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(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】2024-09-02
(45)【発行日】2024-09-10
(54)【発明の名称】導電材分散体、およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
   H01M 4/139 20100101AFI20240903BHJP
   H01M 4/04 20060101ALI20240903BHJP
   H01M 4/02 20060101ALI20240903BHJP
   H01M 4/13 20100101ALI20240903BHJP
   H01M 4/62 20060101ALI20240903BHJP
   C09D 5/02 20060101ALI20240903BHJP
   C09D 5/24 20060101ALI20240903BHJP
   C09D 7/61 20180101ALI20240903BHJP
   C09D 133/02 20060101ALI20240903BHJP
   C09D 133/20 20060101ALI20240903BHJP
   C08F 220/44 20060101ALI20240903BHJP
   C08F 220/06 20060101ALI20240903BHJP
   C08F 222/02 20060101ALI20240903BHJP
【FI】
H01M4/139
H01M4/04 A
H01M4/02 Z
H01M4/13
H01M4/62 Z
C09D5/02
C09D5/24
C09D7/61
C09D133/02
C09D133/20
C08F220/44
C08F220/06
C08F222/02
【請求項の数】 15
(21)【出願番号】P 2020095278
(22)【出願日】2020-06-01
(65)【公開番号】P2021190330
(43)【公開日】2021-12-13
【審査請求日】2023-04-03
(73)【特許権者】
【識別番号】000222118
【氏名又は名称】artience株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】591183153
【氏名又は名称】トーヨーカラー株式会社
(72)【発明者】
【氏名】名畑 信之
(72)【発明者】
【氏名】青谷 優
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 雄太
(72)【発明者】
【氏名】相澤 悟
(72)【発明者】
【氏名】森田 雄
【審査官】井原 純
(56)【参考文献】
【文献】特許第6638846(JP,B1)
【文献】特許第6578618(JP,B1)
【文献】特開2017-216129(JP,A)
【文献】特開2015-115109(JP,A)
【文献】特表2021-517352(JP,A)
【文献】特開2017-065964(JP,A)
【文献】国際公開第2018/168615(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 4/00-4/62
H01B
C09D 5/02
C09D 5/24
C09D 7/61
C09D 133/02
C09D 133/20
C08F 220/44
C08F 220/06
C08F 222/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
導電材と、共重合体(A)と、塩基(B)と、水とを含む導電材分散体およびバインダー樹脂を含む導電性塗料であって、
導電材として、平均外径が1~4nmである単層カーボンナノチューブを含み、共重合体(A)が、全単位の合計100質量%に対して、(メタ)アクリロニトリルに由来する単位を10質量%~99質量%、カルボキシル基含有モノマー単位を1質量%~90質量%含む共重合体であり、塩基(B)が、水中の25℃におけるpKbが5以下であり、且つ水中の25℃における溶解度が1g/100ml以上であり、前記共重合体(A)と塩基(B)の固形分質量比率(B)/(A)が0.2~1.0であり、
前記バインダー樹脂は、ポリウレタン樹脂またはポリオレフィン樹脂を含むことを特徴とする導電性塗料
【請求項2】
共重合体(A)100質量%に対してカルボキシル基含有モノマー単位を11~40質量%で含む、請求項1記載の導電性塗料
【請求項3】
塩基(B)のpKbが1以下であることを特徴とする、請求項1または2記載の導電性塗料
【請求項4】
共重合体(A)が、カルボキシル基含有モノマー単位としてアクリル酸及びイタコン酸を含むことを特徴とする、請求項1~3いずれかに記載の導電性塗料
【請求項5】
さらに、酸を含むことを特徴とする、請求項1~4いずれかに記載の導電性塗料
【請求項6】
導電材に対して、共重合体(A)および塩基(B)を合計で20質量%~1000質量%含むことを特徴とする、請求項1~5いずれかに記載の導電性塗料
【請求項7】
レーザー回折式粒度分布測定によって算出される50%粒子径(D50)が1.5~40μmであることを特徴とする、請求項1~6いずれか記載の導電性塗料
【請求項8】
pHが8.0~13.0であることを特徴とする、請求項1~7いずれか記載の導電性塗料
【請求項9】
導電材の比表面積が400~800m2/gであることを特徴とする、請求項1~8いずれか記載の導電性塗料
【請求項10】
導電材に対して、共重合体(A)および塩基(B)を合計で200質量%~500質量%含む、請求項1~9いずれか記載の導電性塗料
【請求項11】
共重合体(A)が、全単位の合計100質量%に対して、(メタ)アクリロニトリルに由来する単位を60質量%以上89質量%以下含む、請求項1~10いずれか記載の導電性塗料
【請求項12】
透明帯電防止塗料用である、請求項1~11いずれか記載の導電性塗料
【請求項13】
導電材と、共重合体(A)と、塩基(B)と、バインダー樹脂と、水とを含む導電性塗料であって、
導電材として、平均外径が1~4nmである単層カーボンナノチューブを含み、共重合体(A)が、全単位の合計100質量%に対して、(メタ)アクリロニトリルに由来する単位を10質量%~99質量%、カルボキシル基含有モノマー単位を1質量%~90質量%含む共重合体であり、塩基(B)が、水中の25℃におけるpKbが5以下であり、且つ水中の25℃における溶解度が1g/100ml以上であり、バインダー樹脂が、ポリオレフィン樹脂を含む導電性塗料。
【請求項14】
導電材と、共重合体(A)と、塩基(B)と、バインダー樹脂とを含む導電性塗膜であって、
導電材として、平均外径が1~4nmである単層カーボンナノチューブを含み、共重合体(A)が、全単位の合計100質量%に対して、(メタ)アクリロニトリルに由来する単位を10質量%~99質量%、カルボキシル基含有モノマー単位を1質量%~90質量%含む共重合体であり、塩基(B)が、水中の25℃におけるpKbが5以下であり、且つ水中の25℃における溶解度が1g/100ml以上であり、バインダー樹脂が、ポリオレフィン樹脂を含む導電性塗膜。
【請求項15】
導電材と、共重合体(A)と、塩基(B)と、水とを含む導電性分散体の製造方法であって、
導電材として、平均外径が1~4nmである単層カーボンナノチューブを含み、共重合体(A)が、(メタ)アクリロニトリルに由来する単位、およびカルボキシル基含有モノマー単位を含む共重合体であり、塩基(B)が、水中の25℃におけるpKbが5以下であり、且つ水中の25℃における溶解度が1g/100ml以上であり、導電材と、共重合体(A)と、塩基(B)と、水とをpHが9.0~13.5で分散する工程と、得られた分散体を中和する工程を含むことを特徴とする導電性分散体の製造方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、塗料用バインダーへの相溶性、貯蔵安定性に優れたカーボンナノチューブを含む導電材分散体、導電材分散体とバインダー樹脂とを含む導電性塗料、それを膜状に形成してなる導電性塗膜、さらには導電性分散体とバインダー樹脂と活物質とを含む合材スラリー、それを膜状に形成してなる電極膜、電極膜と電解質とを具備してなる非水電解質二次電池用導電材分散体に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、カーボンナノチューブを含有する材料を用いて、帯電防止性、導電性、熱伝導性および電磁波シールド性等の機能を有する材料の開発が盛んに行われている。例えば、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテル又はポリイミド等のポリマー、あるいはガラスやセラミックス材料等の無機材料などをマトリックスとして用いて、これらのマトリックス中にカーボンナノチューブを分散させることによって、帯電防止、導電性、熱伝導性および電磁波シールド性等の機能を有する複合材およびこの複合材を積層した積層体に関する検討が数多く行われている。
【0003】
例えば、カーボンナノチューブ分散体を用いた用途として、非水電解質二次電池、特にリチウムイオン二次電池が注目されている。負極材料として黒鉛やシリコン負極にカーボンナノチューブを添加することにより、電極抵抗を低減したり、電池の負荷抵抗を改善したり、電極の強度を上げたり、電極の膨張収縮性を上げることで、リチウムイオン二次電池のサイクル寿命を向上させている。(例えば、特許文献1、2および3参照)また、正極にカーボンナノチューブを添加することにより、電極抵抗を低減する検討も行われている。(例えば、特許文献4および5参照)。
【0004】
比表面積の大きな導電材を用いると、少量で効率的に導電ネットワークを形成することができ、リチウムイオン二次電池用の正極および負極中に含まれる導電材量を低減することができる。しかしながら、比表面積の大きな導電材は凝集力が強く分散が困難であるため、十分な分散性を有する導電材分散体を得ることができなかった。
【0005】
そこで、様々な分散剤を用いて導電材を分散安定化する方法が提案されている。例えば、水溶性高分子ポリビニルピロリドン等のポリマー系分散剤を用いた水及びNMP(N-メチル-2-ピロリドン)への分散が提案されている(特許文献4および5参照)。
【0006】
しかし、PVAやPVPは一般的に親水性が高く、水に溶ける性質があるため、カーボンブラックの分散剤として用いた場合に、分散体を塗膜にした際、塗膜の耐水性が低下するなどの不具合が生じる。例えばリチウムイオンバッテリー用の分散体としてPVAやPVPを用いたカーボン分散体を使用すると、吸湿による電池性能の低下などの不具合が発生する。
【0007】
さらに、カーボンナノチューブ分散体を用いた用途として、透明帯電防止塗料が挙げられる。コーティングによってカーボンナノチューブの特性を活かすためには基板上に分散されたカーボンナノチューブのネットワーク構造を形成させる必要がある。これによりカーボンナノチューブの使用量が極めて少ない場合でも高い透明性と導電性を発現させることが可能であると期待されている。
【0008】
これまでもカーボンナノチューブを用いた導電層をフィルム上に塗布する等の方法で導電性フィルムを作製する方法が公知となっている。しかし、これらの公知技術、例えば、特許文献6では所望の導電性を付与させるために塗膜厚が極端に厚くなるため、導電性基板として透明性を無視したものになっている。また、特許文献7では導電層内のカーボンナノチューブの導電性を維持させるために、共役重合体系の導電性高分子をバインダー樹脂として用いているが、本来カーボンナノチューブが有している導電特性が活かされておらず、導電性フィルムとしては極めて抵抗値が高くなってしまっている。特許文献8では、カーボンナノチューブの導電特性を発揮させるため導電性フィルムの製造工程が複雑になってしまい、生産性や経済性に問題がある。特許文献9でも、導電層と基材の接着性を向上させるためにカーボンナノチューブを塗布後、その上にバインダー樹脂をオーバーコートしており、特許文献8と同様に生産性や経済性に問題がある。またここに示した4つの特許文献では溶媒として有機溶剤を使用していることから、環境負荷の点でも最適とは言えない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【文献】特開平4-155776号公報
