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JP7748595B1 - Electrode binder for lithium secondary battery, electrode binder composition, negative electrode, and lithium secondary battery - Google Patents

Electrode binder for lithium secondary battery, electrode binder composition, negative electrode, and lithium secondary battery

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Publication number
JP7748595B1
JP7748595B1 JP2025074802A JP2025074802A JP7748595B1 JP 7748595 B1 JP7748595 B1 JP 7748595B1 JP 2025074802 A JP2025074802 A JP 2025074802A JP 2025074802 A JP2025074802 A JP 2025074802A JP 7748595 B1 JP7748595 B1 JP 7748595B1
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JP
Japan
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component
polyol
electrode
mass
lithium secondary
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Application number
JP2025074802A
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Japanese (ja)
Inventor
颯一 田中
紘一 坂本
寛之 真野
明良 西川
柚里 門
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DKS Co Ltd
Original Assignee
DKS Co Ltd
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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Abstract

【課題】充放電による電極の膨張を低減することができ、充放電サイクル特性に優れる、リチウム二次電池の電極用結着剤を提供する。
【解決手段】実施形態に係るリチウム二次電池の電極用結着剤は、(A)ポリイソシアネート、(B)ポリオール(但し、(C)成分は除く。)、(C)2個以上の水酸基とカルボキシ基を有する化合物、及び、(D)鎖伸長剤、を反応させて得られるポリウレタンの水分散体を含む。(A)成分は、脂肪族ポリイソシアネート及び脂環式ポリイソシアネートからなる群から選択される少なくとも一種を含む。(B)成分は、ポリブタジエンポリオール、水添ポリブタジエンポリオール、ポリイソプレンポリオール、及び水添ポリイソプレンポリオールからなる群から選択される少なくとも一種を含む。(D)成分は芳香族ポリアミンを含む。
【選択図】なし
The present invention provides a binder for electrodes of lithium secondary batteries that can reduce electrode expansion due to charge and discharge and has excellent charge and discharge cycle characteristics.
[Solution] According to an embodiment, the electrode binder for a lithium secondary battery includes an aqueous dispersion of polyurethane obtained by reacting (A) a polyisocyanate, (B) a polyol (excluding component (C)), (C) a compound having two or more hydroxyl groups and a carboxy group, and (D) a chain extender. Component (A) includes at least one selected from the group consisting of an aliphatic polyisocyanate and an alicyclic polyisocyanate. Component (B) includes at least one selected from the group consisting of a polybutadiene polyol, a hydrogenated polybutadiene polyol, a polyisoprene polyol, and a hydrogenated polyisoprene polyol. Component (D) includes an aromatic polyamine.
[Selection diagram] None

Description

本発明の実施形態は、リチウム二次電池の電極用結着剤、電極用結着剤組成物、負極、及びリチウム二次電池に関する。 Embodiments of the present invention relate to an electrode binder for a lithium secondary battery, an electrode binder composition, a negative electrode, and a lithium secondary battery.

リチウム二次電池は、リチウムイオン二次電池とも称され、高電圧、高エネルギー密度の蓄電デバイスとして、例えば電子機器の駆動用電源に用いられている。リチウム二次電池の電極は、通常、電極活物質、導電剤、及び結着剤の混合物を集電体表面へ塗布・乾燥することにより製造される。結着剤は、電極活物質と集電体との間に接着力を付与するために用いられる。そのため、結着剤がリチウム二次電池の特性に与える影響は大きい。 Lithium secondary batteries, also known as lithium-ion secondary batteries, are high-voltage, high-energy density power storage devices used, for example, as power sources for electronic devices. Electrodes for lithium secondary batteries are typically manufactured by applying a mixture of an electrode active material, a conductive agent, and a binder to the surface of a current collector and drying the mixture. The binder is used to provide adhesion between the electrode active material and the current collector. Therefore, the binder has a significant impact on the characteristics of lithium secondary batteries.

例えば、特許文献1には、リチウム二次電池の充放電による電極の膨張を低減することができる電極用結着剤として、脂肪族及び/又は脂環式ポリイソシアネートと、水添ポリブタジエンポリオールと、活性水素基含有カルボン酸と、鎖伸長剤とを反応させて得られるポリウレタンのナトリウム塩の水分散体を含むものが開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses an electrode binder that can reduce electrode expansion due to charging and discharging of lithium secondary batteries, and that contains an aqueous dispersion of a sodium salt of polyurethane obtained by reacting an aliphatic and/or alicyclic polyisocyanate, a hydrogenated polybutadiene polyol, an active hydrogen group-containing carboxylic acid, and a chain extender.

特許第7161078号公報Patent No. 7161078

リチウム二次電池の電極用結着剤においては、上記のように電池特性に与える影響が大きく、例えば負極活物質がSiO等のケイ素系活物質を含む場合、充放電を繰り返した後の電極の膨張を低減することが求められる。更に、充放電を繰り返した後の容量保持率を高めること、すなわち充放電サイクル特性を向上することが求められる。 As mentioned above, electrode binders for lithium secondary batteries have a significant impact on battery characteristics. For example, when the negative electrode active material contains a silicon-based active material such as SiO, it is necessary to reduce electrode expansion after repeated charge and discharge. Furthermore, it is necessary to increase the capacity retention rate after repeated charge and discharge, i.e., to improve charge and discharge cycle characteristics.

本発明の実施形態は、充放電による電極の膨張を低減することができ、充放電サイクル特性に優れる、リチウム二次電池の電極用結着剤を提供することを目的とする。 An embodiment of the present invention aims to provide an electrode binder for lithium secondary batteries that can reduce electrode expansion due to charge and discharge and has excellent charge and discharge cycle characteristics.

本発明は以下に示される実施形態を含む。
[1] (A)ポリイソシアネート、(B)ポリオール(但し、(C)成分は除く。)、(C)2個以上の水酸基とカルボキシ基を有する化合物、及び、(D)鎖伸長剤、を反応させて得られ、前記(A)成分が脂肪族ポリイソシアネート及び脂環式ポリイソシアネートからなる群から選択される少なくとも一種を含み、前記(B)成分がポリブタジエンポリオール、水添ポリブタジエンポリオール、ポリイソプレンポリオール、及び水添ポリイソプレンポリオールからなる群から選択される少なくとも一種を含み、前記(D)成分が芳香族ポリアミンを含む、ポリウレタンの水分散体を含む、リチウム二次電池の電極用結着剤。
[2] 負極活物質としてケイ素系活物質を含むリチウム二次電池の負極用である、[1]に記載の電極用結着剤。
[3] (A)ポリイソシアネート、(B)ポリオール(但し、(C)成分は除く。)、(C)2個以上の水酸基とカルボキシ基を有する化合物、及び、(D)鎖伸長剤、を反応させて得られ、前記(A)成分が脂肪族ポリイソシアネート及び脂環式ポリイソシアネートからなる群から選択される少なくとも一種を含み、前記(B)成分がポリブタジエンポリオール、水添ポリブタジエンポリオール、ポリイソプレンポリオール、及び水添ポリイソプレンポリオールからなる群から選択される少なくとも一種を含み、前記(D)成分が芳香族ポリアミンを含む、ポリウレタン、導電剤、並びに、水を含む、リチウム二次電池の電極用結着剤組成物。
[4] [1]もしくは[2]に記載の電極用結着剤又は[3]に記載の電極用結着剤組成物の固形分と、ケイ素系活物質を含む負極活物質と、を含む、リチウム二次電池の負極。
[5] [4]に記載の負極を備えるリチウム二次電池。
The present invention includes the embodiments shown below.
[1] A binder for electrodes of a lithium secondary battery, comprising an aqueous dispersion of polyurethane obtained by reacting (A) a polyisocyanate, (B) a polyol (excluding component (C)), (C) a compound having two or more hydroxyl groups and a carboxy group, and (D) a chain extender, wherein the component (A) comprises at least one selected from the group consisting of an aliphatic polyisocyanate and an alicyclic polyisocyanate, the component (B) comprises at least one selected from the group consisting of a polybutadiene polyol, a hydrogenated polybutadiene polyol, a polyisoprene polyol, and a hydrogenated polyisoprene polyol, and the component (D) comprises an aromatic polyamine.
[2] The electrode binder according to [1], which is for use in the negative electrode of a lithium secondary battery containing a silicon-based active material as a negative electrode active material.
[3] A binder composition for an electrode of a lithium secondary battery, the binder composition comprising: a polyurethane obtained by reacting (A) a polyisocyanate, (B) a polyol (excluding component (C)), (C) a compound having two or more hydroxyl groups and a carboxy group, and (D) a chain extender, wherein the component (A) comprises at least one selected from the group consisting of an aliphatic polyisocyanate and an alicyclic polyisocyanate, the component (B) comprises at least one selected from the group consisting of a polybutadiene polyol, a hydrogenated polybutadiene polyol, a polyisoprene polyol, and a hydrogenated polyisoprene polyol, and the component (D) comprises an aromatic polyamine; a conductive agent; and water.
[4] A negative electrode of a lithium secondary battery, comprising the solid content of the electrode binder according to [1] or [2] or the electrode binder composition according to [3], and a negative electrode active material containing a silicon-based active material.
[5] A lithium secondary battery comprising the negative electrode according to [4].

本発明の実施形態によれば、充放電による電極の膨張を低減することができ、充放電サイクル特性に優れる、リチウム二次電池の電極用結着剤を提供することができる。 Embodiments of the present invention provide a binder for electrodes in lithium secondary batteries that can reduce electrode expansion due to charge and discharge and has excellent charge and discharge cycle characteristics.

本実施形態に係るリチウム二次電池の電極用結着剤は、(A)成分としてのポリイソシアネートと、(B)成分としてのポリオールと、(C)成分としての2個以上の水酸基とカルボキシ基を有する化合物と、(D)成分としての鎖伸長剤と、を反応させて得られる、ポリウレタンの水分散体を含む。そのため、該ポリウレタンは、(A)成分由来の構造と、(B)成分由来の構造と、(C)成分由来の構造と、(D)成分由来の構造とを含む。本実施形態に係る電極用結着剤であると、電極活物質がSiO等のケイ素系活物質を含む場合でも電極の膨張を低減することができ、充放電サイクル特性に優れる。 The electrode binder for the lithium secondary battery according to this embodiment includes an aqueous polyurethane dispersion obtained by reacting a polyisocyanate as component (A), a polyol as component (B), a compound having two or more hydroxyl groups and a carboxyl group as component (C), and a chain extender as component (D). Therefore, the polyurethane includes a structure derived from component (A), a structure derived from component (B), a structure derived from component (C), and a structure derived from component (D). The electrode binder according to this embodiment can reduce electrode expansion even when the electrode active material contains a silicon-based active material such as SiO, and exhibits excellent charge-discharge cycle characteristics.

[(A)成分]
(A)成分は、ポリイソシアネートであり、本実施形態では脂肪族ポリイソシアネート及び脂環式ポリイソシアネートからなる群から選択される少なくとも一種(以下、脂肪族/脂環式ポリイソシアネートともいう。)を含む。すなわち、(A)成分は、脂肪族ポリイソシアネートを含んでもよく、脂環式ポリイソシアネートを含んでもよく、脂肪族ポリイソシアネートと脂環式ポリイソシアネートの双方を含んでもよい。
[Component (A)]
Component (A) is a polyisocyanate, and in this embodiment, contains at least one selected from the group consisting of aliphatic polyisocyanates and alicyclic polyisocyanates (hereinafter also referred to as an aliphatic/alicyclic polyisocyanate). That is, component (A) may contain an aliphatic polyisocyanate, an alicyclic polyisocyanate, or both an aliphatic polyisocyanate and an alicyclic polyisocyanate.

