
【0158】
(3.2.1)負極集電体
負極集電体の材質としては、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼材(SUS)、ニッケルメッキ鋼材などが挙げられる。
【0159】
(3.2.2)アンダーコート層
アンダーコート層は、正極のアンダーコート層として例示したものと同様である。
【0160】
(3.2.3)負極合材層
負極合材層は、負極活物質及びバインダーを含有する。
【0161】
(3.2.3.1)負極活物質
負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な物質であれば特に制限はない。負極活物質は、例えば、金属リチウム、リチウム含有合金、リチウムとの合金化が可能な金属もしくは合金、リチウムイオンのドープ及び脱ドープが可能な酸化物、リチウムイオンのドープ及び脱ドープが可能な遷移金属窒素化物、並びにリチウムイオンのドープ及び脱ドープが可能な炭素材料からなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。これらの中でも、負極活物質は、リチウムイオンをドープ及び脱ドープすることが可能な炭素材料(以下、「炭素材料」という。)が好ましい。
【0162】
炭素材料としては、カーボンブラック、活性炭、黒鉛材料、非晶質炭素材料などが挙げられる。これらの炭素材料は、1種類で使用してもよく、2種類以上混合して使用してもよい。炭素材料の形態は、特に限定されず、例えば、繊維状、球状、フレーク状などが挙げられる。炭素材料の粒径は、特に限定されず、好ましくは5μm~50μm、より好ましくは20μm~30μmである。
非晶質炭素材料として、例えば、ハードカーボン、コークス、1500℃以下に焼成したメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、メソフェーズピッチカーボンファイバー(MCF)などが挙げられる。
黒鉛材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛が挙げられる。人造黒鉛としては、黒鉛化MCMB、黒鉛化MCFなどが挙げられる。黒鉛材料は、ホウ素を含有してもよい。黒鉛材料は、金属又は非晶質炭素で被覆されていてもよい。黒鉛材料を被覆する金属の材質としては、金、白金、銀、銅、スズなどが挙げられる。黒鉛材料は、非晶質炭素と黒鉛との混合物であってもよい。
【0163】
(3.2.3.2)バインダー
負極合材層に含まれるバインダーとしては、正極合材層に含まれるバインダーとして例示したものと同様のものが挙げられる。
負極合材層に含まれるバインダーは、正極合材層に含まれるバインダーと同一であってもよいし、異なっていてもよい。
負極合材層に含まれるバインダーの含有量は、特に限定されず、正極合材層に含まれるバインダーの含有量として例示したものと同様であればよい。
【0164】
(3.2.3.3)導電助剤
負極合材層は、導電助剤を含有することが好ましい。導電助剤としては、正極合材層に含まれ得る導電助剤として例示した導電助剤と同様の導電助剤が挙げられる。
【0165】
(3.2.3.4)その他の成分
負極合材層は、上記各成分に加えて、その他の成分を含んでいてもよい。その他の成分としては、増粘剤、界面活性剤、分散剤、濡れ剤、及び消泡剤などが挙げられる。
【0166】
本開示の電極は、集電体と、アンダーコート層と、合材層とが、この順に積層されていることが好ましい。
【0167】
(4)リチウムイオン二次電池
本開示のリチウムイオン二次電池は、既述の本開示の電極を備えている。
リチウムイオン二次電池は、一般的に、外装体と電極(正極及び負極)とセパレータと電解液とを備えている。外装体は、電極(正極及び負極)、セパレータ及び非水電解液を収容している。
【0168】
以下、正極及び負極が本開示の電極である場合を一例に説明する。
【0169】
(4.1)外装体
外装体としては、ラミネートフィルムを含む外装体、電池缶と電池缶蓋とからなる外装体などが挙げられる。外装体の形状などは、特に限定はなく、リチウムイオン二次電池の用途などに応じて、適宜選択される。
【0170】
(4.2)電極
電極として、正極及び負極を備える。正極は、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能である。負極は、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能である。
本開示のリチウムイオン二次電池では、正極及び負極の少なくとも一方が本開示の電極である。本開示のリチウムイオン二次電池の正極及び負極の一方が本開示の電極である場合、正極及び負極の他方はリチウムイオン二次電池に用いられる公知の電極であればよい。
【0171】
(4.3)セパレータ
セパレータは、正極と負極とを離隔する。セパレータとしては、例えば、多孔質の樹脂平板が挙げられる。多孔質の樹脂平板の材質としては、樹脂、この樹脂を含む不織布などが挙げられる。樹脂としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリメチルペンテン(PMP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミドなどが挙げられる。なかでも、セパレータは、単層又は多層構造の多孔性樹脂シートであることが好ましい。多孔性樹脂シートの材質は、1種又は2種以上のポリオレフィン樹脂を主体とする。セパレータの厚みは、好ましくは5μm~30μmである。セパレータは、好ましくは、正極と負極との間に配置される。
