JP2022506741A - バッテリー電極のためのバインダ - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、内容全体を全ての目的のために引用により本明細書に組み込まれる、2018年11月2日出願の米国仮出願第62/754,659号の優先権の利益を主張する。
カソード、アノード、電解質、バインダ等について、より優れた材料を開発するため多大の研究が行われてきた。カソードおよびアノード材料は、バッテリー構造の主要な成分であるため、より重視されてきた。このことはカソードおよびアノード材料の多様なアレイの商業的有用性を導いたが、最新のアノード材料は、炭素ベースの材料が支配的である。ケイ素およびスズのような高容量合金化アノード材料は商業的には採用されなかったが、その理由は、リチウムイオンバッテリーにおけるこれらの材料の効率的な機能化に対して、これらの材料が種々の難題を課すからであった。
ケイ素(Si)は、高い理論容量をもたらすため、最も広く研究されているアノード材料の1つである。Siアノード容量の実用的限界は、純粋相で4200mAh/gである。そのような優れた理論値とともに、Siは、地殻で見出される二番目に最も豊富な元素であり、Siの加工処理技術も、半導体(光起電性のものを含む)産業における広範囲なSi使用に基づいて高度に進歩している。したがって、Siアノードの研究は急速に発展した。Siアノードの性能の利点および限界ならびにそれらの操業および不良の機構(図2)が徹底的に検討され、得られた知識は、電極を合金化する他のタイプを理解する根拠として役立ち得る。
非晶質Si(a-Si)および結晶性Si(c-Si)アノードは、リチウム化されると両方ともまず非晶質になり、その後、Liに対して約0.05V下の準安定なLi15Si4結晶相を形成することができる。最初に結晶性であれば、Siは、図3で見られるように主として<110>方向に異方的に膨張するであろう。この初期リチウム化は、結晶性Siと非晶質のリチウム化された相の間の界面における反応速度により限定されると考えられる。しかしながら、リチウム化された相が厚くなるにつれて、特に高い充電速度では、体積変化の大きいことがGPaレベルの応力の蓄積の原因となり得る。それ故、表面における応力を開放して膨張のために必要な空隙空間を提供するために、ナノ構造が必要である。そのような手段がなければ、応力は亀裂を形成し、大きい分極を誘発することにより容量を限定するであろう。
Siアノードの分野における大幅な発展にもかかわらず、質量当たりの容量またはパルス-電力性能を僅かに増大させる、グラファイトアノードに添加された少量の小さい炭素コート酸化ケイ素(SiOx)含有粒子を利用する少数のごく最近のデザインを除いて、現在のところ、SiまたはSi含有複合体ベースの市販のアノードはない。リチウムイオンバッテリーのためのケイ素の商業的採用には、さらなる技術開発ならびに一定の粒子体積およびサイズを維持するという主要な難題を克服すること、ならびに大きい商業規模における粒子合成でその難題を克服することが要求されるであろう。
したがって、上で記載された問題の少なくとも一部に対処する改善されたバインダ材料に対する必要性がある。
第1の態様の第1の実施形態において、少なくとも1種のリン酸塩およびキトサンが1:1~1:100の質量比で存在する、第1の態様のバインダが提供される。
第1の態様の第2の実施形態において、少なくとも1種のリン酸塩がトリポリリン酸ナトリウムである、第1の態様のバインダが提供される。
第1の態様の第3の実施形態において、トリポリリン酸ナトリウムおよびキトサンが1:5~1:10の質量比で存在する、第1の態様の第2の実施形態のバインダが提供される。
第2の態様の第1の実施形態において、溶媒が、水性溶媒、極性有機溶媒、またはそれらの混合物である、第2の態様のバインダ組成物が提供される。
第2の態様の第2の実施形態において、バインダ組成物の固体含有率が1%質量/質量以上である、第2の態様の第1の実施形態のバインダ組成物が提供される。
第2の態様の第3の実施形態において、少なくとも1種の導電性添加剤および少なくとも1種のアノード活物質;または少なくとも1種の導電性添加剤および少なくとも1種のカソード活物質をさらに含む、第2の態様の第1の実施形態のバインダ組成物が提供される。
第3の態様の第1の実施形態において、負極が、第1の態様のバインダを含み、負極が、少なくとも1種の導電性添加剤および少なくとも1種のアノード活物質をさらに含む、第3の態様のリチウムバッテリーが提供される。
第3の態様の第2の実施形態において、少なくとも1種の導電性添加剤が、炭素繊維、炭素ナノ繊維、カーボンナノチューブ、グラファイト、カーボンブラック、グラフェン、および酸化グラフェンからなる群から選択される、第3の態様の第1の実施形態のリチウムバッテリーが提供される。
第3の態様の第3の実施形態において、少なくとも1種のアノード活物質が、ケイ素および酸化ケイ素からなる群から選択される、第3の態様の第1の実施形態のリチウムバッテリーが提供される。
第3の態様の第4の実施形態において、正極が、第1の態様のバインダを含み、正極が、少なくとも1種の導電性添加剤および少なくとも1種のカソード活物質をさらに含む、第3の態様のリチウムバッテリーが提供される。
第3の態様の第5の実施形態において、少なくとも1種のリン酸塩がトリポリリン酸ナトリウムであり、トリポリリン酸ナトリウムおよびキトサンが1:7~1:10の質量比で存在し;少なくとも1種の導電性添加剤が、炭素繊維および炭素ナノ繊維からなる群から選択され;少なくとも1種のアノード活物質が、ケイ素および酸化ケイ素からなる群から選択される、第3の態様の第1の実施形態のリチウムバッテリーが提供される。
第4の態様の第1の実施形態において、溶媒が有機酸を含む水である、第4の態様の方法が提供される。
第4の態様の第2の実施形態において、凍結乾燥により溶媒を除去するステップをさらに含み、それにより第2の態様の第3の実施形態のバインダ組成物を形成する、第4の態様の第1の実施形態の方法が提供される。
第5の態様の第1の実施形態において、少なくとも1種のリン酸塩がトリポリリン酸ナトリウムであり、トリポリリン酸ナトリウムおよびキトサンが、1:7~1:10の質量比で存在し;少なくとも1種の導電性添加剤が、炭素繊維および炭素ナノ繊維からなる群から選択され;少なくとも1種のアノード活物質が、ケイ素および酸化ケイ素からなる群から選択される、第5の態様のバインダ組成物が提供される。
上記のおよび他の物体ならびに本開示の特徴は、添付の図面と合わせて考えれば、本開示の以下の記載から明らかになるであろう。