脂肪族ポリイソシアネートとしては、例えば、テトラメチレンジイソシアネート、ドデカメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、2,2,4-トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、2,4,4-トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、リジンジイソシアネート、2-メチルペンタン-1,5-ジイソシアネート、3-メチルペンタン-1,5-ジイソシアネート等の脂肪族ジイソシアネート、並びにこれらの変性体及び多核体が挙げられる。これらはいずれか1種又は2種以上組み合わせて用いることができる。 Examples of aliphatic polyisocyanates include aliphatic diisocyanates such as tetramethylene diisocyanate, dodecamethylene diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, 2,2,4-trimethylhexamethylene diisocyanate, 2,4,4-trimethylhexamethylene diisocyanate, lysine diisocyanate, 2-methylpentane-1,5-diisocyanate, and 3-methylpentane-1,5-diisocyanate, as well as modified and polynuclear diisocyanates thereof. These can be used alone or in combination of two or more.

脂環式ポリイソシアネートとしては、例えば、イソホロンジイソシアネート、4,4’-メチレンビス(シクロヘキシルイソシアナート)、水添キシリレンジイソシアネート、1,4-シクロヘキサンジイソシアネート、メチルシクロヘキシレンジイソシアネート、1,3-ビス(イソシアナトメチル)シクロヘキサン等の脂環式ジイソシアネート、並びにこれらの変性体及び多核体が挙げられる。これらはいずれか1種又は2種以上組み合わせて用いることができる。 Examples of alicyclic polyisocyanates include alicyclic diisocyanates such as isophorone diisocyanate, 4,4'-methylenebis(cyclohexyl isocyanate), hydrogenated xylylene diisocyanate, 1,4-cyclohexane diisocyanate, methylcyclohexylene diisocyanate, and 1,3-bis(isocyanatomethyl)cyclohexane, as well as modified and polynuclear products thereof. These can be used alone or in combination of two or more.

(A)成分のポリイソシアネートは、脂肪族/脂環式ポリイソシアネートのみで構成されてもよいが、本実施形態の効果を損なわない限り、芳香族ポリイソシアネートを含んでもよい。(A)成分は、脂肪族/脂環式ポリイソシアネートを主成分とすることが好ましく、より好ましくは実質的に脂肪族/脂環式ポリイソシアネートのみからなることである。(A)成分中の脂肪族/脂環式ポリイソシアネートの量は、60質量%以上であることが好ましく、より好ましくは70質量%以上であり、より好ましくは80質量%以上であり、更に好ましくは90質量%以上であり、100質量%でもよい。 The polyisocyanate of component (A) may be composed solely of an aliphatic/alicyclic polyisocyanate, but may also contain an aromatic polyisocyanate as long as the effects of this embodiment are not impaired. Component (A) preferably contains an aliphatic/alicyclic polyisocyanate as the main component, and more preferably consists essentially of an aliphatic/alicyclic polyisocyanate. The amount of aliphatic/alicyclic polyisocyanate in component (A) is preferably 60% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and even more preferably 90% by mass or more, and may even be 100% by mass.

(A)成分の量は、特に限定されない。例えば、(A)成分の量は、(A)成分と(B)成分と(C)成分の合計量100質量部(但し、(C)成分の量は酸型としての量)に対して、5~45質量部でもよく、10~40質量部でもよく、15~35質量部でもよい。 The amount of component (A) is not particularly limited. For example, the amount of component (A) may be 5 to 45 parts by mass, 10 to 40 parts by mass, or 15 to 35 parts by mass relative to 100 parts by mass of the total amount of components (A), (B), and (C) (however, the amount of component (C) is the amount in acid form).

[(B)成分]
(B)成分はポリオールである。但し、(C)成分である2個以上の水酸基とカルボキシ基を有する化合物は(B)成分には含まれないものとする。
[(B) Component]
Component (B) is a polyol, provided that component (C), a compound having two or more hydroxyl groups and a carboxyl group, is not included in component (B).

本実施形態において、(B)成分は、ポリブタジエンポリオール、水添ポリブタジエンポリオール、ポリイソプレンポリオール、及び水添ポリイソプレンポリオールからなる群から選択される少なくとも一種(以下、ポリオレフィン系ポリオール(b1)という。)を含む。 In this embodiment, component (B) includes at least one polyolefin polyol (hereinafter referred to as polyolefin polyol (b1)) selected from the group consisting of polybutadiene polyol, hydrogenated polybutadiene polyol, polyisoprene polyol, and hydrogenated polyisoprene polyol.

ポリオレフィン系ポリオール(b1)としては、1分子当たり平均1.3個以上の水酸基(-OH)を有するものが好ましく用いられ、より好ましくは平均1.5~2.5個の水酸基を有するものであり、平均1.7~2.2個の水酸基を有するものでもよい。本明細書において、1分子当たりの水酸基の数(官能基数)は、下記式により算出される値である。
官能基数={(水酸基価)×(Mn)}/(56.1×1000)
The polyolefin polyol (b1) preferably has an average of 1.3 or more hydroxyl groups (—OH) per molecule, more preferably an average of 1.5 to 2.5 hydroxyl groups, and may also have an average of 1.7 to 2.2 hydroxyl groups. In this specification, the number of hydroxyl groups per molecule (number of functional groups) is a value calculated by the following formula:
Number of functional groups={(hydroxyl value)×(Mn)}/(56.1×1000)

ポリオレフィン系ポリオール(b1)の分子量は特に限定されず、例えば、数平均分子量(Mn)が600~10000でもよく、800~6000でもよく、1000~5000でもよく、1200~4000でもよい。 The molecular weight of the polyolefin polyol (b1) is not particularly limited, and for example, the number average molecular weight (Mn) may be 600 to 10,000, 800 to 6,000, 1,000 to 5,000, or 1,200 to 4,000.

本明細書において、数平均分子量(Mn)は、GPC法(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー法)により測定し、標準ポリスチレンによる検量線を用いて算出した値である。詳細には、GPCの条件として、カラム:東ソー(株)製「TSKgel Hxl」、移動相:THF(テトラヒドロフラン)、移動相流量:1.0mL/min、カラム温度:40℃、試料注入量:50μL、試料濃度:0.2質量%として測定することができる。 In this specification, the number average molecular weight (Mn) is a value measured by gel permeation chromatography (GPC) and calculated using a calibration curve based on standard polystyrene. Specifically, the GPC conditions are as follows: column: "TSKgel Hx1" manufactured by Tosoh Corporation; mobile phase: THF (tetrahydrofuran); mobile phase flow rate: 1.0 mL/min; column temperature: 40°C; sample injection volume: 50 μL; sample concentration: 0.2% by mass.

ポリオレフィン系ポリオール(b1)の水酸基価は特に限定されず、例えば10~200mgKOH/gでもよく、15~120mgKOH/gでもよく、20~100mgKOH/gでもよく、50~90mgKOH/gでもよい。本明細書において、水酸基価はJIS K1557-1:2007のA法に準じて測定される。 The hydroxyl value of polyolefin polyol (b1) is not particularly limited and may be, for example, 10 to 200 mgKOH/g, 15 to 120 mgKOH/g, 20 to 100 mgKOH/g, or 50 to 90 mgKOH/g. In this specification, the hydroxyl value is measured in accordance with Method A of JIS K1557-1:2007.

ポリブタジエンポリオールとしては、分子中に1,4-結合型、1,2-結合型又はそれらが混在したポリブタジエン構造を有し、かつその分子末端に水酸基を有するものが好ましい。水添ポリブタジエンポリオールは、該ポリブタジエンポリオールに対して水添(水素添加)した構造を持つものであり、ポリブタジエンポリオールに含まれている不飽和二重結合の一部又は全てが水添されたものである。水添ポリブタジエンポリオールの水添の度合いは特に限定されず、例えばヨウ素価が40g/100g以下でもよく、30g/100g以下でもよく、25g/100g以下でもよく、15g/100g以下でもよい。本明細書において、ヨウ素価はJIS K0070:1992に準じて測定される。 Preferred polybutadiene polyols are those having a polybutadiene structure with 1,4-bonds, 1,2-bonds, or a mixture thereof in the molecule, and having hydroxyl groups at the molecular terminals. Hydrogenated polybutadiene polyols have a structure in which the polybutadiene polyol has been hydrogenated (hydrogenated), and some or all of the unsaturated double bonds contained in the polybutadiene polyol have been hydrogenated. The degree of hydrogenation of the hydrogenated polybutadiene polyol is not particularly limited; for example, the iodine value may be 40 g/100 g or less, 30 g/100 g or less, 25 g/100 g or less, or 15 g/100 g or less. In this specification, the iodine value is measured in accordance with JIS K0070:1992.

ポリイソプレンポリオールとしては、分子中に1,4-結合型、1,2-結合型又はそれらが混在したポリイソプレン構造を有し、かつその分子末端に水酸基を有するものが好ましい。水添ポリイソプレンポリオールは、該ポリイソプレンポリオールに対して水添(水素添加)した構造を持つものであり、ポリイソプレンポリオールに含まれている不飽和二重結合の一部又は全てが水添されたものである。水添ポリイソプレンポリオールの水添の度合いは特に限定されず、例えばヨウ素価が40g/100g以下でもよく、30g/100g以下でもよく、25g/100g以下でもよく、15g/100g以下でもよい。 Preferably, the polyisoprene polyol has a polyisoprene structure with 1,4-bonds, 1,2-bonds, or a mixture thereof in the molecule, and has hydroxyl groups at the molecular terminals. Hydrogenated polyisoprene polyol has a structure obtained by hydrogenating (hydrogenating) the polyisoprene polyol, in which some or all of the unsaturated double bonds contained in the polyisoprene polyol are hydrogenated. The degree of hydrogenation of the hydrogenated polyisoprene polyol is not particularly limited; for example, the iodine value may be 40 g/100 g or less, 30 g/100 g or less, 25 g/100 g or less, or 15 g/100 g or less.

(B)成分は、ポリオレフィン系ポリオール(b1)のみで構成されてもよいが、その他のポリオールを含んでもよい。その他のポリオールとしては、例えば、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、ポリカーボネートポリオールが挙げられ、また、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリメチロールプロパン、グリセリン等の低分子の多価アルコールが挙げられる。 Component (B) may consist solely of polyolefin polyol (b1), but may also contain other polyols. Examples of other polyols include polyether polyols, polyester polyols, and polycarbonate polyols, as well as low-molecular-weight polyhydric alcohols such as ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, trimethylolpropane, and glycerin.

一実施形態において、(B)成分は、ポリオレフィン系ポリオール(b1)とともに三価アルコール(b2)を含むことが好ましい。三価アルコール(b2)は、ポリウレタンに架橋構造を導入する架橋剤として作用する。三価アルコール(b2)としては、炭素数3~8の三価アルコールが好ましく、例えば、トリメチロールプロパン、グリセリン、1,2,4-ブタントリオール、1,2,3-ブタントリオール等が挙げられる。これらはいずれか1種又は2種以上組み合わせて用いることができる。 In one embodiment, component (B) preferably contains a trihydric alcohol (b2) along with a polyolefin polyol (b1). The trihydric alcohol (b2) acts as a crosslinking agent that introduces a crosslinked structure into the polyurethane. Trihydric alcohols (b2) preferably have 3 to 8 carbon atoms, such as trimethylolpropane, glycerin, 1,2,4-butanetriol, and 1,2,3-butanetriol. These can be used alone or in combination.

