新規結合剤を含む電極、並びにその製造方法及び使用方法
新規結合剤を含むリチウムイオン電気化学セル用電極組成物を提供する。新規結合剤としては、カルボン酸及びスルホン酸のリチウムポリ塩類、酸類のコポリマー類のリチウム塩類、リチウムポリスルホネートフルオロポリマー類、硬化フェノール樹脂、硬化グルコース及びこれらの組み合わせが挙げられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、米国実用新案出願第１１／６７１，６０１号明細書（２００７年２月６日出願）、並びに米国特許仮出願第６０／９１１，８７７号公報、同第６０／９１１，８７８号公報及び同第６０／９１１，８７９号公報（全て、２００７年４月１４日出願）からの優先権を主張し、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（発明の分野）
新規結合剤及びこれらの組成物により作製された電極を包含する電池パックを含むリチウムイオン電気化学セル用電極組成物を提供する。
【背景技術】
【０００３】
粉末状活性成分をポリフッ化ビニリデンのような高分子結合剤と共に混合することを伴うプロセス内にて、リチウムイオンセル用電極を製造するために、主族元素の粉末状合金及びカーボンブラックなどの導電性粉末が使用されてきた。混合成分は、高分子結合剤用溶中の分散体として調製され、金属箔基材又は集電体上へと被覆される。得られた複合電極は、金属基材に付着した結合剤中に粉末状活性成分を含有する。
【０００４】
ポリフッ化ビニリデン、芳香族及び脂肪族ポリイミド類及びポリアクリレート類などの多くのポリマー類が、金属及びグラファイト系リチウムイオンセル用電極のための結合剤として使用されてきた。しかし、得られたセル内の第１サイクル不可逆容量損失は、受け入れ難いほど大きい場合があり、例えば、粉末金属材料系電極について、３００ｍＡｈ／ｇ以上である。リチウムイオンセルなどの２次電気化学セルは、可逆的に充電及び放電を複数回行うことができる。リチウムイオン電池の場合、リチウムイオン電気化学セルの充電及び放電は、セルの電極のリチオ化及び脱リチオ化によって行われる。リチウムイオンセルを組み立てた際、それらは通常、正極中に過剰なリチウムイオンを含有し、負極中にリチウムイオンを含有しない。セルの初期サイクル反応（充電）中に、負極がそのリチウムイオン吸収容量に到達するまで、正極から負極へリチウムが移動する。最初の放電において、リチウムイオンは、リチオ化した負極から正極へとまた移動する。通常は、最初の充電後、負極内のリチウムイオンの全てが、負極外へ移動可能なわけではない。これにより、セル容量の不可逆的損失として知られているものがもたらされる。更なるサイクル（最初のサイクル後）によるセルの容量損失は、容量減退と呼ばれている。これは、繰り返しサイクルによる電極活物質のモルホロジー変化、繰り返しサイクル又はその他の原因による電極活物質上での絶縁膜の蓄積を含む様々な理由で生じうる。望ましいリチウムイオンセルは、初期サイクル後の不可逆容量損失が小さく、そして複数サイクル後の容量損失（減退）が小さいものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述したことを考慮すると、出願者らは、第１サイクル容量損失（不可逆容量損失）が小さく、そして容量減退が小さい電極が必要とされていると考える。加えて、高い熱的安定性及び向上した安全特性を有する電極が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様においては、リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料と、スズ、スズ合金、炭素及びこれらの組み合わせから選択される、リチウムポリアクリレートを含む非弾性結合剤と、を含む電極組成物を提供する。
【０００７】
別の態様では、リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料と、この粉末材料は、スズ、スズ合金、シリコン、シリコン合金、炭素及びこれらの組み合わせから選択される、リチウムポリアクリレートを含む非弾性結合剤と、を含む負極用電極組成物であって、１００％超〜約１０７％のカルボン酸基が中和されている、負極用電極組成物が提供される。
【０００８】
更に別の態様では、リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料と、この粉末材料は、スズ、スズ合金、シリコン、シリコン合金、炭素及びこれらの組み合わせから選択される、リチウムポリスチレンスルホネート、リチウムポリスルホネートフルオロポリマー、マレイン酸又はスルホン酸を含むコポリマーのリチウム塩、ポリアクリロニトリルポリマー、硬化フェノール樹脂、硬化グルコース及びこれらの組み合わせから選択される結合剤と、を含む電極組成物を提供する。
【０００９】
別の態様では、リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料と、粉末材料は、ＬｉＣｏＯ２；コバルト、マンガン及びニッケルを含むリチウム金属酸化物；Ｆｅ２Ｏ３；Ｌｉ４／３Ｔｉ５／３Ｏ４；ＬｉＶ３Ｏ８；ＬｉＶ２Ｏ５；ＬｉＣｏ０．２Ｎｉ０．８Ｏ２；ＬｉＮｉＯ２；ＬｉＦｅＰＯ４；ＬｉＭｎＰＯ４；ＬｉＣｏＰＯ４；ＬｉＭｎ２Ｏ４；並びにこれらの組み合わせから選択される、並びにリチウムポリスチレンスルホネート、リチウムポリスルホネートフルオロポリマー、マレイン酸又はスルホン酸を含むコポリマーのリチウム塩、ポリアクリロニトリルポリマー、硬化フェノール樹脂、硬化グルコース、並びにこれらの組み合わせから選択される結合剤と、を含む正極用電極組成物が提供される。
【００１０】
更に別の態様では、正極、負極、電解質を含む電気化学セルであって、電極の少なくとも１つが提供した電極組成物を含む電気化学セルが提供される。
【００１１】
更なる態様では、集電体を用意することと、リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料を用意することと、粉末材料は、スズ；スズ合金；炭素；ＬｉＣｏＯ２；コバルト、マンガン及びニッケルを含むリチウム金属酸化物；Ｆｅ２Ｏ３；Ｌｉ４／３Ｔｉ５／３Ｏ４；ＬｉＶ３Ｏ８；ＬｉＶ２Ｏ５；ＬｉＣｏ０．２Ｎｉ０．８Ｏ２；ＬｉＮｉＯ２；ＬｉＦｅＰＯ４；ＬｉＭｎＰＯ４；ＬｉＣｏＰＯ４；ＬｉＭｎ２Ｏ４；並びにこれらの組み合わせから選択される、この粉末材料とリチウムポリアクリレートを含む非弾性結合剤とを含む被覆を集電体に適用することと、を含む、電極の製造方法が提供される。
【００１２】
最後に、別の態様では、集電体を用意することと、リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料を用意することと、粉末材料は、スズ、スズ合金、シリコン、シリコン合金、炭素；ＬｉＣｏＯ２；コバルト、マンガン及びニッケルを含むリチウム金属酸化物；Ｆｅ２Ｏ３；Ｌｉ４／３Ｔｉ５／３Ｏ４；ＬｉＶ３Ｏ８；ＬｉＶ２Ｏ５；ＬｉＣｏ０．２Ｎｉ０．８Ｏ２；ＬｉＮｉＯ２；ＬｉＦｅＰＯ４；ＬｉＭｎＰＯ４；ＬｉＣｏＰＯ４；ＬｉＭｎ２Ｏ４；並びにこれらの組み合わせから選択される、リチウムポリスチレンスルホネート、リチウムポリスルホネートフルオロポリマー、マレイン酸又はスルホン酸を含むコポリマーのリチウム塩、ポリアクリロニトリルポリマー、硬化フェノール樹脂、硬化グルコース及びこれらの組み合わせから選択される結合剤とを含む被覆を集電体に適用することと、を含む、電極の製造方法が提供される。
【００１３】
提供された新規結合剤を使用することにより、不可逆容量及び減退を低下させることができる。リチウムポリ塩結合剤を使用して電極を形成させることによって、これらの電極における不可逆第１サイクル容量損失を大幅に低下させることができる。提供された結合剤を使用して、従来の高分子結合剤を用いて調製した電極又はセルと比較して、減少した第１サイクル不可逆容量損失を示す電極及びセルを作製することができる。
【００１４】
提供された新規結合剤は、小粒子合金粉末をベースにした電極を用いる充電式リチウムイオンセルのサイクル寿命を向上させることができる。開示された結合剤はまた、容量が向上し、容量減退が低減した充電式リチウムイオンセルの製造を可能にする。
【００１５】
本願において、
「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、「少なくとも１つの」と同じ意味で用いられ、記載された要素の１以上を意味する。
【００１６】
「金属」とは、金属類と、元素状態又はイオン状態のいずれかにある、シリコン及びゲルマニウムなどの半金属との両方を意味する。
【００１７】
「合金」とは、２種又はそれ以上の金属の混合物を意味する。
【００１８】
「リチオ化する」及び「リチオ化」とは、リチウムを電極材料に加えるプロセスを意味する。
【００１９】
「脱リチオ化する」及び「脱リチオ化」とは、電極材料からリチウムを除去するプロセスを意味する。
【００２０】
「活性材料」とは、リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な材料を意味する。
【００２１】
「充電する」及び「充電」とは、電気化学的エネルギーをセルに提供するプロセスを意味する。
【００２２】
「放電する」及び「放電」とは、例えば、所望の動作を実施するためにセルを使用する際に、セルから電気化学的エネルギーを除去するプロセスを意味する。
【００２３】
「正極」とは、放電プロセス中に電気化学的還元及びリチオ化が発生する電極（多くの場合、カソードと呼ばれる）を意味する。
【００２４】
「負極」とは、放電プロセス中に電気化学的酸化及び脱リチオ化が発生する電極（多くの場合、アノードと呼ばれる）を意味する。そして、
「高分子電解質」とは、電解質基を備えた繰返し単位を有する、ポリマー又はコポリマーを意味する。電解質基は、水中で解離して、ポリマーを水溶性にし、帯電したものとする、塩又はポリマー端又はポリマーペンダント基のいずれかが帯電した部分である。電解質基の例としては、カルボン酸、スルホン酸、ホスホン酸又は任意のその他酸性基の塩が挙げられる。
【００２５】
文脈上明白に他の意味に解すべき場合を除き、用語「脂肪族」、「脂環式」及び「芳香族」としては、炭素及び水素のみを含有する置換及び非置換部分、炭素、水素及びその他の原子（例えば、窒素又は酸素環原子）を含有する部分、並びに炭素、水素又はその他の原子（例えば、ハロゲン原子、アルキル基、エステル基、エーテル基、アミド基、ヒドロキシル基又はアミン基）を含有し得る原子又は基で置換された部分が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】提供された電極が２３２５型コインセルに組み込まれた場合の実施形態の１つのサイクル性能（ｍＡｈ／グラム対サイクル数）のグラフ。
【図２】提供された電極が２３２５型コインセルに組み込まれた場合の実施形態の別の１つのサイクル性能（ｍＡｈ／グラム対サイクル数）のグラフ。
【図３】ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）結合剤を有する提供された電極の実施形態の１つのサイクル性能（ｍＡｈ／グラム対サイクル数）のグラフ。
【図４】フェノール樹脂結合剤を有する提供された電極の実施形態の１つのサイクル性能（ｍＡｈ／グラム対サイクル数）のグラフ。
【図５】グルコース結合剤を有する提供された電極の実施形態の１つのサイクル性能（ｍＡｈ／グラム対サイクル数）のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
数字範囲の詳細説明には、その範囲内に含まれる全ての数が包含される（例えば、１〜５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４及び５を含む）。本明細書の全ての数値は、「約」という用語を付記する修正がなされるものとする。
【００２８】
負極又は正極にて使用可能な電極組成物を提供する。各種粉末材料を使用して、電極組成物を作製することができる。例示的粉末材料としては、例えば、炭素、シリコン、銀、リチウム、スズ、ビスマス、鉛、アンチモン、ゲルマニウム、亜鉛、金、白金、パラジウム、ヒ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、モリブデン、ニオビウム、タングステン、タンタル、鉄、銅、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、イットリウム、ランタニド、アクチニド又は前述の金属類若しくは半金属のうち任意のものを含有する合金、並びに当業者によく知られている、他の粉末状活性金属類及び半金属類を含有することができる。黒鉛状炭素粉末を使用して、開示された電極組成物を製造することもできる。例示的粉末は、一方向の最大長が６０μｍ以下、４０μｍ以下、２０μｍ以下、あるいはそれより更に小さいものであり得る。粉末は、例えば、サブミクロン、少なくとも１μｍ、少なくとも２μｍ、少なくとも５μｍ、少なくとも１０μｍ、あるいはそれより大きな最大粒径を有してもよい。例えば、好適な粉末は多くの場合、１μｍ〜６０μｍ、１０μｍ〜６０μｍ、２０μｍ〜６０μｍ、４０μｍ〜６０μｍ、１μｍ〜４０μｍ、２μｍ〜４０μｍ、１０μｍ〜４０μｍ、５μｍ〜２０μｍ又は１０μｍ〜２０μｍの最大寸法を有する。粉末材料は、粉末粒子内に任意のマトリックス形成剤を含有することができる。この粒子内に元々（即ち、第１リチオ化前に）存在する各相は、粒子内で他の相と接触することができる。例えば、シリコン／銅／銀合金を主成分とした粒子内では、シリコン相が銅シリサイド相及び銀又は銀合金相の両方と接触することができる。粒子内の各相は、例えば、５００オングストローム未満、４００オングストローム未満、３００オングストローム未満、２００オングストローム未満、１５０オングストローム未満、あるいはより小さい結晶粒度を有することができる。
【００２９】
本発明にて有用な例示的シリコン含有粉末材料としては、シリコン合金が挙げられ、ここで粉末材料は、約６５〜約８５モル％（モルパーセント）のシリコン、約５〜約１２モル％の鉄、約〜約１２モル％のチタン及び約５〜約１２モル％の炭素を含む。有用なシリコン合金の更なる例としては、米国特許出願公開第２００６／００４６１４４号公報（オブロヴァック（Obrovac）ら）に記載されているようなシリコン、銅及び銀又は銀合金、米国特許出願公開第２００５／００３１９５７号公報（クリステンセン（Christensen）ら）に記載されているような多相でシリコン含有の電極、米国特許出願第１１／３８７，２０５号公報、同第１１／３８７，２１９号公報及び同第１１／３８７，５５７号公報（全てオブロヴァック（Obrovac）ら）に記載されているような、スズ、インジウム、ランタニド、アクチニド元素又はイットリウムを含有するシリコン合金、米国特許出願第１１／５６２，２２７号公報（クリステンセン（Christensen）ら）に記載されているような高シリコン含有量を有する非晶質合金、及び米国特許出願第１１／４１９，５６４号公報（クラウス（Krause）ら）及び国際公開第２００７／０４４３１５号公報（クラウス（Krause）ら）に記載されているような負極に使用されるその他の粉末材料を含む組成物が挙げられる。
【００３０】
提供される組成物において有用なその他の例示材料としては、スズ、スズ合金、炭素及びこれらの組み合わせが挙げられる。提供された組成物の実施形態中にて有用なスズ合金としては、アルミニウム、チタン、鉄、インジウム、希土類金属、イットリウム及びシリコンを挙げることができる。スズ合金は、合金の最大重量％（ｗｔ％）がスズである合金である。スズ合金がシリコンを含む場合、合金中のシリコン量は、合金中のスズの重量％より小さく、合金中のスズの８０重量％未満であり、合金中のスズの７０重量％未満であり、合金中のスズの６０重量％未満であり、合金中のスズの５０重量％未満であり、合金中のスズの２５重量％未満であり、合金中のスズの１０重量％未満であり、合金中のスズの５重量％未満であり、あるいはそれよりも少ない。
【００３１】
本発明の電気化学セル及び電池又は電池パックの正極を製造するための有用な活性材料としては、Ｌｉ４／３Ｔｉ５／３Ｏ４、ＬｉＶ３Ｏ８、ＬｉＶ２Ｏ５、ＬｉＣｏ０．２Ｎｉ０．８Ｏ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４、ＬｉＭｎ２Ｏ４及びＬｉＣｏＯ２などのリチオ化合物類、米国特許第６，９６４，８２８号明細書、同第７，０７８，１２８号明細書（ルゥ（Lu）ら）に記載されているような、コバルト、マンガン及びニッケルの混合金属酸化物を含む正極活性材料組成物、並びに米国特許第６，６８０，１４５号明細書（オブロヴァック（Obrovac）ら）に記載されているようなナノコンポジット正極活性材料が挙げられる。
【００３２】
本発明の負極を製造するために有用な例示的粉末材料としては、米国特許第６，２０３，９４４号明細書及び同第６，６９９，３３６号明細書（共に、ターナー（Turner）ら）に記載されているようなもの、米国特許出願公開第２００３／０２１１３９０号公報（ダーン（Dahn）ら）に記載されているようなもの、米国特許第６，２５５，０１７号明細書（ターナー（Turner））及び同第６，４３６，５７８号明細書（ターナー（Turner）ら）に記載されているようなもの、粉末、フレーク、繊維又は球状物（例えば、メソカーボンマイクロビーズ（MCMB））などの形態で存在する黒鉛状炭素、米国特許出願公開第２００５／００７９４１７（Ａ１）号公報（キム（Kim）ら）、同第２００５／０１６４０９０（Ａ１）号公報（キム（Kim）ら）、同第２００６／００８８７６６（Ａ１）号公報（キム（Kim）ら）及び同第２００７／０１６６６１５（Ａ１）号公報（タカムク（Takamuku）ら）に記載されているようなバナジウムを含む金属酸化物粉末、米国特許出願公開第２００５／００７９４１７号公報、同第２００５／０１６４０９０号公報及び同第２００６／００８８７６６号公報（全て、キム（Kim）ら）、並びに米国特許出願公開第２００７／０１６６６１５号公報（タカムク（Takamuku）ら）に記載されているようなバナジウムを含む金属酸化物粉末、これらの組み合わせ、並びに当業者によく知られている他の粉末状物質が挙げられる。前述の参考文献のそれぞれは、その全体が本明細書に組み込まれる。
【００３３】
提供された結合剤と共に使用可能なその他の粉末状負極活性材料としては、リチウム並びに水素、リチウム及び希ガスを除く２０以下の原子番号の元素の少なくとも１種と共に合金化可能な合金材料を含む活性材料が挙げられる。合金材料としては、例えば、Ｓｎ並びにＮｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｉｎ及びＡｇなどの少なくとも１種の金属を挙げることができる。原子番号が２０以下の元素としては、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ又はＳを挙げることができる。負極活性材料は、リチウムがスムーズに挿入かつ抽出可能なように、低結晶質又は非晶質構造を有することができる。原子番号が２０以下の元素の含有量は、約１０重量％（ｗｔ％）〜約５０重量％の範囲内であり得る。
【００３４】
提供された負極活性材料の別の例は、スズ、コバルト及び炭素を含有し、インジウム、ニオビウム、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、アルミニウム、リン及びビスマスからなる群からの少なくとも１つを更に含有する。本負極活性材料の炭素含有量は、約９．９重量％〜約２９．７重量％であり、コバルト対スズとコバルトの総量の比が、約３０重量％〜約７０重量％である。炭素以外の第１４族元素及びタリウム以外の第１３族元素から選択される元素の少なくとも１種を含有する合金粉末からなる有用な負極材料も提供する。
【００３５】
他の有用な負極材料は、リチウム及び炭素と共に金属間化合物を生成可能な元素を含有する反応相を含む。本反応相中、Ｘ線回折による回折ピークの半価幅は、好ましくは０．５度以上である。
【００３６】
粉末状合金粒子は、導電性被覆を含むことができる。例えば、シリコン、銅及び銀又は銀合金を含有する粒子は、導電性材料層と共に被覆することができる（例えば、粒子コア内の合金組成物及び粒子シェル内の導電性材料にて）。好適な導電性材料としては、例えば、炭素、銅、銀又はニッケルが挙げられる。
【００３７】
例示的粉末状合金材料は、任意の既知の手段、例えば、物理的に混合し、次に各種前駆体構成成分を合金へと粉砕することによって調製することができる。混合は、単純にブレンドすること又は溶融スピニングによることが可能である。溶融スピニングは、合金組成物を高周波電界内で溶融し、次にノズルを通して回転ホイール（例えば、銅ホイール）の表面上へと射出することができるプロセスを含む。回転ホイールの表面温度が、溶融合金の温度よりも大幅に低いために、回転ホイールの表面に接触すると、溶融物は急冷される。急冷が、電極性能に有害となり得る巨大晶子の形成を最小限に抑える。導電性被覆を用いる場合、それらは電解メッキ、化学的気相成長、真空蒸着又はスパッタリングなどの技術を用いて形成させることができる。好適な粉砕は、垂直型ボールミル、水平型ボールミル又は当業者に既知のその他粉砕技術などの各種技術を使用することにより行うことができる。
【００３８】
電極組成物は、当業者によく知られている添加剤を含有することができる。電極組成物は、粉末材料から集電体への電子移動を促進するための導電性希釈剤を含むことができる。導電性希釈剤としては、炭素（例えば、負極用カーボンブラック及び正極用のカーボンブラック、一次黒鉛など）、金属、金属窒化物類、金属炭化物、金属シリサイド及び金属ホウ化物が挙げられるが、これらに限定されない。代表的導電性炭素希釈剤としては、カーボンブラック例えば、スーパーＰ及びスーパーＳカーボンブラック（共にＭＭＭカーボン社（MMM Carbon）、ベルギーより）、シャワニガンブラック（SHAWANIGAN BLACK）（シェヴロン・ケミカル社（Chevron Chemical Co.）、テキサス州ヒューストン（Houston））、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、グラファイト、炭素繊維及びこれらの組み合わせが挙げられる。
【００３９】
電極組成物は、粉末材料又は導電性希釈剤の結合剤への接着性を促進する接着促進剤を含むことができる。接着促進剤と結合剤との組み合わせは、リチオ化／脱リチオ化のサイクルの繰り返し中に、粉末材料内に発生することがある体積変化に、電極組成物がより適切に適応する手助けをすることができる。提供された結合剤は、金属類及び合金類への十分に良好な接着性を提供し、接着促進剤の添加を必要としないようにできる。使用する場合、接着促進剤結合剤の一部とすることができ（例えば、追加された官能基の形態である）、粉末材料上の被覆であることができ、導電性希釈剤に加えることができ又はこのような手段の組み合わせであることができる。接着促進剤の例としては、米国特許出願公開第２００４／００５８２４０号公報（クリステンセン（Christensen））に記載されているようなシラン類、チタネート類及びホスホネート類が挙げられる。
【００４０】
提供された結合剤は、リチウムポリ塩類を含む。リチウムポリ塩類としては、リチウムポリアクリレート類（ポリメタクリレート類を含む）、リチウムポリスチレンスルホネート類及びリチウムポリスルホネートフルオロポリマー類が挙げられる。リチウムポリ塩類は、対応するアクリル酸又はスルホン酸から、酸性基を塩基性リチウムによって中和することによって入手可能である。酸性基類を中和するためには、一般に水酸化リチウムが使用される。ナトリウムなどのその他カチオン類を、イオン交換によってリチウムと置き換えることもまた、本出願の範囲内である。例えば、ＳＫＴ１０Ｌ（商標名ジアニオン（DIANION）にて三菱化学株式会社（Mitsubishi Chemical Industries）から入手可能）などのイオン交換樹脂を使用して、ナトリウムイオンをリチウムイオンと置換することができる。
【００４１】
理論に束縛されるものではないが、リチウムポリ塩類は、粉末状活性材料を被覆し、そしてイオン導電性である層を形成させることができると考えられている。リチウムイオン電気化学セルは、リチウムイオン伝導度に依存するため、このことは、これらの結合剤を用いて作製した電極の寿命延長及び減退低減の能力を向上させる。更に、提供されたリチウムポリ塩類は、電気伝導が幾分維持されるように十分に薄く、粉末状活性材料を被覆すると考えられている。最後に、リチウムポリ塩類は、サイクルを繰り返した際に、リチウムイオン電極の早期故障に繋がることが当業者に知られている絶縁性のＳＥＩ（固体電解質界面）（solvent electrolyte interface）層の形成を抑制することができると考えられている。
【００４２】
提供された結合剤は、酸（そこからポリ塩が誘導される）の酸性基（末端又はペンダント基にある）のモル当量を基準にして、少なくとも約５０モル％、少なくとも約６０モル％、少なくとも約７０モル％、少なくとも約８０モル％、少なくとも約９０モル％又はそれ以上のリチウムを含む。中和可能な酸性基としては、カルボン酸、スルホン酸、ホスホン酸及び任意のその他の酸性基（ポリマー上に一般的に見出される、置換のための１個のプロトンを有する）が挙げられる。本発明にて有用な市販材料の例としては、ペルフルオロスルホン酸ポリマー類、例えば、ナフィオン（NAPHION）（デュポン社（Dupont）（デラウェア州ウィルミントン（Wilmington））から入手可能）及び熱可塑性アイオノマーポリマー類、例えば、サーリン（SURLYN）（これもまたデュポン（DuPont）から入手可能）が挙げられる。興味のあるその他材料としては、米国特許第６，２８７，７２２号明細書（バートン（Barton）ら）に記載されるもののようなリチウムポリイミド類が挙げられる。