本明細書で使用される用語の定義は、バイオテクノロジーの分野で各用語について認められている現在最新の定義を組み込むことが意図されている。必要に応じて、具体例を提供する。定義は、特定の事例で、個々にまたはより大きい群の一部としてのいずれかでそうでないと限定されない限り、この明細書全体を通して使用される用語に適用される。
さらに、本明細書および請求項を通して、前後関係が要求しない限り、「を含む(include)」という単語、または「を含む(includes)」または「を含む(including)」などの変形は、述べられた整数または整数の群の包含を意味するが、任意の他の整数または整数の群の排除を意味しないと理解されるであろう。
キトサンは、10,000~1,000,000Daの分子量を有することができる。ある実施形態では、キトサンは、10,000~500,000;20,000~500,000;30,000~500,000;40,000~500,000;40,000~450,000;または40,000~400,000Daの分子量を有することができる。ある実施形態では、キトサンは、低い分子量(分子量50,000~190,000Da)、中程度の分子量のキトサン(分子量190,000~310,000Da);または高分子量のキトサン(分子量約310,000~>375,000Da)であることができる。
キトサン、グルコサミンのカチオン性コポリマーおよびN-アセチルグルコサミンは、天然における最も豊富な炭水化物の1種である、天然多糖-キチンの部分的に脱アセチル化された誘導体であり、大部分は、甲殻類の外骨格から誘導される。キトサンは、生体再生性、生分解性、生体適合性、生体接着性および無毒性などの特有の一連の有用な特性を有する。キトサンおよびその誘導体は、医薬、生物医薬、水処理、化粧品、農業および食物産業などの種々の分野で使用される。
キトサンは、ポリカチオン性ポリマーとして存在することができ、そのキレート化の性質のためによく知られている。それ故、リン酸金属塩などの負に荷電した成分との相互作用は、イオン的にリン酸架橋したキトサン鎖のネットワークの形成を導くことができる。リン酸の負電荷とキトサンの正に荷電した基との間のイオン性相互作用は、架橋したネットワーク内における主要な分子相互作用であると考えられる。イオン的にリン酸架橋したキトサン鎖ネットワークの形成は、カチオン性キトサンと少なくとも1種のリン酸塩とを組み合わせることにより;またはその代わりに中性キトサンと少なくとも1種のリン酸塩の共役酸とを組み合わせることにより調製することができる。その結果として、本明細書で意図されるバインダ組成物は、キトサンおよび少なくとも1種のリン酸塩またはその共役酸を含むバインダ組成物を包含する。
少なくとも1種のリン酸塩は、任意の金属カチオンを含むことができる。典型的金属カチオンは、元素周期表の1族およびII族から選択される1種または複数のカチオンを含む。ある実施形態では、少なくとも1種のリン酸塩は、Li+、Na+、K+、Mg2+、およびCa2+からなる群から選択される1種または複数の金属カチオンを含むことができる。ある実施形態では、少なくとも1種のリン酸塩は、オルトリン酸ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム、またはポリリン酸ナトリウムである。ある実施形態では、少なくとも1種のリン酸塩は、トリポリリン酸ナトリウムである。バインダは、キトサンならびにオルトリン酸、ピロリン酸、およびポリリン酸の共役酸からなる群から選択される少なくとも1種のリン酸塩の共役酸も含むことができる。
オルトリン酸塩、ピロリン酸塩、およびポリリン酸塩の共役酸は、1種または複数のイオン化可能なプロトンを含むことができ、したがって1種または複数の共役酸のプロトン化状態で存在することができる。バインダ組成物がオルトリン酸塩、ピロリン酸塩、またはポリリン酸塩の共役酸を含む事例で、共役酸は、本明細書に記載されるリン酸塩の任意の可能なプロトン化状態またはそれらの組み合わせであることができる。例えば、PO4 3-(オルトリン酸)の共役酸はHPO4 2-、H2PO4 -、およびH3PO4を含み;P3O10 5-(トリポリリン酸塩)の共役酸は、HP3O10 4-、H2P3O10 3-、H3P3O10 2-、H4P3O10 1-、およびH5P3O10を含む。リン酸塩のアニオン性共役酸は、本明細書に記載される任意の1種または複数の金属カチオンを含むことができる。
ある実施形態では、バインダ組成物は、酢酸を含む水溶液中にトリポリリン酸ナトリウムおよびキトサンを含む。
綿および竹を炭化することにより調製された最初のCCFは、1879年にトーマス・エジソンにより白熱電球のフィラメントとして使用されて以来、基礎科学的研究および実用的応用の両方において大いに発展してきた。CCFおよびCNFの最も重要なメンバーの1つが、多くの分野で有望な材料として、エネルギー変換および貯蔵、複合体の補強材およびセルフセンシングデバイスなどで応用されてきた。
CCFとCNFの間には幾つかの相違がある。第1の相違は、最も明白な相違でもあるが、それらのサイズである。CCFは、数マイクロメートルの直径を有することができるが、それに対してCNFは、50~200nmの直径を有することができる。図5は、CNFとCCFとの間の相違の模式的例示を示す。直径以外でも;CNFの構造は、伝統的炭素繊維と明らかに異なる。CNFは、主として2通りの手法:触媒的蒸気堆積成長および電界紡糸により調製することができる。
CNF複合体の最も重要な性質の1つはそれらの電気伝導度である。CNF複合体が、電気デバイス、センサー、電磁的遮蔽またはバッテリーまたはスーパーキャパシタのための電極として適用される場合、電気伝導度は、常に第一に考慮する必要がある。
バインダは、粒子の電気接触を保持し、粒子サイズに関わらず、高品質の電極を集成するために決定的に重要である。理想的なバインダは、アノード複合体に最良の弾性を提供するべきであり、図7に示したように、リチウム化/脱リチウム化プロセス中に活物質の膨張を完全に受け入れるべきである。
アノードスラリーは、本明細書に記載されるバインダ組成物、少なくとも1種の導電性添加剤、および少なくとも1種のアノード活物質を組み合わせて、それによりアノードスラリーを形成することにより調製することができる。
アノードスラリーの粒子サイズは、当技術分野において既知の任意の方法を使用して任意で小さくすることもできる。
アノードスラリーを、任意で凍結乾燥にかけ、それにより凍結乾燥されたアノード材料を形成することができ、その結果、形成された凍結乾燥アノード材料内における空洞(細孔)が形成され得、アノードの増強されたサイクル安定性を生ずる。それに加えて、凍結乾燥は、レート能力を有利に強化することができるが、その理由は、凍結乾燥されたアノード材料のより多くの多孔性構造が、電極におけるイオン輸送を増大させて、増大された表面積により電荷移動反応速度を加速するからである。
