(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-03-30
(45)【発行日】2022-04-07
(54)【発明の名称】負極用バインダー組成物、負極用スラリー、負極及びナトリウムイオン電池
(51)【国際特許分類】
H01M 4/62 20060101AFI20220331BHJP
H01M 10/054 20100101ALI20220331BHJP
H01M 4/139 20100101ALI20220331BHJP
H01M 4/1391 20100101ALI20220331BHJP
H01M 4/505 20100101ALI20220331BHJP
H01M 4/525 20100101ALI20220331BHJP
C08F 261/04 20060101ALI20220331BHJP
H01M 4/13 20100101ALI20220331BHJP
H01M 4/131 20100101ALI20220331BHJP
【FI】
H01M4/62 Z
H01M10/054
H01M4/139
H01M4/1391
H01M4/505
H01M4/525
C08F261/04
H01M4/13
H01M4/131
(21)【出願番号】P 2017204483
(22)【出願日】2017-10-23
【審査請求日】2020-09-23
(73)【特許権者】
【識別番号】000003296
【氏名又は名称】デンカ株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】800000068
【氏名又は名称】学校法人東京電機大学
(74)【代理人】
【識別番号】110001139
【氏名又は名称】SK特許業務法人
(74)【代理人】
【識別番号】100130328
【氏名又は名称】奥野 彰彦
(74)【代理人】
【識別番号】100130672
【氏名又は名称】伊藤 寛之
(72)【発明者】
【氏名】成冨 拓也
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 茂
(72)【発明者】
【氏名】渡辺 淳
(72)【発明者】
【氏名】藪内 直明
【審査官】原 和秀
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2017/154949(WO,A1)
【文献】特開2017-059527(JP,A)
【文献】特開2015-176816(JP,A)
【文献】特開2016-110991(JP,A)
【文献】特開2013-229319(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 4/13- 4/62
C08F 261/04
H01M 10/05-10/0587
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
バインダー組成物、導電助剤、及び活物質を含有
し、
前記バインダー組成物は、ポリビニルアルコールに、(メタ)アクリロニトリルを必須成分とする単量体がグラフトしたグラフト共重合体を含有し、グラフト共重合時に生成するポリ(メタ)アクリロニトリルのホモポリマーの重量平均分子量が30000~250000であり、ポリビニルアルコールの平均重合度が300~3000で、かつ鹸化度が70~100モル%であり、グラフト共重合体中の、ポリビニルアルコール量が10~90質量%であり、ポリ(メタ)アクリロニトリル量が90~10質量%であり、
前記活物質がNa
x
M
y
N
1-y
O
2
(M及びNはそれぞれMn、Fe、Co、Ni、Cr、Tiから選ばれる少なくとも1種の遷移金属であって、0<x<1、0<y<1である。)から選択される少なくとも1種以上である、
ナトリウムイオン電池の負極用スラリー。
【請求項2】
前記グラフト共重合体のグラフト率が10~900%である、請求項1に記載のナトリウムイオン電池の負極用スラリー。
【請求項3】
前記活物質は、P2型の結晶構造又はP3型の結晶構造を有する、請求項1又は請求項2に記載のナトリウムイオン電池の負極用スラリー。
【請求項4】
前記活物質は、Na
0.58
Cr
0.58
Ti
0.42
O
2
である、請求項1~請求項3の何れか1項に記載のナトリウムイオン電池の負極用スラリー。
【請求項5】
前記導電助剤が(i)繊維状炭素、(ii)カーボンブラック、(iii)繊維状炭素とカーボンブラックとが相互に連結した炭素複合体からなる群から選択される1種以上である、請求項
1~請求項4の何れか1項に記載のナトリウムイオン電池の負極用スラリー。
【請求項6】
負極用スラリー中の固形分総量に対し、前記負極用バインダー組成物の固形分含有量が1~20質量%である、請求項3~請求項5のうちの1項に記載のナトリウムイオン電池の負極用スラリー。
【請求項7】
金属箔上に、請求項3~請求項6のうちの1項に記載のナトリウムイオン電池の負極用スラリーからなる塗膜を備えるナトリウムイオン電池用負極。
【請求項8】
請求項7に記載のナトリウムイオン電池用負極を含む、ナトリウムイオン二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、負極用バインダー組成物及びこのバインダー組成物を用いた負極用スラリー、並びにこれを利用する負極及びナトリウムイオン二次電池に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ノートパソコン、携帯電話といった電子機器の電源として二次電池が利用されており、また、環境負荷の低減を目的に二次電池を電源として用いるハイブリット自動車や電気自動車の開発が進められている。それらの電源に高エネルギー密度、高電圧、高耐久性の二次電池が求められている。リチウムイオン二次電池は高電圧、高エネルギー密度を達成できる二次電池として注目を集め、市場を拡大している。
【0003】
しかしリチウムイオン電池は、リチウム等の希少金属元素が使用されているため、市場拡大に伴う、リチウムの供給不安が指摘されている。このようなリチウムイオン電池の課題から、近年では資源量が豊富かつ、安価なナトリウムをキャリアイオンとしたナトリウムイオン電池の研究開発が進められている。
【0004】
リチウムイオン電池の負極活物質としてはグラファイトが知られているが、ナトリウムイオンはイオン半径が大きく、グラファイト層間に進入できないためナトリウムイオン電池では使用できない。そのためナトリウムイオン電池用の負極活物質としては、ハードカーボンや、P2型のNa遷移金属酸化物負極活物質の適用検討が進められている。
また、バインダーについてもリチウムイオン電池は、F系樹脂であるPVDFが広く使用されているが、PVDFをナトリウムイオン電池用の負極用バインダーとして適用した際には、初回充放電時の不可逆容量の増加や、サイクル維持率の低下が起こり、実用化されていない。
【0005】
特許文献1~2ではポリビニルアルコールに(メタ)アクリロニトリルがグラフト共重合したリチウムイオン電池用バインダー組成物が開示されている。しかし、このバインダー組成物をナトリウムイオン電池負極用バインダー組成物に使用することで、サイクル維持率の増加、不可逆容量の低下抑制が可能との記載はない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】WO2015/053224号公報