【００４３】
リチウムポリアクリレートは、水酸化リチウムによって中和したポリ（アクリル酸）から作製することができる。本願において、ポリ（アクリル酸）は、アクリル酸若しくはメタクリル酸又はそれらの誘導体からなる任意のポリマー又はコポリマーを、アクリル酸又はメタクリル酸を使用して作製されたコポリマーの、少なくとも約５０モル％、少なくとも約６０モル％、少なくとも約７０モル％、少なくとも約８０モル％又は少なくとも約９０モル％含む。これらのコポリマー類を形成させるために使用可能な有用なモノマー類としては、例えば、１〜１２個の炭素原子を持つアルキル基（分枝又は非分枝）、アクリロニトリル類、アクリルアミド類、Ｎ−アルキルアクリルアミド類、Ｎ，Ｎ−ジアルキルアクリルアミド類、ヒドロキシルアルキルアクリレート類、マレイン酸、プロパンスルホネート類、などを有するアクリル酸又はメタクリル酸のアルキルエステル類が挙げられる。特に興味深いのは、特に、中和又は部分的中和後において水溶性であるアクリル酸又はメタクリル酸のポリマー類又はコポリマー類である。水溶性は通常、ポリマー若しくはコポリマーの分子量及び／又は組成物の関数である。ポリ（アクリル酸）は、高度に水溶性であり、そしてアクリル酸を大きなモル分率で含有するコポリマー類と一緒であることが好ましい。ポリ（メタクリル）酸は、特に分子量がより大きい場合に、水溶性はより小さい。
【００４４】
本発明にて有用なアクリル酸及びメタクリル酸のホモポリマー類及びコポリマー類は、約１０，０００グラム／モル超、約７５，０００グラム／モル超、あるいは約４５０，０００グラム／モル超、更にはより大きい分子量（Ｍｗ）を有することができる。本発明にて有用なホモポリマー類及びコポリマーは、約３，０００，０００グラム／モル未満、約５００，０００グラム／モル未満、約４５０，０００グラム／モル未満、あるいはより小さい分子量（Ｍｗ）を有する。ポリマー類又はコポリマー類上のカルボン酸酸性基（Carboxylic acidic groups）は、ポリマー類又はコポリマー類を水又は別の好適な溶媒、例えば、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド又は水と混和性の、その他の双極性非プロトン性溶媒の１種以上中に溶解させることによって中和することができる。ポリマー類又はコポリマー類上のカルボン酸基（アクリル酸又はメタクリル酸）は、水酸化リチウム水溶液にて滴定することができる。例えば、ポリ（アクリル酸）３４重量％の水溶液は、水酸化リチウム２０重量％の水溶液による滴定によって中和することができる。通常は、モル基準で、５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、１００％以上、１０７％以上のカルボン酸基が、リチオ化される（水酸化リチウムで中和される）。１００％超のカルボン酸基が中和される場合、これは、十分な水酸化リチウムがポリマー又はコポリマーへ添加されて、存在する過剰水酸化リチウムによって、全ての基が中和されることを意味する。
【００４５】
リチウムポリスルホネートフルオロポリマー類は、対応するポリスルホン酸フルオロポリマー類から、ポリスルホン酸フルオロポリマー類を水酸化リチウムなどの塩基で中和することによって作製することができる。ポリマー上のスルホン酸基は、水酸化リチウム水溶液にて滴定することができる。例えば、ポリスルホン酸フルオロポリマー８．８％の水溶液は、水酸化リチウム２０重量％の水溶液による滴定によって中和することができる。通常は、モル基準で、５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上又は全てのスルホン酸基が、リチオ化される（水酸化リチウムで中和される）。
【００４６】
本願において、ポリスルホネートフルオロポリマー類としては、スルホン酸基で終端処理されたペンダント基を有するフルオロポリマー類が挙げられる。ポリスルホネートフルオロポリマー類は、高フッ素化主鎖及びペンダント基を含むポリスルホン酸フルオロポリマー類から誘導することができ、ここで、ペンダント基は
ＨＯ３Ｓ−（ＣＦＲｆ）ａ（ＣＦＲｆ）ｂ−Ｚ１−（ＣＦＲｆ）ｃ（ＣＦＲｆ）ｄ−Ｚ２−
（式中、ａ、ｂ、ｃ及びｄのそれぞれは、独立して０〜３の範囲であり、ｃ＋ｄが少なくとも１であり、Ｚ１及びＺ２は酸素原子又は単結合であり、そして各Ｒｆは、独立して、Ｆであるか又は実質的にフッ素化されているかのいずれかの、分枝又は非分枝の、１〜１５個の炭素原子及び０〜４個の酸素原子をフルオロアルキル、フルオロアルコキシ又はフルオロエーテル鎖内に含有する、フルオロアルキル、フルオロアルコキシ又はフルオロエーテル基）を含む。好適なペンダント基の例としては、
−ＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）ＯＣＦ２ＣＦ２ＳＯ３Ｈ；−Ｏ（ＣＦ２）４ＳＯ３Ｈ及びこれらの組み合わせが挙げられる。
【００４７】
フルオロポリマーの主鎖若しくはペンダント基又はその両方は、実質的に又は完全にフッ素化（ペルフルオロ化）することができる。実質的にフッ素化された主鎖又はペンダント基は、鎖の全体重量を基準にして、約４０重量％以上のフッ素を含む。フルオロポリマーはまた、式−ＳＯ３Ｈを有するスルホニル末端基など、１種以上の酸性末端基を含むことができる。本発明の一実施態様では、フルオロポリマーの主鎖は、ペルフルオロ化されている。提供された組成物の幾つかの実施形態で有用であり得る他の好適なポリスルホネートフルオロポリマー類は、米国特許第６，２８７，７２２号明細書（バートン（Burton）ら）、同第６，６２４，３２８号明細書（ゲラ（Guerra））及び米国特許出願公開第２００４／０１１６７４２号公報（ゲラ（Guerra））、並びに本出願人らの同時係属出願である米国特許出願第１０／５３０，０９０号公報（ハンロック（Hamrock）ら）中に見出すことができる。提供された組成物の幾つかの実施形態にて有用な他の材料としては、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）のコポリマー類及び式ＦＳＯ２−ＣＦ２−ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ（ＣＦ３）−ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ２に従うコモノマーから誘導されるリチウムポリスルホネートフルオロポリマー類が挙げられる。これらは、デュポン・ケミカル社（DuPont Chemical Company）（デラウェア州ウィルミントン（Wilmington））により、商標名ナフィオン（NAFION）として知られており、かつスルホン酸形態（即ち、ＦＳＯ２−末端基がＨＳＯ３−へと加水分解されている）にて販売されている。
【００４８】
米国特許第４，３５８，５４５号明細書及び同第４，４１７，９６９号明細書（共にエゼル（Ezell）ら）は、約２２，０００未満で、当量８００〜１５００の水和物を有するポリマー及びそのイオン交換膜を開示し、これは、実質的にフッ素化された主鎖及び式ＹＳＯ３−（ＣＦＲ１ｆ）ｃ（ＣＦＲ２ｆ）ｄ−Ｏ−主鎖に従うペンダント基を有し、式中、Ｙは水素又はアルカリ金属であり、Ｒ１ｆ及びＲ２ｆは実質的にフッ素化されたアルキル基であり、ｃは０〜３であり、ｄは０〜３であり、ｃ＋ｄは少なくとも１である。これら材料を使用して、（中和によって）提供された組成物及び方法のいくつかの実施形態にて有用なリチウムポリスルホネートフルオロポリマー類を誘導することができる。
【００４９】
リチウムポリスチレンスルホネート類は、対応するポリスチレンスルホン酸類から、ポリスチレンスルホン酸類を水酸化リチウムなどの塩基で中和することによって作製することができる。ポリマー上のスルホン酸基は、水酸化リチウムの水溶液にて滴定することができる。例えば、ポリスチレンスルホン酸５％の水溶液は、水酸化リチウム２０重量％の水溶液による滴定によって中和することができる。通常は、モル基準で、５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上又は全てのスルホン酸基が、水酸化リチウムによって中和される。あるいは、ポリスチレンスルホン酸ナトリウムは、ポリサイエンス社（Polysciences, Inc.）（ペンシルベニア州ウォリントン（Warrington））から、分子量７０，０００及び５００，０００の溶液として入手可能であり、そしてナトリウムは、リチウムを充填したカチオン交換樹脂を通過させることで、リチウムと交換することが可能である。分子量が約１０，０００〜約２，０００，０００のポリスチレンスルホネート類が、本発明にて有用であり得る。提供されたポリスチレンスルホネート類としては、スチレンスルホン酸のポリマー類又はコポリマー類が挙げられる。ほとんどの場合、スチレン部分のベンゼン環上には、１個のスルホン酸基が存在し得る。通常、それは環のパラ位又は３−位であり得る。スチレンのベンゼン環は更に、約１個〜約６個の炭素原子を含有する分枝又は非分枝の、アルキル又はアルコキシ基を含むその他の基で置換され得るが、これらに限定するものではない。加えて、置換基が実質的にスルホン酸基の酸性度を阻害しない限り、その他の置換が可能である。
【００５０】
結合剤として有用であり得るスルホン化ポリマー類としては、ポリ（スルホン酸アリール類）例えば、ポリスチレンスルホネート、スチレンスルホネートのコポリマー類、例えばスチレンスルホネートと無水マレイン酸とのコポリマー、アクリルアミドと２−メチル−１−プロパンスルホネートとのコポリマー類、ビニルスルホネート類のホモポリマー類及びコポリマー類、アリルスルホネート類のホモポリマー類及びコポリマー類、並びにアルキルビニルベンゼンスルホネート類のホモポリマー類及びコポリマー類が挙げられる。提供された結合剤のためのその他潜在的に有用なポリマー類は、米国特許第５，５０８，１３５号明細書（レレンタール（Lelental）ら）に見出すことができる。
【００５１】
別の実施形態では、合金負極組成物のためのポリアクリロニトリル系結合剤を提供する。ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）は、空気中、２００℃〜３００℃の温度にて反応して、「ブラックオーロン」として知られているリボン様高分子炭素を形成させる。スキーム（Ｉ）は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）の熱化学を示す。
【００５２】
【化１】
【００５３】
ブラックオーロンは、非常に良好な熱的及び機械的安定性を有するラダーポリマーである。ブラックオーロンを結合剤として使用して組み立てた電極は、ポリイミド（ＰＩ）を用いて作製したものと同様の電気化学的性能を有した。
【００５４】
別の実施形態では、不活性雰囲気中、２００℃超の温度にて硬化される、有機ポリマー類及び単純有機物質を含む、結合剤を提供する。米国特許第７，１５０，７７０号明細書及び同第７，１５０，７７１号明細書（共に、カイパート（Keipert）ら）に記載されているようなフェノール樹脂並びにグルコースなどの分子が含まれる。
【００５５】
提供された結合剤は、その他の高分子材料と混合して、材料のブレンドを作製することができる。これは、例えば、結合剤の、接着性を向上させるために、伝導性を向上させるために、熱的特性を変化させるために、あるいは、他の物理的性質に影響を与えるために実施してよい。しかしながら、本発明の結合剤は、非エラストマー系である。非エラストマー系とは、結合剤が相当量の天然又は合成ゴムを含有しないことを意味する。合成ゴム類としては、スチレン−ブタジエンゴム及びスチレン−ブタジエンゴムのラテックスが挙げられる。例えば、本発明の結合剤は、２０重量％未満、１０重量％未満、５重量％未満、２重量％未満又はそれ以下の天然若しくは合成ゴムを含有する。
【００５６】
開示されたリチウムイオンセル内で種々の電解質を用いることができる。代表的な電解質は、１種類以上のリチウム塩類及び固体、液体又はゲルの形態の電荷運搬媒体を含有する。代表的リチウム塩は、セル電極が稼動する電気化学的帯域及び温度範囲（例えば、約−３０℃〜約７０℃）内において安定しており、選択した電荷保持媒体に可溶で、選択したリチウムイオンセル内で良好に機能することができる。代表的リチウム塩類としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、リチウムビス（オキサラト）ボレート、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３及びこれらの組み合わせが挙げられる。代表的電荷担持媒体は、セルの電極が稼動する電気化学的帯域及び温度範囲内において、凍結又は沸騰することなく安定しており、適した量の電荷が正極から負極へ運搬されることが可能なだけの十分な量のリチウム塩を可溶化し、選択したリチウムイオンセル内で良好に機能することができる。代表的固体電荷担持媒体としては、高分子媒体例えば、ポリエチレンオキシド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ素含有コポリマー類、ポリアクリロニトリル、これらの組み合わせ及び当業者によく知られているその他の固体媒体が挙げられる。代表的液体電荷担持媒体としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、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、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、フルオロプロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン（butylrolactone）、メチルジフルオロアセタート、エチルジフルオロアセタート、ジメトキシエタン、ジグリム（ビス（２−メトキシエチル）エーテル）、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、これらの組み合わせ及び当業者によく知られているその他の媒体が挙げられる。代表的電荷担持媒体ゲルとしては、米国特許第６，３８７，５７０号明細書（ナカムラ（Nakamura）ら）及び同第６，７８０，５４４号明細書（ノー（Noh））に記載されるものが挙げられる。電荷担持媒体の可溶化力は、好適な共溶媒を添加することによって向上することができる。代表的共溶媒としては、選択した電解質を含有するリチウムイオンセルと適合する芳香性物質が挙げられる。代表的な共溶媒としては、トルエン、スルホラン、ジメトキシエタン、これらの組み合わせ及び当業者によく知られているその他の共溶媒が挙げられる。電解質は、当業者によく知られているその他の添加剤を含むことができる。例えば、電解質は、米国特許第５，７０９，９６８号明細書（シミズ（Shimizu））、同第５，７６３，１１９号明細書（アダチ（Adachi））、同第５，５３６，５９９号明細書（アラムギール（Alamgir）ら）、同第５，８５８，５７３号明細書（エイブラハム（Abraham）ら）、同第５，８８２，８１２号明細書（ヴィスコ（Visco）ら）、同第６，００４，６９８号明細書（リチャードソン（Richardson）ら）、同第６，０４５，９５２号明細書（カー（Kerr）ら）及び同第６，３８７，５７１号明細書（レイン（Lain）ら）、並びに米国特許出願公開第２００５／０２２１１６８号公報、同第２００５／０２２１１９６号公報、同第２００６／０２６３６９６号公報及び同第２００６／０２６３６９７号公報（全て、ダーン（Dahn）ら）に記載されるもののような、酸化還元を繰り返す化学物質（a redox chemical shuttle）を含有することができる。
【００５７】
提供された電気化学セルは、正極及び負極の各々の少なくとも１つを前述したように作製し、そしてそれらを電解質内に配置することによって作製することができる。通常は、微多孔性セパレータ、例えば、セルガード（Celgard）２４００微多孔性材料（セルガード社（Celgard LLC）、ノースカロライナ州シャーロット（Charlotte））から入手可能）を使用して、負極が正極に直接接触するのを防止することができる。提供された負極及び結合剤を用いて作製した電気化学セルは、従来の結合剤を用いた負極を収容した類似のセルよりも、不可逆容量損失及び減退が減少した。
【００５８】
提供されたセルは、携帯型コンピュータ類、タブレット型表示器類、携帯情報端末類、携帯電話類、モータ駆動装置類（例えば、個人用又は家庭電化製品類及び乗り物類）、機器類、照明装置類（例えば、懐中電灯類）及び加熱装置を含む様々なデバイスに使用することができる。１以上の提供された電気化学セルを組み合わせて、電池パックを提供することができる。充電式リチウムイオンセル及び電池パックの構成及び用途に関する更なる詳細は当業者によく知られている。
【００５９】
以下の例示的実施例により、本発明を更に説明するが、ここでは、特に指示しない限り、すべての部分及び百分率は重量パーセント（ｗｔ％）を用いる。
【実施例】
【００６０】
準備的実施例１− Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０Ｃ１０合金の調製
Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０は、アーク炉内にて、シリコン塊（６５．４６１ｇ）（アルファ・エイサー社（Alfa Aesar）／９９．９９９％、ミシシッピー州ワードヒル（Ward Hill））、鉄片（１８．５９６ｇ）（アルファ・エイサー社／９９．９７％）及びスポンジチタン（１５．９４３ｇ）（アルファ・エイサー社／９９．７％）を溶融することによって調製した。Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０の合金インゴットを小さな塊へと砕き、ハンマーミル内で処理して、１５０μｍの平均粒径を有する合金粉末粒子を製造した。
【００６１】
Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０Ｃ１０合金は、Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０合金粉末（前述した）及びグラファイト（ティムレックス（TIMREX）ＳＦＧ４４、ティムカル社（Timcal, Ltd.）、スイス、ボディオ（Bodio））を、高運動エネルギーボールミル（シモロイアー（SIMOLOYER）、ＣＭ２０−２０１ｍ、ゾーズ社（ZozGmbH）、ドイツ、ヴェンデン（Wenden））内にて、反応性ボールミルを行うことによって作製した。Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０合金粉末１．４４２３ｋｇのサンプル、グラファイト０．０５７７ｋｇ及び４．７６ｍｍ直径のクロム−スチール製ボール２５ｋｇをミルに充填した。ミルを１８０サイクル稼動させたが、各サイクルは４５秒毎分５５０回転（ｒｐｍ）の後に１５秒３００ｒｐｍとした。総粉砕時間は３時間であった。粉砕中、ミルは冷水で冷却させた。
【００６２】
準備的実施例２− Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金粉末
合金組成物Ｓｉ７４．８Ｆｅ１２．６Ｔｉ１２．６は、アーク炉内にて、シリコン塊（１２３．３１ｇ）（アルファ・エイサー社（Alfa Aesar）／９９．９９９％、ミシシッピー州ワードヒル（Ward Hill））、鉄片（４１．２９ｇ）（アルファ・エイサー社／９９．９７％）及びスポンジチタン（３５．４０ｇ）（アルファ・エイサー社／９９．７％）を溶融することによって調製した。合金インゴットを小さな塊へと砕き、ハンマーミル内で処理して、約１５０μｍの合金粉末粒子を製造した。
【００６３】
Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金は、Ｓｉ７４．８Ｆｅ１２．６Ｔｉ１２．６合金粉末（２．８７２ｇ）及びグラファイト（０．１２８ｇ）（ティムレックス（TIMREX）ＳＦＧ４４、ティムカル社（TimCal Ltd）（スイス、ボディオ（Bodio）））を、スペックス・ミル（スペックス・セルチプレップグループ（Spex CERTIPREP Group）、ニュージャージー州メタチェン（Metuchen））内にて、１６個のタングステンカーバイト製ボール（直径３．２ｍｍ）と共に、１時間アルゴン雰囲気中にて、反応性ボールミルを行うことによって作製した。
【００６４】
準備的実施例３−リチウムポリアクリレートの調製
リチウムポリアクリレートは、水酸化リチウム水溶液をポリ（アクリル酸）水溶液へ添加することによって作製した。水酸化リチウム対カルボン酸基の異なるモル比を使用した。典型的には、水酸化リチウム２０重量％水溶液及びポリ（アクリル酸）の３４重量％水溶液を使用した。脱イオン水を添加して、リチウムポリアクリレートの最終溶液を１０重量％固形分とした。１００，０００（分子量）及び２５０，０００（分子量）のポリ（アクリル酸）は、水溶液としてアルドリッチ・ケミカルズ（Aldrich Chemicals）（ウィスコンシン州、ミルウォーキー（Milwaukee））から得た。ＬｉＯＨで中和したリチウムポリアクリレート６５重量％のサンプル（分子量１００，０００及び分子量２５０，０００の両方）は、脱イオン水１８５．５６ｇ、２０重量％水酸化リチウム溶液６０．４１ｇ及びポリ（アクリル酸）（ＰＡＡ）溶液１００ｇ（水中にて３４重量％）を添加することによって調製した。６４％中和された固形分１０重量％のリチウムポリアクリレート溶液が得られた。２つのサンプルはそれぞれ、「ＰＡＡ１００ｋ−６４％リチウム塩」及び「ＰＡＡ２５０ｋ−６４％リチウム塩」とした。
【００６５】
ポリ（アクリル酸）７．２１ｇ（０．０１モル）（分子量４５０，０００）（アルドリッチ・ケミカルズから入手可能）及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ、４．２０ｇ（０．０１モル）を、ローラー上で１時間転がすことによって、ガラスジャー内の脱イオン水３００．５７ｇ中に溶解させた。得られた溶液には、２．５重量％リチウムポリアクリレートが含まれていた。
【００６６】
１０７重量％の中和されたリチウムポリアクリレートの追加サンプルは、分子量１００，０００及び分子量２５０，０００のポリマーの両方を使用し、脱イオン水１４９．０１ｇ及び２０重量％の水酸化リチウム溶液１０６．０１ｇをポリ（アクリル酸）溶液（水中にて、３４重量％）１００ｇへと添加することによって調製した。水酸化リチウムが７モル％過剰である、１０重量％固形分のリチウムポリアクリレート溶液が得られた。２つのサンプルはそれぞれ、「ＰＡＡ１００ｋ−１０７％リチウム塩」及び「ＰＡＡ２５０ｋ−１０７％リチウム塩」とした。
【００６７】
準備的実施例４−リチウムポリスルホネートフルオロポリマーの調製
実施例９及び１０にて使用されるリチウムポリスルホネートフルオロポリマーは、米国特許出願公開第２００４／０１２１２１０号公報の実施例の項にて開示されている手順に従って合成された。コモノマーＡは、この点について参照される米国特許出願公開第２００４／０１１６７４２号公報及び米国特許第６，６２４，３２８号明細書（共にゲラ（Guerra））に開示されている手順に従って作製した。使用したポリスルホネートフルオロポリマーは、当量９８０を有した。
【００６８】
上記で特定した、当量９８０のポリスルホン酸フルオロポリマー１２４．６６ｇ（８．８重量％固形分の水溶液）へ、ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ Ｏ．４６ｇ（２０重量％溶液）を添加し、リチウムポリスルホネートフルオロポリマーを形成させた。
【００６９】
準備的実施例５−リチウムポリスルホネート溶液
イオン交換樹脂（三菱ＳＫＴ１０Ｌ、ジアニオン（DIANION）からのスルホン酸基との架橋ポリスチレン、イオン交換能＞１．９ｍｅｑ／ｍＬ）７５ｍＬを、ガラス製イオン交換カラム内へ充填した。樹脂をＬｉＯＨ−Ｈ２Ｏ（３倍過剰、２０重量％水溶液９０ｍＬ）１８．０ｇで中和した。得られる水がｐＨ７になるまで、過剰なＬｉＯＨを水洗した。次に、カラムに、水６０ｍＬ中で希釈した分子量５００，０００のポリ（スチレンスルホン酸）ナトリウム塩（ポリサイエンス社（Polysciences Inc.）から）３．０ｇを充填した。イオン交換した生成物である、ポリ（スチレンスルホン酸）リチウム塩（ＰＳＳリチウム）の水溶液（４．１８重量％）を、空気圧下にてゆっくりと収集した。
【００７０】
準備的実施例６−ポリ（エチレン−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩の合成
ポリ（エチレン−ａｌｔ−無水マレイン酸）（分子量１００，０００〜５００，０００）（アルドリッチケミカル社（（Aldrich Chemical Company）、ウィスコンシン州ミルウォーキー（Milwaukee））から入手可能）２５．２２ｇ及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ １６．７８ｇ（０．０４モル）を、ガラスジャー内の脱イオン水５８１．９７ｇ中に、１時間ローラー上で転がすことによって溶解させた。得られた溶液は、ポリ（エチレン−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩を５重量％で含有していた。