(B)成分中のポリオレフィン系ポリオール(b1)の量は、特に限定されず、例えば80~100質量%でもよく、90~99.5質量%でもよく、95~99質量%でもよい。(B)成分中の他のポリオール(好ましくは三価アルコール(b2))の量は、特に限定されず、例えば0~20質量%でもよく、0.5~10質量%でもよく、1~5質量%でもよい。 The amount of polyolefin polyol (b1) in component (B) is not particularly limited and may be, for example, 80 to 100% by mass, 90 to 99.5% by mass, or 95 to 99% by mass. The amount of other polyol (preferably trihydric alcohol (b2)) in component (B) is not particularly limited and may be, for example, 0 to 20% by mass, 0.5 to 10% by mass, or 1 to 5% by mass.

(B)成分の量は、特に限定されない。例えば、(B)成分の量は、(A)成分と(B)成分と(C)成分の合計量100質量部(但し、(C)成分の量は酸型としての量)に対して、40~90質量部でもよく、50~85質量部でもよく、60~80質量部でもよい。ポリオレフィン系ポリオール(b1)の量は、特に限定されず、例えば、上記合計量100質量部に対して40~90質量部でもよく、50~85質量部でもよく、60~80質量部でもよい。一実施形態において、三価アルコール(b2)を含む場合、三価アルコール(b2)の量は、特に限定されず、上記合計量100質量部に対して0.5~5質量部でもよく、1~3質量部でもよい。 The amount of component (B) is not particularly limited. For example, the amount of component (B) may be 40 to 90 parts by mass, 50 to 85 parts by mass, or 60 to 80 parts by mass per 100 parts by mass of the total of components (A), (B), and (C) (provided that the amount of component (C) is the amount in acid form). The amount of polyolefin-based polyol (b1) is not particularly limited, and may be, for example, 40 to 90 parts by mass, 50 to 85 parts by mass, or 60 to 80 parts by mass per 100 parts by mass of the total. In one embodiment, when trihydric alcohol (b2) is contained, the amount of trihydric alcohol (b2) is not particularly limited, and may be 0.5 to 5 parts by mass or 1 to 3 parts by mass per 100 parts by mass of the total.

[(C)成分]
本実施形態では、(C)成分として、2個以上の水酸基とカルボキシ基を有する化合物(以下、化合物(C)という。)が用いられる。化合物(C)における1分子中の水酸基の数は2個又は3個であることが好ましく、より好ましくは2個である。化合物(C)における1分子中のカルボキシ基の数は1個又は2個であることが好ましく、より好ましくは1個である。
[(C) Component]
In this embodiment, a compound having two or more hydroxyl groups and a carboxy group (hereinafter referred to as compound (C)) is used as component (C). The number of hydroxyl groups in one molecule of compound (C) is preferably two or three, and more preferably two. The number of carboxy groups in one molecule of compound (C) is preferably one or two, and more preferably one.

ここで、カルボキシ基は、酸型(-COOH)だけでなく、塩型、即ちカルボン酸塩基(-COOX。X:カルボン酸と塩を形成する陽イオン)も含む概念であり、酸型と塩型が混在してもよい。カルボン酸塩基の塩としては、例えば、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩、マグネシウム塩、カルシウム塩等のアルカリ土類金属塩、アンモニウム塩、アミン塩(一級アミン塩、二級アミン塩、三級アミン塩)、第四級アンモニウム塩等が挙げられる。 The term "carboxyl group" as used herein refers not only to the acid form (-COOH) but also to the salt form, i.e., carboxylic acid salt group (-COOX, where X is a cation that forms a salt with carboxylic acid), and a mixture of the acid form and the salt form may be present. Examples of salts of carboxylic acid salts include alkali metal salts such as lithium salt, sodium salt, and potassium salt, alkaline earth metal salts such as magnesium salt and calcium salt, ammonium salt, amine salts (primary amine salt, secondary amine salt, tertiary amine salt), and quaternary ammonium salt.

化合物(C)としては、例えば、ジメチロールプロピオン酸、ジメチロールブタン酸、ジメチロール吉草酸、ジヒドロキシマレイン酸、ジヒドロキシ安息香酸、酒石酸等のヒドロキシ酸及びその誘導体、並びにそれらの塩が挙げられる。これらはいずれか1種を用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Examples of compound (C) include hydroxy acids such as dimethylolpropionic acid, dimethylolbutanoic acid, dimethylolvaleric acid, dihydroxymaleic acid, dihydroxybenzoic acid, and tartaric acid, as well as their derivatives and salts. These may be used alone or in combination of two or more.

上記カルボキシ基は、中和して塩にすることにより、最終的に得られるポリウレタンを水分散性にすることができる。カルボキシ基を中和する塩基としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の不揮発性塩基、トリメチルアミン、トリエチルアミン、ジメチルエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、トリエタノールアミン等の三級アミン類、アンモニア等の揮発性塩基等が挙げられる。中和は、ウレタン化反応前、反応中、又は反応後のいずれにおいても行うことができる。 By neutralizing the carboxyl groups to form salts, the final polyurethane can be made water-dispersible. Examples of bases that can be used to neutralize the carboxyl groups include non-volatile bases such as lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide; tertiary amines such as trimethylamine, triethylamine, dimethylethanolamine, methyldiethanolamine, and triethanolamine; and volatile bases such as ammonia. Neutralization can be carried out before, during, or after the urethane-forming reaction.

(C)成分の量(酸型としての量)は、特に限定されず、例えば、(A)成分と(B)成分と(C)成分の合計量100質量部(但し、(C)成分の量は酸型としての量)に対して、1~15質量部でもよく、2~10質量部でもよく、3~7質量部でもよい。 The amount of component (C) (amount in acid form) is not particularly limited, and may be, for example, 1 to 15 parts by mass, 2 to 10 parts by mass, or 3 to 7 parts by mass relative to 100 parts by mass of the total amount of components (A), (B), and (C) (however, the amount of component (C) in acid form).

[(D)成分]
(D)成分は、鎖伸長剤であり、本実施形態では芳香族ポリアミンを含む。鎖伸長剤として芳香族ポリアミンを用いることにより、結着性を維持ないし向上しながら、充放電による電極の膨張を低減し、充放電サイクル特性を向上することができる。
[(D) Component]
Component (D) is a chain extender, and in this embodiment, contains an aromatic polyamine. By using an aromatic polyamine as a chain extender, it is possible to reduce electrode expansion due to charge and discharge while maintaining or improving binding strength, and improve charge and discharge cycle characteristics.

芳香族ポリアミンは、1分子中に2個以上(好ましくは2~4個)のアミノ基を持つ芳香族化合物である。芳香族ポリアミンとしては、例えば、m-キシリレンジアミン、p-キシリレンジアミン、o-キシリレンジアミン、m-フェニレンジアミン、p-フェニレンジアミン、o-フェニレンジアミン、ジエチルトルエンジアミン、4,4’-ジアミノジフェニルメタン、3,4’-ジアミノジフェニルメタン、2,4’-ジアミノジフェニルメタン、4,4’-オキシジアニリン、3,4’-オキシジアニリン、2,4’-オキシジアニリン、ジアミノジメチルジフェニルメタン、4,4’-ジアミノベンゾフェノン、4,4’-メチレンビス(2-エチル-6-メチルアニリン)、4,4’-メチレンビス(2,6-ジエチルアニリン)、4,4’-メチレンビス(2-イソプロピル-6-メチルアニリン)、4,4’-メチレンビス(2-メチルアニリン)、4,4’-ジアミノビフェニル、2,2’-ジメチルベンジジン、ナフチレンジアミン、1,3,5-ベンゼントリアミン、2,4,6-トリアミノトルエン、1,3,5-トリス(4-アミノフェニル)ベンゼン、3,3’-ジアミノベンジジンなどが挙げられる。これらはいずれか1種又は2種以上組み合わせて用いることができる。 Aromatic polyamines are aromatic compounds with two or more (preferably two to four) amino groups per molecule. Examples of aromatic polyamines include m-xylylenediamine, p-xylylenediamine, o-xylylenediamine, m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, o-phenylenediamine, diethyltoluenediamine, 4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,4'-diaminodiphenylmethane, 2,4'-diaminodiphenylmethane, 4,4'-oxydianiline, 3,4'-oxydianiline, 2,4'-oxydianiline, diaminodimethyldiphenylmethane, and 4,4'-diaminobenzophenone. , 4,4'-methylenebis(2-ethyl-6-methylaniline), 4,4'-methylenebis(2,6-diethylaniline), 4,4'-methylenebis(2-isopropyl-6-methylaniline), 4,4'-methylenebis(2-methylaniline), 4,4'-diaminobiphenyl, 2,2'-dimethylbenzidine, naphthylenediamine, 1,3,5-benzenetriamine, 2,4,6-triaminotoluene, 1,3,5-tris(4-aminophenyl)benzene, 3,3'-diaminobenzidine, etc. These can be used alone or in combination of two or more.

一実施形態において、芳香族ポリアミンとしては、1分子中にアミノ基を2個有する芳香族化合物、すなわち芳香族2官能アミンが好ましい。 In one embodiment, the aromatic polyamine is preferably an aromatic compound having two amino groups in one molecule, i.e., an aromatic bifunctional amine.

(D)成分の鎖伸長剤は、芳香族ポリアミンのみで構成されてもよいが、本実施形態の効果が損なわれない限り、脂肪族ポリアミンや脂環式ポリアミンなどの他の鎖伸長剤を含んでもよい。また、乳化状態で鎖伸長させる場合、水も鎖伸長剤となり得る。すなわち、水はウレタンプレポリマーの遊離イソシアネート基と反応することでカルバミン酸を経由してアミノ基が形成され、該アミノ基に別の遊離イソシアネート基が反応することで鎖伸長がなされる。そのため、(D)成分には芳香族ポリアミンとともに水が含まれてもよい。(D)成分中の芳香族ポリアミンの量は、70質量%以上であることが好ましく、より好ましくは80質量%以上であり、より好ましくは90質量%以上であり、更に好ましくは95質量%以上である。 The chain extender of component (D) may consist solely of aromatic polyamine, but may also contain other chain extenders such as aliphatic polyamines or alicyclic polyamines, as long as the effects of this embodiment are not impaired. Furthermore, when chain extension is performed in an emulsified state, water can also serve as a chain extender. That is, water reacts with free isocyanate groups in the urethane prepolymer to form amino groups via carbamic acid, and chain extension occurs when these amino groups react with other free isocyanate groups. Therefore, component (D) may contain water in addition to aromatic polyamine. The amount of aromatic polyamine in component (D) is preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, and even more preferably 95% by mass or more.