【0172】
(4.4)非水電解液
非水電解液は、電解質及び非水溶媒を含有する。
(4.4.1)電解質
電解質は、フッ素を含むリチウム塩(以下、「含フッ素リチウム塩」ともいう)及びフッ素を含まないリチウム塩の少なくとも1種を含有することが好ましい。
【0173】
含フッ素リチウム塩としては、例えば、無機酸陰イオン塩、有機酸陰イオン塩などが挙げられる。
無機酸陰イオン塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6)、六フッ化タンタル酸リチウム(LiTaF6)が挙げられる。有機酸陰イオン塩としては、例えば、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)が挙げられる。中でも、含フッ素リチウム塩としては、LiPF6が特に好ましい。フッ素を含まないリチウム塩としては、例えば、過塩素酸リチウム(LiClO4)、四塩化アルミニウム酸リチウム(LiAlCl4)、リチウムデカクロロデカホウ素酸(Li2B10Cl10)が挙げられる。
【0174】
電解質が含フッ素リチウム塩を含む場合、含フッ素リチウム塩の含有割合は、電解質の全量に対して、好ましくは50質量%~100質量%、より好ましくは60質量%~100質量%、更に好ましくは80質量%~100質量%である。
含フッ素リチウム塩が六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を含む場合、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)の含有割合は、電解質の全量に対して、好ましくは50質量%~100質量%、より好ましくは60質量%~100質量%、更に好ましくは80質量%~100質量%である。
【0175】
非水電解液が電解質を含む場合、非水電解液における電解質の濃度は、好ましくは0.1mol/L~3mol/L、より好ましくは0.5mol/L~2mol/Lである。
非水電解液が六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を含む場合、非水電解液における六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)の濃度は、好ましくは0.1mol/L~3mol/L、より好ましくは0.5mol/L~2mol/Lである。
【0176】
(4.4.2)非水溶媒
非水電解液は、一般的に、非水溶媒を含有する。
非水溶媒としては、例えば、環状カーボネート類、含フッ素環状カーボネート類、鎖状カーボネート類、含フッ素鎖状カーボネート類、脂肪族カルボン酸エステル類、含フッ素脂肪族カルボン酸エステル類、γ-ラクトン類、含フッ素γ-ラクトン類、環状エーテル類、含フッ素環状エーテル類、鎖状エーテル類、含フッ素鎖状エーテル類、ニトリル類、アミド類、ラクタム類、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、燐酸トリメチル、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホキシド燐酸が挙げられる。非水溶媒は、1種単独又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
【0177】
環状カーボネート類としては、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)、ブチレンカーボネート(BC)が挙げられる。
含フッ素環状カーボネート類としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、トリフルオロプロピレンカーボネートが挙げられる。
鎖状カーボネート類としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、エチルプロピルカーボネート(EPC)、ジプロピルカーボネート(DPC)が挙げられる。
含フッ素鎖状カーボネート類としては、例えば、メチル2,2,2-トリフルオロエチルカーボネートが挙げられる。
脂肪族カルボン酸エステル類としては、例えば、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酪酸メチル、ギ酸エチル、酢酸エチル、プロピオン酸エチル、酪酸エチル、イソ酪酸エチル、トリメチル酪酸エチルが挙げられる。
含フッ素脂肪族カルボン酸エステル類としては、例えば、ジフルオロ酢酸メチル、3,3,3-トリフルオロプロピオン酸メチル、ジフルオロ酢酸エチル、酢酸2,2,2-トリフルオロエチルが挙げられる。
γ-ラクトン類としては、例えば、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトンが挙げられる。
環状エーテル類としては、例えば、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3-ジオキソラン、4-メチル-1,3-ジオキソラン、1,3-ジオキサン、1,4-ジオキサンが挙げられる。