【文献】特開平4-237971号公報
【文献】特開2004-178922号公報
【文献】特開2011-70908号公報
【文献】特開2014-19619号公報
【文献】特開2002-67209号公報
【文献】特開2004-195678号公報
【文献】特開2007-112133号公報
【文献】特許第3665969号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
これまでの従来技術でもカーボンナノチューブが分散された膜を作製するためにはマトリックスや樹脂の中にカーボンナノチューブを分散させていた。しかし、必ずしもカーボンナノチューブの分散状態は良好ではなく、また従来のコーティングによる積層では、バインダー樹脂がカーボンナノチューブの導電性を阻害し、塗料化の工程や乾燥工程でカーボンナノチューブが凝集を起こすなどカーボンナノチューブの本来の特性を発現させることが困難であった。
【0011】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を改良し、バインダーへの相溶性、貯蔵安定性に優れたカーボンナノチューブが分散された導電材分散体を提供することにある。また、本発明の目的は、良好な導電性、透明性を両立できる導電性塗料、および良好な導電性を有する二次電池電極用組成物を提供することにある。さらに本発明の目的は、二次電池の出力およびサイクル寿命を向上できる電極膜、および高い出力かつ良好なサイクル寿命を有する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】
【0012】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、導電材として特定の直径を有するカーボンナノチューブと、分散剤として特定の構造単位を持つ共重合体と、特定のpKbと水への溶解度を有する塩基の種類とその比率を組み合わせることによって、貯蔵安定性、相溶性が良好な導電材分散体を製造できることを見出した。さらに、良好な導電性、透明性を両立できる導電性塗料、および良好な導電性を有する二次電池電極用組成物、二次電池の出力およびサイクル寿命を向上できる電極膜、および高い出力かつ良好なサイクル寿命を有する二次電池を製造することを見出した。
【0013】
すなわち、本発明は、以下の実施形態を含む。本発明の実施形態は以下に限定されない。
【0014】
本発明は、導電材と、共重合体(A)と、塩基(B)と、水とを含む導電材分散体であって、
導電材として、平均外径が1~4nmである単層カーボンナノチューブを含み、
共重合体(A)が、全単位の合計100質量%に対して、(メタ)アクリロニトリルに由来する単位を10質量%~99質量%、カルボキシル基含有モノマー単位を1質量%~90質量%含む共重合体であり、塩基(B)が、水中の25℃におけるpKbが5以下であり、且つ水中の25℃における溶解度が1g/100ml以上であり、前記共重合体(A)と塩基(B)の固形分質量比率(B)/(A)が0.2~1.0であることを特徴とする導電材分散体に関する。
【0015】
また、本発明は、共重合体(A)100質量%に対してカルボキシル基含有モノマー単位を11~40質量%で含む、前記導電材分散体に関する。
【0016】
また、本発明は、塩基(B)のpKbが1以下であることを特徴とする、前記導電材分散体に関する。
【0017】
また、本発明は、共重合体(A)が、カルボキシル基含有モノマー単位としてアクリル酸及びイタコン酸を含むことを特徴とする、前記導電材分散体に関する。
【0018】
また、本発明は、酸を含むことを特徴とする、前記導電材分散体に関する。
【0019】
また、本発明は、導電材に対して、共重合体(A)および塩基(B)を合計で20質量%~1000質量%含むことを特徴とする、前記導電材分散体に関する。
【0020】
また、本発明は、レーザー回折式粒度分布測定によって算出される50%粒子径(D50)が1.5~40μmであることを特徴とする、前記導電材分散体に関する。
【0021】
また、本発明は、pHが8.0~13.0であることを特徴とする、前記導電材分散体に関する。
【0022】
また、本発明は、導電材の比表面積が400~800m/gであることを特徴とする、前記導電材分散体に関する。
【0023】
また、本発明は、前記導電材分散体を含んでなる、二次電池電極用組成物に関する。
【0024】
また、本発明は、前記二次電池電極用組成物の塗工膜である電極膜に関する。
【0025】
また、本発明は、前記電極膜を含む、二次電池に関する。
【0026】
また、本発明は、前記導電材分散体を含んでなる、導電性塗料に関する。
【0027】
また、本発明は、前記導電性塗料の塗工膜である、導電性塗膜に関する。
【0028】
また、本発明は、導電材と、共重合体(A)と、塩基(B)と、水とを含む導電性分散体の製造方法であって、
導電材として、平均外径が1~4nmである単層カーボンナノチューブを含み、
共重合体(A)が、(メタ)アクリロニトリルに由来する単位、およびカルボキシル基含有モノマー単位を含む共重合体であり、塩基(B)が、水中の25℃におけるpKbが5以下であり、且つ水中の25℃における溶解度が1g/100ml以上であり、導電材と、共重合体(A)と、塩基(B)と、水とをpHが9.0~13.5で分散する工程と、得られた分散体を中和する工程を含むことを特徴とする導電性分散体の製造方法に関する。
【発明の効果】
【0029】
本発明の実施形態によれば、バインダーへの相溶性、貯蔵安定性に優れたカーボンナノチューブが分散された導電材分散体を提供することが可能である。また、本発明の実施形態によれば、良好な導電性、透明性を両立できる導電性塗料、および良好な導電性を有する二次電池電極用組成物を提供することが可能である。さらに本発明の実施形態によれば、二次電池の出力およびサイクル寿命を向上できる電極膜、および高い出力かつ良好なサイクル寿命を有する二次電池を提供することが可能である。
【0030】
<導電材>
本実施形態の導電材は、単層カーボンナノチューブである。単層カーボンナノチューブは、平面的なグラファイトを円筒状に巻いた形状を有しており、一層のグラファイトが巻かれた構造を有する。
【0031】
カーボンナノチューブの平均外径は1~4nmであり、1~2nmであることが好ましい。カーボンナノチューブの平均外径は、透過型電子顕微鏡(日本電子社製)によって、カーボンナノチューブの形態観察を行い、100本の短軸の長さを計測し、その数平均値をもってカーボンナノチューブ平均外径(nm)とした。
【0032】
カーボンナノチューブの比表面積は、400~1200m/gであることが好ましく、より好ましくは400~800m/gである。比表面積が400m/g以上であると、塗膜中でカーボンナノチューブのネットワークが形成されやすく導電性が向上し、比表面積が800m/g以下であると分散工程においてカーボンナノチューブを解しやすく、カーボンナノチューブの構造破壊が進行しにくいため導電性が向上する。
【0033】
カーボンナノチューブの炭素成分は70~90%であることが好ましく、80~90%であることがより好ましい。カーボンナノチューブ(A)は触媒成分を含む場合があり、カーボンナノチューブから触媒成分を引いた値を炭素成分と表記した。炭素成分の値は式(1)に従い、空気中900℃の存在下で5時間焼成した後の灰分を測定することで算出した。
カーボンナノチューブの炭素成分(%) =
1-(焼成後の灰分重量(g)/焼成前のカーボンナノチューブ重量(g))×100
・・・・式(1)
炭素成分が70~90%の範囲であれば、良好な分散体が得られる。炭素成分を高める手段として、カーボンナノチューブの生成過程における収率の向上や、得られたカーボンナノチューブの酸精製による触媒成分の除去が公知の技術として挙げられるが、導電性が低下するため好ましくない。
【0034】
カーボンナノチューブのレーザー回折式粒度分布測定によって算出される50%粒子径(D50)は500~1300μmが好ましく、より好ましくは800~1200μmである。
【0035】
このようなカーボンナノチューブ(A)としては、例えば、単層カーボンナノチューブとして、日本ゼオン社製ZEONANO SG101(外径:3~5nm)、OCSiAl社製 TUBALL(外径:1~2nm)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0036】
本実施形態の分散体は、(メタ)アクリロニトリルに由来する単位、およびカルボキシル基含有モノマー単位を含む共重合体(A)と、水中の25℃におけるpKbが5以下であり、且つ水中の25℃における溶解度が1g/100ml以上である塩基(B)を含む。
【0037】
共重合体(A)および塩基(B)は特に限定されるものではないが、導電材を分散させる分散剤として機能し、事前に水に溶解または半溶解させてから使用してもよく、分散時に溶解または半溶解させながら使用しても良い。
【0038】
<共重合体(A)>
(メタ)アクリロニトリルに由来するモノマー単位は、アクリロニトリルおよびメタアクリロニトリルがあげられる。1種を単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができ、アクリロニトリルであることが好ましい。(メタ)アクリロニトリルに由来するモノマー単位がアクリロニトリルだと、共重合体の屈曲が少なくなり、隣接するシアノ基が配向して分極の強い部分構造を形成することから、分散剤と被分散物および/または分散剤と水との分子間力が高くなる。(メタ)アクリロニトリルに由来するモノマー単位の含有量は10質量%~99質量%であり、前記分子間力を高める観点から、共重合体を構成する全モノマー単位の質量を基準として、52質量%以上であることが好ましく、60質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましい。共重合体を構成する全モノマー単位の質量を基準として、89質量%以下であることが好ましく、85質量%以下であることがより好ましい。(メタ)アクリロニトリルに由来するモノマー単位の含有量を上記範囲にすることで、被分散物を分散媒中に安定に存在させることができる。また、二次電池に用いた場合には、電池内で分散剤が電解液に溶解して電解液の抵抗を増大させるなどの不具合を防ぐことができる。
【0039】
カルボキシル基含有モノマー単位は、例えば、(メタ)アクリル酸、クロトン酸、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸、シトラコン酸等の不飽和脂肪酸、2-(メタ)アクリロイルオキシエチルフタレート、2-(メタ)アクリロイルオキシプロピルフタレート、2-(メタ)アクリロイルオキシエチルヘキサヒドロフタレート、2-(メタ)アクリロイルオキシプロピルヘキサヒドロフタレート、エチレンオキサイド変性コハク酸(メタ)アクリレート、β-カルボキシエチル(メタ)アクリレート等のカルボキシル基含有(メタ)アクリレート等が挙げられる。また、上記カルボキシル基含有モノマーの多量体である無水マレイン酸、無水イタコン酸、無水シトラコン酸等の酸無水物基含有単量体およびその単官能アルコール付加体等が挙げられる。カルボキシル基二つが脱水縮合した構造を有する基である「-C(=O)-O-C(=O)-」(本明細書では「酸無水物基」という)も、加水分解によりカルボキシル基を形成するため、本明細書では、カルボキシル基に含める。カルボキシル基含有モノマーは、不飽和脂肪酸が好ましく、(メタ)アクリル酸がより好ましく、アクリル酸がさらに好ましい。さらに、アクリル酸とイタコン酸を両方含むことがより好ましい。カルボキシル基含有モノマー単位の含有量は1質量%~50質量%であり、分散媒である水と適度な親和性を持たせる観点から、共重合体を構成する全モノマー単位の質量を基準として、11質量%以上であることが好ましく、15質量%以上であることがより好ましい。共重合体を構成する全モノマー単位の質量を基準として、48質量%以下であることが好ましく、40質量%以下であることが好ましく、30質量%以下であることがより好ましい。