【文献】WO2017/154949号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は上記問題に鑑み、初回充放電時の不可逆容量の抑制と高いサイクル維持率を有したナトリウムイオン電池の負極用バインダー組成物、負極用スラリー、負極及びナトリウムイオン電池の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
発明者らが鋭意検討を行った結果、ポリビニルアルコールに、ポリ(メタ)アクリロニトリルをグラフト共重合したグラフト共重合体を含む特定のバインダー組成物を、ナトリウムイオン電池の負極に用いることで、初回充放電時の不可逆容量の抑制と高いサイクル維持率を実現することに成功した。
【0009】
すなわち本発明は、以下に記載のナトリウムイオン電池の負極用バインダー組成物、負極用スラリー、負極及びナトリウムイオン電池を提供する。
【0010】
すなわち本発明は、以下に記載のナトリウムイオン電池用負極を提供する。
(1)ポリビニルアルコールに、(メタ)アクリロニトリルを必須成分とする単量体がグラフトしたグラフト共重合体を含有し、グラフト共重合時に生成するポリ(メタ)アクリロニトリルのホモポリマーの重量平均分子量が30000~250000であり、ポリビニルアルコールの平均重合度が300~3000で、かつ鹸化度が70~100モル%であり、グラフト共重合体中の、ポリビニルアルコール量が10~90質量%であり、ポリ(メタ)アクリロニトリル量が90~10質量%である、ナトリウムイオン電池の負極用バインダー組成物。
(2)前記グラフト共重合体のグラフト率が10~900%である、(1)に記載のナトリウムイオン電池の負極用バインダー組成物。
(3)(1)又は(2)に記載のナトリウムイオン電池の負極用バインダー組成物、導電助剤、及び活物質を含有するナトリウムイオン電池の負極用スラリー。
(4)前記導電助剤が(i)繊維状炭素、(ii)カーボンブラック、(iii)繊維状炭素とカーボンブラックとが相互に連結した炭素複合体からなる群から選択される1種以上である、(3)に記載のナトリウムイオン電池の負極用スラリー。
(5)前記活物質がハードカーボン、NaxMyN1-yO2(M及びNはそれぞれMn、Fe、Co、Ni、Cr、Tiから選ばれる少なくとも1種の遷移金属であって、0<x<1、0<y<1である。)から選択される少なくとも1種以上である(3)又は(4)に記載のナトリウムイオン電池の負極用スラリー。
(6)負極用スラリー中の固形分総量に対し、前記負極用バインダー組成物の固形分含有量が1~20質量%である、(3)~(5)のうちの1項に記載のナトリウムイオン電池の負極用スラリー。
(7)金属箔上に、(3)~(6)のうちの1項に記載のナトリウムイオン電池の負極用スラリーからなる塗膜を備えるナトリウムイオン電池用負極。
(8)(7)に記載のナトリウムイオン電池用負極を含む、ナトリウムイオン二次電池。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、ポリビニルアルコールに、特定の組成のナトリウムイオン電池の負極用バインダー組成物を、ナトリウムイオン電池の負極に用いることで、初回充放電時の不可逆容量の抑制と高いサイクル維持率を実現することに成功した。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。尚、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
【0013】
[バインダー]
本実施形態に用いる、ナトリウムイオン電池の負極用バインダー組成物に含まれるグラフト共重合体は、ポリビニルアルコール(以下、PVAと略すことがある。)に(メタ)アクリロニトリルを主成分とする単量体がグラフトしたグラフト共重合体を含有している。このグラフト共重合体は、ポリビニルアルコールの主鎖に、ポリ(メタ)アクリロニトリル(以下、PANと略すことがある。)の側鎖が生成した共重合体である。バインダー組成物には、前記グラフト共重合体のほか、グラフト共重合に関与していない、PANのホモポリマー及び/又はPVAのホモポリマーが混在してもよい。従って、本実施形態のバインダーは、樹脂分(ポリマー分)として、グラフト共重合体のほか、PANホモポリマー及び/又はPVAホモポリマーを含有することがある。
【0014】
PVAへグラフトする単量体は、耐還元性の点で、(メタ)アクリロニトリルを必須成分とする。(メタ)アクリロニトリルの中では、アクリロニトリルが好ましい。PVAへグラフトする単量体として、(メタ)アクリロニトリル以外でも、バインダーの耐還元性を損なわない範囲で、メタクリル酸メチル、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸2-(2-エトキシエトキシ)エチル、メタクリル酸2-エチルヘキシル及びアクリル酸2-エチルヘキシル等のエチレン性不飽和カルボン酸エステル、(メタ)アクリル酸、無水マレイン酸及びイタコン酸等のエチレン性不飽和カルボン酸、並びにスチレン等を併用することができる。これらは1種用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。これらのうち、エチレン性不飽和カルボン酸エステルが好ましく、アクリル酸エステル及び/又はメタクリル酸エステルがより好ましく、メタクリル酸メチルが更に好ましい。PVAへグラフトする単量体は、(メタ)アクリロニトリルのみまたは(メタ)アクリロニトリル及び(メタ)アクリル酸メチルからなることが好ましく、(メタ)アクリロニトリルのみからなることがより好ましい。
【0015】
PVAへグラフトする単量体中の(メタ)アクリロニトリルは、グラフト共重合した単量体の主成分であり、グラフト共重合した単量体のうち50質量%以上であることが好ましい。(メタ)アクリロニトリルが、グラフト共重合した単量体のうち50質量%未満だと、耐還元性が低下する場合がある。グラフト共重合した単量体のうちの(メタ)アクリロニトリルの割合の上限は100質量%以下とすることができる。尚、PVAへグラフトする単量体の組成は1H-NMR(プロトン核磁気共鳴分光法)により求めることができる。
【0016】
PVAの鹸化度は、耐還元性の観点から、85~100モル%が好ましく、活物質、導電助剤への被覆性を高める観点から、95モル%以上がより好ましい。ここでいうPVAの鹸化度は、JIS K 6726に準ずる方法で測定される値である。
【0017】
PVAの平均重合度は、溶解性、結着性及びバインダーの粘度の観点から、300~3000が好ましい。PVAの平均重合度は、320~2950がより好ましく、500~2500が最も好ましく、500~1800が更に好ましい。PVAの平均重合度が300以上だと、バインダーと活物質及び導電助剤との間の結着性が向上し、耐久性が向上する。PVAの平均重合度が3000以下だと溶解性が向上し、粘度が下降するため、負極用スラリーの製造が容易になる。ここでいうPVAの平均重合度は、JIS K 6726に準ずる方法で測定される値である。