アノードスラリーの凍結乾燥は、非凍結乾燥のアノード材料よりはるかに高い表面積を有するアノード材料を生ずることができる。例えば、凍結乾燥されたアノード材料は、20~40m2/g、20~35m2/g、25~35m2/g、または25~30m2/gの間の平均表面積を有することができる。同様に、凍結乾燥されたアノード材料の合計細孔体積も、改善されて、0.200~0.250cm3/g、0.200~0.240cm3/g、0.200~0.230cm3/g、0.210~0.230cm3/g、または0.220~0.230cm3/gの範囲にあることができる。凍結乾燥されたアノード材料は、30~40nm、32~38nm、または32~36nmの間の平均細孔直径を有することができる。
凍結乾燥されたアノード材料の負極集電体への適用を改善するために、凍結乾燥されたアノード材料を含むスラリーは、凍結乾燥されたアノード材料に溶媒を加えることにより調製することができる。バインダ組成物を調製することに有用な溶媒は、凍結乾燥されたアノード材料を含むスラリーを調製するためにも使用することができる。
適当なカソード活物質は、リチウム遷移金属酸化物を含むが、これらに限定されない。リチウム遷移金属酸化物は、リチウムに加えて複数の元素、すなわち、1種もしくは複数の遷移金属および酸素を含むことができ、またはリチウム、1種もしくは複数の遷移金属および酸素からなることができる。リチウム遷移金属酸化物が、遷移金属としてコバルトを含む事例では、リチウム遷移金属酸化物は、2種以上の遷移金属を含むことができる。幾つかの事例で、リチウム遷移金属酸化物はコバルトを排除する。リチウム遷移金属酸化物中の遷移金属は、Li、Al、Mg、Ti、B、Ga、Si、Mn、Zn、Mo、Nb、V、Ag、Ni、およびCoからなる群から選択される1種または複数の元素を含むかまたはそれらからなることができる。適当なリチウム遷移金属酸化物は、LixVOy、LiCoO2、LiNiO2、LiNi1-x’Coy’Mez’O2、LiMn0.5Ni0.5O2、LiMn1/3Co1/3Ni1/3O2、LiFeO2、LizMyyO4を含むがこれらに限定されず、ここで、Meは、Li、Al、Mg、Ti、B、Ga、Si、Mn、Zn、Mo、Nb、V、Agおよびそれらの組み合わせから選択される1種または複数の遷移金属であり、Mは、Mn、Ti、Ni、Co、Cu、Mg、Zn、V、およびそれらの組み合わせなどの1種または複数の遷移金属である。幾つかの事例では、バッテリーの初期充電前に0<x<1および/またはバッテリーの初期充電前に0<y<1および/またはバッテリーの初期充電前にx’≧0および/またはバッテリーの初期充電前に1-x’+y+z=1および/もしくは0.8<Z<1.5および/またはバッテリーの初期充電前に1.5<yy<2.5である。
カソード活物質の追加の例は、LiCoO2、LiNiO2、LiNi1-xCoyMezO2、LiMn0.5Ni0.5O2、LiMn(1/3)Co(1/3)Ni(1/3)O2、およびLiNiCoy’Alz’O2である。
カソードスラリーは、任意で凍結乾燥させ、それにより凍結乾燥されたカソード材料を形成することもできる。
凍結乾燥されたカソード材料の正極集電体への適用を改善するために、凍結乾燥されたカソード材料を含むスラリーは、凍結乾燥されたカソード材料に溶媒を加えることにより調製することができる。バインダ組成物を調製することに有用な溶媒は、凍結乾燥されたカソード材料を含むスラリーを調製することにも使用することができる。
カソードスラリーを、正極集電体上にコートし、加熱し、さらに真空下で加熱処理して、電極活物質層を形成することができる。幾つかの実施形態において、コーティングは、スクリーン印刷、スプレーコーティング、ドクターブレードを使用するコーティング、グラビア印刷コーティング、浸漬コーティング、シルクスクリーン、塗装、およびスロットダイコーティングからなる群から、スラリーの粘度に応じて選択される1種または複数の方法を使用して実施されてもよい。
図40Aは、正極103;正極と向かい合って配置された負極101;および正極と負極との間に配置された電解質102を含む本明細書に記載されたある実施形態による典型的バッテリー配置を示し、ここで、正極103および負極101の少なくとも1つは、本明細書に記載されるバインダまたはバインダ組成物を含む。
リチウムバッテリーは、当技術分野において既知の任意のタイプのものであることができる。典型的バッテリーは、コインセル、円筒状電池(18650電池を含む)、ポーチ電池、および角柱電池を含むが、これらに限定されない。
有機固体電解質の例は、ポリエチレン誘導体、ポリエチレン酸化物誘導体、ポリプロピレン酸化物誘導体、リン酸エステルポリマー、ポリアジテーションリジン(polyagitation lysine)、ポリエステルスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、およびイオン性解離基を含有するポリマーであるが、これらに限定されない。
無機固体電解質の例は、窒化物、ハロゲン化物、硫酸塩、およびケイ酸リチウム、例えば、Li3N、LiI、Li5NI2、Li3N-LiI-LiOH、LiSiO4、LiSiO4-LiI-LiOH、Li2SiS3、Li4SiO4、Li4SiO4-LiI-LiOH、およびLi3PO4-Li2S-SiS2などであるが、これらに限定されない。
リチウム塩は、リチウムバッテリーのために一般的に使用される任意のリチウム塩、例えば、上記の非水性電解質に可溶の任意のリチウム塩であってもよい。例えば、リチウム塩は、LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、リチウムクロロボレート、低級脂肪族カルボン酸リチウム、リチウムテトラフェニルホウ酸塩、LiNO3、リチウムビスオキサラトボレート、リチウムオキサリルジフルオロボレート、およびリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドの少なくとも1種であってもよい。
ある実施形態では、セパレータ基材105は、ポリオレフィン、フッ素含有ポリマー、セルロースポリマー、ポリイミド、ナイロン、ガラス繊維、アルミナ繊維、多孔性金属箔、およびそれらの組み合わせから選択される。