【0040】
共重合体(A)は、活性水素基含有モノマー(カルボキシル基を除く)、塩基性モノマー、および(メタ)アクリル酸アルキルエステルからなる群より選択される1種以上のモノマー単位を含んでもよい。本発明の導電材分散体を適用する基材や混合する材料の親水性、疎水性、酸性、塩基性等の特性に合わせて上記モノマーを選択し、含有させることで、種々の用途に適用することができる。活性水素基含有モノマー(カルボキシル基を除く)、塩基性モノマー、および(メタ)アクリル酸アルキルエステルからなる群より選択される1種以上のモノマー単位の含有量は、共重合体の構成する全モノマー単位の質量を基準として、20質量%以下が好ましく、10質量%以下がより好ましく、5質量%以下がさらに好ましい。
上記範囲で含まれると、高い分子間力を保ったまま種々の用途への適正を付与することができる。
共重合体(A)の合成に使用する活性水素基含有モノマー(カルボキシル基を除く)、塩基性モノマー、および(メタ)アクリル酸アルキルエステルからなる群より選択される1種以上のモノマー単位のうち、活性水素基含有モノマーは、活性水素基として、例えば、水酸基、一級アミノ基、二級アミノ基、メルカプト基等を有するモノマーである。ここで、「一級アミノ基」とは、-NH(アミノ基)を意味し、「二級アミノ基」とは、一級アミノ基上の一つの水素原子がアルキル基等の有機残基で置換された基を意味する。ただし、酸アミド中の一級アミノ基および二級アミノ基は、本明細書では、活性水素基には含めない。
【0041】
水酸基含有モノマーは、例えば、2-ヒドロキシエチル(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、4-ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、グリセロールモノ(メタ)アクリレート、4-ヒドロキシビニルベンゼン、2-ヒドロキシ-3-フェノキシプロピルアクリレートまたはこれらモノマーのカプロラクトン付加物(付加モル数は1~5)等が挙げられる。活性水素基含有モノマーの内、原料の入手しやすさ、取り扱いやすさ、後述する分散媒との親和性等の観点から、水酸基含有モノマーが好ましい。水酸基含有モノマーは、ヒドロキシアルキル(メタ)アクリレートが好ましく、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレートがより好ましく、ヒドロキシエチルアクリレートがさらに好ましい。
【0042】
1級アミノ基含有モノマーは、例えば、アミノメチル(メタ)アクリレート、アミノエチル(メタ)アクリレート、アリルアミン塩酸塩、二水素アリルアミンリン酸塩、2-イソプロペニルアニリン、3-ビニルアニリン、4-ビニルアニリン等が挙げられる。
【0043】
2級アミノ基含有モノマーは、例えば、t-ブチルアミノエチル(メタ)アクリレート等が挙げられる。
【0044】
メルカプト基含有モノマーは、例えば、アクリル酸2-(メルカプトアセトキシ)エチル、アリルメルカプタン等が挙げられる。
【0045】
活性水素基含有モノマーは、1種単独で、または2種以上組み合わせて用いることができる。
【0046】
塩基性モノマーは、塩基性基を有するモノマーである。塩基性基としては、例えば、3級アミノ基、アミド基、ピリジン環、マレイミド基などが挙げられる。なお、1級アミノ基を有するモノマー、および2級アミノ基を有するモノマーは、塩基性モノマーにも含まれうるが、本発明においては前記活性水素基含有モノマーとして扱い、塩基性モノマーには含めない。
【0047】
塩基性モノマーは、例えば、ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリレート等のジアルキルアミノアルキル(メタ)アクリレート類;
(メタ)アクリルアミド、N,N-ジエチル(メタ)アクリルアミド、N-イソプロピル(メタ)アクリルアミド、及びアクリロイルモルホリン等のN置換型(メタ)アクリルアミド類;
1-ビニルピリジン、4-ビニルピリジン、1-ビニルイミダゾール等の複素環式芳香族アミン含有ビニルモノマー類;
N-(ジメチルアミノエチル)(メタ)アクリルアミド、N-(ジメチルアミノプロピル)アクリルアミド等のN-(アルキルアミノアルキル)(メタ)アクリルアミド類;
N,N-ジメチル(メタ)アクリルアミド、N,N-ジエチル(メタ)アクリルアミド等のN,N-アルキル(メタ)アクリルアミド類等が挙げられる。
【0048】
塩基性モノマーは、1種単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。塩基性モノマーの中でも、原料の入手しやすさ、取り扱いやすさ、後述する分散媒との親和性の観点からジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、またはジメチルアミノプロピル(メタ)アクリレートが好ましく、ジメチルアミノエチルアクリレートがより好ましい。
【0049】
(メタ)アクリル酸アルキルエステルは、(RC=C-CO-O-Rで表される構造(ただし、Rは水素原子またはメチル基であって少なくとも一方が水素原子であり、Rは置換基を有していてもよいアルキル基である)を有するモノマーである。
なお、アルキル基の置換基として前記活性水素基または前記塩基性基を含むものは、前記活性水素基含有モノマーまたは前記塩基性モノマーとして扱い、(メタ)アクリル酸アルキルエステルには含めない。
(メタ)アクリル酸アルキルエステルとしては、例えば(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル等の鎖状アルキル基含有(メタ)アクリル酸エステル;
(メタ)アクリル酸2-エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸イソステアリル等の分岐状アルキル基含有(メタ)アクリル酸エステル;
(メタ)アクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリル酸イソボルニル等の環状アルキル基含有(メタ)アクリル酸エステル;
(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等の芳香環置換アルキル基含有(メタ)アクリル酸アルキルエステル類;
(メタ)アクリル酸トリフルオロエチル、(メタ)アクリル酸テトラフルオロプロピル等のフルオロ基が置換された(メタ)アクリル酸アルキルエステル類;
(メタ)アクリル酸グリシジル、(メタ)アクリル酸(3-エチルオキセタン-3-イル)メチル等のエポキシ基含有(メタ)アクリル酸アルキルエステル類;
3-メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン等のシリルエーテル基含有(メタ)アクリル酸アルキルエステル類;
(メタ)アクリル酸2-メトキシエチル、(メタ)アクリル酸ポリエチレングリコールモノメチルエーテル等のアルキルオキシ基含有(メタ)アクリル酸アルキルエステル類;
2-(アリルオキシメチル)アクリル酸メチル等の環化重合性モノマー類
等が挙げられる。
【0050】
(メタ)アクリル酸アルキルエステルは1種単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。
(メタ)アクリル酸アルキルエステルの中でも、原料の入手しやすさ、取り扱いやすさ、後述する分散媒との親和性の観点から(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル、(メタ)アクリル酸2-エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸ラウリルが好ましく、より好ましくはアクリル酸2-エチルヘキシル、アクリル酸ラウリルである。
【0051】
本発明の共重合体(A)は、さらに他モノマー単位を有してもよい。他モノマー単位を構成するモノマーは、例えばスチレン、及びα-メチルスチレン等のスチレン類;
エチルビニルエーテル、n-プロピルビニルエーテル、イソプロピルビニルエーテル、n-ブチルビニルエーテル、及びイソブチルビニルエーテル等のビニルエーテル類;
酢酸ビニル、及びプロピオン酸ビニル等の脂肪酸ビニル類;
N-フェニルマレイミド、N-シクロヘキシルマレイミド、等のN-置換マレイミド類;
テトラヒドロフルフリール(メタ)アクリレート、又は3-メチルオキセタニル(メタ)アクリレート等の複素環式(メタ)アクリレート類;等が挙げられる。
【0052】
共重合体(A)の製造方法は、特に限定はされず、例えば、溶液重合法、懸濁重合法、塊状重合法、乳化重合法、沈殿重合等が挙げられるところ、溶液重合または沈殿重合法が好ましい。重合反応系は、例えば、イオン重合、フリーラジカル重合、リビングラジカル重合などの付加重合等が挙げられるところ、フリーラジカル重合またはリビングラジカル重合が好ましい。また、ラジカル重合開始剤は、例えば、過酸化物、アゾ系開始剤等が挙げられる。分散剤の重合に際して、連鎖移動剤等の分子量調整剤が使用できる。
【0053】
連鎖移動剤は、例えば、オクチルメルカプタン、ノニルメルカプタン、デシルメルカプタン、ドデシルメルカプタン、3-メルカプト-1,2-プロパンジオール等のアルキルメルカプタン類、チオグリコール酸オクチル、チオグリコール酸ノニル、チオグリコール酸-2-エチルヘキシル等のチオグリコール酸エステル類、2,4-ジフェニル-4-メチル-1-ペンテン、1-メチル-4-イソプロピリデン-1-シクロヘキセン、α-ピネン、β-ピネン等が挙げられる。特に、3-メルカプト-1,2-プロパンジオール、チオグリコール酸エステル類、2,4-ジフェニル-4-メチル-1-ペンテン、1-メチル-4-イソプロピリデン-1-シクロヘキセン、α-ピネン、β-ピネン等が、得られる重合体が低臭気となる点で好ましい。
【0054】
連鎖移動剤の使用量は、全モノマー単位100質量部に対して、0.01~4質量%が好ましく、0.1~2質量%がより好ましい。連鎖移動剤を上記範囲とすることで本発明の分散剤の分子量を好適な分子量範囲に調整することが出来る。
【0055】
分散剤の重量平均分子量は、ポリスチレン換算の重量平均分子量で、5,000以上が好ましく、6,000以上がより好ましく、7,000以上がさらに好ましい。また、400,000以下が好ましく、200,000以下がより好ましく、100,000以下がさらに好ましく、60,000以下が特に好ましい。適度な重量平均分子量を有すると被分散物への吸着性が向上し、分散体の安定性がより向上する低下する。
【0056】
共重合体(A)の酸価は、KOHの中和滴定より求めることができる。共重合体(A)の酸価は、30mgKOH/g以上が好ましく、55mgKOH/g以上がより好ましく、70mgKOH/g以上がさらに好ましい。また、400mgKOH/g以下が好ましく、300mgKOH/g以下がより好ましく、200mgKOH/g以下がさらに好ましい。共重合体(A)の酸価を上記範囲にすることで、共重合体(A)と分散媒との親和性を適度に制御し、被分散物に対して効果的に作用しつつ、良好な分散状態を維持できるようになる。共重合体(A)の酸価が上記範囲を上回ると、分散媒に対する親和性が高くなりすぎ(すなわち水への溶解性が高くなりすぎ)、上記範囲を下回ると、分散媒に対する親和性が低くなりすぎ(すなわち水への溶解性が低くなりすぎ)、いずれの場合も共重合体(A)としての作用が低くなる場合がある。また、前記導電材の酸性基量と、共重合体(A)の酸価とをいずれも上記範囲とすることで、共重合体(A)、分散媒、被分散物の間の親和性バランスがさらに良好となり、分散性が向上する。
【0057】
<塩基(B)>