(D)成分の量は、特に限定されない。例えば、(D)成分の量は、(A)成分と(B)成分と(C)成分の合計量100質量部(但し、(C)成分の量は酸型としての量)に対して、0.5~12質量部でもよく、1~10質量部でもよく、2~9質量部でもよい。芳香族ポリアミンの量は、上記合計量100質量部に対して、0.5~12質量部でもよく、1~10質量部でもよく、2~9質量部でもよい。 The amount of component (D) is not particularly limited. For example, the amount of component (D) may be 0.5 to 12 parts by mass, 1 to 10 parts by mass, or 2 to 9 parts by mass, relative to 100 parts by mass of the total amount of components (A), (B), and (C) (however, the amount of component (C) is the amount in acid form). The amount of aromatic polyamine may be 0.5 to 12 parts by mass, 1 to 10 parts by mass, or 2 to 9 parts by mass, relative to 100 parts by mass of the total amount.

[電極用結着剤]
本実施形態に係る電極用結着剤は、上記(A)~(D)成分を反応させてなるポリウレタンの水分散体を含む。(A)~(D)成分を反応させて得られるポリウレタンは、(C)成分に由来するカルボキシ基が塩となって水中に分散している。そのため、電極用結着剤は、水と、水中に分散したポリウレタンとを含む。
[Electrode binder]
The electrode binder according to this embodiment contains an aqueous dispersion of polyurethane obtained by reacting the above components (A) to (D). In the polyurethane obtained by reacting the components (A) to (D), the carboxyl group derived from the component (C) is converted into a salt and dispersed in water. Therefore, the electrode binder contains water and polyurethane dispersed in water.

ポリウレタンを合成するに際し、(B)成分及び(C)成分が有する水酸基(すなわち、(B)成分の水酸基と(C)成分の水酸基の合計量)に対する(A)成分が有するイソシアネート基のモル比(NCO/OH)は、特に限定されず、例えば1.10~1.60でもよく、1.15~1.50でもよく、1.16~1.30でもよい。 When synthesizing the polyurethane, the molar ratio (NCO/OH) of the isocyanate groups in component (A) to the hydroxyl groups in components (B) and (C) (i.e., the total number of hydroxyl groups in component (B) and component (C)) is not particularly limited and may be, for example, 1.10 to 1.60, 1.15 to 1.50, or 1.16 to 1.30.

ポリウレタンの酸価は、特に限定されず、例えば5~50mgKOH/gでもよく、5~45mgKOH/gでもよい。ここで、酸価は、JIS K0070-1992に準拠して、ポリウレタン水分散体の固形分1g中に含まれる遊離カルボキシル基を中和するのに要するKOH量(mg)より求めることができる。 The acid value of the polyurethane is not particularly limited and may be, for example, 5 to 50 mg KOH/g, or 5 to 45 mg KOH/g. Here, the acid value can be determined in accordance with JIS K0070-1992 from the amount (mg) of KOH required to neutralize the free carboxyl groups contained in 1 g of solids in the polyurethane aqueous dispersion.

ポリウレタンは、(A)~(D)成分のみで構成されてもよいが、本実施形態の効果を損なわない限り、他の成分を含んでもよい。 The polyurethane may be composed only of components (A) to (D), but may also contain other components as long as the effects of this embodiment are not impaired.

電極用結着剤において、ポリウレタンの濃度は特に限定されず、例えば5~50質量%でもよく、10~40質量%でもよい。 The concentration of polyurethane in the electrode binder is not particularly limited and may be, for example, 5 to 50% by mass, or 10 to 40% by mass.

ポリウレタンの水分散体の製造方法は、特に限定されず、例えば、次の方法が挙げられる。(B)成分と(C)成分に対し、(A)成分を、溶剤なしに又は活性水素基を有しない有機溶剤中で反応させて、イソシアネート末端のウレタンプレポリマーを合成する。ウレタンプレポリマーの合成後、中和剤により(C)成分のカルボキシ基の中和を行ってから、水中に分散乳化させる。その後、ウレタンプレポリマーの遊離イソシアネート基より少ない当量(例えば、イソシアネート基と鎖伸長剤のアミノ基とのモル比1:0.50~0.95)にて(D)成分を加えて、乳化ミセル中のイソシアネート基と鎖伸長剤とを界面重合反応させてウレア結合を生成させる。これにより、乳化ミセル内の架橋密度が向上し、三次元架橋構造が形成される。その後、必要に応じて有機溶剤を除去してもよく、ポリウレタンの水分散体が得られる。 The method for producing an aqueous polyurethane dispersion is not particularly limited, and examples include the following: Component (A) is reacted with components (B) and (C) without a solvent or in an organic solvent lacking active hydrogen groups to synthesize an isocyanate-terminated urethane prepolymer. After synthesis of the urethane prepolymer, the carboxy groups of component (C) are neutralized with a neutralizing agent and then dispersed and emulsified in water. Component (D) is then added in an equivalent amount less than the free isocyanate groups of the urethane prepolymer (e.g., a molar ratio of isocyanate groups to amino groups of the chain extender of 1:0.50-0.95), and the isocyanate groups in the emulsion micelles and the chain extender undergo an interfacial polymerization reaction to form urea bonds. This improves the crosslink density within the emulsion micelles and forms a three-dimensional crosslinked structure. The organic solvent can then be removed as needed, yielding an aqueous polyurethane dispersion.

上記ウレタンプレポリマーの合成で任意に用いられる有機溶剤は、イソシアネート基と不活性で、かつ、生成するウレタンプレポリマーを溶解し得る溶剤である。そのような有機溶剤としては、例えば、ジオキサン、メチルエチルケトン、アセトン、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、N-メチル-2-ピロリドン、トルエン、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートなどが挙げられる。本実施形態に係る電極用結着剤において、ポリウレタン水分散体の媒体には、水とともにこれらの有機溶剤が含まれてもよく、含まれなくてもよい。これらの有機溶剤は、最終的に除去されることが好ましい。 The organic solvent optionally used in the synthesis of the urethane prepolymer is a solvent that is inert to isocyanate groups and capable of dissolving the resulting urethane prepolymer. Examples of such organic solvents include dioxane, methyl ethyl ketone, acetone, dimethylformamide, tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrrolidone, toluene, and propylene glycol monomethyl ether acetate. In the electrode binder according to this embodiment, the medium for the polyurethane aqueous dispersion may or may not contain these organic solvents along with water. It is preferable that these organic solvents are ultimately removed.

本実施形態において、ポリウレタンの水分散体の平均粒子径は、特に限定されず、例えば、0.005~0.5μmの範囲でもよい。また、ポリウレタンの数平均分子量(Mn)は特に限定されず、例えば10,000以上でもよく、50,000以上でもよい。 In this embodiment, the average particle size of the polyurethane aqueous dispersion is not particularly limited and may be, for example, in the range of 0.005 to 0.5 μm. Furthermore, the number average molecular weight (Mn) of the polyurethane is not particularly limited and may be, for example, 10,000 or more, or 50,000 or more.

[電極用結着剤組成物]
本実施形態に係るリチウム二次電池の電極用結着剤組成物は、上記(A)~(D)成分を反応させて得られるポリウレタン、導電剤、及び、水を含む。詳細には、該電極用結着剤組成物は、上記ポリウレタンと導電剤を水に分散した状態に含むものである。電極用結着剤組成物は、例えば、上記ポリウレタンの水分散体と、導電剤の水分散体とを混合することにより調製されてもよい。
[Electrode binder composition]
The electrode binder composition for the lithium secondary battery according to this embodiment contains a polyurethane obtained by reacting the components (A) to (D), a conductive agent, and water. Specifically, the electrode binder composition contains the polyurethane and the conductive agent dispersed in water. The electrode binder composition may be prepared, for example, by mixing an aqueous dispersion of the polyurethane with an aqueous dispersion of the conductive agent.

導電剤としては、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料を使用することができる。導電剤の具体例としては、繊維状ナノカーボン、アセチレンブラックやケッチンブラック等のカーボンブラック、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛など)、人造黒鉛、カーボンウイスカー、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金等)粉末、金属繊維、導電性セラミックス材料等の導電性材料が挙げられる。これらはいずれか1種又は2種以上組み合わせて用いることができる。 The conductive agent can be any electronically conductive material that does not adversely affect battery performance. Specific examples of conductive agents include fibrous nanocarbon, carbon black such as acetylene black and ketjen black, natural graphite (scale graphite, flake graphite, earthy graphite, etc.), artificial graphite, carbon whiskers, carbon fibers, metal (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.) powder, metal fibers, conductive ceramic materials, and other conductive materials. These can be used alone or in combination of two or more.

導電剤として、好ましくは繊維状ナノカーボンを用いることである。繊維状ナノカーボンは、電極活物質がケイ素系活物質を含む場合における電極の膨張に追従することができ、充放電の繰り返し時における導電経路の破損を抑制することができる。 Fiber-shaped nanocarbon is preferably used as the conductive agent. When the electrode active material contains a silicon-based active material, the fibrous nanocarbon can accommodate the expansion of the electrode, preventing damage to the conductive path during repeated charge and discharge.

繊維状ナノカーボンは、ナノメートルオーダーの繊維径を持つ繊維状カーボンである。繊維状ナノカーボンの平均繊維長は、特に限定されず、例えば50nm~10mmであることが好ましく、より好ましくは0.5~100μmである。繊維状ナノカーボンの平均繊維径は、特に限定されず、例えば0.5~200nmであることが好ましく、より好ましくは1~100nmである。平均繊維長および平均繊維径は、原子間力顕微鏡(AFM)画像において、無作為に選択された50個の繊維状ナノカーボンの寸法を測定し、その相加平均をとることにより求めることができる。原子間力顕微鏡により測定できないmmオーダーの長さについてはマイクロスコープによる画像を用いて測定すればよい。 Fibrous nanocarbon is fibrous carbon with a fiber diameter on the order of nanometers. The average fiber length of the fibrous nanocarbon is not particularly limited, but is preferably 50 nm to 10 mm, and more preferably 0.5 to 100 μm. The average fiber diameter of the fibrous nanocarbon is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 200 nm, and more preferably 1 to 100 nm. The average fiber length and average fiber diameter can be determined by measuring the dimensions of 50 randomly selected fibrous nanocarbons in an atomic force microscope (AFM) image and taking the arithmetic mean. Lengths on the order of millimeters that cannot be measured using an atomic force microscope can be measured using a microscope image.

繊維状ナノカーボンの具体例としては、シングルウォールカーボンナノチューブ(SWCNT)、マルチウォールカーボンナノチューブ(MWCNT)、ナノカーボンファイバーなどが挙げられ、これらをいずれか1種又は2種以上組み合わせて用いることができる。これらの中でもカーボンナノチューブが好ましく、より好ましくはSWCNTである。 Specific examples of fibrous nanocarbons include single-walled carbon nanotubes (SWCNT), multi-walled carbon nanotubes (MWCNT), and nanocarbon fibers, and any one of these can be used alone or in combination of two or more. Of these, carbon nanotubes are preferred, and SWCNTs are more preferred.

一実施形態に係る結着剤組成物は、上記ポリウレタン(X)と繊維状ナノカーボン(Y)を、(X):(Y)=60:40~99.6:0.4(質量比)にて含有することが好ましい。これにより、リチウム二次電池の充放電サイクル特性の向上効果を高めることができる。 The binder composition according to one embodiment preferably contains the polyurethane (X) and the fibrous nanocarbon (Y) in a mass ratio of (X):(Y) of 60:40 to 99.6:0.4. This can enhance the effect of improving the charge/discharge cycle characteristics of lithium secondary batteries.