セパレータ基材105は、ポリオレフィンから作製することができる。典型的ポリオレフィンは、ポリエチレン(PE)、超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)、ポリプロピレン(PP)、ポリメチルペンテン(PMP)、ポリブチレン、前述のいずれかのコポリマー、およびそれらの混合物を含むが、これらに限定されない。ある実施形態では、セパレータ基材105は、ポリオレフィン、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、またはそれらの組み合わせ(例えば、Celgard(登録商標)セパレータ、Celgard LLC、米国、ノースカロライナ州、Charlotte)などである。セパレータ基材105は、ドライストレッチプロセス(CELGARD(登録商標)プロセスとしても知られている)または溶媒プロセス(ゲル押出しまたは相分離プロセスとしても知られている)のいずれかによって作製することができる。
ある実施形態では、本明細書で、正極集電体;正極集電体;正極、負極集電体;正極と向かい合って配置された負極;正極と負極との間に配置されたセパレータ基材;およびセパレータ基材と正極との間およびセパレータ基材と負極との間に配置された電解質を含むリチウムバッテリーであって、正極および負極のうち少なくとも1つが、本明細書に記載されるバインダまたはバインダ組成物を含む、リチウムバッテリーが提供される。
負極集電体107は、リチウムバッテリーに化学変化を生じさせない、導電性を有する任意の材料、例えば、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼結炭素、もしくは銅、または表面が炭素、ニッケル、チタン、銀等で処理されたステンレス鋼またはアルミニウム-カドミウム合金であってもよい。追加の典型的負極集電体107は、銅箔、銅メッシュ箔、銅フォームシート、ニッケルフォームシート、ニッケルメッシュ箔、およびニッケル箔を含むが、これらに限定されない。幾つかの実施形態において、負極集電体107は、フィルム、シート、箔、ネット、多孔性構造、フォーム、および不織布を含む任意の種々の形態であってもよい。
ゲルの粘度のような物理的パラメーターが、ゲル強度およびバインダの結合能力を決定することに重要な役割を演ずる。バインダ溶液の高粘度は、Si粒子の沈降および電極形成中の凝集を防止して、水が蒸発しているときに、スラリーの高い均一性を生ずる。この均一性は、長期の電極安定性のために必要なアノード内における活物質の均一な分布を得るために決定的に重要であることが知られている。
バインダと電解質間の相互作用を決定するために、膨潤試験を実施した。電解質は、バインダマトリックスで膨潤すると、バインダとSi粒子との間の界面領域中に容易に移動することができる。したがって、バインダとケイ素との間の接着は、弱められるか、または破壊されることさえある。バインダの乾燥した材料の膨潤する性質を試験するために、20mlの各バインダゲルを乾燥してペレットを形成し、EC:DMC(1:1)電解質中で1MのLiPF6に浸漬した。膨潤比(質量比)を10時間後に測定した。
これは、C-キトサンの-OH、-CH2OHおよび-NH2基がヒドロキシル化されたSi表面に結合して吸着プロセスに関与することを意味し、それはFTIR分析とよく一致した。これらの結果は、ヒドロキシル化されたSi表面とキトサンとの間の強い水素結合の形成を示唆した。
PVDFバインダのカソードと対照的に、図16は、キトサンバインダのアノードについて、ROCOLiおよびLi2CO3の分解生成物の痕跡がないかまたは非常に小さいことを示す。キトサンバインダは、Siナノ粒子上に均一な層を形成して、サイクル中に裂け目を生ぜず、したがって、サイクル中のROCOOLiおよびLi2CO3のいかなる追加の形成も防止して、アノードに存在するSiナノ粒子上における安定なSEI層に寄与する。
Si-C-キトサンTPPアノード複合体のEDS分析は、Si、CおよびキトサンTPPバインダの優れた分散を示す。キトサンTPPバインダのフィルムは、リンについてのEDS像により示されるように、アノードマトリックス中に非常に一様に分散しており、リンは、キトサンTPPバインダゲルのトリポリリン酸部分に存在する。
Siナノ粒子上におけるSEI層の形成をさらに調べるために、TEM分析を行った。図21は、PVDFおよびキトサンバインダを有する新たなアノード複合体サイクルされたアノード複合体中におけるSiナノ粒子を示す。図21Aおよび図21Bは、キトサンおよびPVDFバインダをそれぞれ含有する複合体中の縁の明確な透明な丸いSiナノ粒子を示す。図21Cは、サイクルされたキトサン複合体中のSiナノ粒子はより透明な縁を有するが、Siナノ粒子上における薄いSEI層の形成に起因する多少の曖昧さを示すことを示す。比較で、図21Dにおいて、本出願人らは、サイクルされたPVDF複合体中のSiナノ粒子が曖昧な構造を有し、縁は明確に見られないことを目視することができる。これは、Siナノ粒子上におけるSEI層の形成に起因する。
半電池をグローブボックス中で調製し、電気化学的測定を、バッテリー試験システムで行った。大部分の測定については、電流密度を0.1Cに保ち、電池を、0.01~1Vの電圧範囲の間で充電し放電した。3個の複製コインセルを各複合体について試験した。
アノード複合体は、Siナノ粉体、C Super P、CNFおよびバインダ、すなわちキトサン、キトサンTPPおよびPVDFを使用して調製した。複合体中への活物質ケイ素の添加は、15%のCNFおよび5%のC Super Pを加えて60%に保った。バインダ含有率は20%に保った。非常に高いバインダ含有率は、低い放電容量を生じ得るが、その理由は、バインダはアノード複合体の電気的に不活性構成要素であるが、低いバインダ含有率は、Siナノ粒子と炭素との間の接触の減少、およびサイクル中のSiナノ粒子の定常的膨張および収縮に起因するアノード複合体と集電体との間の接触の減少のせいでバッテリーの容量保持を低下させるであろう。CNFを導電剤として使用する目的は、C Super Pの殆ど4倍のその優れた導電性である。CNFの抵抗は、35.1Ω/sqの抵抗を有するC Super Pと比較して8.2Ω/sqである。
Li-イオンの貯蔵性に対するさらなる洞察を得るために、Si-C-CNF-キトサンTPPアノードについて、電気化学的インピーダンスの分光法(EIS)測定を、1回目および500回目の放電サイクル後に実施した。ナイキストプロットは、互いに重なり合う高周波数の半円(HFS)および中周波数の半円(MHS)を含有する2つの押し下げられた半円、および長低周波数の線(LFL)を示し、それらの全ては、固体材料におけるSEI抵抗、電荷移動抵抗、およびLi+拡散のワールブルグインピーダンスのそれぞれに関連性があった。
Si-C-CNF-キトサンTPPアノードのレート性能を、0.1C、1C、2Cおよび5Cの充電-放電速度で設定して、それらを200サイクルの間サイクルさせることにより分析した。レート性能試験は、商業的適用のために考慮されるべき重要な態様である、より速い充電および放電速度のためのアノード材料の適性を判断することに役立つ。アノードは、より高い充電-放電速度で注目すべき安定性および放電容量を示した。0.1C、1C、2Cおよび5Cで200サイクル後のアノードの放電容量は、それぞれ、1820mAh/g、1797mAh/g、1770mAh/gおよび1729mAh/gであることがわかった。
