(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
−  リチウム二次バッテリーのための少なくとも１つのコア−シェル型アノード活物質の粒子であって、前記コア−シェル型アノード活物質が、
ケイ素含有電気活性材料から製造されたコアと、
Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｃｄ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｖ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａからなる群から選択される、少なくとも１つの金属を含む少なくとも１つの金属組成物［組成物（Ｍ）］から構成される、前記コアの外側に形成された金属シェルと
を含む、コア−シェル型アノード活物質の粒子と、
−  組成物（Ａ）の全重量に対して０．５重量％〜５重量％の範囲内の部分的に中和されたポリ（アクリル酸）およびポリ（メタクリル酸）からなる群から選択される少なくとも１つの化学添加剤
を含む、アノード形成組成物［組成物（Ａ）］。
【請求項２】
少なくとも１つのポリマーバインダーをさらに含む、請求項１に記載の組成物（Ａ）。
【請求項３】
ポリマーバインダーが、カルボキシル化アルキルセルロース、ポリアミドイミド、およびポリイミドからなる群から選択される、請求項２に記載の組成物（Ａ）。
【請求項４】
ポリマーバインダーが、カルボキシル化アルキルセルロースである、請求項２に記載の組成物（Ａ）。
【請求項５】
水をさらに含む水性アノード形成組成物である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の組成物（Ａ）。
【請求項６】
コア−シェル型アノード活物質のコアが、本質的にケイ素からなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の組成物（Ａ）。
【請求項７】
コア−シェル型アノード活物質のコアのケイ素含有電気活性材料が、ケイ素と少なくとも１つの炭素質材料との混合物である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の組成物（Ａ）。
【請求項８】
コア−シェル型アノード活物質の金属シェルが、コアを少なくとも部分的に囲む外層を形成する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の組成物（Ａ）。
【請求項９】
コア−シェル型アノード活物質の金属シェルの前記組成物（Ｍ）が、Ｃｕ、ＡｇおよびＮｉからなる群から選択される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の組成物（Ａ）。
【請求項１０】
コア−シェル型アノード物質を製造するための方法が、コアの外側に金属シェルを形成するために無電解めっきを使用する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の組成物（Ａ）を製造するための方法。
【請求項１１】
（ｉ）ケイ素含有電気活性材料の粒子を含有する水性無電解めっき媒体を提供する工程と、
（ｉｉ）組成物（Ｍ）の可溶性前駆体を工程（ｉ）において提供された前記水性無電解めっき媒体に導入する工程と
を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の組成物（Ａ）を基材の少なくとも１つの表面上に適用する工程を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の組成物（Ａ）を使用してアノード構造を製造するための方法。
【請求項１３】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の組成物（Ａ）から製造されたアノード構造。
【請求項１４】
請求項１３に記載のアノード構造を含む電気化学デバイス。