一実施形態に係る結着剤組成物は、導電剤として、繊維状ナノカーボンとともにカーボンブラックを含むことが好ましい。この場合、カーボンブラックは導電助剤として電極活物質の周りの導通を担い、電極の膨張に追従する繊維状ナノカーボンの導電性をより効果的に発揮させることができる。繊維状ナノカーボンとカーボンブラックの含有比は特に限定されず、例えば、繊維状ナノカーボン100質量部に対して、カーボンブラックが100~2000質量部でもよい。 The binder composition according to one embodiment preferably contains carbon black as a conductive agent together with the fibrous nanocarbon. In this case, the carbon black acts as a conductive aid, providing electrical continuity around the electrode active material, allowing the fibrous nanocarbon to more effectively demonstrate its electrical conductivity in response to the expansion of the electrode. The content ratio of the fibrous nanocarbon to the carbon black is not particularly limited; for example, the carbon black may be 100 to 2,000 parts by mass per 100 parts by mass of the fibrous nanocarbon.

導電剤は、媒体に分散させた状態で用いられることが好ましい。媒体としては、通常は水が用いられるが、アルコール、ケトン系溶媒などの極性有機溶媒、又はそれらの極性有機溶媒と水の混合溶媒を用いてもよい。導電剤を媒体に分散させる分散装置としては、例えばジェットミル、高圧分散装置、超音波ホモジナイザー等が挙げられる。 The conductive agent is preferably used in a state dispersed in a medium. Water is typically used as the medium, but polar organic solvents such as alcohols and ketone-based solvents, or mixtures of these polar organic solvents with water, may also be used. Examples of dispersing devices used to disperse the conductive agent in the medium include jet mills, high-pressure dispersing devices, and ultrasonic homogenizers.

繊維状ナノカーボンやカーボンブラックなどの導電剤を水に分散させた水分散体を調製する際には、分散剤を添加してもよい。分散剤としては、例えば、ヒドロキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、及びそのアルカリ金属塩、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロースなどのセルロース類、セルロースナノファイバー、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ソーダなどのポリカルボン酸系化合物、ポリビニルピロリドンなどのビニルピロリドン構造を有する化合物、ポリビニルアルコール、アルギン酸ソーダ、キサンタンガム、カラギーナン、グアーガム、カンテン、デンプンなどが挙げられる。これらの中でもカルボキシメチルセルロース塩が好適に使用できる。 When preparing an aqueous dispersion in which a conductive agent such as fibrous nanocarbon or carbon black is dispersed in water, a dispersant may be added. Examples of dispersants include celluloses such as hydroxymethyl cellulose, carboxymethyl cellulose, and their alkali metal salts; methyl cellulose, ethyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, and hydroxyethyl methyl cellulose; cellulose nanofiber; polycarboxylic acid compounds such as polyacrylic acid and sodium polyacrylate; compounds having a vinylpyrrolidone structure such as polyvinylpyrrolidone; polyvinyl alcohol; sodium alginate; xanthan gum; carrageenan; guar gum; agar; and starch. Among these, carboxymethyl cellulose salts are preferred.

電極用結着剤組成物において、上記ポリウレタンの濃度は特に限定されず、例えば5~50質量%でもよく、10~40質量%でもよい。導電剤の濃度も特に限定されず、例えば1~35質量%でもよく、5~30質量%でもよい。 In the electrode binder composition, the concentration of the polyurethane is not particularly limited and may be, for example, 5 to 50% by mass, or 10 to 40% by mass. The concentration of the conductive agent is also not particularly limited and may be, for example, 1 to 35% by mass, or 5 to 30% by mass.

[電極用塗工液組成物]
本実施形態に係る電極用結着剤及び電極用結着剤組成物は、リチウム二次電池の電極を製造するための電極用塗工液組成物を調製するために用いられる。電極用結着剤を用いる場合、電極用塗工液組成物(1)は、電極用結着剤と、電極活物質と、導電剤とを含む。電極用結着剤組成物を用いる場合、電極用塗工液組成物(2)は、電極用結着剤組成物と、電極活物質とを含む。
[Electrode coating liquid composition]
The electrode binder and electrode binder composition according to this embodiment are used to prepare an electrode coating liquid composition for producing an electrode for a lithium secondary battery. When an electrode binder is used, the electrode coating liquid composition (1) contains an electrode binder, an electrode active material, and a conductive agent. When an electrode binder composition is used, the electrode coating liquid composition (2) contains an electrode binder composition and an electrode active material.

これらの電極用塗工液組成物は、リチウム二次電池の負極を製造するために好ましく用いられる。そのため、電極活物質は、好ましくは負極活物質である。負極活物質としては、金属リチウム又はリチウムイオンを挿入/脱離することができるものを用いることができる。負極活物質の具体例としては、天然黒鉛、人造黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素などの炭素材料、金属リチウムや合金、スズ化合物などの金属材料、リチウム遷移金属窒化物、結晶性金属酸化物、非晶質金属酸化物、ケイ素化合物、導電性ポリマー等が挙げられる。これらはいずれか1種用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。 These electrode coating liquid compositions are preferably used to manufacture negative electrodes for lithium secondary batteries. Therefore, the electrode active material is preferably a negative electrode active material. Materials capable of inserting/extracting metallic lithium or lithium ions can be used as negative electrode active materials. Specific examples of negative electrode active materials include carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, non-graphitizable carbon, and graphitizable carbon; metallic lithium, alloys, and metal materials such as tin compounds; lithium transition metal nitrides; crystalline metal oxides; amorphous metal oxides; silicon compounds; and conductive polymers. These materials may be used alone or in combination.

これらの中でも、高容量化を図ることができることから、負極活物質は、SiO(一酸化ケイ素)、SiC(炭化ケイ素)などのケイ素系活物質を含むことが好ましい。負極活物質としては、ケイ素系活物質と黒鉛との混合物でもよいが、好ましくはケイ素系活物質のみを負極活物質として用いることであり、より好ましくはSiO及び/又はSiCを用いることである。 Among these, it is preferable that the negative electrode active material contains a silicon-based active material such as SiO (silicon monoxide) or SiC (silicon carbide), as this allows for a high capacity. The negative electrode active material may be a mixture of a silicon-based active material and graphite, but it is preferable to use only a silicon-based active material as the negative electrode active material, and more preferably to use SiO and/or SiC.

電極用塗工液組成物において、上記ポリウレタンの含有量は、特に限定されないが、電極活物質(負極活物質)の含有量に対して1~20質量%であることが好ましく、より好ましくは2~13質量%である。 In the electrode coating liquid composition, the content of the polyurethane is not particularly limited, but is preferably 1 to 20 mass% relative to the content of the electrode active material (negative electrode active material), and more preferably 2 to 13 mass%.

上記電極用塗工液組成物(1)において、導電剤は、具体例及び好ましい組成等も含めて、電極用結着剤組成物において上述したとおりであり、説明は省略する。 In the above-mentioned electrode coating liquid composition (1), the conductive agent, including specific examples and preferred compositions, is as described above in the electrode binder composition, and therefore further explanation is omitted.

電極用塗工液組成物において、導電剤の含有量は、特に限定されないが、電極活物質(負極活物質)の含有量に対して0.1~20質量%であることが好ましく、より好ましくは0.2~10質量%である。 In the electrode coating liquid composition, the content of the conductive agent is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 20 mass% relative to the content of the electrode active material (negative electrode active material), and more preferably 0.2 to 10 mass%.

電極用塗工液組成物は、当該組成物をスラリー化するための粘性調整剤として、水溶性高分子などの増粘剤を含んでもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース塩、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロースなどのセルロース類、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ソーダなどのポリカルボン酸系化合物、ポリビニルピロリドンなどのビニルピロリドン構造を有する化合物、ポリアクリルアマイド、ポリエチレンオキシド、ポリビニルアルコール、アルギン酸ソーダ、キサンタンガム、カラギーナン、グアーガム、カンテン、デンプン等が挙げられる。これらはいずれか1種又は2種以上組み合わせて用いることができる。これらの中でもカルボキシメチルセルロース塩が好ましい。 The electrode coating liquid composition may contain a thickener such as a water-soluble polymer as a viscosity adjuster to form a slurry of the composition. Examples of thickeners include celluloses such as carboxymethyl cellulose salts, methyl cellulose, ethyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, and hydroxyethyl methyl cellulose; polycarboxylic acid compounds such as polyacrylic acid and sodium polyacrylate; compounds having a vinylpyrrolidone structure such as polyvinylpyrrolidone; polyacrylamide, polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, sodium alginate, xanthan gum, carrageenan, guar gum, agar, and starch. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, carboxymethyl cellulose salts are preferred.

電極用塗工液組成物の固形分における電極活物質(負極活物質)の含有量は特に限定されず、例えば65~99質量%でもよく、75~97質量%でもよい。電極用塗工液組成物における水等の分散媒の含有量は特に限定されず、例えば20~80質量%でもよく、40~70質量%でもよい。 The content of electrode active material (negative electrode active material) in the solids of the electrode coating composition is not particularly limited and may be, for example, 65 to 99% by mass, or 75 to 97% by mass. The content of the dispersion medium, such as water, in the electrode coating composition is not particularly limited and may be, for example, 20 to 80% by mass, or 40 to 70% by mass.

電極用塗工液組成物の調製方法は特に限定されない。上記各成分を混合する際には、例えば、乳鉢、ミルミキサー、遊星型ボールミルまたはシェイカー型ボールミルなどのボールミル、メカノフュージョン等を用いることができる。 The method for preparing the electrode coating liquid composition is not particularly limited. When mixing the above components, for example, a mortar, a mill mixer, a ball mill such as a planetary ball mill or a shaker ball mill, or a mechanofusion can be used.

[リチウム二次電池の負極]
実施形態に係るリチウム二次電池の負極は、上記電極用塗工液組成物を集電体に塗布し、分散媒を蒸発させることにより製造することができる。すなわち、負極は、集電体と、該集電体上に形成された負極合材層(活物質層とも称される。)とを備え、該負極合材層が上記電極用塗工液組成物の固形物からなる。一実施形態において、電極用塗工液組成物は、上記電極用結着剤又は電極用結着剤組成物とともに、負極活物質としてSiO及び/又はSiCなどのケイ素系活物質を含む。そのため、一実施形態に係るリチウム二次電池の負極は、電極用結着剤又は電極用結着剤組成物の固形分と、SiO及び/又はSiCなどのケイ素系活物質を含む負極活物質と、を含む。
[Negative electrode of lithium secondary battery]
The negative electrode of the lithium secondary battery according to the embodiment can be produced by applying the electrode coating composition to a current collector and evaporating the dispersion medium. That is, the negative electrode comprises a current collector and a negative electrode mixture layer (also referred to as an active material layer) formed on the current collector, the negative electrode mixture layer being composed of a solid of the electrode coating composition. In one embodiment, the electrode coating composition contains a silicon-based active material such as SiO and/or SiC as a negative electrode active material, in addition to the electrode binder or electrode binder composition. Therefore, the negative electrode of the lithium secondary battery according to the embodiment comprises a solid content of the electrode binder or electrode binder composition, and a negative electrode active material containing a silicon-based active material such as SiO and/or SiC.