【００７１】
準備的実施例７−ポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）リチウム塩の合成
ポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）リチウム塩は、ポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）ナトリウム塩（１：１アクリル酸／マレイン酸、分子量５０，０００）（アルドリッチ・ケミカルズ（Aldrich Chemicals）から入手可能）から、水酸化リチウム溶液によって前処理したカチオン性イオン交換樹脂（ＳＫＴ−２０、スルホン酸形態、１．９ｍｅｑ／ｍＬ、三菱化学株式会社（Mitsubishi Chemicals）から入手可能）を使用したイオン交換によって作製した。樹脂７５ｍＬ及びポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）ナトリウム塩の２重量％水溶液１００ｇを使用した。得られたポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）リチウム塩の溶液を空気中で１２時間８０℃にて乾燥して、固体のポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）リチウム塩を得た。
【００７２】
準備的実施例８−ポリ（メチルビニルエーテル−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩の合成
ポリ（メチルビニルエーテル−ａｌｔ−マレイン酸）（分子量１，９８０，０００、アルドリッチ・ケミカルズ（Aldrich Chemical）から入手可能）８．７１ｇ（０．０５モル）及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ ４．２０ｇ（０．１０モル）を、ガラスジャー内の脱イオン水１７３．１２ｇ中に、１時間ローラー上で転がすことによって溶解させた。得られた溶液は、ポリ（メチルビニルエーテル−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩を５重量％で含有していた。
【００７３】
準備的実施例９−ポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）リチウム塩の合成
ポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）の１６．０７重量％水溶液（分子量２，０００，０００、アルドリッチ・ケミカルズ（Aldrich Chemical）から入手可能）３８．６９ｇ（０．０４モル）及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ １．２６ｇ（０．０４モル）をガラスジャー内の脱イオン水８７．９６ｇ中に１時間ローラー上で転がすことによって溶解させた。得られた溶液は、ポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）リチウム塩を５重量％で含有していた。
【００７４】
準備的実施例１０−ポリ（アクリル酸）リチウム塩溶液の調製−１００％中和
出発物質Ａ：ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ（シグマ−アルドリッチ社（Sigma-Aldrich））１５．２５８ｇは、電磁攪拌器を使用して蒸留水１３７．６１０ｇと混合した。形成させたＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ溶液は、９．９８重量％であった。
【００７５】
出発物質Ｂ：ポリ（アクリル酸）２５重量％溶液（アルファ・エイサー社（Alfa Aesar）、平均Ｎ．Ｍ．２４０，０００）材料Ａ１２８．４５７ｇを材料Ｂ８８．０４５ｇ中へ添加した。混合物を一晩撹拌した。形成させた溶液は、ポリ（アクリル酸）リチウム塩結合剤の１１重量％溶液である。
【００７６】
電極製作
（実施例１）
ＫＥＴＪＥＮブラック導電性カーボン（０．０２４ｇ）（アクゾ・ノーベル・ポリマー・ケミカル社（Akzo Nobel Polymer Chemical LLC）、イリノイ州シカゴ（Chicago））及びＰＡＡ１００ｋ−６４％リチウム塩（１０重量％固形分水溶液１．３６ｇ）をステンレス鋼容器４５ｍＬ内にて、直径１３μｍタングステンカーバイト製ボールを使用して混合した。遊星マイクロミル（パルヴァーセット（PULVERSETTE）７モデル、フリッチュ（Fritsch）、ドイツ）内にて、速度設定１で３０分間、混合を実施した。次に、Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０Ｃ１０粉末（１．２０ｇ）、ＭＣＭＢ−１０２８グラファイト（０．６４ｇ）（ＭＭＭカーボン（ベルギー））及び脱イオン水（０．１ｇ）をミルに添加し、速度設定２で３０分間、混合を続けた。１２５μｍギャップを持つダイを使用して、得られた溶液を１３μｍ厚銅箔上へと被覆した。次に、真空オーブン中、１２０℃にて２時間、サンプルを乾燥させた。
【００７７】
（実施例２）
表１の実施例２の組成物をベースにした電極は、ミルにかけた導電性カーボン及びポリマー混合物へＳｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０Ｃ１０粉末１．８４ｇのみを添加した以外は、実施例１で使用した手順によって調製した。ミルにかけた被覆溶液は、銅箔上へと７５μｍギャップを使用して被覆した。
【００７８】
（実施例３）
表１の実施例３の組成物をベースにした電極は、Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０Ｃ１０粉末（１．２０ｇ）、ＳＬＰ３０−グラファイト（０．６４ｇ）（ティムレックス（TIMREX）ＳＬＰ３０、ティムカル社（Timcal, Ltd.）、スイス、ボディオ（Bodio））、脱イオン水（１．０ｇ）及びＰＡＡ１００ｋ−１０７％リチウム塩（１０重量％固形分の水溶液１．６ｇ）を、単一工程にて速度設定２で３０分間ミルにかけた以外は実施例１で使用した手順によって調製した。ミルにかけた溶液は、３μｍギャップを使用して銅箔上へと広げた。
【００７９】
（実施例４）
表１の実施例４の組成物をベースにした電極は、脱イオン水０．２ｇのみを添加した以外は、実施例３で使用したのと同一の手順によって調製した。ミルにかけた溶液は、７５μｍギャップを使用して銅箔上へと広げた。
【００８０】
（実施例５）
表１の実施例５の組成物をベースにした電極は、脱イオン水２．５ｇをグラファイト及びポリ（アクリル酸）と共に、粉砕工程にて使用した以外は、実施例３で使用したのと同一の手順によって調製した。ミルにかけた溶液は、７５μｍギャップを使用して銅箔上へと広げた。
【００８１】
（実施例６及び７）
表１の実施例６及び実施例７の組成物をベースにした電極は、実施例４で使用したのと同一の手順によって調製した。
【００８２】
（実施例８）
表１の実施例８の組成物をベースにした電極は、実施例５で使用したのと同一の手順によって調製した。
【００８３】
【表１】
【００８４】
比較実施例１
グラファイト（１．００ｇ）（ＭＣＭＢ、等級６−２８、大阪ガス株式会社（Osaka Gas Co.）（日本、大阪市）、Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０Ｃ１０（０．１グラム）、ポリフッ化ビニリデン（キナール（KYNAR）７４１）溶液（Ｎ−メチルピロリジノン（ＮＭＰ）中１０重量％、１．０ｇ）及びＮＭＰ（２．５ｇ）を、実施例１に記載した遊星マイクロミル内で混合した。混合物は、実施例１にあるように、被覆し、そして乾燥させた。
【００８５】
比較実施例２
Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０Ｃ１０粉末（２．０ｇ）及びティムレックス（TIMREX）ＳＦＧ４４グラファイト（２．０ｇ）を、実施例１で使用したマイクロミル内にて、速度設定７で３０分間、混合した。本混合物（１．９０ｇ）、ポリフッ化ビニリデン（キナール（KYNAR）７４１）溶液（１．０ｇ）及びＮＭＰ（３．０ｇ）は、実施例１のマイクロミル内にて、速度設定２で１時間、混合した。混合物は、実施例１にあるように、被覆し、そして乾燥させた。
【００８６】
実施例１〜８のための試験用セル作製
２３２５−ボタンセルに使用するために、電極被覆からディスク（１６ｍｍ直径）を切り出した。各２３２５セルは、スペーサーとしての直径１８ｍｍの銅ディスク（９００μｍ（３６ミル）厚）、直径１８ｍｍの合金電極ディスク、１個の直径２０ｍｍ微多孔性セパレータ（セルガード（Celgard）２４００、セパレーション・プロダクツ・セルガード社（Separation Products, Celgard, LLC.）、ノースカロライナ州シャーロット（Charlotte））、直径１８ｍｍリチウム（０．３８ｍｍ厚リチウムリボン、アルドリッチ・ケミカルズ（Aldrich Chemicals）、ウィスコンシン州ミルウォーキー（Milwaukee））及び直径１８ｍｍ銅スペーサー（６００μｍ厚）を収容する。電解質溶液１００μＬ（エチレンカーボネート（ＥＣ）９０重量％中、１Ｍ ＬｉＰＦ６）：ジエチレンカーボネート（ＤＥＣ）（１：２ ｖ／ｖ）（フェロ・ケミカルズ社（Ferro Chemicals）、ルイジアナ州ザカリー（Zachary））；フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）１０重量％（福建省革新サイエンス＆テクノロジー・ディヴェロップメント（Fujian Chuangxin Science and Technology Development）、中国福建省）を混合し、電解質として使用した。電解質混合物は、モレキュラーシーブ（タイプ３Ａ）上にて１２時間以上乾燥させた。コインセルは、０．００５Ｖ〜０．９０Ｖまで、合金及び合金／グラファイト電極について一定電流２５０ｍＡ／ｇにて、そしてグラファイト電極について一定電流１００ｍＡ／ｇにて充電及び放電した。充電中に、セルが０．９０Ｖに到達した時点で、電池電圧を一定に保ち、電流が１０ｍＡ／ｇに到達するまで充電を続けた。ハーフサイクルごとの終わりで、セルを開回路にて１５分間保った。
【００８７】
各セルの初期電荷容量は、セルの電圧が０．００５Ｖに到達するまで充電した測定総ミリアンペア時から計算した。次に、セルは上記の通り放電した。不可逆容量損失（表２に示す）は、初期電荷容量と第一放電容量との差を初期容量で除して１００を掛けることで計算した。表２のデータは、本発明の結合剤を使用して作製した負極が、ポリフッ化ビニリデン結合剤により作製した電極と比較して、より小さな不可逆容量損失を有することを示す。
【００８８】
【表２】
【００８９】
各セルについて５サイクル後及び５０サイクル後の放電容量を表３に示す。データは、本発明の結合剤を有する負極を含有するセルが、５０サイクル後、フッ化ポリビニレン結合剤で作製したものよりも、減退が少ないことを示す。
【００９０】
【表３】
【００９１】
＊比較実施例１ サイクル１９での放電容量
（実施例９及び１０）
組成物Ａ−９２重量％合金／グラファイト及び８重量％リチウムポリスルホネートフルオロポリマー
１．２１４ｇ Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金粉末（準備的実施例２から）
グラファイト（ティムレックス（TIMREX）ＳＬＰ３０、スイス、ボディオ（Bodio））０．６２６ｇ
リチウムポリスルホネートフルオロポリマーの８．８重量％溶液（上記の調製から）１．８２ｇ
脱イオン水１．２０ｇ
組成物Ｂ−９８重量％合金／グラファイト及び２重量％リチウムポリスルホネートフルオロポリマー
Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金粉末１．２９ｇ
グラファイト（ティムレックスＳＬＰ３０）０．６６ｇ
リチウムポリスルホネートフルオロポリマーの２０重量％溶液（上記の調製から）０．２０ｇ
脱イオン水１．２０ｇ
各組成物（Ａ及びＢ）は独立して、４個の直径１．２７ｃｍタングステンカーバイト製ボールと共に、４５ｍＬステンレス鋼容器に充填した。次に、密閉容器を遊星マイクロミル（パルヴァーセット（PULVERSETTE）７モデル、フリッチュ（Fritsch）、ドイツ）内に置き、３０分間速度２で混合した。粘稠混合物は、ギャップ１５０μｍのノッチ付き被覆用バーを使用して、１３μｍ厚銅箔上へ被覆した。被覆は、室温で３０分間乾燥し、次に１２０℃減圧下にて２時間乾燥した。次に、２個のローラー間で被覆に圧力をかけて、電極を圧縮した。
【００９２】
実施例９及び１０のための試験セル調製
２３２５コインセルを使用して、半分のコインセルを調製した。全ての組成物は、組立前に乾燥させ、セルの調製は露点−７０℃の乾燥室内で行った。セルは、次の組成物から、次の順番、銅箔／リチウム金属フィルム／セパレータ／電解質／セパレータ／合金組成物／銅箔にて、下から上へと組み立てた。セパレータは、セルガード（Celgard）２４００微多孔性セパレータ（セルガード社（Celgard LLC）、ノースカロライナ州シャーロット（Charlotte））であった。電解質は、１０％フルオロエチレンカーボネートを含む、９０重量％・エチレンカーボネート（１Ｍ ＬｉＰＦ６含む）対ジエチレンカーボネート（容量比１：２）（関東電化工業株式会社（Kanto Denka Kogyo Co., Ltd.）、日本、東京、から入手可能）で添加した。リチウム金属は、直径１８ｍｍ（０．３８ｍｍ厚のリチウムリボン、アルドリッチ・ケミカルズ（Aldrich Chemicals）、ウィスコンシン州ミルウォーキー（Milwaukee））であった。電解液１００ｍＬを使用して、各セルを満たした。セルは、測定前にクリンプシールした。
【００９３】
組成物Ａを含む負極を収容するセルを実施例９として動作させた。組成物Ｂを含む負極を収容するセルを実施例１０として動作させた。
【００９４】
実施例９及び１０の試験
セルは、０．００５Ｖ〜０．９Ｖ、Ｃ／４の比率、室温にて、マッコール（Maccor）サイクラーを使用してサイクルを実施した。各サイクルにおいて、セルを最初はＣ／４の比率で、放電終了時、トリクル電流１０ｍＡ／ｇにて、次に開回路にて１５分間休止して、放電させた。次に、セルをＣ／４の比率で充電し、続いて開回路にて更に１５分間休止させた。セルを多くのサイクルを通して動作させ、完了したサイクル数の関数として、容量減退の程度を測定した。小さな容量減退を示すセルは、優れたサイクル寿命を有していると考えられている。結果を表４に示す。
【００９５】
【表４】
【００９６】
（実施例１１〜１３）
組成物Ａ−９６重量％合金／グラファイト及び４重量％ナトリウムポリスルホネート
Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金粉末１．２７ｇ
グラファイト（ティムレックス（TIMREX）ＳＬＰ３０）０．６５ｇ
ナトリウムポリスルホネート（分子量７０，０００、ポリサイエンス社（Polysciences）から入手可能）の５重量％溶液１．６０ｇ
脱イオン水１．２０ｇ
組成物Ｂ−９６重量％合金／グラファイト及び４重量％ナトリウムポリスルホネート
Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金粉末１．２７ｇ
グラファイト（ティムレックス（TIMREX）ＳＬＰ３０、ティムカル社（Timcal, Ltd.）、スイス、ボディオ（Bodio））０．６５ｇ
ナトリウムポリスルホネート（分子量５００，０００、ポリサイエンス社（Polysciences）から入手可能）の５重量％溶液１．６０ｇ
脱イオン水１．２０ｇ
組成物Ｃ−９６重量％合金／グラファイト及び４重量％ナトリウムポリスルホネート
Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金粉末１．２７ｇ
グラファイト（ティムレックス（TIMREX）ＳＬＰ３０、ティムカル社（Timcal, Ltd.）、スイス、ボディオ（Bodio）、ＣＨ−６７４３）０．６５ｇ
ＰＳＳリチウム（分子量５００，０００）の４．１８重量％イオン水溶液（準備的実施例２）１．９１ｇ
（１．０）脱イオン水
電極の調製
各組成物（Ａ、Ｂ及びＣ）は独立して、４個の直径１．２７ｃｍタングステンカーバイト製ボールと共に、４５ｍＬステンレス鋼容器に充填した。次に、密閉容器を遊星マイクロミル（パルヴァーセット（PULVERSETTE）７モデル、フリッチュ（Fritsch）、ドイツ）内に置き、３０分間速度２で混合した。粘稠混合物は、ギャップ１５０μｍのノッチ付き被覆用バーを使用して、１３μｍ厚銅箔上へ被覆した。被覆は、室温で３０分間乾燥し、次に１２０℃減圧下にて２時間乾燥した。次に、２個のローラー間で被覆に圧力をかけて、電極を圧縮した。
【００９７】
実施例１１〜１３のための試験用セルの作製
２３２５コインセルを使用して、半分のコインセルを調製した。全ての組成物は、組立前に乾燥させ、セルの調製は露点−７０℃の乾燥室内で行った。セルは、次の組成物から、次の順番、銅箔／リチウム金属フィルム／セパレータ／電解質／セパレータ／合金組成物／銅箔にて、下から上へと組み立てた。セパレータは、セルガード（Celgard）２４００微多孔性セパレータであった。電解質は、１０重量％フルオロエチレンカーボネートを含む、９０重量％エチレンカーボネート（１Ｍ ＬｉＰＦ６含む）対ジエチレンカーボネート（容量比１：２）（関東電化工業株式会社（Kanto Denka Kogyo Co., Ltd.）、日本、東京から入手可能）で添加した。リチウム金属は、直径１８ｍｍ（０．３８ｍｍ厚のリチウムリボン；アルドリッチ・ケミカルズ（Aldrich Chemicals））であった。電解液１００ｍＬを使用して、各セルを満たした。セルは、測定前にクリンプシールした。
【００９８】
組成物Ａを含む負極を収容するセルを実施例１１として動作させた。組成物Ｂを含む負極を収容するセルを実施例１２として動作させた。組成物Ｃを含む負極を収容するセルを実施例１３として動作させた。
【００９９】
実施例１１〜１３の試験
セルは、０．００５Ｖ〜０．９Ｖ、Ｃ／４の比率、室温にて、マッコール（Maccor）サイクラーを使用してサイクルを実施した。各サイクルにおいて、セルを最初はＣ／４の比率で、放電終了時、リクル電流１０ｍＡ／ｇにて、次に開回路にて１５分間休止して、放電させた。次に、セルをＣ／４の比率で充電し、続いて開回路にて更に１５分間休止させた。セルを多くのサイクルを通して動作させ、完了したサイクル数の関数として、容量減退の程度を測定した。小さな容量減退を示すセルは、優れたサイクル寿命を有していると考えられている。結果を表５に示す。
【０１００】
【表５】
【０１０１】
電極製作−実施例１４〜２３
（実施例１４）
Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金粉末（準備的実施例２から）１．２６７ｇ、ＳＬＰ３０グラファイト０．６５８２ｇ、ポリ（エチレン−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩（５％固形分、水中、準備的実施例６から）１．６０ｇ及び脱イオン水１．５０ｇを４５ｍＬステンレス鋼容器内で、４個の直径１．２７ｃｍ（１／２インチ）タングステンカーバイト製ボールを使用して混合した。混合は、遊星マイクロミル（プルヴァリセッテ（PULVERISETTE）モデル７）内にて、速度２で３０分間行った。得られた溶液は、０．１５ｍｍ（０．００６インチ）のギャップダイを使用して、１０μｍ厚銅箔上へと手で広げた。サンプルは１５分間風乾して、次に、圧延し、そして真空オーブン中８０℃で１時間乾燥させた。
【０１０２】
（実施例１５）
ＳＬＰ３０グラファイト１．９０ｇ、ポリ（エチレン−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩２．０ｇ（５重量％固形分、水中にて、準備的実施例６）及び脱イオン水２．０ｇを４５ｍＬステンレス鋼容器内で、４個の直径１．２７ｃｍ（１／２インチ）タングステンカーバイト製ボールを使用して混合した。混合は、遊星マイクロミル（プルヴァリセッテ（PULVERISETTE）モデル７）内にて、速度２で３０分間行った。得られた溶液は、０．１５ｍｍ（０．００６インチ）のギャップダイを使用して、１０μｍ厚銅箔上へと手で広げた。サンプルは１５分間風乾して、次に、圧延しかつ真空オーブン中８０℃で１時間乾燥させた。
【０１０３】
（実施例１６）
電極は、ポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）リチウム塩の１０重量％水溶液０．８０ｇをポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）の固体から、準備的実施例７の手順に従って調製した点を除いて、実施例１５で使用したのと同一の手順を使用して作製した。
【０１０４】
（実施例１７）
電極は、ポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）リチウム塩の１０重量％溶液１．０ｇを、脱イオン水３．０ｇと共に使用した点を除いて、実施例１６の手順を使用して作製した。
【０１０５】
（実施例１８）
電極は、実施例１４の手順を使用し、ポリ（メチルビニルエーテル−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩の１０重量％水溶液１６．０ｇ及び脱イオン水０．２０ｇ、並びに被覆のためのギャップ０．１２５ｍｍ（０．００５インチ）を使用して作製した。オーブン内１２０℃減圧下にて１時間、最終乾燥を行った。
【０１０６】
（実施例１９）
電極は、実施例１５の手順を使用し、ポリ（メチルビニルエーテル−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩の５重量％水溶液（準備的実施例８から）２．０ｇ及び脱イオン水１．０ｇ、並びに被覆のためのギャップ０．１２５ｍｍ（０．００５インチ）を使用して作製した。オーブン内１２０℃減圧下にて１時間、最終乾燥を行った。
【０１０７】
（実施例２０）
電極は、ポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）リチウム塩（準備的実施例９から）５重量％２．０ｇ及び脱イオン水２．０ｇを使用し、実施例１５の手順を使用して作製した。
【０１０８】
（実施例２１）
電極は、ポリ（アクリル酸）リチウム塩（分子量４５００００）の２．５重量％水溶液２．８８ｇ及びポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）リチウム塩（準備的実施例９から）の５重量％０．１６ｇを脱イオン水０．４０ｇと共に使用し、実施例１４の手順を使用して作製した。
【０１０９】
（実施例２２）
電極は、ポリ（アクリル酸）リチウム塩（分子量４５００００）の２．５重量％水溶液３．６０ｇ及びポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）リチウム塩（準備的実施例９から）の５重量％０．２０ｇを脱イオン水１．００ｇと共に使用し、実施例１５の手順を使用して作製した。
【０１１０】
（実施例２３）
電極は、ＳＬＰ３０に代えてＳｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金粉末、ポリ（アクリル酸）リチウム塩（分子量２５００００）の１０重量％水溶液１．４４ｇ及びポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）リチウム塩（準備的実施例９参照）５重量％０．３２ｇを脱イオン水０．４０ｇと共に使用し、実施例１５の手順を使用して作製した。
【０１１１】
実施例１４〜２３の試験用セルの調製
試験用セルは、特定速度２００ｍＡ／ｇにて、放電（脱リチオ化）終了時に１０ｍＡ／ｇまでトリクルダウンし、そしてハーフサイクルごとの終わりで開回路にて１５分間休止させた以外は、合金電極がサイクルを実施された実施例１〜８の試験用セルの調製に使用したのと同一の手順を使用して作製した。グラファイトのみ（ＳＬＰ３０）を有する試験用セルを、１００ｍＡ／ｇの速度にて、１０ｍＡ／ｇまでトリクルダウンさせてサイクルを実施した。
【０１１２】
実施例１４〜２３の試験
実施例１４〜２３の電極を使用して調製した試験用セルの性能を表６に示す。データは、ポリ（エチレン−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩、ポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）リチウム塩及びポリ（メチルビニルエーテル−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩が、Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金／ＳＬＰ３０グラファイト複合電極及びＳＬＰ３０グラファイト電極のための優れた結合剤であることを示す。ポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）リチウム塩は、ポリ（アクリル酸）リチウム塩結合剤被覆分散体のための優れた増粘剤であり、得られた電極にて良好なサイクル性能が得られた。これら２つのポリマーは、水中にて完全に相溶性であった。