【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、２０１３年６月４日に出願された欧州特許出願第１３１７０５１７０号（この出願の全内容を参照により本明細書に援用する）に対する優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、リチウム二次バッテリーのためのコア−シェル型アノード活物質、同物質を調製するための方法、および同物質を含む電気化学デバイスに関する。特に、本発明は、ケイ素含有電気活性材料から製造されたコアと、コアの外側に形成された金属シェルとを含む、リチウム二次バッテリーのためのコア−シェル型アノード材料、ならびに同材料を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
現在、商用のリチウムイオンバッテリーにおいて使用される典型的なアノード材料は、黒鉛などの炭質材料からなっており、それは高価でなく安全に使用できると考えられている。しかしながら、３７０ｍＡ  ｈｇ−１の理論電荷容量で、黒鉛材料はリチウムとケイ素、スズ、アンチモン、またはゲルマニウムとの合金などの他のアノード材料と比べてより低いエネルギー容量を提供し、それらの中ではケイ素が、４２００ｍＡ  ｈｇ−１のその高い電荷容量で特に魅力的である。さらに、黒鉛材料から製造されたアノードは、低い可逆容量、および少しの充電−放電サークル後に充電／放電効率の望ましくない低下の欠点があることが知られている。
【０００４】
したがって、理想的なリチウムバッテリーの必要性を満たす代替のアノード活物質、すなわち、高いエネルギー容量、良い安定性そしてまた安全に使用できることを特徴とするアノード活物質を見出す強い目的があった。顕著に、研究者は、この目標に達するための２つの可能な手段：異なったアノード材料の適切な組合せによるかまたは使用可能な炭素系電極の前処理による手段を提案している。
【０００５】
例えば、ＸＩＮＧ，Ｗｅｉｂｉｎｇ，ｅｔ  ａｌ．Ｐｙｒｏｌｙｚｅｄ  Ｐｏｌｙｓｉｌｏｘａｎｅｓ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ａｓ  Ａｎｏｄｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｉｎ  Ｌｉｔｈｉｕｍ−Ｉｏｎ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ．Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１９９７，ｖｏｌ．１４４，ｎｏ．７，ｐ．２４１０−２４１６は、熱分解ポリシロキサンアノード材料を使用する可能性を試験し、最適化されたケイ素含有炭素が、より高い電荷容量を提供することによって、リチウムバッテリーアノードにおいて高純度炭素に代わる選択肢であってもよいと結論している。それにもかかわらず、試験された熱分解ポリシロキサンアノード材料において、ケイ素、炭素および酸素の比率は、不十分な電気化学的性能を避けるために精密に調節される必要がある。さらに、ＸＩＮＧ，Ｗｅｉｂｉｎｇらは、高純度炭素と比べたとき、リチウム−イオンバッテリーにおいてより高い可逆容量を提供することができる特定の熱分解ポリシロキサンアノード材料を見出したが、この利点は、より大きな不可逆容量およびより大きな充電−放電電圧ヒステリシスを犠牲にして与えられ、共に商用リチウム−イオンバッテリーに好ましくない性質と考えられる。
【０００６】
既存の炭素系アノードを改良する異なった方法として、２０１１年１０月６日公開の米国特許出願公開第２０１１／０２４４３２２Ａ号（ＫＯＫＡＭ  ＣＯ．ＬＴＤ）には、炭質材料コアとチタン酸バリウムなどのＰＴＣ（正の温度係数）媒体を含む外側シェルとを備えるリチウムバッテリーのためのコア−シェル型アノード活物質が開示されている。同様に、２０１２年５月９日公開の欧州特許出願公開第２４５０９８８号（ＫＯＫＡＭ  ＣＯ．，ＬＴＤ）には、炭素コアと、スピネル型酸化チタンリチウム粒子およびその他の金属酸化物粒子を含む外側シェルとを有する別のコア−シェルアノード材料が開示されており、２０１０年１２月２０日公開の韓国特許１０１１０５８７７号（ＫＯＫＡＭ  ＣＯ  ＬＴＤ）には、炭素コアと、酸化アルミニウム粉末、二酸化チタン粉末および導電性添加剤の混合物から製造され、乾燥コーティングによって形成されるシェルとを有するさらに別のコア−シェルアノード材料が記載されている。