集電体としては、構成された電池において悪影響を及ぼさない電子伝導体を用いることができる。負極用の集電体としては、例えば、銅、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、チタン、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、Al-Cd合金等の他に、接着性、導電性、耐酸化性向上の目的で、銅等の表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀等で処理したものが挙げられる。これらの集電体材料は表面が酸化処理されてもよい。集電体の形状としては、例えば、フォイル状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされた物、ラス体、多孔質体、発泡体等の成形体が挙げられる。集電体の厚みは特に限定されないが、1~100μmのものが通常用いられる。 The current collector can be any electronic conductor that does not adversely affect the constructed battery. Examples of current collectors for the negative electrode include copper, stainless steel, nickel, aluminum, titanium, baked carbon, conductive polymers, conductive glass, and Al-Cd alloys, as well as copper or other materials whose surfaces have been treated with carbon, nickel, titanium, or silver to improve adhesion, conductivity, and oxidation resistance. The surfaces of these current collector materials may also be oxidized. Current collector shapes include, for example, foil, film, sheet, net, punched or expanded materials, lath, porous materials, foams, and other molded products. There are no particular limitations on the thickness of the current collector, but collectors of 1 to 100 μm are typically used.

負極合材層の厚みは特に限定されず、例えば15~150μmでもよい。 The thickness of the negative electrode composite layer is not particularly limited and may be, for example, 15 to 150 μm.

[リチウム二次電池]
実施形態に係るリチウム二次電池は、上記負極を備えるものである。詳細には、リチウム二次電池は、負極と、正極と、負極と正極との間に配置されたセパレータと、電解質とを備え、該負極に、上記電極用塗工液組成物を用いて作製した電極が用いられる。正極、セパレータ及び電解質については公知の構成を採用することができ、特に限定されない。
[Lithium secondary battery]
The lithium secondary battery according to the embodiment includes the negative electrode. Specifically, the lithium secondary battery includes a negative electrode, a positive electrode, a separator disposed between the negative electrode and the positive electrode, and an electrolyte, and the negative electrode is an electrode prepared using the electrode coating liquid composition. Known configurations can be adopted for the positive electrode, separator, and electrolyte, and there are no particular limitations.

実施形態に係るリチウム二次電池は、円筒型、コイン型、角型、その他任意の形状に形成することができ、電池の基本構成は形状によらず同じであり、目的に応じて設計変更して実施することができる。例えば、円筒型では、負極集電体に負極活物質を塗布してなる負極と、正極集電体に正極活物質を塗布してなる正極とを、セパレータを介して捲回した捲回体を電池缶に収納し、非水電解液を注入し上下に絶縁板を載置した状態で密封して得られる。また、コイン型リチウム二次電池に適用する場合では、円盤状負極、セパレータ、円盤状正極、及びステンレスの板が積層された状態でコイン型電池缶に収納され、非水電解液が注入され、密封される。 The lithium secondary battery according to the embodiment can be formed into any shape, including cylindrical, coin, and prismatic. The basic configuration of the battery is the same regardless of the shape, and the design can be modified to suit the purpose. For example, in the case of a cylindrical battery, a negative electrode formed by applying a negative electrode active material to a negative electrode current collector and a positive electrode formed by applying a positive electrode active material to a positive electrode current collector are wound together with a separator interposed between them, and the resulting wound body is then housed in a battery can, which is then filled with a non-aqueous electrolyte and sealed with insulating plates placed above and below. In addition, when applied to a coin-type lithium secondary battery, a disc-shaped negative electrode, a separator, a disc-shaped positive electrode, and a stainless steel plate are stacked and housed in a coin-type battery can, which is then filled with a non-aqueous electrolyte and sealed.

以下、実施例および比較例に基づいて、より詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below based on examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these.

実施例で使用したポリオール、繊維状ナノカーボン水分散体、アセチレンブラック水分散体、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩の詳細は以下のとおりである。 Details of the polyol, fibrous nanocarbon aqueous dispersion, acetylene black aqueous dispersion, and carboxymethylcellulose sodium salt used in the examples are as follows:

・水添ポリブタジエンポリオール(B1):日本曹達(株)製「NISSO-PB GI-1000」(Mn:1500、ヨウ素価11g/100g、水酸基価69mgKOH/g、官能基数:1.84) Hydrogenated polybutadiene polyol (B1): "NISSO-PB GI-1000" manufactured by Nippon Soda Co., Ltd. (Mn: 1500, iodine value: 11 g/100 g, hydroxyl value: 69 mg KOH/g, functionality: 1.84)

・水添ポリブタジエンポリオール(B2):日本曹達(株)製「NISSO-PB GI-3000」(Mn:3100、ヨウ素価12g/100g、水酸基価28mgKOH/g、官能基数:1.55) Hydrogenated polybutadiene polyol (B2): "NISSO-PB GI-3000" manufactured by Nippon Soda Co., Ltd. (Mn: 3100, iodine value: 12 g/100 g, hydroxyl value: 28 mg KOH/g, functionality: 1.55)

・ポリブタジエンポリオール(B3):日本曹達(株)製「NISSO-PB G-1000」(Mn:1400、水酸基価72mgKOH/g、官能基数:1.8) Polybutadiene polyol (B3): "NISSO-PB G-1000" manufactured by Nippon Soda Co., Ltd. (Mn: 1400, hydroxyl value: 72 mg KOH/g, functionality: 1.8)

・水添ポリブタジエンポリオール(B4):クレイバレー社製「Krasol HLBH-P3000」(Mn:3100、水酸基価34mgKOH/g、官能基数:1.9) Hydrogenated polybutadiene polyol (B4): Krasol HLBH-P3000 manufactured by Cray Valley (Mn: 3100, hydroxyl value: 34 mg KOH/g, functionality: 1.9)

・水添ポリブタジエンポリオール(B5):クレイバレー社製「Krasol HLBH-P2000」(Mn:2000、水酸基価53mgKOH/g、官能基数:1.9) Hydrogenated polybutadiene polyol (B5): Krasol HLBH-P2000 manufactured by Cray Valley (Mn: 2000, hydroxyl value: 53 mg KOH/g, functionality: 1.9)

・水添ポリイソプレンポリオール(B6):出光興産(株)製「EPOL」(Mn:2500、水酸基価52mgKOH/g、官能基数:2.3) Hydrogenated polyisoprene polyol (B6): "EPOL" manufactured by Idemitsu Kosan Co., Ltd. (Mn: 2500, hydroxyl value: 52 mg KOH/g, functionality: 2.3)

・ポリブタジエンポリオール(B7):エボニック社製「POLYVEST HT」(Mn:2900、水酸基価47mgKOH/g、官能基数:2.45) Polybutadiene polyol (B7): Evonik "POLYVEST HT" (Mn: 2900, hydroxyl value: 47 mg KOH/g, functionality: 2.45)

・ポリカーボネートポリオール:UBE(株)製「ETERNACOLL UH-300」(Mn:3000、水酸基価37mgKOH/g、官能基数:1.98) Polycarbonate polyol: UBE Corporation's "ETERNACOLL UH-300" (Mn: 3000, hydroxyl value: 37 mg KOH/g, functionality: 1.98)

・繊維状ナノカーボン水分散体:シングルウォールカーボンナノチューブ(SWCNT)としてOCSiAl社製「TUBALL BATT」(CNT純度>93%、平均径1.6±0.5nm)を用いて、下記製造手順により、繊維状ナノカーボンの濃度が1質量%である繊維状ナノカーボン水分散体を調製した。得られた水分散体について、下記測定方法により繊維状ナノカーボンの平均繊維径、平均繊維長及びアスペクト比を測定したところ、平均繊維径は3nm、平均繊維長は3000nm、アスペクト比は1000であった。 - Fibrous nanocarbon aqueous dispersion: Using OCSiAl's "TUBALL BATT" single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) (CNT purity >93%, average diameter 1.6±0.5 nm), an aqueous dispersion of fibrous nanocarbon with a fibrous nanocarbon concentration of 1% by mass was prepared according to the following manufacturing procedure. The average fiber diameter, average fiber length, and aspect ratio of the fibrous nanocarbon in the resulting aqueous dispersion were measured using the following measurement methods. The average fiber diameter was 3 nm, the average fiber length was 3,000 nm, and the aspect ratio was 1,000.

(繊維状ナノカーボン水分散体の製造手順)
SWCNT0.5gを、カルボキシメチルセルロース塩(第一工業製薬(株)製「セロゲン7A」)の1質量%水溶液50gへ、ビーカー中で混合し、攪拌した後、ビーカーと超音波ホモジナイザー(US-600T 日本精機製作所社製)と循環ユニットとチューブポンプとを用いて、スラリーを循環させながら100μAの出力で90分間分散させることにより、繊維状ナノカーボン水分散体を得た。
(Procedure for producing fibrous nanocarbon water dispersion)
0.5 g of SWCNT was mixed with 50 g of a 1 mass % aqueous solution of carboxymethyl cellulose salt (Cellogen 7A, manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.) in a beaker and stirred. After that, the slurry was circulated using the beaker, an ultrasonic homogenizer (US-600T, manufactured by Nippon Seiki Seisakusho Co., Ltd.), a circulation unit, and a tube pump while being dispersed at an output of 100 μA for 90 minutes, thereby obtaining a fibrous nanocarbon aqueous dispersion.

(繊維状ナノカーボンの測定方法)
繊維状ナノカーボンの平均繊維径、平均繊維長は、走査型プローブ顕微鏡(SPM)(日本電子社製、AFM-5300E)を用いて計測した。すなわち、繊維状ナノカーボン水分散体を、繊維状ナノカーボンの濃度が0.01質量%になるまで水で希釈した後、マイカ基板上に展開して溶媒を蒸発させた。そして、このサンプルのAFM像を観察し、先に述べた方法に従い、平均繊維径、平均繊維長を算出した。また、これらの値を用いてアスペクト比を下記の(式1)に従い算出した。
アスペクト比=平均繊維長(nm)/平均繊維径(nm)…(式1)
(Method for measuring fibrous nanocarbon)
The average fiber diameter and average fiber length of the fibrous nanocarbon were measured using a scanning probe microscope (SPM) (AFM-5300E, manufactured by JEOL Ltd.). That is, the fibrous nanocarbon aqueous dispersion was diluted with water until the concentration of the fibrous nanocarbon was 0.01% by mass, and then spread on a mica substrate to evaporate the solvent. Then, an AFM image of this sample was observed, and the average fiber diameter and average fiber length were calculated according to the method described above. Furthermore, using these values, the aspect ratio was calculated according to the following (Equation 1).
Aspect ratio = average fiber length (nm) / average fiber diameter (nm) (Equation 1)

・アセチレンブラック水分散体:アセチレンブラックとしてデンカ(株)製「Li400」を用いた。アセチレンブラック100gを、カルボキシメチルセルロース塩(第一工業製薬(株)製「セロゲン7A」)の1質量%水溶液300g中に、高速ディスパにて攪拌しながら加え、均一になるまで攪拌した。これにより、アセチレンブラックの濃度が25質量%であるアセチレンブラック水分散体を得た。 - Acetylene black aqueous dispersion: Denka Corporation's "Li400" acetylene black was used. 100 g of acetylene black was added to 300 g of a 1% by mass aqueous solution of carboxymethyl cellulose salt (Dai-ichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.'s "Cellogen 7A") while stirring with a high-speed dispenser, and the mixture was stirred until homogenous. This resulted in an acetylene black aqueous dispersion with an acetylene black concentration of 25% by mass.

