非水系蓄电元件用粘结剂和非水系蓄电元件的制作方法_3

文档序号:9693456阅读:来源:国知局
QUAP0LYMER株式会社制造:ACC0FL0C C-502 等)、以及糖类及其衍生物(和光纯药工业株式会社:壳聚糖5、日淀化学株式会社制造:酯化 淀粉乳华、格力高株式会社制造:多支链环糊精)、聚苯乙烯磺酸(东曹有机化学株式会社制 造:Poly-NaSS PS-100等)等,可以在将这些水溶性高分子溶解于水中的状态下使用。
[0114] 作为固态高分子物质,也可以举出丙烯酸酯聚合乳液(昭和电工株式会社制造: Polysol F-361、F-417、S-65、SH-502)以及乙烯-乙酸乙烯酯共聚乳液(株式会社KURARAY制 造:Pan FI ex 0M-4000NT、0M-4200NT、0M-28NT、0M-5010NT)等乳液,它们能够以悬浮于水中 的状态使用。另外,作为固态高分子物质,也可以举出聚偏二氟乙烯(株式会社KUREHA制造: KUREHA KF P0LYMER#1120)、改性聚乙烯醇(信越化学工业株式会社制造:Cyanoresin CR-V)、改性支链淀粉(信越化学工业株式会社制造:Cyanoresin CR-S)等高分子,可以在将它 们溶解于N-甲基吡咯烷酮中的状态下使用。
[0115] 作为将固态高分子物质溶解于溶剂中而成的液态粘结剂,优选将水溶性高分子溶 解于水中而成的液态粘结剂、以及将乳液悬浮于水中而成的粘结剂。
[0116] 将固态高分子物质溶解于溶剂中而成的液态粘结剂可以通过进行加热和/或减压 来将溶剂除去而进行固化。对于这种粘结剂,也可以通过在层中浸渗电解液而形成凝胶电 解层来提高层的离子传导性。
[0117]在粘结剂100质量%中,包含特定官能团的粘结剂在本发明的粘结剂中所占的比 例优选为0.01质量%~99.99质量%、更优选为0.1质量%~99.9%。也可以仅使用包含特 定官能团的粘结剂。此处,关于将固态高分子物质溶解于溶剂中而成的液态粘结剂,基于固 态高分子物质的量。
[0118] 本发明的粘结剂可以与溶剂、填料、活性物质、核壳型发泡剂、盐、具有离子性的液 体、偶联剂、稳定剂、防腐剂和表面活性剂等进行组合而形成组合物,可以适用于非水系蓄 电元件的电极、隔板、集电体之类的基材中。
[0119] (B)溶剂
[0120] 除了本发明的粘结剂以外,组合物还可以包含溶剂。溶剂也包括将固态高分子物 质溶解于溶剂中而成的液态粘结剂中含有的溶剂、无机填料为溶胶等形态时的作为介质的 溶剂。
[0121] 为了根据涂布装置进行粘度调节等,可以以任意的比例混配溶剂。作为溶剂,没有 特别限制,可例示出烃(丙烷、正丁烷、正戊烷、异己烷、环己烷、正辛烷、异辛烷、苯、甲苯、二 甲苯、乙苯、戊苯、松节油、蒎烯等)、卤代烃(氯甲烷、氯仿、四氯化碳、氯乙烯、溴甲烷、溴乙 烷、氯苯、氯溴甲烷、溴苯、氟二氯甲烷、二氯二氟甲烷、二氟氯乙烷等)、醇(甲醇、乙醇、1-丙 醇、异丙醇、1-丁醇、1-戊醇、异戊醇、1-己醇、1-庚醇、1-辛醇、2-辛醇、1-十二烷醇、壬醇、环 己醇、缩水甘油等)、醚(二乙醚、二氯二乙醚、二异丙醚、二丁醚、二异戊醚、甲基苯基醚、乙 基苄基醚)、呋喃(四氢呋喃、糠醛、2-甲基呋喃、桉树脑、甲缩醛)、酮(丙酮、甲基乙基酮、甲 基正丙基酮、甲基正戊基酮、二异丁基酮、佛尔酮、异佛尔酮、环己酮、苯乙酮等)、酯(甲酸甲 