JP2019535110A - リチウムイオン電池用アノードスラリー - Google Patents

リチウムイオン電池用アノードスラリー Download PDF

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Abstract

本明細書で提供されるのは、アノード活物質、導電剤、バインダー材料、及び、溶媒を備えたリチウムイオン電池アノードスラリーであって、前記アノード活物質は、約１０μｍから約４０μｍの範囲の粒度Ｄ５０を有し、厚さが約１００μｍのウェットフィルムを有する集電体上にコーティングされた前記スラリーは、約６０℃から約９０℃の温度及び約２５％から約４０％の相対湿度を有する環境下で約５分以下の乾燥時間を有する、リチウムイオン電池アノードスラリーである。本明細書に開示されるアノードスラリーは、高品質かつ安定した性能を有するリチウムイオン電池を製造するための均一な成分分散および早い乾燥能力を有する。さらに、アノードスラリーのこれらの特性は、生産性を高め、リチウムイオン電池の製造コストを低減する。【選択図】図１

Description

発明の分野
本発明は、電極スラリーに関する。特に、本発明は、リチウムイオン電池に用いるアノードスラリーに関する。
発明の背景
リチウムイオン電池（ＬＩＢ）は、過去２０年間に携帯電話やラップトップコンピュータなどのポータブル電子機器の幅広い用途で大きな注目を集めている。高性能で低コストのＬＩＢは、現在、電気自動車（ＥＶ）の急速な市場発展とグリッドエネルギー貯蔵のために、大規模なエネルギー貯蔵装置の最も有望な選択肢の１つを提供している。
一般に、リチウムイオン電池は、セパレータと、カソードと、アノードとを含む。現在、電極は、電池電極活物質、導電剤およびバインダー材料の微粉末を適切な溶媒に分散させることによって作製される。分散は、銅またはアルミニウムの金属箔のような集電体上にコーティングされ、その後、高温で乾燥させて溶媒を除去することができる。その後、カソードとアノードのシートを、カソードとアノードとを分離するセパレータと共に積み重ねるか、または巻いて電池を形成する。
電極の特性は、電池の性能および安全性の特性に著しく影響を及ぼす可能性がある。過去数十年にわたり、カソード物質は、電池の容量およびエネルギー密度に影響を与えるので、多くの注目を集めてきた。アノード物質も、電池の充電、低温および安全性能にとって重要である。アノード集電体上の滑らかで均一なコーティング層は、樹枝状結晶形成の影響を受けにくく、これは、セルのサイクル寿命を延ばし、セルの安全性を高めることができる。そのため、アノードスラリーの作製は、良質の電池の製造に向けた必須の第一段階である。
不完全な乾燥によるコーティング層中の残留溶媒は、最終的に電池の性能および品質に影響を与える付着問題の一因となり得る。電極から残留溶媒を除去するための１つの方法は、高温下で電極を長期間乾燥させることである。しかしながら、高温で長時間加熱すると、ポリマーバインダーの老朽化のためにコーティングが分解する可能性がある。電極特性の変化は、完成した電池の適切な機能にとって有害である。
現在、電極スラリーに関して多くの研究開発が行われている。中国特許出願公開第１０５１４９１８６号は、電極コーティングを乾燥するための方法を記載している。コーティングされた電極は、誘導加熱コイルによって誘導加熱されて金属集電体を所望の温度に加熱する。しかしながら、コイル内の誘導電流密度の不均一な分布のために、コーティングされた電極は不均一に加熱される可能性がある。これは、均一な温度への急速な加熱を得ることに関して、問題を引き起こし、コーティングの品質に影響を及ぼす可能性がある。
中国特許出願公開第１０２５４４４６１号は、リチウムイオン電池のアノード物質を記載している。アノード物質は、結晶シリコン粉末、カーボンブラックおよびバインダー材料を含む。シリコン粉末の粒径は、２．０μｍから５．０μｍの間である。しかしながら、アノード活物質の特定の高比表面積のため、アノード活物質および導電材料をアノード集電体に結合するために１５−２０重量％の結合剤が必要である。電極コーティング内の大量の結合剤は、リチウムイオン電池のエネルギー密度を低下させることがある。さらに、得られたアノードを真空乾燥機内で１２−２４時間高温で乾燥させる必要がある。乾燥に要する長時間は、大規模生産には適さないと考えられる。
中国特許出願公開第１０１１５４７２０号は、リチウムイオン電池用アノードスラリーを記載している。アノードスラリーは、ナノカーボン材料、弱酸、バインダー、および、溶媒からなる。ナノカーボン材料の平均粒度は、２０ｎｍから７０ｎｍの範囲である。しかしながら、コーティングされたアノードスラリーを乾燥させるための条件については言及されていない。さらに、このアノードスラリーでコーティングされたアノードを含む電池の容量損失は、１Ｃ／１Ｃで３００サイクル後では、その初期容量の７−１５％である。
上述を考慮すると、電池性能および製造効率の理由から、均一な成分分散および速乾能力を有するアノードスラリーの継続的な改良が必要とされている。
上述の必要性は、本明細書に開示される様々な態様および実施形態によって満たされる。
１つの態様では、本明細書で提供されるリチウムイオン電池アノードスラリーは、アノード活物質、導電剤、バインダー材料、および、溶媒を備え、前記アノード活物質は、約１０μｍから約４０μｍまでの範囲内の粒度Ｄ５０を有し、約１００μｍの厚さのウェットフィルム(film)を有する集電体上にコーティングされた前記スラリーは、約６０℃から９０℃の温度、及び、約２５％から約４０％の相対湿度の環境下で、約５分以下の乾燥時間を有している。
いくつかの実施形態では、アノード活物質は、天然グラファイト粒子、合成グラファイト粒子、ハードカーボン、ソフトカーボン、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、Sn粒子、SnO2、SnO、Li4Ti5O12粒子、Si粒子、Si-C複合粒子、およびこれらの組合せからなるグループから選択される。
ある実施形態では、アノード活物質は、３０重量％から６５重量％の量で存在し、導電剤は、０．８重量％から５重量％の量で存在し、バインダー材料は０．５重量％から６重量％の量で存在し、溶媒は３０重量％から６０重量％の量で存在し、ここで全成分の合計重量％値は１００重量％を超えず、全ての重量％値はスラリーの総重量を基準にしている。他の実施形態では、アノード活物質は、３５重量％から５０重量％の量で存在し、導電剤は、１重量％から４重量％の量で存在し、バインダー材料は、０．８重量％から３．５重量％の量で存在し、溶媒は、４０重量％から５５重量％の量で存在し、ここで全成分の合計重量％値は１００重量％を超えず、全ての重量％値はスラリーの総重量を基準にしている。
いくつかの実施形態では、アノード活物質は、少なくとも３μｍのＤ１０値を有する。ある実施形態では、アノード活物質は、８０μｍ以下のＤ９０値を有する。いくつかの実施形態では、アノード活物質の比率Ｄ９０／Ｄ１０は、約３から約１０、または、約５から約８である。
ある実施形態では、アノード活物質の粒度分布は、約１２μｍでの第１ピークと約３０μｍでの第２ピークを有する二峰性である。
いくつかの実施形態では、導電剤は、カーボン、カーボンブラック、グラファイト、膨張グラファイト、グラフェン、グラフェンナノプレートレット、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、グラファイト化カーボンフレーク、カーボンチューブ、カーボンナノチューブ、活性炭、メソポーラスカーボン、およびこれらの混合物からなるグループから選択される。
ある実施形態では、バインダー材料は、スチレン−ブタジエンゴム、アクリル化スチレン−ブタジエンゴム、アクリロニトリルコポリマー、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、ニトリルブタジエンゴム、アクリロニトリル−スチレン−ブタジエンコポリマー、アクリルゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン／プロピレンコポリマー、ポリブタジエン、ポリエチレンオキシド、クロロスルホン化ポリエチレン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルピリジン、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリエピクロロヒドリン、ポリホスファゼン、ポリアクリロニトリル、ポリスチレン、ラテックス、アクリル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートプロピオネート、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、ポリエステル、ポリアミド、ポリエーテル、ポリイミド、ポリカルボキシレート、ポリカルボン酸、ポリアクリル酸、ポリアクリレート、ポリメタクリル酸、ポリメタクリレート、ポリアクリルアミド、ポリウレタン、フッ素化ポリマー、塩素化ポリマー、アルギン酸の塩、ポリフッ化ビニリデン、ポリ（フッ化ビニリデン）−ヘキサフルオロプロペン、およびこれらの組合せからなるグループから選択される。更なる実施形態では、アルギン酸の塩は、Na、Li、K、Ca、NH4、Mg、Al、またはこれらの組合せから選択されるカチオンを含む。
いくつかの実施形態では、溶媒は、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ブチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、臭化エチル、テトラヒドロフラン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチレンカーボネート、水、純水、脱イオン水、蒸留水、エタノール、イソプロパノール、メタノール、アセトン、ｎ−プロパノール、ｔ−ブタノール、およびこれらの組合せからなるグループから選択される。
ある実施形態では、溶媒は、２００℃未満、１８０℃未満、１６０℃未満、１４０℃未満、１２０℃未満、または１００℃未満の沸点を有する。
ある実施の形態において、スラリーの粘度は、約５００ｍＰａ・ｓから約３，５００ｍＰａ・ｓの範囲にある。
いくつかの実施形態では、溶媒の蒸気圧は少なくとも１５ｋＰａである。
ある実施形態では、スラリーのｐＨは、約７から約９である。
いくつかの実施形態では、コーティングされたスラリーフィルムは、ボックスオーブン、コンベアオーブン、または、ホットプレートにより乾燥される。
いくつかの実施形態では、フィルムの形態で集電体上にコーティングされたスラリーは、約２．５分以下の乾燥時間を有する。
別の態様では、本明細書で提供されるリチウムイオン電池用の負極は、負極集電体および前記負極集電体上に分散された負極層を備え、前記負極層は、本明細書に開示される方法により作製されたアノードスラリーを用いて形成される。