鎖状エーテル類としては、例えば、1,2-エトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)、ジエチルエーテル、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジブトキシエタンが挙げられる。
含フッ素鎖状エーテル類としては、例えば、HCF2CF2CH2OCF2CF2H、CF3CF2CH2OCF2CF2H、HCF2CF2CH2OCF2CFHCF3、CF3CF2CH2OCF2CFHCF3、C6F13OCH3、C6F13OC2H5、C8F17OCH3、C8F17OC2H5、CF3CFHCF2CH(CH3)OCF2CFHCF3、HCF2CF2OCH(C2H5)2、HCF2CF2OC4H9、HCF2CF2OCH2CH(C2H5)2、HCF2CF2OCH2CH(CH3)2が挙げられる。
ニトリル類としては、例えば、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3-メトキシプロピオニトリルが挙げられる。
アミド類としては、例えば、N,N-ジメチルホルムアミドが挙げられる。
ラクタム類としては、例えば、N-メチルピロリジノン、N-メチルオキサゾリジノン、N,N'-ジメチルイミダゾリジノンが挙げられる。
【0178】
非水溶媒は、環状カーボネート類、含フッ素環状カーボネート類、鎖状カーボネート類、及び含フッ素鎖状カーボネート類からなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。この場合、環状カーボネート類、含フッ素環状カーボネート類、鎖状カーボネート類、及び含フッ素鎖状カーボネート類の合計の割合は、非水溶媒の全量に対して、好ましくは50質量%~100質量%、より好ましくは60質量%~100質量%、更に好ましくは80質量%~100質量%である。
【0179】
非水溶媒は、環状カーボネート類及び鎖状カーボネート類からなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。この場合、非水溶媒中に占める、環状カーボネート類及び鎖状カーボネート類の合計の割合は、非水溶媒の全量に対して、好ましくは50質量%~100質量%、より好ましくは60質量%~100質量%、更に好ましくは80質量%~100質量%である。
【0180】
非水溶媒の含有量は、非水電解液の全量に対して、好ましくは99質量%以下、好ましくは97質量%以下、更に好ましくは90質量%以下である。非水溶媒の含有量は、非水電解液の全量に対して、好ましくは60質量%以上、より好ましくは70質量%以上である。
【0181】
非水溶媒の固有粘度は、電解質の解離性及びイオンの移動度をより向上させる観点から、25℃において、好ましくは10.0mPa・s以下である。
【0182】
(4.4.3)電解液添加剤
非水溶媒は、電解液添加剤を含有してもよい。これにより、リチウムイオン二次電池の充放電サイクルにおいて、本来の電池反応ではない副反応は進行しにくくすることができる。電池反応は、正極及び負極にリチウムイオンが出入り(インターカレート)する反応を示す。副反応は、負極による非水電解液の還元分解反応、正極による非水電解液の酸化分解反応、正極活物質中の金属元素の溶出等を含む。
電解液添加剤としては、特に制限はなく、公知のものを任意に用いることができ、例えば、特開2019-153443号公報に記載の添加剤を用いることができる。
【0183】
(5)リチウムイオン二次電池の一例
図1及び
図2を参照して、本開示の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の一例について具体的に説明する。
図1は、本開示の実施形態に係るリチウムイオン二次電池1の概略断面図である。
図2は、本開示の実施形態に係るリチウムイオン二次電池1における正極11の概略断面図である。
図3は、本開示の実施形態に係るリチウムイオン二次電池1における負極12の概略断面図である。
【0184】
本開示の実施形態に係るリチウムイオン二次電池1は、積層型である。
図1に示すように、リチウムイオン二次電池1は、電池素子10と、正極リード21と、負極リード22と、外装体30とを備える。電池素子10は、外装体30の内部に封入されている。外装体30は、ラミネートフィルムで形成されている。電池素子10には、正極リード21及び負極リード22の各々が取り付けられている。正極リード21及び負極リード22の各々は、外装体30の内部から外部に向かって、反対方向に導出されている。
【0185】
電池素子10は、
図1に示すように、正極11と、セパレータ13と、負極12と、が積層されてなる。
正極11は、
図2に示すように、アンダーコート層付き正極集電体11Aの両方の主面上に正極合材層11Bが形成されてなる。アンダーコート層付き正極集電体11Aは、正極集電体110の両方の主面上にアンダーコート層111が形成されてなる。
負極12は、
図3に示すように、アンダーコート層付き負極集電体12Aの両方の主面上に負極合材層12Bが形成されてなる。アンダーコート層付き負極集電体12Aは、負極集電体120の両方の主面上にアンダーコート層121が形成されてなる。
図1に示すように、正極11のアンダーコート層付き正極集電体11Aの片方の主面上に形成された正極合材層11Bと、正極11に隣接する負極12のアンダーコート層付き負極集電体12Aの片方の主面上に形成された負極合材層12Bとは、セパレータ13を介して対向している。
【0186】