本実施形態の導電材分散体は、水中の25℃におけるpKbが5以下であり、且つ水中の25℃における溶解度が1g/100ml以上である塩基(B)を含む。pKbは2以下が好ましく、1以下がより好ましい。溶解度は10g/100ml以上が好ましく、30g/100ml以上がより好ましい。これにより、導電材の表面を改質し、共重合体(A)の吸着をより強固にして、分散体の分散安定性が向上する。無機塩基としては、アルカリ金属、およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を有する化合物であることが好ましく、詳しくは、アルカリ金属、およびアルカリ土類金属の、塩化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩、タングステン酸塩、バナジウム酸塩、モリブデン酸塩、ニオブ酸塩、ならびにホウ酸塩等が挙げられる。また、これらの中でも容易にカチオンを供給できる面でアルカリ金属、アルカリ土類金属の塩化物、水酸化物、炭酸塩が好ましい。アルカリ金属の水酸化物は、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられる。アルカリ金属の炭酸塩は、例えば、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム等が挙げられる。また、金属を含まない塩基としてアンモニアが挙げられる。これらの中でも水酸化リチウム、水酸化ナトリウムがより好ましい。なお、本発明の無機塩基および無機金属塩が有する金属は、遷移金属であってもよい。
【0058】
有機塩基としては、炭素数1~40の置換されていてもよいアルキル基を有する1級、2級、3級または4級アルキルアミンが挙げられる。
【0059】
炭素数1~40の置換されていてもよいアルキル基を有する1級アルキルアミンとしては、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、2ーエチルヘキシルアミン、ラウリルアミン、ステアリルアミン、オレイルアミン、2-アミノエタノール、3-アミノプロパノール、3-エトキシプロピルアミン等が挙げられる。
【0060】
炭素数1~40の置換されていてもよいアルキル基を有する2級アルキルアミンとしては、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、2-メチルアミノエタノール等が挙げられる。
【0061】
炭素数1~40の置換されていてもよいアルキル基を有する3級アルキルアミンとしては、トリメチルアミン、トリエチルアミン、2-(ジメチルアミノ)エタノール等が挙げられる。
【0062】
炭素数1~40の置換されていてもよいアルキル基を有する4級アルキルアミンとしては、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、トリメチル(2-ヒドロキシエチル)アンモニウムヒドロキシド等が挙げられる。
【0063】
この内、炭素数1~10の置換されていてもよいアルキル基を有する1級、2級、3級または4級アルキルアミンが好ましく、炭素数1~5の置換されていてもよいアルキル基を有する1級、2級、3級または4級アルキルアミンがさらに好ましい。
また、置換されていてもよいアルキル基とは、水素原子が置換されていてもよいことを意味し、置換基としては、ヒドロキシ基等が挙げられる。
【0064】
有機塩基としては、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデセン-7(DBU)、1,5-ジアザビシクロ[4.3.0]ノネン-5(DBN)、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(DABCO)、トリ-n-ブチルアミン、ジメチルベンジルアミン、モノエタノールアミン、イミダゾール、1-メチルイミダゾール等の塩基性窒素原子を含有する化合物類を用いても良い。
【0065】
本実施形態の導電材分散体は、共重合体(A)と塩基(B)の固形分質量比率(B)/(A)が0.2~1.0であることが好ましい。0.2~0.5がより好ましく、0.2~0.4がさらに好ましい。
【0066】
本実施形態の導電材分散体は、導電材を、分散剤、バインダー樹脂などの被分散物担体及び/または分散媒中に、ニーダー、2本ロールミル、3本ロールミル、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、高圧ジェットミル、またはアトライター等の各種分散手段を用いて微細に分散して製造することができる。このとき、2種以上の被分散物等を同時に被分散物担体及び/または分散媒中に分散しても良いし、別々に分散したものを混合しても良い。
【0067】
本実施形態の導電材分散体の固形分の量は、導電材分散体100質量%に対して、0.1~2質量%が好ましく、0.2~1質量%がより好ましい。
【0068】
本実施形態の導電材分散体中の共重合体(A)と塩基(B)の合計量は、導電材100質量%に対して、透明帯電防止塗料に用いる場合には、1000質量%以下が好ましく、600質量%以下がより好ましく、500質量%以下が特に好ましい。さらに、100質量%以上が好ましく、200質量%以上がより好ましい。二次電池に用いる場合には、200質量%以下が好ましく、100質量%以下がより好ましい。さらに、20質量%以上が好ましく、30質量%以上がより好ましい。上記範囲にすることで、用途特性を害することなく導電材を良好に、かつ安定に存在させることができる。
【0069】
本実施形態の導電材分散体は、分散工程において、pHは9.0~13.5であることが好ましく、10.0~13.0であることがより好ましい。
【0070】
本発明の導電材分散体のレーザー回折式粒度分布測定によって算出される50%粒子径(D50)は、1.5~40μmであることが好ましく、10~30μmであることがより好ましい。
【0071】
本実施形態の導電材分散体は、上記pHで分散した後、酸を混合する中和工程を含むことが好ましい。使用する酸は、水中25℃におけるpKaが2以上の酸であることが好ましい。例えば、酢酸、リン酸、炭酸などが挙げられる。
【0072】
本実施形態の導電材分散体は、pHは8.0~13.0であることが好ましく、8~10であることがより好ましい。
【0073】
<二次電池電極用組成物>
本発明の二次電池電極用組成物は、上記導電材分散体、およびバインダー樹脂を含むことが好ましい。二次電池電極用組成物は、導電材分散体と、バインダー樹脂とを混合することにより製造することができる。導電材分散体とバインダー樹脂と共に、任意の成分をさらに混合してもよい。二次電池電極用組成物は水を含み、導電材の分散媒として例示した水溶性溶媒を任意に含んでもよい。
【0074】
<二次電池電極用組成物に用いるバインダー樹脂>
二次電池電極用組成物に用いるバインダー樹脂は、通常、塗料のバインダー樹脂として用いられるものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。また、二次電池電極用組成物に用いるバインダー樹脂は、活物質、導電材等の物質間を結合することができる樹脂であり、本明細書において、本発明の分散剤とは異なる。二次電池電極用組成物に用いるバインダー樹脂は、例えば、エチレン、プロピレン、塩化ビニル、酢酸ビニル、ビニルアルコール、マレイン酸、アクリル酸、アクリル酸エステル、メタクリル酸、メタクリル酸エステル、アクリロニトリル、スチレン、ビニルブチラール、ビニルアセタール、ビニルピロリドン等を構成単位として含む重合体または共重合体;ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、アルキッド樹脂、アクリル樹脂、ホルムアルデヒド樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂;セルロース樹脂(例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC));スチレン-ブタジエンゴム、フッ素ゴムのようなエラストマー;ポリアニリン、ポリアセチレンのような導電性樹脂等が挙げられる。また、これらの樹脂の変性体や混合物、および共重合体でも良い。これらの中でも、正極のバインダー樹脂として使用する場合は、耐性面から分子内にフッ素原子を有する重合体または共重合体、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、テトラフルオロエチレン等が好ましい。また、負極のバインダー樹脂として使用する場合は、密着性が良好なカルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴム、ポリアクリル酸等が好ましい。
【0075】
二次電池電極用組成物に用いるバインダー樹脂の含有量は、樹脂組成物の不揮発分中、0.5~30質量%が好ましく、0.5~25質量%がより好ましい。
【0076】
二次電池電極用組成物は、正極活物質または負極活物質を含んでもよい。本明細書では、正極活物質および負極活物質を、単に「活物質」という場合がある。活物質とは、電池反応の基となる材料のことである。活物質は、起電力から、正極活物質と負極活物質に分けられる。本明細書では、正極活物質または負極活物質を含む二次電池電極用組成物を、それぞれ「正極合材組成物」、「負極合材組成物」、または単に「合材組成物」という場合がある。合材組成物は、均一性および加工性を向上させるためにスラリー状であることが好ましい。合材組成物は、前記導電材分散体と活物質を少なくとも含有するか、または前記導電材分散体とバインダー樹脂と活物質とを少なくとも含有する。本明細書において、合材組成物を「合材スラリー」という場合がある。
【0077】
<正極活物質>
正極活物質は、特に限定されないが、例えば、二次電池用途は、リチウムイオンを可逆的にドーピングまたはインターカレーション可能な金属酸化物および金属硫化物等の金属化合物を使用することができる。例えば、リチウムマンガン複合酸化物(例えばLiMnまたはLiMnO)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLiNiO)、リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLiNi1-yCo)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLiMnCo1-y)、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物(例えばLiNiCoMn1-y-z)、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えばLiMn2-yNi)等のリチウムと遷移金属との複合酸化物粉末、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物粉末(例えばLiFePO、LiFe1-yMnPO、LiCoPOなど)、酸化マンガン、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、バナジウム酸化物(例えばV、V13)、酸化チタン等の遷移金属酸化物粉末、硫酸鉄(Fe(SO)、TiS、およびFeS等の遷移金属硫化物粉末等が挙げられる。ただし、x、y、zは、数であり、0<x<1、0<y<1、0<z<1、0<y+z<1である。これら正極活物質は、1種または複数を組み合わせて使用することもできる。
【0078】
<負極活物質>
負極活物質は、特に限定されないが、例えば、リチウムイオンを可逆的にドーピングまたはインターカレーション可能な金属Li、またはその合金、スズ合金、シリコン合金負極、LiTiO、LiFe、LiFe、LiWO等の金属酸化物系、ポリアセチレン、ポリ-p-フェニレン等の導電性高分子、高黒鉛化炭素材料等の人造黒鉛、あるいは天然黒鉛等の炭素質粉末、樹脂焼成炭素材料を用いることができる。ただし、xは数であり、0<x<1である。これら負極活物質は、1種または複数を組み合わせて使用することもできる。
【0079】
合材組成物中の導電材の含有量は、導電材の含有量は、活物質の質量を基準として(活物質の質量を100質量%として)、0.01質量%以上であることが好ましく、0.02質量%以上であることがより好ましく、0.03%以上であることがさらに好ましい。また、10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましく、3質量%以下であることがさらに好ましい。
