WO2025047948A1 - 水素化ニトリルゴムベール - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a hydrogenated nitrile rubber veil useful as a positive electrode material, which has excellent viscosity characteristics (dispersibility) and stability of the conductive material dispersion, improves the peel strength of the manufactured positive electrode and the effect of suppressing cracking of the active material after cycle testing, and can improve the output characteristics and cycle characteristics of an electrochemical element; a manufacturing method thereof; a positive electrode material, a positive electrode binder, and a positive electrode and a manufacturing method thereof, which use the hydrogenated nitrile rubber veil.
- Electrochemical elements such as lithium-ion secondary batteries, lithium-ion capacitors, and electric double-layer capacitors are small, lightweight, have high energy density, and can be repeatedly charged and discharged, making them used in a wide range of applications. For this reason, in recent years, efforts have been made to improve battery components such as electrodes in order to further improve the performance of electrochemical elements.
- the electrodes used in electrochemical elements typically include a current collector and an electrode mixture layer formed on the current collector.
- This electrode mixture layer is formed, for example, by applying a slurry containing an electrode active material, a conductive material, a binder, etc., onto the current collector and then drying the applied slurry.
- Patent Document 1 JP 2018-160421 A discloses a binder composition that contains a polymer containing a conjugated diene monomer unit and/or an alkylene structural unit and a nitrile group-containing monomer unit, and an organic solvent, and that has an excellent balance between peel strength and secondary battery output characteristics, with a solution turbidity of 1 to 80 at a solids concentration of 10% by mass.
- nitrile rubber latex obtained by emulsion polymerization of acrylonitrile and 1,3-butadiene is added to a 1% by mass calcium chloride aqueous solution to coagulate, washed with water, filtered, and then vacuum dried to obtain nitrile rubber, and the obtained nitrile rubber is subjected to metathesis with a ruthenium-based Grubbs catalyst and ethylene as a coolefin, and then hydrogenated with a rhodium-based Wilkinson catalyst with an iodine value of 5 mg/100 mg as the end point, and then 0.2 parts of activated carbon with an average diameter of 15 ⁇ m is added and stirred for 30 minutes to obtain a hydrogenated polymer with a calcium ion concentration of 1000 ppm and an iodine value of 5 mg/100 mg.
- NMP N-methylpyrrolidone
- water is evaporated under reduced pressure to obtain an NMP solution of the hydrogenated polymer with a solution turbidity of 20
- an electrode is produced using a binder composition consisting of 1.6 parts of polyvinylidene fluoride (solution viscosity 5 kPa ⁇ s) and 0.4 parts of the hydrogenated polymer as a binder composition.
- the conductive material dispersion has poor stability, making it difficult to produce electrochemical element electrodes, and there has been a demand for further improvements in the electrode peel strength and in preventing cracking of the electrode active material after cycle testing.
- Patent Document 2 discloses an electrochemical element having excellent rate characteristics and high-temperature storage stability, which includes a polymer containing ⁇ , ⁇ -ethylenically unsaturated nitrile monomer units and specific alkylene structural units, and having a volume average particle diameter D of 50 to 800 nm when dynamic light scattering measurement is performed, and at least one peak detected in the range of 5 ⁇ m to 30 ⁇ m, and a conductive carbon material; specifically, acrylonitrile and 1,3-butadiene are copolymerized, dibutylhydroxytoluene (BHT) is added as an anti-aging agent, and then a 25% by mass aqueous solution of calcium chloride in an amount of 3 parts per 100 parts of the polymer is added to coagulate, and 50 times the amount of ion-exchanged water is passed through the polymer to wash it, and then a hydrogenation reaction is performed using a palladium catalyst, and the palladium catalyst is filtered off to
- the positive electrode binder it is desirable to improve the dispersibility of the dispersion liquid and the peel strength of the electrode, and to further improve the output characteristics and cycle characteristics of the electrochemical element, as well as the effect of suppressing cracking of the electrode active material after cycle testing.
- Patent Document 3 discloses a non-aqueous secondary battery with excellent electrolyte mobility, which includes a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator, and in which the positive electrode has a positive electrode composite layer formed on a current collector, the positive electrode composite layer including a positive electrode active material, a conductive material, and polymer A including at least one of a nitrile group-containing monomer unit, a conjugated diene unit, and an alkylene structural unit.
- polymer A is a polymer obtained by adding dibutylhydroxytoluene (BHT) to an emulsion polymerization liquid obtained by emulsion polymerization of acrylonitrile and 1,3-butadiene, adding a 25% by mass aqueous calcium chloride solution to coagulate the solution, and then hydrogenating the solution using a palladium catalyst. The palladium catalyst is then filtered off to obtain a hydrogenated polymer with an iodine value of 20 mg/100 mg.
- BHT dibutylhydroxytoluene
- emulsion polymerization liquid obtained by emulsion polymerization of acrylonitrile and 1,3-butadiene
- adding a 25% by mass aqueous calcium chloride solution to coagulate the solution
- the palladium catalyst is then filtered off to obtain a hydrogenated polymer with an iodine value of 20 mg/100 mg.
- the positive electrode binder containing such a hydrogenated polymer has poor dispersibility in the
- Patent Document 4 discloses a carboxyl group-containing nitrile rubber that has an ⁇ , ⁇ -ethylenically unsaturated nitrile monomer unit content of 10-60% by weight, an iodine value of 120 or less, and a total amount of magnesium, calcium, and aluminum of 2000 ppm or less, which gives a crosslinked product with small compression set and dynamic heat generation and is excellent in processability.
- a specific carboxyl group-containing nitrile rubber is obtained by adding an aqueous magnesium sulfate solution to a latex of a nitrile group-containing saturated copolymer rubber obtained by emulsion polymerization of acrylonitrile, mono n-butyl fumarate, and butadiene and then hydrogenating the rubber with a palladium catalyst, and after coagulation, filtering and washing with water are repeated three times, and the aqueous magnesium sulfate solution contained in the rubber is removed by centrifuging the rubber, followed by vacuum drying at 60°C for 12 hours to obtain a nitrile rubber with a magnesium content of 1-2 ppm, a calcium content of 1 ppm, and an aluminum content of 1 ppm.
- further improvements are needed for the nitrile rubber obtained here in terms of the stability of the conductive material dispersion, and when used in electrochemical elements, the electrode peel strength and cracking of the active material layer after cycle testing.
- Patent Document 5 JP 2009-179686 A discloses a method of recovering carboxyl group-containing nitrile rubber from a latex of carboxyl group-containing nitrile rubber, in which an extruder is used in which a screw is arranged inside a barrel in which at least a coagulation zone is formed and can be rotated.
- a latex of carboxyl group-containing nitrile rubber obtained by emulsion polymerization according to Patent Document 4 (acrylonitrile monomer unit: 34% by weight, butadiene monomer unit: 59% by weight, n-monobutyl maleate monomer unit: 7% by weight, iodine value: 10, solids concentration: 10.8% by weight) and an aqueous magnesium sulfate solution (coagulant concentration: 5% by mass) are prepared as a coagulation liquid, and a screw-type extruder equipped with a coagulation zone, a drainage zone, a washing/dehydration zone, and a drying zone is used to perform coagulation, drainage, washing/dehydration, and drying, and a sheet-like carboxyl group-containing nitrile rubber with a Mooney viscosity of 40 is recovered.
- polymers suitable as positive electrode binders that can improve the stability of conductive material dispersions and, when used in electrochemical elements, the
- the present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to provide a hydrogenated nitrile rubber veil useful as a positive electrode material, which has excellent viscosity characteristics (dispersibility) and stability of a conductive material dispersion when manufacturing electrodes for electrochemical elements, and which can improve the peel strength of the manufactured electrodes, the output characteristics of electrochemical elements, cycle characteristics, and the effect of suppressing cracking of the electrode active material after cycle testing, and a method for manufacturing the same, as well as a positive electrode material, a positive electrode binder, and a positive electrode and a method for manufacturing the same, which use the hydrogenated nitrile rubber veil.
- the present inventors have conducted intensive research in light of the above problems and have found that when a hydrogenated nitrile rubber veil is used as a positive electrode material, the hydrogenated nitrile rubber veil is composed of a nitrile group-containing monomer unit and a conjugated diene monomer unit and/or an alkylene structural unit, has a specific amount of iodine value and weight average molecular weight (Mw), contains a phenolic antioxidant, and has a specific range of palladium (Pd) content and calcium (Ca) content, when mixed with a conductive material in the manufacture of an electrochemical element, it enhances the viscosity characteristics and stability of the conductive material dispersion, suppresses the peel strength of the manufactured electrode and cracks in the active material after cycle testing, and improves the output characteristics and cycle characteristics of the electrochemical element.
- the present inventors have also found that the use of a veiled hydrogenated nitrile rubber veil as a positive electrode binder is suitable because it allows the effects of the
- the inventors have also discovered that by using a hydrogenated nitrile rubber veil made of hydrogenated nitrile rubber in which the content of Pd, Rh, and Ru derived from the hydrogenation catalyst and Mg and Na derived from other reaction secondary materials in the hydrogenated nitrile rubber is limited as a positive electrode material, when mixed with a conductive material, the viscosity characteristics and stability of the conductive material dispersion are increased, the peel strength of the manufactured electrode and cracking of the active material after cycle testing are suppressed, and the output characteristics and cycle characteristics of the electrochemical element are improved.
- the inventors have also discovered that by using calcium chloride as a coagulant for the hydrogenated nitrile rubber veil, the electrode peel characteristics of electrochemical elements such as lithium ion secondary batteries are superior to those when other coagulants are used, and deterioration of cycle characteristics and cracking of the active material layer after cycle testing can be prevented.
- the inventors have discovered that hydrogenated nitrile rubber veil is obtained by emulsion polymerizing a nitrile group-containing monomer and a conjugated diene monomer and hydrogenating the polymer (nitrile rubber) that is coagulated with calcium chloride, and that by using it as a positive electrode material, the viscosity characteristics (dispersibility) of a conductive material dispersion can be improved when a conductive material dispersion is prepared, and that cracking of the electrode active material in the resulting electrode after cycle testing can be suppressed, resulting in a significant improvement in the cycle characteristics of an electrochemical element.
- hydrogenated nitrile rubber veil is made by emulsion-polymerizing a nitrile group-containing monomer and a conjugated diene monomer, adding a specific phenol-based antioxidant, coagulating the emulsion polymerization liquid with calcium chloride to obtain a polymer, and then hydrogenating the polymer.
- the inventors have discovered that by using the hydrogenated nitrile rubber veil as a positive electrode material, the viscosity characteristics and stability of the conductive material dispersion liquid can be significantly improved when an electric material dispersion liquid is prepared, and cracking of the electrode active material after cycle testing in the resulting electrode can be suppressed, and the output characteristics and cycle characteristics of the electrochemical element can be significantly improved.
- the inventors have discovered that adding a phenol-based antioxidant to the latex of nitrile rubber before hydrogenation allows for uniform dispersion in the polymer, reduces the amount of emulsifier used, improves the stability of the conductive material dispersion liquid, and prevents cracking of the active material layer after cycle testing and the cycle characteristics of lithium ion secondary batteries.
- the stability of the conductive material dispersion liquid can be significantly improved by making the hydrogenated nitrile rubber veil contain a specific antioxidant, and that by increasing the bulk density of the hydrogenated nitrile rubber veil and reducing the amount of air contained therein as much as possible, the stability of the dispersion liquid with the conductive material can be further improved, preventing cracking of the electrode active material and improving various properties of the electrochemical element.
- the inventors presume that the stability of the conductive material dispersion liquid is deteriorated by the reaction and crosslinking with the active points on the surface of the electrode material due to the influence of oxygen radicals generated in the hydrogenated nitrile rubber, and that the absence of phenol-based antioxidants and air inside the veil works well against the generation and reaction of these oxygen radicals.
- the inventors have also found that a hydrogenated nitrile rubber veil with a high bulk density can be easily obtained by melt-kneading the hydrogenated nitrile rubber veil under reduced pressure using a screw-type extruder, extruding it into a sheet, and then laminating the extruded hydrogenated nitrile rubber sheets.
- the inventors have also discovered that by further limiting the amount of calcium (Ca) in the hydrogenated nitrile rubber and specifying the amount of chlorine (Cl) and the mass ratio (Ca/Cl) of the calcium (Ca) content to the chlorine (Cl) content, it is possible to further improve the viscosity characteristics (dispersibility) of the conductive material dispersion when it is prepared, and to suppress cracking of the electrode active material after cycle testing in the resulting electrode, thereby significantly improving the cycle characteristics of the electrochemical element.
- a positive electrode binder excellent for manufacturing such electrochemical elements can be easily manufactured by dissolving or dispersing a hydrogenated nitrile rubber veil having specific properties and specific antioxidant and metal contents in N-methylpyrrolidone (NMP), and that when mixed with a conductive material, it enhances the viscosity characteristics and stability of the conductive material dispersion, and that the use of this positive electrode binder can suppress the peel strength of the electrode manufactured and cracking of the active material after cycle testing, thereby improving the output characteristics and cycle characteristics of the electrochemical element.
- NMP N-methylpyrrolidone
- a hydrogenated nitrile rubber veil made of hydrogenated nitrile rubber in which the weight average molecular weight (Mw) measured in a solvent of the hydrogenated nitrile rubber satisfies the relationship NMP-Mw ⁇ DMF-Mw between the weight average molecular weight measured in NMP solvent and the weight average molecular weight measured in DMF solvent (DMF-Mw), can further enhance the above-mentioned properties as a positive electrode binder.
- the inventors have completed the present invention based on these findings.
- a hydrogenated nitrile rubber veil comprising hydrogenated nitrile rubber that contains nitrile group-containing monomer units, conjugated diene monomer units and/or alkylene structural units, has a weight average molecular weight (Mw) of 1,000 to 1,000,000, an iodine value in the range of 0.1 to 100 mg/100 mg, contains a phenol-based antioxidant, and has a palladium (Pd) content of 50 ppm or less and a calcium (Ca) content in the range of 1 to 2000 ppm.
- Mw weight average molecular weight
- Pd palladium
- Ca calcium
- the calcium (Ca) content is 10 ppm or more and 1500 ppm or less.
- the content of the phenolic antioxidant is preferably in the range of 0.001 to 2 mass%.
- the palladium (Pd) content in the hydrogenated nitrile rubber is 10 ppm or less.
- the rhodium (Rh) and/or ruthenium (Ru) content in the hydrogenated nitrile rubber is in the range of 0.5 to 50 ppm.
- the sodium (Na) content in the hydrogenated nitrile rubber is 300 ppm or less, and the magnesium (Mg) content is 50 ppm or less.
- the hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention it is preferable that the hydrogenated nitrile rubber is obtained by emulsion polymerizing a nitrile group-containing monomer and a conjugated diene monomer, coagulating the polymer with calcium chloride, and hydrogenating the polymer.
- the hydrogenated nitrile rubber is preferably obtained by emulsion polymerizing a nitrile group-containing monomer and a conjugated diene monomer, adding a phenolic antioxidant, coagulating the polymer with calcium chloride, and hydrogenating the resulting polymer.
- the hydrogenated nitrile rubber bale of the present invention it is preferable that the hydrogenated nitrile rubber is dried in a screw-type extruder.
- the bulk density is 0.8 g/ cm3 or more.
- the total proportion of the nitrile group-containing monomer units and the conjugated diene monomer units and/or alkylene structural units in the hydrogenated nitrile rubber is 95 mass% or more.
- the chlorine (Cl) content in the hydrogenated nitrile rubber is 3000 ppm or less, and the mass ratio (Ca/Cl) to the calcium (Ca) content is in the range of 0.01 to 10.
- the ratio (Mw/Mn) of the weight average molecular weight (Mw) to the number average molecular weight (Mn) of the hydrogenated nitrile rubber is in the range of 1.2 to 5, and the ratio (Mz/Mw) of the Z average molecular weight (Mz) to the weight average molecular weight (Mw) is in the range of 1.5 to 5.
- the weight average molecular weight (NMP-Mw) of the hydrogenated nitrile rubber measured using NMP as a solvent and the weight average molecular weight (DMF-Mw) measured using DMF as a solvent satisfy the relationship NMP-Mw ⁇ DMF-Mw.
- the present invention also provides a method for producing the hydrogenated nitrile rubber bale, which comprises adding a phenolic antioxidant to nitrile rubber and hydrogenating the rubber to produce hydrogenated nitrile rubber, and then baling the hydrogenated nitrile rubber.
- the baling is carried out using a baler at a pressure of 0.1 to 15 MPa.
- the present invention also provides a method for producing the hydrogenated nitrile rubber bale, which comprises emulsion polymerizing a nitrile group-containing monomer and a conjugated diene monomer, adding a phenolic antioxidant, coagulating the polymer with calcium chloride, hydrogenating the polymer, and then baling the polymer.
- the present invention also includes a hydrogenation step of emulsion-polymerizing a nitrile group-containing monomer and a conjugated diene monomer, adding a phenol-based antioxidant, and then hydrogenating the polymer solidified with calcium chloride to obtain a hydrogenated nitrile rubber-containing solution;
- a method for producing the hydrogenated nitrile rubber veil comprising:
- the screw-type extruder has a reduced-pressure drying barrel.
- the hydrogenation of the polymer is carried out using a ruthenium (Ru)-based catalyst or a rhodium (Rh)-based catalyst.
- the present invention also provides a positive electrode material made of the hydrogenated nitrile rubber veil.
- the present invention also provides a binder for positive electrodes, which is prepared by dissolving or dispersing the hydrogenated nitrile rubber veil in N-methylpyrrolidone (NMP).
- NMP N-methylpyrrolidone
- the solid content concentration is preferably in the range of 0.1 to 40 mass %.
- the present invention also provides a positive electrode comprising a conductive material, a positive electrode active material, and a positive electrode composite layer containing the above positive electrode material, and a current collector.
- the present invention further provides a method for producing a positive electrode, which includes a step of applying a positive electrode composite layer slurry obtained by mixing the positive electrode binder and conductive material and then mixing the positive electrode active material onto a current collector and drying the resulting mixture.
- the present invention provides a hydrogenated nitrile rubber veil useful as a positive electrode material, which has excellent viscosity characteristics and stability of the conductive material dispersion, and which can suppress the peel strength of the produced electrode and cracking of the electrode active material after cycle testing of an electrochemical element, thereby improving the cycle characteristics and output characteristics, as well as a method for producing the same, a positive electrode material using the hydrogenated nitrile rubber veil, a positive electrode binder, a positive electrode, and a method for producing a positive electrode.
- the hydrogenated nitrile rubber veil used is characterized by being made of hydrogenated nitrile rubber that contains nitrile group-containing monomer units, conjugated diene monomer units and/or alkylene structural units, has a weight average molecular weight (Mw) of 1,000 to 1,000,000, an iodine value in the range of 0.1 to 100 mg/100 mg, contains a phenol-based anti-aging agent, and has a Pd content of 50 ppm or less and a Ca content in the range of 1 to 2000 ppm.
- Mw weight average molecular weight
- the hydrogenated nitrile rubber which is a component of the hydrogenated nitrile rubber veil, contains a nitrile group-containing monomer unit and a conjugated diene monomer unit and/or an alkylene structural unit.
- the hydrogenated nitrile rubber is a component that can function as a binder that holds the electrode active material and the like from the current collector without causing them to detach from the current collector in the electrode mixture layer formed in the electrochemical element.
- the hydrogenated nitrile rubber can also function as a dispersant that can disperse the conductive material in a conductive material dispersion liquid that contains a conductive material.
- hydrogenated nitrile rubber can be a hydrogenated polymer obtained by hydrogenating a polymer containing conjugated diene monomer units and nitrile group-containing monomer units.
- the polymer containing conjugated diene monomer units and nitrile group-containing monomer units is completely hydrogenated, the polymer contains alkylene structural units and nitrile group-containing monomer units, and when the hydrogenation is partially performed, the polymer contains conjugated diene monomer units, alkylene structural units, and nitrile group-containing monomer units.
- nitrile group-containing monomers capable of forming nitrile group-containing monomer units include ⁇ , ⁇ -ethylenically unsaturated nitrile monomers.
- the ⁇ , ⁇ -ethylenically unsaturated nitrile monomer is not particularly limited as long as it is an ⁇ , ⁇ -ethylenically unsaturated compound having a nitrile group, and examples thereof include acrylonitrile; ⁇ -halogenoacrylonitriles such as ⁇ -chloroacrylonitrile and ⁇ -bromoacrylonitrile; ⁇ -alkylacrylonitriles such as methacrylonitrile and ⁇ -ethylacrylonitrile; and the like. Among these, acrylonitrile is preferred.
- the nitrile group-containing monomer may be used alone or in combination of two or more kinds at any ratio.
- the content of the nitrile group-containing monomer units in the hydrogenated nitrile rubber is preferably 10% by mass or more, more preferably 15% by mass or more, even more preferably 20% by mass or more, preferably 50% by mass or less, more preferably 45% by mass or less, and even more preferably 40% by mass or less, assuming that the total repeating units in the hydrogenated nitrile rubber is 100% by mass. If the content of the nitrile group-containing monomer units is within the above-mentioned range, the dispersion stability of the conductive material dispersion can be increased, and the peel strength of the obtained electrode can be further improved.
- conjugated diene monomer units examples include conjugated diene compounds having 4 or more carbon atoms, such as 1,3-butadiene, isoprene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3-butadiene, and 1,3-pentadiene. Among these, isoprene and 1,3-butadiene are preferred, and 1,3-butadiene is particularly preferred.
- the alkylene structural unit is a repeating unit composed only of an alkylene structure represented by the general formula: -C n H 2n - [wherein n is an integer of 2 or more].
- the alkylene structural unit may be linear or branched, but from the viewpoint of reducing the resistance of the electrode while improving the rate characteristics of the electrochemical device, the alkylene structural unit is preferably linear, i.e., a linear alkylene structural unit.
- the alkylene structural unit preferably has 4 or more carbon atoms (i.e., n in the above general formula is an integer of 4 or more).
- the alkylene structural unit may be linear or branched, but it is preferable that the alkylene structural unit is linear, i.e., a linear alkylene structural unit. It is also preferable that the alkylene structural unit has 4 or more carbon atoms (i.e., n in the above general formula is an integer of 4 or more).
- the total content of the conjugated diene monomer units and the alkylene structural units in the hydrogenated nitrile rubber is preferably 50% by mass or more, more preferably 55% by mass or more, particularly preferably 60% by mass or more, preferably 90% by mass or less, more preferably 85% by mass or less, particularly preferably 80% by mass or less, when the total repeating units (the sum of the structural units and the monomer units) in the hydrogenated nitrile rubber is taken as 100% by mass. If the total content of the conjugated diene monomer units and the alkylene structural units in the polymer is within the above range, the dispersion stability of the conductive material dispersion and the cycle characteristics of the electrochemical element can be improved.
- the hydrogenated nitrile rubber has only one of the content ratio of alkylene structural units and conjugated diene monomer units, it is preferable that the ratio satisfies the above range.
- the total ratio of the nitrile group-containing monomer units and the conjugated diene monomer units and/or alkylene structural units of the hydrogenated nitrile rubber in the hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention is not particularly limited, but when it is usually 80 mass % or more, preferably 90 mass % or more, more preferably 95 mass % or more, further preferably 97 mass % or more, and most preferably 99 mass % or more, the dispersion stability of the conductive material dispersion and the cycle characteristics of the electrochemical element can be improved.
- the other repeating units are not particularly limited, but may include aromatic vinyl monomer units, acidic group-containing monomer units, and (meth)acrylic acid ester monomer units.
- the hydrogenated nitrile rubber may contain one type of other repeating unit, or may contain two or more types of other repeating units.
- the content of other repeating units in the hydrogenated nitrile rubber is preferably 0% by mass or more and 30% by mass or less, more preferably 0% by mass or more and 20% by mass or less, alternatively 0% by mass or more and 10% by mass or less, 0% by mass or more and 5% by mass or less, 0% by mass or more and 3% by mass or less, and 0% by mass or more and 1% by mass or less, in that order, based on 100% by mass of all repeating units in the hydrogenated nitrile rubber.
- the hydrogenated nitrile rubber in the hydrogenated nitrile rubber bale of the present invention is characterized by containing a phenol-based antioxidant.
- the melting point of the phenolic antioxidant is usually 150°C or less, preferably 140°C or less, more preferably 130°C or less, even more preferably 100°C or less, and most preferably 90°C or less, and the molecular weight of the phenolic antioxidant is usually in the range of 100 to 1000, preferably 130 to 750, more preferably 150 to 500, even more preferably 170 to 450, and most preferably 200 to 300.
- hindered phenol-based anti-aging agents are particularly suitable because they provide a high degree of stability to the conductive material dispersion.
- a hindered phenol-based anti-aging agent refers to a phenol-based anti-aging agent having bulky substituents on both sides of the phenol group, and the bulky substituents on both sides are an isobutyl group or a t-butyl group, preferably a t-butyl group.
- Hindered phenol-based antioxidants include, for example, 2,6-di-t-butylphenol, 2,6-di-t-butyl-4-methylphenol, 2,6-di-t-pentenyl-4-methylphenol, 2,2-methylenebis(4-methyl-6-t-butylphenol), 2,4-bis(octylthiomethyl)-6-methylphenol, 2,6-di-t-butyl- ⁇ -dimethylamino-p-cresol, 3-(4-hydroxy-3, 5-di-t-butylphenyl) butyl propionate, 3-(4-hydroxy-3,5-di-t-butylphenyl) hexyl propionate, 3-(4-hydroxy-3,5-di-t-butylphenyl) octyl propionate, 3-(4-hydroxy-3,5-di-t-butylphenyl) decyl propionate, 3-(4-hydroxy-3,5-di-t-
- BHT 2,6-di-t-butyl-4-methylphenol
- BHT 2,2-methylenebis(4-methyl-6-t-butylphenol)
- 2,4-bis(octylthiomethyl)-6-methylphenol being the most preferred, and BHT being the most preferred.