別の態様では、本明細書で提供されるリチウムイオン電池は、カソード、アノード、および、カソードとアノードとの間に挿入されたセパレータを備え、前記アノードの少なくとも１つは、本明細書で開示される方法により作製された負極である。
図１は、例３により作製されたカソードおよびアノードを含む電気化学セルのサイクル性能を示す。 図２は、例４により作製されたカソードおよびアノードを含む電気化学セルのサイクル性能を示す。
一般的な定義
用語「導電材」は、電極の導電性を高める化学物質または物質をいう。
用語「バインダー材料」は、電池電極活物質および導電剤を所定の位置に保持するために使用することができる化学物質または物質をいう。
用語「塗布された」または「塗布する」は、集電体の表面上にスラリーの層を置くまたは広げる行為をいう。
用語「集電体」は、電池電極活物質をコーティングするための支持体および二次電池の放電または充電中に電極に流れる電流を維持するための化学的に不活性な高電子導電体をいう。
用語「静かな空気」は、コーティングを囲む空気が実質的に静止していることをいう。 空気流がない場合、コーティング表面の上面から１ｃｍ上の位置で０．２ｍ／ｓ未満の風速が観察された。いくつかの実施形態では、風速は０．１ｍ／ｓ未満である。ある実施形態では、風速は０ｍ／ｓである。
組成物の用語「主成分」は、組成物の総重量または総体積を基準にして、５０％を超える、５５％を超える、６０％を超える、６５％を超える、７０％を超える、７５％を超える、８０％を超える、８５％を超える、９０％を超える、または、９５％を超える、重量％又は体積％の成分をいう。
組成物の用語「副成分」は、組成物の総重量または総体積を基準にして、５０％未満、４５％未満、４０％未満、３５％未満、３０％未満、２５％未満、２０％未満、１５％未満、１０％未満、または、５％未満、の重量％又は体積％の成分をいう。
用語「ホモジナイザー」は、材料の均質化に使用することができる機器をいう。用語「均質化」、物質または材料を小さな粒子に変形し、それを流体全体に均一に散布するプロセスをいう。任意の従来のホモジナイザーは、本明細書に開示された方法に使用することができる。ホモジナイザーのいくつかの限定しない例には、撹拌ミキサー、ブレンダー、ミル（例えば、コロイドミルおよびサンドミル）、超音波処理装置、アトマイザー、ローターステーターホモジナイザー、および、高圧ホモジナイザーが含まれる。
用語「Ｃレート」は、セルまたは電池の充電または放電レートを指し、その総蓄電容量をＡｈまたはｍＡｈで表したものである。例えば、１Ｃの率は、１時間で蓄積されたエネルギーを全て利用することを意味し、０．１Ｃは、１時間で１０％のエネルギー、または、１０時間で全エネルギーを利用することを意味し、５Ｃは、１２分で全エネルギーを利用することを意味する。
用語「アンペア・アワー（Ａｈ）」は、電池の蓄電容量を特定するのに使用される単位をいう。例えば、容量１Ａｈの電池は、１時間で１アンペア、または、２時間で０．５Ａなどの電流を供給することができる。したがって、1アンペア・アワー（Ａｈ）は、３，６００クーロンの電荷に相当する。同様に、用語「ミリアンペア・アワー（ｍＡｈ）」も、電池の蓄電容量の単位をいい、アンペア・アワーの１／１０００である。
用語「電池サイクル寿命」は、公称容量がその初期定格容量の８０％を下回る前に、電池が実行することができる完全な充電／放電サイクルの回数をいう。
用語「ドクターブレード」は、硬質またはフレキシブルの基材上に大面積フィルムを製作するためのプロセスをいう。コーティング厚さは、コーティングブレードとコーティング表面との間の調節可能なギャップ幅により制御することができ、それにより、可変ウェット層厚さの堆積が可能になる。
用語「トランスファーコーティング」または「ロールコーティング」は、硬質またはフレキシブルの基材上に大面積フィルムを製作するためのプロセスをいう。スラリーは、コーティングローラーの表面から圧力でコーティングを転写することにより基材上に塗布される。コーティング厚さは、メータリングブレードとコーティングローラーの表面との間の調節可能なギャップ幅により制御することができ、それにより、可変ウェット層厚さの堆積が可能になる。メータリングロールシステムでは、コーティングの厚さは、メータリングローラーとコーティングローラーとの間のギャップを調節することにより制御される。
用語「粒度Ｄ５０」は、総体積が１００％で、粒度分布が体積基準で得られるように累積曲線を描いたときの累積曲線上の５０％の点での粒度（すなわち、粒子の体積の５０パーセンタイル（中央値）での粒子の直径）である体積基準累積５０％サイズ（Ｄ５０）をいう。また、本発明のアノード活物質において、粒度Ｄ５０とは、一次粒子同士が凝集して焼結することにより形成された二次粒子の体積平均粒度を意味し、一次粒子のみで構成された粒子の場合、それは、一次粒子の体積平均粒度を意味する。さらに、Ｄ１０は、体積基準累積１０％サイズ（すなわち、粒子の体積の１０パーセンタイルの粒子の直径）を意味し、Ｄ９０は、体積基準累積９０％サイズ（すなわち、粒子の体積の９０パーセンタイルの粒子の直径）を意味する。
流体の用語「蒸気圧」は、閉鎖系におけるある温度で熱力学的平衡状態にある液相状態の流体の蒸気により与えられる圧力をいう。
用語「固形分」は、蒸発後に残存する不揮発性材料の量をいう。
以下の説明では、本明細書に開示される全ての数字は、「約」または「近似」という語がそれに関連して使用されるかどうかにかかわらず、おおよその値である。それらは、１パーセント、２パーセント、５パーセント、または場合によっては１０パーセントから２０パーセント、変化することがある。下限ＲLおよび上限ＲUを有する数値範囲が開示されるときは、いかなる場合も、範囲内の任意の数が具体的に開示される。特に、範囲内の次のような数値が具体的に開示される：Ｒ＝ＲL＋ｋ＊（ＲU−ＲL）。ここで、ｋは１パーセントから１００パーセントの範囲の変数であって１パーセントずつ増加する、すなわち、ｋは１パーセント、２パーセント、３パーセント、４パーセント、５パーセント、…、５０パーセント、５１パーセント、５２パーセント、…、９５パーセント、９６パーセント、９７パーセント、９８パーセント、９９パーセント、または１００パーセントである。さらに、上記で定義した２つのＲの数によって定義される任意の数値範囲も、また具体的に開示される。
本明細書で提供されるリチウムイオン電池アノードスラリーは、アノード活物質、導電剤、バインダー材料、および、溶媒を備え、アノード活物質は、約１０μｍから約４０μｍの範囲の粒度Ｄ５０を有し、ウェットフィルム厚さが約１００μｍの集電体上にコーティングされたスラリーは、約６０℃から約９０℃の温度で、約２５％から約４０％の相対湿度の環境下で約５分以下の乾燥時間を有する。
従来、アノードの高い充填密度を達成するには、小さい粒度を有するアノード活物質が好ましい。一般に、アノード活物質の平均粒度は、０．０５μｍから５μｍの範囲内であることが好ましい。また、リチウム二次電池のアノードとして、粒子径の異なるアノード活物質を含む電極が用いられている。従って、大径粒子間の空間は小径粒子で満たされる。しかしながら、密度の高いコーティングは、コーティングの内部からの溶媒の蒸発を遅らせるであろう。現在のプロセスの硬化ステップは時間がかかる。乾燥時間は、高温にさらすことで短縮することができる。しかしながら、これはしばしば不均一な乾燥のために、劣る電極品質および著しく劣るセル性能を引き起こす。言い換えれば、比較的高い乾燥速度を可能にする特定範囲の粒度およびサイズ比の粒子を有するアノード活物質を含むスラリーは開発されておらず、高い処理性が可能なスラリーが望まれている。したがって、高品質で安定した性能を有するリチウムイオン電池を製造するために使用されるための、簡単で信頼性がありかつ費用効率の高い新しいアノードスラリーが常に必要とされている。
いくつかの実施形態では、アノード活物質は、天然グラファイト粒子、合成グラファイト粒子、ハードカーボン、ソフトカーボン、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、Sn粒子、SnO2、SnO、Li4Ti5O12（ＬＴＯ）粒子、Si粒子、Si-C複合粒子、およびそれらの組合せからなるグループから選択される。
ある実施形態では、アノード活物質は、金属元素または非金属元素でドープされる。いくつかの実施形態では、金属元素は、Fe、Ni、Mn、Al、Mg、Zn、Ti、La、Ce、Sn、Zr、Ru、およびこれらの組合せからなるグループから選択される。いくつかの実施形態では、非金属元素は、B、Si、Ge、N、P、F、S、Cｌ、I、Se、およびこれらの組合せである。
いくつかの実施形態では、アノード活物質は、コアとシェルの構造を有するコア−シェル複合体であるかこれを含み、コアおよびシェルは、天然グラファイト粒子、合成グラファイト粒子、ハードカーボン、ソフトカーボン、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、Sn粒子、SnO2、SnO、Li4Ti5O12（ＬＴＯ）粒子、Si粒子、Si-C複合粒子、およびこれらの組合せからなるグループからそれぞれ独立して選択される。
ある実施形態では、コア−シェル複合体は、炭素質材料を含むコアと、炭素質材料コアにコーティングされたシェルとを含む。いくつかの実施形態では、炭素質材料は、ソフトカーボン、ハードカーボン、天然グラファイト粒子、合成グラファイト粒子、メソカーボンマイクロビーズ、キッシュグラファイト、熱分解炭素、メソフェーズピッチ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、およびこれらの組合せからなるグループから選択される。ある実施形態では、シェルは、天然グラファイト粒子、合成グラファイト粒子、ハードカーボン、ソフトカーボン、メソカーボンマイクロビーズ、Sn粒子、SnO2、SnO、Li4Ti5O12粒子、Si粒子、Si-C複合粒子、およびこれらの組合せからなるグループから選択される。
いくつかの実施形態では、コアの直径は、約５μｍから約３５μｍ、約５μｍから約２５μｍ、約５μｍから約１５μｍ、約１０μｍから約３０μｍ、または、約１０μｍから約２５μｍである。ある実施形態では、シェルの厚さは、約１５μｍから約３５μｍ、約１５μｍから約２０μｍ、約１５μｍから約２５μｍ、約２０μｍから約３０μｍ、または、約２０μｍから約３５μｍである。
いくつかの実施形態では、コアおよびシェルの直径または厚さの比率は、１５：８５から８５：１５、２５：７５から７５：２５、３０：７０から７０：３０、または、４０：６０から６０：４０の範囲にある。ある実施形態では、コアとシェルとの体積または重量比率は、８０：２０、７０：３０、６０：４０、５０：５０、４０：６０、または、３０：７０である。