【０１１３】
【表６】
【０１１４】
電極製作−実施例２４〜２５及び比較実施例３
（実施例２４）
ＬｉＦｅＰＯ４（ホステック・リチウム社（Phostech Lithium Inc.）（カナダ、ケベック州））３．６０ｇ、ＳＰ（導電性カーボンＳＰ、大阪ガスケミカル株式会社（Osaka Gas Chemicals Co.）、日本、大阪市）０．２０ｇ、ポリ（アクリル酸）リチウム塩２．５重量％溶液８．０ｇ（分子量４５００００のポリ（アクリル酸）を使用し、水中にて２．５重量％まで希釈した準備的実施例１を参照のこと）及び脱イオン水３．０ｇを４５ｍＬステンレス鋼容器内で、４個の直径１２．７ｍｍ（０．５インチ）タングステンカーバイト製ボールを使用して混合した。混合は、遊星マイクロミル（プルヴァリセッテ（PULVERISETTE）モデル７）内にて、速度２で３０分間行った。得られた溶液は、０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）ギャップのギャップダイを使用して、１３μｍ厚アルミニウム箔上へと手で広げた。サンプルは１５分間風乾して、真空オーブン中１２０℃で１時間乾燥させた。
【０１１５】
比較実施例３
ＬｉＦｅＰＯ４（ホステック社（Phostech））３．６０ｇ、ＳＰ（導電性カーボンＳＰ、大阪ガスケミカル株式会社（Osaka Gas Chemicals Co.）、日本、大阪市）０．２０ｇ、１０重量％ポリビニリデン２．０ｇ（キナール（KYNAR）４７１、オーシモント（Ausimont）ＵＳＡ社（ニュージャージー州ソロフェア（Thorofare））ＮＭＰ溶液（１−メチル−２−ピロリジノン、ＡＣＳ等級、アルファ・エイサー（Alfa Aesar））
及びＮＭＰ５．０ｇを４５ｍＬステンレス鋼容器内で、４個の直径０．１２５ｃｍ（０．５インチ）タングステンカーバイト製ボールを使用して混合した。混合は、遊星マイクロミル（プルヴァリセッテ（PULVERISETTE）モデル７）内にて、速度２で３０分間行った。得られた溶液は、０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）ギャップのギャップダイを使用して、１３マイクロメートル厚アルミニウム箔上へと手で広げた。サンプルは、８０℃にて１５分間風乾し、真空オーブン中で１２０℃に設定して１時間乾燥させた。
【０１１６】
（実施例２５）
ＬｉＭｎ２Ｏ４（本荘ケミカル株式会社（Honjo Chemical）、日本、から入手可能）１．８０ｇ、ＳＰ（導電性カーボンＳＰ、大阪ガスケミカル株式会社（Osaka Gas Chemicals Co.）、０．１０ｇ、ポリ（アクリル酸）リチウム塩２．５重量％水溶液４．０ｇを４５ｍＬステンレス鋼容器内で、４個の直径１．２７ｃｍ（０．５インチ）タングステンカーバイト製ボールを使用して混合した。混合は、遊星マイクロミル（プルヴァリセッテ（PULVERISETTE）モデル７）内にて、速度２で３０分間行った。得られた溶液は、０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）ギャップのギャップダイを使用して、１３μｍ厚アルミニウム箔上へと手で広げた。サンプルは、８０℃にて１５分間風乾し、真空オーブン中で１２０℃にて１時間乾燥させた。
【０１１７】
試験用セルの作製−実施例２４〜２５及び比較実施例３
２３２５−ボタンセルの電極として、１６ｍｍ直径のディスクを打ち抜いた。各２３２５セルは、直径１８ｍｍアルミニウムスペーサー０．７８ｍｍ（０．０３１インチ）厚、直径１６ｍｍ電極、１個の直径２０ｍｍ微多孔性セパレータ（セルガード（Celgard）２４００）、直径１８ｍｍリチウム（０．３８ｍｍ厚リチウムリボン、アルドリッチ（Aldrich）、ウィスコンシン州ミルウォーキー（Milwaukee））から入手可能）及び０．７５ｍｍ（０．０３０インチ）厚の直径１８ｍｍ銅スペーサーから構成される。電解質（９０重量％（１ＥＣ：２ＤＥＣ ｖ／ｖ）中１ＭＬｉＰＦ６及び１０重量％ＦＥＣ）１００μＬを使用した。溶剤は、１ＥＣ：２ＤＥＣ混合物（容量で）（フェロ・ケミカルズ社（Ferro Chemicals）、ルイジアナ州ザカリー（Zachary）から）及びＦＥＣ（フルオロエチレンカーボネート）（福建省革新サイエンス＆テクノロジー・ディヴェロップメント（Fujian Chuangxin Science and Technology Development）、中国福建省）から作製した。混合物は、モレキュラーシーブ（タイプ３Ａ）上にて１２時間乾燥させた。
【０１１８】
ＬｉＦｅＯ４電極を持つ試験用セルを２．７０Ｖ〜３．８０Ｖ、４０ｍＡ／ｇの特定速度で、充電終了時に、４ｍＡ／ｇまでトリクルダウンしてサイクルを実施した。ＬｉＭｎ２Ｏ４電極を持つ試験用セルを３．０Ｖ〜４．３０Ｖ及び３．０Ｖ〜４．４０Ｖ、４０ｍＡ／ｇの特定速度で、充電終了時に、４ｍＡ／ｇまでトリクルダウンしてサイクルを実施した。これらの電極の性能を表７に示す。ポリ（アクリル酸）リチウム塩結合剤（実施例２４）を使用したＬｉＦｅＰＯ４電極を持つ試験用セルは、ポリ（フッ化ビニリデン）（キナール（KYNAR）４７１）結合剤を用いて作製したＬｉＦｅＰＯ４電極と同様のサイクル性能を示した。しかし、セルのインピーダンスは、ポリ（アクリル酸）リチウム塩結合剤を用いた場合に低かった。ポリ（アクリル酸）リチウム塩結合剤を有するＬｉＭｎ２Ｏ４電極を持つ試験用セルは、サイクル中の良好な容量保持力を示した。これらの電極では、サイクル（２５サイクルまで）の初期段階にて、容量減退が観察されたが、その後２００サイクルまで、容量は安定した。金属リチウム対極を有する試験用セルでは、２００サイクル後に、９４％という優れた容量保持力が、観察された。
【０１１９】
【表７】
【０１２０】
電極製作−実施例２６〜２７及び比較実施例４〜９
８０重量％活性物質（ＡＭ）、１２重量％カーボンブラック及び８重量％結合剤２種類の活性物質を試験した。（１）Ｆｅ２Ｏ３（＜５μｍ、アルドリッチ（Aldrich））及び（２）「Ｆｅ２Ｏ３、ボールミルにかけたもの」ボールミルプロセスは、次の通り。Ｆｅ２Ｏ３粉末４ｇを、アルゴン保護下にて、直径１２ｍｍ硬化ステンレス鋼ボールを混合媒体として備えた、スペックス（Spex）８０００高エネルギーボールミル装置を使用して、２時間ミルにかけた。ここで使用したカーボンブラックは、スーパーＳカーボンブラック（ＳＳ）（ＭＭＭカーボン（ベルギー））であった。４つの結合剤：（１）ポリ（フッ化ビニリデン）（ＰＶＤＦ）、（２）ポリ（アクリル酸）リチウム塩（１００％中和されたもの）、（３）ポリイミド（ＰＩ）及び（４）カルボキシメチルセルロースナトリウム（ＣＭＣ）を使用した。電極は、表８に示すようにして試験した。
【０１２１】
【表８】
【０１２２】
電極調製−実施例２６〜２７及び比較実施例４〜９
（実施例２６）
ＡＭ ０．５９２ｇ、ＳＳ ０．０８９ｇ、ＰＡＡ（−１００％リチウム塩）溶液（１１重量％水溶液、上述の方法にて作製した）０．５３８ｇ及び水０．７３２ｇを卵形硬化鋼バイアル瓶内に加えた。混合物を０．５時間、毎分５００回で、低エネルギーボールミル（改良型スペックス（Spex）８０００ミル）を使用して振盪させた。次に、形成させたスラリーは、７５μｍ高さのノッチバーで銅箔上にキャストし、９０℃空気中にて一晩乾燥させた。典型的な活性物質使用量は、２．５８ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１２３】
（実施例２７）
ＡＭ ０．５０３ｇ、ＳＳ ０．０７５ｇ、ＰＡＡ（−１００％リチウム塩）溶液（１１重量％水溶液、上述の方法にて作製した）０．４５７ｇ及び水１．３１３ｇを卵形硬化鋼バイアル瓶内に加えた。混合物を振盪させてスラリーを形成させ、次に実施例２６に記載されているようにして被覆し、そして乾燥させた。典型的な活性物質使用量は、１．３２ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１２４】
比較実施例４
ＡＭ ０．５９０ｇ、ＳＳ ０．０８８ｇ、ＰＶＤＦ溶液（Ｎ−メチルピロリジノン（ＮＭＰ）中９重量％溶液）０．６５５ｇ、ＮＲＣ、カナダ）及びＮＭＰ １．５４５ｇを卵形硬化鋼バイアル瓶内に加えた。混合物を振盪させてスラリーを形成させ、次に実施例２６に記載されているようにして被覆し、そして乾燥させた。典型的な活性物質使用量は、１．１９ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１２５】
比較実施例５
ＡＭ ０．５１８ｇ、ＳＳ ０．０７７ｇ、ＰＩ溶液（ＨＤマイクロＰＩ２５２５、１９．６固形物重量％ＮＭＰ溶液）０．２６３ｇ及びＮＭＰ １．４００ｇを卵形硬化鋼バイアル瓶内に加えた。混合物を振盪させてスラリーを形成させ、次に実施例２６に記載されているようにして被覆し、そして乾燥させた。典型的な活性物質使用量は、１．３８ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１２６】
比較実施例６
ＡＭ ０．５００ｇ、ＳＳ ０．０７５ｇ、ＣＭＣ粉末（ダイセル（Daicel）ＣＭＣ２２００）０．０５０ｇ及び水２．４８５ｇを卵形硬化鋼バイアル瓶内に加えた。混合物を振盪させてスラリーを形成させ、次に実施例２６に記載されているようにして被覆し、そして乾燥させた。典型的な活性物質使用量は、１．００ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１２７】
比較実施例７
ＡＭ ０．５１５ｇ、ＳＳ ０．０７７ｇ、ＰＶＤＦ溶液０．５７２ｇ（Ｎ−メチルピロリジノン（ＮＭＰ）９重量％溶液、ＮＲＣ（カナダ））及びＮＭＰ １．５６２ｇを卵形硬化鋼バイアル瓶内に加えた。混合物を振盪させてスラリーを形成させ、次に実施例２６に記載されているようにして被覆し、そして乾燥させた。典型的な活性物質使用量は、１．０７ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１２８】
比較実施例８
ＡＭ ０．６０８ｇ、ＳＳ ０．０９１ｇ、ＰＩ溶液０．３１０ｇ（ＨＤマイクロＰＩ２５２５、固形物１９．６重量％ＮＭＰ溶液）及びＮＭＰ １．５４５ｇを卵形硬化鋼バイアル瓶内に加えた。混合物を振盪させてスラリーを形成させ、次に実施例２６に記載されているようにして被覆し、そして乾燥させた。典型的な活性物質使用量は、１．４５ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１２９】
比較実施例９
ＡＭ ０．５００ｇ、ＳＳ ０．０７５ｇ、ＣＭＣ粉末（ダイセル（Daicel）ＣＭＣ２２００）０．０５０ｇ及び水２．５６５ｇを卵形硬化鋼バイアル瓶内に加えた。混合物を振盪させてスラリーを形成させ、次に実施例２６に記載されているようにして被覆し、そして乾燥させた。典型的な活性物質使用量は、０．９４ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１３０】
実施例２６〜２７及び比較実施例４〜９のための試験用セルの調製
Ｆｅ２Ｏ３電極は、対極及び参照電極としてのリチウム箔（ＦＭＣ）ディスクを使用した２３２５型コインセル内で作用電極としての役割を果たす。各コインセルのために、ミクロ孔質ポリプロピレン（ＰＰ）セパレータ（セルガード（Celgard）２５００）の層を使用した。使用した電解質は、エチレンカーボネート（ＥＣ）：ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）（容積比１：２、グラント・ケミカル・フェロ・ディヴィジョン（Grant Chemical Ferro Division））９０重量％：フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ、福建省革新（Fujian Chuangxin）（中国））１０重量％の混合液中１Ｍ ＬｉＰＦ６（ステラ（Stella）、日本）であった。コインセルは、アルゴンで充たされたグローブボックス内で、組み立てかつクリンプシールした。セルは、最初の２サイクルは、Ｃ／２０でサイクルを実施し、続いて、サイクルの残りをＣ／５でサイクルを実施した。Ｃ率は、比容量１００７ｍＡｈ／ｇに基づいて計算した。
【０１３１】
実施例２６及び比較実施例４〜６の手順に従って作製したＦｅ２Ｏ３電極についてのサイクリング結果（ｍＡｈ／ｇ対サイクル数）は、図１に示されている。
【０１３２】
図２は、実施例２７及び比較実施例７〜９についてのサイクリングデータを示す。
【０１３３】
実施例２８並びに比較実施例１０〜１１
Ｓｉ６０Ａｌ１４Ｆｅ８ＴｉＩｎ３Ｓｎ４Ｍｍ１０メルトスパンリボン１．６ｇ（米国特許出願公開第２００７／００２０５２２号公報（オブロヴァック（Obrovac）ら）の実施例２にて開示されている手順に従って作製し、２００℃でアルゴン中１時間熱処理した。スーパーＰカーボンブラック０．２４ｇ、ＰＡＮ（アルドリッチ（Aldrich））１０重量％ＮＭＰ（アルドリッチ）溶液１．６ｇ及びＮＭＰ ３．４ｇを、３個の９．５ｍｍ（３／８インチ）タングステンカーバイト製ボールと共に、４０ｍＬタングステンカーバイド製ミル用容器内にて、フリッチュ（Fritsch）プルヴァリセッテ（PULVERISETTE）遊星ミルを使用し、速度３に設定して１時間混合した。得られたスラリーは、１９０μｍ（０．００７５インチ）ギャップを持つドクターブレードを使用してニッケル箔上へと広げた。次に、電極を８０℃オーブン内に３０分間置き、ＮＭＰの大部分を除去し、次に２６０℃オーブン内空気中で一晩硬化させた。コインセルは、リチウム対極／参照電極を備えた硬化させた電極及びＥＣ／ＤＥＣ（１：２容量比）電解質中１Ｍ ＬｉＰＦ６を用いて組み立てた。電極の容量及びクーロン効率のプロットを図３に示す。空気中に代えてヘリウム中で硬化させたＰＡＮ結合剤を備えたＳｉ６０Ａｌ１４Ｆｅ８ＴｉＩｎ３Ｓｎ４Ｍｍ１０電極（比較実施例１１）及び２０重量％（ＮＭＰ中）ＰＩ結合剤（ピラリン（PYRALIN）ＰＩ２５５５、ＨＤマイクロシステムズ（HD Microsystems）、ニュージャージー州パーリン（Parlin）から入手可能）を備えたＳｉ６０Ａｌ１４Ｆｅ８ＴｉＩｎ３Ｓｎ４Ｍｍ１０電極（比較実施例１２）からの結果もまた図に示す。
【０１３４】
（実施例２９）
Ｓｉ６０Ａｌ１４Ｆｅ８Ｔｉ１Ｓｎ７（Ｍｎ）１０合金１．６ｇ（米国特許出願公開第２００７／００２０５２１号公報（オブロヴァック（Obrovac）ら）の実施例１の手順を使用して作製）スーパーＰカーボンブラック０．２４ｇ及びフェノール樹脂（米国特許第７，１５０，７７０号明細書（カイパート（Keipert）ら）のコラム１１にて「ＲＰＲ１」と称され、水で７５重量％固形物まで希釈される）０．２１３３ｇをＮＭＰ ４ｇと混ぜ合わされ、そしてクラボウ・マゼラスター（Kurabo Mazerustar）ＫＫ−５０Ｓ内で、ステップａ：６−６−８、ステップｂ：８−５−１０及びステップｃ：９−１−６の設定にて、混合した。スラリーは、１９０μｍ（０．００７５インチ）ギャップを備えたドクターブレードを用いてニッケル箔上へと被覆し、９１℃にて１時間オーブン内で乾燥させた。次に、得られた被覆を３片に分け、第１片を１０１℃にて１６時間空気中で硬化し、第２片を２００℃にて２時間空気中で硬化し、第３片を２００℃にて２時間空気中で硬化し、続いて３００℃にて２４時間アルゴン中で硬化させた。電気化学半セル（リチウムを対極を使用）をコインセル内にて、ＥＣ／ＤＥＣ １：２電解質（１Ｍ ＬｉＰＦ６含む）を用いて組み立てた。セルは、電圧制限５ｍＶ〜９００ｍＶ、一定電流１００ｍＡにて、最初の３サイクルをサイクリングし、次に２００ｍＡ／ｇにて後続サイクルを実施した。図４は、セルのサイクル性能を示す。３００℃にてアルゴン中で硬化させた負極を含有するセルは、より低温で硬化させたセルと比較して、驚くべきほどに改善された性能を示す。
【０１３５】
（実施例３０）
グルコース（アルドリッチ（Aldrich）、無水）１．０５６２ｇをアルミニウム秤量皿に入れ、２００℃まで空気中で２時間加熱し、次に、３００℃までアルゴン中で２４時間加熱した。加熱後、固形物０．２９６ｇのみが、秤量皿に残っていることが見出された。このことから、グルコースは、これらの条件下で加熱後、その重量の２９．６％を保持すると決定した。スラリーは、Ｓｉ６０Ａｌ１４Ｆｅ８Ｔｉ１Ｓｎ７（Ｍｎ）１０合金（実施例２９から）２ｇ、スーパーＰカーボンブラック０．３ｇ及びグルコース０．６７ｇを、水及びエタノールの５０／５０溶液４ｇと組み合わせることにより調製した。スラリーをクラボウ・マゼラスター（Kurabo Mazerustar）ミキサー内で混合し、実施例２９に記載されているようにして、ニッケル箔上に広げた。次に、電極を、８０℃にて１時間空気中で乾燥させ、続いて２００℃にて空気中で２時間加熱し、最後に３００℃にてアルゴン中で２４時間加熱した。上記重量喪失実験から、電極が、加熱後に、Ｓｉ６０Ａｌ１４Ｆｅ８Ｔｉ１Ｓｎ７（Ｍｎ）１０合金８０重量％、スーパーＰ１２重量％、グルコース固形分８重量％の組成を有するものと計算した。電気化学セルは、実施例２９に記載されているようにして、組み立てて、そして試験をした。サイクル性能は、図５に示す。セルは、５０サイクル後に非常に小さな容量損失である優れたサイクリングを示した。
【０１３６】
本発明の範囲及び趣旨から逸脱しない本発明の様々な変更や改変は、当業者には明らかとなるであろう。本発明は、本明細書で述べる例示的な実施形態及び実施例によって不当に限定されることを意図するものではないこと、また、こうした実施例及び実施形態は、本明細書において以下に記述する特許請求の範囲によってのみ限定されることを意図する本発明の範囲に関する例示のためにのみ提示されることを理解すべきである。引用した参照文献は全て、それらの全体が本明細書に参考として組み込まれる。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、米国実用新案出願第１１／６７１，６０１号明細書（２００７年２月６日出願）、並びに米国特許仮出願第６０／９１１，８７７号公報、同第６０／９１１，８７８号公報及び同第６０／９１１，８７９号公報（全て、２００７年４月１４日出願）からの優先権を主張し、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（発明の分野）
新規結合剤及びこれらの組成物により作製された電極を包含する電池パックを含むリチウムイオン電気化学セル用電極組成物を提供する。
【背景技術】
【０００３】
粉末状活性成分をポリフッ化ビニリデンのような高分子結合剤と共に混合することを伴うプロセス内にて、リチウムイオンセル用電極を製造するために、主族元素の粉末状合金及びカーボンブラックなどの導電性粉末が使用されてきた。混合成分は、高分子結合剤用溶中の分散体として調製され、金属箔基材又は集電体上へと被覆される。得られた複合電極は、金属基材に付着した結合剤中に粉末状活性成分を含有する。
【０００４】
ポリフッ化ビニリデン、芳香族及び脂肪族ポリイミド類及びポリアクリレート類などの多くのポリマー類が、金属及びグラファイト系リチウムイオンセル用電極のための結合剤として使用されてきた。しかし、得られたセル内の第１サイクル不可逆容量損失は、受け入れ難いほど大きい場合があり、例えば、粉末金属材料系電極について、３００ｍＡｈ／ｇ以上である。リチウムイオンセルなどの２次電気化学セルは、可逆的に充電及び放電を複数回行うことができる。リチウムイオン電池の場合、リチウムイオン電気化学セルの充電及び放電は、セルの電極のリチオ化及び脱リチオ化によって行われる。リチウムイオンセルを組み立てた際、それらは通常、正極中に過剰なリチウムイオンを含有し、負極中にリチウムイオンを含有しない。セルの初期サイクル反応（充電）中に、負極がそのリチウムイオン吸収容量に到達するまで、正極から負極へリチウムが移動する。最初の放電において、リチウムイオンは、リチオ化した負極から正極へとまた移動する。通常は、最初の充電後、負極内のリチウムイオンの全てが、負極外へ移動可能なわけではない。これにより、セル容量の不可逆的損失として知られているものがもたらされる。更なるサイクル（最初のサイクル後）によるセルの容量損失は、容量減退と呼ばれている。これは、繰り返しサイクルによる電極活物質のモルホロジー変化、繰り返しサイクル又はその他の原因による電極活物質上での絶縁膜の蓄積を含む様々な理由で生じうる。望ましいリチウムイオンセルは、初期サイクル後の不可逆容量損失が小さく、そして複数サイクル後の容量損失（減退）が小さいものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述したことを考慮すると、出願者らは、第１サイクル容量損失（不可逆容量損失）が小さく、そして容量減退が小さい電極が必要とされていると考える。加えて、高い熱的安定性及び向上した安全特性を有する電極が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様においては、リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料と、スズ、スズ合金、炭素及びこれらの組み合わせから選択される、リチウムポリアクリレートを含む非弾性結合剤と、を含む電極組成物を提供する。
【０００７】
別の態様では、リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料と、この粉末材料は、スズ、スズ合金、シリコン、シリコン合金、炭素及びこれらの組み合わせから選択される、リチウムポリアクリレートを含む非弾性結合剤と、を含む負極用電極組成物であって、１００％超〜約１０７％のカルボン酸基が中和されている、負極用電極組成物が提供される。
【０００８】
更に別の態様では、リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料と、この粉末材料は、スズ、スズ合金、シリコン、シリコン合金、炭素及びこれらの組み合わせから選択される、リチウムポリスチレンスルホネート、リチウムポリスルホネートフルオロポリマー、マレイン酸又はスルホン酸を含むコポリマーのリチウム塩、ポリアクリロニトリルポリマー、硬化フェノール樹脂、硬化グルコース及びこれらの組み合わせから選択される結合剤と、を含む電極組成物を提供する。
【０００９】
別の態様では、リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料と、粉末材料は、ＬｉＣｏＯ２；コバルト、マンガン及びニッケルを含むリチウム金属酸化物；Ｆｅ２Ｏ３；Ｌｉ４／３Ｔｉ５／３Ｏ４；ＬｉＶ３Ｏ８；ＬｉＶ２Ｏ５；ＬｉＣｏ０．２Ｎｉ０．８Ｏ２；ＬｉＮｉＯ２；ＬｉＦｅＰＯ４；ＬｉＭｎＰＯ４；ＬｉＣｏＰＯ４；ＬｉＭｎ２Ｏ４；並びにこれらの組み合わせから選択される、並びにリチウムポリスチレンスルホネート、リチウムポリスルホネートフルオロポリマー、マレイン酸又はスルホン酸を含むコポリマーのリチウム塩、ポリアクリロニトリルポリマー、硬化フェノール樹脂、硬化グルコース、並びにこれらの組み合わせから選択される結合剤と、を含む正極用電極組成物が提供される。
【００１０】
更に別の態様では、正極、負極、電解質を含む電気化学セルであって、電極の少なくとも１つが提供した電極組成物を含む電気化学セルが提供される。
【００１１】
更なる態様では、集電体を用意することと、リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料を用意することと、粉末材料は、スズ；スズ合金；炭素；ＬｉＣｏＯ２；コバルト、マンガン及びニッケルを含むリチウム金属酸化物；Ｆｅ２Ｏ３；Ｌｉ４／３Ｔｉ５／３Ｏ４；ＬｉＶ３Ｏ８；ＬｉＶ２Ｏ５；ＬｉＣｏ０．２Ｎｉ０．８Ｏ２；ＬｉＮｉＯ２；ＬｉＦｅＰＯ４；ＬｉＭｎＰＯ４；ＬｉＣｏＰＯ４；ＬｉＭｎ２Ｏ４；並びにこれらの組み合わせから選択される、この粉末材料とリチウムポリアクリレートを含む非弾性結合剤とを含む被覆を集電体に適用することと、を含む、電極の製造方法が提供される。
【００１２】
最後に、別の態様では、集電体を用意することと、リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料を用意することと、粉末材料は、スズ、スズ合金、シリコン、シリコン合金、炭素；ＬｉＣｏＯ２；コバルト、マンガン及びニッケルを含むリチウム金属酸化物；Ｆｅ２Ｏ３；Ｌｉ４／３Ｔｉ５／３Ｏ４；ＬｉＶ３Ｏ８；ＬｉＶ２Ｏ５；ＬｉＣｏ０．２Ｎｉ０．８Ｏ２；ＬｉＮｉＯ２；ＬｉＦｅＰＯ４；ＬｉＭｎＰＯ４；ＬｉＣｏＰＯ４；ＬｉＭｎ２Ｏ４；並びにこれらの組み合わせから選択される、リチウムポリスチレンスルホネート、リチウムポリスルホネートフルオロポリマー、マレイン酸又はスルホン酸を含むコポリマーのリチウム塩、ポリアクリロニトリルポリマー、硬化フェノール樹脂、硬化グルコース及びこれらの組み合わせから選択される結合剤とを含む被覆を集電体に適用することと、を含む、電極の製造方法が提供される。
【００１３】
提供された新規結合剤を使用することにより、不可逆容量及び減退を低下させることができる。リチウムポリ塩結合剤を使用して電極を形成させることによって、これらの電極における不可逆第１サイクル容量損失を大幅に低下させることができる。提供された結合剤を使用して、従来の高分子結合剤を用いて調製した電極又はセルと比較して、減少した第１サイクル不可逆容量損失を示す電極及びセルを作製することができる。
【００１４】
提供された新規結合剤は、小粒子合金粉末をベースにした電極を用いる充電式リチウムイオンセルのサイクル寿命を向上させることができる。開示された結合剤はまた、容量が向上し、容量減退が低減した充電式リチウムイオンセルの製造を可能にする。
【００１５】
本願において、