【０００７】
さらに、２０１２年８月９日公開の米国特許出願公開第２０１２２０２１１２号（ＳＩＬＡ  ＮＡＮＯＴＥＣＨ  ＮＯＬＯＧＩＥＳ  ＩＮＣ；  ＧＥＯＲＧＩＡ  ＴＥＣＨ  ＲＥＳ  ＩＮＳＴ）には、ケイ素コアと、ポリマー、金属酸化物、金属フッ化物、炭素、またはそれらの組合せを含有する保護シェルとを有するアノード材料が開示されており、そこでコーティングは、物理蒸着、化学蒸着、マグネトロン・スパッタリング、原子層堆積、マイクロ波補助堆積、湿式化学コーティング等によって実施されてもよい。
【０００８】
さらに、ＱＩ，Ｙｕｅ，ｅｔ  ａｌ．ＣｏＯ／ＮｉＳｉｘ  ｃｏｒｅ−ｓｈｅｌｌ  ｎａｎｏｗｉｒｅ  ａｒｒａｙｓ  ａｓ  ｌｉｔｈｉｕｍ−ｉｏｎ  ａｎｏｄｅｓ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ｒａｔｅ  ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ．Ｎａｎｏｓｃａｌｅ．２０１２，ｖｏｌ．４，ｎｏ．３，ｐ．９９１−９９６には、ＮｉＳｉｘＮＷｓの金属コアと、ＣｏＯの外層とを有する、リチウムバッテリーアノードとしてＣｏＯ／ＮｉＳｉｘコア−シェル型ナノワイヤアレイの使用が記載されており、そこで外層は、高周波スパッタリング方法によってコア表面上に堆積される。
【０００９】
しかしながら、これらのコートされたアノード材料は、バッテリー出力に有害であるそれらの拡散コーティングの多孔度のために、既存の炭素系アノードの理想的な代用品ではない。
【００１０】
上記の問題に対処する試みにおいて、２００６年７月６日公開の米国特許出願公開第２００６０１４７７９０号（ＨＹＤＲＯ−ＱＵＥＢＥＣ）は、黒鉛核と異なった材料を有する外層とを含有する電極材料を作製するための方法を提供し、この方法は、前記核とその外層を構成することが意図された粒子を、例えば予め決められた回転速度で機械溶融によって一緒に圧潰する工程を包含する。米国特許出願公開第２００６０１４７７９０号は、このように得られた電極材料が、電気化学バッテリーにおいて有利に使用でき、作業安全性を提供することを主張するが、それが依拠する積極的な機械的圧潰法は、均質な表面コーティングまたは黒鉛核上のコーティング厚の十分な制御を確実にすることができず、それは、所望のバッテリー性能の安定性を損なう。
【００１１】
したがって、上に考察された先行技術の不便な点を無くす、リチウムバッテリー用の改良されたアノード材料を製造することができるより良い方法を見出す必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明によるアノード形成組成物（Ａ）が導電性基材の両方の表面上に適用されたアノード構造を示す。
【図２】本発明によるアノード形成組成物（Ａ）が導電性基材の一方の表面上に適用されたアノード構造を示す。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述の先行技術の問題を解決するために、リチウム二次バッテリー用の新規な、改良されたアノード活物質、ならびにすぐれた電気化学的性質および構造安定性を有するコア−シェル型アノード活物質の製造を可能にする方法を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
したがって、本発明の第１の態様は、リチウム二次バッテリーのためのコア−シェル型アノード活物質を提供することであり、それは、
ケイ素含有電気活性材料から製造されたコアと、