図28に記載したように、異なる活物質、導電剤、バインダおよび導電性ポリマーをこの研究で使用した。
ケイ素をアノード活物質として選んだが、その理由は、それが、合金化アノード材料の中で最高の理論放電容量の4200mAh/gを有するからである。Carbon Super Pは、最も一般的に使用される導電性C剤の1つであるため、第一級の導電性C剤として使用した。CNFを追加の導電性C剤として使用したが、その理由は、Carbon Super Pよりはるかに高いその導電性である。キトサンを、バインダとして試験したが、それは、キトサンが天然で見出される最も安価かつ最も豊富なバイオポリマーの1つであり、しかもPVDFと比較して電極のサイクル性能を改善することも示しているからである。トリポリリン酸ナトリウムと架橋したキトサンのイオン的に架橋ポリマーであるキトサンTPPを、Siアノードに対する適性を調べるために、第2のバインダとして使用したが、それは、その架橋した構造が理由で、キトサンと比較してはるかに強いゲルを形成して、SiおよびCナノ粒子を架橋したバインダ構造内でコンパクトに保つことにより、キトサンの結合効果を強化することに役立ち得ることがわかったからである。
キトサンおよびキトサンTPPを新しいバインダとして使用した実験結果を比較するために、最も一般的に使用されている市販のバインダPVDFおよび2種のよく調べられているバイオポリマーバインダ、カルボキシメチルセルロースおよびアルギン酸ナトリウムを、比較の基準として利用した。
バッテリーを調製して試験することに含まれた異なる実験ステップを図20に示す。
電気化学的試験を、コインセルについて行い、それらのサイクル性能、レート能力、充電-放電プロファイルおよび内部抵抗特性を見た。異なる材料特性決定技法を、アノードまたはカソード複合体中に存在する異なる成分の形態および化学構造を理解するために採用した。
ケイ素ナノ粒子(<100nm、98%、CAS No.:7440-21-3)はAldrichから入手した。キトサン(媒体分子量、CAS No.:9012-76-4)、アルギン酸ナトリウム(媒体粘度、CAS No.:9005-38-3)およびナトリウムカルボキシメチルセルロース(Mw-600,000、CAS No.:9002-32-4)もAldrichから入手した。PVDF(<99.5%、Mw-600,000)はMTI Corporationから得た。酢酸およびN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を、キトサンおよびPVDFそれぞれの溶媒として使用したが、これはAldrichから得た。使用した電解質は、1M LiPF6を、Dodchemから購入したエチレンカーボネート/ジメチルカーボネート(1:1、体積/体積)に溶解することにより作製した。Carbon Super Pおよび炭素ナノ繊維は、Aldrichから得て、受け入れたまま使用した。
バインダゲル溶液の調製
キトサンを、主要なバイオポリマーとして使用してSiアノードのためのバインダとして、およびSカソードの活物質としてその適性を調べた。PVDFおよびアルギン酸塩を、Siアノードのためのバインダとして使用してキトサンの性能と比較した。さらに、CMCを、Sカソードのためのバインダとして比較の目的で使用した。およそ2%バインダ溶液を、ビーカー中で磁性撹拌機を使用して撹拌しながら調製した。調製条件を表1でリストにした。1%質量/体積~5%質量/体積のキトサン溶液を水中1%体積/体積の酢酸中で調製した。1%溶液は薄かったが、3~5%のキトサン溶液は非常に粘稠で、混合するために長時間を要した。アノードスラリーを、異なる濃度のキトサン溶液を使用して調製し、銅箔上にキャストした。2%キトサンで調製したスラリーが、銅箔上におけるキャスティングのために所望の稠度を有することがわかった。また、より高い濃度のバインダは、ボールミル中でSiおよびCと適当に混合せず、非均一なスラリーを生じた。PVDF溶液は、大部分NMP中で2%の質量/体積濃度で使用し、またアルギン酸ナトリウムおよびCMCは、以前にもSiアノードのために2%質量/体積濃度水溶液として使用したことがある。
アルギン酸塩-カルシウムで架橋されバインダを、同様に、Ca2+イオン(塩化カルシウムを脱イオン水に溶解することから得られる)をアルギン酸塩ゲルに加え、0.15のモル比を維持して24時間300rpmで機械的に撹拌して、調製した。
アノードスラリーは、活物質Siナノ粒子を導電剤Super PまたはCNFおよびバインダゲル溶液と、400rpmで作動するボールミル中で6時間混合することにより調製した。活物質、導電剤およびバインダゲルの比率は、異なる試料で変化した。活物質の量は、乾燥した質量により40~50%の間、50~60%の間、または60~70%の間で変化し、Super Pは、10~15%、15~25%、または25~40%の間、CNFは1~5%、5~10%、または10~15%の間、およびバインダは10~15%、15~20%、または20~30%の間で変化した。ボールミルプロセスの中程で、スラリーの稠度を確認して、必要であれば溶媒を追加した。
カソードスラリーを、活物質のカソード粉体、すなわち、リチウムコバルト酸化物(LCO)、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物(NMC)およびリン酸リチウム鉄(LFP)を、PVDFバインダ溶液および炭素導電剤と、250rpmで作動するボールミル中で3時間混合することにより調製した。活物質のカソード粉体、炭素導電剤およびPVDFバインダを、乾燥した質量により85:10:5の比で混合した。ボールミルプロセスの中程で、スラリーの稠度を確認して、必要があれば、溶媒を追加した。
粘度測定。
バインダゲル溶液の粘度を、ARES-G2レオメーター(TA Instruments、米国)を使用して測定した。
レオメーターは、関心の材料を幾何学的配置で含有する精密機器であり、その周囲の環境を制御して、広範囲の応力、歪み、および歪み速度を適用して測定する。応力および歪みに対する材料応答は、純粋に粘稠から純粋に弾性へと変化して、粘弾性として知られている粘稠および弾性挙動の組み合わせになる。これらの挙動は、モジュラス、粘度、および弾性などの材料の性質で定量される。
バインダ系の電解質溶媒との許容能力を膨潤試験により検査した。溶液をキャストした試料を、膨潤試験のために20mlのバインダゲル溶液を、真空オーブン中ペトリ皿上60℃で10時間、30インチHgの真空圧力下で乾燥することにより調製した。そのバインダシートを、グローブボックス(MBraun Labstar)内で電解質に浸漬し、10時間後に秤量して電解質の吸収量を決定した。