- Phenol-based antioxidants other than hindered phenol-based antioxidants include, for example, styrenated phenols such as butylated hydroxyanisole, mono-(or di-, or tri-)( ⁇ -methylbenzyl)phenol, 2,2'-methylene-bis(4-methyl-6-t-butylphenol), alkylated bisphenols, 2,4-bis[(octylthio)methyl]-6-methylphenol, 2,2'-thiobis-(4-methyl-6-t-butylphenol), and 4,4'-thiobis-(6-t-butyl-o-cresol), with styrenated phenol and 2,4-bis[(octylthio)methyl]-6-methylphenol being preferred.
- styrenated phenols such as butylated hydroxyanisole, mono-(or di-, or tri-)( ⁇ -methylbenzyl)phenol, 2,2'-methylene-bis(4-methyl-6-t-butyl
- phenolic antioxidants can be used alone or in combination of two or more.
- the content of the phenolic antioxidant in the hydrogenated nitrile rubber is not particularly limited, but is usually in the range of 0.001 to 2 mass%, preferably 0.01 to 1 mass%, more preferably 0.05 to 0.5 mass%, even more preferably 0.1 to 0.5 mass%, and most preferably 0.1 to 0.3 mass%. If the content of the phenolic antioxidant in the hydrogenated nitrile rubber is too small, the stability of the dispersion with the conductive material will be poor, and if it is too large, it will affect the cycle characteristics of the electrochemical element, both of which are undesirable.
- the hydrogenated nitrile rubber used may contain other antioxidants besides the phenol-based antioxidants, provided that the purpose of the present invention is not impaired.
- other antioxidants for example, amine-based antioxidants such as styrenated diphenylamine and bis(4-t-octylphenyl)amine are preferably used.
- the hydrogenated nitrile rubber in the hydrogenated nitrile rubber bale of the present invention is characterized by comprising the above repeating units and containing the above antioxidant, and further containing a specific weight average molecular weight (Mw), an iodine value, and specific amounts of Ca and Pd.
- the weight average molecular weight (Mw) of the hydrogenated nitrile rubber in the hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention is in the range of 1,000 to 1,000,000, preferably 2,000 to 500,000, more preferably 4,000 to 400,000, even more preferably 5,000 to 250,000, and most preferably 20,000 to 250,000, as measured in dimethylformamide (DMF) solvent. If the weight average molecular weight (Mw) of the hydrogenated nitrile rubber is in this range, it is preferable because it can increase the dispersion stability of the conductive material dispersion liquid and also increase the peel strength of the resulting electrode.
- DMF dimethylformamide
- the ratio (Mw/Mn) of the weight average molecular weight (Mw) to the number average molecular weight (Mn) of the hydrogenated nitrile rubber in the hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention is not particularly limited, but is usually in the range of 1.2 to 5, preferably 1.5 to 4.5, more preferably 1.8 to 4.3, even more preferably 2.0 to 4.0, and most preferably 2.2 to 3.5, as measured in DMF solvent.
- Mw/Mn of the hydrogenated nitrile rubber is in this range, it is suitable for excellent dispersibility and stability of the conductive material dispersion.
- the Z-average molecular weight (Mz) of the hydrogenated nitrile rubber in the hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention is not particularly limited, but when it is in the range of usually 10,000 to 3,000,000, preferably 20,000 to 2,000,000, more preferably 50,000 to 1,000,000, even more preferably 100,000 to 600,000, and most preferably 120,000 to 300,000, as measured in DMF solvent, it is suitable for achieving excellent dispersibility and stability of the conductive material dispersion and for increasing the peel strength of the electrode.
- the ratio (Mz/Mw) of the Z-average molecular weight (Mz) to the weight-average molecular weight (Mw) of the hydrogenated nitrile rubber in the hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention is not particularly limited, but is usually in the range of 1.5 to 5, preferably 1.5 to 4.5, more preferably 1.5 to 4, even more preferably 1.5 to 3.8, and most preferably 1.5 to 3.5, as measured in DMF solvent.
- Mz/Mw of the hydrogenated nitrile rubber is in this range, it is preferable because the dispersibility and stability of the conductive material dispersion liquid is excellent and the peel strength of the electrode is increased.
- the weight average molecular weight (NMP-Mw) measured using N-methylpyrrolidone (NMP) as a solvent and the weight average molecular weight (DMF-Mw) measured using dimethylformamide (DMF) as a solvent satisfy the relationship NMP-Mw ⁇ DMF-Mw, the dispersibility and stability of the conductive material dispersion liquid using NMP as a solvent can be highly improved.
- the ratio of the weight average molecular weight (NMP-Mw) of the hydrogenated nitrile rubber in the hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention, measured using N-methylpyrrolidone (NMP) as a solvent, to dimethylformamide (DMF) is not particularly limited, but is usually 1 or more, preferably 1.01 or more, more preferably 1.02 or more, even more preferably 1.05 or more, and most preferably 1.1 or more, and the upper limit is not particularly limited, but is usually 3 or less, preferably 2.5 or less, more preferably 2.2 or less, even more preferably 2 or less, and most preferably 1.5 or less.
- NMP-Mw/DMF-Mw of the hydrogenated nitrile rubber is in this range, the dispersibility and stability of the conductive material dispersion using NMP as a solvent can be highly improved.
- the iodine value of the hydrogenated nitrile rubber in the hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention is in the range of 0.1 to 100 mg/100 mg, preferably 1 to 80 mg/100 mg, more preferably 2 to 70 mg/100 mg, even more preferably 5 to 60 mg/100 mg, and most preferably 10 to 40 mg/100 mg.
- the iodine value of the hydrogenated nitrile rubber is also in the range of 100 mg/100 mg or less, preferably 80 mg/100 mg or less, more preferably 60 mg/100 mg or less, even more preferably 40 mg/100 mg or less, and most preferably 25 mg/100 mg or less, with the lower limit being 1 mg/100 mg or more, preferably 2 mg/100 mg or more, more preferably 5 mg/100 mg or more, even more preferably 7.5 mg/100 mg or more, and most preferably 10 mg/100 mg or more.
- the viscosity characteristics of the conductive material dispersion, the peel strength of the electrode, and the output characteristics and cycle characteristics of the electrochemical element are highly balanced, making this an ideal range.
- the Pd content in the hydrogenated nitrile rubber in the hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention is 50 ppm or less, preferably 30 ppm or less, more preferably 10 ppm or less, even more preferably 5 ppm or less, and most preferably 1 ppm or less.
- the Pd content in the hydrogenated nitrile rubber is in this range, cracking of the active material in the electrode is suppressed, and the cycle characteristics of the electrochemical element are improved, which is preferable.
- the Ca content in the hydrogenated nitrile rubber in the hydrogenated nitrile rubber bale of the present invention is in the range of 1 to 2000 ppm, preferably 5 to 1500 ppm, more preferably 10 to 1500 ppm, even more preferably 10 to 1000 ppm, particularly preferably 50 to 800 ppm, and most preferably 100 to 600 ppm.
- the Ca content in the hydrogenated nitrile rubber is also usually 1 ppm or more, preferably 3 ppm or more, more preferably 5 ppm or more, or in the order of 10 ppm or more, 20 ppm or more, 30 ppm or more, 50 ppm or more, 70 ppm or more, 100 ppm or more, 150 ppm or more, 200 ppm or more, 250 ppm or more, and 300 ppm or more.
- the Ca content in the hydrogenated nitrile rubber is usually 2000 ppm or less, 1500 ppm or less, 1200 ppm or less, 1000 ppm or less, 800 ppm or less, 700 ppm or less, 600 ppm or less, and 500 ppm or less, in that order.
- the Ca content in the hydrogenated nitrile rubber is in this range, cracking of the electrode active material in the resulting electrode can be effectively suppressed, and the peel strength of the electrode can be increased.
- the viscosity characteristics of the conductive material dispersion can be increased when the conductive material dispersion is prepared, and the cycle characteristics of the resulting electrochemical element and cracking of the electrode active material after cycle testing can be suppressed, which is preferable.
- the mass ratio (Ca/Cl) of the Ca content to the Cl content in the hydrogenated nitrile rubber in the hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention is not particularly limited, but is usually in the range of 0.01 to 10, preferably 0.1 to 5, more preferably 0.2 to 4, even more preferably 0.5 to 3, and most preferably 0.6 to 2.5.
- the mass ratio of the Ca content to the Cl content in the hydrogenated nitrile rubber is in this range, it is possible to increase the viscosity characteristics of the conductive material dispersion when the conductive material dispersion is prepared, and it is preferable because it can suppress the cycle characteristics of the obtained electrochemical element and cracking of the electrode active material after cycle testing.
- the Na content in the hydrogenated nitrile rubber in the hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention is not particularly limited, but is usually 300 ppm or less, preferably 250 ppm or less, more preferably 200 ppm or less, even more preferably 100 ppm or less, and most preferably 50 ppm or less.
- the Na content in the hydrogenated nitrile rubber is in this range, cracking of the active material in the electrode is suppressed, and the cycle characteristics of the electrochemical element are improved, which is preferable.
- the Mg content in the hydrogenated nitrile rubber in the hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention is not particularly limited, but is usually 50 ppm or less, preferably 30 ppm or less, more preferably 20 ppm or less, even more preferably 10 ppm or less, and most preferably 5 ppm or less.
- the Mg content in the hydrogenated nitrile rubber is in this range, cracking of the active material in the electrode is suppressed, and the cycle characteristics of the electrochemical element are improved, which is preferable.
- calcium chloride As a coagulant and then hydrogenate the isolated polymer.
- Ca calcium (Ca) compounds, those using calcium chloride are preferable because they are easily removed in the subsequent washing and purification processes and can reduce the residues in the hydrogenated nitrile rubber.
- hydrogenated nitrile rubber veils which are made by hydrogenating nitrile rubber obtained by using calcium chloride as a coagulant, are suitable because they have excellent electrode peeling properties for electrochemical elements such as lithium ion secondary batteries, and can prevent deterioration of cycle characteristics and cracking of the active material layer after cycle testing more effectively than when other coagulants are used.
- the hydrogenated nitrile rubber in the hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention is preferably obtained by emulsion polymerizing a nitrile group-containing monomer and a conjugated diene monomer, adding the phenolic antioxidant, and then coagulating the polymer obtained with calcium chloride, and hydrogenating the polymer.
- the effect of the specific antioxidant is much higher and more preferable when the antioxidant is added to the emulsion polymerization liquid obtained by emulsion polymerization of a nitrile group-containing monomer and a conjugated diene monomer to produce hydrogenated nitrile rubber than when the antioxidant is mixed with the hydrogenated nitrile rubber after production.
- the phenolic antioxidant is finely and uniformly dispersed in the hydrogenated nitrile rubber obtained as it is by coagulating the emulsion polymerization liquid in which the phenolic antioxidant is uniformly dispersed with calcium chloride, thereby showing a high effect.
- the addition of the phenolic antioxidant is more preferable when the antioxidant is added to the polymerization liquid containing the nitrile rubber after emulsion polymerization than when the antioxidant is added to the reaction solution containing the hydrogenated nitrile rubber after hydrogenation, since less emulsifier is used and the antioxidant is uniformly dispersed in the hydrogenated nitrile rubber.
- the shape of the hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention is not particularly limited, but is usually a rectangular parallelepiped.
- the size is not particularly limited, but the width is usually in the range of 100 to 800 mm, preferably 200 to 500 mm, and more preferably 250 to 450 mm, the length is usually in the range of 300 to 1200 mm, preferably 400 to 1000 mm, and more preferably 500 to 800 mm, and the height is usually in the range of 50 to 500 mm, preferably 100 to 300 mm, and more preferably 150 to 250 mm.
- the effect of the phenol-based antioxidant is highly enhanced, the stability of the conductive material dispersion is excellent, and the cycle characteristics of the electrochemical element and cracking of the active material after cycle testing can be prevented.
- the moisture content of the hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention is not particularly limited, but is generally excellent in storage stability and is suitable when it is less than 1% by mass, preferably 0.8% by mass or less, and more preferably 0.6% by mass or less.
- the method for producing the hydrogenated nitrile rubber bale is not particularly limited, but for example, the hydrogenated nitrile rubber can be easily produced by adding a phenol-based antioxidant to nitrile rubber, hydrogenating the mixture to produce hydrogenated nitrile rubber, and then baling the hydrogenated nitrile rubber.
- the hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention can also be easily produced by emulsion polymerizing a nitrile group-containing monomer and a conjugated diene monomer, adding a phenolic antioxidant, and then hydrogenating the polymer solidified with calcium chloride, followed by baling.
- the hydrogenated nitrile rubber can be baled in the usual manner.
- the hydrogenated nitrile rubber can be dried and placed in a baler to compress it.
- the compression pressure is selected appropriately depending on the intended use, but is usually in the range of 0.1 to 15 MPa, preferably 0.5 to 10 MPa, and more preferably 1 to 5 MPa.
- the compression time is not particularly limited, but is usually in the range of 1 to 60 seconds, preferably 5 to 50 seconds, and more preferably 10 to 40 seconds.
- dried rubber can be made in sheet form and layered to form a bale. Baling by layering sheets is easy to produce, produces a bale with few air bubbles (high specific gravity), and is suitable for excellent storage stability.
- the polymerization catalyst used in emulsion polymerization is not particularly limited as long as it is one that is commonly used in emulsion polymerization, but for example, a redox catalyst consisting of a radical generator and a reducing agent can be used.
- radical generators include peroxides and azo compounds, and preferably peroxides.
- peroxides inorganic peroxides and organic peroxides can be used.
- the amount of the phenol-based anti-aging agent used may be appropriately selected so as to be the content of the anti-aging agent in the hydrogenated nitrile rubber of the present invention, but is usually in the range of 0.001 to 15 parts by mass, preferably 0.01 to 10 parts by mass, more preferably 0.1 to 5 parts by mass, particularly preferably 0.3 to 3 parts by mass, and most preferably 0.5 to 2 parts by mass, per 100 parts by mass of the monomer component.
- the calcium chloride used is usually used as an aqueous solution, and the coagulant concentration of the aqueous solution is usually in the range of 0.1 to 70% by mass, preferably 1 to 60% by mass, more preferably 5 to 50% by mass, and particularly preferably 10 to 30% by mass, which is suitable for concentrating the particle size of the generated hydrous crumbs uniformly in a specific area.
- the temperature of the water used for washing is not particularly limited, but it is preferable to use warm water, which is usually 40°C or higher, preferably 40 to 100°C, more preferably 50 to 90°C, and most preferably 60 to 80°C, as this significantly improves the washing efficiency.
- warm water which is usually 40°C or higher, preferably 40 to 100°C, more preferably 50 to 90°C, and most preferably 60 to 80°C, as this significantly improves the washing efficiency.
- the cleaning time is usually in the range of 1 to 120 minutes, preferably 2 to 60 minutes, and more preferably 3 to 30 minutes.
- the shape of the dried rubber is not particularly limited, and examples include crumbs, powder, rods, and sheets.
- the moisture content of the dried rubber is less than 1% by mass, preferably 0.8% by mass or less, and more preferably 0.6% by mass or less.
- the hydrogenation step in the method for producing hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention is a step in which the above-obtained polymer is hydrogenated using a hydrogenation catalyst, and may be carried out after subjecting the obtained polymer to metathesis using a ruthenium-based catalyst and a coolefin.
- ruthenium catalyst can be used as a catalyst for the metathesis reaction.
- a Grubbs catalyst such as bis(tricyclohexylphosphine)benzylidene ruthenium dichloride or 1,3-bis(2,4,6-trimethylphenyl)-2-(imidazolidinylidene)(dichlorophenylmethylene)(tricyclohexylphosphine)ruthenium as a catalyst for the metathesis reaction.
- coolefins examples include olefins having 2 to 16 carbon atoms, such as ethylene, isobutane, styrene, and 1-hexane, and functional group-containing unsaturated compounds, such as cis-2-butene-1,4-diol, 3-butene-1-amine, vinyltrimethoxysilane, methoxypolyalkylene glycol methacrylate, and 2-(methacryloyloxy)ethanesulfonic acid, with functional group-containing unsaturated compounds being preferred.
- olefins having 2 to 16 carbon atoms such as ethylene, isobutane, styrene, and 1-hexane
- functional group-containing unsaturated compounds such as cis-2-butene-1,4-diol, 3-butene-1-amine, vinyltrimethoxysilane, methoxypolyalkylene glycol methacrylate, and 2-(methacryloyloxy)ethan
- the amount of coolefin used is usually in the range of 0.1 to 20 parts by mass, preferably 0.5 to 10 parts by mass, and more preferably 1 to 5 parts by mass, per 100 parts by mass of the polymer.
- the polymer concentration in the metathesis reaction is not critical, but is usually in the range of 1 to 20% by weight, preferably 6 to 15% by weight.
- the reaction solution in the metathesis reaction is usually stirred vigorously, for example, at 200 to 1000 rpm, preferably 300 to 900 rpm, and more preferably 500 to 800 rpm.
- the temperature of the metathesis reaction is usually in the range of 20 to 140°C, preferably 60 to 120°C.
- the reaction time depends on many factors, such as the cement concentration, the amount of catalyst used, and the reaction temperature, but is usually complete within 2 hours.
- the progress of the metathesis reaction can be monitored using standard analytical methods, such as GPC or solution viscosity.
- the hydrogenation reaction can be carried out by dissolving the polymer in a solvent and then adding a hydrogenation catalyst.
- the hydrogenation reaction after the above-mentioned metathesis is preferably carried out in the same reaction vessel as that for the metathesis reaction, by adding a hydrogenation catalyst to the vessel without isolating the metathesis product, and then carrying out hydrogenation treatment to produce hydrogenated nitrile rubber.
- the solvent for the hydrogenation reaction can be either an aqueous solvent or an organic solvent, but is preferably an organic solvent.
- Suitable organic solvents include, for example, acetone, methyl ethyl ketone, ethyl acetate, tetrahydrofuran, 1,3-dioxane, benzene, toluene, methylene chloride, chloroform, monochlorobenzene (MCB), and dichlorobenzene.
- MCB is particularly suitable as it is a good solvent for both the nitrile group-containing nitrile rubber before hydrogenation and the hydrogenated nitrile rubber after hydrogenation.
- the hydrogenation catalyst can be any method known in the art without any particular limitations.
- the method described in Japanese Patent No. 6309634 can be used, and it is particularly preferable to use a known homogeneous hydrogenation catalyst such as Wilkinson's catalyst ((PPh 3 ) 3 RhCl).
- the Grubbs catalyst is converted into a dihydride complex (PR 3 ) 2 RuCl 2 H 2 , which is itself an olefin hydrogenation catalyst, in the presence of hydrogen.
- the hydrogenation reaction can be carried out without adding the Wilkinson catalyst, but the hydrogenation rate tends to be slow.
- a ruthenium-based catalyst or a rhodium-based catalyst can be used as the hydrogenation catalyst in the hydrogenation step.
- the amount of hydrogenation catalyst used may be appropriately selected depending on the purpose of use and the iodine value, but is usually in the range of 0.001 to 0.5 parts by mass, preferably 0.005 to 0.1 parts by mass, and more preferably 0.01 to 0.05 parts by mass based on 100 parts by mass of the polymer before hydrogenation.
- cocatalyst in the hydrogenation reaction, can be used as necessary.
- cocatalysts for the Wilkinson catalyst include phosphine, diphosphine, and triphenylphosphine, with triphenylphosphine being preferred.
- These cocatalysts can be used alone or in combination of two or more types, and the amount used is usually in the range of 0.01 to 15 parts by mass, preferably 0.1 to 10 parts by mass, and more preferably 0.5 to 5 parts by mass, based on 100 parts by mass of the polymer to be hydrogenated.
- the polymer concentration in the hydrogenation reaction is not particularly limited as long as the polymer is soluble, but is usually in the range of 1 to 30 mass%, preferably 5 to 25 mass%, and more preferably 7 to 20 mass%.
- the pressure of the hydrogenation reaction is not particularly limited, but is usually in the range of 0.1 to 30 MPa, preferably 1 to 20 MPa, and more preferably 5 to 15 MPa.
- the hydrogenation reaction temperature is usually in the range of 30 to 200°C, preferably 50 to 170°C, and more preferably 100 to 150°C.
- the reaction time is usually 1 to 50 hours, and preferably 2 to 25 hours.
- the hydrogenation reaction can be stopped once the desired hydrogenation level has been reached by depressurizing or cooling the reactor. Residual hydrogen is usually removed with a nitrogen purge.
- the hydrogenation catalyst can also be removed prior to removal of the solvent and isolation of the hydrogenated nitrile rubber from the organic layer.
- impurities in the hydrogenated nitrile rubber can be removed and the material can be used as the positive electrode binder of the present invention.
- a purification step for removing impurities from the hydrogenated polymer (hydrogenated nitrile rubber) is provided after the hydrogenation step.
- Adsorbents are not particularly limited, but examples include activated carbon, ion exchange resins, and synthetic zeolites, with activated carbon being preferred.
- the adsorbent treatment can be carried out by adding an adsorbent to the reaction liquid containing the hydrogenated nitrile rubber after hydrogenation and mixing.
- an adsorbent there are no particular limitations on the amount of adsorbent added, but it is usually in the range of 0.001 to 1 part by mass, preferably 0.05 to 0.5 parts by mass, and more preferably 0.01 to 0.4 parts by mass per 100 parts by mass of hydrogenated nitrile rubber.
- the mixing temperature is usually in the range of room temperature to 80°C, preferably room temperature to 60°C, and the mixing time is usually 1 minute to 1 hour, preferably 20 to 40 minutes.
- the adsorbent After the adsorbent treatment, the adsorbent can be removed by filtration or decantation to obtain a filtrate.
- Refining methods by filtration and decantation include, for example, (i) a method of filtering using a bag filter, cartridge filter, filter paper, membrane filter, etc., after adding an adsorbent as necessary; (ii) a method of using a filter such as a leaf filter, filter press, candle filter, drum filter, etc., forming a cake layer of a filter aid such as diatomaceous earth or perlite, and then draining the filtrate; (iii) a method of removing the metal salts by sedimenting the metal salts formed by the residues and metal ions during polymerization using centrifugation and then removing them from the bottom; etc.
- a filter such as a leaf filter, filter press, candle filter, drum filter, etc.
- the filtrate containing the hydrogenated nitrile rubber from which the impurities have been removed, obtained in the above purification step, can be coagulated to isolate the hydrogenated nitrile rubber as crumbs.
- the coagulation step of the hydrogenated nitrile rubber-containing filtrate is not particularly limited and may be carried out according to a conventional method.
- Specific coagulation methods include contacting with a coagulant and contacting with a large amount of poor solvent, and preferably contacting with a large amount of poor solvent.
- the poor solvent there is no particular limit to the poor solvent, but methanol, water, steam, etc. are preferably used.
- the coagulation reaction may be appropriately selected; for example, the coagulation reaction temperature is usually selected within the range of room temperature to 100°C, and the coagulation reaction time is appropriately selected within the range of several minutes to several hours.
- the hydrogenated nitrile rubber crumbs produced by the coagulation reaction can be washed as necessary.
- the washing method is not particularly limited and may be any conventional method, but washing with a large amount of water is efficient.
- the amount of water used is usually 10 to 500 times, preferably 25 to 250 times, and more preferably 50 to 100 times, per 100 parts by mass of the polymer.
- the temperature of the water used for washing is not particularly limited, but it is preferable to use warm water, and it is usually preferable to use warm water at a temperature of 40°C or higher, preferably 40 to 100°C, more preferably 50 to 90°C, and most preferably 60 to 80°C, since this significantly increases the washing efficiency.
- the temperature of the washing water at or above the lower limit, the emulsifier and coagulant are released from the water-containing crumbs, and the washing efficiency is further improved.
- the hydrogenated nitrile rubber crumb can be isolated by filtration.
- the present invention is characterized in that the hydrogenated nitrile rubber crumbs isolated above are melt-kneaded under reduced pressure using a screw-type extruder, extruded into a sheet-like shape, and dried.
- the sheet-like hydrogenated nitrile rubber obtained by this method has a high bulk density because most of the air has been removed, and when the hydrogenated nitrile rubber veil obtained by laminating the sheet-like hydrogenated nitrile rubber is used as a positive electrode material, it is preferable because it has excellent dispersion stability with a conductive material and prevents peel strength of an electrochemical element electrode, cracking of an active material layer after a cycle test, etc.
- the dehydration of the dehydrated hydrous crumbs in the dehydration barrel is carried out in a dehydration barrel having a dehydration slit.
- the opening of the dehydration slit may be appropriately selected depending on the conditions of use, but when it is in the range of usually 0.1 to 1 mm, preferably 0.2 to 0.6 mm, the loss of the hydrous crumbs is small and the hydrous crumbs can be efficiently dehydrated.
- the number of dehydration barrels in a screw-type extruder is not particularly limited, but typically multiple barrels, preferably 2 to 10 barrels, and more preferably 3 to 6 barrels, are suitable for efficiently dehydrating the sticky hydrogenated nitrile rubber.
- the set temperature of the dehydration barrel is selected appropriately depending on the type of hydrogenated nitrile rubber, the ash content, the water content, the operating conditions, etc., but is usually in the range of 60 to 150°C, preferably 70 to 140°C, and more preferably 80 to 130°C.
- the set temperature of the dehydration barrel for dehydration in a drainage state is usually in the range of 60 to 120°C, preferably 70 to 110°C, and more preferably 80 to 100°C.
- the set temperature of the dehydration barrel for drying in an exhaust steam state is usually in the range of 100 to 150°C, preferably 105 to 140°C, and more preferably 110 to 130°C.
- the moisture content after dehydration in which the moisture is squeezed out of the hydrous crumb, but it is usually 1 to 45% by mass, preferably 1 to 40% by mass, more preferably 5 to 35% by mass, and particularly preferably 10 to 35% by mass.
- the water-containing crumbs dehydrated in the above-mentioned dehydration barrel section are further dried in the drying barrel section under reduced pressure.
- the degree of reduced pressure in the drying barrel may be appropriately selected, but is usually 1 to 50 kPa, preferably 2 to 30 kPa, and more preferably 3 to 20 kPa, which is suitable for efficiently drying the water-containing crumbs.
- the air present therein is also removed, and a sheet-like hydrogenated nitrile rubber having a high bulk density can be produced, which is suitable.
- the set temperature of the drying barrel may be selected as appropriate, but typically, when it is in the range of 100 to 250°C, preferably 110 to 200°C, and more preferably 120 to 180°C, the hydrogenated nitrile rubber can be dried efficiently without discoloration or deterioration.