酯、甲酸乙酯、甲酸丙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸正戊酯、乙酸甲基环己酯、丁 酸甲酯、丁酸乙酯、丁酸丙酯、硬脂酸丁酯、碳酸亚丙酯、碳酸二乙酯、碳酸亚乙酯、碳酸亚乙 烯酯等)、多元醇及其衍生物(乙二醇、乙二醇单甲醚、乙二醇单甲醚乙酸酯、乙二醇单乙醚、 甲氧基甲氧基乙醇、乙二醇单乙酸酯、二乙二醇、二乙二醇单甲醚、丙二醇、丙二醇单乙醚、 2-(2-丁氧基乙氧基)乙醇等)、脂肪酸和苯酚(甲酸、乙酸、乙酸酐、丙酸、丙酸酐、丁酸、异戊 酸、苯酚、甲酚、邻甲酚、二甲苯酚等)、氮化合物(硝基甲烷、硝基乙烷、1-硝基丙烷、硝基苯、 单甲胺、二甲胺、三甲胺、单乙胺、二戊胺、苯胺、单甲基苯胺、邻甲苯胺、邻氯苯胺、二氯己 胺、二环己胺、单乙醇胺、甲酰胺、N,N_二甲基甲酰胺、乙酰胺、乙腈、吡啶、α-甲基吡啶、2,4_ 二甲基吡啶、喹啉、吗啉等)、硫、磷、其它化合物(二硫化碳、二甲基亚砜、4,4-二乙基-1,2-二硫杂环戊烷、二甲基硫醚、二甲基二硫醚、甲硫醇、丙磺酸内酯、磷酸三乙酯、磷酸三苯酯、 碳酸二乙酯、碳酸亚乙酯、硼酸戊酯等)、无机溶剂(液氨、硅油等)、水等液体。
[0122] 从涂布性的方面出发,溶剂优选为达到ImPa · s~10,000mPa · s的粘度的量。作为 粘度,更优选为2mPa · s~5000mPa · s、进一步优选为3mPa · s~1,OOOmPa · s。用于达到这 种粘度的溶剂的种类和含量可以适当确定。本发明中,粘度为利用锥板型旋转粘度计(转速 50rpm)在25°C所测定的值。
[0123] (C)填料
[0124] 除了本发明的粘结剂以外,组合物还可以包含填料。填料可以单独使用,也可以将 两种以上进行组合。
[0125] 特别是,为了形成耐热涂层而使用组合物的情况下,会生成作为多孔质膜的涂层, 因此优选在组合物中含有填料。这种情况下,从耐热性的方面考虑,优选无机填料。关于组 合物中的粘结剂的量,优选为不填埋填料间所产生的空隙、进而在实用上足够量的添加量。 这种情况下,粘结剂的量相对于填料100质量份优选为0.01质量份~49质量份、更优选为 〇. 05质量份~30质量份、进一步优选为0.1质量份~20质量份。
[0126] 另外,为了集电体的表面处理而使用组合物的情况下,优选使组合物中含有碳系 填料之类的导电性填料。这种情况下,粘结剂的量相对于填料100质量份优选为0.1质量份 ~100质量份、更优选为0.5质量份~80质量份、进一步优选为1质量份~70质量份。
[0127] 作为无机填料,可以使用氧化铝。作为氧化铝的制造方法,可以举出:将溶解于溶 剂中的铝醇盐水解的方法;将硝酸铝等盐热分解并进行粉碎的方法;等等,对本发明中的氧 化铝的方法没有特别限制,可以使用利用任何方法所制造的氧化铝。氧化铝可以单独使用, 也可以将两种以上组合使用。
[0128] 作为其它无机填料,没有特别限制,可以举出二氧化硅、氧化锆、氧化铍、氧化镁、 二氧化钛以及氧化铁等金属氧化物的粉末;胶态二氧化硅或二氧化钛溶胶、氧化铝溶胶等 溶胶;滑石、高岭石以及蒙脱石等粘土矿物;碳化硅以及碳化钛等碳化物;氮化硅、氮化铝以 及氮化钛等氮化物;氮化硼、硼化钛以及氧化硼等硼化物;莫来石等复合氧化物;氢氧化铝、 氢氧化镁以及氢氧化铁等氢氧化物;钛酸钡、碳酸锁、娃酸镁、娃酸锂、娃酸钠、娃酸钾以及 玻璃等。