【0018】
グラフト共重合体のグラフト率は、10~900%であることが好ましく、100~800%であることがより好ましく、150~700%であることが最も好ましい。グラフト率が10%未満では耐還元性が低下する場合がある。また、グラフト率が900%を超えると、結着性や被覆性が低下する場合がある。グラフト共重合体を合成する際(グラフト共重合時)に、PANのホモポリマーが生成することがあることから、グラフト率の計算には、グラフト共重合体よりPANのホモポリマーを分離する工程が必要となる。PANのホモポリマーはジメチルホルムアミド(以下、DMFと略すことがある。)には溶解するが、PVA及びグラフト共重合したPANはDMFに溶解しない。この溶解性の差を利用し、PANのホモポリマーを遠心分離等の操作により分離することができる。
【0019】
グラフト率の算出のために、具体的には、PANの含有量が既知のグラフト共重合体を所定量のDMFに浸漬し、PANのホモポリマーをDMF中に溶出させる。次に浸漬させた液を遠心分離によりDMF可溶分とDMF不溶分に分離する。
ここで、
a:測定に用いたグラフト共重合体の量、
b:測定に用いたグラフト共重合体中のPANの質量%、
c:DMF不溶分の量とすると、
グラフト率は、以下の式(1)により求めることができる。
グラフト率=[c-a×(100-b)×0.01]/[a×(100-b)×0.01]×100(%) ・・・(1)
【0020】
本発明のバインダー組成物中には、グラフト共重合体以外にも、グラフト共重合体を生成する際に生じ得る、PANのホモポリマー及びPVAのホモポリマーを含有してもよい。このPANのホモポリマーの重量平均分子量は、30000~250000であることが好ましく、80000~150000がより好ましい。PANのホモポリマーの粘度上昇を抑えて、負極用スラリーを容易に製造し得るように、PANのホモポリマーの重量平均分子量は250000以下であることが好ましく、200000以下であることがより好ましく、150000以下であることが更に好ましい。尚、PANのホモポリマーの重量平均分子量は、GPC(ゲル・パーミエーション・クロマトグラフィー)により求めることができる。
【0021】
グラフト共重合体中のPVA量は、10~90質量%であり、結着性の観点からは、40~60質量%であることがより好ましい。グラフト共重合体中のPVA量は、特に結着性を高める観点から、40質量%以上が好ましく、50質量%以上がより好ましい。また、耐還元性の観点からは、グラフト共重合体中のPVA量は、10~39質量%であることが好ましく、10~20質量%であることがより好ましい。ここで本発明において、グラフト共重合体中のPVA量とは、質量換算のグラフト共重合体、PANのホモポリマー及びPVAのホモポリマーの総和に対する、グラフト共重合体中のPVA量及びPVAのホモポリマー量を意味する。
【0022】
グラフト共重合体中のPAN量は90~10質量%であり、結着性の観点からは、60~40質量%であることがより好ましい。また、耐還元性の観点からは、グラフト共重合体中のPAN量は90~61質量%であることが好ましく、90~80質量%であることがより好ましい。PAN量が90質量%を超えると結着性が低下する場合がある。また、10質量%未満であると耐還元性が低下する場合がある。
グラフト共重合体中のPAN量とは、質量換算のグラフト共重合体、PANのホモポリマー及びPVAのホモポリマーの総和に対する、グラフト共重合したPAN量及びPANのホモポリマー量を意味する。
【0023】
グラフト共重合体の組成比(バインダー組成物中の樹脂分の組成比)は、(メタ)アクリロニトリルの反応率(重合率)と重合に用いた各成分の仕込み量の組成から計算することができる。
共重合時に生成したPANの質量割合、すなわちPVAにグラフトしたPANとPANホモポリマーとの総量は、(メタ)アクリロニトリルの重合率と仕込みの(メタ)アクリロニトリルの質量とから、算出することができる。また、このPANの質量と、PVAの仕込みの質量との比を取ることで、PVAとPANの質量比を算出することができる。
【0024】
具体的には、グラフト共重合体中のPANの質量%は、以下の式(2)から求めることができる。
グラフト共重合体中のPANの質量%=d×0.01×e/(f+d×0.01×e)×100(%)・・・(2)
ここで、上記式(2)中、dは(メタ)アクリロニトリルの重合率(%)、eはグラフト共重合に使用した(メタ)アクリロニトリルの質量(仕込み量)、fはグラフト共重合に使用したPVAの質量(仕込み量)を表す。
【0025】
また、グラフト共重合体の組成比(バインダー組成物中の樹脂分の組成比)は、1H-NMRにより求めることもできる。例えば、(メタ)アクリロニトリルに加えて、(メタ)アクリロニトリル以外の単量体もグラフト共重合に用いる場合、上記式(2)での算出は難しいため、1H-NMRにより求めることができる。1H-NMRの測定は、例えば、日本電子株式会社製の商品名「ALPHA500」を用い、測定溶媒:ジメチルスルホキシド、測定セル:5mmφ、試料濃度:50mg/1ml、測定温度:30℃の条件にて行うことが可能である。
【0026】
本実施形態のバインダー組成物の製造方法ついては特に制限されないが、ポリ酢酸ビニルを重合後、鹸化してPVAを得た後に、PVAに(メタ)アクリロニトリルを主成分とする単量体をグラフト共重合させる方法が好ましい。
【0027】
ポリ酢酸ビニルを重合する方法については、塊状重合、溶液重合等公知の任意の方法を用いることができる。
【0028】
ポリ酢酸ビニルの重合に使用される開始剤としては、アゾビスイソブチロニトリル等のアゾ系開始剤や、過酸化ベンゾイル、ビス(4-t-ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネート等の有機過酸化物等が挙げられる。
【0029】
ポリ酢酸ビニルの鹸化反応は、例えば有機溶媒中、鹸化触媒存在下で鹸化する方法により行うことができる。
【0030】
有機溶媒としてはメタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、酢酸メチル、酢酸エチル、アセトン、メチルエチルケトン、ベンゼン、トルエン等が挙げられる。これらは単独でも、又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの中では、メタノールが好ましい。
【0031】
鹸化触媒としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、ナトリウムアルコキシド等の塩基性触媒や硫酸、塩酸等の酸性触媒が挙げられる。これらの中では、水酸化ナトリウムが鹸化速度の観点から好ましい。
【0032】
ポリビニルアルコールに(メタ)アクリロニトリルを主成分とする単量体をグラフト共重合させる方法は、溶液重合によって行うことができる。用いる溶媒としてはジメチルスルホキシド、N-メチルピロリドン等が挙げられる。
【0033】
グラフト共重合に使用する開始剤としては、過酸化ベンゾイル等の有機過酸化物、アゾビスイソブチロニトリル等のアゾ化合物、ペルオキソ二硫酸カリウム、ペルオキソ二硫酸アンモニウム等を用いることができる。