- the number of drying barrels in a screw-type extruder is not particularly limited, but is usually multiple, preferably 2 to 10, and more preferably 3 to 8.
- the degree of vacuum may be similar for all drying barrels or may be different.
- the set temperature may be similar for all drying barrels or may be different, but it is preferable to make the temperature of the discharge part (closer to the die) higher than the temperature of the introduction part (closer to the dehydration barrel) in order to increase the drying efficiency.
- the moisture content of the dried rubber after drying is usually less than 1% by mass, preferably 0.8% by mass or less, and more preferably 0.6% by mass or less.
- Hydrogenated nitrile rubber extrusion (die section) The hydrogenated nitrile rubber dehydrated and dried in the screw section of the dehydrating barrel and the drying barrel is sent to a screw-free straightening die section.
- a breaker plate or a wire mesh may or may not be provided between the screw section and the die section.
- the resin pressure in the die section is not particularly limited, but a pressure in the range of 0.1 to 10 MPa, preferably 0.5 to 5 MPa, and more preferably 1 to 3 MPa is usually suitable as it reduces air entrapment and provides excellent productivity.
- Screw-type extruder and operating conditions The screw length (L) of the screw-type extruder used may be appropriately selected depending on the purpose of use, but is usually in the range of 2000 to 15000 mm, preferably 2500 to 10000 mm, and more preferably 3000 to 7000 mm.
- the screw diameter (D) of the screw-type extruder used may be selected appropriately depending on the intended use, but is usually in the range of 50 to 250 mm, preferably 70 to 200 mm, and more preferably 80 to 160 mm.
- the ratio (L/D) of the screw length (L) to the screw diameter (D) of the screw-type extruder used is not particularly limited, but is usually in the range of 10 to 150, preferably 15 to 100, more preferably 20 to 80, and particularly preferably 30 to 60, which is suitable for reducing the moisture content to less than 1% by mass without causing a decrease in the molecular weight of the dried rubber or burning.
- the rotation speed (N) of the screw-type extruder used may be selected appropriately depending on the various conditions, but is usually 10 to 1000 rpm, preferably 30 to 800 rpm, more preferably 50 to 600 rpm, and most preferably 100 to 400 rpm.
- the throughput (Q) of the screw extruder used is not particularly limited, but is usually in the range of 100 to 1500 kg/hr, preferably 120 to 1200 kg/hr, more preferably 150 to 1000 kg/hr, and most preferably 200 to 800 kg/hr.
- the ratio (Q/N) of the extrusion rate (Q) to the rotation speed (N) of the screw extruder used is not particularly limited, but is usually in the range of 1 to 10, preferably 1 to 5, and more preferably 1 to 3.
- the shape of the dried rubber extruded from the dried rubber screw-type extruder is not particularly limited, and examples thereof include crumb, powder, rod, and sheet shapes, with the sheet shape being particularly preferred.
- the temperature of the dried rubber extruded from the screw extruder is not particularly limited, but is usually in the range of 100 to 200°C, preferably 110 to 180°C, and more preferably 120 to 160°C.
- the moisture content of the dried rubber extruded from the screw-type extruder is less than 1% by mass, preferably 0.8% by mass or less, and more preferably 0.6% by mass or less.
- the sheet-like dry rubber extruded from the screw-type extruder can be cut as required and stacked to form a bale.
- Layering the sheet-like dry rubber to form a bale is preferable because it is easy to produce, produces a bale with fewer bubbles (high bulk density), and enhances the effect of the antioxidant.
- the width of the sheet-like dry rubber extruded from the screw-type extruder is selected appropriately depending on the intended use, but is usually in the range of 300 to 1200 mm, preferably 400 to 1000 mm, and more preferably 500 to 800 mm.
- the thickness of the sheet-like dry rubber extruded from the screw-type extruder is usually in the range of 1 to 40 mm, preferably 2 to 35 mm, more preferably 3 to 30 mm, and most preferably 5 to 25 mm.
- the temperature of the sheet-like dried rubber extruded from the screw-type extruder is not particularly limited, but is usually in the range of 100 to 200°C, preferably 110 to 180°C, and more preferably 120 to 160°C.
- the dry rubber sheet is usually cut when the temperature drops to below 60°C, preferably below 55°C, and more preferably below 50°C.
- the length of the cut dry rubber sheet may be selected appropriately according to the size of the hydrogenated nitrile rubber bale to be produced, but it is usually in the range of 100 to 800 mm, preferably 200 to 500 mm, and more preferably 250 to 450 mm.
- the dry rubber sheets are laminated and integrated into a bale.
- the lamination temperature for the dry rubber sheets, but a temperature of 30°C or higher, preferably 35°C or higher, and more preferably 40°C or higher, is usually suitable to allow air trapped during lamination to escape.
- the number of layers can be appropriately selected depending on the size or weight of the hydrogenated nitrile rubber bale.
- the hydrogenated nitrile rubber veil of the present invention can be obtained, which has excellent dispersibility and stability in the conductive material dispersion liquid, and can improve the electrode peel strength, output characteristics, cycle characteristics, and electrode active material layer cracking after cycle testing of electrochemical elements.
- the positive electrode material of the present invention is characterized by using the above hydrogenated nitrile rubber veil.
- hydrogenated nitrile rubber veil When hydrogenated nitrile rubber veil is used as a positive electrode material, it is usually used after being broken down into small pieces and dissolved or dispersed in a solvent.
- the positive electrode binder of the present invention is prepared by dissolving or dispersing the hydrogenated nitrile rubber veil in N-methylpyrrolidone (NMP), and is suitable as a material for manufacturing positive electrodes of electrochemical elements.
- NMP N-methylpyrrolidone
- the positive electrode binder of the present invention has excellent viscosity characteristics (dispersibility) and stability of the conductive material dispersion when mixed with a conductive material to form a conductive material dispersion, so that the electrodes manufactured are smooth and have increased electrical conductivity and peel strength, and are also effective in suppressing the output characteristics and cycle characteristics of electrochemical elements and cracking of the electrode active material after cycle testing.
- the positive electrode binder of the present invention can be combined with other components as necessary.
- the other components are not particularly limited, but examples include binders other than hydrogenated nitrile rubber (polyvinylidene fluoride, polyacrylate, etc.), reinforcing materials, leveling agents, viscosity adjusters, and electrolyte additives. These are not particularly limited as long as they do not affect the battery reaction, and known substances can be used.
- the positive electrode binder of the present invention may also contain a solvent other than NMP to the extent that the characteristics of the present invention are not impaired. Note that these other components may be used alone, or two or more may be combined in any ratio.
- the solid content of the binder for a positive electrode of the present invention is not particularly limited, but is usually in the range of 0.1 to 40 mass %, preferably 0.5 to 20 mass %, more preferably 1 to 10 mass %, and further preferably 2 to 8 mass %.
- the hydrogenated nitrile rubber veil, NMP and other components used as required may be mixed in a conventional manner.
- the positive electrode binder of the present invention can be used in the manufacture of a positive electrode by mixing it with a conductive material and then mixing it with a positive electrode active material to obtain a positive electrode mixture layer slurry, which can be applied onto a current collector and dried.
- the conductive material is a component that functions to ensure electrical contact between electrode active materials.
- a carbonaceous material can be suitably used.
- carbonaceous materials include carbon black (e.g., acetylene black, Ketjen Black (registered trademark), furnace black, etc.), single-layer or multi-layer carbon nanotubes (multi-layer carbon nanotubes include cup-stack type), carbon nanohorns, vapor-grown carbon fibers, milled carbon fibers obtained by crushing polymer fibers after baking, single-layer or multi-layer graphene, and carbon nonwoven fabric sheets obtained by baking nonwoven fabric made of polymer fibers. Note that these may be used alone or in combination of two or more types in any ratio. Among these, carbon nanotubes (CNTs) are preferable from the viewpoint of forming a good conductive path.
- the ratio of the conductive material to the positive electrode binder is not particularly limited.
- the conductive material and the positive electrode binder may be mixed, for example, in such a way that the resulting conductive material dispersion contains typically 1 to 100 parts by mass, preferably 5 to 50 parts by mass, and more preferably 10 to 30 parts by mass of hydrogenated nitrile rubber veil per 100 parts by mass of conductive material.
- NMP can be added as necessary to adjust the viscosity.
- the method for mixing the positive electrode binder of the present invention and the conductive material is not particularly limited, and for example, they can be mixed using a known mixing device.
- the positive electrode active material is not particularly limited, but when the electrochemical element is a lithium ion secondary battery, a metal oxide containing lithium (Li) can be used.
- the positive electrode active material is preferably a positive electrode active material containing at least one selected from the group consisting of cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn) and iron (Fe) in addition to lithium (Li).
- positive electrode active materials examples include lithium-containing cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), lithium-containing nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium-containing composite oxides of Co—Ni—Mn, lithium-containing composite oxides of Ni—Mn—Al, lithium-containing composite oxides of Ni—Co—Al, olivine-type lithium manganese phosphate (LiMnPO 4 ), olivine-type lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), lithium-excess spinel compounds represented by Li 1+x Mn 2-x O 4 (0 ⁇ x ⁇ 2), Li[Ni 0.17 Li 0.2 Co 0.07 Mn 0.56 ]O 2 , LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , Li[Ni 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 ]O 2.
- the particle size of the positive electrode active material is not particularly limited and can be the same as that of a conventionally used electrode active material.
- the positive electrode active material may be used alone or
- the positive electrode active material can be mixed with the mixture of the positive electrode binder and conductive material to form a positive electrode composite layer slurry.
- the mixing method is not particularly limited, and can be performed using a known mixing device.
- the amount of the positive electrode active material is not particularly limited, and can be within the range that has been conventionally used.
- a positive electrode using the positive electrode binder of the present invention can be obtained by applying the positive electrode mixture layer slurry onto a current collector and drying it. Since the positive electrode mixture layer is formed containing the hydrogenated nitrile rubber described above, it has excellent flexibility and electrode peel strength, and the occurrence of cracking of the active material is reduced.
- the weight average molecular weight (Mw), weight average molecular weight (Mw)/number average molecular weight (Mn), Z average molecular weight (Mz), and Z average molecular weight (Mz)/weight average molecular weight (Mw) of the hydrogenated nitrile rubber were measured by gel permeation chromatography (GPC) using an N-methylpyrrolidone (NMP) solution under the following measurement conditions.
- Viscosity change rate ⁇ is 70% or more and less than 80%, or 120% or more and less than 130%.
- D Viscosity change rate ⁇ is 60% or more and less than 70%, or 130% or more and less than 140%.
- E Viscosity change rate ⁇ is less than 60%, or 140% or more.
- Tables 1-1 and 1-2 are divided tables, and in this specification, Tables 1-1 and 1-2 are collectively referred to as Table 1.
- 20 parts (20 kg) of the isolated nitrile rubber A were filled into a baler of 300 ⁇ 650 ⁇ 300 mm and pressed at a pressure of 3 MPa for 30 seconds to obtain nitrile rubber bale A.
- the hydrogenated nitrile rubber bale A was measured in the same manner as the hydrogenated nitrile rubber A, the measured values were the same.
- 920 parts of NMP was weighed out into a 2 L container equipped with a stirring blade and heated to 80° C.
- 80 parts of hydrogenated nitrile rubber A cut into pieces of about 1 cm square from the hydrogenated nitrile rubber bale A produced above was added and dissolved while continuing to stir for 5 hours, thereby preparing a positive electrode binder A with a solid content concentration of 8%.
- a ternary active material LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 ) having a layered structure as a positive electrode active material (average particle size: 10 ⁇ m )
- 1.0 parts of polyvinylidene fluoride as a binder 1.0 parts of the above-mentioned conductive material dispersion (solid content equivalent amount), and NMP were added, and mixed with a planetary mixer (60 rpm, 30 minutes) to prepare a positive electrode slurry.
- the amount of NMP added was adjusted so that the viscosity of the obtained positive electrode slurry (measured with a single cylindrical rotational viscometer in accordance with JIS Z8803:1991. Temperature: 25 ° C., rotation speed: 60 rpm) was within the range of 4000 to 5000 mPa s.
- a 20 ⁇ m thick aluminum foil was prepared as a current collector.
- the above positive electrode slurry was applied to the aluminum foil with a comma coater so that the weight per unit area after drying was 20 mg/cm 2 , and then dried at 120° C. for 5 minutes and 130° C. for 5 minutes, and then heated at 60° C. for 10 hours to obtain a positive electrode raw sheet.
- This positive electrode raw sheet was rolled with a roll press to produce a sheet-shaped positive electrode consisting of a positive electrode composite layer with a density of 3.5 g/cm 3 and aluminum foil.
- This sheet-shaped positive electrode was cut to a width of 4.8 cm and a length of 50 cm to obtain a positive electrode for a lithium ion secondary battery.
- the mixture was cooled to stop the polymerization reaction, and a mixture containing a particulate binder (styrene-butadiene copolymer) was obtained.
- a mixture containing a particulate binder styrene-butadiene copolymer
- the unreacted monomer was removed by heating and vacuum distillation.
- the mixture was then cooled to 30 ° C. or less to obtain an aqueous dispersion containing a binder for the negative electrode.
- ion-exchanged water was added to obtain a viscosity of 3000 ⁇ 500 mPa ⁇ s (measured with a B-type viscometer at 25°C and 60 rpm), to prepare a slurry for the negative electrode composite layer.
- a copper foil having a thickness of 15 ⁇ m was prepared as a current collector.
- the above-mentioned negative electrode slurry was applied to both sides of the copper foil so that the coating amount after drying was 10 mg/cm 2 , and then dried at 80 ° C for 5 minutes and at 120 ° C for 5 minutes to obtain a negative electrode raw sheet.
- This negative electrode raw sheet was rolled with a roll press to produce a sheet-shaped negative electrode consisting of a negative electrode composite layer (both sides) having a density of 1.6 g/cm 3 and copper foil. Then, the sheet-shaped negative electrode was cut to a width of 5.0 cm and a length of 52 cm to obtain a negative electrode for a lithium ion secondary battery.
- the positive electrode for lithium ion secondary battery and the negative electrode for lithium ion secondary battery thus prepared were arranged so that the electrode mixture layers faced each other, and a separator (a microporous film made of polyethylene) having a thickness of 15 ⁇ m was interposed between them, and the electrodes were wound using a core having a diameter of 20 mm to obtain a wound body.
- the wound body thus obtained was then compressed in one direction at a speed of 10 mm/sec until the thickness became 4.5 mm.
- the wound body after compression had an elliptical shape in a plan view, and the ratio of the major axis to the minor axis (major axis/minor axis) was 7.7.
- additive containing 2 vol% vinylene carbonate (solvent ratio)
- the compressed wound body was then placed in an aluminum laminate case together with 3.2 g of non-aqueous electrolyte.
- a nickel lead wire was then connected to a designated location on the negative electrode, and an aluminum lead wire was connected to a designated location on the positive electrode, after which the opening of the case was sealed with heat to obtain a lithium-ion secondary battery.
- This lithium-ion secondary battery was a pouch-shaped battery of a designated size capable of containing the wound body, and had a nominal capacity of 700 mAh.
- the resulting lithium-ion secondary batteries were evaluated for output characteristics, cycle characteristics, and cracking of the electrode active material after cycling. The results are shown in Table 1.
- Example 2 Except for changing the amount of activated carbon used in the purification step to 0.5 parts, hydrogenated nitrile rubber B and hydrogenated nitrile rubber veil B were obtained in the same manner as in Example 1, and positive electrode binder B was produced. The characteristics of electrochemical devices using hydrogenated nitrile rubber B and positive electrode binder B were evaluated, and the results are shown in Table 1.
- Example 3 Except for changing the amount of activated carbon used in the purification step to 0.08 parts, hydrogenated nitrile rubber C and hydrogenated nitrile rubber bale C were obtained in the same manner as in Example 1, and positive electrode binder C was produced. The characteristics of electrochemical devices using hydrogenated nitrile rubber C and positive electrode binder C were evaluated, and the results are shown in Table 1.
- Example 4 Except for changing the amount of activated carbon used in the purification step to 0.07 parts, hydrogenated nitrile rubber D and hydrogenated nitrile rubber veil D were obtained in the same manner as in Example 1, and positive electrode binder D was produced. The characteristics of electrochemical devices using hydrogenated nitrile rubber D and positive electrode binder D were evaluated, and the results are shown in Table 1.
- Example 5 Except for changing the amount of activated carbon used in the purification step to 0.05 parts, hydrogenated nitrile rubber E and hydrogenated nitrile rubber veil E were obtained in the same manner as in Example 1, and positive electrode binder E was produced. The characteristics of electrochemical devices using hydrogenated nitrile rubber E and positive electrode binder E were evaluated, and the results are shown in Table 1.
- Example 6 Except for changing the amount of activated carbon used in the purification step to 0.02 parts, hydrogenated nitrile rubber F and hydrogenated nitrile rubber veil F were obtained in the same manner as in Example 1, and positive electrode binder F was produced. The characteristics of electrochemical devices using hydrogenated nitrile rubber F and positive electrode binder F were evaluated, and the results are shown in Table 1.
- Example 7 Except for changing the amount of Grubbs catalyst in the metathesis reaction to 500 ppm, hydrogenated nitrile rubber G and hydrogenated nitrile rubber veil G were obtained in the same manner as in Example 1. The characteristics of the electrochemical device using hydrogenated nitrile rubber G and positive electrode binder G were evaluated, and the results are shown in Table 1.
- Example 8 Except for changing the amount of Grubbs catalyst in the metathesis reaction to 400 ppm, hydrogenated nitrile rubber H and hydrogenated nitrile rubber veil H were obtained in the same manner as in Example 1. The characteristics of electrochemical devices using hydrogenated nitrile rubber H and positive electrode binder H were evaluated, and the results are shown in Table 1.
- Example 9 Except for changing the amount of Grubbs catalyst in the metathesis reaction to 200 ppm, hydrogenated nitrile rubber I and hydrogenated nitrile rubber veil I were obtained in the same manner as in Example 1. The characteristics of the electrochemical device using hydrogenated nitrile rubber I and positive electrode binder I were evaluated, and the results are shown in Table 1.
- the viscosity characteristics (dispersibility) of the conductive material dispersion correlate with the Ca content in the hydrogenated nitrile rubber, and the higher the Ca content, the higher the viscosity and the worse the dispersibility (comparison between Examples 1 to 6). It can also be seen that the dispersibility of the conductive material dispersion is greatly affected by the iodine value of the hydrogenated nitrile rubber, and as the iodine value increases, the viscosity of the dispersion rises sharply (comparison between Examples 7 to 9).
- the stability of the conductive material dispersion is greatly affected by the presence or absence of dibutylhydroxytoluene (BHT), a phenolic antioxidant, and Table 1 shows that the stability is extremely deteriorated if it is not present (comparison between Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 3). It is presumed that this is because, if the phenolic antioxidant is not present, oxygen radicals are generated in the hydrogenated nitrile rubber during heating and drying, and these oxygen radicals react with the active sites on the conductive material surface and crosslink, thereby deteriorating the stability.
- BHT dibutylhydroxytoluene
- the bulk density of the hydrogenated nitrile rubber bales M to U was large, at 0.85 g/cm 3 or more, and when positive electrode binders M to U were produced in the same manner as in Examples 1 to 9 and performance evaluation was performed, none of the performances were enough to change the evaluation level, but the results exceeded all the results of Examples 1 to 9. In particular, the stability evaluation value of the conductive material dispersion liquid was significantly improved. In addition, when the evaluation was performed five times on average, the results were good with little variation.
- the screw-type extruder used in Examples 10 to 18 was composed of one feed barrel, three dehydration barrels (first to third dehydration barrels), five drying barrels (first to fifth drying barrels), and a die section, and the operating conditions of the screw-type extruder were as follows:
- the characteristic values of the hydrogenated nitrile rubber bales M to U produced above were significantly improved in bulk density compared to the hydrogenated nitrile rubber bales A to I produced in Examples 1 to 9, but the molecular weight of the constituent hydrogenated nitrile rubber, iodine value, antioxidant content, various metal contents, and chlorine content remained unchanged.
- a positive electrode binder that can improve the viscosity characteristics and stability of a conductive material dispersion, as well as increase the electrode peel strength and the ability to prevent active material cracking, thereby improving the cycle characteristics and output characteristics of an electrochemical element.