「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、「少なくとも１つの」と同じ意味で用いられ、記載された要素の１以上を意味する。
【００１６】
「金属」とは、金属類と、元素状態又はイオン状態のいずれかにある、シリコン及びゲルマニウムなどの半金属との両方を意味する。
【００１７】
「合金」とは、２種又はそれ以上の金属の混合物を意味する。
【００１８】
「リチオ化する」及び「リチオ化」とは、リチウムを電極材料に加えるプロセスを意味する。
【００１９】
「脱リチオ化する」及び「脱リチオ化」とは、電極材料からリチウムを除去するプロセスを意味する。
【００２０】
「活性材料」とは、リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な材料を意味する。
【００２１】
「充電する」及び「充電」とは、電気化学的エネルギーをセルに提供するプロセスを意味する。
【００２２】
「放電する」及び「放電」とは、例えば、所望の動作を実施するためにセルを使用する際に、セルから電気化学的エネルギーを除去するプロセスを意味する。
【００２３】
「正極」とは、放電プロセス中に電気化学的還元及びリチオ化が発生する電極（多くの場合、カソードと呼ばれる）を意味する。
【００２４】
「負極」とは、放電プロセス中に電気化学的酸化及び脱リチオ化が発生する電極（多くの場合、アノードと呼ばれる）を意味する。そして、
「高分子電解質」とは、電解質基を備えた繰返し単位を有する、ポリマー又はコポリマーを意味する。電解質基は、水中で解離して、ポリマーを水溶性にし、帯電したものとする、塩又はポリマー端又はポリマーペンダント基のいずれかが帯電した部分である。電解質基の例としては、カルボン酸、スルホン酸、ホスホン酸又は任意のその他酸性基の塩が挙げられる。
【００２５】
文脈上明白に他の意味に解すべき場合を除き、用語「脂肪族」、「脂環式」及び「芳香族」としては、炭素及び水素のみを含有する置換及び非置換部分、炭素、水素及びその他の原子（例えば、窒素又は酸素環原子）を含有する部分、並びに炭素、水素又はその他の原子（例えば、ハロゲン原子、アルキル基、エステル基、エーテル基、アミド基、ヒドロキシル基又はアミン基）を含有し得る原子又は基で置換された部分が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】提供された電極が２３２５型コインセルに組み込まれた場合の実施形態の１つのサイクル性能（ｍＡｈ／グラム対サイクル数）のグラフ。
【図２】提供された電極が２３２５型コインセルに組み込まれた場合の実施形態の別の１つのサイクル性能（ｍＡｈ／グラム対サイクル数）のグラフ。
【図３】ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）結合剤を有する提供された電極の実施形態の１つのサイクル性能（ｍＡｈ／グラム対サイクル数）のグラフ。
【図４】フェノール樹脂結合剤を有する提供された電極の実施形態の１つのサイクル性能（ｍＡｈ／グラム対サイクル数）のグラフ。
【図５】グルコース結合剤を有する提供された電極の実施形態の１つのサイクル性能（ｍＡｈ／グラム対サイクル数）のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
数字範囲の詳細説明には、その範囲内に含まれる全ての数が包含される（例えば、１〜５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４及び５を含む）。本明細書の全ての数値は、「約」という用語を付記する修正がなされるものとする。
【００２８】
負極又は正極にて使用可能な電極組成物を提供する。各種粉末材料を使用して、電極組成物を作製することができる。例示的粉末材料としては、例えば、炭素、シリコン、銀、リチウム、スズ、ビスマス、鉛、アンチモン、ゲルマニウム、亜鉛、金、白金、パラジウム、ヒ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、モリブデン、ニオビウム、タングステン、タンタル、鉄、銅、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、イットリウム、ランタニド、アクチニド又は前述の金属類若しくは半金属のうち任意のものを含有する合金、並びに当業者によく知られている、他の粉末状活性金属類及び半金属類を含有することができる。黒鉛状炭素粉末を使用して、開示された電極組成物を製造することもできる。例示的粉末は、一方向の最大長が６０μｍ以下、４０μｍ以下、２０μｍ以下、あるいはそれより更に小さいものであり得る。粉末は、例えば、サブミクロン、少なくとも１μｍ、少なくとも２μｍ、少なくとも５μｍ、少なくとも１０μｍ、あるいはそれより大きな最大粒径を有してもよい。例えば、好適な粉末は多くの場合、１μｍ〜６０μｍ、１０μｍ〜６０μｍ、２０μｍ〜６０μｍ、４０μｍ〜６０μｍ、１μｍ〜４０μｍ、２μｍ〜４０μｍ、１０μｍ〜４０μｍ、５μｍ〜２０μｍ又は１０μｍ〜２０μｍの最大寸法を有する。粉末材料は、粉末粒子内に任意のマトリックス形成剤を含有することができる。この粒子内に元々（即ち、第１リチオ化前に）存在する各相は、粒子内で他の相と接触することができる。例えば、シリコン／銅／銀合金を主成分とした粒子内では、シリコン相が銅シリサイド相及び銀又は銀合金相の両方と接触することができる。粒子内の各相は、例えば、５００オングストローム未満、４００オングストローム未満、３００オングストローム未満、２００オングストローム未満、１５０オングストローム未満、あるいはより小さい結晶粒度を有することができる。
【００２９】
本発明にて有用な例示的シリコン含有粉末材料としては、シリコン合金が挙げられ、ここで粉末材料は、約６５〜約８５モル％（モルパーセント）のシリコン、約５〜約１２モル％の鉄、約〜約１２モル％のチタン及び約５〜約１２モル％の炭素を含む。有用なシリコン合金の更なる例としては、米国特許出願公開第２００６／００４６１４４号公報（オブロヴァック（Obrovac）ら）に記載されているようなシリコン、銅及び銀又は銀合金、米国特許出願公開第２００５／００３１９５７号公報（クリステンセン（Christensen）ら）に記載されているような多相でシリコン含有の電極、米国特許出願第１１／３８７，２０５号公報、同第１１／３８７，２１９号公報及び同第１１／３８７，５５７号公報（全てオブロヴァック（Obrovac）ら）に記載されているような、スズ、インジウム、ランタニド、アクチニド元素又はイットリウムを含有するシリコン合金、米国特許出願第１１／５６２，２２７号公報（クリステンセン（Christensen）ら）に記載されているような高シリコン含有量を有する非晶質合金、及び米国特許出願第１１／４１９，５６４号公報（クラウス（Krause）ら）及び国際公開第２００７／０４４３１５号公報（クラウス（Krause）ら）に記載されているような負極に使用されるその他の粉末材料を含む組成物が挙げられる。
【００３０】
提供される組成物において有用なその他の例示材料としては、スズ、スズ合金、炭素及びこれらの組み合わせが挙げられる。提供された組成物の実施形態中にて有用なスズ合金としては、アルミニウム、チタン、鉄、インジウム、希土類金属、イットリウム及びシリコンを挙げることができる。スズ合金は、合金の最大重量％（ｗｔ％）がスズである合金である。スズ合金がシリコンを含む場合、合金中のシリコン量は、合金中のスズの重量％より小さく、合金中のスズの８０重量％未満であり、合金中のスズの７０重量％未満であり、合金中のスズの６０重量％未満であり、合金中のスズの５０重量％未満であり、合金中のスズの２５重量％未満であり、合金中のスズの１０重量％未満であり、合金中のスズの５重量％未満であり、あるいはそれよりも少ない。
【００３１】
本発明の電気化学セル及び電池又は電池パックの正極を製造するための有用な活性材料としては、Ｌｉ４／３Ｔｉ５／３Ｏ４、ＬｉＶ３Ｏ８、ＬｉＶ２Ｏ５、ＬｉＣｏ０．２Ｎｉ０．８Ｏ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４、ＬｉＭｎ２Ｏ４及びＬｉＣｏＯ２などのリチオ化合物類、米国特許第６，９６４，８２８号明細書、同第７，０７８，１２８号明細書（ルゥ（Lu）ら）に記載されているような、コバルト、マンガン及びニッケルの混合金属酸化物を含む正極活性材料組成物、並びに米国特許第６，６８０，１４５号明細書（オブロヴァック（Obrovac）ら）に記載されているようなナノコンポジット正極活性材料が挙げられる。
【００３２】
本発明の負極を製造するために有用な例示的粉末材料としては、米国特許第６，２０３，９４４号明細書及び同第６，６９９，３３６号明細書（共に、ターナー（Turner）ら）に記載されているようなもの、米国特許出願公開第２００３／０２１１３９０号公報（ダーン（Dahn）ら）に記載されているようなもの、米国特許第６，２５５，０１７号明細書（ターナー（Turner））及び同第６，４３６，５７８号明細書（ターナー（Turner）ら）に記載されているようなもの、粉末、フレーク、繊維又は球状物（例えば、メソカーボンマイクロビーズ（MCMB））などの形態で存在する黒鉛状炭素、米国特許出願公開第２００５／００７９４１７（Ａ１）号公報（キム（Kim）ら）、同第２００５／０１６４０９０（Ａ１）号公報（キム（Kim）ら）、同第２００６／００８８７６６（Ａ１）号公報（キム（Kim）ら）及び同第２００７／０１６６６１５（Ａ１）号公報（タカムク（Takamuku）ら）に記載されているようなバナジウムを含む金属酸化物粉末、米国特許出願公開第２００５／００７９４１７号公報、同第２００５／０１６４０９０号公報及び同第２００６／００８８７６６号公報（全て、キム（Kim）ら）、並びに米国特許出願公開第２００７／０１６６６１５号公報（タカムク（Takamuku）ら）に記載されているようなバナジウムを含む金属酸化物粉末、これらの組み合わせ、並びに当業者によく知られている他の粉末状物質が挙げられる。前述の参考文献のそれぞれは、その全体が本明細書に組み込まれる。
【００３３】
提供された結合剤と共に使用可能なその他の粉末状負極活性材料としては、リチウム並びに水素、リチウム及び希ガスを除く２０以下の原子番号の元素の少なくとも１種と共に合金化可能な合金材料を含む活性材料が挙げられる。合金材料としては、例えば、Ｓｎ並びにＮｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｉｎ及びＡｇなどの少なくとも１種の金属を挙げることができる。原子番号が２０以下の元素としては、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ又はＳを挙げることができる。負極活性材料は、リチウムがスムーズに挿入かつ抽出可能なように、低結晶質又は非晶質構造を有することができる。原子番号が２０以下の元素の含有量は、約１０重量％（ｗｔ％）〜約５０重量％の範囲内であり得る。
【００３４】
提供された負極活性材料の別の例は、スズ、コバルト及び炭素を含有し、インジウム、ニオビウム、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、アルミニウム、リン及びビスマスからなる群からの少なくとも１つを更に含有する。本負極活性材料の炭素含有量は、約９．９重量％〜約２９．７重量％であり、コバルト対スズとコバルトの総量の比が、約３０重量％〜約７０重量％である。炭素以外の第１４族元素及びタリウム以外の第１３族元素から選択される元素の少なくとも１種を含有する合金粉末からなる有用な負極材料も提供する。
【００３５】
他の有用な負極材料は、リチウム及び炭素と共に金属間化合物を生成可能な元素を含有する反応相を含む。本反応相中、Ｘ線回折による回折ピークの半価幅は、好ましくは０．５度以上である。
【００３６】
粉末状合金粒子は、導電性被覆を含むことができる。例えば、シリコン、銅及び銀又は銀合金を含有する粒子は、導電性材料層と共に被覆することができる（例えば、粒子コア内の合金組成物及び粒子シェル内の導電性材料にて）。好適な導電性材料としては、例えば、炭素、銅、銀又はニッケルが挙げられる。
【００３７】
例示的粉末状合金材料は、任意の既知の手段、例えば、物理的に混合し、次に各種前駆体構成成分を合金へと粉砕することによって調製することができる。混合は、単純にブレンドすること又は溶融スピニングによることが可能である。溶融スピニングは、合金組成物を高周波電界内で溶融し、次にノズルを通して回転ホイール（例えば、銅ホイール）の表面上へと射出することができるプロセスを含む。回転ホイールの表面温度が、溶融合金の温度よりも大幅に低いために、回転ホイールの表面に接触すると、溶融物は急冷される。急冷が、電極性能に有害となり得る巨大晶子の形成を最小限に抑える。導電性被覆を用いる場合、それらは電解メッキ、化学的気相成長、真空蒸着又はスパッタリングなどの技術を用いて形成させることができる。好適な粉砕は、垂直型ボールミル、水平型ボールミル又は当業者に既知のその他粉砕技術などの各種技術を使用することにより行うことができる。
【００３８】
電極組成物は、当業者によく知られている添加剤を含有することができる。電極組成物は、粉末材料から集電体への電子移動を促進するための導電性希釈剤を含むことができる。導電性希釈剤としては、炭素（例えば、負極用カーボンブラック及び正極用のカーボンブラック、一次黒鉛など）、金属、金属窒化物類、金属炭化物、金属シリサイド及び金属ホウ化物が挙げられるが、これらに限定されない。代表的導電性炭素希釈剤としては、カーボンブラック例えば、スーパーＰ及びスーパーＳカーボンブラック（共にＭＭＭカーボン社（MMM Carbon）、ベルギーより）、シャワニガンブラック（SHAWANIGAN BLACK）（シェヴロン・ケミカル社（Chevron Chemical Co.）、テキサス州ヒューストン（Houston））、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、グラファイト、炭素繊維及びこれらの組み合わせが挙げられる。
【００３９】
電極組成物は、粉末材料又は導電性希釈剤の結合剤への接着性を促進する接着促進剤を含むことができる。接着促進剤と結合剤との組み合わせは、リチオ化／脱リチオ化のサイクルの繰り返し中に、粉末材料内に発生することがある体積変化に、電極組成物がより適切に適応する手助けをすることができる。提供された結合剤は、金属類及び合金類への十分に良好な接着性を提供し、接着促進剤の添加を必要としないようにできる。使用する場合、接着促進剤結合剤の一部とすることができ（例えば、追加された官能基の形態である）、粉末材料上の被覆であることができ、導電性希釈剤に加えることができ又はこのような手段の組み合わせであることができる。接着促進剤の例としては、米国特許出願公開第２００４／００５８２４０号公報（クリステンセン（Christensen））に記載されているようなシラン類、チタネート類及びホスホネート類が挙げられる。
【００４０】
提供された結合剤は、リチウムポリ塩類を含む。リチウムポリ塩類としては、リチウムポリアクリレート類（ポリメタクリレート類を含む）、リチウムポリスチレンスルホネート類及びリチウムポリスルホネートフルオロポリマー類が挙げられる。リチウムポリ塩類は、対応するアクリル酸又はスルホン酸から、酸性基を塩基性リチウムによって中和することによって入手可能である。酸性基類を中和するためには、一般に水酸化リチウムが使用される。ナトリウムなどのその他カチオン類を、イオン交換によってリチウムと置き換えることもまた、本出願の範囲内である。例えば、ＳＫＴ１０Ｌ（商標名ジアニオン（DIANION）にて三菱化学株式会社（Mitsubishi Chemical Industries）から入手可能）などのイオン交換樹脂を使用して、ナトリウムイオンをリチウムイオンと置換することができる。
【００４１】
理論に束縛されるものではないが、リチウムポリ塩類は、粉末状活性材料を被覆し、そしてイオン導電性である層を形成させることができると考えられている。リチウムイオン電気化学セルは、リチウムイオン伝導度に依存するため、このことは、これらの結合剤を用いて作製した電極の寿命延長及び減退低減の能力を向上させる。更に、提供されたリチウムポリ塩類は、電気伝導が幾分維持されるように十分に薄く、粉末状活性材料を被覆すると考えられている。最後に、リチウムポリ塩類は、サイクルを繰り返した際に、リチウムイオン電極の早期故障に繋がることが当業者に知られている絶縁性のＳＥＩ（固体電解質界面）（solvent electrolyte interface）層の形成を抑制することができると考えられている。
【００４２】
提供された結合剤は、酸（そこからポリ塩が誘導される）の酸性基（末端又はペンダント基にある）のモル当量を基準にして、少なくとも約５０モル％、少なくとも約６０モル％、少なくとも約７０モル％、少なくとも約８０モル％、少なくとも約９０モル％又はそれ以上のリチウムを含む。中和可能な酸性基としては、カルボン酸、スルホン酸、ホスホン酸及び任意のその他の酸性基（ポリマー上に一般的に見出される、置換のための１個のプロトンを有する）が挙げられる。本発明にて有用な市販材料の例としては、ペルフルオロスルホン酸ポリマー類、例えば、ナフィオン（NAPHION）（デュポン社（Dupont）（デラウェア州ウィルミントン（Wilmington））から入手可能）及び熱可塑性アイオノマーポリマー類、例えば、サーリン（SURLYN）（これもまたデュポン（DuPont）から入手可能）が挙げられる。興味のあるその他材料としては、米国特許第６，２８７，７２２号明細書（バートン（Barton）ら）に記載されるもののようなリチウムポリイミド類が挙げられる。
【００４３】
リチウムポリアクリレートは、水酸化リチウムによって中和したポリ（アクリル酸）から作製することができる。本願において、ポリ（アクリル酸）は、アクリル酸若しくはメタクリル酸又はそれらの誘導体からなる任意のポリマー又はコポリマーを、アクリル酸又はメタクリル酸を使用して作製されたコポリマーの、少なくとも約５０モル％、少なくとも約６０モル％、少なくとも約７０モル％、少なくとも約８０モル％又は少なくとも約９０モル％含む。これらのコポリマー類を形成させるために使用可能な有用なモノマー類としては、例えば、１〜１２個の炭素原子を持つアルキル基（分枝又は非分枝）、アクリロニトリル類、アクリルアミド類、Ｎ−アルキルアクリルアミド類、Ｎ，Ｎ−ジアルキルアクリルアミド類、ヒドロキシルアルキルアクリレート類、マレイン酸、プロパンスルホネート類、などを有するアクリル酸又はメタクリル酸のアルキルエステル類が挙げられる。特に興味深いのは、特に、中和又は部分的中和後において水溶性であるアクリル酸又はメタクリル酸のポリマー類又はコポリマー類である。水溶性は通常、ポリマー若しくはコポリマーの分子量及び／又は組成物の関数である。ポリ（アクリル酸）は、高度に水溶性であり、そしてアクリル酸を大きなモル分率で含有するコポリマー類と一緒であることが好ましい。ポリ（メタクリル）酸は、特に分子量がより大きい場合に、水溶性はより小さい。
【００４４】
本発明にて有用なアクリル酸及びメタクリル酸のホモポリマー類及びコポリマー類は、約１０，０００グラム／モル超、約７５，０００グラム／モル超、あるいは約４５０，０００グラム／モル超、更にはより大きい分子量（Ｍｗ）を有することができる。本発明にて有用なホモポリマー類及びコポリマーは、約３，０００，０００グラム／モル未満、約５００，０００グラム／モル未満、約４５０，０００グラム／モル未満、あるいはより小さい分子量（Ｍｗ）を有する。ポリマー類又はコポリマー類上のカルボン酸酸性基（Carboxylic acidic groups）は、ポリマー類又はコポリマー類を水又は別の好適な溶媒、例えば、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド又は水と混和性の、その他の双極性非プロトン性溶媒の１種以上中に溶解させることによって中和することができる。ポリマー類又はコポリマー類上のカルボン酸基（アクリル酸又はメタクリル酸）は、水酸化リチウム水溶液にて滴定することができる。例えば、ポリ（アクリル酸）３４重量％の水溶液は、水酸化リチウム２０重量％の水溶液による滴定によって中和することができる。通常は、モル基準で、５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、１００％以上、１０７％以上のカルボン酸基が、リチオ化される（水酸化リチウムで中和される）。１００％超のカルボン酸基が中和される場合、これは、十分な水酸化リチウムがポリマー又はコポリマーへ添加されて、存在する過剰水酸化リチウムによって、全ての基が中和されることを意味する。
【００４５】
リチウムポリスルホネートフルオロポリマー類は、対応するポリスルホン酸フルオロポリマー類から、ポリスルホン酸フルオロポリマー類を水酸化リチウムなどの塩基で中和することによって作製することができる。ポリマー上のスルホン酸基は、水酸化リチウム水溶液にて滴定することができる。例えば、ポリスルホン酸フルオロポリマー８．８％の水溶液は、水酸化リチウム２０重量％の水溶液による滴定によって中和することができる。通常は、モル基準で、５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上又は全てのスルホン酸基が、リチオ化される（水酸化リチウムで中和される）。
【００４６】
本願において、ポリスルホネートフルオロポリマー類としては、スルホン酸基で終端処理されたペンダント基を有するフルオロポリマー類が挙げられる。ポリスルホネートフルオロポリマー類は、高フッ素化主鎖及びペンダント基を含むポリスルホン酸フルオロポリマー類から誘導することができ、ここで、ペンダント基は
ＨＯ３Ｓ−（ＣＦＲｆ）ａ（ＣＦＲｆ）ｂ−Ｚ１−（ＣＦＲｆ）ｃ（ＣＦＲｆ）ｄ−Ｚ２−
（式中、ａ、ｂ、ｃ及びｄのそれぞれは、独立して０〜３の範囲であり、ｃ＋ｄが少なくとも１であり、Ｚ１及びＺ２は酸素原子又は単結合であり、そして各Ｒｆは、独立して、Ｆであるか又は実質的にフッ素化されているかのいずれかの、分枝又は非分枝の、１〜１５個の炭素原子及び０〜４個の酸素原子をフルオロアルキル、フルオロアルコキシ又はフルオロエーテル鎖内に含有する、フルオロアルキル、フルオロアルコキシ又はフルオロエーテル基）を含む。好適なペンダント基の例としては、
−ＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）ＯＣＦ２ＣＦ２ＳＯ３Ｈ；−Ｏ（ＣＦ２）４ＳＯ３Ｈ及びこれらの組み合わせが挙げられる。
【００４７】
フルオロポリマーの主鎖若しくはペンダント基又はその両方は、実質的に又は完全にフッ素化（ペルフルオロ化）することができる。実質的にフッ素化された主鎖又はペンダント基は、鎖の全体重量を基準にして、約４０重量％以上のフッ素を含む。フルオロポリマーはまた、式−ＳＯ３Ｈを有するスルホニル末端基など、１種以上の酸性末端基を含むことができる。本発明の一実施態様では、フルオロポリマーの主鎖は、ペルフルオロ化されている。提供された組成物の幾つかの実施形態で有用であり得る他の好適なポリスルホネートフルオロポリマー類は、米国特許第６，２８７，７２２号明細書（バートン（Burton）ら）、同第６，６２４，３２８号明細書（ゲラ（Guerra））及び米国特許出願公開第２００４／０１１６７４２号公報（ゲラ（Guerra））、並びに本出願人らの同時係属出願である米国特許出願第１０／５３０，０９０号公報（ハンロック（Hamrock）ら）中に見出すことができる。提供された組成物の幾つかの実施形態にて有用な他の材料としては、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）のコポリマー類及び式ＦＳＯ２−ＣＦ２−ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ（ＣＦ３）−ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ２に従うコモノマーから誘導されるリチウムポリスルホネートフルオロポリマー類が挙げられる。これらは、デュポン・ケミカル社（DuPont Chemical Company）（デラウェア州ウィルミントン（Wilmington））により、商標名ナフィオン（NAFION）として知られており、かつスルホン酸形態（即ち、ＦＳＯ２−末端基がＨＳＯ３−へと加水分解されている）にて販売されている。
【００４８】
米国特許第４，３５８，５４５号明細書及び同第４，４１７，９６９号明細書（共にエゼル（Ezell）ら）は、約２２，０００未満で、当量８００〜１５００の水和物を有するポリマー及びそのイオン交換膜を開示し、これは、実質的にフッ素化された主鎖及び式ＹＳＯ３−（ＣＦＲ１ｆ）ｃ（ＣＦＲ２ｆ）ｄ−Ｏ−主鎖に従うペンダント基を有し、式中、Ｙは水素又はアルカリ金属であり、Ｒ１ｆ及びＲ２ｆは実質的にフッ素化されたアルキル基であり、ｃは０〜３であり、ｄは０〜３であり、ｃ＋ｄは少なくとも１である。これら材料を使用して、（中和によって）提供された組成物及び方法のいくつかの実施形態にて有用なリチウムポリスルホネートフルオロポリマー類を誘導することができる。
【００４９】