外装体30の内部には、非水電解液が注入されている。非水電解液は、正極合材層11B、セパレータ13、及び負極合材層12Bに浸透している。リチウムイオン二次電池1では、隣接する正極合材層11B、セパレータ13及び負極合材層12Bによって、1つの単電池層14が形成されている。
【0187】
本実施形態では、リチウムイオン二次電池1は、積層型であるが、本開示はこれに限定されず、リチウムイオン二次電池1は、例えば、捲回型であってもよい。捲回型は、正極、セパレータ、負極、及びセパレータをこの順の配置で重ねて層状に巻いてなる。捲回型は、円筒型、又は角形を含む。
本実施形態では、
図1に示すように、正極リード21及び負極リード22の各々が外装体30の内部から外部に向けて突出する方向は、外装体30に対して反対方向であるが、本開示はこれに限定されない。例えば、正極リード及び負極リードの各々が外装体30の内部から外部に向けて突出する方向は、外装体30に対して同一方向であってもよい。
【実施例0188】
以下、本開示に係る実施形態を、実施例を参照して詳細に説明する。なお、本開示は、これらの実施例の記載に何ら限定されるものではない。
【0189】
[1]準備
実施例及び比較例に用いた製品は以下のとおりである。各製品の物性は、カタログ値である。
【0190】
[1.1]導電性炭素材料(A)
・Super-P:TIMCAL社製の「Super-P」(導電性カーボンブラック、固形分濃度:100質量%)
・KS-6:TIMREX社製の「KS-6」(鱗片状黒鉛、固形分濃度:100質量%)
【0191】
[1.2]オレフィン系樹脂(B)
・W300:三井化学株式会社製の「ケミパール(登録商標) W300」(低分子量ポリエチレンの水分散体、固形分濃度:40質量%、粒径(コールカウンター法により測定された平均一次粒子径;以下同じ):3.0μm、軟化点(環球法):132℃)
・W700:三井化学株式会社製の「ケミパール(登録商標) W700」(低分子量ポリエチレンの水分散体、固形分濃度:40質量%、粒径:1.0μm、軟化点(環球法):132℃)
・W900:三井化学株式会社製の「ケミパール(登録商標) W900」(低分子量ポリエチレンの水分散体、固形分濃度:40質量%、粒径:0.6μm、軟化点(環球法):132℃)
・W950:三井化学株式会社製の「ケミパール(登録商標) W950」(低分子量ポリエチレンの水分散体、固形分濃度:40質量%、粒径:0.6μm、軟化点(環球法):113℃)
・WP100:三井化学株式会社製の「ケミパール(登録商標) WP100」(低分子量ポリプロピレンの水分散体、固形分濃度:40質量%、粒径:1.0μm、軟化点(環球法):148℃)
【0192】
[1.3]アクリル系水溶性ポリマー(C)
アクリル系水溶性ポリマー(C)として、アクリル系水溶性ポリマー(C-1)~アクリル系水溶性ポリマー(C-5’)を下記の通りに調製した。
【0193】
[1.3.1]アクリル系水溶性ポリマー(C-1)
攪拌機、還流冷却付きのセパラブルフラスコに、蒸留水を240.0質量部仕込み、窒素ガスで置換した後、70℃に昇温した。次いで、過硫酸アンモニウムを0.6質量部添加してから、下記の水溶性モノマー原料を3時間かけて連続的に添加し、さらに3時間保持して、アンモニア水にてpH9.0に調整して、重合を完結させた。水を適量加え、アクリル系水溶性ポリマー(C-1)の水溶液を得た。アクリル系水溶性ポリマー(C-1)の水溶液の固形分は、15.0%であった。
【0194】
<水溶性モノマー原料>
メタクリルアミド 40.0質量部
メタクリル酸 50.0質量部
2-ヒドロキシエチルメタクリレート 10.0質量部
25%アンモニア水 50.0質量部
蒸留水 240.0質量部
【0195】
[1.3.1.2]ガラス転移温度(Tg)
得られた水溶液に含まれるアクリル系水溶性ポリマー(C-1)のガラス転移温度(Tg)を、下記式(1)のFOX式により算出した。
式(1):1/Tg=W1/Tg1+W2/Tg2+・・・+Wn/Tgn
式(1)中、Tgは共重合体のガラス転移温度(単位:K)、Tgi(i=1、2、・・・n)は、単量体iが単独重合体を形成するときのガラス転移温度(単位:K)、Wi(i=1、2、・・・n)は、単量体iの全単量体中の質量分率を表す。
【0196】
[1.3.2]アクリル系水溶性ポリマー(C-2)~(C-5’)
配合処方を、表1の記載に従って変更した以外は、実施例1と同様に処理して、アクリル系水溶性ポリマー(C-2)~アクリル系水溶性ポリマー(C-5’)の水溶液を製造した。アクリル系水溶性ポリマー(C-2)~アクリル系水溶性ポリマー(C-5’)のガラス転移温度を実施例1と同様にして求めた。
【0197】
【0198】
表1中、「240/240」とは、最初にフラスコに240質量部の蒸留水を仕込んであり、その後、モノマー溶解の際に240質量部の蒸留水を使用していることを示す。
【0199】
[1.3.3]アクリル系水溶性ポリマー(C)の比較用樹脂
アクリル系水溶性ポリマー(C)の比較用樹脂として、下記の樹脂を準備した。
・ポリアクリル酸:富士フイルム和光純薬株式会社製の「ポリアクリル酸」(ポリアクリル酸水溶液、固形分濃度:約25質量%)
・ポリアクリルアミド:富士フイルム和光純薬株式会社製の「ポリアクリルアミド」(ポリアクリルアミド水溶液、固形分濃度:約10質量%)
【0200】
[1.4]添加剤(D)
・CMC:ダイセルミライズ株式会社製の「2200」(カルボキシメチルセルロールナトリウム、固形分濃度:100質量%)