活性Siナノ粒子および導電性炭素を銅集電体に繋ぎとめるためのバインダの接着強度を、180o剥離試験を使用して定量した。アノードスラリーを調製して銅箔上にキャストし、次に真空下で、コインセルを調製したときに行ったのと同じ方法で乾燥した。次いで、コートされた銅箔を幅30mmおよび長さ50mmの試験片に切って、グローブボックス内で、EC:DMC(1:1)中1MのLiPF6電解質中に10時間浸漬した。その後、銅箔を、グローブボックスから取り出し、インストロン万能試験機を使用して剥離試験を行った。箔を下側のクランプで締め付けて、接着剤テープを銅箔のコートされた側に取り付けて、テープの端部を上側のクランプで締め付けてから、インストロン試験機を使用して剥離した。剥離力および変位のデータを記録した。
材料の結晶構造を、Cu Kα放射線供給源(波長1.540562Å)およびグラファイトモノクロメーターを備えたPhilipsのPW1830粉体X線回折計によるX線回折により検査した。2θ=0~80°の走査範囲で、適用電圧および電流は、それぞれ40kVおよび20mAであった。ステップサイズおよび走査時間は、それぞれ、0.05oおよび2秒であった。得られたスペクトルを、the International Center for Diffraction Dataにより規定されたJoint Committee on Powder Diffraction Standards(JCPDS)のカードを用いて分析した。
X線回折は、入射X線と結晶性または非晶質物質との相互作用の原理に基づいて、物質の構造特性に依存する回折パターンを生ずる。結晶性物質は、結晶格子中の平面の間隔と同様なX線波長のために3次元の回折格子として作用する。X線回折は、単色のX線と結晶性試料との構造的干渉に基づく。これらのX線は、陰極線管により生成され、濾波されて単色の放射線を生じ、平行化されて集中し、試料に向かわされる。入射光と試料との相互作用は、条件がブラッグの法則(nλ=2dsinθ)を満たすとき、構造的干渉(および回折された光線)を生ずる。この法則は、回折角度に対する電磁放射線の波長および結晶性試料中の格子間隔に関係する。これらの回折されたX線は、次に検出されて処理され、カウントされる。試料を、2θの角度の範囲を通して走査することにより、格子の全ての可能な回折方向が、粉体状材料のランダム配向に基づいて達成されることになる。回折ピークのd間隔への変換が、鉱物の同定を可能にするが、その理由は、各鉱物が1組の特有のd間隔を有するからである。典型的には、これは、d間隔と標準参照パターンとの比較により達成される。
EDSアナライザーを備えたJOEL6700機を使用する走査電子顕微鏡(SEM)を使用して、アノードおよびカソードの複合体材料の形態を観察した。
該走査電子顕微鏡は、高エネルギー電子の集束するビームを使用して固体検体の表面で種々のシグナルを発生させる。電子と試料の相互作用に由来するシグナルが、試料を作っている材料の外部形態(肌理)、化学組成、および結晶構造および配向を含む試料についての情報を明らかにする。大部分の用途では、データは、試料の表面の選択された領域にわたって捕集され、これらの性質における空間的変化を表示する2次元の像が生成される。およそ1cm~5μmの範囲の幅の領域を、従来のSEM技法(倍率範囲20×~およそ30,000×、空間的分解50~100nm)を使用する走査様式で撮像することができる。SEMは、試料上の選択された点の位置の分析を実行することもでき;この手法は、化学組成(エネルギー分散型X線分光法を使用して)、結晶性構造、および結晶の配向(電子後方散乱回折を使用して)を、定性的にまたは半定量的に決定することに特に有用である。
SEMは、物体(SEI)の形状の高分解像を発生させ、化学組成における空間的変動:1)元素状マップまたはエネルギー分散X線分光法を使用するスポット化学分析を取得する、2)後方散乱電子検出器を使用する平均原子数(一般的に相対密度に関係する)に基づく相の識別、および3)陰極ルミネセンスを使用する痕跡元素「活性化剤」(典型的には遷移金属および希土類元素)における相違に基づく組成マップを示すために日常的に使用される。SEMは、定性化学分析および/または結晶性構造に基づいて相を同定するためにも広く使用される。50nmまでサイズを下げた非常に小さい特徴および物体の精密測定も、SEM使用して成し遂げられる。
異なるバイオポリマーバインダと活物質との間の相互作用を評価するために、Vertex 70 Hyperion 1000分光計(Bruker、ドイツ)を使用して、フーリエ変換赤外分光法(FTIR)で記録した。
材料の組成および元素の酸化状態は、150Wの適用電力で作動するアルミニウムの陽極供給源を有するKratos Axis Ultra DLDマルチ技法表面分析システムを使用して、X線光電子分光法(XPS)により測定した。
X線光電子分光法は、2~5nmの深さまで試料を分析することができる表面特性決定技法である。XPSは、どの化学的元素が表面に存在するか、およびこれらの元素間に存在する化学結合の性質を明らかにする。それは、水素およびヘリウムを除く全ての元素を検出することができる。XPSは、試料のいかなる可能な酸化も排除するために超真空条件下、およそ10~9ミリバールで実施される。試料を十分なエネルギーのX線で照射すると、特異的結合状態で励起された電子を生ずる。典型的なXPS実験においては、十分なエネルギーが入力されて、光電子を元素の核の引力から離脱させる。2つの重要な特徴がXPSデータから誘導される。第1は、核レベルから光で放電された電子でさえ、検査される材料の外部原子価配置に依存する僅かな偏移を有することである。第2は、元素の核レベルの特異的エネルギーの転移が、元素を一意的に同定することができる特異的結合エネルギーで起こることである。典型的なXPSスペクトルでは、光放電電子の一部が、試料通って表面への途上で非弾性的に散乱するが、それに対して、他の電子は急速な放電を受けて表面から周囲の真空中に脱出する際にエネルギー損失を経験しない。これらの光放電電子が真空に入ると、それらは、それらの運動エネルギーを測定する電子アナライザーにより捕集される。電子エネルギーアナライザーは、結合エネルギー(電子が原子を離れる前に有したエネルギー)に対するエネルギースペクトルの強度(時間に対する光放電電子の数)を生ずる。スペクトルにおける各突起するエネルギーピークが特異的元素に対応する。
UV-Vis分光法は、異なるLi2S6-バインダ溶液について吸収スペクトルにおける偏移を決定するために、Lambda 20(Perkin Elmer)分光光度計を使用して行った。