リチウムポリスチレンスルホネート類は、対応するポリスチレンスルホン酸類から、ポリスチレンスルホン酸類を水酸化リチウムなどの塩基で中和することによって作製することができる。ポリマー上のスルホン酸基は、水酸化リチウムの水溶液にて滴定することができる。例えば、ポリスチレンスルホン酸５％の水溶液は、水酸化リチウム２０重量％の水溶液による滴定によって中和することができる。通常は、モル基準で、５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上又は全てのスルホン酸基が、水酸化リチウムによって中和される。あるいは、ポリスチレンスルホン酸ナトリウムは、ポリサイエンス社（Polysciences, Inc.）（ペンシルベニア州ウォリントン（Warrington））から、分子量７０，０００及び５００，０００の溶液として入手可能であり、そしてナトリウムは、リチウムを充填したカチオン交換樹脂を通過させることで、リチウムと交換することが可能である。分子量が約１０，０００〜約２，０００，０００のポリスチレンスルホネート類が、本発明にて有用であり得る。提供されたポリスチレンスルホネート類としては、スチレンスルホン酸のポリマー類又はコポリマー類が挙げられる。ほとんどの場合、スチレン部分のベンゼン環上には、１個のスルホン酸基が存在し得る。通常、それは環のパラ位又は３−位であり得る。スチレンのベンゼン環は更に、約１個〜約６個の炭素原子を含有する分枝又は非分枝の、アルキル又はアルコキシ基を含むその他の基で置換され得るが、これらに限定するものではない。加えて、置換基が実質的にスルホン酸基の酸性度を阻害しない限り、その他の置換が可能である。
【００５０】
結合剤として有用であり得るスルホン化ポリマー類としては、ポリ（スルホン酸アリール類）例えば、ポリスチレンスルホネート、スチレンスルホネートのコポリマー類、例えばスチレンスルホネートと無水マレイン酸とのコポリマー、アクリルアミドと２−メチル−１−プロパンスルホネートとのコポリマー類、ビニルスルホネート類のホモポリマー類及びコポリマー類、アリルスルホネート類のホモポリマー類及びコポリマー類、並びにアルキルビニルベンゼンスルホネート類のホモポリマー類及びコポリマー類が挙げられる。提供された結合剤のためのその他潜在的に有用なポリマー類は、米国特許第５，５０８，１３５号明細書（レレンタール（Lelental）ら）に見出すことができる。
【００５１】
別の実施形態では、合金負極組成物のためのポリアクリロニトリル系結合剤を提供する。ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）は、空気中、２００℃〜３００℃の温度にて反応して、「ブラックオーロン」として知られているリボン様高分子炭素を形成させる。スキーム（Ｉ）は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）の熱化学を示す。
【００５２】
【化１】
【００５３】
ブラックオーロンは、非常に良好な熱的及び機械的安定性を有するラダーポリマーである。ブラックオーロンを結合剤として使用して組み立てた電極は、ポリイミド（ＰＩ）を用いて作製したものと同様の電気化学的性能を有した。
【００５４】
別の実施形態では、不活性雰囲気中、２００℃超の温度にて硬化される、有機ポリマー類及び単純有機物質を含む、結合剤を提供する。米国特許第７，１５０，７７０号明細書及び同第７，１５０，７７１号明細書（共に、カイパート（Keipert）ら）に記載されているようなフェノール樹脂並びにグルコースなどの分子が含まれる。
【００５５】
提供された結合剤は、その他の高分子材料と混合して、材料のブレンドを作製することができる。これは、例えば、結合剤の、接着性を向上させるために、伝導性を向上させるために、熱的特性を変化させるために、あるいは、他の物理的性質に影響を与えるために実施してよい。しかしながら、本発明の結合剤は、非エラストマー系である。非エラストマー系とは、結合剤が相当量の天然又は合成ゴムを含有しないことを意味する。合成ゴム類としては、スチレン−ブタジエンゴム及びスチレン−ブタジエンゴムのラテックスが挙げられる。例えば、本発明の結合剤は、２０重量％未満、１０重量％未満、５重量％未満、２重量％未満又はそれ以下の天然若しくは合成ゴムを含有する。
【００５６】
開示されたリチウムイオンセル内で種々の電解質を用いることができる。代表的な電解質は、１種類以上のリチウム塩類及び固体、液体又はゲルの形態の電荷運搬媒体を含有する。代表的リチウム塩は、セル電極が稼動する電気化学的帯域及び温度範囲（例えば、約−３０℃〜約７０℃）内において安定しており、選択した電荷保持媒体に可溶で、選択したリチウムイオンセル内で良好に機能することができる。代表的リチウム塩類としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、リチウムビス（オキサラト）ボレート、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３及びこれらの組み合わせが挙げられる。代表的電荷担持媒体は、セルの電極が稼動する電気化学的帯域及び温度範囲内において、凍結又は沸騰することなく安定しており、適した量の電荷が正極から負極へ運搬されることが可能なだけの十分な量のリチウム塩を可溶化し、選択したリチウムイオンセル内で良好に機能することができる。代表的固体電荷担持媒体としては、高分子媒体例えば、ポリエチレンオキシド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ素含有コポリマー類、ポリアクリロニトリル、これらの組み合わせ及び当業者によく知られているその他の固体媒体が挙げられる。代表的液体電荷担持媒体としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、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、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、フルオロプロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン（butylrolactone）、メチルジフルオロアセタート、エチルジフルオロアセタート、ジメトキシエタン、ジグリム（ビス（２−メトキシエチル）エーテル）、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、これらの組み合わせ及び当業者によく知られているその他の媒体が挙げられる。代表的電荷担持媒体ゲルとしては、米国特許第６，３８７，５７０号明細書（ナカムラ（Nakamura）ら）及び同第６，７８０，５４４号明細書（ノー（Noh））に記載されるものが挙げられる。電荷担持媒体の可溶化力は、好適な共溶媒を添加することによって向上することができる。代表的共溶媒としては、選択した電解質を含有するリチウムイオンセルと適合する芳香性物質が挙げられる。代表的な共溶媒としては、トルエン、スルホラン、ジメトキシエタン、これらの組み合わせ及び当業者によく知られているその他の共溶媒が挙げられる。電解質は、当業者によく知られているその他の添加剤を含むことができる。例えば、電解質は、米国特許第５，７０９，９６８号明細書（シミズ（Shimizu））、同第５，７６３，１１９号明細書（アダチ（Adachi））、同第５，５３６，５９９号明細書（アラムギール（Alamgir）ら）、同第５，８５８，５７３号明細書（エイブラハム（Abraham）ら）、同第５，８８２，８１２号明細書（ヴィスコ（Visco）ら）、同第６，００４，６９８号明細書（リチャードソン（Richardson）ら）、同第６，０４５，９５２号明細書（カー（Kerr）ら）及び同第６，３８７，５７１号明細書（レイン（Lain）ら）、並びに米国特許出願公開第２００５／０２２１１６８号公報、同第２００５／０２２１１９６号公報、同第２００６／０２６３６９６号公報及び同第２００６／０２６３６９７号公報（全て、ダーン（Dahn）ら）に記載されるもののような、酸化還元を繰り返す化学物質（a redox chemical shuttle）を含有することができる。
【００５７】
提供された電気化学セルは、正極及び負極の各々の少なくとも１つを前述したように作製し、そしてそれらを電解質内に配置することによって作製することができる。通常は、微多孔性セパレータ、例えば、セルガード（Celgard）２４００微多孔性材料（セルガード社（Celgard LLC）、ノースカロライナ州シャーロット（Charlotte））から入手可能）を使用して、負極が正極に直接接触するのを防止することができる。提供された負極及び結合剤を用いて作製した電気化学セルは、従来の結合剤を用いた負極を収容した類似のセルよりも、不可逆容量損失及び減退が減少した。
【００５８】
提供されたセルは、携帯型コンピュータ類、タブレット型表示器類、携帯情報端末類、携帯電話類、モータ駆動装置類（例えば、個人用又は家庭電化製品類及び乗り物類）、機器類、照明装置類（例えば、懐中電灯類）及び加熱装置を含む様々なデバイスに使用することができる。１以上の提供された電気化学セルを組み合わせて、電池パックを提供することができる。充電式リチウムイオンセル及び電池パックの構成及び用途に関する更なる詳細は当業者によく知られている。
【００５９】
以下の例示的実施例により、本発明を更に説明するが、ここでは、特に指示しない限り、すべての部分及び百分率は重量パーセント（ｗｔ％）を用いる。
【実施例】
【００６０】
準備的実施例１− Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０Ｃ１０合金の調製
Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０は、アーク炉内にて、シリコン塊（６５．４６１ｇ）（アルファ・エイサー社（Alfa Aesar）／９９．９９９％、ミシシッピー州ワードヒル（Ward Hill））、鉄片（１８．５９６ｇ）（アルファ・エイサー社／９９．９７％）及びスポンジチタン（１５．９４３ｇ）（アルファ・エイサー社／９９．７％）を溶融することによって調製した。Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０の合金インゴットを小さな塊へと砕き、ハンマーミル内で処理して、１５０μｍの平均粒径を有する合金粉末粒子を製造した。
【００６１】
Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０Ｃ１０合金は、Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０合金粉末（前述した）及びグラファイト（ティムレックス（TIMREX）ＳＦＧ４４、ティムカル社（Timcal, Ltd.）、スイス、ボディオ（Bodio））を、高運動エネルギーボールミル（シモロイアー（SIMOLOYER）、ＣＭ２０−２０１ｍ、ゾーズ社（ZozGmbH）、ドイツ、ヴェンデン（Wenden））内にて、反応性ボールミルを行うことによって作製した。Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０合金粉末１．４４２３ｋｇのサンプル、グラファイト０．０５７７ｋｇ及び４．７６ｍｍ直径のクロム−スチール製ボール２５ｋｇをミルに充填した。ミルを１８０サイクル稼動させたが、各サイクルは４５秒毎分５５０回転（ｒｐｍ）の後に１５秒３００ｒｐｍとした。総粉砕時間は３時間であった。粉砕中、ミルは冷水で冷却させた。
【００６２】
準備的実施例２− Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金粉末
合金組成物Ｓｉ７４．８Ｆｅ１２．６Ｔｉ１２．６は、アーク炉内にて、シリコン塊（１２３．３１ｇ）（アルファ・エイサー社（Alfa Aesar）／９９．９９９％、ミシシッピー州ワードヒル（Ward Hill））、鉄片（４１．２９ｇ）（アルファ・エイサー社／９９．９７％）及びスポンジチタン（３５．４０ｇ）（アルファ・エイサー社／９９．７％）を溶融することによって調製した。合金インゴットを小さな塊へと砕き、ハンマーミル内で処理して、約１５０μｍの合金粉末粒子を製造した。
【００６３】
Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金は、Ｓｉ７４．８Ｆｅ１２．６Ｔｉ１２．６合金粉末（２．８７２ｇ）及びグラファイト（０．１２８ｇ）（ティムレックス（TIMREX）ＳＦＧ４４、ティムカル社（TimCal Ltd）（スイス、ボディオ（Bodio）））を、スペックス・ミル（スペックス・セルチプレップグループ（Spex CERTIPREP Group）、ニュージャージー州メタチェン（Metuchen））内にて、１６個のタングステンカーバイト製ボール（直径３．２ｍｍ）と共に、１時間アルゴン雰囲気中にて、反応性ボールミルを行うことによって作製した。
【００６４】
準備的実施例３−リチウムポリアクリレートの調製
リチウムポリアクリレートは、水酸化リチウム水溶液をポリ（アクリル酸）水溶液へ添加することによって作製した。水酸化リチウム対カルボン酸基の異なるモル比を使用した。典型的には、水酸化リチウム２０重量％水溶液及びポリ（アクリル酸）の３４重量％水溶液を使用した。脱イオン水を添加して、リチウムポリアクリレートの最終溶液を１０重量％固形分とした。１００，０００（分子量）及び２５０，０００（分子量）のポリ（アクリル酸）は、水溶液としてアルドリッチ・ケミカルズ（Aldrich Chemicals）（ウィスコンシン州、ミルウォーキー（Milwaukee））から得た。ＬｉＯＨで中和したリチウムポリアクリレート６５重量％のサンプル（分子量１００，０００及び分子量２５０，０００の両方）は、脱イオン水１８５．５６ｇ、２０重量％水酸化リチウム溶液６０．４１ｇ及びポリ（アクリル酸）（ＰＡＡ）溶液１００ｇ（水中にて３４重量％）を添加することによって調製した。６４％中和された固形分１０重量％のリチウムポリアクリレート溶液が得られた。２つのサンプルはそれぞれ、「ＰＡＡ１００ｋ−６４％リチウム塩」及び「ＰＡＡ２５０ｋ−６４％リチウム塩」とした。
【００６５】
ポリ（アクリル酸）７．２１ｇ（０．０１モル）（分子量４５０，０００）（アルドリッチ・ケミカルズから入手可能）及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ、４．２０ｇ（０．０１モル）を、ローラー上で１時間転がすことによって、ガラスジャー内の脱イオン水３００．５７ｇ中に溶解させた。得られた溶液には、２．５重量％リチウムポリアクリレートが含まれていた。
【００６６】
１０７重量％の中和されたリチウムポリアクリレートの追加サンプルは、分子量１００，０００及び分子量２５０，０００のポリマーの両方を使用し、脱イオン水１４９．０１ｇ及び２０重量％の水酸化リチウム溶液１０６．０１ｇをポリ（アクリル酸）溶液（水中にて、３４重量％）１００ｇへと添加することによって調製した。水酸化リチウムが７モル％過剰である、１０重量％固形分のリチウムポリアクリレート溶液が得られた。２つのサンプルはそれぞれ、「ＰＡＡ１００ｋ−１０７％リチウム塩」及び「ＰＡＡ２５０ｋ−１０７％リチウム塩」とした。
【００６７】
準備的実施例４−リチウムポリスルホネートフルオロポリマーの調製
実施例９及び１０にて使用されるリチウムポリスルホネートフルオロポリマーは、米国特許出願公開第２００４／０１２１２１０号公報の実施例の項にて開示されている手順に従って合成された。コモノマーＡは、この点について参照される米国特許出願公開第２００４／０１１６７４２号公報及び米国特許第６，６２４，３２８号明細書（共にゲラ（Guerra））に開示されている手順に従って作製した。使用したポリスルホネートフルオロポリマーは、当量９８０を有した。
【００６８】
上記で特定した、当量９８０のポリスルホン酸フルオロポリマー１２４．６６ｇ（８．８重量％固形分の水溶液）へ、ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ Ｏ．４６ｇ（２０重量％溶液）を添加し、リチウムポリスルホネートフルオロポリマーを形成させた。
【００６９】
準備的実施例５−リチウムポリスルホネート溶液
イオン交換樹脂（三菱ＳＫＴ１０Ｌ、ジアニオン（DIANION）からのスルホン酸基との架橋ポリスチレン、イオン交換能＞１．９ｍｅｑ／ｍＬ）７５ｍＬを、ガラス製イオン交換カラム内へ充填した。樹脂をＬｉＯＨ−Ｈ２Ｏ（３倍過剰、２０重量％水溶液９０ｍＬ）１８．０ｇで中和した。得られる水がｐＨ７になるまで、過剰なＬｉＯＨを水洗した。次に、カラムに、水６０ｍＬ中で希釈した分子量５００，０００のポリ（スチレンスルホン酸）ナトリウム塩（ポリサイエンス社（Polysciences Inc.）から）３．０ｇを充填した。イオン交換した生成物である、ポリ（スチレンスルホン酸）リチウム塩（ＰＳＳリチウム）の水溶液（４．１８重量％）を、空気圧下にてゆっくりと収集した。
【００７０】
準備的実施例６−ポリ（エチレン−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩の合成
ポリ（エチレン−ａｌｔ−無水マレイン酸）（分子量１００，０００〜５００，０００）（アルドリッチケミカル社（（Aldrich Chemical Company）、ウィスコンシン州ミルウォーキー（Milwaukee））から入手可能）２５．２２ｇ及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ １６．７８ｇ（０．０４モル）を、ガラスジャー内の脱イオン水５８１．９７ｇ中に、１時間ローラー上で転がすことによって溶解させた。得られた溶液は、ポリ（エチレン−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩を５重量％で含有していた。
【００７１】
準備的実施例７−ポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）リチウム塩の合成
ポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）リチウム塩は、ポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）ナトリウム塩（１：１アクリル酸／マレイン酸、分子量５０，０００）（アルドリッチ・ケミカルズ（Aldrich Chemicals）から入手可能）から、水酸化リチウム溶液によって前処理したカチオン性イオン交換樹脂（ＳＫＴ−２０、スルホン酸形態、１．９ｍｅｑ／ｍＬ、三菱化学株式会社（Mitsubishi Chemicals）から入手可能）を使用したイオン交換によって作製した。樹脂７５ｍＬ及びポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）ナトリウム塩の２重量％水溶液１００ｇを使用した。得られたポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）リチウム塩の溶液を空気中で１２時間８０℃にて乾燥して、固体のポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）リチウム塩を得た。
【００７２】
準備的実施例８−ポリ（メチルビニルエーテル−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩の合成
ポリ（メチルビニルエーテル−ａｌｔ−マレイン酸）（分子量１，９８０，０００、アルドリッチ・ケミカルズ（Aldrich Chemical）から入手可能）８．７１ｇ（０．０５モル）及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ ４．２０ｇ（０．１０モル）を、ガラスジャー内の脱イオン水１７３．１２ｇ中に、１時間ローラー上で転がすことによって溶解させた。得られた溶液は、ポリ（メチルビニルエーテル−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩を５重量％で含有していた。
【００７３】
準備的実施例９−ポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）リチウム塩の合成
ポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）の１６．０７重量％水溶液（分子量２，０００，０００、アルドリッチ・ケミカルズ（Aldrich Chemical）から入手可能）３８．６９ｇ（０．０４モル）及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ １．２６ｇ（０．０４モル）をガラスジャー内の脱イオン水８７．９６ｇ中に１時間ローラー上で転がすことによって溶解させた。得られた溶液は、ポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）リチウム塩を５重量％で含有していた。
【００７４】
準備的実施例１０−ポリ（アクリル酸）リチウム塩溶液の調製−１００％中和
出発物質Ａ：ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ（シグマ−アルドリッチ社（Sigma-Aldrich））１５．２５８ｇは、電磁攪拌器を使用して蒸留水１３７．６１０ｇと混合した。形成させたＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ溶液は、９．９８重量％であった。
【００７５】
出発物質Ｂ：ポリ（アクリル酸）２５重量％溶液（アルファ・エイサー社（Alfa Aesar）、平均Ｎ．Ｍ．２４０，０００）材料Ａ１２８．４５７ｇを材料Ｂ８８．０４５ｇ中へ添加した。混合物を一晩撹拌した。形成させた溶液は、ポリ（アクリル酸）リチウム塩結合剤の１１重量％溶液である。
【００７６】
電極製作
（実施例１）
ＫＥＴＪＥＮブラック導電性カーボン（０．０２４ｇ）（アクゾ・ノーベル・ポリマー・ケミカル社（Akzo Nobel Polymer Chemical LLC）、イリノイ州シカゴ（Chicago））及びＰＡＡ１００ｋ−６４％リチウム塩（１０重量％固形分水溶液１．３６ｇ）をステンレス鋼容器４５ｍＬ内にて、直径１３μｍタングステンカーバイト製ボールを使用して混合した。遊星マイクロミル（パルヴァーセット（PULVERSETTE）７モデル、フリッチュ（Fritsch）、ドイツ）内にて、速度設定１で３０分間、混合を実施した。次に、Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０Ｃ１０粉末（１．２０ｇ）、ＭＣＭＢ−１０２８グラファイト（０．６４ｇ）（ＭＭＭカーボン（ベルギー））及び脱イオン水（０．１ｇ）をミルに添加し、速度設定２で３０分間、混合を続けた。１２５μｍギャップを持つダイを使用して、得られた溶液を１３μｍ厚銅箔上へと被覆した。次に、真空オーブン中、１２０℃にて２時間、サンプルを乾燥させた。
【００７７】
（実施例２）
表１の実施例２の組成物をベースにした電極は、ミルにかけた導電性カーボン及びポリマー混合物へＳｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０Ｃ１０粉末１．８４ｇのみを添加した以外は、実施例１で使用した手順によって調製した。ミルにかけた被覆溶液は、銅箔上へと７５μｍギャップを使用して被覆した。
【００７８】
（実施例３）
表１の実施例３の組成物をベースにした電極は、Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０Ｃ１０粉末（１．２０ｇ）、ＳＬＰ３０−グラファイト（０．６４ｇ）（ティムレックス（TIMREX）ＳＬＰ３０、ティムカル社（Timcal, Ltd.）、スイス、ボディオ（Bodio））、脱イオン水（１．０ｇ）及びＰＡＡ１００ｋ−１０７％リチウム塩（１０重量％固形分の水溶液１．６ｇ）を、単一工程にて速度設定２で３０分間ミルにかけた以外は実施例１で使用した手順によって調製した。ミルにかけた溶液は、３μｍギャップを使用して銅箔上へと広げた。
【００７９】
（実施例４）
表１の実施例４の組成物をベースにした電極は、脱イオン水０．２ｇのみを添加した以外は、実施例３で使用したのと同一の手順によって調製した。ミルにかけた溶液は、７５μｍギャップを使用して銅箔上へと広げた。
【００８０】
（実施例５）
表１の実施例５の組成物をベースにした電極は、脱イオン水２．５ｇをグラファイト及びポリ（アクリル酸）と共に、粉砕工程にて使用した以外は、実施例３で使用したのと同一の手順によって調製した。ミルにかけた溶液は、７５μｍギャップを使用して銅箔上へと広げた。
【００８１】
（実施例６及び７）
表１の実施例６及び実施例７の組成物をベースにした電極は、実施例４で使用したのと同一の手順によって調製した。
【００８２】
（実施例８）
表１の実施例８の組成物をベースにした電極は、実施例５で使用したのと同一の手順によって調製した。
【００８３】
【表１】
【００８４】
比較実施例１
グラファイト（１．００ｇ）（ＭＣＭＢ、等級６−２８、大阪ガス株式会社（Osaka Gas Co.）（日本、大阪市）、Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０Ｃ１０（０．１グラム）、ポリフッ化ビニリデン（キナール（KYNAR）７４１）溶液（Ｎ−メチルピロリジノン（ＮＭＰ）中１０重量％、１．０ｇ）及びＮＭＰ（２．５ｇ）を、実施例１に記載した遊星マイクロミル内で混合した。混合物は、実施例１にあるように、被覆し、そして乾燥させた。
【００８５】
比較実施例２
Ｓｉ７０Ｆｅ１０Ｔｉ１０Ｃ１０粉末（２．０ｇ）及びティムレックス（TIMREX）ＳＦＧ４４グラファイト（２．０ｇ）を、実施例１で使用したマイクロミル内にて、速度設定７で３０分間、混合した。本混合物（１．９０ｇ）、ポリフッ化ビニリデン（キナール（KYNAR）７４１）溶液（１．０ｇ）及びＮＭＰ（３．０ｇ）は、実施例１のマイクロミル内にて、速度設定２で１時間、混合した。混合物は、実施例１にあるように、被覆し、そして乾燥させた。