・カルボキシメチルセルロースナトリウム塩:第一工業製薬(株)製「セロゲンWS-C」 Carboxymethylcellulose sodium salt: "Cellogen WS-C" manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.

[ポリウレタンの水分散体の合成]
(製造例1:結着剤1)
攪拌機、還流冷却管、温度計及び窒素吹き込み管を備えた4つ口フラスコに水添ポリブタジエンポリオール(B1)62.30質量部、トリメチロールプロパン1.80質量部、ジメチロールプロピオン酸4.20質量部、4,4’-メチレンビス(シクロヘキシルイソシアナート)31.70質量部、メチルエチルケトン115質量部を加え、75℃で4時間反応させ、不揮発分に対する遊離のイソシアネート基含有量3.39質量%であるウレタンプレポリマーのメチルエチルケトン溶液を得た。この溶液を45℃まで冷却し、水酸化ナトリウム1.20質量部と水203質量部からなる水酸化ナトリウム水溶液を徐々に加えてホモジナイザーを使用して乳化分散させた。続いて、m-キシリレンジアミン4.94質量部を水30.3質量部で希釈した水溶液を加え、1時間鎖伸長反応を行った。これを減圧、50℃での加熱下、脱溶剤を行い、不揮発分約32質量%のポリウレタンのナトリウム塩の水分散体(結着剤1)を得た。
[Synthesis of aqueous polyurethane dispersion]
(Production Example 1: Binder 1)
A four-necked flask equipped with a stirrer, reflux condenser, thermometer, and nitrogen inlet tube was charged with 62.30 parts by mass of hydrogenated polybutadiene polyol (B1), 1.80 parts by mass of trimethylolpropane, 4.20 parts by mass of dimethylolpropionic acid, 31.70 parts by mass of 4,4'-methylenebis(cyclohexyl isocyanate), and 115 parts by mass of methyl ethyl ketone. The reaction was carried out at 75 ° C. for 4 hours to obtain a methyl ethyl ketone solution of a urethane prepolymer having a free isocyanate group content of 3.39% by mass relative to the non-volatile content. This solution was cooled to 45 ° C., and an aqueous sodium hydroxide solution consisting of 1.20 parts by mass of sodium hydroxide and 203 parts by mass of water was gradually added and emulsified and dispersed using a homogenizer. Subsequently, an aqueous solution of 4.94 parts by mass of m-xylylenediamine diluted with 30.3 parts by mass of water was added, and the chain extension reaction was carried out for 1 hour. The solvent was removed from this by heating at 50° C. under reduced pressure, to obtain an aqueous dispersion of sodium salt of polyurethane (binder 1) with a nonvolatile content of about 32% by mass.

(製造例2~3:結着剤2~3)
中和剤の種類及び量を表1に示すとおりに水酸化ナトリウムから水酸化リチウム又はトリエチルアミンに代え、その他は製造例1と同様にして、ポリウレタンのリチウム塩又はトリエチルアミン塩の水分散体(結着剤2~3)を得た。
(Production Examples 2-3: Binders 2-3)
As shown in Table 1, the type and amount of the neutralizing agent were changed from sodium hydroxide to lithium hydroxide or triethylamine, and the rest was the same as in Production Example 1, to obtain aqueous dispersions of lithium salt or triethylamine salt of polyurethane (binders 2 and 3).

(製造例4~23:結着剤4~23)
ポリイソシアネート、ポリオール、及び/又は、鎖伸長剤を表1~3に示すとおりに変更し、その他は製造例1と同様にして、ポリウレタンのナトリウム塩の水分散体(結着剤4~23)を得た。
(Production Examples 4 to 23: Binders 4 to 23)
The polyisocyanate, polyol, and/or chain extender were changed as shown in Tables 1 to 3, and the other procedures were the same as in Production Example 1 to obtain aqueous dispersions of sodium salts of polyurethane (binders 4 to 23).

(比較製造例1~4:結着剤C1~C4)
ポリイソシアネート、ポリオール、及び/又は、鎖伸長剤を表4に示すとおりに変更し、その他は製造例1と同様にして、ポリウレタンのナトリウム塩の水分散体(結着剤C1~C4)を得た。
(Comparative Production Examples 1 to 4: Binders C1 to C4)
Aqueous dispersions of sodium salts of polyurethane (binders C1 to C4) were obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the polyisocyanate, polyol, and/or chain extender were changed as shown in Table 4.

得られた結着剤1~23,結着剤C1~4について、ポリウレタンの構成成分を表1~4に示す。なお、表中の「水添MDI」は4,4’-メチレンビス(シクロヘキシルイソシアナート)を表し、「HDI」はヘキサメチレンジイソシアネートを表し、「IPDI」はイソホロンジイソシアネートを表し、「1,3-H6XDI」は1,3-ビス(イソシアナトメチル)シクロヘキサンを表す。 The polyurethane components for the resulting binders 1-23 and binders C1-4 are shown in Tables 1-4. In the tables, "hydrogenated MDI" represents 4,4'-methylenebis(cyclohexyl isocyanate), "HDI" represents hexamethylene diisocyanate, "IPDI" represents isophorone diisocyanate, and "1,3-H6XDI" represents 1,3-bis(isocyanatomethyl)cyclohexane.

表1~4には、また、(A)~(C)成分を反応させて得られたウレタンプレポリマーの遊離イソシアネート基含有量(遊離F-NCO)を示した。遊離F-NCOは、JIS K1603-1:2007のB法(逆滴定は指示薬滴定法)に準拠して測定した。 Tables 1 to 4 also show the free isocyanate group content (free F-NCO) of the urethane prepolymer obtained by reacting components (A) to (C). Free F-NCO was measured in accordance with Method B of JIS K1603-1:2007 (back titration was performed using indicator titration).

[リチウム二次電池の作製]
(実施例1)
(負極の作製) 負極活物質としてSiO(平均粒径4.5μm、比表面積5.5m/g)を88.85質量部、導電剤として繊維状ナノカーボン水分散体を40質量部とアセチレンブラック水分散体を4.0質量部、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウム塩の1.5質量%水溶液を43.3質量部、及び、結着剤1のポリウレタンの水分散体30質量部、イオン交換水14質量部を用い、これらを遊星型ミキサーで混合し、固形分49質量%になるように負極スラリーを調製した。集電体として厚み10μmの電解銅箔を用いて、電解銅箔上に上記負極スラリーからなる負極合材層を形成した。詳細には、上記負極スラリーを塗工機で電解銅箔上にコーティングを行い、ロールプレス処理後、130℃で減圧乾燥することにより、負極活物質2.7mg/cmの負極を得た。
[Fabrication of Lithium Secondary Battery]
Example 1
(Preparation of Negative Electrode) 88.85 parts by mass of SiO (average particle size 4.5 μm, specific surface area 5.5 m 2 /g) as the negative electrode active material, 40 parts by mass of a fibrous nanocarbon aqueous dispersion and 4.0 parts by mass of an acetylene black aqueous dispersion as a conductive agent, 43.3 parts by mass of a 1.5% by mass aqueous solution of carboxymethylcellulose sodium salt as a thickener, 30 parts by mass of a polyurethane aqueous dispersion as binder 1, and 14 parts by mass of ion-exchanged water were used, and these were mixed in a planetary mixer to prepare a negative electrode slurry to a solids content of 49% by mass. A 10 μm thick electrolytic copper foil was used as a current collector, and a negative electrode mixture layer composed of the negative electrode slurry was formed on the electrolytic copper foil. In detail, the negative electrode slurry was coated on electrolytic copper foil using a coating machine, roll-pressed, and then dried under reduced pressure at 130 ° C. to obtain a negative electrode with a negative electrode active material of 2.7 mg / cm 2 .

(正極の作製) 正極活物質であるLiNiCoAlO(NCA)を92質量部、導電剤としてアセチレンブラック(デンカ(株)製「Li-400」)を4質量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデン4質量部、分散媒としてN-メチル-2-ピロリドン49.2質量部を遊星型ミキサーで混合し、固形分67質量%になるように正極スラリーを調製した。この正極スラリーを塗工機で厚み15μmのアルミニウム箔上にコーティングを行い、130℃で乾燥後、ロールプレス処理を行い、正極活物質16.6mg/cmの正極を得た。 (Preparation of Positive Electrode) 92 parts by mass of LiNiCoAlO 2 (NCA) as a positive electrode active material, 4 parts by mass of acetylene black ("Li-400" manufactured by Denka Co., Ltd.) as a conductive agent, 4 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder, and 49.2 parts by mass of N-methyl-2-pyrrolidone as a dispersion medium were mixed in a planetary mixer to prepare a positive electrode slurry so as to have a solid content of 67% by mass. This positive electrode slurry was coated on aluminum foil with a thickness of 15 μm using a coating machine, dried at 130°C, and then subjected to a roll press treatment to obtain a positive electrode with a positive electrode active material of 16.6 mg/cm 2 .

(電池の作製) 上記で得られた負極と正極を組み合わせて、電極間にセパレータとしてポリオレフィン系(PE/PP/PE)セパレータを挟んで積層し、各正負極に正極端子と負極端子を超音波溶接した。この積層体をアルミラミネート包材に入れ、注液用の開口部を残しヒートシールした。正極面積18cm、負極面積19.8cmとした注液前電池を作製した。次にエチレンカーボネートとジエチルカーボネート(30/70vol比)とを混合した溶媒にLiPF(1.0mol/L)を溶解させた電解液を注液し、開口部をヒートシールし、評価用電池を得た。 (Battery Fabrication) The negative and positive electrodes obtained above were combined and stacked with a polyolefin (PE/PP/PE) separator sandwiched between the electrodes. A positive electrode terminal and a negative electrode terminal were ultrasonically welded to each positive and negative electrode. This stack was placed in an aluminum laminate packaging material and heat-sealed, leaving an opening for electrolyte injection. A pre-filled battery with a positive electrode area of 18 cm 2 and a negative electrode area of 19.8 cm 2 was fabricated. Next, an electrolyte solution prepared by dissolving LiPF 6 (1.0 mol/L) in a solvent mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate (30/70 vol ratio) was injected, and the opening was heat-sealed to obtain a battery for evaluation.

(実施例2)
負極スラリーを調製する際に、負極活物質としてSiOに代えてSiC(平均粒径11.4μm、比表面積2.5m/g)を用い、その他は実施例1と同様にして、負極を作製し、さらに評価用電池を作製した。
Example 2
When preparing the negative electrode slurry, SiC (average particle size 11.4 μm, specific surface area 2.5 m 2 /g) was used instead of SiO as the negative electrode active material, and other procedures were the same as in Example 1 to prepare a negative electrode and further prepare a battery for evaluation.

(実施例3~5,7~25及び比較例1~4)
負極スラリーを調製する際に、結着剤として下記表5に記載のとおりの結着剤2~23及びC1~4を用い、その他は実施例1と同様にして、負極を作製し、さらに評価用電池を作製した。
(Examples 3 to 5, 7 to 25 and Comparative Examples 1 to 4)
When preparing the negative electrode slurry, binders 2 to 23 and C1 to 4 as shown in Table 5 below were used as binders, and the rest was the same as in Example 1 to prepare a negative electrode and further prepare an evaluation battery.