・PVDF:株式会社クレハ製の「W#7200」(フッ化ビニリデン樹脂、固形分濃度:100質量%)
・SBR:JSR株式会社製の「TRD2001」(スチレンブタジエンゴム粒子の水分散体、固形分:50質量%)
・MC:松本油脂製薬株式会社製の「マツモトマイクロスフェアー(登録商標)FN―100SS」(マイクロカプセル、固形分濃度:100質量%、最大体積膨張温度:180℃)
・Al2O3:富士フイルム和光純薬株式会社製の「酸化アルミニウム」(平均粒径:2μm、固形分濃度:100質量%)
【0201】
以下の記載において用いられる配合割合(含有割合)、物性値、パラメータなどの具体的数値は、上記の「発明を実施するための形態」において記載されている、それらに対応する配合割合(含有割合)、物性値、パラメータなど該当記載の上限値(「以下」、「未満」として定義されている数値)または下限値(「以上」、「超過」として定義されている数値)に代替することができる。また、以下の記載において特に言及がない限り、「部」および「%」は質量基準である。
【0202】
[2]アンダーコート層付き正極集電体の作製
[2.1]アンダーコート層用スラリー調製
(実施例1)
アンダーコート層用スラリーの調製は5Lのプラネタリーディスパを用いた。
アンダーコート層用スラリーの分散処理には3本ロールミル(アイメックス(株)製、BR―300HCVIII)を用いた。
「Super-P」(A) 58質量部を5分間予備攪拌した(調製工程A)。
「Super-P」(A)粉体に、「CMC水溶液」(D) 229.0質量部を加え、更に20分間混合して、第1混合液を得た(調製工程B)。「CMC水溶液」(D)は、「CMC」(D)の含有量が「CMC水溶液」(D)の総量に対して1.6質量%となるように、蒸留水に「CMC」(D)を添加して調製されている。
第1混合液に、「CMC水溶液」(D) 527.8質量部を加え20分間混合する添加操作を計3回行って、第2混合液を得た(調製工程C)。第1混合液に加えた「CMC水溶液」(D)の総添加量は、1583.4質量部であった。
第2混合液に、「アクリル系水溶性ポリマー(C-1)」(C) 95.4質量部と、「W700」(B) 471.3質量部とを加えて、20分間混練し、真空脱泡を30分間行って、第3混合液を得た(調製工程D)。
第3混合液を、
図4に示す3本ロールミルを用いて、ロール隙間10μm、ロール回転数300rpm(ギア比1:3:9)の条件で2回分散処理した(調製工程E)。すなわち、仕込ロール91の回転速度が33.3rpm、中間ロール92の回転速度が100rpm、仕上ロール93の回転速度が300rpm、第1間隔L1が10μm、第2間隔L2が10μmであった。こうして固形分濃度12.4質量%のアンダーコート層用スラリー(組成物)を調製した(調製工程E)。
【0203】
(実施例2~実施例8、比較例1~比較例5)
調製工程A~調整工程Dの各々の添加材料、及び添加量を表2に示すように変更したことの他は、実施例1と同様にして、アンダーコート層用スラリー(組成物)を調製した。
【0204】
【0205】
表2中、「WSP」は、アクリル系水溶性ポリマーを示す。「PA」は、ポリアクリル酸を示す。「PAA」は、ポリアクリルアミドを示す。
【0206】
(実施例9)
アンダーコート層用スラリーの調製は5Lのプラネタリーディスパを用いた。
アンダーコート層用スラリーの分散処理には3本ロールミル(アイメックス(株)製、BR―300HCVIII)を用いた。
「Super-P」(A) 58質量部と、「Al
2O
3」(D) 87.0質量部とを10分間混合して、混合物を得た(調製工程A)。
混合物に、「CMC水溶液」(D) 550.0質量部を加え、更に20分間混合して、第1混合液を得た(調製工程B)。「CMC水溶液」(D)は、「CMC」(D)の含有量が「CMC水溶液」(D)の総量に対して1.0質量%となるように、蒸留水に「CMC」(D)を添加して調製されている。
第1混合液に、「CMC水溶液」(D) 300.0質量部を加え20分間混合する添加操作を計3回行って、第2混合液を得た(調製工程C)。第1混合液に加えた「CMC水溶液」(D)の総添加量は、900.0質量部であった。
第2混合液に、「アクリル系水溶性ポリマー(C-3)」(C) 95.4質量部と、「W700」(B) 290.0質量部とを加えて、20分間混練し、真空脱泡を30分間行って、第3混合液を得た(調製工程D)。
第3混合液を、
図4に示す3本ロールミルを用いて、ロール隙間10μm、ロール回転数300rpm(ギア比1:3:9)の条件で2回分散処理した(調製工程E)。すなわち、仕込ロール91の回転速度が33.3rpm、中間ロール92の回転速度が100rpm、仕上ロール93の回転速度が300rpm、第1間隔L1が10μm、第2間隔L2が10μmであった。こうして固形分濃度14.9質量%のアンダーコート層用スラリー(組成物)を調製した(調製工程E)。
【0207】
(実施例10)
調製工程Aの添加材料を表3に示すように変更したことの他は、実施例9と同様にして、アンダーコート層用スラリー(組成物)を調製した。
【0208】
【0209】
表3中、「WSP」は、アクリル系水溶性ポリマーを示す。
【0210】
[2.2]アンダーコート層の塗工・乾燥
アンダーコート層用スラリーの塗工にはダイコーターを用いた。