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Abstract
電気化学素子用電極を製造する場合の、導電材分散液の粘度特性(分散性)や安定性に優れ、製造される電極のピール強度や、電気化学素子の出力特性、サイクル特性及びサイクル試験後の電極活物質割れ抑制効果等を高められる水素化ニトリルゴムベールを提供する。本発明に係る水素化ニトリルゴムベールは、ニトリル基含有単量体単位と、共役ジエン単量体単位及び/又はアルキレン構造単位とを含み、重量平均分子量(Mw)が1,000~1,000,000、ヨウ素価が0.1~100mg/100mgの範囲であり、フェノール系老化防止剤を含み、且つパラジウム(Pd)含有量が50ppm以下で、カルシウム(Ca)含有量が1~2000ppmの範囲である水素化ニトリルゴムからなる。
Description
本発明は、導電材分散液の粘度特性(分散性)や安定性に優れ、製造した正極のピール強度やサイクル試験後の活物質割れ抑制効果を高め、電気化学素子の出力特性やサイクル特性を高めうる、正極材料に有用な水素化ニトリルゴムベール、その製造方法、該水素化ニトリルゴムベールを用いてなる正極材料、正極用バインダー、正極及びその製造方法に関する。
リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ及び電気二重層キャパシタなどの電気化学素子は、小型で軽量、且つエネルギー密度が高く、更に繰り返し充放電が可能という特性があり、幅広い用途に使用されている。そのため、近年では、電気化学素子の更なる高性能化を目的として、電極などの電池部材の改良が検討されている。
ここで、電気化学素子に用いられる電極は、通常、集電体と、集電体上に形成された電極合材層とを備えている。そして、この電極合材層は、例えば、電極活物質と導電材と結着材などとを含むスラリーを集電体上に塗布し、塗布したスラリーを乾燥させることにより形成される。
そこで、近年では、電気化学素子の更なる性能の向上を達成すべく、電極合材層の形成に用いられる結着材の改良が試みられている。例えば、結着材として、ニトリル基含有単量体単位を含む重合体を用いる正極バインダーの技術検討が行われている。
例えば、特許文献1(特開2018-160421号公報)には、共役ジエン単量体単位及び/又はアルキレン構造単位と、ニトリル基含有単量体単位とを含む重合体と有機溶媒とを含み、固形分濃度10質量%における溶液濁が1~80であるピール強度と二次電池出力特性とのバランスに優れるバインダー組成物が開示されている。具体的には、アクリロニトリルと1,3-ブタジエンとを乳化重合したニトリルゴムラテックスを1質量%の塩化カルシウム水溶液に加え凝固し、水洗濾別後に真空乾燥してニトリルゴムを得、得られたニトリルゴムをルテニウム系Grubbs触媒とコオレフィンとしてのエチレンとで複分解をしたのちに、ロジウム系Wilkinson触媒でヨウ素価5mg/100mgを終点として水素化反応を行い、次いで平均直径15μmの活性炭を0.2部加え30分間攪拌しカルシウムイオン濃度1000ppm,ヨウ素価5mg/100mgの水添重合体を得ている。そして、N-メチルピロリドン(NMP)を加え減圧下で水を蒸発させて水添重合体の溶液濁度20のNMP溶液を得てバインダー組成物としてポリフッ化ビニリデン(溶液粘度5kPa・s)1.6部と水添重合体0.4とからなるバインダー組成物を用いて電極を作製している。しかしながら、導電材分散液の安定性に劣り、電気化学素子電極が作りづらい問題があり、また、電極のピール強度やサイクル試験後の電極活物質割れ抑制の効果をさらに高めたい要望があった。
特許文献2(特許第6911985号)には、α、β-エチレン性不飽和ニトリル単量体単位と特定アルキレン構造単位を含有し動的光散乱測定を行った場合の体積平均粒子径Dが50~800nmであり、5μm~30μmの範囲に検出される少なくとも1つのピークの重合体と導電性炭素材料と含むレート特性と高温保存安定性に優れる電気化学素子が開示され、具体的には、アクリロニトリルと1,3-ブタジエンとを共重合して老化防止剤としてジブチルヒドロキシトルエン(BHT)を添加した後に重合体100部に対して3部となる量の塩化カルシウム25質量%水溶液を加え凝固し、50倍量のイオン交換水を通水して水洗した後に、パラジウム触媒を用いて水素化反応後にパラジウム触媒を濾別しヨウ素価5mg/100mgと55mg/100mgの重合体を得、NMPに溶解させて正極バインダーに使用している。しかしながら、ここでの正極バインダーでは、分散材分散液の分散性や電極のピール強度を高め、電気化学素子の出力特性、サイクル特性及びサイクル試験後の電極活物質割れ抑制効果等をさらに高めることが望まれている。
特許文献3(WO2022/163769号公報)には、正極、負極、電解液、及びセパレータを備え、正極が、集電体上に、正極活物質、導電材及びニトリル基含有単量体単位と共役ジエン単位及びアルキレン構造単位の少なくとも1方を含む重合体Aを含む正極合材層が形成された電解液移動性に優れた非水系二次電池が開示されている。重合体Aの具体例としては、アクリロニトリルと1,3-ブタジエンを乳化重合した乳化重合液にジブチルヒドロキシトルエン(BHT)を添加したのちに25質量%塩化カルシウム水溶液を加え凝固させ、次いでパラジウム触媒を用いて水素化した後に、パラジウム触媒を濾別してヨウ素価20mg/100mgの水素化重合体を得ている。しかしながら、かかる水素化重合体を含有する正極バインダーでは、導電材分散液の分散性に劣り、製造される電気化学素子の出力特性、サイクル特性及びサイクル試験後に活物質割れが生じる等の問題があった。
特許文献4(WO2007/049651号公報)には、圧縮永久ひずみや動的発熱の小さな架橋物を与え加工性に優れるα、β-エチレン性不飽和ニトリル単量体単位の含有量が10~60重量%でヨウ素価が120以下であり、マグネシウム、カルシウム及びアルミニウムの合計量が2000ppm以下であるカルボキシル基含有ニトリルゴムが開示されている。具体的なカルボキシル基含有ニトリルゴムとしては、アクリロニトリル、フマル酸モノn-ブチル、及びブタジエンを乳化重合して次いでパラジウム触媒で水素化したニトリル基含有飽和共重合体ゴムのラテックに硫酸マグネシウム水溶液を加え、凝固後に、濾過と水洗を3回繰り返した後に、遠心分離機にかけてゴム中に含まれる硫酸マグネシウム水溶液を除去し60℃で12時間真空乾燥して、マグネシウム量が1~2ppm、カルシウム量が1ppm、アルミニウム量が1ppmであるニトリルゴムを得ている。しかしながら、ここで得られるニトリルゴムは、導電材分散液の安定性や、電気化学素子に用いた場合に電極ピール強度やサイクル試験後の活物質層割れ等に関してさらなる改善が望まれている。
特許文献5(特開2009-179686号公報)には、カルボキシル基含有ニトリルゴムのラテックスから、カルボキシル基含有ニトリルゴムを回収する方法において、少なくとも凝固ゾーンが形成されたバレルの内部にスクリューが回転駆動自在に配置されている押出機を用いる方法が開示されている。具体的には、上記特許文献4に準じて乳化重合法により得られたカルボキシル基含有ニトリルゴムのラテックス(アクリロニトリル単量体単位:34重量%、ブタジエン単量体単位:59重量%、マレイン酸n-モノブチル単量体単位:7重量%、ヨウ素価:10、固形分濃度:10.8重量%)と、凝固液としての硫酸マグネシウム水溶液(凝固剤濃度:5質量%)を準備して、凝固ゾーン、排水ゾーン、洗浄・脱水ゾーン及び乾燥ゾーンを備えたスクリュー型押出機を用いて凝固と排水と洗浄・脱水と乾燥を行い、ムーニー粘度40のシート状のカルボキシル基含有ニトリルゴムを回収している。しかしながら、正極用バインダーとして好適な、導電材分散液の安定性、電気化学素子に用いた場合に電極ピール強度やサイクル試験後の活物質層割れ等を改善できる重合体が望まれている。
本発明は、かかる実状に鑑みてなされたものであり、電気化学素子用電極を製造する場合の、導電材分散液の粘度特性(分散性)や安定性に優れ、製造される電極のピール強度や、電気化学素子の出力特性、サイクル特性及びサイクル試験後の電極活物質割れ抑制効果等を高められる、正極材料に有用な水素化ニトリルゴムベール及びその製造方法、該水素化ニトリルゴムベールを用いてなる正極材料、正極用バインダー、正極及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者は、上記課題に鑑み鋭意研究した結果、ニトリル基含有単量体単位と共役ジエン単量体単位及び/又はアルキレン構造単位とからなり特定量のヨウ素価と重量平均分子量(Mw)を有し且つフェノール系老化防止剤を含有し、しかもパラジウム(Pd)含有量やカルシウム(Ca)含有量が特定範囲である水素化ニトリルゴムからなる水素化ニトリルゴムベールを正極材料に用いると、電気化学素子製造において、導電材と混合すると導電材分散液の粘度特性や安定性を高め、製造される電極のピール強度やサイクル試験後の活物質の割れを抑制し、電気化学素子の出力特性やサイクル特性を向上させることを見出した。また、本発明者らは、正極用バインダーにベール化した水素化ニトリルゴムベールを用いることにより本発明の正極用バインダーの効果がばらつきなく発現でき好適であることを見出した。
本発明者らは、また、水素化ニトリルゴム中の水素化触媒由来のPd、Rh、Ru、及びその他反応副材料由来のMgやNaの含有量を制限した水素化ニトリルゴムからなる水素化ニトリルゴムベールを正極材料として使用することで、さらに、導電材と混合すると導電材分散液の粘度特性や安定性を高め、製造される電極のピール強度やサイクル試験後の活物質の割れを抑制し、電気化学素子の出力特性やサイクル特性を向上させることを見出した。
本発明者らは、また、水素化ニトリルゴムベールとして、凝固剤として塩化カルシウムを用いることにより、他の凝固剤を用いた場合よりもリチウムイオン二次電池等の電気化学素子の電極ピール特性に優れ且つサイクル特性悪化やサイクル試験後の活物質層割れを防げることを見出した。
本発明者らは、水素化ニトリルゴムベールが、ニトリル基含有単量体と共役ジエン単量体とを乳化重合して塩化カルシウムで凝固した重合体(ニトリルゴム)を水素化して得たものであり、それを正極材料として使用することで、導電材分散液を調製した場合に導電材分散液の粘度特性(分散性)を高めることができるとともに、得られる電極中のサイクル試験後の電極活物質割れを抑制し、電気化学素子のサイクル特性を格段に高められることを見出した。
本発明者らは、また、水素化ニトリルゴムベールが、ニトリル基含有単量体と共役ジエン単量体とを乳化重合した後に特定なフェノール系老化防止剤を加えた乳化重合液を塩化カルシウムで凝固して重合体を得てから水素化したものであり、それを正極材料として使用することで、電材分散液を調製した場合に導電材分散液の粘度特性や安定性を格段に高めることができるとともに、得られる電極中のサイクル試験後の電極活物質割れを抑制し、電気化学素子の出力特性やサイクル特性を格段に高められることを見出した。特に、フェノール系老化防止剤を、水素化ニトリルゴムのラテックスに添加するよりも、水素化前のニトリルゴムのラテックスに添加する方が、重合体中での均一分散が可能で、使用する乳化剤量を低減でき、導電材分散液の安定性を高め、リチウムイオン二次電池のサイクル特性やサイクル試験後の活物質層の割れを防げることを見出した。
本発明者らは、また、特定な老化防止剤を含有する水素化ニトリルゴムベールとすることで、導電材分散液の安定性を格段に高められること、そして、水素化ニトリルゴムベールの嵩比重を高め内在する空気量をできる限り低減すると、導電材との分散液の安定性をさらに高められ、電極活物質の割れ防止や電気化学素子の様々な特性を向上できることを見出した。本発明者らは、導電材分散液の安定性が、水素化ニトリルゴム内に生じる酸素ラジカルに影響され電材表面の活性点と反応や架橋することで悪化すること、そして、それら酸素ラジカルの生成や反応に対して、フェノール系老化防止剤や空気が内在しない状態が良好に働いたものと推察している。また、本発明者らは、嵩比重の高い水素化ニトリルゴムベールが、スクリュー型押出機を用いて減圧下で溶融混錬してシート状に押し出し、次いで押し出された水素化ニトリルゴムのシートを積層することで容易に得られることを見出した。
本発明者らは、また、水素化ニトリルゴム中のカルシウム(Ca)量をさらに制限し、また、塩素(Cl)量及びカルシウム(Ca)含有量と塩素(Cl)含有量との質量比(Ca/Cl)を特定することで、さらに、導電材分散液を調製した場合に導電材分散液の粘度特性(分散性)を高めることができるとともに、得られる電極中のサイクル試験後の電極活物質割れを抑制し、電気化学素子のサイクル特性を格段に高められることを見出した。
本発明者らは、また、水素化ニトリルゴムの重量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)との比(Mw/Mn)やZ平均分子量(Mz)と重量平均分子量(Mw)との比(Mz/Mw)が特定にすることで、サイクル特性を良好にするために水素化ニトリルゴムの重量平均分子量(Mw)を小さくしても、ピール強度等の特性が低下するのを防げることを見出した。
本発明者らは、また、水素化ニトリルゴムのニトリル基含有単量体と共役ジエン単量体由来の構成単位が特定割合以上であるときに、導電材分散液の分散安定性を高め、電気化学素子の出力特性やサイクル特性を向上させることを見出した。
本発明者らは、さらに、かかる電気化学素子の製造に優れた正極用バインダーが、特定の特性や特定な老化防止剤や金属含有量を有する水素化ニトリルゴムベールをN-メチルピロリドン(NMP)で溶解又は分散させることで容易に製造でき、導電材と混合すると導電材分散液の粘度特性や安定性を高めること、及び該正極用バインダーを用いることで製造される電極のピール強度やサイクル試験後の活物質の割れを抑制し、電気化学素子の出力特性やサイクル特性を向上できることを見出した。
本発明者らは、また、水素化ニトリルゴムの溶媒中で測定される重量平均分子量(Mw)において、溶媒をNMPとして測定される重量平均分子量(NMP-Mw)と溶媒をDMFとして測定される重量平均分子量(DMF-Mw)とが、NMP-Mw≧DMF-Mwの関係にある水素化ニトリルゴムからなる水素化ニトリルゴムベールが、正極バインダーとしての上記特性をより高められることを見出した。
本発明者らは、これら知見に基づいて本発明を完成するに至ったものである。
かくして本発明によれば、ニトリル基含有単量体単位と、共役ジエン単量体単位及び/又はアルキレン構造単位とを含み、重量平均分子量(Mw)が1,000~1,000,000、ヨウ素価が0.1~100mg/100mgの範囲であり、フェノール系老化防止剤を含み、且つパラジウム(Pd)含有量が50ppm以下で、カルシウム(Ca)含有量が1~2000ppmの範囲である水素化ニトリルゴムからなる水素化ニトリルゴムベールが提供される。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおいて、前記カルシウム(Ca)含有量が10ppm以上1500ppm以下であることが好ましい。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおいて、前記フェノール系老化防止剤の含有量が0.001~2質量%の範囲であることが好ましい。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおいて、前記水素化ニトリルゴム中のパラジウム(Pd)含有量が10ppm以下であることが好ましい。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおいて、さらに、前記水素化ニトリルゴム中のロジウム(Rh)及び/またはルテニウム(Ru)含有量が0.5~50ppmの範囲であることが好ましい。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおいて、さらに、前記水素化ニトリルゴム中のナトリウム(Na)含有量が300ppm以下、マグネシウム(Mg)含有量が50ppm以下であることが好ましい。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおいて、前記水素化ニトリルゴムが、ニトリル基含有単量体と共役ジエン単量体とを乳化重合して塩化カルシウムで凝固した重合体を水素化して得られるものであることが好ましい。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおいて、前記水素化ニトリルゴムが、ニトリル基含有単量体と共役ジエン単量体とを乳化重合してフェノール系老化防止剤を加えてから塩化カルシウムで凝固し得られる重合体を水素化して得られるものであることが好ましい。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおいて、前記水素化ニトリルゴムがスクリュー型押出機で乾燥されたものであることが好ましい。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおいて、嵩比重が0.8g/cm3以上であることが好ましい。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおいて、前記ニトリル基含有単量体単位と、共役ジエン単量体単位及び/又はアルキレン構造単位との前記水素化ニトリルゴム中の合計割合が95質量%以上であることが好ましい。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおいて、さらに、前記水素化ニトリルゴム中の塩素(Cl)含有量が、3000ppm以下であり、前記カルシウム(Ca)含有量との質量比(Ca/Cl)が、0.01~10の範囲であることが好ましい。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおいて、前記水素化ニトリルゴムの重量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)との比(Mw/Mn)が、1.2~5の範囲であり、Z平均分子量(Mz)と重量平均分子量(Mw)との比(Mz/Mw)が、1.5~5の範囲であることが好ましい。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおいて、前記水素化ニトリルゴムのNMPを溶媒として測定される重量平均分子量(NMP-Mw)とDMFを溶媒として測定される重量平均分子量(DMF-Mw)とが、NMP-Mw≧DMF-Mwの関係にあることが好ましい。
本発明によれば、また、ニトリルゴムにフェノール系老化防止剤を添加し水素化して水素化ニトリルゴムを製造し、次いで前記水素化ニトリルゴムをベール化する上記水素化ニトリルゴムベールの製造方法が提供される。
本発明の水素化ニトリルゴムベールの製造方法において、前記ベール化をベーラーを用いて0.1~15MPaの圧力で行うことが好ましい。
本発明によれば、また、ニトリル基含有単量体と共役ジエン単量体とを乳化重合してフェノール系老化防止剤を加えてから塩化カルシウムで凝固した重合体を水素化し、次いでベール化する上記水素化ニトリルゴムベールの製造方法が提供される。
本発明によれば、また、ニトリル基含有単量体と共役ジエン単量体とを乳化重合してフェノール系老化防止剤を加えてから塩化カルシウムで凝固した重合体を水素化して水素化ニトリルゴム含有溶液を得る水素化工程と、
前記水素化ニトリルゴム含有溶液から不純物除去する精製工程と、
前記不純物除去後の水素化ニトリルゴム含有溶液を凝固して水素化ニトリルゴムクラムを得る凝固工程と、
前記水素化ニトリルゴムクラムをスクリュー型押出機を用いて乾燥してシート状の乾燥水素化ニトリルゴムを押し出す乾燥・シート化工程と、
前記押し出されたシート状の乾燥水素化ニトリルゴムを積層してベール化するベール化工程と、
を含んでなる上記水素化ニトリルゴムベールの製造方法が提供される。
前記水素化ニトリルゴム含有溶液から不純物除去する精製工程と、
前記不純物除去後の水素化ニトリルゴム含有溶液を凝固して水素化ニトリルゴムクラムを得る凝固工程と、
前記水素化ニトリルゴムクラムをスクリュー型押出機を用いて乾燥してシート状の乾燥水素化ニトリルゴムを押し出す乾燥・シート化工程と、
前記押し出されたシート状の乾燥水素化ニトリルゴムを積層してベール化するベール化工程と、
を含んでなる上記水素化ニトリルゴムベールの製造方法が提供される。
本発明の水素化ニトリルゴムベールの製造方法において、前記スクリュー型押出機が減圧の乾燥バレルを有するものであることが好ましい。
本発明の水素化ニトリルゴムベールの製造方法の前記精製工程において、活性炭を用いて前記水素化ニトリルゴム含有溶液から不純物除去することが好ましい。
本発明の水素化ニトリルゴムベールの製造方法の前記水素化工程において、前記重合体の水素化を、ルテニウム(Ru)系触媒とコオレフィンとを用いて複分解した後にロジウム(Rh)系触媒を用いて行うことが好ましい。
本発明の水素化ニトリルゴムベールの製造方法において、前記重合体の水素化を、ルテニウム(Ru)系触媒またはロジウム(Rh)系触媒で行うことが好ましい。
本発明によれば、また、上記水素化ニトリルゴムベールからなる正極材料が提供される。
本発明によれば、また、上記水素化ニトリルゴムベールをN-メチルピロリドン(NMP)に溶解又は分散してなる正極用バインダーが提供される。
本発明の正極用バインダーにおいて、固形分濃度が、0.1~40質量%の範囲であることが好ましい。
本発明によれば、また、導電材、正極活物質、及び上記正極材料を含んでなる正極合材層と集電体からなる正極が提供される。
本発明によれば、さらに、上記正極用バインダーと導電材とを混合した後に正極活物質を混合して得られる正極合材層スラリーを集電体上に塗布し、乾燥させる工程を含んでなる正極の製造方法が提供される。
本発明によれば、導電材分散液の粘度特性や安定性に優れ、製造した電極のピール強度、電気化学素子のサイクル試験後の電極活物質割れ抑制しサイクル特性や出力特性を向上させうる、正極材料に有用な水素化ニトリルゴムベール、その製造方法、該水素化ニトリルゴムベールを用いてなる正極材料、正極用バインダー、正極、及び正極の製造方法が提供される。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
使用する水素化ニトリルゴムベールは、ニトリル基含有単量体単位と、共役ジエン単量体単位及び/又はアルキレン構造単位とを含み、重量平均分子量(Mw)が1,000~1,000,000、ヨウ素価が0.1~100mg/100mgの範囲でありフェノール系老化防止剤を含み、且つPd含有量が50ppm以下でCa含有量が1~2000ppmの範囲である水素化ニトリルゴムからなることを特徴とする。
[水素化ニトリルゴム]
以下に、水素化ニトリルゴムベールの構成成分である水素化ニトリルゴムについて詳述する。
以下に、水素化ニトリルゴムベールの構成成分である水素化ニトリルゴムについて詳述する。
<単量体成分>
水素化ニトリルゴムベールの構成成分である水素化ニトリルゴムは、ニトリル基含有単量体単位と、共役ジエン単量体単位及び/又はアルキレン構造単位とを含む。かかる水素化ニトリルゴムは、電気化学素子で形成される電極合材層において、電極活物質などを集電体から脱離させずに保持する結着材として機能し得る成分である。また、かかる水素化ニトリルゴムは、導電材を含む導電材分散液においては、導電材を分散させうる分散剤としても機能し得る。
水素化ニトリルゴムベールの構成成分である水素化ニトリルゴムは、ニトリル基含有単量体単位と、共役ジエン単量体単位及び/又はアルキレン構造単位とを含む。かかる水素化ニトリルゴムは、電気化学素子で形成される電極合材層において、電極活物質などを集電体から脱離させずに保持する結着材として機能し得る成分である。また、かかる水素化ニトリルゴムは、導電材を含む導電材分散液においては、導電材を分散させうる分散剤としても機能し得る。
水素化ニトリルゴムは、具体的には、共役ジエン単量体単位及びニトリル基含有単量体単位を含む重合体を水素化してなる水添重合体、などでありうる。ここで、共役ジエン単量体単位及びニトリル基含有単量体単位を含む重合体の水素化が完全に行われた場合は、アルキレン構造単位とニトリル基含有単量体単位とを含む重合体となり、水素化が部分的に行われた場合は、共役ジエン単量体単位とアルキレン構造単位とニトリル基含有単量体単位とを含む重合体となる。
(ニトリル基含有単量体単位)
ニトリル基含有単量体単位を形成し得るニトリル基含有単量体としては、α,β-エチレン性不飽和ニトリル単量体が挙げられる。具体的には、α,β-エチレン性不飽和ニトリル単量体としては、ニトリル基を有するα,β-エチレン性不飽和化合物であれば特に限定されないが、例えば、アクリロニトリル;α-クロロアクリロニトリル、α-ブロモアクリロニトリルなどのα-ハロゲノアクリロニトリル;メタクリロニトリル、α-エチルアクリロニトリルなどのα-アルキルアクリロニトリル;などが挙げられる。これらの中でも、アクリロニトリルが好ましい。ニトリル基含有単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
ニトリル基含有単量体単位を形成し得るニトリル基含有単量体としては、α,β-エチレン性不飽和ニトリル単量体が挙げられる。具体的には、α,β-エチレン性不飽和ニトリル単量体としては、ニトリル基を有するα,β-エチレン性不飽和化合物であれば特に限定されないが、例えば、アクリロニトリル;α-クロロアクリロニトリル、α-ブロモアクリロニトリルなどのα-ハロゲノアクリロニトリル;メタクリロニトリル、α-エチルアクリロニトリルなどのα-アルキルアクリロニトリル;などが挙げられる。これらの中でも、アクリロニトリルが好ましい。ニトリル基含有単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
水素化ニトリルゴム中におけるニトリル基含有単量体単位の含有割合は、水素化ニトリルゴム中の全繰り返し単位を100質量%として、10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く、20質量%以上であることが更に好ましく、50質量%以下であることが好ましく、45質量%以下であることがより好ましく、40質量%以下であることが更に好ましい。ニトリル基含有単量体単位の含有割合が上述した範囲内であれば、導電材分散液の分散安定性を高めることができ、且つ、得られる電極のピール強度を一層向上させることができる。
(共役ジエン単量体単位)
ここで、共役ジエン単量体単位を形成し得る共役ジエン単量体としては、例えば、1,3-ブタジエン、イソプレン、2,3-ジメチル-1,3-ブタジエン、2-エチル-1,3-ブタジエン、1,3-ペンタジエンなどの炭素数4以上の共役ジエン化合物が挙げられる。中でも、イソプレン、1,3-ブタジエンが好ましく、特に1,3-ブタジエンが好ましい。
ここで、共役ジエン単量体単位を形成し得る共役ジエン単量体としては、例えば、1,3-ブタジエン、イソプレン、2,3-ジメチル-1,3-ブタジエン、2-エチル-1,3-ブタジエン、1,3-ペンタジエンなどの炭素数4以上の共役ジエン化合物が挙げられる。中でも、イソプレン、1,3-ブタジエンが好ましく、特に1,3-ブタジエンが好ましい。
(アルキレン構造単位)
ここで、アルキレン構造単位は、一般式:-CnH2n-[但し、nは2以上の整数]で表わされるアルキレン構造のみで構成される繰り返し単位である。アルキレン構造単位は、直鎖状であっても分岐状であってもよいが、電極の抵抗を低下させつつ電気化学素子のレート特性を向上させる観点からは、アルキレン構造単位は直鎖状、すなわち直鎖アルキレン構造単位であることが好ましい。また、アルキレン構造単位の炭素数は4以上である(即ち、上記一般式のnが4以上の整数である)ことが好ましい。
ここで、アルキレン構造単位は、一般式:-CnH2n-[但し、nは2以上の整数]で表わされるアルキレン構造のみで構成される繰り返し単位である。アルキレン構造単位は、直鎖状であっても分岐状であってもよいが、電極の抵抗を低下させつつ電気化学素子のレート特性を向上させる観点からは、アルキレン構造単位は直鎖状、すなわち直鎖アルキレン構造単位であることが好ましい。また、アルキレン構造単位の炭素数は4以上である(即ち、上記一般式のnが4以上の整数である)ことが好ましい。
なお、アルキレン構造単位は、直鎖状であっても分岐状であってもよいが、アルキレン構造単位は直鎖状、すなわち直鎖アルキレン構造単位であることが好ましい。また、アルキレン構造単位の炭素数は4以上である(即ち、上記一般式のnが4以上の整数である)ことが好ましい。
水素化ニトリルゴム中における共役ジエン単量体単位及びアルキレン構造単位の合計の含有割合は、水素化ニトリルゴム中の全繰り返し単位(構造単位と単量体単位との合計)を100質量%とした場合に、50質量%以上であることが好ましく、55質量%以上であることがより好ましく、60質量%以上であることが特に好ましく、90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く、80質量%以下であることが特に好ましい。重合体中における共役ジエン単量体単位及びアルキレン構造単位の合計の含有割合が上記範囲内であれば、導電材分散液の分散安定性及び電気化学素子のサイクル特性を向上させることができる。