(実施例6)
負極スラリーを調製する際に、負極活物質としてSiOに代えてSiC(平均粒径11.4μm、比表面積2.5m/g)を用い、その他は実施例5と同様にして、負極を作製し、さらに評価用電池を作製した。
Example 6
When preparing the negative electrode slurry, SiC (average particle size 11.4 μm, specific surface area 2.5 m 2 /g) was used instead of SiO as the negative electrode active material, and other procedures were the same as in Example 5 to prepare a negative electrode and further prepare a battery for evaluation.

[評価]
作製した負極について結着性を評価した。また、評価用電池について、電極の膨張低減効果を確認するために充放電を繰り返した後の電極膨張率を測定した。また、評価用電池について、充放電サイクル特性を評価した。試験方法は以下のとおりである。
[evaluation]
The binding property of the prepared negative electrode was evaluated. Furthermore, the electrode expansion rate of the evaluation battery was measured after repeated charge and discharge to confirm the electrode expansion reduction effect. Furthermore, the charge and discharge cycle characteristics of the evaluation battery were evaluated. The test method was as follows.

(結着性)
結着性はピール試験により評価した。ピール試験では、負極を2×8cmに切り出し、切り出した試験片の塗工面をSUS鋼板に両面テープを用いて貼り付けた。試験片を180°折り曲げ、SUS鋼板を試験機の下側の治具に固定した。折り曲げた試験片に片面粘着テープを貼り付け上側の治具に固定した。50mm/分の速度で上側の治具を上昇させることで180度剥離試験を行い、剥離強度の平均値をピール強度(N/cm)として求めた。
(Adhesion)
The adhesiveness was evaluated by a peel test. In the peel test, the negative electrode was cut into a size of 2 × 8 cm, and the coated surface of the cut test piece was attached to a SUS steel plate using double-sided tape. The test piece was bent 180°, and the SUS steel plate was fixed to the lower jig of the testing machine. Single-sided adhesive tape was attached to the bent test piece and fixed to the upper jig. A 180° peel test was performed by raising the upper jig at a rate of 50 mm/min, and the average value of the peel strength was calculated as the peel strength (N/cm).

(電極膨張率)
評価用電池について、充放電装置にて以下の条件で充放電を繰り返した。25℃の環境下で、1C相当の電流密度で4.2VまでCC(定電流)充電を行い、続いて4.2VでCV(定電圧)充電に切り替え、1.5時間もしくは電流密度0.1Cになるまで充電した後、1C相当の電流密度で2.7VまでCC放電するサイクルを25℃で500回行った。充電と放電の間の休止は10分間とした。1回目の満充電状態でのセル厚み(サイクル開始前セル厚み)と、500回目の満充電状態でのセル厚み(サイクル終了後セル厚み)を、マイクロメーターで測定し、以下の計算式より算出した。
電極膨張率={(サイクル終了後セル厚み-サイクル開始前セル厚み)/負極合材層厚み}×100%
ここで、負極合材層厚み=負極厚み-銅箔厚み
(electrode expansion rate)
The evaluation battery was repeatedly charged and discharged using a charge/discharge device under the following conditions: CC (constant current) charging at a current density equivalent to 1 C to 4.2 V in an environment of 25°C, followed by switching to CV (constant voltage) charging at 4.2 V, charging for 1.5 hours or until the current density reached 0.1 C, and then CC discharging to 2.7 V at a current density equivalent to 1 C. This cycle was repeated 500 times at 25°C. A 10-minute break was allowed between charges and discharges. The cell thickness at the first fully charged state (cell thickness before the start of cycling) and the cell thickness at the 500th fully charged state (cell thickness after the end of cycling) were measured with a micrometer and calculated using the following formula:
Electrode expansion rate = {(cell thickness after cycling - cell thickness before cycling) / negative electrode composite layer thickness} × 100%
Here, negative electrode composite layer thickness = negative electrode thickness - copper foil thickness

(充放電サイクル特性)
評価用電池について、充放電装置にて以下の条件で充放電サイクル試験を行った。25℃の環境下で、1C相当の電流密度で4.2VまでCC(定電流)充電を行い、続いて4.2VでCV(定電圧)充電に切り替え、1.5時間もしくは電流密度0.1Cになるまで充電した後、1C相当の電流密度で2.7VまでCC放電するサイクルを25℃で500回行った。初回1C放電容量に対する500回後の1C放電容量比を充放電サイクル保持率(%)として求めた。充電と放電の間の休止は10分間とした。
(Charge/discharge cycle characteristics)
The evaluation battery was subjected to a charge-discharge cycle test using a charge-discharge device under the following conditions: CC (constant current) charging at a current density equivalent to 1 C to 4.2 V in an environment of 25°C, followed by switching to CV (constant voltage) charging at 4.2 V, charging for 1.5 hours or until the current density reached 0.1 C, and then CC discharging at a current density equivalent to 1 C to 2.7 V. This cycle was repeated 500 times at 25°C. The ratio of the 1 C discharge capacity after 500 cycles to the initial 1 C discharge capacity was calculated as the charge-discharge cycle retention rate (%). A 10-minute break was allowed between charge and discharge.

結果は表5に示すとおりである。比較例1では、負極の作製に用いた結着剤C1が、鎖伸長剤として脂肪族ポリアミン(1,2-プロパンジアミン)を用いて合成されており、結着性には優れるものの、電極の膨張抑制効果、及び、充放電サイクル特性に劣っていた。比較例2,3でも、結着剤C2,C3が脂肪族ポリアミンであるトリエチレンテトラミン又はテトラエチレンペンタミンを用いた合成されており、結着性に劣るとともに、電極の膨張抑制効果、及び、充放電サイクル特性に劣っていた。 The results are shown in Table 5. In Comparative Example 1, the binder C1 used to prepare the negative electrode was synthesized using an aliphatic polyamine (1,2-propanediamine) as a chain extender, and although it had excellent binding properties, it was poor in its ability to suppress electrode expansion and in its charge-discharge cycle characteristics. In Comparative Examples 2 and 3, binders C2 and C3 were synthesized using the aliphatic polyamines triethylenetetramine or tetraethylenepentamine, and were poor in its binding properties, as well as in its ability to suppress electrode expansion and in its charge-discharge cycle characteristics.

比較例4では、結着剤C4を構成するポリオールとしてポリオレフィン系ポリオール(b1)の代わりにポリカーボネートポリオールを用いており、結着性、電極の膨張抑制効果、及び、充放電サイクル特性に劣っていた。 In Comparative Example 4, polycarbonate polyol was used instead of polyolefin polyol (b1) as the polyol constituting binder C4, and the binding properties, electrode expansion suppression effect, and charge/discharge cycle characteristics were inferior.

これに対し、実施例1~25では、結着剤として、脂肪族/脂環式ポリイソシアネートとポリオレフィン系ポリオール(b1)とを組み合わせ、かつ、鎖伸長剤として芳香族ポリアミンを用いており、比較例1~4に対して結着性を維持ないし向上しながら、電極の膨張を低減することができ、充放電サイクル特性についても顕著に改善されていた。 In contrast, in Examples 1 to 25, a combination of aliphatic/alicyclic polyisocyanate and polyolefin polyol (b1) was used as the binder, and an aromatic polyamine was used as the chain extender. Compared to Comparative Examples 1 to 4, this combination maintained or improved the binding properties while reducing electrode expansion and significantly improving charge/discharge cycle characteristics.

なお、明細書に記載の種々の数値範囲は、それぞれそれらの上限値と下限値を任意に組み合わせることができ、それら全ての組み合わせが好ましい数値範囲として本明細書に記載されているものとする。また、「X~Y」との数値範囲の記載は、X以上Y以下を意味する。 The various numerical ranges described in this specification can each be combined with any upper and lower limit, and all such combinations are considered to be preferred numerical ranges and are described in this specification. Furthermore, a numerical range described as "X to Y" means greater than or equal to X and less than or equal to Y.

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これら実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその省略、置き換え、変更などは、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although several embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be embodied in a variety of other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their omissions, substitutions, modifications, etc. are included within the scope and spirit of the invention, as well as within the scope of the inventions and their equivalents as set forth in the claims.

Claims (5)

(A)ポリイソシアネート、(B)ポリオール(但し、(C)成分は除く。)、(C)2個以上の水酸基とカルボキシ基を有する化合物、及び、(D)鎖伸長剤、を反応させて得られ、
前記(A)成分が脂肪族ポリイソシアネート及び脂環式ポリイソシアネートからなる群から選択される少なくとも一種を含み、
前記(B)成分がポリブタジエンポリオール、水添ポリブタジエンポリオール、ポリイソプレンポリオール、及び水添ポリイソプレンポリオールからなる群から選択される少なくとも一種を含み、
前記(D)成分が芳香族ポリアミンを含む、
ポリウレタンの水分散体を含む、リチウム二次電池の電極用結着剤。
(A) a polyisocyanate, (B) a polyol (excluding component (C)), (C) a compound having two or more hydroxyl groups and a carboxy group, and (D) a chain extender;
the component (A) contains at least one selected from the group consisting of aliphatic polyisocyanates and alicyclic polyisocyanates,
the component (B) comprises at least one selected from the group consisting of polybutadiene polyol, hydrogenated polybutadiene polyol, polyisoprene polyol, and hydrogenated polyisoprene polyol,
The component (D) contains an aromatic polyamine.
A binder for electrodes of lithium secondary batteries, comprising an aqueous dispersion of polyurethane.
負極活物質としてケイ素系活物質を含むリチウム二次電池の負極用である、請求項1に記載の電極用結着剤。 The electrode binder according to claim 1, which is for use in the negative electrode of a lithium secondary battery containing a silicon-based active material as the negative electrode active material. (A)ポリイソシアネート、(B)ポリオール(但し、(C)成分は除く。)、(C)2個以上の水酸基とカルボキシ基を有する化合物、及び、(D)鎖伸長剤、を反応させて得られ、前記(A)成分が脂肪族ポリイソシアネート及び脂環式ポリイソシアネートからなる群から選択される少なくとも一種を含み、前記(B)成分がポリブタジエンポリオール、水添ポリブタジエンポリオール、ポリイソプレンポリオール、及び水添ポリイソプレンポリオールからなる群から選択される少なくとも一種を含み、前記(D)成分が芳香族ポリアミンを含む、ポリウレタン、
導電剤、並びに、
水を含む、リチウム二次電池の電極用結着剤組成物。
A polyurethane obtained by reacting (A) a polyisocyanate, (B) a polyol (excluding component (C)), (C) a compound having two or more hydroxyl groups and a carboxy group, and (D) a chain extender, wherein the component (A) contains at least one selected from the group consisting of an aliphatic polyisocyanate and an alicyclic polyisocyanate, the component (B) contains at least one selected from the group consisting of a polybutadiene polyol, a hydrogenated polybutadiene polyol, a polyisoprene polyol, and a hydrogenated polyisoprene polyol, and the component (D) contains an aromatic polyamine;
a conductive agent, and
A binder composition for an electrode of a lithium secondary battery, which contains water.
請求項1に記載の電極用結着剤又は請求項3に記載の電極用結着剤組成物の固形分と、ケイ素系活物質を含む負極活物質と、を含む、リチウム二次電池の負極。 A negative electrode for a lithium secondary battery, comprising the solid content of the electrode binder described in claim 1 or the electrode binder composition described in claim 3, and a negative electrode active material containing a silicon-based active material. 請求項4に記載の負極を備えるリチウム二次電池。

A lithium secondary battery comprising the negative electrode according to claim 4.

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