乾燥後の塗布厚みが3μm(塗布重量が約0.2mg/cm2)になるように、アンダーコート層用スラリーをアルミニウム箔(厚み20μm、幅200mm、正極集電体)の一方の主面に塗布し乾燥した。次いで、アルミニウム箔の他方の主面(未塗工面)に、同様に乾燥後の塗布厚みが3μmになるように、アンダーコート層用スラリーを塗布し乾燥した。こうして両面にアンダーコート層を塗工したアルミニウム箔ロール(アンダーコート層付き正極集電体)を得た。
【0211】
[3]正極作製
[3.1]正極合材スラリーの調製
正極合材スラリーの調製には、5Lのプラネタリーディスパを用いた。
正極活物質としての「NCM523」(Umicore社製、組成式:LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2) 1520質量部と、導電助剤としての「Super-P」(TIMCAL社製、導電性カーボン) 30質量部と、導電助剤としての「KS-6」(TIMREX社製、鱗片状黒鉛) 30質量部とを10分間混合して、正極用混合物を得た。
正極用混合物に、「NMP」 50質量部を加え、20分間混合して、第1正極用混合液を得た。
第1正極用混合液に、「PVDF溶液」 350質量部を加えて、30分間混練した後、更に「PVDF溶液」 260質量部を加えて15分間混練し、更に「PVDF溶液」 220質量部加えて15分混練して、第2正極用混合液を得た。「PVDF溶液」は、「PVDF」の含有量が「PVDF溶液」の総量に対して8質量%となるように、「NMP」に「PVDF」を添加して調製されている。
粘度調整のために、第2正極用混合液に「NMP」 80質量部を加えて30分間混合した後、真空脱泡30分間を行った。
こうして固形分濃度65質量%の正極合材スラリーを調製した。
【0212】
[3.2]塗工・乾燥
正極合材スラリーの塗工にはダイコーターを用いた。
正極合材層(乾燥後の塗布膜)の質量が19.0mg/cm2になるように、正極合材スラリーをアンダーコート層付き正極集電体(アルミニウム箔の厚み:20μm、アンダーコート層の1層の厚み:3μm、幅:200mm)の一方の主面(すなわち、アンダーコート層)上に塗布し乾燥した。次いで、正極合材層(乾燥後の塗布膜)の質量が19.0mg/cm2になるように、正極合材スラリーをアンダーコート層付き正極集電体の他方の主面(すなわち、アンダーコート層)上に同様に塗布し乾燥した。
こうして得た両面塗工した正極ロール(塗工量は両面合計で38.0mg/cm2)を、真空乾燥オーブンで130℃、12時間乾燥した。
【0213】
[3.3]プレス
正極ロールのプレスには、35トンプレス機を用いた。上下ロールのギャップ(隙間)を調整し、上記正極をプレス密度が2.9±0.05g/cm3になるように、35トンプレス機にてプレスした。
【0214】
[3.4]スリット
正極合材層の面積(表面:56mm×334mm、裏面:56mm×408mm)と、タブ溶接余白のための面積とが得られるように、正極ロールをスリットし、アルミニウム箔上にアンダーコート層が積層された正極を得た。
【0215】
[4]負極作製
[4.1]負極合材スラリーの調製
負極合材スラリーの調製には、5Lのプラネタリーディスパを用いた。
負極活物質としての「天然黒鉛」 1050質量部と、導電助剤としての「Super-P」(導電性カーボン、BET比表面積62m2/g) 11質量部とを10分間混合した負極用混合物を得た。
負極用混合物に、「CMC水溶液」を450質量部加え、更に20分間混合して、第1負極用混合液を得た。
第1負極用混合液に、「CMC水溶液」 150質量部を加え、更に30分間混合し、更に「CMC水溶液」 293.5質量部加えて30分間混合し、溶媒である水 450質量部を加えて15分間混合して、第2負極用混合液を得た。
第2負極用混合液に、「SBR水溶液」(JSR社製、固形分濃度:50質量%) 45質量部を加えて15分間混練し、真空脱泡10分間を行った。
こうして固形分濃度45質量%の負極合材スラリーを調製した。
【0216】
[4.2]塗工・乾燥
負極合材スラリーの塗工には、ダイコーターを用いた。
負極合材層(乾燥後の塗布膜)の質量が11.0mg/cm2になるように、負極合材スラリーを銅箔(厚み10μm、負極集電体)の一方の主面に塗布し乾燥した。次いで、反対面(未塗工面)に、同様にして、負極合材層(乾燥後の塗布膜)の質量が11.0mg/cm2になるように、負極合材スラリーを銅箔の他方の主面に塗布し乾燥した。こうして得た両面塗工した負極ロール(塗工量は両面合計で22.0mg/cm2)を、真空乾燥オーブンで120℃、12時間乾燥した。
【0217】
[4.3]プレス
負極ロールのプレスには、小型プレス機を用いた。上下ロールのギャップ(隙間)を調整し、負極ロールをプレス密度が1.45±0.05g/cm3になるように、小型プレス機にてプレスした。
【0218】
[4.4]スリット
負極合材層の面積(表面:58mm×372mm、裏面:58mm×431mm)と、タブ溶接余白のための面積とが得られるように、負極ロールをスリットし、負極を得た。
【0219】
[5]捲回型電池(設計容量1Ah)の作製
[5.1]捲回
セパレータには、空隙率45体積%、厚み25μmのポリエチレン製の多孔質膜(60.5mm×450mm)を用いた。
上記で得られた、負極と、セパレータと、アンダーコート層付き正極と、セパレータとを重ねて捲回した後、プレス成型した。次いで、アンダーコート層を配置した正極の余白部分にアルミニウム製タブを超音波接合機で接合し、負極の余白部分にニッケル製タブを超音波接合機で接合した。これをラミネートフィルムで挟み込み、3辺を加熱シールした。これにより、開口部を有する外装体(以下、「第1外装体」という。)を得た。