[0129] 这些无机填料可以以粉体的形式使用,也可以以硅溶胶、氧化铝溶胶这样的水分 散胶体的形式、或者以有机溶胶这样的分散于有机溶剂中的状态使用。
[0130] 无机填料的颗粒的尺寸优选为Ο.ΟΟΙμL?~100μπι的范围、进一步优选为0 ·005μηι~ ΙΟμπι的范围。以平均粒径计,优选为0 ·005μηι~50μηι的范围、进一步优选为0 ·01μηι~8μηι的范 围。平均粒径和粒度分布例如可以利用激光衍射/散射式粒度分布测定装置进行测定,具体 地说,可以使用株式会社堀场制作所制造的LA-920等。
[0131] 无机填料优选包含氧化铝,在无机填料中,氧化铝优选为50质量%以上,也可以 1〇〇质量%为氧化铝。在合用其它无机填料的情况下,在将氧化铝和其它无机填料合在一起 的全部无机成分100质量%中,其它无机填料的量可以为0.1质量%~49.9质量%、优选为 0.5质量%~49.5质量%、更优选为1质量%~49质量%。
[0132] 作为有机填料,可以举出丙烯酸类树脂或环氧树脂、聚酰亚胺等高分子之中三维 地进行交联且实质上不发生塑性变形的高分子、纤维素颗粒、纤维、薄片等。有机填料可以 单独使用,也可以将两种以上组合使用。
[0133] 填料可以为导电性,也可以为非导电性。在使用用于集电体的表面处理的组合物 时,优选导电性填料。在耐热涂层的形成中使用组合物的情况下,可以以绝缘性不受损的程 度来添加导电性填料。
[0134] 作为导电性填料,可以举出 Ag、Cu、Au、Al、Mg、Rh、W、Mo、Co、Ni、Pt、Pd、Cr、Ta、Pb、V、 2匕1^、111、?6、211等金属填料(对形状没有限定,可以举出球状、薄片状颗粒或胶体等);511-Pb系、Sn-In系、Sn-Bi系、Sn-Ag系、Sn-Zn系等合金填料(球状颗粒、薄片状颗粒);乙炔黑、炉 黑、槽法炭黑等炭黑、石墨、石墨纤维、石墨原纤维、碳纤维、活性炭、木炭、碳纳米管、富勒烯 等碳系填料;氧化锌、氧化锡、氧化铟、氧化钛(二氧化钛、一氧化钛等)等之中由于晶格缺陷 的存在而生成剩余电子、显示出导电性的金属氧化物填料。导电性填料的表面可以用偶联 剂等进彳丁处理。
[0135] 从导电性、液性的方面出发,导电性填料优选为0.001 μπι~1 ΟΟμπι的范围、进一步优 选为Ο.ΟΙμπι~ΙΟμπι的范围。通过包含导电性填料的组合物可使所形成的导电性涂层带有凹 凸,为了利用锚定效应提高与活性物质层的密合性,也可以使用大于上述范围的导电性填 料。该情况下,相对于上述范围的导电性填料,可以以1重量%~50重量%、更优选5重量% ~10重量%的量来复合大的导电性颗粒。作为这样的导电性填料,例如可以举出碳纤维(帝 人株式会社制造:Raheama R-A101 =纤维径8μηι、纤维长30μηι)等。关于导电性填料,以平均 粒径计优选为0.005μηι~50μηι的范围、进一步优选为0. Ο?μπι~8μηι的范围。
[0136] 在耐热涂层的组合物中优选使用无机填料,在合用其它填料与无机填料的情况 下,相对于无机填料100质量份,可以包含50质量份以下的无机填料,优选为30质量份以下、 更优选为20质量份以下、进一步优选为10质量份以下。在集电体处理用的组合物中优选使 用导电填料。
[0137] (D)其它成分
[0138] 组合物可以在不损害本发明目的的范围内含有活性物质、核壳型发泡剂、盐、具有 离子性的液体、偶联剂、稳定剂、防腐剂以及表面活性剂等。