なお、水素化ニトリルゴムが、アルキレン構造単位の含有割合及び共役ジエン単量体単位のうちの何れか一方のみを有するものである場合には、その割合が、上記範囲を満たすことが好ましい。
(ニトリル基含有単量体単位、共役ジエン単量体単位、アルキレン構造単位)
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴムのニトリル基含有単量体単位と、共役ジエン単量体単位及び/又はアルキレン構造単位との合計割合は、格別な限定はないが、通常80質量%以上、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、さらに好ましくは97質量%以上、最も好ましくは99質量%以上であるときに、導電材分散液の分散安定性及び電気化学素子のサイクル特性を向上させることができる。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴムのニトリル基含有単量体単位と、共役ジエン単量体単位及び/又はアルキレン構造単位との合計割合は、格別な限定はないが、通常80質量%以上、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、さらに好ましくは97質量%以上、最も好ましくは99質量%以上であるときに、導電材分散液の分散安定性及び電気化学素子のサイクル特性を向上させることができる。
(その他の繰り返し単位)
その他の繰り返し単位としては、特に限定されないが、芳香族ビニル単量体単位、酸性基含有単量体単位、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位が挙げられる。なお、水素化ニトリルゴムは、1種類のその他の繰り返し単位を含んでいてもよく、2種類以上のその他の繰り返し単位を含んでいてもよい。
その他の繰り返し単位としては、特に限定されないが、芳香族ビニル単量体単位、酸性基含有単量体単位、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位が挙げられる。なお、水素化ニトリルゴムは、1種類のその他の繰り返し単位を含んでいてもよく、2種類以上のその他の繰り返し単位を含んでいてもよい。
水素化ニトリルゴムにおけるその他の繰り返し単位の含有割合は、水素化ニトリルゴム中の全繰り返し単位を100質量%として、0質量%以上30質量%以下であることが好ましく、0質量%以上20質量%以下であることがより好ましく、あるいは0質量%以上10質量%以下、0質量%以上5質量%以下、0質量%以上3質量%以下、0質量%以上1質量%以下の順に好ましい。
<老化防止剤>
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴムは、フェノール系老化防止剤を含有することを特徴とする。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴムは、フェノール系老化防止剤を含有することを特徴とする。
フェノール系老化防止剤としては、通常使用されるものであれば格別な限定はないが、フェノール系老化防止剤の融点が通常150℃以下、好ましくは140℃以下、より好ましくは130℃以下、さらに好ましくは100℃以下、最も好ましくは90℃以下であり、フェノール系老化防止剤の分子量が通常100~1000、好ましくは130~750、より好ましくは150~500、さらに好ましくは170~450、最も好ましくは200~300の範囲である。
フェノール系老化防止剤の中では、特にヒンダードフェノール系老化防止剤であるときに導電材分散液が高度に安定され好適である。本発明において、ヒンダードフェノール系老化防止剤としては、フェノール基の両隣りに嵩高い置換基を有するフェノール系老化防止剤のことをいい、両隣りの嵩高い置換基としては、イソブチル基、t-ブチル基で、好ましくはt-ブチル基である。
ヒンダードフェノール系老化防止剤としては、例えば、2,6-ジ-t-ブチルフェノール、2,6-ジ-t-ブチル-4-メチルフェノール、2,6-ジ-t-ペンテニル-4-メチルフェノール、2,2-メチレンビス(4-メチル-6-t-ブチルフェノール)、2,4-ビス(オクチルチオメチル)-6-メチルフェノール、2,6-ジ-t-ブチル-α-ジメチルアミノ-p-クレゾール、3-(4-ヒドロキシ-3,5-ジ-t-ブチルフェニル)プロピオン酸ブチル、3-(4-ヒドロキシ-3,5-ジ-t-ブチルフェニル)プロピオン酸ヘキシル、3-(4-ヒドロキシ-3,5-ジ-t-ブチルフェニル)プロピオン酸オクチル、3-(4-ヒドロキシ-3,5-ジ-t-ブチルフェニル)プロピオン酸デシル、3-(4-ヒドロキシ-3,5-ジ-t-ブチルフェニル)プロピオン酸ドデシル、3-(4-ヒドロキシ-3,5-ジ-t-ブチルフェニル)プロピオン酸オクタデシル、3-(4-ヒドロキシ-3,5-ジイソプロピルフェニル)プロピオン酸ヘプチル、3-(4-ヒドロキシ-3,5-ジイソプロピルフェニル)プロピオン酸オクチル、3-(4-ヒドロキシ-3,5-ジイソプロピルフェニル)プロピオン酸ドデシル3-(4-ヒドロキシ-3,5-ジイソプロピルフェニル)プロピオン酸オクタデシル、4,4'-メチレンビス(2,6-ジーブチルフェノール)、2,6-ジ-t-ブチル-4-(4,6-ビス(オクチルチオ)-1,3,5-トリアジン-2-イルアミノ)フェノールなどが挙げられ、好ましくは2,6-ジ-t-ブチル-4-メチルフェノール(ジブチルヒドロキシトルエン=BHT)、2,2-メチレンビス(4-メチル-6-t-ブチルフェノール)、2,4-ビス(オクチルチオメチル)-6-メチルフェノールであり、最も好ましくはBHTである。
ヒンダードフェノール系老化防止剤以外のフェノール系老化防止剤としては、例えば、スチレン化フェノール、ブチルヒドロキシアニソール、モノ(又はジ、又はトリ)(α-メチルベンジル)フェノールなどのスチレン化フェノール、2,2'-メチレン-ビス(4-メチル-6-t-ブチルフェノール)、アルキル化ビスフェノール、2,4-ビス[(オクチルチオ)メチル]-6-メチルフェノール、2,2'-チオビス-(4-メチル-6-t-ブチルフェノール)、4,4'-チオビス-(6-t-ブチル-o-クレゾール)などが挙げられ、好ましくはスチレン化フェノール、2,4-ビス[(オクチルチオ)メチル]-6-メチルフェノールである。
これらのフェノール系老化防止剤は、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。水素化ニトリルゴム中のフェノール系老化防止剤の含有量は、格別限定はされないが、通常0.001~2質量%、好ましくは0.01~1質量%、より好ましくは0.05~0.5質量%、さらに好ましくは0.1~0.5質量%、最も好ましくは0.1~0.3質量%の範囲である。水素化ニトリルゴム中のフェノール系老化防止剤の含有量が過度に小さい場合は、導電材との分散液の安定性に劣り、また、過度に大きい場合は、電気化学素子のサイクル特性に影響し、いずれも好ましくない。
使用する水素化ニトリルゴムは、フェノール系老化防止剤以外のその他の老化防止剤を本発明の目的を損なわない範囲で含むことができる。その他の老化防止剤としては、例えば、スチレン化ジフェニルアミン、ビス(4-t-オクチルフェニル)アミン等のアミン系老化防止剤が好適に用いられる。
<水素化ニトリルゴム特性>
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴムは、前記繰り返し単位からなり且つ上記老化防止剤を含み、しかも特定量な重量平均分子量(Mw)とヨウ素価と特定量のCaとPdを含有することを特徴とする。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴムは、前記繰り返し単位からなり且つ上記老化防止剤を含み、しかも特定量な重量平均分子量(Mw)とヨウ素価と特定量のCaとPdを含有することを特徴とする。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴムの重量平均分子量(Mw)は、ジメチルホルムアミド(DMF)溶媒で測定される値で、1,000~1,000,000、好ましくは2,000~500,000、より好ましくは4,000~400,000、さらに好ましくは5,000~250,000、最も好ましくは20,000~250,000の範囲である。水素化ニトリルゴムの重量平均分子量(Mw)がこの範囲であれば導電材分散液の分散安定性を高め、また、得られる電極のピール強度を高めることができ好適である。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴムの重量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)との比(Mw/Mn)は、格別な限定はないが、DMF溶媒で測定される値で、通常1.2~5、好ましくは1.5~4.5、より好ましくは1.8~4.3、さらに好ましくは2.0~4.0、最も好ましくは2.2~3.5の範囲である。水素化ニトリルゴムのMw/Mnがこの範囲にあるときに、導電材分散液の分散性や安定性に優れ好適である。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴムのZ平均分子量(Mz)は、格別な限定はないが、DMF溶媒で測定される値で、通常10,000~3,000,000、好ましくは20,000~2,000,000、より好ましくは50,000~1,000,000、さらに好ましくは100,000~600,000、最も好ましくは120,000~300,000の範囲にあるときに、導電材分散液の分散性や安定性に優れ且つ電極のピール強度を高められ好適である。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴムのZ平均分子量(Mz)と重量平均分子量(Mw)との比(Mz/Mw)は、格別な限定はないが、DMF溶媒で測定される値で、通常1.5~5,好ましくは1.5~4.5、より好ましくは1.5~4、さらに好ましくは1.5~3.8、最も好ましくは1.5~3.5の範囲である。水素化ニトリルゴムのMz/Mwがこの範囲にあるときに、導電材分散液の分散性や安定性に優れ且つ電極のピール強度を高められ好適である。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴムにおいて、N-メチルピロリドン(NMP)を溶剤にして測定した重量平均分子量(NMP-Mw)とジメチルホルムアミド(DMF)を溶剤にして測定した重量平均分子量(DMF-Mw))が、NMP-Mw≧DMF-Mwの関係があるときに、NMPを溶媒にした導電材分散液の分散性や安定性を高度に高めることができる。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴムのN-メチルピロリドン(NMP)を溶剤にして測定した重量平均分子量(NMP-Mw)とジメチルホルムアミド(DMF)との比(NMP-Mw/DMF-Mw)は、格別な限定はないが、通常1以上、好ましくは1.01以上、より好ましくは1.02以上、さらに好ましくは1.05以上、最も好ましくは1.1以上で、上限値は、格別な限定はないが、通常3以下、好ましくは2.5以下、より好ましくは2.2以下、さらに好ましくは2以下、最も好ましくは1.5以下の範囲である。水素化ニトリルゴムのNMP-Mw/DMF-Mwが、この範囲であるときに、NMPを溶媒にした導電材分散液の分散性や安定性を高度に高めることができる。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴムのヨウ素価は、0.1~100mg/100mg、好ましくは1~80mg/100mg、より好ましくは2~70mg/100mg、さらに好ましくは5~60mg/100mg、もっとも好ましくは10~40mg/100mgの範囲である。水素化ニトリルゴムのヨウ素価は、また、100mg/100mg以下、好ましくは80mg/100mg以下、より好ましくは60mg/100mg以下、さらに好ましくは40mg/100mg以下、最も好ましくは25mg/100mg以下で、下限値が、1mg/100mg以上、好ましくは2mg/100mg以上、より好ましくは5mg/100mg以上、さらに好ましくは7.5mg/100mg以上、最も好ましくは10mg/100mg以上の範囲である。水素化ニトリルゴムのヨウ素価がこの範囲にあるときに、導電材分散液の粘度特性、電極のピール強度及び電気化学素子の出力特性やサイクル特性が高度にバランスされるので好適である。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴム中のPd含有量は、50ppm以下、好ましくは30ppm以下、より好ましくは10ppm以下、さらに好ましくは5ppm以下、最も好ましくは1ppm以下である。水素化ニトリルゴム中のPd含有量がこの範囲であるときに、電極中の活物質割れが抑制され、また、電気化学素子のサイクル特性が向上し好適である。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴム中のCa含有量は、1~2000ppm、好ましくは5~1500ppm、より好ましくは10~1500ppm、さらに好ましくは10~1000ppm、特に好ましくは50~800ppm、最も好ましくは100~600ppmの範囲である。水素化ニトリルゴム中のCa含有量は、また、通常1ppm以上、好ましくは3ppm以上、より好ましくは5ppm以上で、あるいは、10ppm以上、20ppm以上、30ppm以上、50ppm以上、70ppm以上、100ppm以上、150ppm以上、200ppm以上、250ppm以上、300ppm以上の順に好ましい。水素化ニトリルゴム中のCa含有量は、通常2000ppm以下、1500ppm以下、1200ppm以下、1000ppm以下、800ppm以下、700ppm以下、600ppm以下、500ppm以下の順に好ましい。水素化ニトリルゴム中のCa含有量が、この範囲であるときに、得られる電極中における電極活物質の割れを良好に抑制することができるとともに、電極のピール強度を高めることができる。また、水素化ニトリルゴム中のCa含有量をこの範囲にしたときに、導電材分散液を調製した場合に導電材分散液の粘度特性を高めることができるとともに、得られる電気化学素子のサイクル特性やサイクル試験後の電極活物質割れを抑制できるので好適である。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴム中のCl含有量は、格別な限定はないが、通常3000ppm以下、好ましくは2500ppm以下、より好ましくは2000ppm以下で、さらに好ましくは1500ppm以下、最も好ましくは1000ppm以下の順に好ましい。また、水素化ニトリルゴム中のCl含有量の下限値は、格別な限定はないが、通常0.5ppm以上、好ましくは1ppm以上、好ましくは2.5ppm以上であり、あるいは、5ppm以上、10ppm以上、20ppm以上、30ppm以上、40ppm以上、50ppm以上、70ppm以上、100ppm以上の順に好ましい。水素化ニトリルゴム中のCl含有量がこの範囲であるときに、水素化ニトリルゴムベールの導電材分散液を調製した場合に導電材分散液の粘度特性を高めることができるとともに、得られる電気化学素子のサイクル特性やサイクル試験後の電極活物質割れを抑制できるので好適である。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴム中のCa含有量とCl含有量との質量比(Ca/Cl)は、格別な限定はないが、通常0.01~10、好ましくは0.1~5、より好ましくは0.2~4、さらに好ましくは0.5~3、最も好ましくは0.6~2.5の範囲である。水素化ニトリルゴム中のCa含有量とCl含有量との質量比がこの範囲であるときに、電材分散液を調製した場合に導電材分散液の粘度特性を高めることができるとともに、得られる電気化学素子のサイクル特性やサイクル試験後の電極活物質割れを抑制できるので好適である。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴム中のRh及び/又はRu含有量(RhとRuの合計量)は、格別な限定はないが、通常0.5~50ppm、好ましくは1~25ppm、より好ましくは2~20ppm、の範囲の時に、製造される電極中の活物質割れを抑制でき好適である。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴム中のNa含有量は、格別な限定はないが、通常300ppm以下、好ましくは250ppm以下、より好ましくは200ppm以下、さらに好ましくは100ppm以下、最も好ましくは50ppm以下である。水素化ニトリルゴム中のNa含有量がこの範囲であるときに、電極中の活物質割れが抑制され、また、電気化学素子のサイクル特性が向上し好適である。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴム中のMg含有量は、格別な限定はないが、通常50ppm以下、好ましくは30ppm以下、より好ましくは20ppm以下、さらに好ましくは10ppm以下、最も好ましくは5ppm以下である。水素化ニトリルゴム中のMg含有量がこの範囲であるときに、電極中の活物質割れが抑制され、また、電気化学素子のサイクル特性が向上し好適である。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴムは、格別な限定はないが、ニトリル基含有単量体と共役ジエン単量体とを乳化重合して塩化カルシウムで凝固した重合体(ニトリルゴム)を水素化して得たものが好ましい。乳化重合液を凝固して重合体を得る場合には、用いられる凝固剤の種類によって、生成する含水クラムの大きさや形状または性状が全く異なり、その後の洗浄工程や脱水工程で除去できる重合工程や凝固工程での様々な副材料体の残渣が異なってしまう。そして、それら副材料及びそれらの反応物の微量な残渣を全て証明することはできず、特に電気化学素子に用いる場合は、それら僅かな残渣が様々な特性に影響している。そのため、電気化学素子用途では、凝固剤として塩化カルシウムを用いその後単離した重合体を水素化したものが好ましい。また、カルシウム(Ca)化合物の中でも、塩化カルシウムを用いたものが、その後の洗浄工程や精製工程で除去されやすく水素化ニトリルゴム中の残渣を低減でき好適である。また、凝固剤として塩化カルシウムを用いて得られるニトリルゴムを水素化した水素化ニトリルゴムからなる水素化ニトリルゴムベールは、リチウムイオン二次電池等の電気化学素子の電極ピール特性に優れ、しかも他の凝固剤を用いた時よりもサイクル特性悪化やサイクル試験後の活物質層割れを防げるので好適である。
本発明の水素化ニトリルゴムベールにおける水素化ニトリルゴムは、さらに、ニトリル基含有単量体と共役ジエン単量体とを乳化重合して前記フェノール系老化防止剤を加えてから塩化カルシウムで凝固して得られた重合体を水素化して得られるものが好ましい。
前記特定の老化防止剤の効果は、製造後の水素化ニトリルゴムと混合するよりも、ニトリル基含有単量体と共役ジエン単量体とを乳化重合した乳化重合液に添加して製造した水素化ニトリルゴムの方がはるかに高く好適である。これは、測定はできないが、フェノール系老化防止剤が均一に分散している乳化重合液を塩化カルシウムで凝固することにより、そのまま得られる水素化ニトリルゴム内に均一に微細分散して高い効果を示したと思われる。本発明においては、また、フェノール系老化防止剤の添加は、水素化後の水素化ニトリルゴム含有の反応溶液中で行うよりも、乳化重合後のニトリルゴム含有の重合液中で行う方が、乳化剤の使用も少なく、かつ、水素化ニトリルゴム中に老化防止剤が均一分散され好適である。
[水素化ニトリルゴムベール]
本発明の水素化ニトリルゴムベールは、上記水素化ニトリルゴムをベール化してなり、上記水素化ニトリルゴムからなることを特徴とする。水素化ニトリルゴムベール中の水素化ニトリルゴム量は、格別な限定はないが、典型的には100質量%、通常90質量%以上、好ましくは93質量%以上、より好ましくは95質量%以上、さらに好ましくは97質量%以上、最も好ましくは99質量%以上である。水素化ニトリルゴムベールの構成成分及びその含有量、並びにそれらの好適態様は、典型的には、水素化ニトリルゴムと同じである。
本発明の水素化ニトリルゴムベールは、上記水素化ニトリルゴムをベール化してなり、上記水素化ニトリルゴムからなることを特徴とする。水素化ニトリルゴムベール中の水素化ニトリルゴム量は、格別な限定はないが、典型的には100質量%、通常90質量%以上、好ましくは93質量%以上、より好ましくは95質量%以上、さらに好ましくは97質量%以上、最も好ましくは99質量%以上である。水素化ニトリルゴムベールの構成成分及びその含有量、並びにそれらの好適態様は、典型的には、水素化ニトリルゴムと同じである。
本発明の水素化ニトリルゴムベールの形状は、格別限定されるものではないが、通常直方体状である。大きさは、格別限定されるものではないが、幅が通常100~800mm、好ましくは200~500mm、より好ましくは250~450mmの範囲で、長さが通常300~1200mm、好ましくは400~1000mm、より好ましくは500~800mmの範囲で、高さが通常50~500mm、好ましくは100~300mm、より好ましくは150~250mmの範囲である。
本発明の水素化ニトリルゴムベールの嵩比重は、格別な限定はないが、通常0.6g/cm3以上、好ましくは0.7g/cm3以上、より好ましくは0.8g/cm3以上、さらに好ましくは0.85g/cm3以上、最も好ましくは0.9g/cm3以上である。水素化ニトリルゴムベールの嵩比重の上限値は、格別な限定はないが、通常1.2g/cm3以下、好ましくは1.15g/cm3以下、より好ましくは1.1g/cm3以下、さらに好ましくは1.05g/cm3以下、最も好ましくは1g/cm3以下である。水素化ニトリルゴムベールの嵩比重がこの範囲にあるときに、フェノール系老化防止剤の効果を高度に高め、導電材分散液の安定性に優れ、電気化学素子のサイクル特性やサイクル試験後の活物質割れを防げる。
本発明の水素化ニトリルゴムベールの含水量は、格別限定されるものではないが、通常1質量%未満、好ましくは0.8質量%以下、より好ましくは0.6質量%以下であるときに保存安定性に優れ好適である。
本発明の水素化ニトリルゴムベールのムーニー粘度(ML1+4,100℃)は、格別限定されるものではないが、通常10~150、好ましくは15~100、より好ましくは20~80の範囲であるときに導電材分散性と電極でのピール強度が高度にバランスされ好適である。
[水素化ニトリルゴムベールの製造方法]
上記水素化ニトリルゴムベールの製造方法は、格別限定されるものではないが、例えば、ニトリルゴムにフェノール系老化防止剤を添加し水素化して水素化ニトリルゴムを製造し、次いで前記水素化ニトリルゴムをベール化することで容易に製造することができる。
上記水素化ニトリルゴムベールの製造方法は、格別限定されるものではないが、例えば、ニトリルゴムにフェノール系老化防止剤を添加し水素化して水素化ニトリルゴムを製造し、次いで前記水素化ニトリルゴムをベール化することで容易に製造することができる。
本発明の水素化ニトリルゴムベールは、また、ニトリル基含有単量体と共役ジエン単量体とを乳化重合してフェノール系老化防止剤を加えてから塩化カルシウムで凝固した重合体を水素化し、次いでベール化することで容易に製造することができる。
水素化ニトリルゴムのベール化は、常法に従えばよく、例えば、上記水素化ニトリルゴムを乾燥した乾燥ゴムをベーラーに入れ圧縮して製造することができる。圧縮する圧力は、使用目的に応じて適宜選択されるが、通常0.1~15MPa、好ましくは0.5~10MPa、より好ましくは1~5MPaの範囲である。圧縮時間は、格別限定されないが、通常1~60秒間、好ましくは5~50秒間、より好ましくは10~40秒間の範囲である。また、シート状の乾燥ゴムを作り、それを積層してベール化することができる。シートを積層してのベール化は、製造が容易で、しかも、気泡が少ない(比重が大きい)ベールができ、保存安定性に優れ好適である。
本発明の水素化ニトリルゴムベールは、また、ニトリル基含有単量体と共役ジエン単量体とを乳化重合してフェノール系老化防止剤を加えてから塩化カルシウムで凝固した重合体を水素化し水素化ニトリルゴム含有溶液を得る水素化工程と、
前記水素化ニトリルゴム含有溶液から不純物除去する精製工程と、
前記不純物除去後の水素化ニトリルゴム含有溶液を凝固して水素化ニトリルゴムクラムを得る凝固工程と、
前記水素化ニトリルゴムクラムをスクリュー型押出機を用いて乾燥してシート状の乾燥水素化ニトリルゴムを押し出す乾燥・シート化工程と、
前記押し出されたシート状の乾燥水素化ニトリルゴムを積層してベール化するベール化工程と、
を含んでなる製造方法により容易に製造できる。
前記水素化ニトリルゴム含有溶液から不純物除去する精製工程と、
前記不純物除去後の水素化ニトリルゴム含有溶液を凝固して水素化ニトリルゴムクラムを得る凝固工程と、
前記水素化ニトリルゴムクラムをスクリュー型押出機を用いて乾燥してシート状の乾燥水素化ニトリルゴムを押し出す乾燥・シート化工程と、
前記押し出されたシート状の乾燥水素化ニトリルゴムを積層してベール化するベール化工程と、
を含んでなる製造方法により容易に製造できる。
<ニトリルゴムの製造工程>
(乳化重合)
使用する単量体成分は、前記単量体成分で記載されたものと同様であり、使用量は前記水素化ニトリルゴムの単量体組成になるように適宜選択されればよい。
(乳化重合)
使用する単量体成分は、前記単量体成分で記載されたものと同様であり、使用量は前記水素化ニトリルゴムの単量体組成になるように適宜選択されればよい。
乳化剤としては、格別な限定はないが、例えば、アニオン性乳化剤、カチオン性乳化剤、ノニオン性乳化剤などを挙げることができ、好ましくはアニオン性乳化剤を含むものである。
これらの乳化剤は、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができ、その使用量は、単量体成分100質量部に対して、通常0.01~10質量部、好ましくは0.1~5質量部、より好ましくは1~3質量部の範囲である。
乳化重合で使用される重合触媒としては、乳化重合で通常使われるものであれば格別な限定はないが、例えば、ラジカル発生剤と還元剤とからなるレドックス触媒を用いることができる。ラジカル発生剤としては、例えば、過酸化物、アゾ化合物などが挙げられ、好ましくは過酸化物である。過酸化物としては、無機系過酸化物や有機系過酸化物が用いられる。
乳化重合方法は、常法に従えばよく、回分式、半回分式、連続式のいずれでもよい。重合温度及び重合時間は、特に限定されず、使用する重合開始剤の種類などから適宜選択できる。重合温度は、通常0~100℃、好ましくは5~80℃、より好ましくは10~50℃の範囲であり、重合時間は通常0.5~100時間、好ましくは1~10時間である。
(老化防止剤添加)
使用するフェノール系老化防止剤は、前記水素化ニトリルゴムに含有するフェノール系老化防止剤の例示と同じであり、フェノール系老化防止剤の乳化重合液への添加方法は、格別限定されるものではなく常法に従えばよく、例えば、そのまま添加するか、あるいは乳化剤でエマルジョン化して投入してもよい。
使用するフェノール系老化防止剤は、前記水素化ニトリルゴムに含有するフェノール系老化防止剤の例示と同じであり、フェノール系老化防止剤の乳化重合液への添加方法は、格別限定されるものではなく常法に従えばよく、例えば、そのまま添加するか、あるいは乳化剤でエマルジョン化して投入してもよい。
フェノール系老化防止剤の使用量は、前記本発明の水素化ニトリルゴム中の老化防止剤の含有量になるように適宜選択されればよいが、単量体成分100質量部に対して、通常0.001~15質量部、好ましくは0.01~10質量部、より好ましくは0.1~5質量部、特に好ましくは0.3~3質量部、最も好ましくは0.5~2質量部の範囲である。
(凝固工程)
水素化する重合体(ニトリルゴム)は、上記老化防止剤を添加した乳化重合液を塩化カルシウムで凝固させて単離する。特に、凝固剤として塩化カルシウムを使用し、且つ、製造される水素化ニトリルゴム中のCa含有量を特定範囲にすることで、導電材分散液の分散性(粘度特性)に寄与し製造される電極のピール強度を極度に高められ、しかも、電気化学素子のサイクル特性やサイクル試験後の電極活物質割れ抑制効果効も高められるので好適である。