【0220】
[5.2]非水電解液の注液
エチレンカーボネート(EC)と、メチルエチルカーボネート(EMC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを、EC:EMC:DMC=3:3:4の体積比で混合して、混合溶媒を得た。当該混合溶媒に、LiPF6を1.0mol/Lの濃度となるように溶解させて非水電解質を調製した。
非水電解液の注液前に、上記第1外装体を真空乾燥機にて、70℃×12hの条件で減圧乾燥した。電解液4.7±0.1gを第1外装体内に注液した後、真空引きしながら第1外装体の開口部を加熱シールした。これにより、リチウムイオン二次電池前駆体を得た。
【0221】
[5.3]活性化処理
リチウムイオン二次電池前駆体を室温(25℃)で24時間保持した。次いで、リチウムイオン二次電池前駆体を0.05Cで4h定電流充電(0.05C-CC)した後12h休止した。その後、0.1Cで4.2Vまで定電流定電圧充電(0.1C-CCCV)し、30分間休止した後、2.8Vまで0.1Cで定電流放電(0.1C-CC)した。更に、充放電サイクル(0.1C-CCCVで4.2Vの充電と、0.1C-CCで2.8Vの放電)を5回繰り返した。その後、4.2V(SOC100%)の満充電にした状態で、リチウムイオン二次電池前駆体を25℃、5日間保存した。こうして実施例1~19、比較例1~10、及び参考例の捲回型電池(リチウムイオン二次電池)を得た。
【0222】
[6]評価方法
実施例1~実施例10、比較例1~比較例5作製したアンダーコート層用スラリーについて、下記の粒度分布測定を行った。実施例1~実施例10、比較例1~比較例5、及び参考例の捲回型電池について、下記の安全性(加熱)、安全性(釘刺)初期DCIR、及び高温保存後DCIRの評価を行った。評価結果を表5に示す。
【0223】
[6.1]粒度分布
実施例1~実施例10及び比較例1~比較例5のアンダーコート層用スラリー(以下、「試料」ともいう)1.0g及び水50mlを100mlのビーカーに入れ、スパーテルで試料の塊を潰し、スポイトで軽く混合した。次いで、卓上型超音波洗浄機(本多電子株式会社製、W-113型)を用いて、水中の試料の分散を行った。このとき、卓上型超音波洗浄機を出力100W、28kHzに設定し、60秒間の分散を行った。その後、ビーカー中の水溶液の表面にできた泡を取り除き、粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製、マイクロトラックMT3300EXII)に用いて、レーザー光回折散乱法により試料の体積基準の粒度分布の測定を行った。この測定により、体積粒度分布における、D10、D50、D90及びD99を求めた。D10、D50、D90及びD99の各々の測定結果を表5に示す。
【0224】
[6.2]安全性(加熱)
捲回型電池(設計容量1Ah)を25℃の温度環境で、0.1Cで4.2Vまで定電流定電圧充電(0.1C-CCCV)し、安全性(加熱)の評価を行った。
測定用セルを50℃まで昇温した恒温槽中に入れ、恒温槽を5℃/minで昇温させながら、1kHz(振幅10mV)の交流抵抗を測定した。セル温度は、セルの上面に設置した温度測定用端子により得られた温度を記録した。交流抵抗測定は、ソーラトロン社製ModuLab XM ECS電気化学測定システムを使用した。
【0225】
測定した抵抗値から、抵抗上昇開始温度及び抵抗変化倍率を求めた。抵抗上昇開始温度は、50℃時の抵抗値を1とした場合に、1.5倍の抵抗値に到達する温度として求めた。抵抗変化倍率は、50℃時の抵抗値を1とした場合に、150℃に到達した際の抵抗値の相対比として求めた。
【0226】
抵抗上昇開始温度の測定結果及び抵抗変化倍率の測定結果を用いて、下記の基準で、安全性(加熱)の評価を行った。安全性(加熱)の許容可能な評価は、「A」及び「B」である。
【0227】
A:抵抗上昇開始温度が90℃以下、且つ抵抗変化倍率が20倍以上である。
B:抵抗上昇開始温度が90℃超え、抵抗変化倍率が20倍以上である。或いは抵抗上昇開始温度が90℃以下、抵抗変化倍率が20倍未満である。
C:抵抗上昇開始温度が90℃超え、抵抗変化倍率が20倍未満である。
【0228】
[6.3]強制内部短絡試験(釘刺し試験)
捲回型電池(設計容量1Ah)を25℃の温度環境で、0.1Cで4.2Vまで定電流定電圧充電(0.1C-CCCV)し、釘刺し試験(釘の直径3mm、釘刺し速度1.0mm/秒)を行った。
直径3mmの釘を、速度1.0mm/秒で、捲回型電池の電池(セル)の中部に刺し込み、電池容器の内部において正極と負極とを短絡させた。このときの電池の短絡挙動を観察した。
同水準で複数回(3回~6回)の電池の釘刺し試験を行い、試験電池の総数に対して以下の基準で評価を行った。釘刺し試験の許容可能な評価は、「A」及び「B」である。
【0229】
A:電池の内部温度が300℃を超える電池の数の割合が、試験電池の総数に対して10%以下未満であった。
B:電池の内部温度が300℃を超える電池の数の割合が、試験電池の総数に対して10%超え、60%未満であった。
C:電池の内部温度が300℃を超える電池の数の割合が、試験電池の総数に対して60%以上であった。
【0230】
[6.4]初期DCIR評価
[6.4.1]初期DCIR測定