ある実施形態では、アノード活物質は、金属元素または非金属元素でドープされない。いくつかの実施形態では、アノード活物質は、Fe、Ni、Mn、Al、Mg、Zn、Ti、La、Ce、Sn、Zr、Ru、B、Si、Ge、N、P、F、S、Cl、I、または、Seでドープされない。
アノード活物質の粒径Ｄ５０が約１０μｍより大きいと、集電体上のコーティングされたフィルム中の大きい粒径粒子同士の間に隙間ができ、短時間でコーティングされたフィルムを効果的に乾燥させることができる。いくつかの実施形態では、本発明のアノード活物質は、約１０μｍから約４０μｍ、約１０μｍから約３５μｍ、約１０μｍから約３０μｍ、約１０μｍから約２５μｍ、約１５μｍから約４５μｍ、約１５μｍから約３０μｍ、約１５μｍから約２５μｍ、約１５μｍから約２０μｍ、約２０μｍから約４０μｍ、約２０μｍから約３０μｍ、約２５μｍから約４０μｍ、または、約３０μｍから約４０μｍの範囲の粒度Ｄ５０を有する。
ある実施形態では、アノード活物質の粒径Ｄ５０は、４０μｍより小さい、３５μｍより小さい、３０μｍより小さい、２５μｍより小さい、２０μｍより小さい、または、１５μｍより小さい。いくつかの実施形態では、アノード活物質の粒径Ｄ５０は、１０μｍより大きい、１５μｍより大きい、２０μｍより大きい、２５μｍより大きい、３０μｍより大きい、または、３５μｍより大きい。ある実施形態では、アノード活物質の粒径Ｄ５０は、約１０μｍ、約１１μｍ、約１２μｍ、約１３μｍ、約１４μｍ、約１５μｍ、約１６μｍ、約１７μｍ、約１８μｍ、約１９μｍ、約２０μｍ、約２１μｍ、約２２μｍ、約２３μｍ、約２４μｍ、約２５μｍ、約２６μｍ、約２７μｍ、約２８μｍ、約２９μｍ、約３０μｍ、約３１μｍ、約３２μｍ、約３３μｍ、約３４μｍ、約３５μｍ、約３６μｍ、約３７μｍ、約３８μｍ、約３９μｍ、または、約４０μｍである。
ある実施の形態では、アノード活物質は、約３μｍから約２０μｍ、約３μｍから約１０μｍ、約３μｍから約８μｍ、約１μｍから約１０μｍ、約１μｍから約８μｍ、約１μｍから約５μｍ、約２μｍから約１０μｍ、約２μｍから約５μｍ、または、約２μｍから約８μｍの粒度Ｄ１０を有する。
いくつかの実施形態では、アノード活物質は、約２０μｍから約７０μｍ、約３０μｍから約８７μｍ、約４０μｍから約７０μｍ、約５０μｍ約７０μｍ、約３０μｍから約６０μｍ、約３０μｍから約５０μｍ、約２０μｍから約４０μｍ、約２０μｍから約５０μｍ、または、約４０μｍから約５０μｍの粒度Ｄ９０を有する。
ある実施形態では、アノード活物質の比率Ｄ９０／Ｄ１０は、約３から約１５、約３から約１０、約３から約８、約５から約１５、約５から約１０、約５から約８、約７．５から約２０、約１０から約２０、または、約１０から約１５である。
いくつかの実施形態では、アノード活物質の量は、スラリーの総重量または総体積を基準にして、約１０％から約８０％、約１０％から約７０％、約１０％から約６０％、約１０％から約５０％、約１０％から約４０％、約１０％から約３０％、約１０％から約２０％、約３０％から約７０％、約３０％から約６０％、約３０％から約５０％、約３０％から約４０％、約４０％から約７０％、約４０％から約６０％、約４０％から約５０％、約４５％から約５０％、約２５％から約６０％、約２５％から約５０％、約２５％から約４０％、約３５％から約６５％、約３５％から約５０％、または、約３５％から約４５％の重量％または体積％である。ある実施形態では、アノード活物質の量は、スラリーの総重量または総体積を基準にして、少なくとも１０％、少なくとも１５％、少なくとも２０％、少なくとも２５％、少なくとも２７．５％、少なくとも３０％、少なくとも３２．５％、少なくとも３５％、少なくとも３７．５％、少なくとも４０％、少なくとも４２．５％、少なくとも４５％、少なくとも４７．５％、少なくとも５０％、少なくとも５２．５％、少なくとも５５％、少なくとも５７．５％、または、少なくとも６０％の重量％または体積％である。ある実施形態では、アノード活物質の量は、スラリーの総重量または総体積を基準にして、最大２５％、最大２７．５％、最大３０％、最大３２．５％、最大３５％、最大３７．５％、最大４０％、最大４２．５％、最大４５％、最大４７．５％、最大５０％、最大５２．５％、最大５５％、最大５７．５％、または、最大６０％の重量％または体積％である。いくつかの実施形態では、アノード活物質の量は、スラリーの総重量または総体積を基準にして、約４０％、約４１％、約４２％、約４３％、約４４％、約４５％、約４６％、約４７％、約４８％、約４９％、約５０％、約５１％、約５２％、約５３％、約５４％、または、約５５％の重量％または体積％である。
スラリー内の導電剤は、アノードの導電性を高めるためのものである。いくつかの実施形態では、導電剤は、カーボン、カーボンブラック、グラファイト、膨張グラファイト、グラフェン、グラフェンナノプレートレット、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、グラファイト化カーボンフレーク、カーボンチューブ、カーボンナノチューブ、活性炭、メソポーラスカーボン、およびこれらの混合物からなるグループから選択される。ある実施形態では、導電剤は、カーボン、カーボンブラック、グラファイト、膨張グラファイト、グラフェン、グラフェンナノプレートレット、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、グラファイト化カーボンフレーク、カーボンチューブ、カーボンナノチューブ、活性炭、または、メソポーラスカーボンではない。
いくつかの実施形態では、導電剤の粒度は、約１０ｎｍから約１００ｎｍ、約１０ｎｍから約５０ｎｍ、約１０ｎｍから約４５ｎｍ、約１０ｎｍから約４０ｎｍ、約１０ｎｍから約３５ｎｍ、約１０ｎｍから約３０ｎｍ、約１０ｎｍから約２５ｎｍ、約１０ｎｍから約２０ｎｍ、約１０ｎｍから約１５ｎｍ、約２０ｎｍから約ｎ５０ｍ、約２０ｎｍから約４０ｎｍ、約２５ｎｍから約５０ｎｍ、約３０ｎｍから約５０ｎｍ、または、約３０ｎｍから約４０ｎｍである。
いくつかの実施形態では、バインダー材料は、スチレン−ブタジエンゴム、アクリル化スチレン−ブタジエンゴム、アクリロニトリルコポリマー、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、ニトリルブタジエンゴム、アクリロニトリル−スチレン−ブタジエンコポリマー、アクリルゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン／プロピレンコポリマー、ポリブタジエン、ポリエチレンオキシド、クロロスルホン化ポリエチレン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルピリジン、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリエピクロロヒドリン、ポリホスファゼン、ポリアクリロニトリル、ポリスチレン、ラテックス、アクリル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートプロピオネート、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、ポリエステル、ポリアミド、ポリエーテル、ポリイミド、ポリカルボキシレート、ポリカルボン酸、ポリアクリル酸、ポリアクリレート、ポリメタクリル酸、ポリメタクリレート、ポリアクリルアミド、ポリウレタン、フッ素化ポリマー、塩素化ポリマー、アルギン酸の塩、ポリフッ化ビニリデン、ポリ（フッ化ビニリデン）−ヘキサフルオロプロペン、およびこれらの組合せからなるグループから選択される。更なる実施形態では、アルギン酸の塩は、Na、Li、K、Ca、NH4、Mg、Al、またはこれらの組合せから選択されるカチオンを含む。
ある実施形態では、バインダー材料は、スチレン−ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリフッ化ビニリデン、アクリロニトリルコポリマー、ポリアクリル酸、ポリアクリロニトリル、ポリ（フッ化ビニリデン）−ヘキサフルオロプロペン、ラテックス、アルギン酸の塩、およびこれらの組合せからなるグループから選択される。
いくつかの実施形態では、バインダー材料は、ＳＢＲ、ＣＭＣ、ＰＡＡ、アルギン酸の塩、またはこれらの組合せから選択される。ある実施形態では、バインダー材料は、アクリロニトリルコポリマーである。いくつかの実施形態では、バインダー材料は、ポリアクリロニトリルである。ある実施形態では、バインダー材料は、スチレン−ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリフッ化ビニリデン、アクリロニトリルコポリマー、ポリアクリル酸、ポリアクリロニトリル、ポリ（フッ化ビニリデン）−ヘキサフルオロプロペン、ラテックス、または、アルギン酸の塩を含まない。
ある実施形態では、導電剤およびバインダー材料のそれぞれの量は、スラリーの総重量または総体積を基準に、独立して、少なくとも０．１％、少なくとも０．２５％、少なくとも０．５％、少なくとも０．７５％、少なくとも１％、少なくとも１．２５％、少なくとも１．５％、少なくとも１．７５％、少なくとも２％、少なくとも２．２５％、少なくとも２．５％、少なくとも２．７５％、少なくとも３％、少なくとも４％、少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも１５％、少なくとも２０％、少なくとも２５％、少なくとも３０％、少なくとも３５％、少なくとも４０％、少なくとも４５％、または、少なくとも５０％の重量％または体積％である。いくつかの実施形態では、導電剤およびバインダー材料のそれぞれの量は、スラリーの総重量または総体積を基準に、独立して、最大０．１％、最大０．２５％、最大０．５％、最大０．７５％、最大１％、最大１．２５％、最大１．５％、最大１．７５％、最大２％、最大２．２５％、最大２．５％、最大２．７５％、最大３％、最大４％、最大５％、最大１０％、最大１５％、最大２０％、最大２５％、最大３０％、最大３５％、最大４０％、最大４５％、または、最大５０％の重量％または体積％である。
いくつかの実施形態では、導電剤の量は、スラリーの総重量または総体積を基準にして、約０．０２％から約１％、約０．０２％から約０．５％、約０．０２％から約０．２５％、約０．０５％から約１％、約０．０５％から約０．５％、約０．１２％から約１．２５％、約０．１２％から約１％、約０．２５％から約２．５％、約０．５％から約２．５％、約０．５％から約２％、約１％から約３％、約１％から約２．５％、約１％から約２％、約１％から約１．５％、約１．５％から約３％、約１％から約２．５％、約１．５％から約３．５％、または、約２．５％から約５％の重量％または体積％である。ある実施形態では、導電剤の量は、スラリーの総重量または総体積を基準にして、約０．５％、約０．７５％、約１％、約１．２５％、約１．５％、約１．７５％、約２％、約２．２５％、約２．５％、約２．７５％、または、約３％の重量％または体積％である。