紫外および可視(UV-Vis)吸収分光法は、試料を通過した後または試料表面から反射した後の光のビームの減衰の測定である。吸収の測定は、単一の波長でもまたは広がったスペクトルの範囲にわたっても可能である。
赤色を超える領域は赤外と呼ばれるが、それに対して紫色を超える領域は紫外と呼ばれる。uv放射線の波長範囲は、可視光(4000Å)の青の端で始まり2000Åで終わる。
紫外吸収スペクトルは、分子が特定の周波数の紫外放射線を吸収するときに、分子中の電子がより低いレベルからより高いレベルに転移することから生ずる。分子が結合を有するときはいつでも、結合している原子は、それらの原子軌道を併合させて、異なるエネルギーレベルの電子により占拠され得る分子軌道を形成する。基底状態の分子軌道は、反結合性分子軌道に励起され得る。これらの電子は、エネルギーを光放射線の形態で与えられたときに、最高の被占分子軌道から最低の空分子
軌道へと励起されて、生じる種は、励起状態または反結合状態として知られている。
EISは、燃料電池の性能の限界を見極めて改善するために使用することができる有力な診断の道具である。燃料電池における電圧損失の3つの基本的な原因がある:電荷移動活性化または「動力学的」損失、イオンおよび電子輸送または「オーム性」損失、および濃度または「物質移動」損失である。他の要因の中で、EISは、分極のこれらの原因を分離して定量するために使用することができる実験技法である。燃料電池内で起こる物理化学的プロセスが、抵抗器、キャパシタおよびインダクタのネットワークにより表される、物理的に響く等価の回路モデルを適用することにより、燃料電池内のインピーダンスの原因に関する意味深い定性的および定量的情報を抽出することができる。EISは、新しい材料および電極構造の研究および開発のために、ならびに製品の検証および製造操業における品質保証のために有用である。
EISデータの等価回路モデル化は、理想的抵抗器(R)、キャパシタ(C)、およびインダクタ(L)で構成された電気回路に関して、インピーダンスデータをモデル化することにより、電気化学的システムの物理的に意味深い性質を抽出するために使用される。実際のシステムは、起こるプロセスが時間および空間に分布するようには必ずしも理想的に挙動しないので、特化された回路要素がしばしば使用される。これらは、一般化された一定相要素(CPE)およびワールブルグ要素(ZW)を含む。ワールブルグ要素は、電池の拡散または質量輸送のインピーダンスを表すために使用される。
燃料電池などの電気化学的電池についてのEISのデータは、最もしばしばナイキストプロットおよびボード線図で表される。ボード線図は、インピーダンスの大きさの表現(またはインピーダンスの真のまたは仮想の成分)および周波数の関数としての相角度を指す。インピーダンスおよび周波数は、両方ともしばしば数桁の大きさにわたるので、対数目盛りでプロットされることが多い。ボード線図は、試験中のデバイスのインピーダンスの周波数依存性を明示的に示す。
複合体平面またはナイキストプロットは、仮想インピーダンスを描き、それは、電池の真のインピーダンスに対する電池の容量および誘導の特性を示す。ナイキストプロットでは、別個の時定数を有する活性化の制御されたプロセスが、特有のインピーダンス曲線として現れ、曲線の形状は、可能な機構または支配的な現象への洞察を提供するという利点を有する。しかしながら、インピーダンスデータを表すこのフォーマットは、周波数依存性が内在するという不利な点を有し;それ故、選択されたデータ点のAC周波数が示されるべきである。両方のデータフォーマットは、それらの利点を有するので、ボード線図およびナイキストプロットの両方を提供することが通常最良である。
アノード複合体の電気化学的性能を、CR2025コインタイプの電池を使用して評価した。電気化学的評価のための電極は、アノードスラリーを、銅およびアルミニウム箔に、ガラス棒を使用してコーティングすることにより調製した。次に、コートされた銅またはアルミニウム箔を真空オーブン中60℃で8時間乾燥した。電極を、アルゴンで満たされたグローブボックス内に12時間脱ガスのために保持した。対電極としてリチウム箔を使用して、Celgard2325の微孔性ポリプロピレン/ポリエチレン/ポリプロピレンの3層膜をセパレータとして役立てた。調製したてのバッテリーコインセルを定電流の充電-放電試験で使用して、試験はバッテリー試験システム(Neware CT-3008W)で実施した。
サイクリックボルタンメトリーは、Autolab PGSTAT100電気化学ワークステーションにより、バッテリー電池で実施された。走査範囲は、2.0~4.8Vであり、走査速度は、特に断らない限り0.1mVs-1であった。電気化学的インピーダンス分光法(EIS)は、バッテリー電池で、EISモジュールを備えたAutolab PGSTAT100電気化学ワークステーションにより実施された。周波数範囲は、1MHz~10mHzであった。振幅は、5mVであった。各電池は、試験前に平衡に達するために少なくとも4時間緩和するに任せた。
アノードスラリーは、活物質Siナノ粒子(65%)を導電剤Super P(10%)またはCNF(5%)、およびキトサンTPPバインダゲル(20%)と400rpmで作動するボールミル中で6時間混合することにより調製した。キトサンTPPバインダは、6mg/mLのトリポリリン酸ナトリウム(TPP)溶液を2%キトサン溶液中に2:5比(体積/体積)で加えて混合することにより調製した。次に、アノードを-40℃で24時間、ポリマー遠心分離管中で凍結した後、-80℃で真空下に凍結乾燥した。次いで、凍結乾燥された試料を、複合体材料として使用して電極を作製した。得られた凍結乾燥されたアノード複合体を水で湿らせて、ガラス棒を使用して手で粉砕し、スラリー様の稠度にした。次に、ガラス棒を使用して、スラリーを銅箔上にキャストして、真空下で乾燥した。スキャフォールドアノードのために、複合体中のSiの量を65%に増大させた。Carbon Super Pの含有率を10%に減少させて、一方、CNFおよびバインダの量は、それぞれ同じ5%および20%に保った。
凍結乾燥方法を使用して多孔性スキャフォールド構造をアノードマトリックスに導入したが、その理由は、キトサンのようなバイオポリマーにおける、高度に安定な弾性のスポンジ様の構造を生成することにおけるその有効性である。凍結乾燥方法は、スプレー乾燥およびコーティング法と比較して低い温度で実施することができ、高熱処理から生じ得る、ポリマーおよびバイオポリマーにおける化学変化、構造変化のリスクを最小化する利点がある。