【0034】
本実施形態のバインダー組成物は溶媒に溶解させて用いることができる。溶媒としてはジメチルスルホキシド、N-メチルピロリドン等が挙げられる。バインダー組成物には、これらの溶媒が含まれていることが好ましく、これらの溶媒は1種又は2種以上含まれていてもよい。
【0035】
以上詳述した本実施形態のバインダー組成物は、上記したグラフト共重合体を含有するため、負極活物質、導電助剤や金属箔との結着性が良好であり、尚且つ負極活物質や導電助剤を被覆する。これにより、初回充電時における負極活物質中のナトリウムイオンと電解液の副反応や、導電助剤表面上でのナトリウムイオンと電解液の副反応を抑制し、電池の不可逆容量の増加を抑制する。
【0036】
<負極用スラリー>
本発明の実施形態に係る負極用スラリーは、上記のバインダー組成物と、負極活物質と、導電助剤とを含有する。
【0037】
(負極活物質)
負極活物質としては、ナトリウムを吸蔵可能な材料を選択することが出来る。炭素材料としてはハードカーボンを用いることができる。また、NaxMyN1-yO2(M、NはそれぞれMn、Fe、Co、Ni、Cr、Tiから選ばれる少なくとも1種の遷移金属であって、0<x<1、0<y<1である。)といった遷移金属活物質を用いることができる。NaxMyN1-yO2としては、P2型の結晶構造を有するNaxMyN1-yO2、及び、P3型の結晶構造を有するNaxMyN1-yO2から選択される少なくとも1種以上を含む遷移金属活物質を用いることができる。M、Nは互いに異なることが好ましい。x=yであることが好ましい。M、NはCr、Tiから選ばれる少なくとも1種の遷移金属が好ましく、M=Cr、N=Tiが好ましい。NaxMyN1-yO2の中では、NaxMxN1-xO2が好ましく、NaxCrxTi1-xO2がより好ましい。ハードカーボンとは、難黒鉛化性炭素をいい、例えば、不活性雰囲気下で加熱しても、黒鉛を生成し難い炭素材料をいう。
【0038】
(導電助剤)
本実施形態の負極用スラリーには導電助剤を含有させることができる。導電助剤としては、炭素材料が好ましい。但し、黒鉛やポリアセンは除くことが好ましい。炭素材料の中では、(i)繊維状炭素、(ii)カーボンブラック、及び(iii)繊維状炭素とカーボンブラックとが相互に連結した炭素複合体からなる群から選択される少なくとも1種以上が好ましい。繊維状炭素としては、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバー等が挙げられる。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ファーネスブラック及びケッチェンブラック(登録商標)等が挙げられる。これらの導電助剤は単体で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中ではアセチレンブラック、カーボンナノチューブ、及びカーボンナノファイバーからなる群から選択される1種又は2種以上が好ましい。
【0039】
本実施形態の負極用スラリーには、導電助剤及び負極活物質の導電性付与能力、導電性の向上のため、複数種の導電助剤や活物質を連結した炭素複合体を含有してもよい。例えば、ナトリウムイオン二次電池電極用スラリーの場合、繊維状炭素とカーボンブラックとが相互に連結した炭素複合体、更にカーボンコートされた負極活物質を、繊維状炭素、カーボンブラックと複合一体化させた複合体等が挙げられる。繊維状炭素とカーボンブラックとが相互に連結した炭素複合体は、例えば、繊維状炭素とカーボンブラックとの混合物を焼成することにより得られる。また、この炭素複合体と負極活物質との混合物を、焼成したものを炭素複合体とすることもできる。
【0040】
本実施形態の負極用スラリーは、上記のバインダー組成物、負極活物質、及び導電助剤を含有する。バインダー組成物(バインダー組成物はバインダー溶液を含有してもよい)、負極活物質、及び導電助剤の含有量は特に限定されないが、結着性を高める観点、及びナトリウムイオン二次電池を製造した際の当該電池に良好な特性を持たせる観点から、以下の範囲が好ましい。上記のバインダー組成物の固形分含有量は、当該負極用スラリー中の固形分総量に対し、1~20質量%が好ましく、2~15質量%がより好ましく、3~10質量%が更に好ましい。上記の負極活物質の含有量は、当該負極用スラリー中の固形分総量に対し、50~95質量%が好ましく、60~95質量%がより好ましく、70~90質量%が更に好ましい。上記の導電助剤の含有量は、当該負極用スラリー中の固形分総量に対し1~15質量%が好ましく、2~12質量%がより好ましい。
【0041】
導電助剤の含有量は、バインダー、活物質及び導電助剤の総量100質量部中、1~15質量部が好ましく、2~12質量部がより好ましく、3~7質量部が最も好ましい。導電助剤の含有量を1質量部以上とすることで、ナトリウムイオン二次電池の高速充電性及び高出力特性が良好となる。また、15質量部以下とすることで、より高密度な負極を得ることができるため、電池の充放電容量が良好となる。
【0042】
<負極>
本発明の実施形態に係る負極は、上記の負極用スラリーを用いて製造される。この負極は、好ましくは金属箔と、その金属箔上に設けられる上記の負極用スラリーとを用いて製造され、金属箔上に塗膜が形成される。この負極は、好ましくはナトリウムイオン二次電池電極用である。
【0043】
(負極の製造方法)
負極用スラリーを金属箔上に塗工する方法については、公知の方法を用いることができる。例えば、リバースロール法、ダイレクトロール法、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、ディップ法及びスクイーズ法を挙げることができる。そのなかでもブレード法(コンマロール又はダイカット)、ナイフ法及びエクストルージョン法が好ましい。この際、バインダーの溶液物性、乾燥性に合わせて塗布方法を選定することにより、良好な塗布層の表面状態を得ることができる。塗布は片面に施しても、両面に施してもよく、両面の場合、片面ずつ逐次でも両面同時でもよい。
【0044】
また、塗布は連続でも間欠でもストライプでもよい。負極用スラリーの塗布厚みや長さ、巾は、電池の大きさに合わせて適宜決定すればよい。例えば、負極用スラリーの塗布厚み、すなわち、負極板の厚さは、10μm~500μmの範囲とすることができる。
【0045】
負極用スラリーの乾燥方法は、一般に採用されている方法を利用することができる。特に、熱風、真空、赤外線、遠赤外線、電子線及び低温風を単独あるいは組み合わせて用いることが好ましい。
【0046】
負極は、必要に応じてプレスすることができる。プレス法は、一般に採用されている方法を用いることができるが、特に金型プレス法やカレンダープレス法(冷間又は熱間ロール)が好ましい。カレンダープレス法でのプレス圧は、特に限定されないが、0.2~3ton/cmが好ましい。
【0047】
<ナトリウムイオン二次電池>
本発明の実施形態に係るナトリウムイオン二次電池は、上記の負極を用いて製造され、好適には、正極、上記の負極、セパレーター、並びに電解質溶液(電解質及び電解液)を含んで構成される。
【0048】
(正極)