ある実施形態では、バインダー材料の量は、スラリーの総重量または総体積を基準にして、約０．５％から約５％、約０．５％から約２．５％、約１％から約５％、約１％から約４％、約１％から約３％、約１％から約２％、約１．５％から約３％、約１．５％から約２％、約２．５％から約５％、約２．５％から約４％、約２．５％から約３％、約３．５％から約８％、約３．５％から約７％、約３．５％から約６％、約３．５％から約５％、約３．７％から約７．５％、約５％から約１０％、約７．５％から約１２．５％、約１０％から約２０％、または、約１７．５％から約２５％の重量％または体積％である。いくつかの実施形態では、バインダー材料の量は、スラリーの総重量または総体積を基準にして、約０．５％、約０．７５％、約１％、約１．２５％、約１．５％、約１．７５％、約２％、約２．２５％、約２．５％、約２．７５％、約３％、約３．５％、約４％、約４．５％、または、約５％の重量％または体積％である。
スラリーは、溶媒中で、アノード活物質を導電剤およびバインダー材料などの補助材料と混合することにより作製される。混合プロセスは、溶媒中で、アノード活物質、導電剤およびバインダー材料の粒子の均一な分散を達成することを目的とする。
スラリーに使用される溶媒は、任意の極性有機溶媒にすることができる。極性有機溶媒は、１５より大きい、２０より大きい、２５より大きい、３０より大きい、３５より大きい、４０より大きい、または、４５より大きい誘電率を有する任意の極性プロトン性または極性非プロトン性の有機溶媒にすることができる。極性プロトン性有機溶媒のいくつかの限定しない例には、ベンジルアルコ−ル、エチレングリコール、ｎ−ブタノール、イソプロパノール、ｎ−プロパノール、エタノール、および、メタノールなどのアルコールが含まれる。極性非プロトン性有機溶媒のいくつかの限定しない例には、ケトン溶媒、アセテート溶媒、プロピオン酸エステルなどのエステル溶媒、および、カーボネート溶媒が含まれる。ケトン溶媒のいくつかの限定しない例には、メチルプロピルケトン、メチルイソブチルケトン、エチルプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトフェノン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、アセトンなどが含まれる。アセテート溶媒のいくつかの限定しない例には、エチルアセテート、ブチルアセテート、イソブチルアセテートなどが含まれる。ｎ−ブチルプロピオネート、ｎ−ペンチルプロピオネートおよびエチレングリコールモノエチルエーテルプロピオネートのようなプロピオン酸エステルのいくつかの限定しない例もまた適切である。カーボネート溶媒のいくつかの限定しない例には、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネートなどが含まれる。極性非プロトン性有機溶媒の他の限定しない例には、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、および、ジメチルスルホキシドが含まれる。いくつかの実施形態では、スラリーに使用される溶媒は、極性プロトン性溶媒、極性非プロトン性溶媒、またはこれらの組合せを含む。
スラリーを製造するために水性溶媒を使用することもできる。水性ベースプロセスへの移行は、揮発性有機化合物の放出を減らし、処理効率を高めるために望ましいかもしれない。ある実施形態では、スラリーに使用される溶媒は、主成分として水を含み、水に加えて副成分として、アルコール、低級脂肪族ケトン、低級アルキルアセテートなどのような揮発性溶媒を含む溶液である。いくつかの実施形態では、水の量は、水および水以外の溶媒の総量に対して、少なくとも５０％、少なくとも５５％、少なくとも６０％、少なくとも６５％、少なくとも７０％、少なくとも７５％、少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、または、少なくとも９５％の量である。ある実施形態では、水の量は、水および水以外の溶媒の総量に対して、最大５５％、最大６０％、最大６５％、最大７０％、最大７５％、最大８０％、最大８５％、最大９０％、または、最大９５％である。いくつかの実施形態では、溶媒は水のみからなり、すなわち、溶媒中の水の割合は１００体積％である。
任意の水混和性溶媒を副成分として使用することができる。副成分（すなわち、水以外の溶媒）のいくつかの限定しない例には、アルコール、低級脂肪族ケトン、低級アルキルアセテートおよびこれらの組合せが含まれる。アルコールのいくつかの限定しない例には、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ｎ−プロパノール、ブタノール、およびこれらの組合せなどのC1-C4アルコールが含まれる。低級脂肪族ケトンのいくつかの限定しない例には、アセトン、ジメチルケトン、および、メチルエチルケトンが含まれる。低級アルキルアセテートのいくつかの限定しない例には、エチルアセテート、イソプロピルアセテート、および、プロピルアセテートが含まれる。
いくつかの実施形態では、揮発性溶媒または副成分は、メチルエチルケトン、エタノール、エチルアセテートまたはこれらの組合せである。
ある実施形態では、溶媒は、水と１種以上の水混和性副成分との混合物である。いくつかの実施形態では、溶媒は、水と、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ｎ−プロパノール、ｔ−ブタノール、ｎ−ブタノール、およびこれらの組合せから選択される副成分との混合物である。ある実施形態では、水と副成分の体積比は、約５１：４９から約１００：１である。
いくつかの実施形態では、溶媒は水である。スラリーの組成は有機溶媒を全く含有しないので、スラリーの製造中に、有機溶媒の費用が掛かり制限的で複雑な取り扱いが避けられる。水のいくつかの限定しない例には、水道水、ボトル入り水、精製水、純水、蒸留水、脱イオン水、D2O、またはこれらの組合せが含まれる。いくつかの実施形態では、溶媒は、脱イオン水である。
ある実施形態では、溶媒は、揮発性溶媒、不揮発性溶媒、またはこれらの組合せを含む。いくつかの実施形態では、溶媒は、ｎ−ブタノール、イソプロパノール、ｎ−プロパノール、エタノール、および、メタノールからなるグループから選択された少なくとも１種のアルコール溶媒とＮＭＰの混合物を含む。さらなる実施形態では、溶媒は、ＮＭＰとエタノールの混合物、または、ＮＭＰとイソプロパノールの混合物を含む。いくつかの実施形態では、溶媒は、メチルプロピルケトン、メチルイソブチルケトン、エチルプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトフェノン、および、アセトンからなるグループから選択される少なくとも１種のケトン溶媒とＮＭＰの混合物を含む。さらなる実施形態では、溶媒は、ＮＭＰとアセトンの混合物を含む。ある実施形態では、溶媒は、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、および、メチルプロピルカーボネートからなるグループから選択される少なくとも１種のカーボネート溶媒とＮＭＰの混合物を含む。さらなる実施形態では、溶媒は、ＮＭＰとジメチルカーボネートの混合物を含む。他の実施形態では、溶媒は、ＮＭＰと水、水とエタノール、または、水とジメチルカーボネートの混合物を含む。ある実施形態では、揮発性溶媒は、スラリーに速乾性を与える主成分である。いくつかの実施形態では、揮発性溶媒と不揮発性溶媒の体積比は、約５１：４９から約１００：１である。
蒸気圧の高い溶媒を有するスラリーは、より速い速度で乾燥させることができる。いくつかの実施形態において、約６０℃から９０℃の温度での溶媒の蒸気圧は、独立して、約０．０１ｋＰａから約２００ｋＰａ、約０．０１ｋＰａから約１５０ｋＰａ、約０．０１ｋＰａから約１００ｋＰａ、約０．１ｋＰａから約２００ｋＰａ、約０．１ｋＰａから約１５０ｋＰａ、約０．１ｋＰａから約１００ｋＰａ、約０．３ｋＰａから約２００ｋＰａ、約０．３ｋＰａから約１５０ｋＰａ、約０．３ｋＰａから約１００ｋＰａ、約０．３ｋＰａから約８０ｋＰａ、約０．３ｋＰａから約６０ｋＰａ、約０．３ｋＰａから約４０ｋＰａ、約０．３ｋＰａから約２０ｋＰａ、約１０ｋＰａから約２００ｋＰａ、約１０ｋＰａから約１５０ｋＰａ、約１０ｋＰａから約１００ｋＰａ、約１０ｋＰａから約８０ｋＰａ、約１０ｋＰａから約６０ｋＰａ、または、約１０ｋＰａから約４０ｋＰａである。
ある実施の形態では、約６０℃から９０℃の温度での溶媒の蒸気圧は、独立して、２００ｋＰａ未満、１５０ｋＰａ未満、１００ｋＰａ未満、９０ｋＰａ未満、８０ｋＰａ未満、７０ｋＰａ未満、６０ｋＰａ未満、５０ｋＰａ未満、４０ｋＰａ未満、３０ｋＰａ未満、２０ｋＰａ未満、１０ｋＰａ未満、５ｋＰａ未満、１ｋＰａ未満、０．５ｋＰａ未満、０．３ｋＰａ未満、または、０．１ｋＰａ未満である。いくつかの実施形態では、約６０℃から９０℃の温度での溶媒の蒸気圧は、独立して、少なくとも０．０１ｋＰａ、少なくとも０．０５ｋＰａ、少なくとも０．１ｋＰａ、少なくとも０．５ｋＰａ、少なくとも１ｋＰａ、少なくとも５ｋＰａ、少なくとも１０ｋＰａ、少なくとも２０ｋＰａ、少なくとも３０ｋＰａ、少なくとも４０ｋＰａ、少なくとも５０ｋＰａ、少なくとも６０ｋＰａ、少なくとも７０ｋＰａ、少なくとも８０ｋＰａ、少なくとも９０ｋＰａ、少なくとも１００ｋＰａ、少なくとも１５０ｋＰａ、または、少なくとも２００ｋＰａである。
低沸点の溶媒を有するスラリーは、より速い速度で乾燥させることができる。いくつかの実施形態では、溶媒の沸点は、約４０℃から約２５０℃、約４０℃から約２００℃、約４０℃から約１５０℃、約４０℃から約１００℃、約４０℃から約９０℃、約４０℃から約８０℃、約４０℃から約７０℃、約４０℃から約６０℃、約６０℃から約１００℃、約６０℃から約９０℃、約６０℃から約８０℃、または、約６０℃から約７０℃である。ある実施形態では、溶媒の沸点は、２５０℃未満、２００℃未満、１５０℃未満、１００℃未満、９０℃未満、８０℃未満、７０℃未満、６０℃未満、または、５０℃未満である。いくつかの実施形態では、溶媒の沸点は、少なくとも４０℃、少なくとも５０℃、少なくとも６０℃、少なくとも７０℃、少なくとも８０℃、少なくとも９０℃、少なくとも１００℃、少なくとも１５０℃、または、少なくとも２００℃である。
いくつかの実施形態では、溶媒は、スラリーの総重量または総体積を基準にして、約２０％から約８０％、約２０％から約７０％、約２０％から約６０％、約２０％から約５０％、約２０％から約４０％、約３０％から約５０％、約３０％から約４０％、約４０％から約７０％、約４０％から約６０％、約４０％から約５０％、約５０％から約８０％、約５０％から約７０％、約５０％から約６０％、約２５％から約６０％、約２５％から約５０％、約２５％から約４５％、約４５％から約６０％、約４５％から約５５％、または、約４５％から約５０％の重量％または体積％の量で存在する。