少なくとも１つの金属を含む少なくとも１つの金属化合物［化合物（Ｍ）］から構成される、コアの外側に形成された金属シェル、とを含む。
【００１５】
出願人は驚くべきことに、上に詳述したようなコア−シェル型アノード活物質から製造されたアノード構造を提供することによって、充電−放電サイクルの間にすぐれた電気化学的性質およびすぐれた構造安定性を有するリチウム二次バッテリーを製造できることを見出した。
【００１６】
本発明の第２の態様において、コアの外側に金属シェルを形成するために無電解めっきを使用する、先行の請求項のいずれか一項に記載のコア−シェル型アノード材料を製造するための方法が提供される。
【００１７】
出願人は驚くべきことに、上に詳述したような方法を使用するとき、関連バッテリー性能の安定性を損なうことなく改良されたコア−シェル型アノード材料の効果的な製造ができることを見出した。
【００１８】
本発明の目的のために、用語「電気活性材料」とは、二次バッテリーの充電／放電現象の間に基礎となるレドックス反応に能動的に関与する電気活性粒状材料を意味するものとする。用語「ケイ素含有電気活性材料」とは、その構造内にケイ素を含有する電気活性粒状材料を意味することは理解されるはずである。
【００１９】
ケイ素含有電気活性材料は、９０％超の純度を有するケイ素を含むことができる。ケイ素含有電気活性材料は好適には、９９．９９％未満の純度を有する。好ましくは、ケイ素含有電気活性材料は、９５〜９９．９９％、より好ましくは９９．９０％〜９９．９９％そして特に９９．９５％〜９９．９９％の範囲の純度を有するケイ素を含む。
【００２０】
ケイ素含有電気活性材料は、ケイ素と銅および鉄などのリチウムと異なる金属との合金を含有することができるが、ただしバッテリーの充電および放電段階の間に合金されたケイ素へのリチウムなどの電荷キャリアの挿入および放出を金属が妨げないことを条件とする。
【００２１】
特定の一実施態様において、前記コア−シェル型アノード活物質は、本質的にケイ素からなるコアを有する。本明細書中で用いられるとき、「本質的に〜からなる」という語句は、ケイ素と任意選択により、ケイ素の電気化学的性質に影響を与えない少量の他の成分とから製造されたコアを意味する。
【００２２】
本発明によるコア−シェル型アノード活物質の別の実施態様において、ケイ素含有電気活性材料は、ケイ素と少なくとも１つの炭質材料との混合物である。好ましくは、前記炭質材料は、リチウムのホストとして機能する粉末、フレーク、繊維または球（例えば、メソカーボンマイクロビード）などの形態で典型的に存在する、リチウムをインターカレートすることができる黒鉛状炭素から選択される。より好ましくは、ケイ素含有電気活性材料は、ケイ素と黒鉛との混合物であり、それは、充電−放電サイクルの間すぐれた電気化学的性質を有するアノード構造の形成につながることが見出されている。
【００２３】
さらに、本発明によるコア−シェル型アノード活物質において、金属シェルはコアの外側に形成され、そこで金属シェルは、少なくとも１つの化合物（Ｍ）から構成される。
【００２４】
本発明によるコア−シェル型アノード活物質の一実施態様において、前記金属シェルは、コアを少なくとも部分的に囲む外層を形成する。好ましくは、外層は、コアを完全に囲む（例えば、封入する）。さらに、コアが外層によって一部分だけ被覆され、コアの一部分を露出したままにすることが可能である。
【００２５】
化合物（Ｍ）は、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｃｄ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｖ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａからなる群から選択され得る。好ましくは、化合物（Ｍ）は、Ｃｕ、Ａｇ、およびＮｉからなる群から選択される。より好ましくは、化合物（Ｍ）は、Ｃｕ、ＡｇまたはＡｇおよび／またはＣｕの合金であり、さらにより好ましくは、化合物（Ｍ）はＣｕである。