水素化する重合体(ニトリルゴム)は、上記老化防止剤を添加した乳化重合液を塩化カルシウムで凝固させて単離する。特に、凝固剤として塩化カルシウムを使用し、且つ、製造される水素化ニトリルゴム中のCa含有量を特定範囲にすることで、導電材分散液の分散性(粘度特性)に寄与し製造される電極のピール強度を極度に高められ、しかも、電気化学素子のサイクル特性やサイクル試験後の電極活物質割れ抑制効果効も高められるので好適である。
使用する塩化カルシウムは、通常水溶液として用いられ、水溶液の凝固剤濃度は、通常0.1~70質量%、好ましくは1~60質量%、より好ましくは5~50質量%、特に好ましくは10~30質量%の範囲であるときに生成する含水クラムの粒径を特定の領域に且つ均一に集束でき好適である。
凝固反応における温度は、格別限定はないが、通常40℃以上、好ましくは40~90℃、より好ましくは50~80℃の範囲であるときに均一な含水クラムが生成され好適である。
(洗浄・乾燥工程)
凝固反応後は、凝固物を水洗した後に乾燥して水素化される重合体を得ることができる。
凝固反応後は、凝固物を水洗した後に乾燥して水素化される重合体を得ることができる。
洗浄方法としては、格別限定されるものでなく常法に従えばよいが、上記高濃度の塩化カルシウム水溶液で凝固した含水クラムは、多量の水で洗浄することが効果的である。使用する水の量は、重合体100質量部に対して、通常、10~500倍、好ましくは25~250倍、より好ましくは50~100倍の範囲である。
水洗する水の温度としては、格別限定されるものではないが、温水を用いることが好適で、通常40℃以上、好ましくは40~100℃、より好ましくは50~90℃、最も好ましくは60~80℃のときに洗浄効率を格段に上げることができ好適である。洗浄水の温度を前記下限以上とすることにより、乳化剤や凝固剤が含水クラムから遊離して洗浄効率がより向上する。
洗浄時間としては、格別な限定はないが、通常1~120分、好ましくは2~60分、より好ましくは3~30分の範囲である。
上記洗浄した含水クラムの乾燥方法は、常法に従えばよく、例えば、熱風乾燥機、減圧乾燥機、エキスパンダー乾燥機、ニーダー型乾燥機、スクリュー型押出機などの乾燥機を用いて乾燥することができる。
乾燥ゴムの形状は、格別限定されるものではなく、例えば、クラム状、粉体状、棒状、シート状などが挙げられる。乾燥ゴムの含水量は、1質量%未満、好ましくは0.8質量%以下、より好ましくは0.6質量%以下である。
<水素化ニトリルゴムの製造工程>
(水素化工程)
上記得られた重合体の水素化は、例えば、溶媒に溶解させた後に水素化触媒を用いて行うことができる。水素化反応は、常法に従えばよく、例えば特許第4509792号に記載の方法で、Grubbs触媒を用いて複分解反応後にWilkinson触媒を用いて水素化して行うことができる。
(水素化工程)
上記得られた重合体の水素化は、例えば、溶媒に溶解させた後に水素化触媒を用いて行うことができる。水素化反応は、常法に従えばよく、例えば特許第4509792号に記載の方法で、Grubbs触媒を用いて複分解反応後にWilkinson触媒を用いて水素化して行うことができる。
本発明の水素化ニトリルゴムベールの製造方法における水素化工程は、上記得られた重合体を水素化触媒を用いて水素化する工程であり、得られた重合体をルテニウム系触媒とコオレフィンとを用いて複分解した後に行ってもよい。
複分解反応
複分解反応は、例えば特許第4509792号に記載の方法を用いて行うことができる。
複分解反応は、例えば特許第4509792号に記載の方法を用いて行うことができる。
複分解反応の触媒としては、既知のルテニウム系触媒を用いることができる。中でも、複分解反応の触媒としては、二塩化ビス(トリシクロヘキシルホスフィン)ベンジリデンルテニウム、1,3-ビス(2,4,6-トリメチルフェニル)-2-(イミダゾリジニリデン)(ジクロロフェニルメチレン)(トリシクロへキシルホスフィン)ルテニウムなどのGrubbs触媒を用いることが好ましい。
複分解反応は、コオレフィン存在下で行われる。
コオレフィンとしては、エチレン、イソブタン、スチレン、1-ヘキサンなどの炭素数2~16のオレフィン、cis-2-ブテン-1,4-ジオール、3-ブテン-1-アミン、ビニルトリメトキシシラン、メトキシポリアルキレングリコールメタクリレート、2-(メタクリロイルオキシ)エタンスルホン酸などの官能基含有不飽和化合物などが挙げられ、好ましくは官能基含有不飽和化合物である。
コオレフィンの使用量は、重合体100質量部に対して、通常0.1~20質量部、好ましくは0.5~10質量部、より好ましくは1~5質量部の範囲である。
溶媒としては、通常、触媒を不活性化しないか、反応を妨害しない溶媒が用いられる。好ましい溶媒としては、限定されるものではないが、ジクロロメタン、ベンゼン、トルエン、テトラヒドロフラン、シクロヘキサン、モノクロロベンゼン(MCB)などが挙げられ、最も好ましくはMCBである。場合によっては、コオレフィン自体、溶媒として作用でき、この場合、他の溶媒は必要としない。
複分解反応における重合体濃度は重要ではないが、通常1~20質量%、好ましくは6~15質量%の範囲である。
複分解反応における反応溶液の攪拌は、通常激しく行われ、例えば、200~1000rpm、好ましくは300~900rpm、より好ましくは500~800rpmの範囲である。
複分解反応の温度は、通常20~140℃、好ましくは60~120℃の範囲である。反応時間は、セメントの濃度、触媒の使用量及び反応温度等、多数の要因に依存するが、通常は2時間内で完了する。複分解反応の進行の確認は、標準的分析法、例えば、GPC又は溶液粘度を用いてモニターして行うことができる。
水素化反応
水素化反応は、重合体を溶媒に溶解させた後に、水素化触媒を添加して行うことができるが、上記複分解後の水素化反応は、複分解反応と同じ反応容器で、複分解生成物を単離することなく水素化触媒を容器に加え、次いで水素化処理して水素化ニトリルゴムを製造することができ好適である。
水素化反応は、重合体を溶媒に溶解させた後に、水素化触媒を添加して行うことができるが、上記複分解後の水素化反応は、複分解反応と同じ反応容器で、複分解生成物を単離することなく水素化触媒を容器に加え、次いで水素化処理して水素化ニトリルゴムを製造することができ好適である。
水素化反応の溶媒は、水系溶媒、有機溶媒のいずれでも使用できるが、好ましくは有機溶媒である。好適な有機溶媒としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、酢酸エチル、テトラヒドロフラン、1,3-ジオキサン、ベンゼン、トルエン、塩化メチレン、クロロホルム、モノクロロベンゼン(MCB)。ジクロロベンゼンなどが挙げることができる。これらの中でも、特にMCBは、水素化前のニトリル基含有のニトリルゴムと水素化後の水素化ニトリルゴムの両方に対する良好な溶媒であり好適である。
水素化触媒としては、当該技術分野で公知の方法であれば格別な限定なく行うことができる。例えば、特許第6309634号に記載される方法を用いて行うことができ、特にWilkinson触媒((PPh3)3RhCl)等の既知の均質水素化触媒を用いることが好適である。また、Grubbs触媒は、水素の存在下で、それ自体、オレフィン水素化触媒である二水素化物錯体(PR3)2RuCl2H2に転化される。Wilkinson触媒を添加しなくてもそのまま水素化反応を行えるが、水素化速度は遅くなる傾向にある。水素化工程の水素化触媒としては、具体的には、ルテニウム系触媒またはロジウム系触媒を用いることができる。
水素化触媒使用量は、使用目的及びヨウ素価に応じて適宜選択すればよいが、水素化前の重合体100質量部を基準にして、通常0.001~0.5質量部、好ましくは0.005~0.1質量部、より好ましくは0.01~0.05質量部の範囲である。
水素化反応は、必要に応じて、助触媒を用いることができる。Wilkinson触媒の助触媒としては、ホスフィン、ジホスフィン、トリフェニルホスフィンなどを挙げることができ、好ましくはトリフェニルホスフィンである。これらの助触媒は、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができ、その使用量は、水素化される重合体100質量部を基準にして、通常0.01~15質量部、好ましくは0.1~10質量部、より好ましくは0.5~5質量部の範囲である。
水素化反応における重合体濃度は、重合体が溶解できる範囲であれば格別な限定はないが、通常1~30質量%、好ましくは5~25質量%、より好ましくは7~20質量%の範囲である。
水素化反応の圧力は、格別な限定はないが、通常0.1~30MPa、好ましくは1~20MPa、より好ましくは5~15MPaの範囲である。
水素化反応温度は、通常30~200℃、好ましくは50~170℃、より好ましくは100~150℃の範囲である。反応時間は、通常1~50時間、好ましくは2~25時間である。
水素化反応は、所定の水素化レベルに達したら、反応器を減圧にして、あるいは冷却して止めることができる。残存量の水素は、通常窒素パージで除去する。溶媒の除去と有機層からの水素化ニトリルゴムの単離を行う前に、水素化触媒を除去することもできる。
水素化反応後の水素化ニトリルゴム中の不純物を除去して本願発明の正極用バインダーに使用することができる。
(精製工程)
本発明の水素化ニトリルゴムベールの製造方法おいて、上記水素化工程後に、水素化された重合体(水素化ニトリルゴム)中の不純物を除去する精製工程を設ける。
本発明の水素化ニトリルゴムベールの製造方法おいて、上記水素化工程後に、水素化された重合体(水素化ニトリルゴム)中の不純物を除去する精製工程を設ける。
水素化ニトリルゴム中の不純物を除去する方法は、格別な限定はないが、吸着材処理を行うことが好ましく、水素化ニトリルゴム中のカルシウム(Ca)含有量が1~2000ppmの値になるように、あるいは水素化触媒の低減を容易に行うことができる。
吸着材としては、特に限定はされないが、例えば、活性炭、イオン交換樹脂、及び合成ゼオライトなどが挙げられ、好ましくは活性炭である。
吸着材処理は、水素化後の水素化ニトリルゴムを含む反応液に吸着材を添加して混合して行うことができる。吸着材の添加量は、格別な限定はないが、通常水素化ニトリルゴム100質量部に対して、通常0.001~1質量部、好ましくは0.05~0.5質量部、より好ましくは0.01~0.4質量部の範囲である。混合温度は、通常室温~80℃で、好ましくは室温~60℃の範囲で、混合時間は通常1分間~1時間、好ましくは20~40分間である。
吸着材処理後は、濾過又はデカンテーションすることにより吸着材を除去し、濾液を得ることができる。
濾過・デカンテーションによる精製方法としては、例えば、必要に応じて吸着材を添加したうえで、(i)バッグフィルター、カートリッジフィルター、濾紙、メンブレンフィルターなどを使用して濾過する方法;(ii)リーフフィルター、フィルタープレス、キャンドルフィルター、ドラムフィルターなどの濾過器を使用し、珪藻土やパーライトなどに代表される濾過助剤のケーク層を形成した上で濾液を流す方法;(iii)重合時における残留物と金属イオンとにより形成された金属塩を遠心分離により沈降させた上で底部より抜くことで、金属塩を除去する方法;などが挙げられる。
(凝固工程)
上記精製工程で得られる不純物除去した水素化ニトリルゴム含有のろ液は、凝固して水素化ニトリルゴムをクラムとして単離することができる。
上記精製工程で得られる不純物除去した水素化ニトリルゴム含有のろ液は、凝固して水素化ニトリルゴムをクラムとして単離することができる。
水素化ニトリルゴム含有ろ液の凝固工程は、格別な限定はなく、常法に従えばよい。具体的な凝固方法としては、凝固剤と接触させる方法、大量な貧溶媒と接触させる方法などが挙げられ、好ましくは、大量な貧溶媒と接触させる方法である。貧溶媒としては、格別な限定はないが、メタノール、水、スチームなどが好適に用いられる。凝固反応は、適宜選択されればよく、例えば、凝固反応温度は通常室温から100℃の範囲、凝固反応時間は数分から数時間の範囲の中で適宜選択される。
凝固反応で生成した水素化ニトリルゴムクラムは、必要に応じて洗浄することができる。洗浄方法としては、格別限定されるものでなく常法に従えばよいが、多量の水で洗浄することが効率的である。使用する水の量は、重合体100質量部に対して、通常、10~500倍、好ましくは25~250倍、より好ましくは50~100倍の範囲である。水洗する水の温度としては、格別限定されるものではないが、温水を用いることが好適で、通常40℃以上、好ましくは40~100℃、より好ましくは50~90℃、最も好ましくは60~80℃のときに洗浄効率を格段に上げることができ好適である。洗浄水の温度を前記下限以上とすることにより、乳化剤や凝固剤が含水クラムから遊離して洗浄効率がより向上する。
凝固後、あるいは、洗浄後に水素化ニトリルゴムクラムを濾別して単離できる。
(乾燥・シート化工程)
本発明においては、上記単離した水素化ニトリルゴムクラムを、スクリュー型押出機を用いて減圧下で溶融混錬してシート状に押し出し乾燥することを特徴とする。かかる方法で得られるシート状の水素化ニトリルゴムは、殆どの空気が除去され嵩密度が高く、当該シート状水素化ニトリルゴムを積層して得られる水素化ニトリルゴムベールを正極材料として用いると、導電材との分散液安定性に優れ、電気化学素子電極のピール強度、サイクル試験後の活物質層割れ等を防げ好適である。
本発明においては、上記単離した水素化ニトリルゴムクラムを、スクリュー型押出機を用いて減圧下で溶融混錬してシート状に押し出し乾燥することを特徴とする。かかる方法で得られるシート状の水素化ニトリルゴムは、殆どの空気が除去され嵩密度が高く、当該シート状水素化ニトリルゴムを積層して得られる水素化ニトリルゴムベールを正極材料として用いると、導電材との分散液安定性に優れ、電気化学素子電極のピール強度、サイクル試験後の活物質層割れ等を防げ好適である。
-スクリュー型押出機-
脱水バレル部の脱水
含水クラムの脱水は、脱水スリットを有する脱水バレルで行われる。脱水スリットの目開きは、使用条件に応じて適宜選択されればよいが、通常0.1~1mm、好ましくは0.2~0.6mmの範囲であるときに、含水クラムの損失が少なく且つ含水クラムの脱水が効率的にでき好適である。
脱水バレル部の脱水
含水クラムの脱水は、脱水スリットを有する脱水バレルで行われる。脱水スリットの目開きは、使用条件に応じて適宜選択されればよいが、通常0.1~1mm、好ましくは0.2~0.6mmの範囲であるときに、含水クラムの損失が少なく且つ含水クラムの脱水が効率的にでき好適である。
スクリュー型押出機における脱水バレルの数は、格別限定されるものではないが、通常複数個、好ましくは2~10個、より好ましくは3~6個であるときに粘着性の水素化ニトリルゴムの脱水を効率よく行う上で好適である。
脱水バレルの設定温度は、水素化ニトリルゴムの種類、灰分量、含水量、及び操業条件などにより適宜選択されるが、通常60~150℃、好ましくは70~140℃、より好ましくは80~130℃の範囲である。排水状態で脱水する脱水バレルの設定温度は、通常60℃~120℃、好ましくは70~110℃、より好ましくは80~100℃である。排蒸気状態で乾燥する脱水バレルの設定温度は、通常100~150℃、好ましくは105~140℃、より好ましくは110~130℃の範囲である。
含水クラムから水分を絞り出す脱水後の含水量としては、格別な限定はないが、通常1~45質量%、好ましくは1~40質量%、より好ましくは5~35質量%、特に好ましくは10~35質量%である。
乾燥バレル部の乾燥
上記脱水バレル部で脱水した含水クラムは、さらに減圧下の乾燥バレル部で乾燥される。
乾燥バレルの減圧度は、適宜選択されればよいが、通常1~50kPa、好ましくは2~30kPa、より好ましくは3~20kPaであるときに効率よく含水クラムを乾燥でき好適である。また、減圧下の乾燥バレル内を溶融された水素化ニトリルゴムが押し出されることで、内在する空気も抜け嵩比重の高いシート状の水素化ニトリルゴム製造でき好適である。
上記脱水バレル部で脱水した含水クラムは、さらに減圧下の乾燥バレル部で乾燥される。
乾燥バレルの減圧度は、適宜選択されればよいが、通常1~50kPa、好ましくは2~30kPa、より好ましくは3~20kPaであるときに効率よく含水クラムを乾燥でき好適である。また、減圧下の乾燥バレル内を溶融された水素化ニトリルゴムが押し出されることで、内在する空気も抜け嵩比重の高いシート状の水素化ニトリルゴム製造でき好適である。
乾燥バレルの設定温度は、適宜選択されればよいが、通常100~250℃、好ましくは110~200℃、より好ましくは120~180℃の範囲であるときに、水素化ニトリルゴムのヤケや変質がなく効率よく乾燥ができる。
スクリュー型押出機における乾燥バレルの数は、格別限定されるものではないが、通常複数個、好ましくは2~10個、より好ましくは3~8個である。乾燥バレルを複数個有する場合の減圧度は、全ての乾燥バレルで近似した減圧度にしてもよいし、変えてもよい。乾燥バレルが複数個有する場合の設定温度は、全ての乾燥バレルで近似した温度にしてもよいし変えてもよいが、導入部(脱水バレルに近い方)の温度よりも排出部(ダイに近い方)の温度の方を高くするのが乾燥効率を上げることができ好適である。
乾燥後の乾燥ゴムの含水量は、通常1質量%未満、好ましくは0.8質量%以下、より好ましくは0.6質量%以下である。
水素化ニトリルゴムの押出(ダイ部)
上記脱水バレル及び乾燥バレルのスクリュー部で脱水及び乾燥された水素化ニトリルゴムは、スクリューの無い整流のダイ部に送られる。スクリュー部とダイ部との間には、ブレーカープレートや金網を設けてもよいし、設けなくてもよい。
上記脱水バレル及び乾燥バレルのスクリュー部で脱水及び乾燥された水素化ニトリルゴムは、スクリューの無い整流のダイ部に送られる。スクリュー部とダイ部との間には、ブレーカープレートや金網を設けてもよいし、設けなくてもよい。
押出される水素化ニトリルゴムは、ダイのノズル形状により、粒状、柱状、丸棒状、シート状など種々の形状のものが得られるが、ダイ形状を略長方形状にしてシート状に出すことにより空気の巻き込みが少なく嵩比重の大きな保存安定性に優れる乾燥ゴムが得られ好適である。
ダイ部における樹脂圧は、格別限定されないが、通常0.1~10MPa、好ましくは0.5~5MPa、より好ましくは1~3MPaの範囲としたときに、空気の巻き込みが少なく且つ生産性に優れ好適である。
スクリュー型押出機及び操業条件
使用されるスクリュー型押出機のスクリュー長(L)は、使用目的に応じて適宜選択されればよいが、通常2000~15000mm、好ましくは2500~10000mm、より好ましくは3000~7000mmの範囲である。
使用されるスクリュー型押出機のスクリュー長(L)は、使用目的に応じて適宜選択されればよいが、通常2000~15000mm、好ましくは2500~10000mm、より好ましくは3000~7000mmの範囲である。
使用されるスクリュー型押出機のスクリュー径(D)は、使用目的に応じて適宜選択されればよいが、通常50~250mm、好ましくは70~200mm、より好ましくは80~160mmの範囲である。
使用されるスクリュー型押出機のスクリュー長(L)とスクリュー径(D)との比(L/D)は、格別限定されるものではないが、通常10~150、好ましくは15~100、より好ましくは20~80、特に好ましくは30~60の範囲であるときに乾燥ゴムの分子量低下や焼けを起こさずに含水量を1質量%未満に出来好適である。
使用されるスクリュー型押出機の回転数(N)は、諸条件に応じて適宜選択されればよいが、通常10~1000rpm、好ましくは30~800rpm、より好ましくは50~600rpm、最も好ましくは100~400rpmである。
使用されるスクリュー型押出機の押出量(Q)は、格別限定されないが、通常100~1500kg/hr、好ましくは120~1200kg/hr、より好ましくは150~1000kg/hr、最も好ましくは200~800kg/hrの範囲である。
使用されるスクリュー型押出機の押出量(Q)と回転数(N)の比(Q/N)は、格別限定されるものではないが、通常1~10、好ましくは1~5、より好ましくは1~3の範囲である。
乾燥ゴム
スクリュー型押出機から押し出される乾燥ゴムの形状は、格別限定されるものではなく、例えば、クラム状、粉体状、棒状、シート状などが挙げられ、これらの中でもシート状が特に好ましい。
スクリュー型押出機から押し出される乾燥ゴムの形状は、格別限定されるものではなく、例えば、クラム状、粉体状、棒状、シート状などが挙げられ、これらの中でもシート状が特に好ましい。
スクリュー型押出機から押し出される乾燥ゴムの温度は、格別限定されるものではないが、通常100~200℃、好ましくは110~180℃、より好ましくは120~160℃の範囲である。
スクリュー型押出機から押し出される乾燥ゴムの含水量は、1質量%未満、好ましくは0.8質量%以下、より好ましくは0.6質量%以下である。
(ベール化工程)
本発明においては、上記スクリュー型押出機から押し出されたシート状の乾燥ゴムは、必要に応じて切断し、それを積層してベール化することができる。シート状乾燥ゴムを積層してのベール化は、製造が容易で、しかも、気泡が少ない(嵩比重が大きい)ベールができ、老化防止剤の効果を高められ好適である。
本発明においては、上記スクリュー型押出機から押し出されたシート状の乾燥ゴムは、必要に応じて切断し、それを積層してベール化することができる。シート状乾燥ゴムを積層してのベール化は、製造が容易で、しかも、気泡が少ない(嵩比重が大きい)ベールができ、老化防止剤の効果を高められ好適である。
スクリュー型押出機から押し出されるシート状乾燥ゴムの幅は、使用目的に応じて適宜選択されるが、通常300~1200mm、好ましくは400~1000mm、より好ましくは500~800mmの範囲である。
スクリュー型押出機から押し出されるシート状乾燥ゴムの厚さは、格別な限定はないが、通常1~40mm、好ましくは2~35mm、より好ましくは3~30mm、最も好ましくは5~25mmの範囲である。
スクリュー型押出機から押し出されるシート状乾燥ゴムの温度は、格別な限定はないが、通常100~200℃、好ましくは110~180℃、より好ましくは120~160℃の範囲である。
シート状乾燥ゴムの冷却方法としては、格別限定はなく室温に放置してもよいが、シート状乾燥ゴムの熱伝導度が0.15~0.35W/mKと非常に小さいために、送風あるいは冷房下での空冷方式、水を吹き付ける水かけ方式、水中に浸漬する浸漬方式などの強制冷却が生産性を上げるために好ましく、特に送風あるいは冷下での空冷方式が好適である。
シート状乾燥ゴムの切断は、通常60℃以下、好ましくは55℃以下、より好ましくは50℃以下になってから行われる。シート状乾燥ゴムの切断長さは、格別な限定はなく製造する水素化ニトリルゴムベールの大きさに合わせて適宜選択すればよいが、通常100~800mm、好ましくは200~500mm、より好ましくは250~450mmの範囲である。
切断後のシート状乾燥ゴムは、積層して一体化されてベール化される。シート状乾燥ゴムの積層温度は、格別限定はないが、通常30℃以上、好ましくは35℃以上、より好ましくは40℃以上であるときに積層時に巻き込まれる空気を逃がすことができ好適である。積層枚数は、水素化ニトリルゴムベールの大きさあるいは重さに応じて適宜選択されればよい。
かくして導電材分散液の分散性や安定に優れ、電気化学素子の電極ピール強度、出力特性、サイクル特性及びサイクル試験後の電極活物質層割れ等を改善できる本発明の水素化ニトリルゴムベールを得ることができる。
[正極材料・正極用バインダー]
本発明の正極材料は、上記水素化ニトリルゴムベールを用いることを特徴とする。水素化ニトリルゴムベールを正極材料として用いるときは、通常、細分化して溶媒に溶解又は分散させて用いられる。
本発明の正極材料は、上記水素化ニトリルゴムベールを用いることを特徴とする。水素化ニトリルゴムベールを正極材料として用いるときは、通常、細分化して溶媒に溶解又は分散させて用いられる。
本発明の正極用バインダーは、前記水素化ニトリルゴムベールをN-メチルピロリドン(NMP)に溶解又は分散してなるものであり、電気化学素子の正極を製造するための材料として好適である。具体的には、本発明の正極用バインダーは、導電材と混合して導電材分散液としたときの導電材分散液の粘度特性(分散性)と安定性に優れるために、製造される電極は平滑で電気伝導性やピール強度を高め、電気化学素子の出力特性、サイクル特性及びサイクル試験後の電極活物質割れ抑制にも効果的である。
本発明の正極用バインダーは、水素化ニトリルゴムベールとNMP以外に、必要に応じてその他の成分を組み合わせることができる。その他成分として、特に限定されないが、例えば、水素化ニトリルゴム以外の結着材(ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリレート等)、補強材、レベリング剤、粘度調整剤、電解液添加剤が挙げられる。これらは、電池反応に影響を及ぼさないものであれば特に限られず、公知のものを使用することができる。また本発明の正極用バインダーは、NMP以外の溶媒を本発明の特性を損なわない範囲で含んでいてもよい。なお、これらその他の成分は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
本発明の正極用バインダーの固形分濃度は、格別な限定はないが、通常0.1~40質量%、好ましくは0.5~20質量%、より好ましくは1~10質量%、さらに好ましくは2~8質量%の範囲である。
水素化ニトリルゴムベール、NMP及び必要に応じて使用されるその他成分との混合方法は、常法に従えばよい。
水素化ニトリルゴムベール、NMP及び必要に応じて使用されるその他成分との混合方法は、常法に従えばよい。
[電気化学素子]
本発明の正極用バインダーは、導電材と混合した後に正極活物質を混合して得られる正極合材層スラリーを集電体上に塗布し乾燥させて正極製造に用いることができる。
本発明の正極用バインダーは、導電材と混合した後に正極活物質を混合して得られる正極合材層スラリーを集電体上に塗布し乾燥させて正極製造に用いることができる。
(導電材)
導電材は、電極活物質同士の電気的接触を確保するように機能する成分である。導電材としては、炭素質材料を好適に用いることができる。かかる炭素質材料としては、例えば、カーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラックなど)、単層又は多層のカーボンナノチューブ(多層カーボンナノチューブにはカップスタック型が含まれる)、カーボンナノホーン、気相成長炭素繊維、ポリマー繊維を焼成後に破砕して得られるミルドカーボン繊維、単層又は多層グラフェン、ポリマー繊維からなる不織布を焼成して得られるカーボン不織布シートが挙げられる。なお、これらは、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。そしてこれらの中でも、導電パスを良好に形成する観点から、カーボンナノチューブ(CNT)が好ましい。
導電材は、電極活物質同士の電気的接触を確保するように機能する成分である。導電材としては、炭素質材料を好適に用いることができる。かかる炭素質材料としては、例えば、カーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラックなど)、単層又は多層のカーボンナノチューブ(多層カーボンナノチューブにはカップスタック型が含まれる)、カーボンナノホーン、気相成長炭素繊維、ポリマー繊維を焼成後に破砕して得られるミルドカーボン繊維、単層又は多層グラフェン、ポリマー繊維からなる不織布を焼成して得られるカーボン不織布シートが挙げられる。なお、これらは、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。そしてこれらの中でも、導電パスを良好に形成する観点から、カーボンナノチューブ(CNT)が好ましい。
本発明の正極用バインダーと導電材を混合するに際し、導電材と正極用バインダーの量比は特に限定されない。導電材と正極用バインダーは、例えば、得られる導電材分散液が、導電材100質量部当たり、水素化ニトリルゴムベールを通常1~100質量部、好ましくは5~50質量部、より好ましくは10~30質量部の範囲で混合すればよい。また、正極用バインダーと導電材の混合に際し、必要に応じてNMPを加え粘度調整できる。
本発明の正極用バインダーと導電材の混合方法は、特に限定されず、例えば、既知の混合装置を用いて混合することができる。
(正極活物質)