【0080】
合材組成物中の分散剤の含有量は、活物質の質量を基準として(活物質の質量を100質量%として)、0.01質量%以上であることが好ましく、0.02質量%以上であることがより好ましい。また、10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましい。
【0081】
合材組成物がバインダー樹脂を含有する場合、合材組成物中のバインダー樹脂の含有量は、活物質の質量を基準として(活物質の質量を100質量%として)、0.5質量%以上であることが好ましい。また、30質量%以下であることが好ましく、25質量%以下であることがより好ましく、20質量%以下であることがさらに好ましい。
【0082】
合材組成物中の固形分量は、合材組成物の質量を基準として(合材組成物の質量を100質量%として)、30質量%以上であることが好ましく、40質量%以上であることがより好ましい。また、90質量%以下であることが好ましく、80質量%以下であることがより好ましい。
【0083】
合材組成物は、従来公知の様々な方法で作製することができる。例えば、導電材分散体に活物質を添加して作製する方法;導電材分散体に活物質を添加した後、バインダー樹脂を添加して作製する方法;導電材分散体にバインダー樹脂を添加した後、活物質を添加して作製する方法等が挙げられる。合材組成物を作製する方法としては、導電材分散体にバインダー樹脂を添加した後、活物質をさらに加えて分散させる処理を行う方法が好ましい。分散に使用される分散装置は特に限定されない。導電材分散体の説明において挙げた分散手段を用いて、合材組成物を得ることができる。したがって、合材組成物を作製する方法としては、導電材分散体にバインダー樹脂を添加することなく、活物質を加えて分散させる処理を行ってもよい。
【0084】
<電極膜>
電極膜は、前記導電材分散体を用いて形成した膜、前記二次電池電極用組成物を用いて形成した膜からなる群から選択される少なくとも1種を含む。電極膜は、さらに集電体を含んでもよい。電極膜は、例えば、集電体上に二次電池電極用組成物を塗工し、乾燥させることで得ることができ、集電体を膜とを含む。正極合材組成物を用いて形成した電極膜を、正極として使用することができる。負極合材組成物を用いて形成した電極膜を、負極として使用することができる。本明細書において、活物質を含む二次電池電極用組成物を用いて形成した膜を「電極合材層」という場合がある。
【0085】
前記電極膜の形成に用いられる集電体の材質および形状は特に限定されず、各種二次電池にあったものを適宜選択することができる。集電体の材質としては、アルミニウム、銅、ニッケル、チタン、またはステンレス等の導電性金属または合金が挙げられる。また、形状としては、一般的には平面状の箔が用いられるが、表面を粗面化した集電体、穴あき箔状の集電体、メッシュ状の集電体も使用できる。集電体の厚みは、0.5~30μm程度が好ましい。
【0086】
集電体上に導電材分散体または二次電池電極用組成物を塗工する方法としては、特に制限はなく公知の方法を用いることができる。具体的には、ダイコーティング法、ディップコーティング法、ロールコーティング法、ドクターコーティング法、ナイフコーティング法、スプレーコティング法、グラビアコーティング法、スクリーン印刷法または静電塗装法等を挙げることができる。乾燥方法としては、放置乾燥、または、送風乾燥機、温風乾燥機、赤外線加熱機、遠赤外線加熱機等を用いる乾燥を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。
【0087】
塗工後に、平版プレス、カレンダーロール等により圧延処理を行ってもよい。形成された膜の厚みは、例えば、1μm以上500μm以下であり、好ましくは10μm以上300μm以下である。
【0088】
導電材分散体または二次電池電極用組成物を用いて形成された膜は、電極合材層と集電体との密着性向上、または、電極膜の導電性を向上させるために、電極合材層の下地層として用いることも可能である。
【0089】
<二次電池>
二次電池は、正極と、負極と、電解質とを含み、正極及び負極からなる群から選択される少なくとも1つが、前記電極膜を含む。
【0090】
電解質としては、イオンが移動可能な従来公知の様々なものを使用することができる。例えば、LiBF、LiClO、LiPF、LiAsF、LiSbF、LiCFSO、Li(CFSON、LiCSO、Li(CFSOC、LiI、LiBr、LiCl、LiAlCl、LiHF、LiSCN、又はLiBPh(ただし、Phはフェニル基である)等リチウム塩を含むものが挙げられるが、これらに限定されない。電解質は非水系の溶媒に溶解して、電解液として使用することが好ましい。
【0091】
非水系の溶媒としては、特に限定はされないが、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、及びジ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、γ-バレロラクトン、及びγ-オクタノイックラクトン等のラクトン類;テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、1,3-ジオキソラン、4-メチル-1,3-ジオキソラン、1,2-メトキシエタン、1,2-エトキシエタン、及び1,2-ジブトキシエタン等のグライム類;メチルフォルメート、メチルアセテート、及びメチルプロピオネート等のエステル類;ジメチルスルホキシド、及びスルホラン等のスルホキシド類;並びに、アセトニトリル等のニトリル類等が挙げられる。これらの溶媒は、それぞれ単独で使用してもよいが、2種以上を混合して使用してもよい。
【0092】
非水電解質二次電池は、セパレーターを含むことが好ましい。セパレーターとしては、例えば、ポリエチレン不織布、ポリプロピレン不織布、ポリアミド不織布及びこれらに親水性処理を施した不織布が挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【0093】
本実施形態の非水電解質二次電池の構造は特に限定されないが、通常、正極及び負極と、必要に応じて設けられるセパレーターとを備え、ペーパー型、円筒型、ボタン型、積層型等、使用する目的に応じた種々の形状とすることができる。
【0094】
<導電性塗料>
本実施形態の導電性塗料とは、上記導電材分散体にさらに、少なくとも塗料用バインダーを含むものである。
【0095】
塗料用バインダーとしては、通常、塗料のバインダー樹脂として用いられるものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、縮合系合成樹脂、付加系合成樹脂、天然高分子化合物、などが挙げられる。前記縮合系合成樹脂としては、例えば、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエーテル樹脂、珪素樹脂などが挙げられる。前記付加系合成樹脂としては、例えば、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、ポリビニルエステル系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、不飽和カルボン酸系樹脂などが挙げられる。
前記天然高分子化合物としては、例えば、セルロース類、ロジン類、天然ゴムなどが挙げられる。
前記樹脂は、ホモポリマーとして使用されてもよく、また、コポリマーとして使用して複合系樹脂として用いてもよく、単相構造型、コアシェル型、及びパワーフィード型エマルジョンのいずれのものも使用できる。
【0096】
塗料用バインダーとしては、樹脂自身が親水基を持ち自己分散性を持つもの、樹脂自身は分散性を持たず界面活性剤や親水基を持つ樹脂にて分散性を付与したものが使用できる。これらの中でも、ポリエステル樹脂やポリウレタン樹脂のアイオノマーや不飽和単量体の乳化及び懸濁重合によって得られた樹脂粒子のエマルジョンが好適である。不飽和単量体の乳化重合の場合には、不飽和単量体、重合開始剤、及び界面活性剤、連鎖移動剤、キレート剤、pH調整剤などを添加した水にて反応を行い樹脂エマルジョンを得るため、容易に塗料用バインダーを得ることができ、樹脂構成を容易に替えやすいため目的の性質を作りやすい。
【0097】
前記不飽和単量体としては、例えば、不飽和カルボン酸類、(メタ)アクリル酸エステル単量体類、(メタ)アクリル酸アミド単量体類、芳香族ビニル単量体類、ビニルシアノ化合物単量体類、ビニル単量体類、アリル化合物単量体類、オレフィン単量体類、ジエン単量体類、不飽和炭素を持つオリゴマー類などを単独及び複数組み合わせて用いることができる。これらの単量体を組み合わせることで柔軟に性質を改質することが可能であり、オリゴマー型重合開始剤を用いて重合反応、グラフト反応を行うことで樹脂の特性を改質することもできる。
【0098】
前記不飽和カルボン酸類としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、フマル酸、マレイン酸等が挙げられる。
前記単官能の(メタ)アクリル酸エステル類としては、例えば、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、n-ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレート、n-アミルメタクリレート、イソアミルメタクリレート、n-ヘキシルメタクリレート、2-エチルヘキシルメタクリレート、オクチルメタクリレート、デシルメタクリレート、ドデシルメタクリレート、オクタデシルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、フェニルメタクリレート、ベンジルメタクリレート、グリシジルメタクリレート、2-ヒドロキシエチルメタクリレート、2-ヒドロキシプロピルメタクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート、メタクリロキシエチルトリメチルアンモニウム塩、3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、メチルアクリレート、エチルアクリレート、イソプロピルアクリレート、n-ブチルアクリレート、イソブチルアクリレート、n-アミルアクリレート、イソアミルアクリレート、n-へキシルアクリレート、2-エチルへキシルアクリレート、オクチルアクリレート、デシルアクリレート、ドデシルアクリレート、オクタデシルアクリレート、シクロへキシルアクリレート、フェニルアクリレート、ベンジルアクリレート、グリシジルアクリレート、2-ヒドロキシエチルアクリレート、2-ヒドロキシプロピルアクリレート、ジメチルアミノエチルアクリレート、アクリロキシエチルトリメチルアンモニウム塩、などが挙げられる。
【0099】
前記多官能の(メタ)アクリル酸エステル類としては、例えば、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、1,3-ブチレングリコールジメタクリレート、1,4-ブチレングリコールジメタクリレート、1,6-ヘキサンジオールジメタクリレート、ネオペンチルグリコールジメタクリレート、ジプロピレングリコールジメタクリレート、ポリプロピレングリコールジメタクリレート、ポリブチレングリコールジメタクリレート、2,2'-ビス(4-メタクリロキシジエトキシフェニル)
プロパン、トリメチロールプロパントリメタクリレート、トリメチロールエタントリメタクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、1,3-ブチレングリコールジアクリレート、1,4-ブチレングリコールジアクリレート、1,6-ヘキサンジオールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、1,9-ノナンジオールジアクリレート、ポリプロピレングリコールジアクリレート、2,2'-ビス(4-アクリロキシプロピロキシフェニル)プロパン、2,2'-ビス(4-アクリロキシジエトキシフェニル)プロパントリメチロールプロパントリアクリレート、トリメチロールエタントリアクリレート、テトラメチロールメタントリアクリレート、ジトリメチロールテトラアクリレート、テトラメチロールメタンテトラアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート、などが挙げられる。