【００２６】
本発明によるコア−シェル型アノード活物質の好ましい一実施態様において、金属シェルは本質的にＣｕからなっている。
【００２７】
本発明に従って、前記金属シェルは、当該技術分野に公知の任意の慣用法を使用してコア−シェル型アノード活物質のコアの外側に形成されてもよい。
【００２８】
前記方法の中に、化学蒸着、熱蒸発、イオンビーム蒸発、フィラメント蒸発、真空蒸着、およびスパッタリング技法などのとりわけ蒸発技法などの、コアと液相との接触を含まない「乾式」法に言及することができる。
【００２９】
代替案として、好適な方法は、コーティング、含浸または浸漬技法などの、コアと液相との接触を含むことができる。それらの技法のなかで、電気めっきおよび無電解めっき技法が特に適しており、無電解めっき技法が好ましい。
【００３０】
電気めっきでは、化合物（Ｍ）のイオン前駆体が、非イオン性コーティングを形成するために電子を供給される。共通システムは、化合物（Ｍ）の前記イオン前駆体入りの溶液を含む電解槽と、めっきされる金属（可溶性アノード）または不溶性アノード（通常は炭素、白金、チタン、鉛、または鋼）からなってもよいアノードと、最後に、電子が非イオン金属のフィルムを生成するために供給されるカソード（負に帯電した）とを含む。
【００３１】
化学めっきまたは自己触媒型めっきとしても知られる、無電解めっきは、非ガルバニック型のめっき法であり、前記技法によれば、化合物（Ｍ）の可溶性前駆体が液相で提供され、その液相中に化合物（Ｅ）の粒子が、前記粒子上への化合物（Ｍ）のめっきを誘導する好適な試剤の追加存在下で、前記ケイ素含有電気活性材料の粒子を含有する無電解めっき媒体中に導入される。
【００３２】
無電解めっき媒体は、水性もしくは非水性であり得るが、それにもかかわらず、水性無電解めっき媒体が典型的には使用される。
【００３３】
銅の外層を無電解めっきする目的のためには、一般に、水酸化ナトリウム、ホルムアルデヒド、キレート剤（たとえばＥＤＴＡ）、および銅塩（一般に、硫酸銅（＋ＩＩ）などの、Ｃｕ＋ＩＩ塩）を含むめっき槽が使用される。パラジウムが触媒として多くの場合使用され、化合物（Ｅ）の粒子上へ予備含浸させることができる。この理論に制約されることなく、おそらくパラジウムによって触媒される、複合反応において、ホルムアルデヒドが銅イオンを還元して金属銅にする。
【００３４】
本発明の第２の態様に従って、上に詳述したコア−シェル型アノード材料を製造するための方法が提供され、この方法は、コアの外側に金属シェルを形成するために無電解めっきを使用する。
【００３５】
具体的には、前述の方法は、
（ｉ）上に詳述したケイ素含有電気活性材料の粒子を含有する水性無電解めっき媒体を提供する工程と、
（ｉｉ）化合物（Ｍ）の可溶性前駆体を工程（ｉ）において提供された水性無電解めっき媒体に導入する工程
とを含んでもよい。
【００３６】
無電解めっきプロセス、上記の方法において化合物（Ｍ）の選択は、本明細書において前述した通りである。
【００３７】
本発明の別の目的は、上に詳述した少なくとも１つのコア−シェル型アノード活物質の粒子を含むアノード形成組成物［組成物（Ａ）］である。組成物（Ａ）は、少なくとも１つのポリマーバインダーをさらに含んでもよい。組成物（Ａ）は、水と少なくとも１つのポリマーバインダーとをさらに含む水性アノード形成組成物であってもよい。あるいは、組成物（Ａ）は、非水性溶剤と少なくとも１つのポリマーバインダーとをさらに含む非水性アノード形成組成物であってもよい。
【００３８】
組成物（Ａ）中の少なくとも１つのポリマーバインダーの選択は、特に限定されない。例えば、前記ポリマーバインダーは、国際公開第２０１３／０３７６９２号に記載されたフルオロポリマー（ＳＯＬＶＡＹ  ＳＰＥＣＩＡＬＴＹ  ＰＯＬＹＭＥＲＳ  ＩＴＡＬＹ  Ｓ．Ｐ．Ａ．）であってもよい。
【００３９】