正極活物質としては、特に限定されないが、電気化学素子がリチウムイオン二次電池の場合は、リチウム(Li)を含有する金属酸化物が挙げられる。そして正極活物質としては、リチウム(Li)に加え、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及び鉄(Fe)からなる群から選択される少なくとも1つ含む正極活物質が好ましい。このような正極活物質としては、リチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、リチウム含有ニッケル酸化物(LiNiO2)、Co-Ni-Mnのリチウム含有複合酸化物、Ni-Mn-Alのリチウム含有複合酸化物、Ni-Co-Alのリチウム含有複合酸化物、オリビン型リン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)、オリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、Li1+xMn2-xO4(0<X<2)で表されるリチウム過剰のスピネル化合物、Li[Ni0.17Li0.2Co0.07Mn0.56]O2、LiNi0.5Mn1.5O4、Li[Ni0.5Co0.2Mn0.3]O2などが挙げられる。なお、正極活物質の粒径は、特に限定されることなく、従来使用されている電極活物質と同様とすることができる。正極活物質は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
正極活物質としては、特に限定されないが、電気化学素子がリチウムイオン二次電池の場合は、リチウム(Li)を含有する金属酸化物が挙げられる。そして正極活物質としては、リチウム(Li)に加え、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及び鉄(Fe)からなる群から選択される少なくとも1つ含む正極活物質が好ましい。このような正極活物質としては、リチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、リチウム含有ニッケル酸化物(LiNiO2)、Co-Ni-Mnのリチウム含有複合酸化物、Ni-Mn-Alのリチウム含有複合酸化物、Ni-Co-Alのリチウム含有複合酸化物、オリビン型リン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)、オリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、Li1+xMn2-xO4(0<X<2)で表されるリチウム過剰のスピネル化合物、Li[Ni0.17Li0.2Co0.07Mn0.56]O2、LiNi0.5Mn1.5O4、Li[Ni0.5Co0.2Mn0.3]O2などが挙げられる。なお、正極活物質の粒径は、特に限定されることなく、従来使用されている電極活物質と同様とすることができる。正極活物質は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
上記正極活物質は、前記正極用バインダーと導電材の混合物に混合して正極合材層スラリーとすることができる。混合方法は、格別限定されず、既知の混合装置を用いて行うことができる。正極活物質の量は、特に限定されず、従来使用されている範囲内とすることができる。
<電気化学素子用電極>
本発明の正極用バインダーを用いた正極は、上記正極合材層スラリーを集電体上に塗布し乾燥して得ることができ、正極合材層が前述した水素化ニトリルゴムを含み形成されているので、柔軟性に優れるとともに、電極ピール強度に優れ活物質の割れの発生も少ない。
本発明の正極用バインダーを用いた正極は、上記正極合材層スラリーを集電体上に塗布し乾燥して得ることができ、正極合材層が前述した水素化ニトリルゴムを含み形成されているので、柔軟性に優れるとともに、電極ピール強度に優れ活物質の割れの発生も少ない。
以下、本発明について実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、以下の説明において、量を表す「%」、「ppm」及び「部」は、特に断らない限り、質量基準である。
また、複数種類の単量体を共重合して製造される重合体において、ある単量体を重合して形成される単量体単位の前記重合体における割合は、別に断らない限り、通常は、その重合体の重合に用いる全単量体に占める当該ある単量体の比率(仕込み比)と一致する。また、重合体が、共役ジエン単量体単位を含む重合物を水素化して成る水素化重合体である場合に、水素化重合体における、未水添の共役ジエン単量体単位と、水素化された共役ジエン単量体単位としてのアルキレン構造単位との合計含有割合は、重合物の重合に用いた全単量体に占める、共役ジエン単量体の比率(仕込み比)と一致する。
実施例及び比較例において、各種の測定及び評価は、下記の方法に従って実施した。
<ヨウ素価>
水素化ニトリルゴムのヨウ素価は、JIS K 6235に準じて測定した。
水素化ニトリルゴムのヨウ素価は、JIS K 6235に準じて測定した。
<分子量>
(DMF溶媒による測定)
水素化ニトリルゴムの重量平均分子量(Mw)、重量平均分子量(Mw)/数平均分子量(Mn)、Z平均分子量(Mz)、Z平均分子量(Mz)/重量平均分子量(Mw)は、濃度10mMのLiBr-ジチルホルムアミド(DMF)溶液を使用し、下記の測定条件でゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)より測定した。
・分離カラム:Shodex KD-806M(昭和電工株式会社製)
・検出器:示差屈折計検出器 RID-10A(株式会社島津製作所製)
・溶離液の流速:0.3mL/分
・カラム温度:40℃
・標準ポリマー:TSK 標準ポリスチレン(東ソー株式会社製)
(DMF溶媒による測定)
水素化ニトリルゴムの重量平均分子量(Mw)、重量平均分子量(Mw)/数平均分子量(Mn)、Z平均分子量(Mz)、Z平均分子量(Mz)/重量平均分子量(Mw)は、濃度10mMのLiBr-ジチルホルムアミド(DMF)溶液を使用し、下記の測定条件でゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)より測定した。
・分離カラム:Shodex KD-806M(昭和電工株式会社製)
・検出器:示差屈折計検出器 RID-10A(株式会社島津製作所製)
・溶離液の流速:0.3mL/分
・カラム温度:40℃
・標準ポリマー:TSK 標準ポリスチレン(東ソー株式会社製)
(NMP溶媒による測定)
水素化ニトリルゴムの重量平均分子量(Mw)、重量平均分子量(Mw)/数平均分子量(Mn)、Z平均分子量(Mz)、Z平均分子量(Mz)/重量平均分子量(Mw)は、N-メチルピロリドン(NMP)溶液を使用し、下記の測定条件でゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)より測定した。
・分離カラム:Shodex KD-806M(昭和電工株式会社製)
・検出器:示差屈折計検出器 RID-10A(株式会社島津製作所製)
・溶離液の流速:0.2mL/分
・カラム温度:40℃
・標準ポリマー:TSK 標準ポリスチレン(東ソー株式会社製)
水素化ニトリルゴムの重量平均分子量(Mw)、重量平均分子量(Mw)/数平均分子量(Mn)、Z平均分子量(Mz)、Z平均分子量(Mz)/重量平均分子量(Mw)は、N-メチルピロリドン(NMP)溶液を使用し、下記の測定条件でゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)より測定した。
・分離カラム:Shodex KD-806M(昭和電工株式会社製)
・検出器:示差屈折計検出器 RID-10A(株式会社島津製作所製)
・溶離液の流速:0.2mL/分
・カラム温度:40℃
・標準ポリマー:TSK 標準ポリスチレン(東ソー株式会社製)
<金属含有量>
水素化ニトリルゴムベールから約0.5gを採取し、約5mLの濃硫酸に溶解させた後ヒーター上で炭化処理をし、その後1000℃の電気炉で約3時間灰化した。放冷後、約2mLの濃硝酸を徐々に添加して湿式分解した。分解後、酸を濃縮し、超純水で10mLに定容し、ICP-MS(Agilent社製、ICP-MS 7900)を用いて金属イオン濃度を測定した。そして、測定値から水素化ニトリルゴム中に含まれていた金属イオン濃度を算出した。この時、測定対象とした金属イオンは、カルシウムイオン、ロジウムイオン、ルテニウムイオン、パラジウムイオン、鉄イオン、ナトリウムイオン及びマグネシウムイオンであった。
水素化ニトリルゴムベールから約0.5gを採取し、約5mLの濃硫酸に溶解させた後ヒーター上で炭化処理をし、その後1000℃の電気炉で約3時間灰化した。放冷後、約2mLの濃硝酸を徐々に添加して湿式分解した。分解後、酸を濃縮し、超純水で10mLに定容し、ICP-MS(Agilent社製、ICP-MS 7900)を用いて金属イオン濃度を測定した。そして、測定値から水素化ニトリルゴム中に含まれていた金属イオン濃度を算出した。この時、測定対象とした金属イオンは、カルシウムイオン、ロジウムイオン、ルテニウムイオン、パラジウムイオン、鉄イオン、ナトリウムイオン及びマグネシウムイオンであった。
<塩素含有量>
メチルエチルケトンとイソプロパノールを4:1の体積比で混合した混合液150mlに、水素化ニトリルゴムベールから1gを溶解させ、さらに2%の希硫酸を添加した試料溶液を作製し、これを0.005Nの硝酸銀水溶液で滴下して電位差滴定(平沼製COMITE-101又は相当品で、銀支持電極AG-68/銀比較電極AM-44)で塩素含有量を算出した。
メチルエチルケトンとイソプロパノールを4:1の体積比で混合した混合液150mlに、水素化ニトリルゴムベールから1gを溶解させ、さらに2%の希硫酸を添加した試料溶液を作製し、これを0.005Nの硝酸銀水溶液で滴下して電位差滴定(平沼製COMITE-101又は相当品で、銀支持電極AG-68/銀比較電極AM-44)で塩素含有量を算出した。
<嵩比重>
水素化ニトリルゴムベールから2cm×3cm×0.2cm程度の大きさに切出し、自動比重計(株式会社東洋精機製作所製、商品名:「DSG-1」)を用いての嵩比重(g/cm3)を測定した。
水素化ニトリルゴムベールから2cm×3cm×0.2cm程度の大きさに切出し、自動比重計(株式会社東洋精機製作所製、商品名:「DSG-1」)を用いての嵩比重(g/cm3)を測定した。
<導電材分散液粘度>
各実施例、比較例にて得られた導電材分散液について、レオメーター(Anton Paar社製、「MCR302」)を使用し、温度25℃、せん断速度10(1/s)で120秒の間粘度を測定し、61秒から120秒までの粘度測定値の平均値を、下記の基準に従って評価した。
A:1Pa・s以下
B:1Pa・s超5Pa・s以下
C:5Pa・s超10Pa・s以下
D:10Pa・s超
各実施例、比較例にて得られた導電材分散液について、レオメーター(Anton Paar社製、「MCR302」)を使用し、温度25℃、せん断速度10(1/s)で120秒の間粘度を測定し、61秒から120秒までの粘度測定値の平均値を、下記の基準に従って評価した。
A:1Pa・s以下
B:1Pa・s超5Pa・s以下
C:5Pa・s超10Pa・s以下
D:10Pa・s超
<導電材分散液安定性>
各実施例、比較例にて得られた導電材分散液について、分散液粘度を測定した後(η0)、密閉容器内で25℃10日間保存した。そののちに再度分散液粘度を測定し(η1)、下記に従って粘度変化率を算出し、導電材分散液安定性とした。下記の基準に従って評価した。
粘度変化率Δη=η1/η0×100
A:粘度変化率Δηが90%以上110%未満
B:粘度変化率Δηが80%以上90%未満、または110%以上120%未満
C:粘度変化率Δηが70%以上80%未満、または120%以上130%未満
D:粘度変化率Δηが60%以上70%未満、または130%以上140%未満
E:粘度変化率Δηが60%未満、または140%以上
各実施例、比較例にて得られた導電材分散液について、分散液粘度を測定した後(η0)、密閉容器内で25℃10日間保存した。そののちに再度分散液粘度を測定し(η1)、下記に従って粘度変化率を算出し、導電材分散液安定性とした。下記の基準に従って評価した。
粘度変化率Δη=η1/η0×100
A:粘度変化率Δηが90%以上110%未満
B:粘度変化率Δηが80%以上90%未満、または110%以上120%未満
C:粘度変化率Δηが70%以上80%未満、または120%以上130%未満
D:粘度変化率Δηが60%以上70%未満、または130%以上140%未満
E:粘度変化率Δηが60%未満、または140%以上
<ピール強度>
実施例、比較例で作製した正極を、長さ:100mm、幅:10mmの長方形に切り出して試験片とし、正極合材層を有する面を下にして正極合材層表面にセロハンテープ(JIS Z1522に準拠するもの)を貼り付け、集電体の一端を垂直方向に引張り速度100mm/分で引っ張って剥がしたときの応力を測定した(なお、セロハンテープは試験台に固定されている)。測定を3回行い、その平均値を求めてこれを剥離ピール強度とし、以下の基準により評価した。剥離ピール強度の値が大きいほど、正極合材層がアルミ箔からなる集電体に強固に密着していることを示す。
A:剥離ピール強度が15N/m以上
B:剥離ピール強度が10N/m以上15N/m未満
C:剥離ピール強度が5N/m以上10N/m未満
D:剥離ピール強度が5N/m未満
実施例、比較例で作製した正極を、長さ:100mm、幅:10mmの長方形に切り出して試験片とし、正極合材層を有する面を下にして正極合材層表面にセロハンテープ(JIS Z1522に準拠するもの)を貼り付け、集電体の一端を垂直方向に引張り速度100mm/分で引っ張って剥がしたときの応力を測定した(なお、セロハンテープは試験台に固定されている)。測定を3回行い、その平均値を求めてこれを剥離ピール強度とし、以下の基準により評価した。剥離ピール強度の値が大きいほど、正極合材層がアルミ箔からなる集電体に強固に密着していることを示す。
A:剥離ピール強度が15N/m以上
B:剥離ピール強度が10N/m以上15N/m未満
C:剥離ピール強度が5N/m以上10N/m未満
D:剥離ピール強度が5N/m未満
<サイクル特性>
実施例、比較例で作製したリチウムイオン二次電池を、電解液注液後、温度25℃で5時間静置した。次に、温度25℃、0.2Cの定電流法にて、セル電圧3.65Vまで充電し、その後、温度60℃で12時間エージング処理を行った。そして、温度25℃、0.2Cの定電流法にて、セル電圧3.00Vまで放電した。その後、0.2Cの定電流法にて、CC-CV充電(上限セル電圧4.20V)を行い、0.2Cの定電流法にて3.00VまでCC放電した。この0.2Cにおける充放電を3回繰り返し実施した。
次に、温度45℃の環境下、セル電圧4.20-3.00V、1.0Cの充放電レートにて充放電の操作を300サイクル行った。その際、第1回目のサイクルの放電容量をX1,第300回目のサイクルの放電容量をX2と定義した。該放電容量X1及び放電容量X2を用いて、容量維持率=(X2/X1)×100(%)を算出し、下記の基準で評価した。容量維持率の値が大きいほど、リチウムイオン二次電池がサイクル特性に優れることを示す。
A:容量維持率が85%以上
B:容量維持率が80%以上85%未満
C:容量維持率が75%以上80%未満
D:容量維持率が75%未満
実施例、比較例で作製したリチウムイオン二次電池を、電解液注液後、温度25℃で5時間静置した。次に、温度25℃、0.2Cの定電流法にて、セル電圧3.65Vまで充電し、その後、温度60℃で12時間エージング処理を行った。そして、温度25℃、0.2Cの定電流法にて、セル電圧3.00Vまで放電した。その後、0.2Cの定電流法にて、CC-CV充電(上限セル電圧4.20V)を行い、0.2Cの定電流法にて3.00VまでCC放電した。この0.2Cにおける充放電を3回繰り返し実施した。
次に、温度45℃の環境下、セル電圧4.20-3.00V、1.0Cの充放電レートにて充放電の操作を300サイクル行った。その際、第1回目のサイクルの放電容量をX1,第300回目のサイクルの放電容量をX2と定義した。該放電容量X1及び放電容量X2を用いて、容量維持率=(X2/X1)×100(%)を算出し、下記の基準で評価した。容量維持率の値が大きいほど、リチウムイオン二次電池がサイクル特性に優れることを示す。
A:容量維持率が85%以上
B:容量維持率が80%以上85%未満
C:容量維持率が75%以上80%未満
D:容量維持率が75%未満
<サイクル後の活物質割れの有無>
実施例、比較例で作製したリチウムイオン二次電池をサイクル試験後に解体し、取り出した正極の断面SEM像を1000倍で観察し、活物質の割れが観測された個数に従い、以下のように評価した。
A:割れた活物質が2個未満
B:割れた活物質の数が2個以上、5個未満
C:割れた活物質の数が5個以上、9個未満
D:割れた活物質の数が9個以上
実施例、比較例で作製したリチウムイオン二次電池をサイクル試験後に解体し、取り出した正極の断面SEM像を1000倍で観察し、活物質の割れが観測された個数に従い、以下のように評価した。
A:割れた活物質が2個未満
B:割れた活物質の数が2個以上、5個未満
C:割れた活物質の数が5個以上、9個未満
D:割れた活物質の数が9個以上
<出力特性>
実施例、比較例で作製したリチウムイオン二次電池の出力特性は下記方法でI-V抵抗を計測し、評価した。
サイクル特性と同様に、エージング処理および3充放電を3回繰り返し実施したリチウムイオン二次電池を、温度25℃で、充電率が50%となるまで(すなわち700mAhのセル容量であれば350mAhの充電容量となるまで)充電し、次の手順で抵抗値を計測した。
(1)0.2C定電流法(I0.2)で30秒間放電した際の電圧変化ΔV(0.2)を求める。
(2)0.2C定電流法で30秒間充電する。
(3)1.0C定電流法(I1.0)で30秒間放電した際の電圧変化ΔV(1.0)を求める。
I-V抵抗値(Ω)={ΔV(1.0)-ΔV(0.2)}/(I1.0-I0.2)
算出されたI-V抵抗値に従い、以下のように評価した。
A:0.25Ω以下
B:0.25Ω超0.30Ω以下
C:0.30Ω超0.35以下
D:0.35Ω超
実施例、比較例で作製したリチウムイオン二次電池の出力特性は下記方法でI-V抵抗を計測し、評価した。
サイクル特性と同様に、エージング処理および3充放電を3回繰り返し実施したリチウムイオン二次電池を、温度25℃で、充電率が50%となるまで(すなわち700mAhのセル容量であれば350mAhの充電容量となるまで)充電し、次の手順で抵抗値を計測した。
(1)0.2C定電流法(I0.2)で30秒間放電した際の電圧変化ΔV(0.2)を求める。
(2)0.2C定電流法で30秒間充電する。
(3)1.0C定電流法(I1.0)で30秒間放電した際の電圧変化ΔV(1.0)を求める。
I-V抵抗値(Ω)={ΔV(1.0)-ΔV(0.2)}/(I1.0-I0.2)
算出されたI-V抵抗値に従い、以下のように評価した。
A:0.25Ω以下
B:0.25Ω超0.30Ω以下
C:0.30Ω超0.35以下
D:0.35Ω超
(実施例1)
<水素化ニトリルゴムの製造>
-乳化重合工程~洗浄乾燥工程-
内容積10リットルの反応器中に、イオン交換水100部、並びにα,β-エチレン性不飽和ニトリル単量体としてのアクリロニトリル33部及び共役ジエン単量体としての1,3-ブタジエン67部を仕込み、乳化剤としてオレイン酸カリウム2部、安定剤としてリン酸カリウム0.1部、さらに、分子量調整剤としてtert-ドデシルメルカプタン(TDM)0.3部を加えて、重合開始剤としての過硫酸カリウム0.35部の存在下、温度5℃で乳化重合を行い、アクリロニトリルと1,3-ブタジエンとを共重合した。
<水素化ニトリルゴムの製造>
-乳化重合工程~洗浄乾燥工程-
内容積10リットルの反応器中に、イオン交換水100部、並びにα,β-エチレン性不飽和ニトリル単量体としてのアクリロニトリル33部及び共役ジエン単量体としての1,3-ブタジエン67部を仕込み、乳化剤としてオレイン酸カリウム2部、安定剤としてリン酸カリウム0.1部、さらに、分子量調整剤としてtert-ドデシルメルカプタン(TDM)0.3部を加えて、重合開始剤としての過硫酸カリウム0.35部の存在下、温度5℃で乳化重合を行い、アクリロニトリルと1,3-ブタジエンとを共重合した。
重合転化率が89%に達した時点で、単量体100部あたり0.2部のヒドロキシルアミン硫酸塩を添加して重合を停止させた。続いて、加温し、減圧下で約90℃にて水蒸気蒸留して、残留単量体を回収した後、フェノール系老化防止剤であるジブチルヒドロキシトルエン(BHT)を0.1部添加して乳化重合液を得た。
得られた乳化重合液中の重合体固形分100部に対し、凝固剤として3部となる量の塩化カルシウム(CaCl2)の25%水溶液を撹拌しながら加え、乳化重合液中の重合体を凝固させた。その後、濾別し、得られた重合体に対し50倍量のイオン交換水を通水して、水洗した後、温度90℃の減圧下で重合体を乾燥することにより重合体を得た。
-水素化工程I(複分解反応)-
次に、得られた重合体を9部、ハロゲン化炭化水素であるモノクロロベンゼン141部に溶解し、反応器に投入した。そして、反応器を80℃まで加熱した後、Grubbs触媒として二塩化ビス(トリシクロヘキシルホスフィン)ベンジリデンルテニウムを含むモノクロロベンゼン溶液2Lを重合体に対するGrubbs触媒の量が1000ppmとなるように加えた。そして、コオレフィンとしてのcis-2-ブテン-1,4-ジオールを、前駆体1を100部に対し、4.4部添加し、撹拌速度600rpmで重合体の複分解反応を行った。反応中は、温度制御装置及び熱センサーに接続した冷却コイルを用いて温度を一定に維持した。
次に、得られた重合体を9部、ハロゲン化炭化水素であるモノクロロベンゼン141部に溶解し、反応器に投入した。そして、反応器を80℃まで加熱した後、Grubbs触媒として二塩化ビス(トリシクロヘキシルホスフィン)ベンジリデンルテニウムを含むモノクロロベンゼン溶液2Lを重合体に対するGrubbs触媒の量が1000ppmとなるように加えた。そして、コオレフィンとしてのcis-2-ブテン-1,4-ジオールを、前駆体1を100部に対し、4.4部添加し、撹拌速度600rpmで重合体の複分解反応を行った。反応中は、温度制御装置及び熱センサーに接続した冷却コイルを用いて温度を一定に維持した。
-水素化工程II(水素化反応)-
その後、撹拌を継続しつつ反応器内を0.7MPaのH2で3回脱気した。そして、反応器の温度を130℃に上げ、Wilkinson触媒及びトリフェニルホスフィンを含有するモノクロロベンゼン溶液1Lを反応器に加えた。なお、重合体を100部に対するWilkinson触媒の量は0.03部とし、トリフェニルホスフィンの量は1部とした。そして、温度を138℃に上げ、水素圧(ゲージ圧)8.4MPaの条件下で重合体の水素化反応を行った。
その後、撹拌を継続しつつ反応器内を0.7MPaのH2で3回脱気した。そして、反応器の温度を130℃に上げ、Wilkinson触媒及びトリフェニルホスフィンを含有するモノクロロベンゼン溶液1Lを反応器に加えた。なお、重合体を100部に対するWilkinson触媒の量は0.03部とし、トリフェニルホスフィンの量は1部とした。そして、温度を138℃に上げ、水素圧(ゲージ圧)8.4MPaの条件下で重合体の水素化反応を行った。
-精製工程-
水素化反応終了後、カルシウムイオン含む二価以上の金属イオン濃度の調整のため、反応器に、平均直径15μmの活性炭を0.2部加え、30分間撹拌した。その後、孔径5μmのフィルターでろ過した。そして、ろ過溶液をモノクロロベンゼン溶媒が50ppmになるまで加熱乾燥し水素化ニトリルゴムAを単離した。得られた水素化ニトリルゴムAを用いて、ヨウ素価、重量平均分子量及び金属含有量を測定した。結果を表1に示す。なお、下記の表1-1及び表1-2は1つの表を分割したものであり、本明細書では、表1-1及び表1-2を合わせて表1という。また、単離したニトリルゴムA20部(20Kg)を、300×650×300mmのベーラーに充填し3MPaの圧力で30秒間押し固めニトリルゴムベールAを得た。水素化ニトリルゴムベールAを水素化ニトリルゴムAと同じ測定を行うと、測定値は同じであった。
水素化反応終了後、カルシウムイオン含む二価以上の金属イオン濃度の調整のため、反応器に、平均直径15μmの活性炭を0.2部加え、30分間撹拌した。その後、孔径5μmのフィルターでろ過した。そして、ろ過溶液をモノクロロベンゼン溶媒が50ppmになるまで加熱乾燥し水素化ニトリルゴムAを単離した。得られた水素化ニトリルゴムAを用いて、ヨウ素価、重量平均分子量及び金属含有量を測定した。結果を表1に示す。なお、下記の表1-1及び表1-2は1つの表を分割したものであり、本明細書では、表1-1及び表1-2を合わせて表1という。また、単離したニトリルゴムA20部(20Kg)を、300×650×300mmのベーラーに充填し3MPaの圧力で30秒間押し固めニトリルゴムベールAを得た。水素化ニトリルゴムベールAを水素化ニトリルゴムAと同じ測定を行うと、測定値は同じであった。
<正極用バインダーの調製>
内容積2Lの攪拌翼付きの容器にNMP920部を計り取り80℃に加温した。次に、上記製造した水素化ニトリルゴムベールAから約1cm角の大きさに切り出した水素化ニトリルゴムA80部を投入し、5時間攪拌を継続させながら溶解し、固形分濃度8%の正極用バインダーAを調整した。
内容積2Lの攪拌翼付きの容器にNMP920部を計り取り80℃に加温した。次に、上記製造した水素化ニトリルゴムベールAから約1cm角の大きさに切り出した水素化ニトリルゴムA80部を投入し、5時間攪拌を継続させながら溶解し、固形分濃度8%の正極用バインダーAを調整した。
<導電材分散液の調製>
導電材としての多層カーボンナノチューブ(BET比表面積:250m2/g)5部と、上記に従って得られた固形分濃度8%の正極用バインダーAを12.5部(固形分として1部相当)、有機溶媒としてNMP82.5部を添加し、ディスパーを用いて撹拌し(3000rpm、10分)、その後、直径1mmのジルコニアビーズを用いたビーズミル(アシザワファインテック製、「LMZ015」)を使用し、周速8m/sにて1時間混合することにより、導電材分散液を調製し、その粘度測定を行いその結果を表1に示した。また、導電材分散液の安定性評価を行いその結果を表1に示した。
導電材としての多層カーボンナノチューブ(BET比表面積:250m2/g)5部と、上記に従って得られた固形分濃度8%の正極用バインダーAを12.5部(固形分として1部相当)、有機溶媒としてNMP82.5部を添加し、ディスパーを用いて撹拌し(3000rpm、10分)、その後、直径1mmのジルコニアビーズを用いたビーズミル(アシザワファインテック製、「LMZ015」)を使用し、周速8m/sにて1時間混合することにより、導電材分散液を調製し、その粘度測定を行いその結果を表1に示した。また、導電材分散液の安定性評価を行いその結果を表1に示した。
<二次電池正極用スラリーの調製>
上述の導電材分散液中に、正極活物質として層状構造を有する三元系活物質(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)(平均粒子径:10μm)98.0部と、結着材としてのポリフッ化ビニリデン1.0部と、上記導電材分散液1.0部(固形分換算量)と、NMPとを添加し、プラネタリーミキサーにて混合(60rpm、30分)して、正極用スラリーを調製した。なお、NMPの添加量は、得られる正極用スラリーの粘度(JIS Z8803:1991に準じて単一円筒形回転粘度計により測定した。温度:25℃、回転数:60rpm)が4000~5000mPa・sの範囲内となるように調整した。
上述の導電材分散液中に、正極活物質として層状構造を有する三元系活物質(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)(平均粒子径:10μm)98.0部と、結着材としてのポリフッ化ビニリデン1.0部と、上記導電材分散液1.0部(固形分換算量)と、NMPとを添加し、プラネタリーミキサーにて混合(60rpm、30分)して、正極用スラリーを調製した。なお、NMPの添加量は、得られる正極用スラリーの粘度(JIS Z8803:1991に準じて単一円筒形回転粘度計により測定した。温度:25℃、回転数:60rpm)が4000~5000mPa・sの範囲内となるように調整した。
<正極の作製>
集電体として、厚さ20μmのアルミ箔を準備した。上記正極用スラリーを、コンマコーターでアルミ箔上に乾燥後の目付量が20mg/cm2になるように塗布し、120℃で5分、130℃で5分間乾燥後、60℃で10時間加熱処理して正極原反を得た。この正極原反をロールプレスで圧延し、密度が3.5g/cm3の正極合材層と、アルミ箔とからなるシート状正極を作製した。このシート状正極を幅4.8cm、長さ50cmに切断して、リチウムイオン二次電池用正極とした。
集電体として、厚さ20μmのアルミ箔を準備した。上記正極用スラリーを、コンマコーターでアルミ箔上に乾燥後の目付量が20mg/cm2になるように塗布し、120℃で5分、130℃で5分間乾燥後、60℃で10時間加熱処理して正極原反を得た。この正極原反をロールプレスで圧延し、密度が3.5g/cm3の正極合材層と、アルミ箔とからなるシート状正極を作製した。このシート状正極を幅4.8cm、長さ50cmに切断して、リチウムイオン二次電池用正極とした。
得られたリチウムイオン二次電池用正極について、ピール強度を評価した。その結果を表1に示す。
<リチウムイオン二次電池用負極の作製>