ある実施形態では、溶媒は、スラリーの総重量または総体積を基準にして、８０％未満、７０％未満、６０％未満、５５％未満、５０％未満、４５％未満、４０％未満、３５％未満、３０％未満、２５％未満、または、２０％未満の重量％または体積％の量で存在する。いくつかの実施形態では、溶媒は、スラリーの総重量または総体積を基準にして、少なくとも１５％、少なくとも２０％、少なくとも２５％、少なくとも３０％、少なくとも３５％、少なくとも４０％、少なくとも４５％、少なくとも５０％、少なくとも５５％、少なくとも６０％、 少なくとも７０％、または、少なくとも８０％の重量％または体積％の量で存在する。ある実施形態では、溶媒の量は、スラリーの総重量または総体積を基準にして、約４０％、約４１％、約４２％、約４３％、約４４％、約４５％、約４６％、約４７％、約４８％、約４９％、約５０％、約５１％、約５２％、約５３％、約５４％、約５５％、約５６％、約５７％、約５８％、約５９％、または、約６０％の重量％または体積％である。
いくつかの実施形態では、溶媒の重量パーセントは、アノード活物質、導電剤およびバインダー材料の合計重量パーセントより多い。ある実施形態では、溶媒の重量パーセントは、アノード活物質、導電剤およびバインダー材料の合計重量パーセントより少ない。いくつかの実施形態では、溶媒の重量パーセントは、アノード活物質、導電剤およびバインダー材料の合計重量パーセントに等しい。
ある実施形態では、アノード活物質の重量パーセントは、導電剤の重量パーセントより多い。いくつかの実施形態では、スラリー中の導電剤の重量パーセントに対するアノード活物質の重量パーセントの比率は、約１から約１００、約１から約８０、約１から約６０、約１から約５０、約１０から約５０、約１０から約４０、約１０から約３５、約１０から約３０、約１０から約２５、約１０から約２０、約２０から約６０、約２０から約５０、約２０から約４５、約２０から約４０、約３０から約５０、約３０から約４０、約４０から約６０、約４０から約５０、約２０から約３０、または、約２０から約２５である。いくつかの実施形態では、スラリー中の導電剤の重量パーセントに対するアノード活物質の重量パーセントの比率は、１００未満、８０未満、６０未満、５０未満、４５未満、４０未満、３５未満、３０未満、２５未満、２０未満、または、１０未満である。ある実施形態では、スラリー中の導電剤の重量パーセントに対するアノード活物質の重量パーセントの比率は、少なくとも１、少なくとも１０、少なくとも２０、少なくとも２５、少なくとも３０、少なくとも３５、少なくとも４０、少なくとも４５、少なくとも５０、少なくとも５５、少なくとも６０、または、少なくとも８０である。いくつかの実施形態では、スラリー中の導電剤の重量パーセントに対するアノード活物質の重量パーセントの比率は、約１５、約１６、約１７、約１８、約１９、約２０、約２１、約２２、約２３、約２４、約２５、約２６、約２７、約２８、約２９、または、約３０である。
ある実施形態では、アノード活物質の重量パーセントは、バインダー材料の重量パーセントより多い。いくつかの実施形態では、スラリー中のバインダー材料の重量パーセントに対するアノード活物質の重量パーセントの比率は、約１から約１００、約１から約８０、約１から約６０、約１から約５０、約５から約５０、約５から４５約、約５から約４０、約５から約３５、約５から約３０、約５から約２５、約５から約２０、約５から約１５、約１５から約５０、約１５から約４０、約１５から約３５、約１５から約３０、約１５から約２５、または、約１５から約２０である。ある実施形態では、スラリー中のバインダー材料の重量パーセントに対するアノード活物質の重量パーセントの比は、１００未満、８０未満、６０未満、５０未満、４５未満、４０未満、３５未満、３０未満、２５未満、２０未満、１５未満、または、１０未満である。いくつかの実施形態では、スラリー中のバインダー材料の重量パーセントに対するアノード活物質の重量パーセントの比率は、少なくとも５、少なくとも１０、少なくとも１５、少なくとも２０、少なくとも２５、少なくとも３０、少なくとも３５、少なくとも４０、少なくとも４５、少なくとも５０、少なくとも６０、少なくとも７０、または、少なくとも８０である。ある実施形態では、スラリー中のバインダー材料の重量パーセントに対するアノード活物質の重量パーセントの比率は、約１５、約１６、約１７、約１８、約１９、約２０、約２１、約２２、約２３、約２４、約２５、約２６、約２７、約２８、約２９、約３０、約３１、約３２、約３３、約３４、約３５、約３６、約３７、約３８、約３９、または、約４０である。
いくつかの実施形態では、バインダー材料の重量パーセントは、導電剤の重量パーセントよりも多い。ある実施形態では、バインダー材料の重量パーセントは、導電剤の重量パーセントよりも少ない。いくつかの実施形態では、バインダー材料の重量パーセントは、導電剤の重量パーセントに等しい。ある実施形態では、導電剤の重量パーセントに対するバインダー材料の重量パーセントの比率は、約０．１から約５、約０．５から約４．５、約０．５から約４、約０．５から約３．５、約０．５から約３、約０．５から約２．５、約０．５から約２、約０．５から約１．５、約０．５から約１、約１から約５、約１から約４、約１から約３、約１から約２、または、約１から約１．５である。いくつかの実施形態では、導電剤の重量パーセントに対するバインダー材料の重量パーセントの比率は、５未満、４．５未満、４未満、３．５未満、３未満、２．５未満、２未満、１．５未満、１未満、または、０．５未満である。ある実施形態では、導電剤の重量パーセントに対するバインダー材料の重量パーセントの比率は、少なくとも０．５、少なくとも１、少なくとも１．５、少なくとも２、少なくとも２．５、少なくとも３、少なくとも３．５、少なくとも４、または、少なくとも４．５である。
電極コーティング層は、通常は、アノード活物質、導電剤およびバインダー材料を含む粒子の懸濁液を支持体上にコーティングして、懸濁液を乾燥させて薄膜にすることにより作製される。アノードスラリーは、一般に、できるだけ早く乾燥できることが望ましい。これにより、コーティングシステムの生産性が向上し、したがって全体の処理時間が短縮される。通常、アノードスラリーは、メイン成分としてアノード活物質を備える。速乾性スラリーを作製する１つの方法は、大きな粒度を有するアノード活物質を用いることである。粒度分布は、アノード活物質の比表面積を決定する際に決定的な役割を果たす。より大きな表面積は、溶媒とのより大きな相互作用を可能にし、それは、より遅い乾燥をもたらす。
二峰性粒子分布は、充填効率を高めることができる。いくつかの実施形態では、アノード活物質は、２つのサイズ分布の粒子の混合物を含み、第２の分布のピークの粒度は第１の分布のピークの粒度より大きい。ある実施形態では、二峰性分布の第１のピークは、約５μｍから約２０μｍの間でもよいし、二峰性分布の第２のピークは、約２０μｍから約４０μｍの間でもよい。いくつかの実施形態では、アノード活物質の粒度分布は、約１０μｍに第１のピークと約２５μｍに第２のピークを有する二峰性である。小さい粒子が大きい粒子間の隙間を埋めると充填密度は増加する。
ある実施形態では、分布の２つのピークでの直径の差は、８０％以下、６０％以下、５０％以下、または、３５％以下である。
いくつかの実施形態では、第１の分布のピークの粒度を有するアノード活物質に対する第２の分布のピークの粒度を有するアノード活物質の重量比は、３：１から５：１である。ある実施形態では、第１の分布のピークの粒度を有するアノード活物質に対する第２の分布のピークの粒度を有するアノード活物質の重量比は、５：１、４：１または３：１である。
スラリー中の凝集した粒子または成分の不均一分布が、コーティングおよび乾燥作業、そして最終的には電池の性能および品質に影響を与えるので、スラリーの徹底した混合は、重要である。スラリーは、ホモジナイザーにより均質化することができる。均質化工程は、アノード活物質と導電剤との潜在的な凝集を低減または排除し、スラリー中の各原料の分散を向上させる。スラリーを均質化することができる任意の装置を使用することができる。いくつかの実施形態では、ホモジナイザーは、撹拌ミキサー、ブレンダー、ミル、超音波処理装置、ローターステーターホモジナイザー、または、高圧ホモジナイザーである。
いくつかの実施形態では、ホモジナイザーは超音波処理装置である。本明細書では、超音波エネルギーを適用して標本中の粒子をかき混ぜて分散させることができる任意の超音波処理装置を使用することができる。いくつかの実施形態では、超音波処理装置はプローブ型超音波処理装置または超音波フローセルである。
均質化後、均一なスラリーが得られる。スラリーの粘度は、最終コーティングの品質に影響を与える。スラリーの粘度が高すぎると、不均一なコーティングが形成される可能性がある。また、スラリーの粘度が低すぎると、満足のいくフィルムが得られにくい。
溶媒が凝集塊内に捕らえられ、それによって溶媒の蒸発をより困難にすることがあるので、粒子の凝集は、スラリーの乾燥時間を増加させる。より大きいアノード活物質粒子を使用すると、粒子の凝集の発生が減少する。
いくつかの実施形態では、アノードスラリーのｐＨは、約７から約１０、約７から約９．５、約７から約９、約７から約８．５、約７から約８、約７から約７．５、約７から約７．３、約７．２から約９、約７．７から約９、約７．５から約１０、約７．５から約９、約７．５から約８、約７．３から約８．５、約７．５から約８．５、約８から約１１、約８から約１０．５、約８から約１０、約８から約９．５、約８から約９、約８から約８．５、または、約９から約１０である。ある実施形態では、アノードスラリーのｐＨは、１２未満、１１．５未満、１１未満、１０．５未満、１０未満、９．５未満、９未満、８．５未満、８未満、７．９未満、７．８未満、７．７未満、７．６未満、７．５未満、７．４未満、７．３未満、７．２未満、７．１未満、または、７未満である。いくつかの実施形態では、アノードスラリーのｐＨは、少なくとも７、少なくとも７．１、少なくとも７．２、少なくとも７．３、少なくとも７．４、少なくとも７．５、少なくとも７．６、少なくとも７．７、少なくとも７．８、少なくとも７．９、少なくとも８、少なくとも８．５、少なくとも９、少なくとも９．５、または、少なくとも１０である。ある実施形態では、アノードスラリーのｐＨは、約７、約７．５、約８、約８．５、約９、約９．５、または、約１０である。