[0139] [活性物质]
[0140] 另外,为了形成非水系蓄电元件的电极的活性物质层而使用组合物的情况下,优 选使组合物中含有粘结剂和活性物质。这种情况下,粘结剂的量相对于活性物质100质量份 优选为0.01质量份~500质量份、更优选为0.1质量份~200质量份、进一步优选为0.5质量 份~100质量份。
[0141] 活性物质可以根据所期望的非水系蓄电元件而适当选择。非水系蓄电元件为电池 的情况下,可以举出授受负责充放电的碱金属离子的活性物质,在锂二次电池的正极活性 物质层的形成中,可以举出锂盐(例如钴酸锂、橄榄石型磷酸铁锂等),在双电层电容器的电 极活性物质层的形成中,可以举出活性炭等。活性物质的形状、量可以根据所期望的活性物 质层而适当选择。例如,在使用颗粒状活性物质的情况下,其尺寸可以为Ο.ΟΟΙμπι~100μπι的 范围、进一步优选为0 ·005μηι~ΙΟμL?的范围。以平均粒径计,优选为0 ·005μηι~50μηι的范围、 进一步优选为0. Ο?μπι~8μηι的范围。
[0142] [核壳型发泡剂]
[0143] 组合物可以包含核壳型发泡剂。作为这样的发泡剂,可以使用EXPANCEL( Japan Fillite株式会社制造)等。通常,核壳型发泡剂的壳为有机物,因而相对于电解液的长期可 靠性差。因此,也可以使用将该发泡剂进一步用无机物被覆而成的物质。作为这样的无机 物,可例示出氧化铝、二氧化娃、氧化错、氧化铍、氧化镁、二氧化钛以及氧化铁等金属氧化 物;胶态二氧化硅、二氧化钛溶胶、氧化铝溶胶等溶胶;硅胶以及活性氧化铝等凝胶;莫来石 等复合氧化物;氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化铁等氢氧化物:以及钛酸钡、金、银、铜、镍等金 属。
[0144] 通过使用在达到一定温度时发生软化的壳与由因加热所致的蒸发等而发生体积 膨胀的材料构成的核组合而成的核壳型发泡剂,在电池发生热失控时,通过发泡剂产生发 泡,能够增大电极间距离,由此能够发挥关闭功能。此外,通过壳部大幅膨胀,能够增大电极 间距离,由此能够防止短路等。并且,即使发热结束,膨胀的壳部也维持其形状,因此还能够 防止电极间再次变窄而再次发生短路。另外,通过用无机物包覆核壳型发泡剂,能够降低充 放电时的电解的影响,进而无机物表面的活性氢基成为离子传导时的抗衡离子,由此还能 够高效地提高离子传导性。
[0145] 相对于粘结剂100质量份,组合物可以以1质量份~99质量份包含核壳型发泡剂, 优选为10质量份~98质量份。在合用上述核壳型发泡剂和上述无机填料的情况下,相对于 无机填料和粘结剂的合计1 〇〇质量份,可以包含99质量份以下的核壳型发泡剂,优选为1质 量份~99质量份、更优选为10质量份~98质量份、进一步优选为20质量份~97质量份。
[0146] [盐]
[0147] 组合物可以包含作为各种离子源的盐。由此,能够提高离子传导性。也可以加入所 使用的电池的电解质。在锂离子电池的情况下,作为电解质,可例示出氢氧化锂、硅酸锂、六 氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂、双(五氟乙磺酰基)酰亚胺 锂以及三氟甲磺酸锂等;在钠离子电池的情况下,可例示出氢氧化钠以及高氯酸钠等。在钙 离子电池的情况下,作为电解质,可例示出氢氧化钙以及高氯酸钙等。在镁离子电池的情况 下,作为电解质,可例示出高氯酸镁等。在双电层电容器的情况下,作为电解质,可例示出四 乙基四氟硼酸铵、三乙基甲基铵双(三氟甲磺酰基)酰亚胺以及四乙基铵双(三氟甲磺酰基) 酰亚胺等。