【００８６】
実施例１〜８のための試験用セル作製
２３２５−ボタンセルに使用するために、電極被覆からディスク（１６ｍｍ直径）を切り出した。各２３２５セルは、スペーサーとしての直径１８ｍｍの銅ディスク（９００μｍ（３６ミル）厚）、直径１８ｍｍの合金電極ディスク、１個の直径２０ｍｍ微多孔性セパレータ（セルガード（Celgard）２４００、セパレーション・プロダクツ・セルガード社（Separation Products, Celgard, LLC.）、ノースカロライナ州シャーロット（Charlotte））、直径１８ｍｍリチウム（０．３８ｍｍ厚リチウムリボン、アルドリッチ・ケミカルズ（Aldrich Chemicals）、ウィスコンシン州ミルウォーキー（Milwaukee））及び直径１８ｍｍ銅スペーサー（６００μｍ厚）を収容する。電解質溶液１００μＬ（エチレンカーボネート（ＥＣ）９０重量％中、１Ｍ ＬｉＰＦ６）：ジエチレンカーボネート（ＤＥＣ）（１：２ ｖ／ｖ）（フェロ・ケミカルズ社（Ferro Chemicals）、ルイジアナ州ザカリー（Zachary））；フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）１０重量％（福建省革新サイエンス＆テクノロジー・ディヴェロップメント（Fujian Chuangxin Science and Technology Development）、中国福建省）を混合し、電解質として使用した。電解質混合物は、モレキュラーシーブ（タイプ３Ａ）上にて１２時間以上乾燥させた。コインセルは、０．００５Ｖ〜０．９０Ｖまで、合金及び合金／グラファイト電極について一定電流２５０ｍＡ／ｇにて、そしてグラファイト電極について一定電流１００ｍＡ／ｇにて充電及び放電した。充電中に、セルが０．９０Ｖに到達した時点で、電池電圧を一定に保ち、電流が１０ｍＡ／ｇに到達するまで充電を続けた。ハーフサイクルごとの終わりで、セルを開回路にて１５分間保った。
【００８７】
各セルの初期電荷容量は、セルの電圧が０．００５Ｖに到達するまで充電した測定総ミリアンペア時から計算した。次に、セルは上記の通り放電した。不可逆容量損失（表２に示す）は、初期電荷容量と第一放電容量との差を初期容量で除して１００を掛けることで計算した。表２のデータは、本発明の結合剤を使用して作製した負極が、ポリフッ化ビニリデン結合剤により作製した電極と比較して、より小さな不可逆容量損失を有することを示す。
【００８８】
【表２】
【００８９】
各セルについて５サイクル後及び５０サイクル後の放電容量を表３に示す。データは、本発明の結合剤を有する負極を含有するセルが、５０サイクル後、フッ化ポリビニレン結合剤で作製したものよりも、減退が少ないことを示す。
【００９０】
【表３】
【００９１】
＊比較実施例１ サイクル１９での放電容量
（実施例９及び１０）
組成物Ａ−９２重量％合金／グラファイト及び８重量％リチウムポリスルホネートフルオロポリマー
１．２１４ｇ Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金粉末（準備的実施例２から）
グラファイト（ティムレックス（TIMREX）ＳＬＰ３０、スイス、ボディオ（Bodio））０．６２６ｇ
リチウムポリスルホネートフルオロポリマーの８．８重量％溶液（上記の調製から）１．８２ｇ
脱イオン水１．２０ｇ
組成物Ｂ−９８重量％合金／グラファイト及び２重量％リチウムポリスルホネートフルオロポリマー
Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金粉末１．２９ｇ
グラファイト（ティムレックスＳＬＰ３０）０．６６ｇ
リチウムポリスルホネートフルオロポリマーの２０重量％溶液（上記の調製から）０．２０ｇ
脱イオン水１．２０ｇ
各組成物（Ａ及びＢ）は独立して、４個の直径１．２７ｃｍタングステンカーバイト製ボールと共に、４５ｍＬステンレス鋼容器に充填した。次に、密閉容器を遊星マイクロミル（パルヴァーセット（PULVERSETTE）７モデル、フリッチュ（Fritsch）、ドイツ）内に置き、３０分間速度２で混合した。粘稠混合物は、ギャップ１５０μｍのノッチ付き被覆用バーを使用して、１３μｍ厚銅箔上へ被覆した。被覆は、室温で３０分間乾燥し、次に１２０℃減圧下にて２時間乾燥した。次に、２個のローラー間で被覆に圧力をかけて、電極を圧縮した。
【００９２】
実施例９及び１０のための試験セル調製
２３２５コインセルを使用して、半分のコインセルを調製した。全ての組成物は、組立前に乾燥させ、セルの調製は露点−７０℃の乾燥室内で行った。セルは、次の組成物から、次の順番、銅箔／リチウム金属フィルム／セパレータ／電解質／セパレータ／合金組成物／銅箔にて、下から上へと組み立てた。セパレータは、セルガード（Celgard）２４００微多孔性セパレータ（セルガード社（Celgard LLC）、ノースカロライナ州シャーロット（Charlotte））であった。電解質は、１０％フルオロエチレンカーボネートを含む、９０重量％・エチレンカーボネート（１Ｍ ＬｉＰＦ６含む）対ジエチレンカーボネート（容量比１：２）（関東電化工業株式会社（Kanto Denka Kogyo Co., Ltd.）、日本、東京、から入手可能）で添加した。リチウム金属は、直径１８ｍｍ（０．３８ｍｍ厚のリチウムリボン、アルドリッチ・ケミカルズ（Aldrich Chemicals）、ウィスコンシン州ミルウォーキー（Milwaukee））であった。電解液１００ｍＬを使用して、各セルを満たした。セルは、測定前にクリンプシールした。
【００９３】
組成物Ａを含む負極を収容するセルを実施例９として動作させた。組成物Ｂを含む負極を収容するセルを実施例１０として動作させた。
【００９４】
実施例９及び１０の試験
セルは、０．００５Ｖ〜０．９Ｖ、Ｃ／４の比率、室温にて、マッコール（Maccor）サイクラーを使用してサイクルを実施した。各サイクルにおいて、セルを最初はＣ／４の比率で、放電終了時、トリクル電流１０ｍＡ／ｇにて、次に開回路にて１５分間休止して、放電させた。次に、セルをＣ／４の比率で充電し、続いて開回路にて更に１５分間休止させた。セルを多くのサイクルを通して動作させ、完了したサイクル数の関数として、容量減退の程度を測定した。小さな容量減退を示すセルは、優れたサイクル寿命を有していると考えられている。結果を表４に示す。
【００９５】
【表４】
【００９６】
（実施例１１〜１３）
組成物Ａ−９６重量％合金／グラファイト及び４重量％ナトリウムポリスルホネート
Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金粉末１．２７ｇ
グラファイト（ティムレックス（TIMREX）ＳＬＰ３０）０．６５ｇ
ナトリウムポリスルホネート（分子量７０，０００、ポリサイエンス社（Polysciences）から入手可能）の５重量％溶液１．６０ｇ
脱イオン水１．２０ｇ
組成物Ｂ−９６重量％合金／グラファイト及び４重量％ナトリウムポリスルホネート
Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金粉末１．２７ｇ
グラファイト（ティムレックス（TIMREX）ＳＬＰ３０、ティムカル社（Timcal, Ltd.）、スイス、ボディオ（Bodio））０．６５ｇ
ナトリウムポリスルホネート（分子量５００，０００、ポリサイエンス社（Polysciences）から入手可能）の５重量％溶液１．６０ｇ
脱イオン水１．２０ｇ
組成物Ｃ−９６重量％合金／グラファイト及び４重量％ナトリウムポリスルホネート
Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金粉末１．２７ｇ
グラファイト（ティムレックス（TIMREX）ＳＬＰ３０、ティムカル社（Timcal, Ltd.）、スイス、ボディオ（Bodio）、ＣＨ−６７４３）０．６５ｇ
ＰＳＳリチウム（分子量５００，０００）の４．１８重量％イオン水溶液（準備的実施例２）１．９１ｇ
（１．０）脱イオン水
電極の調製
各組成物（Ａ、Ｂ及びＣ）は独立して、４個の直径１．２７ｃｍタングステンカーバイト製ボールと共に、４５ｍＬステンレス鋼容器に充填した。次に、密閉容器を遊星マイクロミル（パルヴァーセット（PULVERSETTE）７モデル、フリッチュ（Fritsch）、ドイツ）内に置き、３０分間速度２で混合した。粘稠混合物は、ギャップ１５０μｍのノッチ付き被覆用バーを使用して、１３μｍ厚銅箔上へ被覆した。被覆は、室温で３０分間乾燥し、次に１２０℃減圧下にて２時間乾燥した。次に、２個のローラー間で被覆に圧力をかけて、電極を圧縮した。
【００９７】
実施例１１〜１３のための試験用セルの作製
２３２５コインセルを使用して、半分のコインセルを調製した。全ての組成物は、組立前に乾燥させ、セルの調製は露点−７０℃の乾燥室内で行った。セルは、次の組成物から、次の順番、銅箔／リチウム金属フィルム／セパレータ／電解質／セパレータ／合金組成物／銅箔にて、下から上へと組み立てた。セパレータは、セルガード（Celgard）２４００微多孔性セパレータであった。電解質は、１０重量％フルオロエチレンカーボネートを含む、９０重量％エチレンカーボネート（１Ｍ ＬｉＰＦ６含む）対ジエチレンカーボネート（容量比１：２）（関東電化工業株式会社（Kanto Denka Kogyo Co., Ltd.）、日本、東京から入手可能）で添加した。リチウム金属は、直径１８ｍｍ（０．３８ｍｍ厚のリチウムリボン；アルドリッチ・ケミカルズ（Aldrich Chemicals））であった。電解液１００ｍＬを使用して、各セルを満たした。セルは、測定前にクリンプシールした。
【００９８】
組成物Ａを含む負極を収容するセルを実施例１１として動作させた。組成物Ｂを含む負極を収容するセルを実施例１２として動作させた。組成物Ｃを含む負極を収容するセルを実施例１３として動作させた。
【００９９】
実施例１１〜１３の試験
セルは、０．００５Ｖ〜０．９Ｖ、Ｃ／４の比率、室温にて、マッコール（Maccor）サイクラーを使用してサイクルを実施した。各サイクルにおいて、セルを最初はＣ／４の比率で、放電終了時、リクル電流１０ｍＡ／ｇにて、次に開回路にて１５分間休止して、放電させた。次に、セルをＣ／４の比率で充電し、続いて開回路にて更に１５分間休止させた。セルを多くのサイクルを通して動作させ、完了したサイクル数の関数として、容量減退の程度を測定した。小さな容量減退を示すセルは、優れたサイクル寿命を有していると考えられている。結果を表５に示す。
【０１００】
【表５】
【０１０１】
電極製作−実施例１４〜２３
（実施例１４）
Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金粉末（準備的実施例２から）１．２６７ｇ、ＳＬＰ３０グラファイト０．６５８２ｇ、ポリ（エチレン−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩（５％固形分、水中、準備的実施例６から）１．６０ｇ及び脱イオン水１．５０ｇを４５ｍＬステンレス鋼容器内で、４個の直径１．２７ｃｍ（１／２インチ）タングステンカーバイト製ボールを使用して混合した。混合は、遊星マイクロミル（プルヴァリセッテ（PULVERISETTE）モデル７）内にて、速度２で３０分間行った。得られた溶液は、０．１５ｍｍ（０．００６インチ）のギャップダイを使用して、１０μｍ厚銅箔上へと手で広げた。サンプルは１５分間風乾して、次に、圧延し、そして真空オーブン中８０℃で１時間乾燥させた。
【０１０２】
（実施例１５）
ＳＬＰ３０グラファイト１．９０ｇ、ポリ（エチレン−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩２．０ｇ（５重量％固形分、水中にて、準備的実施例６）及び脱イオン水２．０ｇを４５ｍＬステンレス鋼容器内で、４個の直径１．２７ｃｍ（１／２インチ）タングステンカーバイト製ボールを使用して混合した。混合は、遊星マイクロミル（プルヴァリセッテ（PULVERISETTE）モデル７）内にて、速度２で３０分間行った。得られた溶液は、０．１５ｍｍ（０．００６インチ）のギャップダイを使用して、１０μｍ厚銅箔上へと手で広げた。サンプルは１５分間風乾して、次に、圧延しかつ真空オーブン中８０℃で１時間乾燥させた。
【０１０３】
（実施例１６）
電極は、ポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）リチウム塩の１０重量％水溶液０．８０ｇをポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）の固体から、準備的実施例７の手順に従って調製した点を除いて、実施例１５で使用したのと同一の手順を使用して作製した。
【０１０４】
（実施例１７）
電極は、ポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）リチウム塩の１０重量％溶液１．０ｇを、脱イオン水３．０ｇと共に使用した点を除いて、実施例１６の手順を使用して作製した。
【０１０５】
（実施例１８）
電極は、実施例１４の手順を使用し、ポリ（メチルビニルエーテル−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩の１０重量％水溶液１６．０ｇ及び脱イオン水０．２０ｇ、並びに被覆のためのギャップ０．１２５ｍｍ（０．００５インチ）を使用して作製した。オーブン内１２０℃減圧下にて１時間、最終乾燥を行った。
【０１０６】
（実施例１９）
電極は、実施例１５の手順を使用し、ポリ（メチルビニルエーテル−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩の５重量％水溶液（準備的実施例８から）２．０ｇ及び脱イオン水１．０ｇ、並びに被覆のためのギャップ０．１２５ｍｍ（０．００５インチ）を使用して作製した。オーブン内１２０℃減圧下にて１時間、最終乾燥を行った。
【０１０７】
（実施例２０）
電極は、ポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）リチウム塩（準備的実施例９から）５重量％２．０ｇ及び脱イオン水２．０ｇを使用し、実施例１５の手順を使用して作製した。
【０１０８】
（実施例２１）
電極は、ポリ（アクリル酸）リチウム塩（分子量４５００００）の２．５重量％水溶液２．８８ｇ及びポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）リチウム塩（準備的実施例９から）の５重量％０．１６ｇを脱イオン水０．４０ｇと共に使用し、実施例１４の手順を使用して作製した。
【０１０９】
（実施例２２）
電極は、ポリ（アクリル酸）リチウム塩（分子量４５００００）の２．５重量％水溶液３．６０ｇ及びポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）リチウム塩（準備的実施例９から）の５重量％０．２０ｇを脱イオン水１．００ｇと共に使用し、実施例１５の手順を使用して作製した。
【０１１０】
（実施例２３）
電極は、ＳＬＰ３０に代えてＳｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金粉末、ポリ（アクリル酸）リチウム塩（分子量２５００００）の１０重量％水溶液１．４４ｇ及びポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）リチウム塩（準備的実施例９参照）５重量％０．３２ｇを脱イオン水０．４０ｇと共に使用し、実施例１５の手順を使用して作製した。
【０１１１】
実施例１４〜２３の試験用セルの調製
試験用セルは、特定速度２００ｍＡ／ｇにて、放電（脱リチオ化）終了時に１０ｍＡ／ｇまでトリクルダウンし、そしてハーフサイクルごとの終わりで開回路にて１５分間休止させた以外は、合金電極がサイクルを実施された実施例１〜８の試験用セルの調製に使用したのと同一の手順を使用して作製した。グラファイトのみ（ＳＬＰ３０）を有する試験用セルを、１００ｍＡ／ｇの速度にて、１０ｍＡ／ｇまでトリクルダウンさせてサイクルを実施した。
【０１１２】
実施例１４〜２３の試験
実施例１４〜２３の電極を使用して調製した試験用セルの性能を表６に示す。データは、ポリ（エチレン−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩、ポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）リチウム塩及びポリ（メチルビニルエーテル−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩が、Ｓｉ６６．４Ｆｅ１１．２Ｔｉ１１．２Ｃ１１．２合金／ＳＬＰ３０グラファイト複合電極及びＳＬＰ３０グラファイト電極のための優れた結合剤であることを示す。ポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）リチウム塩は、ポリ（アクリル酸）リチウム塩結合剤被覆分散体のための優れた増粘剤であり、得られた電極にて良好なサイクル性能が得られた。これら２つのポリマーは、水中にて完全に相溶性であった。
【０１１３】
【表６】
【０１１４】
電極製作−実施例２４〜２５及び比較実施例３
（実施例２４）
ＬｉＦｅＰＯ４（ホステック・リチウム社（Phostech Lithium Inc.）（カナダ、ケベック州））３．６０ｇ、ＳＰ（導電性カーボンＳＰ、大阪ガスケミカル株式会社（Osaka Gas Chemicals Co.）、日本、大阪市）０．２０ｇ、ポリ（アクリル酸）リチウム塩２．５重量％溶液８．０ｇ（分子量４５００００のポリ（アクリル酸）を使用し、水中にて２．５重量％まで希釈した準備的実施例１を参照のこと）及び脱イオン水３．０ｇを４５ｍＬステンレス鋼容器内で、４個の直径１２．７ｍｍ（０．５インチ）タングステンカーバイト製ボールを使用して混合した。混合は、遊星マイクロミル（プルヴァリセッテ（PULVERISETTE）モデル７）内にて、速度２で３０分間行った。得られた溶液は、０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）ギャップのギャップダイを使用して、１３μｍ厚アルミニウム箔上へと手で広げた。サンプルは１５分間風乾して、真空オーブン中１２０℃で１時間乾燥させた。
【０１１５】
比較実施例３
ＬｉＦｅＰＯ４（ホステック社（Phostech））３．６０ｇ、ＳＰ（導電性カーボンＳＰ、大阪ガスケミカル株式会社（Osaka Gas Chemicals Co.）、日本、大阪市）０．２０ｇ、１０重量％ポリビニリデン２．０ｇ（キナール（KYNAR）４７１、オーシモント（Ausimont）ＵＳＡ社（ニュージャージー州ソロフェア（Thorofare））ＮＭＰ溶液（１−メチル−２−ピロリジノン、ＡＣＳ等級、アルファ・エイサー（Alfa Aesar））
及びＮＭＰ５．０ｇを４５ｍＬステンレス鋼容器内で、４個の直径０．１２５ｃｍ（０．５インチ）タングステンカーバイト製ボールを使用して混合した。混合は、遊星マイクロミル（プルヴァリセッテ（PULVERISETTE）モデル７）内にて、速度２で３０分間行った。得られた溶液は、０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）ギャップのギャップダイを使用して、１３マイクロメートル厚アルミニウム箔上へと手で広げた。サンプルは、８０℃にて１５分間風乾し、真空オーブン中で１２０℃に設定して１時間乾燥させた。
【０１１６】
（実施例２５）
ＬｉＭｎ２Ｏ４（本荘ケミカル株式会社（Honjo Chemical）、日本、から入手可能）１．８０ｇ、ＳＰ（導電性カーボンＳＰ、大阪ガスケミカル株式会社（Osaka Gas Chemicals Co.）、０．１０ｇ、ポリ（アクリル酸）リチウム塩２．５重量％水溶液４．０ｇを４５ｍＬステンレス鋼容器内で、４個の直径１．２７ｃｍ（０．５インチ）タングステンカーバイト製ボールを使用して混合した。混合は、遊星マイクロミル（プルヴァリセッテ（PULVERISETTE）モデル７）内にて、速度２で３０分間行った。得られた溶液は、０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）ギャップのギャップダイを使用して、１３μｍ厚アルミニウム箔上へと手で広げた。サンプルは、８０℃にて１５分間風乾し、真空オーブン中で１２０℃にて１時間乾燥させた。
【０１１７】
試験用セルの作製−実施例２４〜２５及び比較実施例３
２３２５−ボタンセルの電極として、１６ｍｍ直径のディスクを打ち抜いた。各２３２５セルは、直径１８ｍｍアルミニウムスペーサー０．７８ｍｍ（０．０３１インチ）厚、直径１６ｍｍ電極、１個の直径２０ｍｍ微多孔性セパレータ（セルガード（Celgard）２４００）、直径１８ｍｍリチウム（０．３８ｍｍ厚リチウムリボン、アルドリッチ（Aldrich）、ウィスコンシン州ミルウォーキー（Milwaukee））から入手可能）及び０．７５ｍｍ（０．０３０インチ）厚の直径１８ｍｍ銅スペーサーから構成される。電解質（９０重量％（１ＥＣ：２ＤＥＣ ｖ／ｖ）中１ＭＬｉＰＦ６及び１０重量％ＦＥＣ）１００μＬを使用した。溶剤は、１ＥＣ：２ＤＥＣ混合物（容量で）（フェロ・ケミカルズ社（Ferro Chemicals）、ルイジアナ州ザカリー（Zachary）から）及びＦＥＣ（フルオロエチレンカーボネート）（福建省革新サイエンス＆テクノロジー・ディヴェロップメント（Fujian Chuangxin Science and Technology Development）、中国福建省）から作製した。混合物は、モレキュラーシーブ（タイプ３Ａ）上にて１２時間乾燥させた。
【０１１８】
ＬｉＦｅＯ４電極を持つ試験用セルを２．７０Ｖ〜３．８０Ｖ、４０ｍＡ／ｇの特定速度で、充電終了時に、４ｍＡ／ｇまでトリクルダウンしてサイクルを実施した。ＬｉＭｎ２Ｏ４電極を持つ試験用セルを３．０Ｖ〜４．３０Ｖ及び３．０Ｖ〜４．４０Ｖ、４０ｍＡ／ｇの特定速度で、充電終了時に、４ｍＡ／ｇまでトリクルダウンしてサイクルを実施した。これらの電極の性能を表７に示す。ポリ（アクリル酸）リチウム塩結合剤（実施例２４）を使用したＬｉＦｅＰＯ４電極を持つ試験用セルは、ポリ（フッ化ビニリデン）（キナール（KYNAR）４７１）結合剤を用いて作製したＬｉＦｅＰＯ４電極と同様のサイクル性能を示した。しかし、セルのインピーダンスは、ポリ（アクリル酸）リチウム塩結合剤を用いた場合に低かった。ポリ（アクリル酸）リチウム塩結合剤を有するＬｉＭｎ２Ｏ４電極を持つ試験用セルは、サイクル中の良好な容量保持力を示した。これらの電極では、サイクル（２５サイクルまで）の初期段階にて、容量減退が観察されたが、その後２００サイクルまで、容量は安定した。金属リチウム対極を有する試験用セルでは、２００サイクル後に、９４％という優れた容量保持力が、観察された。
【０１１９】
【表７】
【０１２０】
電極製作−実施例２６〜２７及び比較実施例４〜９
８０重量％活性物質（ＡＭ）、１２重量％カーボンブラック及び８重量％結合剤２種類の活性物質を試験した。（１）Ｆｅ２Ｏ３（＜５μｍ、アルドリッチ（Aldrich））及び（２）「Ｆｅ２Ｏ３、ボールミルにかけたもの」ボールミルプロセスは、次の通り。Ｆｅ２Ｏ３粉末４ｇを、アルゴン保護下にて、直径１２ｍｍ硬化ステンレス鋼ボールを混合媒体として備えた、スペックス（Spex）８０００高エネルギーボールミル装置を使用して、２時間ミルにかけた。ここで使用したカーボンブラックは、スーパーＳカーボンブラック（ＳＳ）（ＭＭＭカーボン（ベルギー））であった。４つの結合剤：（１）ポリ（フッ化ビニリデン）（ＰＶＤＦ）、（２）ポリ（アクリル酸）リチウム塩（１００％中和されたもの）、（３）ポリイミド（ＰＩ）及び（４）カルボキシメチルセルロースナトリウム（ＣＭＣ）を使用した。電極は、表８に示すようにして試験した。
【０１２１】
【表８】
【０１２２】
電極調製−実施例２６〜２７及び比較実施例４〜９
（実施例２６）
ＡＭ ０．５９２ｇ、ＳＳ ０．０８９ｇ、ＰＡＡ（−１００％リチウム塩）溶液（１１重量％水溶液、上述の方法にて作製した）０．５３８ｇ及び水０．７３２ｇを卵形硬化鋼バイアル瓶内に加えた。混合物を０．５時間、毎分５００回で、低エネルギーボールミル（改良型スペックス（Spex）８０００ミル）を使用して振盪させた。次に、形成させたスラリーは、７５μｍ高さのノッチバーで銅箔上にキャストし、９０℃空気中にて一晩乾燥させた。典型的な活性物質使用量は、２．５８ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１２３】
（実施例２７）
ＡＭ ０．５０３ｇ、ＳＳ ０．０７５ｇ、ＰＡＡ（−１００％リチウム塩）溶液（１１重量％水溶液、上述の方法にて作製した）０．４５７ｇ及び水１．３１３ｇを卵形硬化鋼バイアル瓶内に加えた。混合物を振盪させてスラリーを形成させ、次に実施例２６に記載されているようにして被覆し、そして乾燥させた。典型的な活性物質使用量は、１．３２ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１２４】
比較実施例４
ＡＭ ０．５９０ｇ、ＳＳ ０．０８８ｇ、ＰＶＤＦ溶液（Ｎ−メチルピロリジノン（ＮＭＰ）中９重量％溶液）０．６５５ｇ、ＮＲＣ、カナダ）及びＮＭＰ １．５４５ｇを卵形硬化鋼バイアル瓶内に加えた。混合物を振盪させてスラリーを形成させ、次に実施例２６に記載されているようにして被覆し、そして乾燥させた。典型的な活性物質使用量は、１．１９ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１２５】