いくつかの実施形態では、アノードスラリーは、約５００ｍＰａ・ｓから約６，０００ｍＰａ・ｓ、約５００ｍＰａ．ｓから約５，５００ｍＰａ．ｓ、約５００ｍＰａ．ｓから約５，０００ｍＰａ．ｓ、約５００ｍＰａ．ｓから約４，５００ｍＰａ．ｓ、約５００ｍＰａ・ｓから約４，０００ｍＰａ・ｓ、約５００ｍＰａ・ｓから約３，５００ｍＰａ・ｓ、約５００ｍＰａ・ｓから約３，０００ｍＰａ・ｓ、約１，０００ｍＰａ・ｓから約６，０００ｍＰａ・ｓ、約１，０００ｍＰａ・ｓから約５，５００ｍＰａ・ｓ、約１，０００ｍＰａ・ｓから約５，０００ｍＰａ・ｓ、約１，０００ｍＰａ・ｓから約４，５００ｍＰａ・ｓ、約１，０００ｍＰａ・ｓから約４，０００ｍＰａ・ｓ、約１，０００ｍＰａ・ｓから約３，５００ｍＰａ・ｓ、約１，０００ｍＰａ・ｓから約３，０００ｍＰａ・ｓ、約１，０００ｍＰａ・ｓから約２，５００ｍＰａ・ｓ、約１，０００ｍＰａ・ｓから約２，０００ｍＰａ・ｓ、約１，５００ｍＰａ．ｓから約４，０００ｍＰａ．ｓ、約１，５００ｍＰａ．ｓから約３，５００ｍＰａ．ｓ、約１，５００ｍＰａ．ｓから約３，０００ｍＰａ．ｓ、約２，０００ｍＰａ．ｓから約４，０００ｍＰａ．ｓ、約２，０００ｍＰａ・ｓから約３，５００ｍＰａ・ｓ、または、約２，０００ｍＰａ・ｓから約３，０００ｍＰａ・ｓの粘度を有する。
ある実施形態では、アノードスラリーは、６，０００ｍＰａ．ｓ未満、５，５００ｍＰａ．ｓ未満、５，０００ｍＰａ．ｓ未満、４，５００ｍＰａ．ｓ未満、４，０００ｍＰａ．ｓ未満、３，５００ｍＰａ・ｓ未満、３，０００ｍＰａ・ｓ未満、２，５００ｍＰａ・ｓ未満、２，０００ｍＰａ・ｓ未満、または、１，０００ｍＰａ・ｓ未満の粘度を有する。いくつかの実施形態では、アノードスラリーは、１，０００ｍＰａ．ｓより大きい、１，５００ｍＰａ．ｓより大きい、２，０００ｍＰａ．ｓより大きい、２，５００ｍＰａ．ｓより大きい、３，０００ｍＰａ．ｓより大きい、３，５００ｍＰａ．ｓより大きい、４，０００ｍＰａ・ｓより大きい、４，５００ｍＰａ・ｓより大きい、５，０００ｍＰａ・ｓより大きい、または、５，５００ｍＰａ・ｓより大きい粘度を有する。
スラリー中の固形分の量が少ないと、スラリー中の溶媒の量が多いために、乾燥時間が長くなる。いくつかの実施形態では、アノードスラリーの固形分は、アノードスラリーの総重量を基準にして、約２０％から約８０％、約２０％から約７０％、約２０％から約６０％、約２０％から約５０％、約２０％から約４０％、約３０％から約７０％、約３０％から約６０％、約３０％から約５０％、約３０％から約４０％、約４０％から約７０％、約４０％から約６０％、約４０％から約５０％、約２５％から約６０％、約３５％から約６０％、または、約４５％から約６０％の重量％である。
ある実施形態では、アノードスラリーの固形分は、アノードスラリーの総重量を基準にして、８０％未満、７０％未満、６０％未満、５５％未満、５０％未満、４５％未満、４０％未満、３５％未満、３０％未満、または、２５％未満の重量％である。いくつかの実施形態では、アノードスラリーの固形分は、アノードスラリーの総重量を基準にして、少なくとも２０％、少なくとも２５％、少なくとも３０％、少なくとも３５％、少なくとも４０％、少なくとも４５％、少なくとも５０％、少なくとも５５％、または、少なくとも６０％の重量％である。ある実施形態では、アノードスラリーの固形分は、アノードスラリーの総重量を基準にして、約４０％、約４１％、約４２％、約４３％、約４４％、約４５％、約４６％、約４７％、約４８％、約４９％、約５０％、約５１％、約５２％、約５３％、約５４％、約５５％、約５６％、約５７％、約５８％、約５９％、または、約６０％の重量％である。
集電体上にコーティングされたフィルムを形成するために、均質化されたスラリーは、集電体上に塗布することができる。集電体は、電池電極活物質の電気化学反応により生成された電子を集め、または、電気化学反応に必要な電子を供給するように作用する。いくつかの実施形態では、正極および負極の集電体のそれぞれは、箔、シートまたはフィルムの形態でもよく、独立して、ステンレス鋼、チタン、ニッケル、アルミニウム、銅、または、導電性樹脂である。ある実施形態では、正極の集電体はアルミニウム薄膜である。いくつかの実施形態では、負極の集電体は銅薄膜である。ある実施形態では、集電体の表面は前処理されない。
いくつかの実施形態では、厚さは、電池内の集電体と電池電極活物質の量により占める体積したがって電池内の容量に、影響を及ぼすので、集電体は、約６μｍから約１００μｍの厚さを有する。
ある実施形態では、コーティング処理は、ドクターブレードコーター、スロットダイコーター、トランスファーコーター、スプレーコーター、ロールコーター、ディップコーター、または、カーテンコーターを用いて行われる。いくつかの実施形態では、集電体上のコーティングされたフィルムの厚さは、約１０μｍから約３００μｍ、または、約２０μｍから約１００μｍである。
均質化したスラリーを集電体上に塗布した後、集電体上のコーティングされたフィルムを乾燥機で乾燥させて電池電極を得ることができる。本明細書では、集電体上のコーティングされたフィルムを乾燥させることができる任意の乾燥機を使用することができる。乾燥機のいくつかの限定しない例は、バッチ乾燥オーブン、ボックス型乾燥オーブン、ホットプレート、コンベア乾燥オーブン、および、マイクロ波乾燥オーブンである。コンベア乾燥オーブンのいくつかの限定しない例には、コンベア熱風乾燥オーブン、コンベア抵抗乾燥オーブン、コンベア誘導乾燥オーブン、および、コンベアマイクロ波乾燥オーブンが含まれる。
いくつかの実施形態では、集電体上のコーティングされたフィルムを乾燥するためのコンベア乾燥オーブンは、１つ以上の加熱セクションを含み、加熱セクションのそれぞれは、個別に温度制御され、かつ、加熱セクションのそれぞれは、独立して制御される加熱ゾーンを含めてもよい。
ある実施形態では、コンベア乾燥オーブンは、コンベアの一方の側に配置された第１の加熱セクションと、第１の加熱セクションからコンベアの反対側に配置された第２の加熱セクションとを備え、第１および第２の加熱セクションのそれぞれは、独立して、１以上の加熱要素、及び、各加熱セクションの温度を監視し選択的に制御するように、第１の加熱セクションおよび第２の加熱セクションの加熱要素に接続された温度制御システムを備える。
いくつかの実施形態では、アノードスラリーは、１５０℃未満の沸点を有する少なくとも１つの溶媒を備える。溶媒の選択と量は、硬化条件に影響する。より低い沸点を有する溶媒の選択は、より低い温度でのより速い乾燥を可能にする。より低い温度は、アノード電極層の亀裂または脆化を避けることができる。いくつかの実施形態では、集電体上のコーティングされたフィルムを、約４５℃から約１００℃、約５０℃から約１００℃、約５５℃から約１００℃、約５０℃から約９０℃、約５０℃から約８０℃、約５５℃から約８０℃、約５５℃から約７５℃、約５５℃から約７０℃、約５０℃から約８０℃、約５０℃から約７０℃、約６０℃から約１００℃、約６０℃から約９０℃、約６０℃から約８０℃、約４５℃から約９０℃、約４５℃から約８０℃、または、約４５℃から約７０℃の温度で乾燥させることができる。ある実施形態では、集電体上のコーティングされたフィルムを、１００℃未満、９５℃未満、９０℃未満、８５℃未満、８０℃未満、７５℃未満、７０℃未満、６５℃未満、６０℃未満、５５℃未満、５０℃未満、４５℃未満、または、４０℃未満の温度で乾燥させることができる。いくつかの実施形態では、集電体上のコーティングされたフィルムを、４０℃を超える、４５℃を超える、５０℃を超える、５５℃を超える、６０℃を超える、６５℃を超える、７０℃を超える、７５℃を超える、８０℃を超える、８５℃を超える、または、９０℃を超える温度で乾燥させることができる。
コーティングされたフィルムは、不均一なスラリー分布を引き起こし、次にコーティングされた電極の品質に影響を及ぼし得る風の強い条件下で、乾燥されるべきではない。いくつかの実施形態では、集電体上のコーティングされたフィルムは、静かな空気条件下で乾燥させることができる。ある実施形態では、集電体上のコーティングされたフィルムは、０．２ｍ／ｓから１ｍ／ｓ、または、０．２ｍ／ｓから０．７ｍ／ｓの風速を有する環境下で乾燥させることができる。さらなる実施形態では、風速は、０．７ｍ／ｓ未満、０．５ｍ／ｓ未満、０．４ｍ／ｓ未満、０．３ｍ／ｓ未満、０．２ｍ／ｓ未満、または、０．１ｍ／ｓ未満である。ある実施形態では、風速は、０ｍ／ｓである。
低いまたは中程度の湿度で乾燥する間、溶媒は、コーティングをより急速に残し、それにより、より低い温度でより速い乾燥を可能にする。いくつかの実施形態では、集電体上のコーティングされたフィルムは、約０％から約６０％、約１０％から約５０％、約２０％から約５０％、約２０％から約４０％、約２５％から約４０％、約１５％から約５０％、約１５％から約４０％、約１５％から約３０％、約１５％から約２５％、または、約２０％から約３０％の相対湿度を有する環境下で乾燥させることができる。ある実施形態では、相対湿度は、５０％未満、４５％未満、４０％未満、３５％未満、３０％未満、２５％未満、２０％未満、１５％未満、または、１０％未満である。
本明細書に開示されたアノードスラリーは、短時間で乾燥させることができる。いくつかの実施形態では、コーティングされたフィルムは、約１分から約１５分、約１分から約１０分、約１分から約８分、約１分から約５分、約１分から約４分、約１分から約３分、約１分から約２分、約１．５分から約５分、約１．５分から約４分、約１．５分から約３分、約２分から約１０分、約２分から約５分、 約２分から約４分、約２分から約３分、約３分から約５分、約３分から約４分、約４分から約５分、約２．５分から約５分、約２．５分から約４分、または、約３．５分から約５分の時間で乾燥させることができる。ある実施形態では、コーティングされたフィルムは、１２時間未満、８時間未満、４時間未満、２時間未満、１時間未満、４５分未満、３０分未満、１５分未満、１３分未満、１０分未満、９分未満、８分未満、７分未満、６分未満、５分未満、４．５分未満、４分未満、３．５分未満、３分未満、２．５分未満、２分未満、または、１．５分未満の時間で乾燥させることができる。乾燥速度が遅すぎると、製造効率が悪くなる。
乾燥後、溶媒は、コーティングされたフィルムから除去される。予め決められた時間乾燥させたコーティングされた電極と長時間乾燥させたコーティングされた電極との質量の比較が、乾燥の延長の測定に用いられる。長時間の乾燥中、予め決められた時間乾燥させたコーティングされた電極から除去することができる溶媒の量は、予め決められた時間乾燥させたことを含むコーティングされた電極の総重量を基準として、２重量％未満である。
集電体上のコーティングされたフィルムを乾燥させた後、電池電極が形成される。いくつかの実施形態では、電池電極は、電極の密度を高めるために機械的に圧縮される。
別の態様では、カソード、アノード、および、カソードとアノードとの間に挿入されたセパレータを含むリチウムイオン電池が本明細書に提供され、少なくとも１つのアノードは、本明細書に開示された方法により作製される負極である。
以下の実施例は、本発明の実施形態を例示するために提示されるが、記載された特定の実施形態に本発明を限定するものではない。反対の指示がない限り、全ての部及びパーセンテージは重量による。すべての数値は近似値である。数値範囲が示されている場合、記載された範囲外の実施形態はなお本発明の範疇に含まれると理解すべきである。各実施例に記載された特定の詳細は、本発明の必要な特徴と解釈すべきではない。