撹拌機付き5MPa耐圧容器に、脂肪族共役ジエン単量体としての1,3-ブタジエン33部、カルボン酸基含有単量体としてのイタコン酸3.5部、芳香族ビニル単量体としてのスチレン63.5部、乳化剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.4部、イオン交換水150部、及び、重合開始剤としての過硫酸カリウム0.5部を入れ、十分に撹拌した後、50℃に加温して重合を開始した。重合転化率が96%になった時点で冷却し重合反応を停止して、粒子状のバインダー(スチレン-ブタジエン共重合体)を含む混合物を得た。上記混合物に、5%水酸化ナトリウム水溶液を添加してpH8に調整後、加熱減圧蒸留によって未反応単量体の除去を行った。その後、混合物を30℃以下まで冷却し、負極用結着材を含む水分散液を得た。
撹拌機付き5MPa耐圧容器に、脂肪族共役ジエン単量体としての1,3-ブタジエン33部、カルボン酸基含有単量体としてのイタコン酸3.5部、芳香族ビニル単量体としてのスチレン63.5部、乳化剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.4部、イオン交換水150部、及び、重合開始剤としての過硫酸カリウム0.5部を入れ、十分に撹拌した後、50℃に加温して重合を開始した。重合転化率が96%になった時点で冷却し重合反応を停止して、粒子状のバインダー(スチレン-ブタジエン共重合体)を含む混合物を得た。上記混合物に、5%水酸化ナトリウム水溶液を添加してpH8に調整後、加熱減圧蒸留によって未反応単量体の除去を行った。その後、混合物を30℃以下まで冷却し、負極用結着材を含む水分散液を得た。
次にプラネタリーミキサーに、負極活物質としての人造黒鉛48.75部及び天然黒鉛48.75部、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース1部を投入した。さらに、イオン交換水にて固形分濃度が60%となるように希釈し、その後、回転速度45rpmで60分混練した。その後、上述のようにして得た負極用結着材を含む水分散液を固形分相当で1.5部投入し、回転速度40rpmで40分混練した。そして、粘度が3000±500mPa・s(B型粘度計、25℃、60rpmで測定)となるようにイオン交換水を加えることにより、負極合材層用スラリーを調製した。
次に、集電体として、厚さ15μmの銅箔を準備した。上記負極用スラリーを銅箔の両面に乾燥後の塗布量がそれぞれ10mg/cm2になるように塗布し、80℃で5分、120℃で5分間乾燥し、負極原反を得た。この負極原反をロールプレスで圧延し、密度が1.6g/cm3の負極合材層(両面)と、銅箔とからなるシート状負極を作製した。そして、シート状負極を幅5.0cm、長さ52cmに切断して、リチウムイオン二次電池用負極とした。
<リチウムイオン二次電池の作製>
作製したリチウムイオン二次電池用正極とリチウムイオン二次電池用負極とを電極合剤層同士が向かい合うようにし、厚さ15μmのセパレータ(ポリエチレン製の微多孔膜)を介在させて、直径20mmの芯を用いて捲回し、捲回体を得た。そして、得られた捲回体を、10mm/秒の速度で厚さ4.5mmになるまで一方向から圧縮した。なお、圧縮後の捲回体は平面視楕円形をしており、その長径と短径との比(長径/短径)は7.7であった。
作製したリチウムイオン二次電池用正極とリチウムイオン二次電池用負極とを電極合剤層同士が向かい合うようにし、厚さ15μmのセパレータ(ポリエチレン製の微多孔膜)を介在させて、直径20mmの芯を用いて捲回し、捲回体を得た。そして、得られた捲回体を、10mm/秒の速度で厚さ4.5mmになるまで一方向から圧縮した。なお、圧縮後の捲回体は平面視楕円形をしており、その長径と短径との比(長径/短径)は7.7であった。
また、電解液として濃度1.0MのLiPF6溶液(溶媒:エチレンカーボネート(EC)/ジエチルカーボネート(DEC)=3/7(体積比)の混合溶媒、添加剤:ビニレンカーボネート2体積%(溶媒比)含有)を準備した。
その後、圧縮した捲回体をアルミ製ラミネートケース内に3.2gの非水電解液とともに収容した。そして、負極の所定の箇所にニッケルリード線を接続し、正極の所定の箇所にアルミニウムリード線を接続したのち、ケースの開口部を熱で封口し、リチウムイオン二次電池を得た。このリチウムイオン二次電池は、上記捲回体を収容し得る所定のサイズのパウチ形であり、電池の公称容量は700mAhであった。
得られたリチウムイオン二次電池について、出力特性、サイクル特性、及びサイクル後の電極活物質の割れを評価した。結果を表1に示す。
(実施例2)
精製工程の活性炭使用量を0.5部に変更した以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムB及び水素化ニトリルゴムベールBを得て正極用バインダーBを製造した。水素化ニトリルゴムBと正極用バインダーBを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
精製工程の活性炭使用量を0.5部に変更した以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムB及び水素化ニトリルゴムベールBを得て正極用バインダーBを製造した。水素化ニトリルゴムBと正極用バインダーBを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
(実施例3)
精製工程の活性炭使用量を0.08部に変更した以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムC及び水素化ニトリルゴムベールCを得て正極用バインダーCを製造した。水素化ニトリルゴムCと正極用バインダーCを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
精製工程の活性炭使用量を0.08部に変更した以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムC及び水素化ニトリルゴムベールCを得て正極用バインダーCを製造した。水素化ニトリルゴムCと正極用バインダーCを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
(実施例4)
精製工程の活性炭使用量を0.07部に変更した以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムD及び水素化ニトリルゴムベールDを得て正極用バインダーDを製造した。水素化ニトリルゴムDと正極用バインダーDを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
精製工程の活性炭使用量を0.07部に変更した以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムD及び水素化ニトリルゴムベールDを得て正極用バインダーDを製造した。水素化ニトリルゴムDと正極用バインダーDを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
(実施例5)
精製工程の活性炭使用量を0.05部に変更した以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムE及び水素化ニトリルゴムベールEを得て正極用バインダーEを製造した。水素化ニトリルゴムEと正極用バインダーEを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
精製工程の活性炭使用量を0.05部に変更した以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムE及び水素化ニトリルゴムベールEを得て正極用バインダーEを製造した。水素化ニトリルゴムEと正極用バインダーEを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
(実施例6)
精製工程の活性炭使用量を0.02部に変更した以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムF及び水素化ニトリルゴムベールFを得て正極用バインダーFを製造した。水素化ニトリルゴムFと正極用バインダーFを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
精製工程の活性炭使用量を0.02部に変更した以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムF及び水素化ニトリルゴムベールFを得て正極用バインダーFを製造した。水素化ニトリルゴムFと正極用バインダーFを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
(実施例7)
複分解反応におけるGrubbs触媒量を500ppmに変更した以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムG及び水素化ニトリルゴムベールGを得た。水素化ニトリルゴムGと正極用バインダーGを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
複分解反応におけるGrubbs触媒量を500ppmに変更した以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムG及び水素化ニトリルゴムベールGを得た。水素化ニトリルゴムGと正極用バインダーGを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
(実施例8)
複分解反応におけるGrubbs触媒量を400ppmに変更した以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムH及び水素化ニトリルゴムベールHを得た。水素化ニトリルゴムHと正極用バインダーHを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
複分解反応におけるGrubbs触媒量を400ppmに変更した以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムH及び水素化ニトリルゴムベールHを得た。水素化ニトリルゴムHと正極用バインダーHを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
(実施例9)
複分解反応におけるGrubbs触媒量を200ppmに変更した以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムI及び水素化ニトリルゴムベールIを得た。水素化ニトリルゴムIと正極用バインダーIを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
複分解反応におけるGrubbs触媒量を200ppmに変更した以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムI及び水素化ニトリルゴムベールIを得た。水素化ニトリルゴムIと正極用バインダーIを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
(比較例1)
老化防止剤を添加しなかった以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムJ及び水素化ニトリルゴムベールJを得た。水素化ニトリルゴムJと正極用バインダーJを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
老化防止剤を添加しなかった以外は、実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムJ及び水素化ニトリルゴムベールJを得た。水素化ニトリルゴムJと正極用バインダーJを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
(比較例2)
老化防止剤を添加せず且つ水素化工程IIでWilkinson触媒及びトリフェニルホスフィンを含有するモノクロロベンゼン溶液1Lを反応器に添加せずに、触媒としてパラジウム・シリカ(Pd/SiO2)を重合体に対するPd量が1000ppmとなるようにオートクレーブに入れ、温度90℃、水素圧3.0MPaの条件下で水素化反応を行い、精製工程で活性炭に加え、アミノプロピル基修飾シリカ(商品名「QuadraSil AP」、SIGMA-ALDRICH社製、表面にアミノプロピル基が導入されてなるシリカ、平均粒子径54μm)1部を添加した以外は実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムK及び水素化ニトリルゴムベールKを得た。水素化ニトリルゴムKと正極用バインダーKを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
老化防止剤を添加せず且つ水素化工程IIでWilkinson触媒及びトリフェニルホスフィンを含有するモノクロロベンゼン溶液1Lを反応器に添加せずに、触媒としてパラジウム・シリカ(Pd/SiO2)を重合体に対するPd量が1000ppmとなるようにオートクレーブに入れ、温度90℃、水素圧3.0MPaの条件下で水素化反応を行い、精製工程で活性炭に加え、アミノプロピル基修飾シリカ(商品名「QuadraSil AP」、SIGMA-ALDRICH社製、表面にアミノプロピル基が導入されてなるシリカ、平均粒子径54μm)1部を添加した以外は実施例1と同様にして水素化ニトリルゴムK及び水素化ニトリルゴムベールKを得た。水素化ニトリルゴムKと正極用バインダーKを用いた電気化学素子の各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
(比較例3)
比較例1の精製工程における活性炭処理したろ過溶液に多量のメタノールを加えて凝固した後、生成したクラムを濾別し、これをモノクロロベンゼン溶媒が50ppmになるまで加熱乾燥し水素化ニトリルゴムLを製造した。クラム状水素化ニトリルゴムLを正極用バインダーLとして電気化学素子を作成し各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
比較例1の精製工程における活性炭処理したろ過溶液に多量のメタノールを加えて凝固した後、生成したクラムを濾別し、これをモノクロロベンゼン溶媒が50ppmになるまで加熱乾燥し水素化ニトリルゴムLを製造した。クラム状水素化ニトリルゴムLを正極用バインダーLとして電気化学素子を作成し各特性を評価しそれらの結果を表1に示す。
表1から、本発明の水素化ニトリルゴムベールA~Iは、ニトリル基含有単量体単位と、共役ジエン単量体単位及び/又はアルキレン構造単位とを含み、重量平均分子量(Mw)が1,000~1,000,000、ヨウ素価が0.1~100mg/100mgの範囲であり、フェノール系老化防止剤を含み、且つパラジウム(Pd)含有量が50ppm以下で、カルシウム(Ca)含有量が1~2000ppmの範囲である水素化ニトリルゴムからなり、導電材分散液の粘度特性や安定性を高めるため、製造される電極のピール強度や、電気化学素子の出力特性、サイクル特性及びサイクル試験後の電極活物質割れ抑制効果を高め、各々の特性が高度にバランスされていることがわかる(実施例1~9と比較例1~3との比較)。
導電材分散液の粘度特性(分散性)に関しては、水素化ニトリルゴム中のCa含有量と相関し、Ca含有量が多くなるほど粘度が上昇し分散性が悪くなる傾向にある(実施例1~6内での比較)。また、導電材分散液の分散性が、水素化ニトリルゴムのヨウ素価に大きく影響され、ヨウ素価が上がると分散液粘度が急激に上昇してくることがわかる(実施例7~9内での比較)。表1から、導電材分散液の粘度特性(分散性)は、水素化ニトリルゴムのヨウ素価が小さく且つ水素化ニトリルゴム中のCa含有量が小さいと優れることがわかる。
導電材分散液の安定性は、フェノール系老化防止剤であるジブチルヒドロキシトルエン(BHT)の有無に大きく影響され、表1からは、含有しないと極端に悪化することがわかる(実施例1~9と比較例1~3との比較)。これは、フェノール系老化防止剤が内在しないと、加熱乾燥時に水素化ニトリルゴム内に酸素ラジカルが生じてしまい、この酸素ラジカルが導電材表面の活性点と反応、架橋する事で安定性が悪化すると推察している。また、導電材分散液の安定性は、水素化ニトリルゴムベールの嵩比重に影響され、フェノール系老化防止剤を含有しない水素化ニトリルゴムベールJ(嵩比重0.74g/cm3)とクラム状の水素化ニトリルゴムL(嵩比重0.55g/cm3)とを比べると、嵩比重の小さいクラム状水素化ニトリルゴムLの導電材分散液安定性がさらに悪化していた(比較例1と比較例3との比較)。また、データを表示していないが、比較例1で製造されたベール化前の水素化ニトリルゴムJ(直接乾燥したままの塊状水素化ニトリルゴム)の嵩比重も0.5~0.6g/cm3と小さく、且つ、導電材の分散液安定性も悪化していた。これらは、嵩比重が小さいクラム状や塊状の水素化ニトリルゴムは、空気が多量に内在し、水素化ニトリルゴム内に生じる酸素ラジカルのために導電材との分散液安定性が悪化したものと思われる。また、水素化ニトリルゴムのヨウ素価にも影響されヨウ素価が小さい方が良好であることがわかる(実施例7~9)。
電極でのピール強度は、表1から、水素化ニトリルゴム中のカルシウム(Ca)含有量にも影響され、多い方が好ましいことがわかる(実施例1~6内の比較)。また、データを表示していないが、水素化ニトリルゴムのヨウ素価が過度に小さくなると電極ピール強度が悪化していた。
電気化学素子の出力特性は、表1から、水素化ニトリルゴムのヨウ素価が大きくなると悪くなる傾向にあるが、それ以外は実施例全てで良好な結果を示している。
電気化学素子のサイクル特性は、表1から、水素化ニトリルゴム中のCa量に大きく影響され、少ない方が好ましいことがわかる(実施例1~6内の比較)。
電気化学素子のサイクル試験後の電極活物質割れ抑制については、表1から、水素化ニトリルゴム中のCa量が多い方が好ましいことがわかる(実施例1~6内での比較)。また、表1からは、水素化ニトリルゴム中の水素化触媒残渣であるPdが多量に残ると急激に悪化することがわかる(比較例2)。
一方、本明細書では、比較例には示していないが、Rh及び又はRu含有量、Mg含有量及びNa含有量が過度に多いものは、電気化学素子のサイクル特性が悪く、また、サイクル試験後の電極活物質割れを生じさせてしまうが、表1からは、これら金属の含有量が、本発明の水素化ニトリルゴムベールA~Iの水素化ニトリルゴム中に含有される量であれば、導電材分散液の粘度特性や安定性、ピール強度、出力特性、サイクル特性及びサイクル試験後の電極活物質割れ抑制効果のいずれの特性にも影響しないことがわかる。
また、表1からは、水素化ニトリルゴム因子の大小あるいは多少の違いにより電気化学素子及びその製造工程での6特性の評価が大きく影響され相反する結果になるものも多く、これら6特性をバランスさせることが難しいことがわかる。その中で、本願発明の水素化ニトリルゴムベールA~Iを用いると、これらの特性が高度にバランスさせられることがわかる。特に、本発明の水素化ニトリルゴムベールCとDは、全ての評価項目がAとなり、水素化ニトリルゴム中のCa量が特定範囲において電気化学素子が最適になることがわかる。
また、実施例本文及び表1からは、本発明の水素化ニトリルゴムベールを構成する水素化ニトリルゴムA~Iが、[Mw]は複分解反応の触媒量で調整できること、[ヨウ素価]は水素化触媒量、複分解反応後の重合体分子量及び水素化率モニタリング等で調整できること、[Mg,Na]含有量は乳化重合工程や水素化工程等の製造段階で起因となる副材料を使用せずに調整できること、そして、凝固剤で使用した[Ca]や水素化触媒で使用した[Ru、Rh]が水洗及び吸着材処理して調整できること等の既知の方法の組み合わせで製造できることがわかる。
(実施例10~18)
実施例1~9の精製工程後に濾過した水素化ニトリルゴム含有モノクロロベンゼン溶液に大量のスチームを導入し含水クラムを生成した。生成した含水クラムを、スクリュー型押出機を用いて水素化ニトリルゴム諸特性が変化しない条件で乾燥しシート状の乾燥ゴム(幅300mm×厚み30mm)を押出した。次いで、50℃以下まで冷却後に所定長さ650mmでカットし、10枚を積層し水素化ニトリルゴムベールM~Uを得た。水素化ニトリルゴムベールM~Uの嵩比重は、いずれも0.85g/cm3以上と大きく、実施例1~9と同様に正極用バインダーM~Uを作製し、性能評価を行うと、いずれの性能も、評価レベルを変えるまでにはならなかったが、実施例1~9の結果を全て上回る結果であった。特に、導電材分散液の安定性評価の値は顕著に向上していた。また、評価を5回平均で行うとバラツキも小さい良好な結果であった。
実施例1~9の精製工程後に濾過した水素化ニトリルゴム含有モノクロロベンゼン溶液に大量のスチームを導入し含水クラムを生成した。生成した含水クラムを、スクリュー型押出機を用いて水素化ニトリルゴム諸特性が変化しない条件で乾燥しシート状の乾燥ゴム(幅300mm×厚み30mm)を押出した。次いで、50℃以下まで冷却後に所定長さ650mmでカットし、10枚を積層し水素化ニトリルゴムベールM~Uを得た。水素化ニトリルゴムベールM~Uの嵩比重は、いずれも0.85g/cm3以上と大きく、実施例1~9と同様に正極用バインダーM~Uを作製し、性能評価を行うと、いずれの性能も、評価レベルを変えるまでにはならなかったが、実施例1~9の結果を全て上回る結果であった。特に、導電材分散液の安定性評価の値は顕著に向上していた。また、評価を5回平均で行うとバラツキも小さい良好な結果であった。
なお、本実施例10~18で用いたスクリュー型押出機は、1つの供給バレル、3つの脱水バレル(第1~第3の脱水バレル)、5つの乾燥バレル(第1~第5の乾燥バレル)及びダイ部で構成されており、スクリュー型押出機の操業条件は、以下のとおりとした。
各バレルの設定温度:
・第1から第3の脱水バレル:90~120℃
・第1から第5の乾燥バレル:120~180℃
運転条件:
・バレルユニット内のスクリューの直径(D):104mm
・バレルユニット内のスクリューの全長(L):4620mm
・L/D:44
・バレルユニット内のスクリューの回転数:220rpm
・滞留時間:100秒
・乾燥バレル減圧度;10kPa
・ダイの樹脂圧:2MPa
・第1から第3の脱水バレル:90~120℃
・第1から第5の乾燥バレル:120~180℃
運転条件:
・バレルユニット内のスクリューの直径(D):104mm
・バレルユニット内のスクリューの全長(L):4620mm
・L/D:44
・バレルユニット内のスクリューの回転数:220rpm
・滞留時間:100秒
・乾燥バレル減圧度;10kPa
・ダイの樹脂圧:2MPa
なお、上記製造された水素化ニトリルゴムベールM~Uの特性値は、実施例1~9で製造される水素化ニトリルゴムベールA~Iと比べ、ベール特性の嵩比重が格段に向上していたが、構成の水素化ニトリルゴムの分子量、ヨウ素価、老化防止剤含有量、各種金属含有量及び塩素含有量は変わらなかった。
本発明によれば、導電材分散液の粘度特性と安定性を高めるとともに、電極ピール強度や活物質割れの防止力を高め、電気化学素子のサイクル特性や出力特性を向上できる、正極用バインダーを提供することができる。
Claims (27)
- ニトリル基含有単量体単位と、共役ジエン単量体単位及び/又はアルキレン構造単位とを含み、重量平均分子量(Mw)が1,000~1,000,000、ヨウ素価が0.1~100mg/100mgの範囲であり、フェノール系老化防止剤を含み、且つパラジウム(Pd)含有量が50ppm以下で、カルシウム(Ca)含有量が1~2000ppmの範囲である水素化ニトリルゴムからなる水素化ニトリルゴムベール。
- 前記カルシウム(Ca)含有量が、10ppm以上1500ppm以下である請求項1記載の水素化ニトリルゴムベール。
- 前記フェノール系老化防止剤の含有量が、0.001~2質量%の範囲である請求項1記載の水素化ニトリルゴムベール。
- 前記パラジウム(Pd)含有量が、10ppm以下である請求項1記載の水素化ニトリルゴムベール。
- さらに、ロジウム(Rh)及び/またはルテニウム(Ru)含有量が、0.5~50ppmの範囲である請求項1記載の水素化ニトリルゴムベール。
- さらに、ナトリウム(Na)含有量が300ppm以下、マグネシウム(Mg)含有量が50ppm以下である請求項1記載の水素化ニトリルゴムベール。
- 前記水素化ニトリルゴムが、ニトリル基含有単量体と共役ジエン単量体とを乳化重合して塩化カルシウムで凝固した重合体を水素化して得られるものである請求項1記載の水素化ニトリルゴムベール。
- 前記水素化ニトリルゴムが、ニトリル基含有単量体と共役ジエン単量体とを乳化重合してフェノール系老化防止剤を加えてから塩化カルシウムで凝固し得られる重合体を水素化して得られるものである請求項1記載の水素化ニトリルゴムベール。
- 前記水素化ニトリルゴムが、スクリュー型押出機で乾燥されたものである請求項1記載の水素化ニトリルゴムベール。
- 嵩比重が、0.8g/cm3以上である請求項1記載の水素化ニトリルゴムベール。
- 前記ニトリル基含有単量体単位と、共役ジエン単量体単位及び/又はアルキレン構造単位との前記水素化ニトリルゴム中の合計割合が、95質量%以上である請求項10記載の水素化ニトリルゴムベール。
- さらに、塩素(Cl)含有量が、3000ppm以下であり、前記カルシウム(Ca)含有量との質量比(Ca/Cl)が、0.01~10の範囲である請求項10記載の水素化ニトリルゴムベール。
- 前記水素化ニトリルゴムの重量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)との比(Mw/Mn)が、1.2~5の範囲であり、Z平均分子量(Mz)と重量平均分子量(Mw)との比(Mz/Mw)が、1.5~5の範囲である請求項10記載の水素化ニトリルゴムベール。
- 前記水素化ニトリルゴムのNMPを溶媒として測定される重量平均分子量(NMP-Mw)とDMFを溶媒として測定される重量平均分子量(DMF-Mw)とが、NMP-Mw≧DMF-Mwの関係にある請求項10記載の水素化ニトリルゴムベール。
- ニトリルゴムにフェノール系老化防止剤を添加し水素化して水素化ニトリルゴムを製造し、次いで前記水素化ニトリルゴムをベール化する請求項1に記載の水素化ニトリルゴムベールの製造方法。
- 前記ベール化を、ベーラーを用いて0.1~15MPaの圧力で行う請求項15記載の水素化ニトリルゴムベールの製造方法。
- ニトリル基含有単量体と共役ジエン単量体とを乳化重合してフェノール系老化防止剤を加えてから塩化カルシウムで凝固した重合体を水素化し、次いでベール化する請求項1に記載の水素化ニトリルゴムベールの製造方法。
- ニトリル基含有単量体と共役ジエン単量体とを乳化重合してフェノール系老化防止剤を加えてから塩化カルシウムで凝固した重合体を水素化し水素化ニトリルゴム含有溶液を得る水素化工程と、
前記水素化ニトリルゴム含有溶液から不純物除去する精製工程と、
前記不純物除去後の水素化ニトリルゴム含有溶液を凝固して水素化ニトリルゴムクラムを得る凝固工程と、
前記水素化ニトリルゴムクラムをスクリュー型押出機を用いて乾燥してシート状の乾燥水素化ニトリルゴムを押し出す乾燥・シート化工程と、
前記押し出されたシート状の乾燥水素化ニトリルゴムを積層してベール化するベール化工程と、
を含んでなる請求項1記載の水素化ニトリルゴムベールの製造方法。 - 前記スクリュー型押出機が、減圧の乾燥バレルを有するものである請求項18記載の水素化ニトリルゴムベールの製造方法。
- 前記精製工程において、活性炭を用いて前記水素化ニトリルゴム含有溶液から不純物除去をするものである請求項18記載の水素化ニトリルゴムベールの製造方法。
- 前記水素化工程において、前記重合体の水素化を、ルテニウム(Ru)系触媒とコオレフィンとを用いて複分解した後にロジウム(Rh)系触媒を用いて行う請求項18記載の水素化ニトリルゴムベールの製造方法。
- 前記水素化工程において、前記重合体の水素化を、ルテニウム(Ru)系触媒またはロジウム(Rh)系触媒を用いて行う請求項18記載の水素化ニトリルゴムベールの製造方法。
- 請求項1記載の水素化ニトリルゴムベールからなる正極材料。
- 請求項1記載の水素化ニトリルゴムベールをN-メチルピロリドン(NMP)に溶解又は分散してなる正極用バインダー。
- 固形分濃度が、0.1~40質量%の範囲である請求項24記載の正極用バインダー。
- 導電材、正極活物質、及び請求項23記載の正極材料を含んでなる正極合材層と集電体からなる正極。
- 請求項24記載の正極用バインダーと導電材とを混合した後に正極活物質を混合して得られる正極合材層スラリーを集電体上に塗布し、乾燥させる工程を含んでなる正極の製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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