比較実施例５
ＡＭ ０．５１８ｇ、ＳＳ ０．０７７ｇ、ＰＩ溶液（ＨＤマイクロＰＩ２５２５、１９．６固形物重量％ＮＭＰ溶液）０．２６３ｇ及びＮＭＰ １．４００ｇを卵形硬化鋼バイアル瓶内に加えた。混合物を振盪させてスラリーを形成させ、次に実施例２６に記載されているようにして被覆し、そして乾燥させた。典型的な活性物質使用量は、１．３８ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１２６】
比較実施例６
ＡＭ ０．５００ｇ、ＳＳ ０．０７５ｇ、ＣＭＣ粉末（ダイセル（Daicel）ＣＭＣ２２００）０．０５０ｇ及び水２．４８５ｇを卵形硬化鋼バイアル瓶内に加えた。混合物を振盪させてスラリーを形成させ、次に実施例２６に記載されているようにして被覆し、そして乾燥させた。典型的な活性物質使用量は、１．００ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１２７】
比較実施例７
ＡＭ ０．５１５ｇ、ＳＳ ０．０７７ｇ、ＰＶＤＦ溶液０．５７２ｇ（Ｎ−メチルピロリジノン（ＮＭＰ）９重量％溶液、ＮＲＣ（カナダ））及びＮＭＰ １．５６２ｇを卵形硬化鋼バイアル瓶内に加えた。混合物を振盪させてスラリーを形成させ、次に実施例２６に記載されているようにして被覆し、そして乾燥させた。典型的な活性物質使用量は、１．０７ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１２８】
比較実施例８
ＡＭ ０．６０８ｇ、ＳＳ ０．０９１ｇ、ＰＩ溶液０．３１０ｇ（ＨＤマイクロＰＩ２５２５、固形物１９．６重量％ＮＭＰ溶液）及びＮＭＰ １．５４５ｇを卵形硬化鋼バイアル瓶内に加えた。混合物を振盪させてスラリーを形成させ、次に実施例２６に記載されているようにして被覆し、そして乾燥させた。典型的な活性物質使用量は、１．４５ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１２９】
比較実施例９
ＡＭ ０．５００ｇ、ＳＳ ０．０７５ｇ、ＣＭＣ粉末（ダイセル（Daicel）ＣＭＣ２２００）０．０５０ｇ及び水２．５６５ｇを卵形硬化鋼バイアル瓶内に加えた。混合物を振盪させてスラリーを形成させ、次に実施例２６に記載されているようにして被覆し、そして乾燥させた。典型的な活性物質使用量は、０．９４ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１３０】
実施例２６〜２７及び比較実施例４〜９のための試験用セルの調製
Ｆｅ２Ｏ３電極は、対極及び参照電極としてのリチウム箔（ＦＭＣ）ディスクを使用した２３２５型コインセル内で作用電極としての役割を果たす。各コインセルのために、ミクロ孔質ポリプロピレン（ＰＰ）セパレータ（セルガード（Celgard）２５００）の層を使用した。使用した電解質は、エチレンカーボネート（ＥＣ）：ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）（容積比１：２、グラント・ケミカル・フェロ・ディヴィジョン（Grant Chemical Ferro Division））９０重量％：フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ、福建省革新（Fujian Chuangxin）（中国））１０重量％の混合液中１Ｍ ＬｉＰＦ６（ステラ（Stella）、日本）であった。コインセルは、アルゴンで充たされたグローブボックス内で、組み立てかつクリンプシールした。セルは、最初の２サイクルは、Ｃ／２０でサイクルを実施し、続いて、サイクルの残りをＣ／５でサイクルを実施した。Ｃ率は、比容量１００７ｍＡｈ／ｇに基づいて計算した。
【０１３１】
実施例２６及び比較実施例４〜６の手順に従って作製したＦｅ２Ｏ３電極についてのサイクリング結果（ｍＡｈ／ｇ対サイクル数）は、図１に示されている。
【０１３２】
図２は、実施例２７及び比較実施例７〜９についてのサイクリングデータを示す。
【０１３３】
実施例２８並びに比較実施例１０〜１１
Ｓｉ６０Ａｌ１４Ｆｅ８ＴｉＩｎ３Ｓｎ４Ｍｍ１０メルトスパンリボン１．６ｇ（米国特許出願公開第２００７／００２０５２２号公報（オブロヴァック（Obrovac）ら）の実施例２にて開示されている手順に従って作製し、２００℃でアルゴン中１時間熱処理した。スーパーＰカーボンブラック０．２４ｇ、ＰＡＮ（アルドリッチ（Aldrich））１０重量％ＮＭＰ（アルドリッチ）溶液１．６ｇ及びＮＭＰ ３．４ｇを、３個の９．５ｍｍ（３／８インチ）タングステンカーバイト製ボールと共に、４０ｍＬタングステンカーバイド製ミル用容器内にて、フリッチュ（Fritsch）プルヴァリセッテ（PULVERISETTE）遊星ミルを使用し、速度３に設定して１時間混合した。得られたスラリーは、１９０μｍ（０．００７５インチ）ギャップを持つドクターブレードを使用してニッケル箔上へと広げた。次に、電極を８０℃オーブン内に３０分間置き、ＮＭＰの大部分を除去し、次に２６０℃オーブン内空気中で一晩硬化させた。コインセルは、リチウム対極／参照電極を備えた硬化させた電極及びＥＣ／ＤＥＣ（１：２容量比）電解質中１Ｍ ＬｉＰＦ６を用いて組み立てた。電極の容量及びクーロン効率のプロットを図３に示す。空気中に代えてヘリウム中で硬化させたＰＡＮ結合剤を備えたＳｉ６０Ａｌ１４Ｆｅ８ＴｉＩｎ３Ｓｎ４Ｍｍ１０電極（比較実施例１１）及び２０重量％（ＮＭＰ中）ＰＩ結合剤（ピラリン（PYRALIN）ＰＩ２５５５、ＨＤマイクロシステムズ（HD Microsystems）、ニュージャージー州パーリン（Parlin）から入手可能）を備えたＳｉ６０Ａｌ１４Ｆｅ８ＴｉＩｎ３Ｓｎ４Ｍｍ１０電極（比較実施例１２）からの結果もまた図に示す。
【０１３４】
（実施例２９）
Ｓｉ６０Ａｌ１４Ｆｅ８Ｔｉ１Ｓｎ７（Ｍｎ）１０合金１．６ｇ（米国特許出願公開第２００７／００２０５２１号公報（オブロヴァック（Obrovac）ら）の実施例１の手順を使用して作製）スーパーＰカーボンブラック０．２４ｇ及びフェノール樹脂（米国特許第７，１５０，７７０号明細書（カイパート（Keipert）ら）のコラム１１にて「ＲＰＲ１」と称され、水で７５重量％固形物まで希釈される）０．２１３３ｇをＮＭＰ ４ｇと混ぜ合わされ、そしてクラボウ・マゼラスター（Kurabo Mazerustar）ＫＫ−５０Ｓ内で、ステップａ：６−６−８、ステップｂ：８−５−１０及びステップｃ：９−１−６の設定にて、混合した。スラリーは、１９０μｍ（０．００７５インチ）ギャップを備えたドクターブレードを用いてニッケル箔上へと被覆し、９１℃にて１時間オーブン内で乾燥させた。次に、得られた被覆を３片に分け、第１片を１０１℃にて１６時間空気中で硬化し、第２片を２００℃にて２時間空気中で硬化し、第３片を２００℃にて２時間空気中で硬化し、続いて３００℃にて２４時間アルゴン中で硬化させた。電気化学半セル（リチウムを対極を使用）をコインセル内にて、ＥＣ／ＤＥＣ １：２電解質（１Ｍ ＬｉＰＦ６含む）を用いて組み立てた。セルは、電圧制限５ｍＶ〜９００ｍＶ、一定電流１００ｍＡにて、最初の３サイクルをサイクリングし、次に２００ｍＡ／ｇにて後続サイクルを実施した。図４は、セルのサイクル性能を示す。３００℃にてアルゴン中で硬化させた負極を含有するセルは、より低温で硬化させたセルと比較して、驚くべきほどに改善された性能を示す。
【０１３５】
（実施例３０）
グルコース（アルドリッチ（Aldrich）、無水）１．０５６２ｇをアルミニウム秤量皿に入れ、２００℃まで空気中で２時間加熱し、次に、３００℃までアルゴン中で２４時間加熱した。加熱後、固形物０．２９６ｇのみが、秤量皿に残っていることが見出された。このことから、グルコースは、これらの条件下で加熱後、その重量の２９．６％を保持すると決定した。スラリーは、Ｓｉ６０Ａｌ１４Ｆｅ８Ｔｉ１Ｓｎ７（Ｍｎ）１０合金（実施例２９から）２ｇ、スーパーＰカーボンブラック０．３ｇ及びグルコース０．６７ｇを、水及びエタノールの５０／５０溶液４ｇと組み合わせることにより調製した。スラリーをクラボウ・マゼラスター（Kurabo Mazerustar）ミキサー内で混合し、実施例２９に記載されているようにして、ニッケル箔上に広げた。次に、電極を、８０℃にて１時間空気中で乾燥させ、続いて２００℃にて空気中で２時間加熱し、最後に３００℃にてアルゴン中で２４時間加熱した。上記重量喪失実験から、電極が、加熱後に、Ｓｉ６０Ａｌ１４Ｆｅ８Ｔｉ１Ｓｎ７（Ｍｎ）１０合金８０重量％、スーパーＰ１２重量％、グルコース固形分８重量％の組成を有するものと計算した。電気化学セルは、実施例２９に記載されているようにして、組み立てて、そして試験をした。サイクル性能は、図５に示す。セルは、５０サイクル後に非常に小さな容量損失である優れたサイクリングを示した。
【０１３６】
本発明の範囲及び趣旨から逸脱しない本発明の様々な変更や改変は、当業者には明らかとなるであろう。本発明は、本明細書で述べる例示的な実施形態及び実施例によって不当に限定されることを意図するものではないこと、また、こうした実施例及び実施形態は、本明細書において以下に記述する特許請求の範囲によってのみ限定されることを意図する本発明の範囲に関する例示のためにのみ提示されることを理解すべきである。引用した参照文献は全て、それらの全体が本明細書に参考として組み込まれる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料と、
前記粉末材料は、スズ、スズ合金、炭素及びこれらの組み合わせから選択される、
リチウムポリアクリレートを含む非弾性結合剤と、
を含んでなる、負極用電極組成物。
【請求項２】
リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料と、
前記粉末材料は、スズ、スズ合金、シリコン、シリコン合金、炭素及びこれらの組み 合わせから選択される、
リチウムポリアクリレートを含む非弾性結合剤と、
を含んでなる負極用電極組成物であって、１００％超〜約１０７％のカルボン酸基が、中和されている、負極用電極組成物。
【請求項３】
前記ポリアクリレートが、前記ポリアクリレート上の酸性基のモル量に対して少なくとも５０モル％のリチウムを含む、請求項１に記載の組成物。
【請求項４】
前記粉末材料が、銀、スズ、ビスマス、炭素、鉛、アンチモン、ゲルマニウム、亜鉛、金、白金、パラジウム、ヒ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、モリブデン、ニオビウム、タングステン、タンタル、バナジウム、クロム、ジルコニウム、イットリウム、ランタニド、アクチニド及びこれらの組み合わせから選択される材料を更に含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項５】
リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料と、
前記粉末材料は、スズ、スズ合金、シリコン、シリコン合金、炭素及びこれらの組み
合わせから選択される、
リチウムポリスチレンスルホネート、リチウムポリスルホネートフルオロポリマー、マレイン酸又はスルホン酸を含むコポリマーのリチウム塩、ポリアクリロニトリルポリマー、硬化フェノール樹脂、硬化グルコース及びこれらの組み合わせから選択される結合剤と、を含んでなる、電極組成物。
【請求項６】
前記リチウムスルホネートが、ポリスチレンスルホネート及びポリスルホネートフルオロポリマーから選択される、請求項５に記載の組成物。
【請求項７】
前記リチウムポリスルホネートフルオロポリマーが、実質的にフッ素化された主鎖及びペンダント基を含むポリスルホン酸フルオロポリマーから誘導され、前記ペンダント基が、
ＨＯ３Ｓ−（ＣＦＲｆ）ａ（ＣＦＲｆ）ｂ−Ｚ１−（ＣＦＲｆ）ｃ（ＣＦＲｆ）ｄ−Ｚ２−
（式中、ａ、ｂ、ｃ及びｄのそれぞれは、独立して、０〜３の範囲であり、ｃ＋ｄ≧１であり、Ｚ１及びＺ２＝Ｏ又は単結合であり、そして各Ｒｆは、独立して、Ｆであるか又は実質的にフッ素化されているかのいずれかの、分枝鎖又は非分枝鎖の、１〜１５個の炭素原子及び０〜４個の酸素原子をフルオロアルキル、フルオロアルコキシ又はフルオロエーテル鎖内に含有する、フルオロアルキル、フルオロアルコキシ又はフルオロエーテル基である。）
を含む、請求項５又は６に記載の組成物。
【請求項８】
前記結合剤が、ポリ（エチレン−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩、ポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）リチウム塩、ポリ（メチルビニルエーテル−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩及びポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）リチウム塩から選択される、請求項５に記載の組成物。
【請求項９】
前記粉末材料が、銀、スズ、ビスマス、炭素、鉛、アンチモン、ゲルマニウム、亜鉛、金、白金、パラジウム、ヒ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、モリブデン、ニオビウム、タングステン、タンタル、鉄、銅、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、イットリウム、ランタニド、アクチニド及びこれらの組み合わせから選択される材料を更に含む、請求項５〜８のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項１０】
前記粉末材料が、約６５〜約８５モル％のシリコン、約５〜約１２モル％の鉄、約５〜約１２モル％のチタン及び約５〜約１２モル％の炭素を含む、請求項９に記載の組成物。
【請求項１１】
前記粉末材料が、黒鉛状炭素を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項１２】
リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料と、
前記粉末材料は、ＬｉＣｏＯ２；コバルト、マンガン及びニッケルを含むリチウム金 属酸化物；Ｆｅ２Ｏ３；Ｌｉ４／３Ｔｉ５／３Ｏ４；ＬｉＶ３Ｏ８；ＬｉＶ２Ｏ５； ＬｉＣｏ０．２Ｎｉ０．８Ｏ２；ＬｉＮｉＯ２；ＬｉＦｅＰＯ４；ＬｉＭｎＰＯ４； ＬｉＣｏＰＯ４；ＬｉＭｎ２Ｏ４；並びにこれらの組み合わせから選択される、
リチウムポリスチレンスルホネート、リチウムポリスルホネートフルオロポリマー、マレイン酸又はスルホン酸を含むコポリマーのリチウム塩、ポリアクリロニトリルポリマー、硬化フェノール樹脂、硬化グルコース、並びにこれらの組み合わせから選択される結合剤と、
を含んでなる、正極用電極組成物。
【請求項１３】
請求項１〜１２に記載の組成物を含む少なくとも１つの電極を含む、電気化学セル。
【請求項１４】
請求項１３に記載のセルを少なくとも１つ含む、電池パック。
【請求項１５】
集電体を用意することと、
リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料を用意することと、
前記粉末材料は、スズ；スズ合金；炭素；ＬｉＣｏＯ２；コバルト、マンガン及びニ ッケルを含むリチウム金属酸化物；Ｆｅ２Ｏ３；Ｌｉ４／３Ｔｉ５／３Ｏ４；ＬｉＶ ３Ｏ８；ＬｉＶ２Ｏ５；ＬｉＣｏ０．２Ｎｉ０．８Ｏ２；ＬｉＮｉＯ２；ＬｉＦｅＰ Ｏ４；ＬｉＭｎＰＯ４；ＬｉＣｏＰＯ４；ＬｉＭｎ２Ｏ４；並びにこれらの組み合わ せから選択される、
前記粉末材料とリチウムポリアクリレートを含む非弾性結合剤とを含む被覆を集電体に適用することと、
を含んでなる、電極の製造方法。
【請求項１６】
集電体を用意することと、
リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料を用意することと、
前記粉末材料は、スズ、スズ合金、シリコン、シリコン合金、炭素；ＬｉＣｏＯ２； コバルト、マンガン及びニッケルを含むリチウム金属酸化物；Ｆｅ２Ｏ３；Ｌｉ４／ ３Ｔｉ５／３Ｏ４；ＬｉＶ３Ｏ８；ＬｉＶ２Ｏ５；ＬｉＣｏ０．２Ｎｉ０．８Ｏ２； ＬｉＮｉＯ２；ＬｉＦｅＰＯ４；ＬｉＭｎＰＯ４；ＬｉＣｏＰＯ４；ＬｉＭｎ２Ｏ４ ；並びにこれらの組み合わせから選択される、
前記粉末材料と、リチウムポリスチレンスルホネート、リチウムポリスルホネートフルオロポリマー、マレイン酸又はスルホン酸を含むコポリマーのリチウム塩、ポリアクリロニトリルポリマー、硬化フェノール樹脂、硬化グルコース及びこれらの組み合わせから選択される結合剤とを含む被覆を前記集電体に適用することと、
を含んでなる、電極の製造方法。
【請求項１７】
前記被覆を適用することが、
前記粉末材料と前記結合剤の溶液とを混合して、分散体を形成させることと、
前記分散体を粉砕して、被覆可能な混合物を形成することと、
前記混合物を前記集電体上に被覆することと、
前記被覆された集電体を乾燥させることと、
を更に含む、請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項１】
リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料と、
前記粉末材料は、スズ、スズ合金、炭素及びこれらの組み合わせから選択される、
リチウムポリアクリレートを含む非弾性結合剤と、
を含んでなる、負極用電極組成物。
【請求項２】
リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料と、
前記粉末材料は、スズ、スズ合金、シリコン、シリコン合金、炭素及びこれらの組み 合わせから選択される、
リチウムポリアクリレートを含む非弾性結合剤と、
を含んでなる負極用電極組成物であって、１００％超〜約１０７％のカルボン酸基が、中和されている、負極用電極組成物。
【請求項３】
前記ポリアクリレートが、前記ポリアクリレート上の酸性基のモル量に対して少なくとも５０モル％のリチウムを含む、請求項１に記載の組成物。
【請求項４】
前記粉末材料が、銀、スズ、ビスマス、炭素、鉛、アンチモン、ゲルマニウム、亜鉛、金、白金、パラジウム、ヒ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、モリブデン、ニオビウム、タングステン、タンタル、バナジウム、クロム、ジルコニウム、イットリウム、ランタニド、アクチニド及びこれらの組み合わせから選択される材料を更に含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項５】
リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料と、
前記粉末材料は、スズ、スズ合金、シリコン、シリコン合金、炭素及びこれらの組み
合わせから選択される、
リチウムポリスチレンスルホネート、リチウムポリスルホネートフルオロポリマー、マレイン酸又はスルホン酸を含むコポリマーのリチウム塩、ポリアクリロニトリルポリマー、硬化フェノール樹脂、硬化グルコース及びこれらの組み合わせから選択される結合剤と、を含んでなる、電極組成物。
【請求項６】
前記リチウムスルホネートが、ポリスチレンスルホネート及びポリスルホネートフルオロポリマーから選択される、請求項５に記載の組成物。
【請求項７】
前記リチウムポリスルホネートフルオロポリマーが、実質的にフッ素化された主鎖及びペンダント基を含むポリスルホン酸フルオロポリマーから誘導され、前記ペンダント基が、
ＨＯ３Ｓ−（ＣＦＲｆ）ａ（ＣＦＲｆ）ｂ−Ｚ１−（ＣＦＲｆ）ｃ（ＣＦＲｆ）ｄ−Ｚ２−
（式中、ａ、ｂ、ｃ及びｄのそれぞれは、独立して、０〜３の範囲であり、ｃ＋ｄ≧１であり、Ｚ１及びＺ２＝Ｏ又は単結合であり、そして各Ｒｆは、独立して、Ｆであるか又は実質的にフッ素化されているかのいずれかの、分枝鎖又は非分枝鎖の、１〜１５個の炭素原子及び０〜４個の酸素原子をフルオロアルキル、フルオロアルコキシ又はフルオロエーテル鎖内に含有する、フルオロアルキル、フルオロアルコキシ又はフルオロエーテル基である。）
を含む、請求項５又は６に記載の組成物。
【請求項８】
前記結合剤が、ポリ（エチレン−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩、ポリ（アクリル酸−コ−マレイン酸）リチウム塩、ポリ（メチルビニルエーテル−ａｌｔ−マレイン酸）リチウム塩及びポリ（２−アクリルアミド−２−メチル−１−プロパンスルホン酸）リチウム塩から選択される、請求項５に記載の組成物。
【請求項９】
前記粉末材料が、銀、スズ、ビスマス、炭素、鉛、アンチモン、ゲルマニウム、亜鉛、金、白金、パラジウム、ヒ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、モリブデン、ニオビウム、タングステン、タンタル、鉄、銅、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、イットリウム、ランタニド、アクチニド及びこれらの組み合わせから選択される材料を更に含む、請求項５〜８のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項１０】
前記粉末材料が、約６５〜約８５モル％のシリコン、約５〜約１２モル％の鉄、約５〜約１２モル％のチタン及び約５〜約１２モル％の炭素を含む、請求項９に記載の組成物。
【請求項１１】
前記粉末材料が、黒鉛状炭素を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項１２】
リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料と、
前記粉末材料は、ＬｉＣｏＯ２；コバルト、マンガン及びニッケルを含むリチウム金 属酸化物；Ｆｅ２Ｏ３；Ｌｉ４／３Ｔｉ５／３Ｏ４；ＬｉＶ３Ｏ８；ＬｉＶ２Ｏ５； ＬｉＣｏ０．２Ｎｉ０．８Ｏ２；ＬｉＮｉＯ２；ＬｉＦｅＰＯ４；ＬｉＭｎＰＯ４； ＬｉＣｏＰＯ４；ＬｉＭｎ２Ｏ４；並びにこれらの組み合わせから選択される、
リチウムポリスチレンスルホネート、リチウムポリスルホネートフルオロポリマー、マレイン酸又はスルホン酸を含むコポリマーのリチウム塩、ポリアクリロニトリルポリマー、硬化フェノール樹脂、硬化グルコース、並びにこれらの組み合わせから選択される結合剤と、
を含んでなる、正極用電極組成物。
【請求項１３】
請求項１〜１２に記載の組成物を含む少なくとも１つの電極を含む、電気化学セル。
【請求項１４】
請求項１３に記載のセルを少なくとも１つ含む、電池パック。
【請求項１５】
集電体を用意することと、
リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料を用意することと、
前記粉末材料は、スズ；スズ合金；炭素；ＬｉＣｏＯ２；コバルト、マンガン及びニ ッケルを含むリチウム金属酸化物；Ｆｅ２Ｏ３；Ｌｉ４／３Ｔｉ５／３Ｏ４；ＬｉＶ ３Ｏ８；ＬｉＶ２Ｏ５；ＬｉＣｏ０．２Ｎｉ０．８Ｏ２；ＬｉＮｉＯ２；ＬｉＦｅＰ Ｏ４；ＬｉＭｎＰＯ４；ＬｉＣｏＰＯ４；ＬｉＭｎ２Ｏ４；並びにこれらの組み合わ せから選択される、
前記粉末材料とリチウムポリアクリレートを含む非弾性結合剤とを含む被覆を集電体に適用することと、
を含んでなる、電極の製造方法。
【請求項１６】
集電体を用意することと、
リチオ化及び脱リチオ化を受けることが可能な粉末材料を用意することと、
前記粉末材料は、スズ、スズ合金、シリコン、シリコン合金、炭素；ＬｉＣｏＯ２； コバルト、マンガン及びニッケルを含むリチウム金属酸化物；Ｆｅ２Ｏ３；Ｌｉ４／ ３Ｔｉ５／３Ｏ４；ＬｉＶ３Ｏ８；ＬｉＶ２Ｏ５；ＬｉＣｏ０．２Ｎｉ０．８Ｏ２； ＬｉＮｉＯ２；ＬｉＦｅＰＯ４；ＬｉＭｎＰＯ４；ＬｉＣｏＰＯ４；ＬｉＭｎ２Ｏ４ ；並びにこれらの組み合わせから選択される、
前記粉末材料と、リチウムポリスチレンスルホネート、リチウムポリスルホネートフルオロポリマー、マレイン酸又はスルホン酸を含むコポリマーのリチウム塩、ポリアクリロニトリルポリマー、硬化フェノール樹脂、硬化グルコース及びこれらの組み合わせから選択される結合剤とを含む被覆を前記集電体に適用することと、
を含んでなる、電極の製造方法。
【請求項１７】
前記被覆を適用することが、
前記粉末材料と前記結合剤の溶液とを混合して、分散体を形成させることと、
前記分散体を粉砕して、被覆可能な混合物を形成することと、
前記混合物を前記集電体上に被覆することと、
前記被覆された集電体を乾燥させることと、
を更に含む、請求項１５又は１６に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２０１０−５１８５８１（Ｐ２０１０−５１８５８１Ａ）
【公表日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４９１６１（Ｐ２００９−５４９１６１）
【出願日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０５１８８８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９７７２３
【国際公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０５１８８８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９７７２３
【国際公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
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