例
風速は、市販の風速計を用いてコーティングされたフィルムの上面から１ｃｍ上の位置で風速を測定することにより決定した。
粒度は、ＭｉｃｒｏＢｒｏｏｋ２０００ＬＤ粒度分析計（ブルックヘブン・インスツルメンツ・コーポレーション(Brookhaven Instruments Cooperation）、米国から入手）を使用して分析した。
スラリー粘度は、ＮＤＪ−５Ｓ粘度計（上海・ホンピン・サイエンティフィック・インスツルメント社(Shanghai Hengping Scientific Instrument Co.)、中国から入手）を用いて決定した。
例１
Ａ）負極スラリーの作製
粒子状グラファイトアノード活物質（ＡＧＰ−１）（ルイフート・テクノロジー社(Ruifute Technology Ltd.)、シンセン、広東省、中国から入手）は、約１９μｍの粒度Ｄ５０を有する。５０重量％の脱イオン水および５０重量％のアセトン（純度≧９９％、シグマ−アルドリッチ(Sigma-Aldrich)、米国）を含有する混合溶媒中で、９０重量％の粒子状グラファイトアノード活物質と、５重量％のカーボンブラックと、５重量％のポリアクリロニトリルとを混合して、固形分５０重量％を有するスラリーを形成することにより、負極スラリーが作製された。スラリーを遊星型撹拌ミキサーで均質化した。負極スラリーの粘度は、９８５ｍＰａ・ｓであった。
Ｂ）負極の作製
ギャップ幅１００μｍでトランスファーコーター（ＺＹ−ＴＳＦ６−６５１８、ジン・ファン・ジャンユー・ニューエナジーテクノロジー社(Jin Fan Zhanyu New Energy Technology Co. Ltd.)、中国から入手）を使用して、スラリーは、厚さ９μｍの銅箔の両面にコーティングされた。銅箔上のコーティングされたフィルムを、約８メートル／分のコンベア速度で作動させた長さ２４メートルのコンベア熱風乾燥オーブン（ＴＨ−１Ａ、南京・トンハオ・ドライイング・イクイップメント社、中国から入手）により、７５℃で約３分乾燥させて、負極を得た。乾燥オーブン内で０．１ｍ／ｓから０．４ｍ／ｓの風速が検出された。オーブン内の湿度は２０−４０％であった。
Ｃ）正極スラリーの作製
９２重量％のLiMn2O4カソード活物質（フアグワン・ハンユエン・リテック社(HuaGuan HengYuan LiTech Co. Ltd.)、青島、中国から入手）と、導電剤として４重量％のカーボンブラック（ＳｕｐｅｒＰ；ティンカル社(Timcal Ltd)、ボディオ、スイスから入手）と、バインダーとして４重量％のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ；Ｓｏｌｅｆ（登録商標）５１３０、ソルベイＳ．Ａ．(Solvay S.A.)、ベルギーから入手）とを混合して、５０重量％のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ；純度≧９９％、シグマ−アルドリッチ(Sigma-Aldrich)、米国）および５０重量％のアセトン（純度≧９９％、シグマ−アルドリッチ(Sigma-Aldrich)、米国）を含有する混合溶媒中にこれらを分散させて、固形分５０重量％を有するスラリーを形成することにより、正極スラリーが作製された。スラリーを遊星型撹拌ミキサーで均質化した。
Ｄ）正極の作製
均質化されたスラリーは、ギャップ幅１００μｍのドクターブレードコーターを使用して、集電体として厚さ２０μｍのアルミニウム箔の片面にコーティングされた。アルミニウム箔上のコーティングされたフィルムを電気加熱式コンベアオーブンにより８５℃で約８メートル／分のコンベア速度で乾燥させた。乾燥時間は約３分であった。
Ｅ）パウチ型電池の組立て
乾燥後、例１の得られたカソードフィルムおよびアノードフィルムは、個々の電極板を切断することによりそれぞれカソードおよびアノードを作製するために使用された。カソード電極板およびアノード電極板を交互に積層して、アルミニウム−プラスチックのラミネートフィルムで作られたケース内にパッケージされることにより、パウチセルが組立てられた。カソード電極板とアノード電極板をセパレータにより離して保持し、ケースを予備成形した。次いで、水分および酸素含有＜１ｐｐｍの高純度アルゴン雰囲気中で、パックされた電極を保持するケースに電解液を充填した。電解液は、エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）およびジメチルカーボネート（ＤＭＣ）の１：１：１の体積比の混合物中のLiPF6（１Ｍ）の溶液であった。電解質充填の後、パウチセルを真空シールし、標準的な四角形のパンチツールを用いて機械的にプレスした。
例１の電気化学的測定
Ｉ） 公称容量
セルを３．０Ｖと４．２Ｖの間の電池テスターで２５℃で電流密度Ｃ／２で定電流で試験した。公称容量は、約９．８Ａｈであった。
ＩＩ） サイクル性能
パウチセルのサイクル性能は、３．０Ｖから４．２Ｖの間の１Ｃの定電流レートで充電および放電することにより試験された。速乾能力を有するアノードスラリーは、コーティング品質に影響を与えることなく処理効率を向上させる。
例２
Ａ）負極スラリーの作製
粒子状グラファイトアノード活物質（ＹＸＧ−３０）（イエンシン・グラファイト・プロダクツ社(Yanxin Graphite Products Co. Ltd.)、青島、中国から入手）は、約３０μｍの粒度Ｄ５０を有する。９０重量％のグラファイトアノード活物質と、５重量％のカーボンブラックと、５重量％のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ；Ｓｏｌｅｆ（登録商標）５１３０、ソルベイＳ．Ａ．(Solvay S.A.)、ベルギーから入手）とを脱イオン水の中で混合して、固形分５０重量％を有するスラリーを形成することにより、負極スラリーが作製された。スラリーを遊星型撹拌ミキサーで均質化した。負極スラリーの粘度は、１，０４０ｍＰａ・ｓであった。
Ｂ）負極の作製
ギャップ幅１００μｍでトランスファーコーター（ＺＹ−ＴＳＦ６−６５１８、ジン・ファン・ジャンユー・ニューエナジーテクノロジー社(Jin Fan Zhanyu New Energy Technology Co. Ltd.)、中国から入手）を使用して、スラリーは、厚さ９μｍの銅箔の両面にコーティングされた。銅箔上のコーティングされたフィルムを、約１５メートル／分のコンベア速度で作動させた長さ２４メートルのコンベア熱風乾燥オーブン（ＴＨ−１Ａ、南京・トンハオ・ドライイング・イクイップメント社、中国から入手）により、約７０℃で約１．６分乾燥させて、負極を得た。乾燥オーブン内で０．３ｍ／ｓから０．５ｍ／ｓの風速が検出された。オーブン内の湿度は２０−４０％であった。
例３
Ａ）負極スラリーの作製
粒子状メソカーボンアノード活物質（ＣＭＢ−Ｈ）（ＢＴＲニューエナジーマテリアルズ社(BTR New Energy Materials Inc.)、シンセン、中国から入手）は、約２６μｍの粒度Ｄ５０を有する。５０重量％の脱イオン水および５０重量％のエタノール（純度≧９９％、シグマ−アルドリッチ(Sigma-Aldrich)、米国）を含有する混合溶媒中で、９３重量％のメソカーボンアノード活物質と、４重量％のカーボンブラックと、３重量％の水溶性バインダーＬＡ１３３（成都インディゴ・パワーソース社(Chengdu Indigo Power Sources Co., Ltd.)、中国から入手）とを混合して、固形分５５重量％を有するスラリーを形成することにより、負極スラリーが作製された。スラリーを遊星型撹拌ミキサーで均質化した。負極スラリーの粘度は、８５０ｍＰａ・ｓであった。
Ｂ）負極の作製
ギャップ幅１００μｍでトランスファーコーター（ＺＹ−ＴＳＦ６−６５１８、ジン・ファン・ジャンユー・ニューエナジーテクノロジー社(Jin Fan Zhanyu New Energy Technology Co. Ltd.)、中国から入手）を使用して、スラリーは、厚さ９μｍの銅箔の両面にコーティングされた。銅箔上のコーティングされたフィルムを、約１０メートル／分のコンベア速度で作動させた長さ２４メートルのコンベア熱風乾燥オーブン（ＴＨ−１Ａ、南京・トンハオ・ドライイング・イクイップメント社、中国から入手）により、約８５℃で約２．４分乾燥させて、負極を得た。乾燥オーブン内で０．２ｍ／ｓから０．４５ｍ／ｓの風速が検出された。オーブン内の湿度は２０−４０％であった。
例４
Ａ）負極スラリーの作製
粒子状グラファイトアノード活物質（モデル８１８）（ＢＴＲニューエナジーマテリアルズ社(BTR New Energy Materials Inc.)、シンセン、中国から入手）は、約１７μｍの粒度Ｄ５０を有する。９１重量％のグラファイトアノード活物質と、５重量％のカーボンブラックと、４重量％の水溶性バインダー（ＬＡ１３３、成都インディゴ・パワーソース社(Chengdu Indigo Power Sources Co., Ltd.)）とを脱イオン水の中で混合して、固形分５０重量％を有するスラリーを形成することにより、負極スラリーが作製された。スラリーを遊星型撹拌ミキサーで均質化した。負極スラリーの粘度は、１２５０ｍＰａ・ｓであった。
Ｂ）負極の作製
ギャップ幅１００μｍでトランスファーコーター（ＺＹ−ＴＳＦ６−６５１８、ジン・ファン・ジャンユー・ニューエナジーテクノロジー社(Jin Fan Zhanyu New Energy Technology Co. Ltd.)、中国から入手）を使用して、スラリーは、厚さ９μｍの銅箔の両面にコーティングされた。銅箔上のコーティングされたフィルムを、約６．７メートル／分のコンベア速度で作動させた長さ２４メートルのコンベア熱風乾燥オーブン（ＴＨ−１Ａ、南京・トンハオ・ドライイング・イクイップメント社、中国から入手）により、約８０℃で約３．６分乾燥させて、負極を得た。乾燥オーブン内で０．１５ｍ／ｓから０．４ｍ／ｓの風速が検出された。オーブン内の湿度は２０−４０％であった。
例５
負極の作製
例５のアノードは、表１，２に記載された異なるパラメーターが使用されたことを除いて、例１に記載された方法により作製された。
例２−５についてのカソードの作製
例２−５のカソードは、例１に記載された方法により作製された。
例２−５についてのパウチセルの組立て
例２−５のパウチセルは、例１に記載された方法により組立てられた。
例２−５についてのパウチセルの電気化学的測定
例２−５のパウチセルの電気化学的性能は、例１に記載された方法により行われた。例３，４のサイクル性能の試験結果をそれぞれ表１，２に示す。
例１−５のアノードスラリーの配合を下記の表１に示す。例１−５のコーティングされたアノードフィルムの乾燥条件を下記の表２に示す。例１−５のパウチセルの電気化学的性能を下記の表３に示す。
比較例１
Ａ）負極物質の作製
