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バインダおよびその利用、並びに電極の製造方法

国内特許コード P170014502
整理番号 (S2014-1627-N0)
掲載日 2017年8月16日
出願番号 特願2016-552167
出願日 平成27年10月1日(2015.10.1)
国際出願番号 JP2015077987
国際公開番号 WO2016052715
国際出願日 平成27年10月1日(2015.10.1)
国際公開日 平成28年4月7日(2016.4.7)
優先権データ
  • 特願2014-205270 (2014.10.3) JP
発明者
  • 山縣 雅紀
  • 石川 正司
  • 副田 和位
出願人
  • 学校法人 関西大学
発明の名称 バインダおよびその利用、並びに電極の製造方法
発明の概要 本発明は、水との反応性が高い活物質の劣化を抑制して当該活物質の利用を可能にすると共に、少ない使用量で高い電極強度を確保でき、かつ、電極の高い出力特性等を実現できる水系バインダを提供することを目的とし、電気化学デバイス用電極の材料である活物質と導電助剤とを連結させるバインダであって、系内にプロトンを含有することを特徴とする。
従来技術、競合技術の概要


近年、携帯電話機器、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。これらの中でも、リチウムイオン二次電池は、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、携帯機器やノート型PC、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などの自然エネルギーシステムと組み合わせ、発電した電力の貯蔵用蓄電デバイスとして新たに注目されている。



電気化学デバイスを構成する電極は、電気エネルギーの蓄電に直接係わる活物質、活物質間の導通パスを担う導電助剤、バインダ、および集電体から構成される。電気化学デバイスの特性は電極に大きく依存し、それぞれの材料自体の特性と材料の組み合わせ方に大きく影響を受ける。



上で挙げた電極の構成要素のうち、特にバインダの性質としては、活物質、導電助剤およびバインダを含む合材から得られた電極(以下、「合材電極」という)内にて存在比率が少ないこと、電気化学デバイスに供給される電解液との親和性に優れること、および、電極の電気抵抗を最小限にできることが要求される。また、バインダの性質としては、高電圧作動に耐える安定性も重要である。



バインダは、水系バインダまたは非水系バインダの2種に大きく分類される。水系バインダとしては、スチレン-ブタジエンラバー(SBR)水分散液(特許文献1等)、カルボキシメチルセルロース(CMC)(特許文献2~4等)が挙げられる。また、これらのバインダの併用についても従来技術として提案されている(特許文献3、5、6等)。これらの水系バインダは、活物質および導電助剤との密着性が比較的高いため、合材における含有量が少なくて済むという利点がある。



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)(特許文献7、8等)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)(特許文献9~11等)が挙げられ、これらの非水系バインダは、特に高電圧作動型のデバイスには有利に働く。



一方、リチウムイオン二次電池用ケイ素系負電極合材に利用するバインダとして、アルギン酸ナトリウムが適用されており、アルギン酸ナトリウムが、上記バインダとして利用可能であること、上記バインダを用いたリチウムイオン二次電池のサイクル安定性が高いことが知られている(非特許文献1)。



また、本発明者らは、キャパシタ用電極(特許文献12、非特許文献2)、およびリチウムイオン電池用負極(特許文献12)において、アルギン酸系バインダが適用可能であることを見出している。



さらに、アルギン酸系バインダと同様に天然高分子由来のバインダとして、キトサン誘導体を適用することが提案されている(特許文献13)。

産業上の利用分野


本発明は、バインダおよびその利用、並びに電極の製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
電気化学デバイス用電極の材料である活物質と導電助剤とを連結させるバインダであって、系内にプロトンを含有することを特徴とするバインダ。

【請求項2】
プロトンを有する極性官能基を備えた化合物を主成分として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】
上記化合物がアルギン酸であ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】
請求項1から3のいずれか1項に記載のバインダ、導電助剤、活物質および水を含有することを特徴とする電極用スラリー。

【請求項5】
固形分濃度が20~75重量%であることを特徴とする請求項4に記載の電極用スラリー。

【請求項6】
請求項1から3のいずれか1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7】
上記バインダの含有率が、活物質、導電助剤、およびバインダの乾燥重量の合計を100重量%としたときに、乾燥重量として1重量%以上10重量%以下であることを特徴とする、請求項6に記載の電気化学デバイス用電極。

【請求項8】
正極および負極を備え、当該正極と当該負極との間に電解液を含む電気化学デバイスであって、
上記正極および/または負極は、請求項6または7に記載の電気化学デバイス用電極であることを特徴とする電気化学デバイス。

【請求項9】
上記電気化学デバイスは、リチウムイオン二次電池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。

【請求項10】
請求項6または7に記載の電気化学デバイス用電極を製造する方法であって、
請求項1から3のいずれか1項に記載のバインダと、電気化学デバイス用電極の材料である活物質と、導電助剤と、を混合し、混合物を得る工程Aと、
上記混合物と水とを混合し、固形分濃度が20~75重量%である電極用スラリーを得る工程Bと、を備えることを特徴とする方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2016552167thum.jpg
出願権利状態 公開
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