【0100】
前記(メタ)アクリル酸アミド単量体類としては、例えば、アクリルアミド、メタクリルアミド、N,N-ジメチルアクリルアミド、メチレンビスアクリルアミド、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸等が挙げられる。
前記芳香族ビニル単量体類としては、例えば、スチレン、α-メチルスチレン、ビニルトルエン、4-t-ブチルスチレン、クロルスチレン、ビニルアニソール、ビニルナフタレン、ジビニルベンゼン等が挙げられる。
【0101】
前記ビニルシアノ化合物単量体類としては、例えば、アクリロニトリル、メタクリロニトリル等が挙げられる。
前記アリル化合物単量体類としては、例えば、アリルスルホン酸又はその塩、アリルアミン、アリルクロライド、ジアリルアミン、ジアリルジメチルアンモニウム塩等が挙げられる。
前記オレフィン単量体類としては、例えば、エチレン、プロピレン等が挙げられる。
前記ジエン単量体類としては、例えば、ブタジエン、クロロプレン等が挙げられる。
前記ビニル単量体類としては、例えば、酢酸ビニル、塩化ビニリデン、塩化ビニル、ビニルエーテル、ビニルケトン、ビニルピロリドン、ビニルスルホン酸又はその塩、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン等が挙げられる。
【0102】
前記不飽和炭素を持つオリゴマー類としては、例えば、メタクリロイル基を持つスチレンオリゴマー、メタクリロイル基を持つスチレン-アクリロニトリルオリゴマー、メタクリロイル基を持つメチルメタクリレートオリゴマー、メタクリロイル基を持つジメチルシロキサンオリゴマー、アクリロイル基を持つポリエステルオリゴマー等が挙げられる。
【0103】
このような塗料用バインダーの具体例として、ウレタン樹脂としては、第一工業製薬(株)製:スーパーフレックス110、スーパーフレックス150、スーパーフレックス210、スーパーフレックス300、スーパーフレックス420、スーパーフレックス460、スーパーフレックス470、スーパーフレックス500M、スーパーフレックス620、スーパーフレックス650、スーパーフレックス740、スーパーフレックス820、スーパーフレックス840、F-8082D、F-2951D、住化バイエルウレタン(株)製:バイヒドロールUH2606、バイヒドロールUH650、バイヒドロールUHXP2648、バイヒドロールUHXP2650、インプラニールDLC-F、インプラニールDLN、インプラニールDLP-R、インプラニールDLS、インプラニールDLU、インプラニールXP2611、インプラニールLPRSC1380、インプラニールLPRSC1537、インプラニールLPRSC1554、インプラニールLPRSC3040、インプラニールLPDSB1069、大日本インキ化学工業(株)製:ハイドランHW-301、HW-310、HW-311、HW-312B、HW-333、HW-340、HW-350、HW-375、HW-920、HW-930、HW-940、HW-950、HW-970、AP-10、AP-20、ECOS3000、三洋化成工業(株)製:ユーコートUWS-145、パーマリンUA-150、パーマリンUA-200、パーマリンUA-300、パーマリンUA-310、ユーコートUX-320、パーマリンUA-368、パーマリンUA-385、ユーコートUX-2510、日華化学(株)製:ネオステッカー100C、エバファノールHA-107C、エバファノールHA-50C、エバファノールHA-170、エバファノールHA-560、(株)ADEKA製:アデカボンタイターUHX-210、アデカボンタイターUHX-280等が挙げられる。ポリオレフィン樹脂として、三菱化学(株)製:APTPLOKシリーズ BW-5550、東洋紡(株)製:HARDLENシリーズ EH-801、EW-5303,EW-5504、EW-5515、EW-8511、EZ-1000、EZ-2000、日本製紙(株)製:スーパークロンシリーズ E-480T、E-415、E-412T、S-6375、S-6377等が挙げられる。アルキッド樹脂として、大日本インキ社製ウォーターゾルシリーズのS118、S126、S346や、日本触媒社製アロロンシリーズの376、580や、日本触媒社製アクリセットシリーズのARL581、ARL580などが挙げられる。
【0104】
本発明の塗料は、塗料用バインダーの官能基と反応しうる架橋剤としての役割を持つメラミン樹脂、尿素樹脂、ポリイソシアネート化合物、ブロックポリイソシアネ-ト化合物、エポキシ化合物又は樹脂、カルボキシル基含有化合物又は樹脂、酸無水物、アルコキシシラン基含有化合物又は樹脂等を用いることができる。架橋性官能基を含有する樹脂と架橋剤としての役割を持つ樹脂は併用することが望ましく、中でも、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂及び尿素樹脂から選ばれる1種を用いることが好ましく、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、アルキド樹脂及びメラミン樹脂から選ばれる1種を用いることがより好ましく、アクリル樹脂とメラミン樹脂とを併用することがより好ましい。
【0105】
メラミン樹脂は、熱硬化性を有し硬化剤として作用することから、特に好ましく用いられる。アクリル樹脂は、当業者によってよく知られた重合性不飽和二重結合を有するモノマーを常法によって重合することにより得られるものが好ましい。上記重合性不飽和二重結合を有するモノマーとしては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、イソクロトン酸、エタクリル酸、プロピルアクリル酸、イソプロピルアクリル酸、イタコン酸、無水マレイン酸及びフマル酸等のカルボン酸基含有モノマー、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、4-ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、ε-カプロラクトン変性アクリルモノマー等の水酸基含有モノマー、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸プロピル、(メタ)アクリル酸n-ブチル、(メタ)アクリル酸イソブチル、(メタ)アクリル酸t-ブチル、(メタ)アクリル酸ヘキシル、(メタ)アクリル酸2-エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸オクチル、(メタ)アクリル酸ノニル、(メタ)アクリル酸デシル、(メタ)アクリル酸ドデシル、(メタ)アクリル酸ステアリル等の(メタ)アクリル酸エステルモノマー、スチレン、α-メチルスチレン、α-メチルスチレンダイマー、ビニルトルエン、ジビニルベンゼン等のスチレン系モノマー等を挙げることができる。また、重合には、当業者によってよく知られたラジカル重合開始剤等を用いることが好ましい。
【0106】
メラミン樹脂の具体例としては、例えばサイメル300、303、325、327、350、370(三井サイテック(株)社製)、ニカラックMS15、MS17、MX430、MX650(三和ケミカル(株)社製)、スミマールM-55(住友化学(株)社製)、レジミン740、741(モンサント社製)などのメチルエーテル化メラミン樹脂;サイメル202、235、同238、254、272、1130(三井サイテック(株)社製)、ニカラックMX485、MX487(三和ケミカル(株)社製)、レジミン755(モンサント社製)などのメチルエーテル・ブチルエーテル混合エーテル化メラミン樹脂を挙げることができる。これらのメラミン樹脂は1種で又は2種以上の混合物として使用することができる。
【0107】
本発明の導電性塗料には、さらに必要に応じて、水あるいは有機溶媒、レオロジーコントロール剤、顔料分散剤、沈降防止剤、硬化触媒、消泡剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、表面調整剤、防腐剤等の各種添加剤、体質顔料などを適宜配合することができる。
【0108】
導電性塗料中の導電材の含有量は、塗料の全固形分中の質量を基準として、0.005質量%以上であることが好ましく、0.01質量%であることが好ましく、0.02質量%以上であることがより好ましい。また、0.20質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以下であることがより好ましい。
【0109】
本発明の導電性塗料は、前述の成分を混合分散することによって調製することができる。また、予め上記樹脂成分及び水と混合して導電材分散体を調製し、該導電材分散体を前述の成分と混合し導電性塗料に配合せしめることができる。
【0110】
<導電性塗膜>
本発明の導電性塗膜は、前記導電性塗料を基材に対して塗工、乾燥して得られる。特に限定されず様々な基材に塗工できる、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム等及びその表面処理物等の金属基材;セメント類、石灰類、石膏類等のセメント系基材;ポリ塩化ビニル類、ポリエステル類、ポリカーボネート類、アクリル類等のプラスチック系基材等を挙げることができる。また、これらの各種基材からなる、建材、建築物、構造物等の建築・建材分野の各種被塗物等を挙げることができる。
【0111】
導電性塗料の塗布方法としては、特に限定されず、例えば、刷毛塗り、ローラー塗装、スプレー塗装等を挙げることができる。塗装後、通常、常温乾燥又は加熱乾燥させることにより塗膜を得ることができる。なお、塗布量;下塗り、中塗り、上塗り等の塗装順;塗装膜厚;乾燥時間等は、導電性塗料の種類や適用する基材に応じて任意に設定することができる。
【実施例
【0112】
以下に実施例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。実施例中、「カーボンナノチューブ」を「CNT」と略記することがある。なお、特に断らない限り、「部」は「質量部」、「%」は「質量%」を表す。
【0113】
(分散剤の酸価の測定方法)
分散剤の酸価は、分散剤/NMP溶液の滴定から算出した。分散剤1gをビーカー(100ml)に採取し、NMPを30ml加えてスターラーで撹拌して溶解させた。さらにイオン交換水20mlで希釈して被滴定液とした。被滴定液を別途電位差自動滴定装置(AT-710S、京都電子工業製)を用いて0.1mol/lのKOH/エタノール溶液にて滴定し、等電点における滴定量から分散剤の酸価(mgKOH/g)を算出した。
【0114】
(重量平均分子量(Mw)の測定方法)
合成した分散剤の重量平均分子量(Mw)は、RI検出器を装備したゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定した。
装置は、HLC-8320GPC(東ソー製)を用い、分離カラムを3本直列に繋ぎ、充填剤には順に東ソー製「TSK-GELSUPER AW-4000」、「AW-3000」、及び「AW-2500」を用い、オーブン温度40℃、溶離液として30mMトリエチルアミン及び10mM LiBrのN,N-ジメチルホルムアミド溶液を用い、流速0.6ml/minで測定した。サンプルは上記溶離液からなる溶剤に1wt%の濃度で調製し、20マイクロリットル注入した。分子量はポリスチレン換算値である。
【0115】
(導電材の比表面積測定方法)
導電材を電子天秤(sartorius社製、MSA225S100DI)を用いて、0.03g計量した後、110℃で15分間、脱気しながら乾燥させた。その後、全自動比表面積測定装置(MOUNTECH社製、HM-model1208)を用いて、導電材の比表面積(m/g)を測定した。