粒子状グラファイトアノード活物質（ＡＧＰ−１）（ルイフート・テクノロジー社(Ruifute Technology Ltd.)、シンセン、広東省、中国から入手）は、約１９μｍの粒度Ｄ５０を有する。約７μｍの粒度Ｄ５０を有するアノード活物質を得るために、粒子状グラファイトアノード活物質をジェットミル（ＬＮＪ−６Ａ、メンヨウ・リウネン・パウダー・イクイップメント社(Mianyang Liuneng Powder Equipment Co., Ltd.)、四川省、中国から入手）で約２．５時間粉砕した後、１２５０メッシュのこしきを通過させた。
Ｂ）負極スラリーの作製
比較例１に記載された方法で得られた小さい粒度を有するアノード活物質を用いたこと以外は、例１と同様に、負極スラリーを作製した。負極スラリーの粘度は、１，１００ｍＰａ・ｓであった。
Ｃ）負極の作製
比較例１に記載された方法により得られた負極物質を備える負極は、銅箔上のコーティングされたフィルムを８５℃で乾燥させ、乾燥時間を約５．５分としたこと以外は、例１と同様に作製された。
例１の負極スラリーは、比較例１の負極スラリーよりも早く乾燥することが明らかである。アノード活物質の粒度は、粒子が小さくなるにつれて表面積の対体積比が増加するため、乾燥速度に影響を与える。表面積が大きいと溶媒との相互作用が大きくなり、乾燥が遅くなる。したがって、本発明のアノードスラリーは、より効率的な乾燥プロセスおよび改善された生産性をもたらし得る。
比較例２
Ａ）負極物質の作製
粒子状グラファイトアノード活物質（ＹＸＧ−３０）（イエンシン・グラファイト・プロダクツ社(Yanxin Graphite Products Co. Ltd.)、青島、中国から入手）は、約３０μｍの粒度Ｄ５０を有する。約５．５μｍの粒度Ｄ５０を有するアノード活物質を得るために、粒子状グラファイトアノード活物質をZrO2ミリングボールを使用するボールミル（ＭＳＫ−ＳＦＭ−１、シンセン・ケイジン・スター・テクノロジー社(Shenzhen Kejing Star Technology Ltd.)、中国から入手）で約１時間粉砕した後、１，２５０メッシュのこしきを通過させた。
Ｂ）負極スラリーの作製
比較例２に記載された方法で得られた小さい粒度を有するアノード活物質を用いたこと以外は、例２と同様に、負極スラリーを作製した。負極スラリーの粘度は、１，３００ｍＰａ・ｓであった。
Ｃ）負極の作製
比較例２に記載された方法により得られた負極物質を備える負極は、銅箔上のコーティングされたフィルムを８５℃で乾燥させ、乾燥時間を約７．８分としたこと以外は、例２と同様に作製された。
例２の負極スラリーは、比較例２の負極スラリーよりも早く乾燥することが明らかである。アノード活物質の粒度は、粒子が小さくなるにつれて表面積の対体積比が増加するため、乾燥速度に影響を与える。表面積が大きいと溶媒との相互作用が大きくなり、乾燥が遅くなる。したがって、本発明のアノードスラリーは、より効率的な乾燥プロセスおよび改善された生産性をもたらし得る。
比較例１−２についてのカソードスラリーの作製
比較例１−２のカソードスラリーは、例１に記載された方法により作製された。
比較例３−５
比較例３−５のアノードスラリーは、下記の表１に記載された異なるパラメーターが使用されたことを除いて、例１に記載された方法により作製された。比較例３−５のコーティングされたアノードフィルムは、下記の表２に記載された異なる乾燥条件が使用されたことを除いて、例２に記載された方法により乾燥させた。比較例３−５のカソードスラリーは、例１に記載の方法で作製された。
比較例１−５についてのパウチセルの組立て
比較例１−５のパウチセルは、例１に記載された方法で組立てられた。
比較例１−５についてのパウチセルの電気化学的測定
比較例１−５のパウチセルの電気化学的性能は、例１に記載された方法で行われた。
比較例１−５のアノードスラリーの配合を下記の表１に示す。比較例１−５のコーティングされたアノードフィルムの乾燥条件を下記の表２に示す。比較例１−５のパウチセルの電気化学的性能を下記の表３に示す。
Figure 2019535110
Figure 2019535110
Figure 2019535110
本発明を限られた数の実施形態に関して説明したが、一実施形態の特定の特徴は、本発明の他の実施形態に起因するものではない。いくつかの実施形態では、方法は、本明細書に記載されていない多数のステップを含めてもよい。他の実施形態では、方法は、本明細書に列挙されていないステップを含まないか、または実質的に含まない。記載された実施形態からの変形および変更が存在する。添付の特許請求の範囲は、本発明の範囲内に含まれる全ての変更および変形を包含するものとする。

Claims (19)

  1. アノード活物質、導電剤、バインダー材料、及び、溶媒を備えたリチウムイオン電池アノードスラリーであって、
    前記アノード活物質は、約１０μｍから約４０μｍの範囲の粒度Ｄ５０を有し、
    厚さが約１００μｍのウェットフィルムを有する集電体上にコーティングされた前記スラリーは、約６０℃から約９０℃の温度及び約２５％から約４０％の相対湿度を有する環境下で約５分以下の乾燥時間を有する、
    リチウムイオン電池アノードスラリー。
  2. 前記アノード活物質は、少なくとも３μｍのＤ１０値を有する、
    請求項１に記載のスラリー。
  3. 前記アノード活物質は、７０μｍ以下のＤ９０値を有する、
    請求項１に記載のスラリー。
  4. 前記アノード活物質は、３５重量％から７０重量％の量で存在し、前記導電剤は、０．８重量％から５重量％の量で存在し、前記バインダー材料は、０．５重量％から６重量％の量で存在し、前記溶媒は、３０重量％から６０重量％の量で存在し、ここですべての重量％の値は、前記スラリーの総重量を基準にした、
    請求項１に記載のスラリー。
  5. 前記アノード活物質は、天然グラファイト粒子、合成グラファイト粒子、ハードカーボン、ソフトカーボン、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、Sn粒子、SnO2、SnO、Li4Ti5O12粒子、Si粒子、Si-C複合粒子、および、これらの組合せからなるグループから選択される、
    請求項１に記載のスラリー。
  6. 前記導電剤は、カーボン、カーボンブラック、グラファイト、膨張グラファイト、グラフェン、グラフェンナノプレートレット、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、グラファイト化カーボンフレーク、カーボンチューブ、カーボンナノチューブ、活性炭、メソポーラスカーボン、および、これらの混合物からなるグループから選択される、
    請求項１に記載のスラリー。
  7. 前記バインダー材料は、スチレン−ブタジエンゴム、アクリル化スチレン−ブタジエンゴム、アクリロニトリルコポリマー、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、ニトリルブタジエンゴム、アクリロニトリル−スチレン−ブタジエンコポリマー、アクリルゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン／プロピレンコポリマー、ポリブタジエン、ポリエチレンオキシド、クロロスルホン化ポリエチレン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルピリジン、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリエピクロロヒドリン、ポリホスファゼン、ポリアクリロニトリル、ポリスチレン、ラテックス、アクリル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートプロピオネート、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、ポリエステル、ポリアミド、ポリエーテル、ポリイミド、ポリカルボキシレート、ポリカルボン酸、ポリアクリル酸、ポリアクリレート、ポリメタクリル酸、ポリメタクリレート、ポリアクリルアミド、ポリウレタン、フッ素化ポリマー、塩素化ポリマー、アルギン酸の塩、ポリフッ化ビニリデン、ポリ（フッ化ビニリデン）−ヘキサフルオロプロペン、および、これらの組合せからなるグループから選択される、
    請求項１に記載のスラリー。
  8. 前記アルギン酸の塩は、Na、Li、K、Ca、NH4、Mg、Al、または、これらの組合せから選択されるカチオンを備える、
    請求項７に記載のスラリー。
  9. 前記溶媒は、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ブチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、臭化エチル、テトラヒドロフラン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチレンカーボネート、水、純水、脱イオン水、蒸留水、エタノール、イソプロパノール、メタノール、アセトン、ｎ−プロパノール、ｔ−ブタノール、および、これらの組合せからなるグループから選択される、
    請求項１に記載のスラリー。
  10. 前記溶媒の蒸気圧は、少なくとも１５ｋＰａである、
    請求項１に記載のスラリー。
  11. 前記スラリーのｐＨは、約７から約９である、
    請求項１に記載のスラリー。
  12. 前記コーティングされたスラリーフィルムは、ボックスオーブン、コンベアオーブン、または、ホットプレートにより乾燥された、
    請求項１に記載のスラリー。
  13. 前記スラリーの粘度は、約５００ｍＰａ・ｓから約３，５００ｍＰａ・ｓの範囲内である、
    請求項１に記載のスラリー。
  14. 前記溶媒は、１４０℃未満、１２０℃未満、または、１００℃未満の沸点を有する、
    請求項１に記載のスラリー。
  15. 前記アノード活物質の比率Ｄ９０／Ｄ１０は、約３から約１０、または、約５から約８である、
    請求項１に記載のスラリー。
  16. フィルムの形態で前記集電体上にコーティングされた前記スラリーは、約２．５分以下の乾燥時間を有する、
    請求項１に記載のスラリー。
  17. 前記アノード活物質の粒度分布は、約１０μｍに第１のピークおよび約２５μｍに第２のピークを有する二峰性である、
    請求項１に記載のスラリー。
  18. リチウムイオン電池用の負極であって、前記負極は、アノード集電体、及び、前記アノード集電体上に分散されたアノード電極層を備え、前記アノード電極層は、請求項１に記載のアノードスラリーを用いて形成された、
    リチウムイオン電池用の負極。
  19. カソード、アノード、及び、前記カソードと前記アノードとの間に挿入されたセパレータを備え、少なくとも１つの前記アノードは、請求項１８に記載の負極である、
    リチウムイオン電池。
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