本実施形態のナトリウムイオン二次電池に用いられる正極は、特に限定されないが、正極活物質を含む正極用スラリーを用いて製造することができる。この正極は、例えば、正極用金属箔と、その金属箔上に設けられる正極用スラリーとを用いて製造することができる。正極用スラリーは、正極用バインダーと、正極活物質と、前述の導電助剤とを含むことが好ましい。正極用バインダーとしては、特に限定されないが、例えば、フッ素系樹脂であるポリフッ化ビニリデンやポリテトラフルオロエチレン、スチレン-ブタジエン系共重合体、及びアクリル系共重合体等を用いることができる。正極用バインダーとしては、フッ素系樹脂が好ましい。フッ素系樹脂の中では、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンから選択される少なくとも1種以上が好ましく、ポリフッ化ビニリデンがより好ましい。
【0049】
正極活物質の種類は、ナトリウムイオン電池に使用できるものであれば特に限定されないが、具体的には層状活物質、スピネル型活物質、オキソ酸塩活物質等を挙げることができる。例えば、NaFeO2、NaNiO2、NaCoO2、NaCrO2、NaMnO2、NaVO2、Na(NiXMn1-X)O2(0<X<1)、Na(FeXMn1-X)O2(0<X<1)、NaVPO4F、Na2FePO4F、Na3V2(PO4)3等を挙げることができる。
【0050】
正極用の金属箔としては箔状のアルミニウムを用いることが好ましく、厚さは加工性の観点から5~30μmであることが好ましい。正極は、前述の負極の製造方法に準じた方法にて、正極用スラリー及び正極用金属箔を用いて製造することができる。
【0051】
(セパレーター)
セパレーターには、電気絶縁性の多孔質膜、網、不織布等、充分な強度を有すれば、どのようなものでも使用可能である。特に、電解液のイオン移動に対して低抵抗であり、かつ、溶液保持に優れたものを使用するとよい。材質は特に限定しないが、ガラス繊維等の無機物繊維又は有機物繊維、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフロン等の合成樹脂又はこれらの層状複合体等を挙げることができる。結着性及び安全性の観点からポリエチレン、ポリプロピレン又はこれらの層状複合膜が好ましい。
【0052】
(電解質)
電解質としては、ナトリウムイオン電池に一般的に用いられる電解質塩を用いることができる。例えば、NaClO4、NaPF6、NaBF4、CF3SO3Na、NaAsF6,NaB(C6H5)4,CH3SO3Na、NaN(SO2CF3)2、NaN(SO2C2F5)2、NaC(SO2CF3)3、NaN(SO3CF3)2等を挙げることができる。また、電解質塩として、前記Na塩の他、Li塩を用いてもよい。なお、上記電解質のうち1種を用いてもよく、あるいは2種以上を組み合わせて用いてもよい。
【0053】
(電解液)
上記電解質を溶解させる電解液は、特に限定されない。電解液としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びメチルエチルカーボネート等のカーボネート類、γ-ブチロラクトン等のラクトン類、トリメトキシメタン、1、2-ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、2-エトキシエタン、テトラヒドロフラン及び2-メチルテトラヒドロフラン等のエーテル類、ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類、1、3-ジオキソラン及び4-メチル-1、3-ジオキソラン等のオキソラン類、アセトニトリル、ニトロメタン及びN-メチル-2-ピロリドン等の含窒素化合物類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル及びリン酸トリエステル等のエステル類、硫酸エステル、硝酸エステル及び塩酸エステル等の無機酸エステル類、ジメチルホルムアミド及びジメチルアセトアミド等のアミド類、ジグライム、トリグライム及びテトラグライム等のグライム類、アセトン、ジエチルケトン、メチルエチルケトン及びメチルイソブチルケトン等のケトン類、スルホラン等のスルホラン類、3-メチル-2-オキサゾリジノン等のオキサゾリジノン類、並びに1、3-プロパンサルトン、4-ブタンスルトン及びナフタスルトン等のスルトン類等が挙げられる。これらの電解液の中から選択される1種以上を使用することができる。
【0054】
上記の電解質及び電解液の中では、NaPF6をカーボネート類に溶解した電解質溶液が好ましく、当該溶液中の電解質の濃度は、使用する電極及び電解液によって異なるが、0.5~3モル/Lが好ましい。
本実施形態により、ナトリウムイオン電池用負極が得られる。
【実施例】
【0055】
以下に本発明を実施例及び比較例により具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0056】
(PVAの調製)
酢酸ビニル600質量部及びメタノール400質量部を仕込み、窒素ガスをバブリングして脱酸素したのち、重合開始剤としてビス(4-t-ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネート0.3質量部を仕込み、60℃で4時間重合させた。重合停止時の重合溶液の固形分濃度は48%であり、固形分から求めた酢酸ビニルの重合率は80%であった。得られた重合溶液にメタノール蒸気を吹き込んで、未反応の酢酸ビニルを除去したのち、ポリ酢酸ビニルの濃度が40質量%になるようにメタノールで希釈した。希釈したポリ酢酸ビニル溶液1200質量部に、濃度10質量%の水酸化ナトリウムのメタノール溶液20質量部を添加して、30℃で1.5時間鹸化反応を行った。
鹸化後の溶液を酢酸で中和し、濾過して100℃で2時間乾燥させてPVAを得た。得られたPVAの平均重合度は320、鹸化度は86.3モル%であった。
【0057】
<重合度及び鹸化度> :転化率の計算、要確認
PVAの平均重合度及び鹸化度は、JIS K 6726に準ずる方法で測定した。
【0058】
[実施例1]
(バインダーAの調製)
以下にバインダーAの調製方法を記す。尚、本実施例において、バインダーとは本発明によるグラフト共重合体を意味する。得られたPVA1.65質量部を、ジメチルスルホキシド265.1質量部に添加し、60℃にて2時間撹拌して溶解させた。更に、アクリロニトリル30.3質量部とジメチルスルホキシド3質量部に溶解させたペルオキソ二硫酸アンモニウム0.03質量部を60℃にて添加し、60℃で撹拌しながらグラフト共重合させた。重合開始より4時間後、室温まで冷却し重合を停止させた。
【0059】
(析出・乾燥)
得られたバインダーAを含む反応液質量部をメタノール2970質量部中に滴下し、バインダーAを析出させた。濾過してポリマーを分離して室温で2時間真空乾燥させ、更に80℃で2時間真空乾燥させた。得られた固形分は2.97質量部で、アクリロニトリルの重合率は固形分より計算すると4.0%であった。
得られたバインダーA中のPANの質量は全ポリマーの44.5質量%であり、グラフト率は78%、PANのホモポリマーの重量平均分子量は105100であった。これらの測定方法は、後記の<組成比>、<グラフト率>及び<重量平均分子量>において説明する。