ゲル、ヒドロゲルおよびスポンジを含む軟質3Dスキャフォールドは、高い空孔率とともに相互に接続した細孔および大きい表面積を有する。溶媒に基づく相分離では、相分離させるために不混和性の溶媒をポリマー溶液に加える。図31は、正常キトサンゲルおよび多孔性キトサンが足場を設けることを示す。凍結乾燥により得られるキトサン構造は、キトサン分子の溶液からの固体-液体相分離により一般的に制御される。キトサン-ゲルの水溶液を凍結すると、氷と溶液の界面が形成されて、溶液が冷え続けるにつれて、氷と溶液の界面が垂直に凍結温度前線に移動して凍結した領域を増大させて氷の結晶を形成させ、その氷の結晶の間にキトサンが存在する。相分離技法は、ポリマー濃度および相分離温度などの従属パラメーターを変化させることにより細孔構造が異なるスキャフォールドを生成するために使用されている。
元のSi-C-CNF-キトサンTPPアノードの形態およびそのスキャフォールド変形体の形態を図32に示す。
図33は、500サイクルの充電および放電後のSi-C-CNF-キトサンTPPアノードの形態を示す。図32Cで示すように、500回のサイクル後でさえ、新しく作製されたものと比較して、認識され得る変化はない。この優れた構造安定性は、Siアノードの優れた容量保持を与えるはずであり、実際その通りであることがその後見られる。
10、100および500サイクル後に取られたSiナノ粒子のTEM像の注意深い精査で、図34で見られるように、SEI層の厚さはサイクルを通して認識できるほどには増大しないことがわかる。10サイクルの後、SEI層は、SiOXおよび電解質分解生成物を含有して約2.5nmである。100サイクルの後、SEI層の厚さは、サイクル中にアノード上により多くのSEI成分が形成されるため、約3.5nmに増大する。500サイクルの後、SEI層の厚さには取るに足らない増大があり、連続したサイクル下でむしろ安定なアノードを示す。これは、キトサンTPPが、Si表面を覆い、したがって非常に安定なSEI層を形成することにおいて、完全なバインダとして作用することを示す。
コインセルを組み立てて、Si-C-CNF-キトサンTPPアノードおよびSi-C-CNF-キトサンTPPスキャフォールドアノードの両方について、0.01~1Vの間を0.1Cでサイクルした。各複合体について3個の複製コインセルを試験した。
そのより高いSi含有率のおかげで、Si-C-CNF-キトサンTPPスキャフォールドアノードの質量当たりの容量は、Si-C-CNF-キトサンTPPアノードよりも高かった。体積当たりの容量については、Si-C-CNF-キトサンTPPスキャフォールドアノードは、Si-C-CNF-キトサンTPPアノードと比較して、スキャフォールドアノード複合体の体積膨張のため著しく低い容量を有したが、その理由は、凍結乾燥中にそのマトリックス構造内において多数の細孔が形成したからである。
Claims (20)
- キトサンおよび少なくとも1種のリン酸塩またはその共役酸を含み、前記少なくとも1種のリン酸塩が、オルトリン酸金属塩、ピロリン酸金属塩、およびポリリン酸金属塩からなる群から選択される、バッテリー電極のためのバインダ。
- 前記少なくとも1種のリン酸塩およびキトサンが、1:1~1:100の質量比で存在する、請求項1に記載のバインダ。
- 前記少なくとも1種のリン酸塩がトリポリリン酸ナトリウムである、請求項1に記載のバインダ。
- 前記トリポリリン酸ナトリウムおよびキトサンが、1:5~1:10の質量比で存在する、請求項3に記載のバインダ。
- 請求項1に記載のバインダおよび溶媒を含む、バッテリー電極のためのバインダ組成物。
- 前記溶媒が、水性溶媒、極性有機溶媒、またはそれらの混合物である、請求項5に記載のバインダ組成物。
- 前記バインダ組成物の固体含有率が1%質量/質量以上である、請求項6に記載のバインダ組成物。
- 少なくとも1種の導電性添加剤および少なくとも1種のアノード活物質;または少なくとも1種の導電性添加剤および少なくとも1種のカソード活物質をさらに含む、請求項5に記載のバインダ組成物。
- 正極;前記正極と向かい合って配置された負極;および前記正極と前記負極との間に配置された電解質を含むリチウムバッテリーであって、前記正極および前記負極のうち少なくとも1つが請求項1に記載のバインダを含む、リチウムバッテリー。
- 前記負極が、請求項1に記載のバインダを含み、前記負極が、少なくとも1種の導電性添加剤および少なくとも1種のアノード活物質をさらに含む、請求項9に記載のリチウムバッテリー。
- 前記少なくとも1種の導電性添加剤が、炭素繊維、炭素ナノ繊維、カーボンナノチューブ、グラファイト、カーボンブラック、グラフェン、および酸化グラフェンからなる群から選択される、請求項10に記載のリチウムバッテリー。
- 前記少なくとも1種のアノード活物質が、ケイ素および酸化ケイ素からなる群から選択される、請求項10に記載のリチウムバッテリー。
- 前記正極が、請求項1に記載のバインダを含み、前記正極が、少なくとも1種の導電性添加剤および少なくとも1種のカソード活物質をさらに含む、請求項9に記載のリチウムバッテリー。
- 前記少なくとも1種のリン酸塩がトリポリリン酸ナトリウムであり、前記トリポリリン酸ナトリウムおよびキトサンが1:7~1:10の質量比で存在し;前記少なくとも1種の導電性添加剤が、炭素繊維および炭素ナノ繊維からなる群から選択され;前記少なくとも1種のアノード活物質がケイ素および酸化ケイ素からなる群から選択される、請求項10に記載のリチウムバッテリー。
- 請求項8に記載のバインダ組成物を調製する方法であって、キトサン;オルトリン酸金属塩、ピロリン酸金属塩、およびポリリン酸金属塩からなる群から選択される少なくとも1種のリン酸塩;少なくとも1種のアノード活物質または少なくとも1種のカソード活物質;ならびに溶媒を接触させることを含み、それにより請求項8に記載のバインダ組成物を形成する、方法。
- 前記溶媒が、有機酸を含む水である、請求項15に記載の方法。
- 凍結乾燥により前記溶媒を除去するステップをさらに含み、それにより請求項8に記載のバインダ組成物を形成する、請求項16に記載の方法。
- 請求項17に記載の方法により調製される、バインダ組成物。
- 前記少なくとも1種のリン酸塩がトリポリリン酸ナトリウムであり、前記トリポリリン酸ナトリウムおよびキトサンが1:7~1:10の質量比で存在し;前記少なくとも1種の導電性添加剤が、炭素繊維および炭素ナノ繊維からなる群から選択され;前記少なくとも1種のアノード活物質が、ケイ素および酸化ケイ素からなる群から選択される、請求項18に記載のバインダ組成物。
- 正極;前記正極と向かい合って配置された負極;および前記正極と前記負極との間に配置された電解質を含むリチウムバッテリーであって、前記正極および前記負極のうち少なくとも1つが、請求項19に記載のバインダ組成物を含む、リチウムバッテリー。
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