【0116】
(導電材分散体の分散粒度の測定方法)
分散粒度は、溝の最大深さ300μmのグラインドゲージを用い、JIS K5600-2-5に準ずる判定方法により求めた。
【0117】
(導電材分散体のメジアン径の粒度測定方法)
導電材分散体の粒度分布は、レーザー回折式粒度分布(マイクロトラック・ベル社製「マイクロトラック MT3000II」)により、50%粒子径(メジアン径、D50)を算出した。
【0118】
<共重合体の合成>
(合成例1)
(共重合体1の合成)
ガス導入管、温度計、コンデンサー、攪拌機を備えた反応容器に、メチルエチルケトン100部、アクリロニトリル90.0部、アクリル酸10.0部、3-メルカプト-1,2-プロパンジオール0.5部を仕込み、窒素ガスで置換した。反応容器内を70℃に加熱してメチルエチルケトン10部、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)(富士フイルム和光純薬製:V-65)0.4部からなる混合物を6時間かけて反応容器内に滴下し、重合反応を行った。滴下終了後、70℃で1時間反応させた後、V-65を0.1部添加し、さらに70℃で1時間反応を続け目的物を沈殿物として得た。その後、不揮発分測定にて転化率が98%を超えたことを確認した。生成物を減圧濾過によって濾別し、酢酸エチル100部にて洗浄を行い、減圧乾燥によって溶媒を完全に除去して共重合体(A-1)を得た。共重合体(A-1)の重量平均分子量(Mw)は52,000であった。また、酸価は78mgKOH/gであった。
【0119】
(合成例2~23)
(共重合体2~23の合成)
使用するモノマー、連鎖移動剤を表1に従って変更した以外は、合成例1と同様にして、それぞれ共重合体2~23の製造を作製した。各分散剤の重量平均分子量(Mw)は表1に示す通りであった。なお、共重合体の合成は、連鎖移動剤の添加、重合開始剤量の調整、および反応条件等を適宜変更してMwを調製した。
【0120】
【表1】
【0121】
AA:アクリル酸
IA:イタコン酸
SAMA:2-メタクリロイルオキシエチルサクシネート
β-CEA:β-カルボキシエチルアクリレート
a-1:無水マレイン酸のイソプロピルアルコール付加体(下記式(1))
a-2:2-アクリロイルオキシエチルサクシネート
a-3:ヒドロキシエチルアクリレートのオクテニルコハク酸無水物付加体(下記式(2))
HEA:ヒドロキシエチルアクリレート
DMAEA:ジメチルアミノエチルアクリレート
BA:ブチルアクリレート
2EHA:2-エチルヘキシルアクリレート
【0122】
【化1】
【0123】
【化2】
【0124】
<実施例α:二次電池への適用>
【0125】
(導電材分散体の作製)
(実施例1α-1)
表2に示す組成に従い、ステンレス容器にイオン交換水、共重合体、塩基、消泡剤を加えて、ディスパーで均一になるまで撹拌した。その後、導電材をディスパーで撹拌しながら添加し、ハイシアミキサー(L5M-A、SILVERSON製)に角穴ハイシアスクリーンを装着し、8600rpmの速度で全体が均一になり、グラインドゲージにて分散粒度が250μm以下になるまで分散した。さらに、高圧ホモジナイザー(スターバーストラボHJP-17007、スギノマシン製)により分散処理を行った。分散処理はシングルノズルチャンバーを使用し、ノズル径0.25mm、圧力100MPaにて、20パス処理を行い、分散体を得た。分散体のメジアン径を測定し、100μm以下であることを確認した。得られた分散体に、10質量%の酢酸水溶液と水とを適宜加え撹拌し、pH9.5、導電材含有率0.25%の導電材分散体(分散体1α)を得た。表2に示す通り、分散体1αは低粘度かつ貯蔵安定性が良好だった。
【0126】
(実施例1α-2~1α-30、比較例1α-1~1α-6)
表2に示す組成に従い、実施例1α-1と同様にして、各分散体(分散体2α~30α、比較分散体1α~6α)を得た。ただし、メジアン径が100μm以上である場合、追加で2パス分散処理を行い、再度測定し、メジアン径が100μm以下になるまで繰り返した。得られた分散体に、10質量%の酢酸水溶液と水とを適宜加え撹拌し、pH9.5、導電材含有率0.25%の導電材分散体を得た。ただし、得られた分散体が9.5以下の場合は、水のみで希釈を行った。表2に示す通り、本発明の導電材分散体(分散体2α~30α)はいずれも低粘度かつ貯蔵安定性が良好であった。
【0127】
(導電材分散体の粘度測定方法)
粘度の測定は、B型粘度計(東機産業製「BL」)を用いて、分散体温度25℃にて、分散体をヘラで充分に撹拌した後、B型粘度計ローター回転速度60rpmにて直ちに行った。測定に使用したローターは、粘度が100mPa・s未満の場合はNo.1を、100以上500mPa・s未満の場合はNo.2を、500以上2,000mPa・s未満の場合はNo.3を、2,000以上10,000mPa・s未満の場合はNo.4のものをそれぞれ用いた。低粘度であるほど分散性が良好であり、高粘度であるほど分散性が不良である。得られた分散体が明らかに分離や沈降しているものは分散性不良とした。
判定基準
◎:500mPa・s未満(優良)
○:500mPa・s以上2,000mPa・s未満(良)
△:2,000mPa・s以上10,000mPa・s未満(可)
×:10,000mPa・s以上、沈降または分離(不良)
【0128】
(導電材分散体の安定性評価方法)
貯蔵安定性の評価は、分散体を50℃にて7日間静置して保存した後の粘度を測定した。測定方法は初期粘度と同様の方法で測定した。
判定基準
◎:初期同等(優良)
○:粘度がやや変化した(良)
△:粘度は上昇しているがゲル化はしていない(可)
×:ゲル化している(不良)
【0129】
【表2】
【0130】
なお、表2に示した略号は以下を意味する。
<導電材>
・TUBALL(80%):OCSiAl社製、シングルウォールカーボンナノチューブ、平均外径:1.5nm、炭素成分80%、比表面積490m/g
・TUBALL(93%):OCSiAl社製、シングルウォールカーボンナノチューブ、平均外径:1.5nm、炭素成分93%、比表面積850m/g
・6A:JENOTUBE6A(JEIO社製、マルチウォールカーボンナノチューブ、外径5~7nm、比表面積700m/g)
・100T:K-Nanos 100T(Kumho Petrochemical製、マルチウォールカーボンナノチューブ、外径10~15nm、比表面積240m/g)
<塩基>
・LiOH:水酸化リチウム(キシダ化学社製、pKb=-0.36、溶解度22g/100ml)
・TEA-OH:水酸化テトラエチルアンモニウム10%水溶液(東京化成工業社製、pKb=0.10、溶解度10g/100g以上)
・KOH:水酸化カリウム(キシダ化学社製、pKb=0.50、溶解度110g/100ml)
・DPA:ジプロピルアミン(富士フィルム和光純薬社製、pKb=3.09、溶解度3.5g/100ml)
・NH:アンモニア25%水溶液(富士フィルム和光純薬社製、pKb=4.70、溶解度89.9g/100ml)
・Ca(OH):水酸化カルシウム(富士フィルム和光純薬社製、pKb=1.40、溶解度0.17g/100ml)
・TEA:トリエタノールアミン(東京化成工業、pKb=6.2、溶解度10g/100ml以上)
【0131】
(負極合材組成物および負極の作製)
(実施例2α-1)
容量150cmのプラスチック容器に分散体(分散体1α)と、CMCと、水とを加えた後、自転・公転ミキサー(シンキー製 あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2,000rpmで30秒間撹拌した。その後、活物質として人造黒鉛およびシリコンを添加し、前記の自転・公転ミキサーを用いて、2,000rpmで150秒間撹拌した。さらにその後、SBRを加えて、前記の自転・公転ミキサーを用いて、2,000rpmで30秒間撹拌し、負極合材組成物を得た。負極合材組成物の不揮発分は48質量%である。負極合材組成物中の人造黒鉛:シリコン:CNT:CMC:SBRの不揮発分比率は87:10:0.5:1:1.5とした。
【0132】
得られた負極合材組成物を、アプリケーターを用いて、厚さ20μmの銅箔上に塗工して後、電気オーブン中で120℃±5℃で25分間、塗膜を乾燥させて電極膜を作製した。その後、電極膜をロールプレス(サンクメタル製、3t油圧式ロールプレス)による圧延処理を行って、負極(負極1)を得た。なお、合材層の単位当たりの目付量は10mg/cmであり、圧延処理後の合材層の密度は1.6g/ccであった。
【0133】
・人造黒鉛:CGB-20(日本黒鉛工業製)、不揮発分100%
・シリコン:一酸化珪素(大阪チタニウムテクノロジー製、SILICON MONOOXIDE SiO 1.3C 5μm)、不揮発分100%
・CMC:カルボキシメチルセルロース#1190(ダイセルファインケム製)、不揮発分100%
・SBR:スチレンブタジエンゴムTRD2001(JSR製)、不揮発分48%
【0134】
(実施例2α-2~2α-30、比較例2α-1~2α-6)
各分散体(分散体2α~30α)を用いて、実施例2α-1と同様の方法により、負極2~30、比較負極1~6を得た。
【0135】
(負極の導電性評価方法)
得られた負極を、三菱化学アナリテック製:ロレスターGP、MCP-T610を用いて合材層の表面抵抗率(Ω/□)を測定した。測定後、合材層の厚みを乗算し、負極の体積抵抗率(Ω・cm)とした。合材層の厚みは、膜厚計(NIKON製、DIGIMICRO MH-15M)を用いて、電極中の3点を測定した平均値から、銅箔の膜厚を減算し、負極の体積抵抗率(Ω・cm)とした。
判定基準
◎:0.3Ω・cm未満(優良)
○:0.3Ω・cm以上0.5Ω・cm未満(良)
×:0.5Ω・cm以上(不良)
【0136】
(負極の密着性評価方法)
得られた負極を、塗工方向を長軸として90mm×20mmの長方形に2本カットした。剥離強度の測定には卓上型引張試験機(東洋精機製作所製、ストログラフE3)を用い、180度剥離試験法により評価した。具体的には、100mm×30mmサイズの両面テープ(No.5000NS、ニトムズ製)をステンレス板上に貼り付け、作製した負極の合材層側を両面テープのもう一方の面に密着させ試験用試料とした。次いで、試験用試料を長方形の短辺が上下にくるように垂直に固定し、一定速度(50mm/分)で銅箔の末端を下方から上方に引っ張りながら剥離し、このときの応力の平均値を剥離強度とした。
判定基準
◎:0.5N/cm以上(優良)
○:0.1N/cm以上0.5N/cm未満(良)
×:0.1N/cm未満(不良)
【0137】
【表3】
【0138】
(正極用合材組成物および正極の作製)
(実施例3α-1)
容量150cmのプラスチック容器に導電材分散体(分散体1α)と、PTFE、CMCと水を加えた後、自転・公転ミキサー(シンキー製 あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2000rpmで30秒間撹拌し、その後、活物質としてLFPを添加し、自転・公転ミキサー(シンキー製 あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2000rpmで150秒間撹拌した。さらにその後、水を添加し、自転・公転ミキサー(シンキー製 あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2000rpmで30秒間撹拌して、正極用合材組成物を得た。正極用合材組成物の不揮発分は75質量%とした。正極用合材組成物中の活物質:CNT:PTFE:CMCの不揮発分比率は98.5:0.5:1とした。
【0139】
正極合材組成物を、アプリケーターを用いて、厚さ20μmのアルミ箔上に塗工した後、電気オーブン中で120℃±5℃で25分間乾燥し、電極膜を作製した。その後、電極膜をロールプレス(サンクメタル製、3t油圧式ロールプレス)による圧延処理を行い、正極(正極1)を得た。なお、合材層の単位当たりの目付量が20mg/cmであり、圧延処理後の合材層の密度は2.1g/ccであった。
【0140】
・LFP:リン酸鉄リチウム HED(商標)LFP-400(BASF製、不揮発分100%)