【0060】
<組成比>
バインダーAの組成比はアクリロニトリルの反応率(重合率)と重合に用いた各成分の仕込み量の組成から計算した。共重合時に生成したPANの質量%(グラフト共重合体中のPANの質量%)は、アクリロニトリルの重合率(%)、グラフト共重合に使用したアクリロニトリルの質量(仕込み量)、及びグラフト共重合に使用したPVAの質量(仕込み量)から、先述した式(2)を用いて算出した。尚、後記表中の「質量比」は、グラフト共重合体自体、並びにその共重合時に生成するPVAホモポリマー及びPANホモポリマーを含む樹脂分中の質量比である。
【0061】
<グラフト率>
バインダーAを1.00g正秤し、これを特級DMF(国産化学株式会社製)50ccに添加し、80℃にて24時間撹拌した。次に、これを株式会社コクサン製の遠心分離機(型式:H2000B、ローター:H)にて回転数10000rpmで30分間遠心分離した。ろ液(DMF可溶分)を注意深く分離後、純水不溶分を100℃にて24時間真空乾燥し、先述した式(1)を用いグラフト率を計算した。
【0062】
<重量平均分子量>
遠心分離の際のろ液(DMF可溶分)をメタノール1000mlに投入し、析出物を得た。析出物を80℃にて24時間真空乾燥し、GPCにて標準ポリスチレン換算の重量平均分子量を測定した。尚、GPCの測定は以下の条件にて行った。
カラム:GPC LF-804、φ8.0×300mm(昭和電工株式会社製)を2本直列に繋いで用いた。
カラム温度:40℃
溶媒:20mM-LiBr/DMF
【0063】
<還元分解電位>
バインダーA10質量部を、N-メチルピロリドン90質量部に溶解させ、得られたポリマー溶液100質量部にアセチレンブラック(デンカ株式会社製のデンカブラック(登録商標)「HS-100」)1質量部を加えて撹拌した。得られた溶液を銅箔上に乾燥後の厚さが20μmとなるように塗工し、80℃で10分間予備乾燥したのちに、105℃で1時間乾燥させて試験片とした。
作用極に得られた試験片、対極及び参照極にナトリウム、電解液にNaPF6を電解質塩とするエチレンカーボネート/ジエチルカーボネート(=1/2(体積比))溶(濃度1mol/L)を用いて東洋システム株式会社製の3極セルを組み立てた。ソーラートロン社製のポテンショ/ガルバノスタット(1287型)を用いてリニアースイープボルタンメトリー(以下LSVと略す)を25℃で10mV/secの走査速度にて行った。還元分解電位を電流が0.1mA/cm2に達した時の電位と定めた。還元分解電位が低い程、還元分解しにくく耐還元性が高いと判断される。
【0064】
表1及び表2に、実施例・比較例にかかるバインダーAの調製条件及び物性を示す。
【0065】
【0066】
【0067】
[実施例2]
実施例1におけるビス(4-t-ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネートを0.15質量部へ変更し、酢酸ビニルの仕込み量を630質量部へ変更し、60℃で5時間重合した。重合率は80%であった。実施例1と同様に未反応の酢酸ビニルを除去したのち、ポリ酢酸ビニルの濃度が30質量%となるようにメタノールで希釈した。このポリ酢酸ビニル溶液2000質量部に濃度10質量%の水酸化ナトリウムのメタノール溶液を20質量部添加して、30℃で2.5時間鹸化反応を行った。
実施例1と同様にして中和、濾過、乾燥を行い、平均重合度1650、鹸化度95.2モル%のPVAを得た。得られたPVAを用いて実施例1と同様にしてPANの重合を行い、バインダーBを調製した。バインダーBのPVAとPANの質量比は60.0:40.0であり、グラフト率は65%、PANのホモポリマー平均分子量は124500であった。この組成比、グラフト率、及びPANホモポリマーの重量平均分子量については、実施例1と同様の方法により測定した。以下の実施例3~9も同様である。
【0068】
[実施例3]
実施例1における酢酸ビニルを930質量部、重合開始剤ビス(4-t-ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネートを0.15質量部に変更し、60℃5時間で重合させた。重合率は70%であった。ポリ酢酸ビニルの濃度が30質量%となるようにメタノールで希釈した。このポリ酢酸ビニル溶液2000質量部に濃度10質量%の水酸化ナトリウムのメタノール溶液を20質量部添加して、30℃で1.5時間鹸化反応を行った。
実施例1と同様にして中和、濾過、乾燥を行い、平均重合度2990、鹸化度88.6モル%のPVAを得た。得られたPVAを用いて実施例1と同様にしてPANの重合を行い、バインダーCを調製した。バインダーCのPVAとPANの質量比は41.5:58.5であり、グラフト率は137%、PANのホモポリマー重量平均分子量は156200であった。
【0069】
[実施例4]
実施例1における酢酸ビニルを630質量部、重合開始剤ビス(4-t-ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネートを0.15質量部に変更し、60℃5時間で重合させた。重合率は75%であった。ポリ酢酸ビニルの濃度が30質量%となるようにメタノールで希釈した。このポリ酢酸ビニル溶液2000質量部に濃度10質量%の水酸化ナトリウムのメタノール溶液を20質量部添加して、30℃で0.5時間鹸化反応を行った。
実施例1と同様にして中和、濾過、乾燥を行い、平均重合度1740、鹸化度71.4モル%のPVAを得た。得られたPVAを用いて実施例1と同様にしてPANの重合を行い、バインダーDを調製した。バインダーDのPVAとPANの質量比は58.4:41.6であり、グラフト率は69%、PANのホモポリマー重量平均分子量は135600であった。
【0070】
[実施例5]
実施例2における、鹸化反応時間を30℃で3時間鹸化反応を行った以外は実施例2と同様にしてバインダーEの調製を行った。得られたPVAの平均重合度は1610、鹸化度は98.2%、バインダーEのPVAとPANの質量比は59.6:40.4であり、グラフト率は66%、PANのホモポリマーの重量平均分子量は128400であった。
【0071】
[実施例6]
実施例2における、ポリ酢酸ビニルの重合時間を6時間とし、鹸化時間を1時間とした以外は、実施例2と同様にしてPVAの調製を行った。得られたPVAの平均重合度は1820、鹸化度は83.1%であった。得られたPVAを用いて、バインダーFの調製を行った。バインダーFの調製は実施例1におけるPVAを1.40質量部とした以外は、実施例1と同様にして行った。得られたバインダーFのPVAとPANの質量比は11.2:88.8であり、グラフト率は769%、PANのホモポリマーの重量平均分子量は131200であった。
【0072】
[実施例7]
実施例2における、酢酸ビニルを800質量部、重合時間を4時間、鹸化時間を1時間とした以外は、実施例2と同様にしてPVAの調製を行った。得られたPVAの平均重合度は2230、鹸化度は84.5%であった。得られたPVAを用いて、バインダーGの調製を行った。バインダーGの調製は実施例1におけるPVAを10.0質量部とした以外は、実施例1と同様にして行った。得られたバインダーGのPVAとPANの質量比は79.8:20.2であり、グラフト率は24%、PANのホモポリマーの重量平均分子量は146400であった。