捲回型電池(設計容量1Ah)を25℃の温度環境で、0.1Cで4.2Vまで定電流定電圧充電(0.1C-CCCV)し、初期DCIR測定を行った。
0.1Cで10秒間定電流放電(0.1C-CC-10s)し、0.1Cで10秒間定電流充電(0.1C-CC-10s)した。
次いで、0.2Cで10秒間定電流放電(0.2C-CC-10s)し、0.2Cで10秒間定電流充電(0.2C-CC-10s)した。
次いで、0.5Cで10秒間定電流放電(0.5C-CC-10s)し、0.5Cで10秒間定電流充電(0.5C-CC-10s)した。
次いで、1.0Cで10秒間定電流放電(1.0C-CC-10s)し、1.0で10秒間定電流充電(1.0C-CC-10s)した。
次いで、2.0Cで10秒間定電流放電(2.0C-CC-10s)し、2.0Cで10秒間定電流充電(2.0-CC-10s)した。
放電レート0.1C~2.0Cの各々における「CC10s放電」による各電圧低下量(=放電開始前の電圧-放電開始後10秒目の電圧)と、各電流値(即ち、放電レート0.1C~2.0Cに相当する各電流値)と、に基づき、第1直流抵抗(DCIR)を求めた。
【0231】
[6.4.2]評価方法
上記の測定値を基に、参考例(アンダーコート層無し)の第1直流抵抗(DCIR)の測定値を100とした第1相対値を算出し、以下の基準で、初期DCIR評価を行った。
第1直流抵抗の第1相対値を表5に示す。初期DCIR評価の許容可能な評価は、「A」及び「B」である。
【0232】
A:第1相対値が100以下である。
B:第1相対値が100を超え、105以下である。
C:第1相対値が105を超える。
【0233】
[6.5]高温保存後DCIR評価
[6.5.1]高温保存後DCIR測定
作製した捲回型電池(設計容量1Ah)を25℃の温度環境で、0.1Cで4.2Vまで定電流定電圧充電(0.1C-CCCV)し、充電状態で60℃の雰囲気下で28日間静置した。こうして高温保存後電池を得た。
上述した初期DCIR評価用処理と同様のDCIR評価用処理をし、第2直流抵抗(DCIR)を求めた。
【0234】
[6.5.2]評価方法
上記の測定値を基に、参考例(アンダーコート層無し)の第2直流抵抗(DCIR)の測定値を100とした第2相対値を算出し、以下の基準で、高温保存後DCIR評価を行った。
第2直流抵抗の第2相対値を表5に示す。高温保存後DCIR評価の許容可能な評価は、「A」及び「B」である。
【0235】
A:第2相対値が105以下である。
B:第2相対値が105を超え、110以下である。
C:第2相対値が110を超える。
【0236】
【0237】
【0238】
表4及び表5中、「MA」とは、メタクリルアミドに由来する構成単位を示す。「COOH」とは、カルボキシ基を有するビニルモノマーに由来する構成単位を示す。「OH」とは、水酸基を有するビニルモノマーに由来する構成単位を示す。「開始温度」とは、抵抗上昇開始温度を示す。「変化倍率」とは、抵抗変化倍率を示す。「初期」とは、初期DCIR評価を示す。「高温保存後」とは、高温保存後DCIR評価を示す。「PA」は、ポリアクリル酸を示す。「PAA」は、ポリアクリルアミドを示す。
【0239】
比較例1~比較例5のアクリル系水溶性ポリマー(C)は、(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位の含有量が、アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、35質量%30質量%~95質量%であることと、ビニルモノマーに由来する構成単位の含有量が、アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、5質量%~65質量%70質量%であることと、を満たしていなかった。そのため、比較例1では、高温保存後DCIR評価の評価結果が「C」であった。比較例2及び比較例4では、初期DCIR評価及び高温保存後DCIR評価の評価結果は、「C」であった。比較例3では、安全性(加熱)、安全性(釘刺)、初期DCIR評価及び高温保存後DCIR評価の評価結果は、「C」であった。比較例5では、安全性(釘刺)、初期DCIR評価及び高温保存後DCIR評価の評価結果は、「C」であった。
これらの結果、比較例1~比較例5の組成物は、安全性に優れ、充放電初期の直流抵抗が低く抑えられ、かつ、高温環境下(特に長期保存後)での直流抵抗の上昇が抑制された電極の形成に好適な組成物ではないことがわかった。
【0240】
実施例1~実施例10の組成物は、導電性炭素材料(A)、オレフィン系樹脂(B)及びアクリル系水溶性ポリマー(C)を含有した。アクリル系水溶性ポリマー(C)は、(メタ)アクリルアミドに由来する構成単位の含有量が、アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、35質量%30質量%~95質量%であることと、ビニルモノマーに由来する構成単位の含有量が、アクリル系水溶性ポリマー(C)の総量に対して、5質量%~65質量%70質量%であることと、を満たしていた。そのため、実施例1~実施例10では、安全性(加熱)、安全性(釘刺)、初期DCIR評価及び高温保存後DCIR評価の評価結果は、「A」又は「C」であった。
これらの結果、実施例1~実施例10の組成物は、安全性に優れ、充放電初期の直流抵抗が低く抑えられ、かつ、高温環境下(特に長期保存後)での直流抵抗の上昇が抑制された電極の形成に好適な組成物であることがわかった。