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バインダ、バインダを含有する電極、および電気化学デバイス 新技術説明会

国内特許コード P160013200
整理番号 S2015-0154-N0
掲載日 2016年8月9日
出願番号 特願2014-234021
公開番号 特開2016-100094
出願日 平成26年11月18日(2014.11.18)
公開日 平成28年5月30日(2016.5.30)
発明者
  • 山縣 雅紀
  • 石川 正司
  • 高橋 卓矢
  • 松井 由紀子
出願人
  • 学校法人 関西大学
発明の名称 バインダ、バインダを含有する電極、および電気化学デバイス 新技術説明会
発明の概要 【課題】電極合材の均一性が得られ、活物質および電解液との親和性が高く、かつ接着力が十分であって電極の作製が容易となるバインダ、サイクル特性が向上した電極、電気抵抗が軽減され、出力特性が向上した、高性能かつ安全性に優れた電気化学デバイスを提供する。
【解決手段】少なくとも、電極の材料である活物質と、集電体と、導電助剤とを連結させる、電気化学反応を伴うデバイスに用いられるバインダは、負に帯電した若しくは分極した官能基を有する高分子化合物と、正に帯電した低分子化合物または陽イオンとを少なくとも含む。
【選択図】なし
従来技術、競合技術の概要


近年、携帯電話等の携帯端末機器、電気自動車等に搭載される電気化学デバイス(例えば、電気化学キャパシタ、リチウムイオン二次電池等の蓄電デバイスが包含される)が開発されている。これら電気化学デバイスは、機器の小型化や軽量化を可能にし、充放電効率がよく、高いエネルギー密度を有しているため、例えば、携帯端末機器やノート型パソコン、家電機器、さらにはハイブリッド自動車や電気自動車の電源として使用されている。また、太陽光発電や風力発電等の自然エネルギーシステムと組み合わせた、発電した電力の貯蔵用蓄電デバイスとしての用途も新たに注目されている。



例えば特許文献1に記載されているように、電気化学デバイスであるリチウム硫黄電池における硫黄正極は、一般的に活物質である、導通パスを担う炭素材料および導電助剤、並びに、バインダおよび集電体から構成されている。リチウム硫黄電池の特性は、硫黄正極の構成に大きく依存し、具体的には、当該硫黄電極を構成する各構成の材料そのものの特性と、各構成の組み合わせ方とに大きく影響を受ける。特に、バインダは、電極合材内の活物質である炭素材料、導電助剤および集電体を互いに接着する役割を担い、電気化学デバイスのサイクル特性や出力特性を左右する材料である。



ここで、バインダは、電極内にて、その存在比が少ないこと、活物質や導電助剤、集電体、電解液との親和性に優れ、電極層の電気抵抗を最小限にできることが望まれる。ところが、硫黄正極の低い導電性は、電気化学デバイスの出力特性には不利である。



従来技術におけるバインダは、非水系バインダおよび水系バインダの2種類に大きく分類される。非水系バインダとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)(非特許文献1等)、ポリエチレンオキシド(PEO)(非特許文献2)、ポリビニルアルコール(PVA)(非特許文献3)、ブタジエン含有共重合体(特許文献2,3)等が挙げられる。水系バインダとしては、スチレン-ブタジエンラバー(SBR)とそのカルボキシメチルセルロース(Na塩、CMC)との併用物(非特許文献1,4等)等が挙げられる。水系バインダは、非常に安定したサイクル特性を示す。また、水系バインダとして天然高分子が有効であることが明らかとなっており、ゼラチン(非特許文献5等)、アルギン酸ナトリウム塩(非特許文献6等)等が報告されている。



アルギン酸系バインダに関して、本発明者らは、キャパシタ用電極(特許文献4、非特許文献7)、並びに、リチウムイオン二次電池用負極(特許文献4)が適用可能であることを見出している。特に、リチウムを利用する蓄電デバイス(電気化学デバイス)にアルギン酸系バインダを適用する場合には、当該アルギン酸系バインダとしてアルギン酸ナトリウム塩を用いると、ナトリウムイオンと電解液中のリチウムイオンとの交換反応等が起こるため、より安定な作動を実現するには、アルギン酸マグネシウム塩を用いることが好ましいことが分かっている(非特許文献8)。

産業上の利用分野


本発明は、電気化学反応を伴うデバイスに用いられるバインダ、当該バインダを含有する電極、および上記電極を有する電気化学デバイスに関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
硫黄化合物を含む電気化学デバイス用電極に用いられるバインダであって、
負に帯電した若しくは分極した官能基を有する高分子化合物と、
プロトン、リチウムイオン、2価以上の多価陽イオン、および正に帯電した低分子化合物からなる群より選ばれる、1種または2種以上の陽イオンおよび/または化合物と、を含むことを特徴とするバインダ。

【請求項2】
上記高分子化合物が、酸性官能基を有する高分子化合物を含有することを特徴とする請求項1に記載のバインダ。

【請求項3】
上記酸性官能基を有する高分子化合物が、カルボキシル基を有する高分子化合物を含有することを特徴とする請求項2に記載のバインダ。

【請求項4】
上記カルボキシル基を有する高分子化合物が、ウロン酸が重合した構造を有する高分子化合物であることを特徴とする請求項3に記載のバインダ。

【請求項5】
上記ウロン酸が重合した構造を有する高分子化合物が、アルギン酸およびアルギン酸塩を含有することを特徴とする請求項4に記載のバインダ。

【請求項6】
上記2価以上の多価陽イオンが、多価金属イオンであることを特徴とする請求項1~5の何れか一項に記載のバインダ。

【請求項7】
上記多価金属イオンが、マグネシウムイオンであることを特徴とする請求項6に記載のバインダ。

【請求項8】
請求項1~7の何れか一項に記載のバインダを含有することを特徴とする電気化学デバイス用電極。

【請求項9】
活物質が硫黄-炭素複合体であることを特徴とする請求項8に記載の電気化学デバイス用電極。

【請求項10】
請求項8または9に記載の電気化学デバイス用電極を有することを特徴とする電気化学デバイス。

【請求項11】
イオン液体電解液を含有することを特徴とする請求項10に記載の電気化学デバイス。

【請求項12】
上記イオン液体電解液が、ビス(フルオロスルフォニル)イミドを含有することを特徴とする請求項11に記載の電気化学デバイス。

【請求項13】
上記イオン液体電解液が、リチウム溶媒和錯体を含有する電解液であることを特徴とする請求項11に記載の電気化学デバイス。
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 公開
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