・PTFE:ポリテトラフルオロエチレン ポリフロン PTFE D-210C(ダイキン製、不揮発分60%)
・CMC:カルボキシメチルセルロース#1190(ダイセルファインケム製、不揮発分100%)
【0141】
(実施例3α-2~3α-30、比較例3α-1~3α-6)
各分散体(分散体2α~30α)を用いて、実施例3α-1と同様の方法により正極2~30および比較正極1~6を得た。
【0142】
(正極の導電性評価方法)
得られた正極を、銅箔の替わりにアルミ箔とした以外は負極と同様の方法で導電性評価した。
判定基準
◎:10Ω・cm未満(優良)
〇:10Ω・cm以上20Ω・cm未満(良)
×:20Ω・cm以上(不良)
【0143】
(正極の密着性評価方法)
得られた正極を、銅箔の替わりにアルミ箔とした以外は負極と同様の方法で密着性評価した。
判定基準
◎:1N/cm以上(優良)
○:0.5N/cm以上1N/cm未満(良)
×:0.5N/cm未満(不良)
【0144】
【表4】
【0145】
(標準正極の作製)
正極活物質としてLFP(BASF製、HED(商標)LFP-400、不揮発分100%)93質量部、アセチレンブラック(デンカ製、デンカブラック(登録商標)HS‐100)4質量部、PTFE:ポリテトラフルオロエチレン(ダイキン製、不揮発分60質量%)3質量部、CMCを容量150mlのプラスチック容器に加えた後、ヘラを用いて粉末が均一になるまで混合した。その後、水を20.5質量部添加し、自転・公転ミキサー(シンキー製 あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2000rpmで30秒間撹拌した。その後、プラスチック容器内の混合物をヘラを用いて、均一になるまで混合し、前記の自転・公転ミキサーを用いて、2000rpmで30秒間撹拌した。さらにその後、水を14.6質量部添加し、前記の自転・公転ミキサーを用いて、2000rpmで30秒間撹拌した。最後に、高速攪拌機を用いて、3000rpmで10分間撹拌し、標準正極用合材組成物を得た。
【0146】
上述の標準正極用合材組成物を集電体となる厚さ20μmのアルミ箔上にアプリケーターを用いて塗工した後、電気オーブン中で120℃±5℃で25分間乾燥して電極の単位面積当たりの目付量が20mg/cmとなるように調整した。さらにロールプレス(サンクメタル製、3t油圧式ロールプレス)による圧延処理を行い、合材層の密度が2.1g/cmとなる標準正極を作製した。
【0147】
(標準負極の作製)
容量150mlのプラスチック容器にアセチレンブラック(デンカ製、デンカブラック(登録商標)HS‐100)と、CMCと、水とを加えた後、自転・公転ミキサー(シンキー製 あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2000rpmで30秒間撹拌した。さらに活物質として人造黒鉛(CGB-20(日本黒鉛工業製))を添加し、自転・公転ミキサー(シンキー製 あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2000rpmで150秒間撹拌した。続いてSBR(TRD2001(JSR製))を加えて、自転・公転ミキサー(シンキー製 あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2000rpmで30秒間撹拌し、標準負極用合材組成物を得た。標準負極用合材組成物の不揮発分は48質量%とした。標準負極用合材組成物中の活物質:導電材:CMC:SBRの不揮発分比率は97:0.5:1:1.5とした。
【0148】
上述の標準負極用合材組成物を集電体となる厚さ20μmの銅箔上にアプリケーターを用いて塗工した後、電気オーブン中で80℃±5℃で25分間乾燥して電極の単位面積当たりの目付量が10mg/cmとなるように調整した。さらにロールプレス(サンクメタル製、3t油圧式ロールプレス)による圧延処理を行い、合材層の密度が1.6g/cmとなる標準負極を作製した。
【0149】
(実施例4α-1)
(二次電池の作製)
表5および表6に記載した負極および正極を使用して、各々50mm×45mm、45mm×40mmに打ち抜き、その間に挿入されるセパレーター(多孔質ポリプロプレンフィルム)をアルミ製ラミネート袋に挿入し、電気オーブン中、70℃で1時間乾燥した。その後、アルゴンガスで満たされたグローブボックス内で、電解液(エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネートを体積比1:1:1の割合で混合した混合溶媒を作製し、さらに添加剤として、ビニレンカーボネートを100質量部に対して1質量部加えた後、LiPFを1Mの濃度で溶解させた非水電解液)を2mL注入した後、アルミ製ラミネートを封口して、それぞれ負極評価用電池1~30、負極評価用比較電池1~6、正極評価用電池1~30、正極評価用比較電池1~6を作製した。
【0150】
(二次電池のレート特性評価方法)
得られた二次電池を25℃の恒温室内に設置し、充放電装置(北斗電工製、SM-8)を用いて充放電測定を行った。充電電流10mA(0.2C)にて充電終止電圧4.3Vで定電流定電圧充電(カットオフ電流1mA(0.02C))を行った後、放電電流10mA(0.2C)にて、放電終止電圧3Vで定電流放電を行った。この操作を3回繰り返した後、充電電流10mA(0.2C)にて充電終止電圧4.3Vで定電流定電圧充電(カットオフ電流(1mA0.02C))を行い、放電電流0.2Cおよび3Cで放電終止電圧3.0Vに達するまで定電流放電を行って、それぞれ放電容量を求めた。レート特性は0.2C放電容量と3C放電容量の比、以下の数式1で表すことができる。

(数式1) レート特性 = 3C放電容量/3回目の0.2C放電容量 ×100 (%)

判定基準
◎:80%以上(優良)
○:60%以上80%未満(良)
×:60%未満(不良)
【0151】
(二次電池のサイクル特性評価方法)
得られた二次電池を25℃の恒温室内に設置し、充放電装置(北斗電工製、SM-8)を用いて充放電測定を行った。充電電流25mA(0.5C)にて充電終止電圧4.3Vで定電流定電圧充電(カットオフ電流2.5mA(0.05C))を行った後、放電電流25mA(0.5C)にて、放電終止電圧3Vで定電流放電を行った。この操作を200回繰り返した。サイクル特性は25℃における3回目の0.5C放電容量と200回目の0.5C放電容量の比、以下の数式2で表すことができる。

(数式2)サイクル特性 = 3回目の0.5C放電容量/200回目の0.5C放電容量×100(%)

判定基準
◎:85%以上(優良)
○:80%以上85%未満(良)
×:80%未満(不良)
【0152】
【表5】
【0153】
【表6】

【0154】
本発明の分散体を用いた上記実施例では、比較例に比べて導電性と密着性に優れた電極、および、レート特性とサイクル特性に優れた二次電池が得られた。よって、本発明は従来の導電材分散体では実現しがたい優れた特性を有する非水電解質二次電池を提供できることが明らかとなった。
【0155】
<実施例β:導電性塗料への適用>
【0156】
(導電材分散体の作製)
(実施例1β-1)
表7に示す組成に従い、ガラス瓶にイオン交換水、共重合体、塩基、消泡剤を加えて、ディスパーで均一になるまで撹拌した。その後、導電材を加え、直径0.5mmのジルコニアビーズ200gを分散メディアとして仕込み、ペイントシェーカーにて、6時間分散処理し、分散体を得た。得られた分散体に、10質量%の酢酸水溶液と水とを適宜加え撹拌し、pH9.5、導電材含有率0.3%の導電材分散体(分散体1β)を得た。
【0157】
(実施例1β-2~1β-33、比較例1β-1~1β-6)
表7に示す組成に従い、実施例1β-1と同様にして、各分散体(分散体2β~33β、比較分散体1β~6β)を得た。ただし、得られた分散体のpHが9.5以下の場合は、水のみで希釈を行った。
【0158】
(分散工程中のpHの測定方法)
分散工程中のpH測定は、pH計を用いて、ペイントシェーカー3時間時の分散体を25℃に調整し、測定した。
【0159】
(導電材分散体の安定性評価方法)
安定性の評価は、導電材分散体の粘度変化にて評価した。粘度の測定は、B型粘度計(東機産業製「BL」)を用いて、分散体温度25℃にて、分散体をヘラで充分に撹拌した後、B型粘度計ローター回転速度60rpmにて直ちに行った。測定に使用したローターは、粘度が100mPa・s未満の場合はNo.1を、100以上500mPa・s未満の場合はNo.2を、500以上2,000mPa・s未満の場合はNo.3を、2,000以上10,000mPa・s未満の場合はNo.4のものをそれぞれ用いた。分散後から5時間以内に測定した粘度を初期粘度とし、導電材分散体を50℃にて、10日間静置して保存した後の、粘度値の変化から評価した。変化率は式(2)によって算出され、算出された結果に基づき下記基準にて評価を行った。尚、〇(良好)、△(普通)、×(不良)の3段階で評価した。また、粘度値が「>10」の場合は、計算が不可能なため、「-」(評価不可)と表記した。
変化率(%)=(50℃10日後粘度)/(初期粘度)×100・・・・・・式(2)
○:変化率が80%以上120%未満
△:変化率が50%以上80%未満または120%以上150%未満
×:変化率が50%未満または150%以上
【0160】
(導電材分散体の粒度分布)
導電材分散体の粒度分布は、レーザー回折式粒度分布(マイクロトラック・ベル社製「マイクロトラック MT3000II」)を用いて、体積粒度分布において、粒子径の細かいものからその粒子の体積割合を積算した際に50%となる粒子径を測定し、50%粒子径(D50)を得た。
【0161】
【表7】
【0162】
なお、表7に示した略号は表2と同一のものである。
【0163】
(導電性塗料および導電性塗膜の作製)
(実施例2β-1)
表8に示す組成に従い、容器に導電材分散体、塗料用バインダー、水を加えて、ディスパーで均一になるまで撹拌し、塗料1を得た。
【0164】
(実施例2β-2~37、比較例2β-1~6)
表7に示す分散体に変更した以外は、実施例2β-1と同様にして、各塗料(塗料2~37、比較塗料1~6)を得た。
【0165】
(塗料評価)
得られた塗料について、さらに、塗料をコロナ放電処理PETフィルムに膜厚が2μmになるようにバーコーターで塗工し、30分間セッティング後、60℃にて30分間乾燥させた後、140℃にて20分間焼き付けを行って、各塗料の試験塗膜を作製し、塗料とその塗膜について以下の評価を行った。その結果を表3に示した。
(相溶性)
得られた塗料をJIS K56002-5に従い、粒子の密集を確認することで、導電材分散体と、塗料用バインダーの相溶性を判断した。下記基準にて評価を行った。尚、〇(良好)、×(不良)の2段階で評価した。
○:密集20μm未満
×:密集20μm以上
(透明性)
透明性については、PETフィルムに塗工した試験塗膜を、日本電色工業社製:ヘーズメーター(300A)で全光線透過率を測定した。下記基準にて評価を行った。尚、◎(極めて良好)、〇(良好)、△(普通)、×(不良)の3段階で評価した。
◎:80%以上90%未満
〇:70%以上80%未満
△:60%以上70%未満
×:60%未満
(表面抵抗率)
導電性については、PETフィルムに塗工した試験塗膜を、三菱化学社製:ロレスターGP(CP-T610)を用いて表面抵抗率(Ω/□)を測定した。下記基準にて評価を行った。尚、◎(極めて良好)、〇(良好)、△(普通)、×(不良)の3段階で評価した。
◎:1.0×108未満
〇:1.0×108以上1.0×1010未満
△:1.0×1010以上1.0×1014未満
×:1.0×1014以上(測定不可)
【0166】
【表8】
【0167】
なお、表8に示した略号は以下を意味する。
・ウレタン:エバファノールHA-107C(日華化学社製、水系ウレタン樹脂、固形分40%)
・オレフィン:スーパークロンE-415(日本製紙社製、水系オレフィン樹脂、固形分30%)
【0168】
表7、表8に示した結果から、本発明の導電材分散体は貯蔵安定性、塗料用バインダーへの相溶性に優れ、透明性と表面抵抗率に優れていることが示された。