【0073】
[実施例8]
実施例2における、酢酸ビニルを700質量部、重合時間を5時間とした以外は、実施例2と同様にしてPVAの調製を行った。得られたPVAの平均重合度は1980、鹸化度は86.3%であった。得られたPVAを用いて、バインダーHの調製を行った。バインダーHの調製は実施例1におけるPVAを9.0質量部とした以外は、実施例1と同様にして行った。得られたバインダーHのPVAとPANの質量比は70.6:29.4であり、グラフト率は40%、PANのホモポリマーの重量平均分子量は141200であった。
【0074】
[実施例9]
実施例2における酢酸ビニルを800質量部、反応時間を6時間、鹸化時間を1時間とした以外は、実施例2と同様にしてPVAの調製を行った。得られたPVAの平均重合度は2240、鹸化度は81.8%であった。得られたPVAを用いて、バインダーIの調製を行った。バインダーIの調製は実施例1におけるPVAを1.50質量部とした以外は、実施例1と同様にして行った。得られたバインダーIのPVAとPANの質量比は11.6:88.4であり、グラフト率は739%、PANのホモポリマーの重量平均分子量は156200であった。
【0075】
[比較例1]
実施例1におけるポリ酢酸ビニル重合時の仕込みを酢酸ビニル550質量部、メタノール500質量部、ビス(4-t-ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネート0.3質量部とした以外は実施例1と同様の操作を行い、平均重合度250、鹸化度87.8モル%のPVAを得た。バインダーJの調製は実施例1と同様にして行った。得られたバインダーJのPVAとPANの質量比は55.5:44.5であり、グラフト率は78%、PANのホモポリマーの重量平均分子量は99800であった。
【0076】
[比較例2]
実施例1におけるポリ酢酸ビニル重合時の仕込みを酢酸ビニル3000質量部、メタノール500質量部、ビス(4-t-ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネート0.15質量部、反応時間を12時間、鹸化時間を2.5時間とした以外は実施例1と同様の操作を行い、平均重合度3620、鹸化度93.2モル%のPVAを得た。バインダーKの調製は実施例1におけるPVA質量部を9.00質量部とした以外は、実施例1と同様にして行った。得られたバインダーKのPVAとPANの質量比は62.6:37.4であり、グラフト率は58%、PANのホモポリマーの重量平均分子量は212500であった。バインダーKを用いて、電極スラリーの作製を試みたが、不溶バインダー成分による導電助剤の凝集が見られ、電極スラリーの塗工が困難であった。
【0077】
[比較例3]
実施例1におけるポリ酢酸ビニル重合時の仕込みを酢酸ビニル600質量部、反応時間を6時間、鹸化時間を0.5時間とした以外は実施例1と同様の操作を行い、平均重合度630、鹸化度65.1モル%のPVAを得た。
バインダーLの調製は実施例1におけるPVA質量部を6.20質量部、反応時間を10時間とした以外は、実施例1と同様にして行った。得られたバインダーLのPVAとPANの質量比は75.5:24.5であり、グラフト率は31%、PANのホモポリマーの重量平均分子量は138200であった。
【0078】
[比較例4]
実施例1におけるポリ酢酸ビニル重合時の仕込みを酢酸ビニル630質量部、反応時間を5時間、鹸化時間を0.5時間とした以外は実施例1と同様の操作を行い、平均重合度1710、鹸化度54.9モル%のPVAを得た。バインダーMの調製は実施例1におけるPVA質量部を6.5質量部とした以外は、実施例1と同様にして行った。得られたバインダーMのPVAとPANの質量比は41.8:58.2であり、グラフト率は135%、PANのホモポリマーの重量平均分子量は128800であった。
【0079】
[比較例5]
実施例1におけるポリ酢酸ビニル重合時の仕込みを酢酸ビニル950質量部とした以外は実施例1と同様の操作を行い、平均重合度2940、鹸化度88.1モル%のPVAを得た。
バインダーNの調製は実施例1におけるPVA質量部を0.80質量部とした以外は、実施例1と同様にして行った。得られたバインダーMのPVAとPANの質量比は7.6:92.4であり、グラフト率は1179%、PANのホモポリマーの重量平均分子量は175300であった。
【0080】
[比較例6]
実施例1におけるポリ酢酸ビニル重合時の仕込みを酢酸ビニル1000質量部、ビス(4-t-ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネート0.15質量部、反応時間を6時間、鹸化時間を2.5時間とした以外は実施例1と同様の操作を行い、平均重合度3380、鹸化度95.1モル%のPVAを得た。
バインダーOの調製は実施例1におけるPVA質量部を12.00質量部とした以外は、実施例1と同様にして行った。得られたバインダーOのPVAとPANの質量比は92.5:7.5であり、グラフト率は8%、PANのホモポリマーの重量平均分子量は186100であった。バインダーOを用いて、電極スラリーの作製を試みたが、不溶バインダー成分による導電助剤の凝集が見られ、電極スラリーの塗工が困難であった。
【0081】
[比較例7]
実施例1におけるポリ酢酸ビニル重合時の仕込みを酢酸ビニル1100質量部、ビス(4-t-ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネート0.15質量部、反応時間を12時間、鹸化時間を0.5時間とした以外は実施例1と同様の操作を行い、平均重合度3510、鹸化度75.4モル%のPVAを得た。バインダーPの調製は実施例1におけるPVA質量部を13.00質量部とした以外は、実施例1と同様にして行った。得られたバインダーPのPVAとPANの質量比は94.5:5.5であり、グラフト率は6%、PANのホモポリマーの重量平均分子量は191200であった。バインダーPを用いて、電極スラリーの作製を試みたが、不溶バインダー成分による導電助剤の凝集が見られ、電極スラリーの塗工が困難であった。
【0082】
[比較例8]
実施例1におけるポリ酢酸ビニル重合時の仕込みを酢酸ビニル930質量部、ビス(4-t-ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネート0.15質量部、反応時間を12時間、鹸化時間を2.5時間とした以外は実施例1と同様の操作を行い、平均重合度2980、鹸化度95.0モル%のPVAを得た。バインダーQの調製は実施例1におけるPVA質量部を13.00質量部とした以外は、実施例1と同様にして行った。得られたバインダーPのPVAとPANの質量比は95.0:5.0であり、グラフト率は5%、PANのホモポリマーの重量平均分子量は189100であった。
【0083】
[比較例9]
ポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製の「KFポリマー(登録商標)#1120」)をバインダーRとして用いた。