[0148] 相对于无机填料和粘结剂的合计100质量份,组合物可以包含300质量份以下的上 述盐,优选为0.1质量份~300质量份、更优选为0.5质量份~200质量份、进一步优选为1质 量份~1〇〇质量份。上述盐可以以粉体的形式添加,或者制成多孔后添加,或者溶解于混配 成分中使用。
[0149] [具有离子性的液体]
[0150] 组合物可以包含具有离子性的液体。具有离子性的液体可以是将上述盐溶解于溶 剂而成的溶液或离子性液体。作为将盐溶解于溶剂而成的溶液,可例示出将六氟磷酸锂或 四乙基氟硼酸铵等盐溶解于碳酸二甲酯等溶剂中而成的溶液。
[0151 ] 作为离子性液体,可例示出1,3-二甲基咪唑鑰甲基硫酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑鑰 双(五氟乙基磺酰基)酰亚胺、1-乙基-3-甲基咪唑鑰溴化物等咪唑鑰盐衍生物;3-甲基-1-丙基吡啶鑰双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、1-丁基-3-甲基吡啶鑰双(三氟甲基磺酰基)酰亚 胺等吡啶鑰盐衍生物;四丁基铵十七氟辛烷磺酸酯、四苯基铵甲烷磺酸酯等烷基铵衍生物; 四丁基鱗鑰甲烷磺酸酯等鱗鑰盐衍生物;聚亚烷基二醇与高氯酸锂的复合物等复合化导电 性赋予剂;等等。
[0152]相对于粘结剂100质量份,组合物可以包含0.01质量份~40质量份的具有离子性 的液体,优选为0.1质量份~40质量份。在合用上述具有离子性的液体和无机填料时,相对 于无机填料100质量份,可以包含40质量份以下的具有离子性的液体,优选为0.01质量份~ 40质量份、更优选为0.1质量份~30质量份、进一步优选为0.5质量份~5质量份。
[0153] [偶联剂]
[0154] 组合物可以包含偶联剂。作为硅烷系偶联剂,氟系的硅烷偶联剂可以举出(十三氟 代-1,1,2,2-四氢辛基)三乙氧基硅烷;溴系的硅烷偶联剂可以举出(2-溴-2-甲基)丙酰基 氧基丙基三乙氧基硅烷;氧杂环丁烷改性硅烷偶联剂可以举出东亚合成株式会社制造的偶 联剂(商品名:TES0X)、或者乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、γ-氯丙基三甲氧 基硅烷、y _氣基丙基二乙氧基硅烷、Ν-(β-氣基乙基)-γ -氣基丙基二甲氧基硅烷、Ν-(β-氣 基乙基)-γ-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷、γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷(市售品为 KBM-403(信越化学工业株式会社制造))、β-环氧丙氧基丙基甲基二甲氧基硅烷、γ -甲基丙 烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基甲基二甲氧基硅烷、γ-巯基丙基三 甲氧基硅烷、氰醇甲硅烷基醚等硅烷偶联剂,也可以使用将这些硅烷偶联剂预先水解而具 有
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