[比較例10]
カルボキシメチルセルロース(ダイセルファインケム株式会社製の「CMCダイセル2200」)をバインダーSとして用いた。CMCバインダーは水溶性であるため、実施例1における還元分解電位の測定における、電極スラリーの作製をNMPではなく、水で行った以外は、実施例1と同様にして行った。
【0084】
[実施例10]
バインダーAを使用し、以下の方法にて正極用スラリーを調製し、剥離接着強さを測定した。更に負極用スラリーより負極及びリチウムイオン二次電池を作製し、電極の剥離強度強さ、放電レート特性、サイクル特性の評価を行った。結果を表3に示す。
【0085】
【0086】
(負極活物質Na0.58Cr0.58Ti0.42O2の作製)
原料としてNa2CO3、Cr2O3、TiO2(アナターゼ型)をモル比0.58:0.58:0.42となるように秤量し、乳鉢と乳棒でよく混合した後にペレット化した。このペレットを空気雰囲気下900℃で24時間焼成した後に乳鉢と乳棒で粉砕することで試料Na0.58Cr0.58Ti0.42O2を合成した。
【0087】
(負極用スラリーの調製)
得られたバインダーA8質量部を、N-メチルピロリドン(以下、NMPと略す)92質量部に溶解させてバインダー溶液とした。
更に、導電助剤としてアセチレンブラック(デンカ株式会社製のデンカブラック(登録商標)「Li-400」)を、負極用スラリー中の固形分換算で1.5質量部、導電助剤として繊維状炭素としてCNano社製のカーボンナノファイバー「Flotube9000」のNMP分散液を、負極用スラリー中の固形分換算で1.5質量部、バインダー溶液を、負極用スラリー中の固形分換算で7質量部撹拌混合した。混合後、負極活物質としてNa0.58Cr0.58Ti0.42O2を、負極用スラリー中の固形分換算で90質量部添加して撹拌混合し、負極用スラリーを得た。ここで、負極用スラリーとは、バインダー溶液、負極活物質、及び導電助剤を含有するものをいう。
【0088】
<結着性(剥離接着強さ)>
得られた負極用スラリーを銅箔上に乾燥後の膜厚が100μmとなるように塗工し、温度80℃で10分間予備乾燥を行った後に、105℃で1時間乾燥させて負極板を得た。
得られた負極板をロールプレス機にて線圧0.2~3.0ton/cmでプレスし、負極板の平均厚さが90μmとなるように調節した。得られた負極板を1.5cmの幅に切断した。この負極板の負極活物質表面(負極用スラリーを塗工した側の表面)を、両面テープを用いてステンレス製の板に貼り付けた。更に、負極板の銅箔表面(負極用スラリーを塗工した側と反対側の表面)に、銅箔に貼り付け、試験片とした。銅箔に貼り付けた粘着テープを、23℃、相対湿度50%の雰囲気にて、180°方向に50mm/minの速度で引きはがした時の応力を測定した。この測定を5回繰り返して平均値を求め、剥離接着強さとした。
【0089】
(負極の作製)
厚み10μmの銅箔両面に、調製した負極用スラリーを、自動塗工機で片面ずつ70g/m2となるように塗布し、80℃で10分間予備乾燥した。次に、ロールプレス機にて0.2~3ton/cmの線圧でプレスし、負極板の厚さが両面で90μmになるように調製した。更に負極板を55mm幅に切断して、短冊状の負極板を作製した。負極板の端部にニッケル製の集電体タブを超音波溶着した後、残留溶媒や吸着水分といった揮発成分を完全に除去するため、105℃で1時間乾燥して負極を得た。
【0090】
(正極活物質NaCrO2の作製)
原料としてNa2CO3、Cr2O3をモル比1:1となるように秤量し、乳鉢と乳棒でよく混合した後にペレット化した。このペレットを空気雰囲気下900℃で24時間焼成した後に乳鉢と乳棒で粉砕することで試料NaCrO2を合成した。
【0091】
(正極の作製)
正極活物質としてNaCrO287.42質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製の「KFポリマー(登録商標)#1120」)を固形分換算で7質量部、アセチレンブラック(デンカ株式会社製のデンカブラック(登録商標)「Li-400」)3.72質量部、繊維状炭素としてCNano社製のカーボンナノファイバー「Flotube9000」のNMP分散液を固形分換算で1.86質量部、更に全固形分が50質量%となるように適量のNMPを加えて撹拌混合し正極用スラリーを得た。
厚み20μmのアルミニウム箔の両面に、調製した正極用スラリーを、自動塗工機で片面ずつ70g/m2となるように塗布し、80℃で10分間予備乾燥した。次に、ロールプレス機にて0.2~3ton/cmの線圧でプレスし、正極板の厚さが両面で90μmになるように調製した。更に正極板を54mm幅に切断して短冊状の正極板を作製した。正極板の端部にアルミニウム製の集電体タブを超音波溶着した後、残留溶媒や吸着水分といった揮発成分を完全に除去するため、105℃で1時間乾燥して負極を得た。
【0092】
(電池の作製)
得られた正極と負極とを組合せ、厚み25μm、幅60mmのポリエチレン微多孔膜セパレーターを介して捲回し、スパイラル状の捲回群を作製した後、これを電池缶に挿入した。次いで、電解質としてNaPF6を1mol/Lの濃度で溶解した非水溶液系の電解液(プロピレンカーボネート)を電池容器に5ml注入した後、注入口をかしめて密閉し、直径18mm、高さ65mmの円筒形のナトリウムイオン二次電池を作製した。作製したナトリウムイオン二次電池について、以下の方法により電池性能を評価した。
【0093】
<初回充放電効率>
作製したナトリウムイオン二次電池を、25℃において3.00V、0.2ItA制限の定電流定電圧充電をした後、0.2ItAの定電流で1.00Vまで放電し、放電容量を充放電容量値で割ることで、初回充放電容量値を算出した。
<高率放電容量維持率>
作製したナトリウムイオン二次電池を、25℃において3.00V、0.2ItA制限の定電流定電圧充電をした後、0.2ItAの定電流で1.00Vまで放電した。
次いで、放電電流を0.2ItA、0.5ItA、1ItA、2ItA、3ItA、5ItAと変化させ、各放電電流に対する放電容量を測定した。各測定における回復充電は3.0Vの定電流定電圧充電を行った。そして、0.2ItA放電時に対する5ItA放電時の高率放電容量維持率を計算した。
【0094】
<サイクル特性(サイクル容量維持率)>
環境温度25℃にて、充電電圧3.00V、1ItAの定電流定電圧充電と、放電終止電圧1.00Vの1ItAの定電流放電を行った。充電及び放電のサイクルを繰り返し行い、1サイクル目の放電容量に対する500サイクル目の放電容量の比率を求めてサイクル容量維持率とした。
[実施例10~18]
実施例10におけるバインダーAを、表3に示したバインダーに変更した。それ以外は実施例10と同様な方法で各評価を実施した。結果を表3に示す。
【0095】
[比較例10~18]
表3に示したバインダーに変更し、実施例10に示した方法で、負極用スラリー、負極、正極及びナトリウムイオン二次電池を作製し、各種評価を実施した。結果を表3に示す。
[比較例19]
バインダーをバインダーSとし、負極用スラリー調製時の溶媒をNMPではなく、水とした以外は実施例10に示した方法で、負極用スラリー、負極、正極及びナトリウムイオン二次電池を作製し、各種評価を実施した。