組成物（Ａ）は、少なくとも１つの導電性付与添加剤をさらに含むことができる。前記添加剤は、組成物の総重量に対して、０．５〜１５重量％、好ましくは０．７５〜１２．５重量％、より好ましくは１〜１０重量％の量で一般に添加される。好適な導電性付与添加剤の非限定的な例としては、とりわけ、カーボンブラック、グラフェンまたはカーボンナノチューブおよび粉末ならびに、ニッケルおよびアルミニウムなどの、金属の繊維が挙げられる。
【００４０】
また、組成物（Ａ）は、少なくとも１つの炭質材料をさらに含むことができる。好ましくは、前記炭質材料は、リチウムのホストとして機能する粉末、フレーク、繊維または球（例えば、メソカーボンマイクロビード）などの形態で典型的に存在する、リチウムをインターカレートすることができる黒鉛状炭素から選択される。
【００４１】
組成物（Ａ）は、高分子電解質、カルボキシル化メチルセルロースのようなカルボキシル化アルキルセルロース、モンモリロナイトおよびベントナイトのような天然粘土、およびラポナイト、シリカおよびタルクのような人工粘土からなる群から選択される少なくとも１つの化学添加剤をさらに含んでもよい。
【００４２】
本発明の組成物（Ａ）に使用するために適した高分子電解質は典型的に、少なくとも１つのイオン性基を含む反復単位を含むポリマーである。高分子電解質は好ましくは水溶性である。
【００４３】
高分子電解質の反復単位のイオン性基は、カチオン基（すなわち反復単位にイオンの形態で陽電荷をもたらす基）またはアニオン基（すなわち、反復単位にイオンの形態で陰電荷をもたらす基）であってもよい。
【００４４】
カチオン型高分子電解質は典型的に、アミン基およびイミン基からなる群から選択される少なくとも１つのイオン性基を含む反復単位から本質的になる。カチオン型高分子電解質の非限定的な例には、とりわけポリ（エチレンイミン）、ポリビニルピリジン、ポリ（リシン）、ポリ（ジメチルアミノエチルアクリレート）が含まれる。
【００４５】
アニオン型高分子電解質は典型的に、カルボン酸（−ＣＯＯＨ）、スルホン酸（−ＳＯ３Ｈ）およびホスホン酸（−ＰＯ３Ｈ２）基からなる群から選択される少なくとも１つのイオン性基を含む反復単位から本質的になる。アニオン型高分子電解質の非限定的な例には、とりわけポリ（メタ）アクリル酸、ポリ（スチレンスルホン酸）、ポリ（グルタミン酸）、ポリ（硫酸ビニル）が含まれる。
【００４６】
典型的に、カチオン型高分子電解質は、それらの「中性の」形態で本発明の組成物（Ａ）において使用されるが、他方、アニオン型高分子電解質は、それらの塩に変えられた形態で本発明の組成物（Ａ）において使用される。
【００４７】
本発明の組成物（Ａ）に使用するために特に適していることがわかった高分子電解質は、アニオン型高分子電解質である。
【００４８】
高分子電解質は一般的に、式：
0006505671.tif 000002
を満たし、上式中、Ｍがアンモニウム基またはアルカリ金属カチオン（好ましくはＮａ＋）であり、ＲがＨまたは−ＣＨ３であり、ｎが、高分子電解質の数平均分子量が１０００〜１００００、好ましくは２０００〜８０００、より好ましくは３０００〜５０００であるような整数である。
【００４９】
組成物（Ａ）は好ましくはさらに、高分子電解質、カルボキシル化メチルセルロースのようなカルボキシル化アルキルセルロース、モンモリロナイトおよびベントナイトのような天然粘土、およびラポナイト、シリカおよびタルクのような人工粘土からなる群から選択される少なくとも１つの化学添加剤を組成物（Ａ）の全重量に対して典型的に０．１重量％〜１０重量％の間、好ましくは０．５重量％〜５重量％の間で含む。
【００５０】
前記化学添加剤が、増粘剤（レオロジー改質剤とも呼ばれる）として作用する場合があり、それは一般的に、キャスティングプロセスの間に適切な粘度を提供しながら組成物（Ａ）からの粉状電極材料の沈降を防ぐかまたは緩慢にするために添加される。さらに、前記化学添加剤がカルボキシル化メチルセルロースのようなカルボキシル化アルキルセルロースであるとき、このような添加剤はまた、組成物（Ａ）中でポリマーバインダーとして作用する場合がある。
【００５１】
組成物（Ａ）のための好ましいポリマーバインダーには、カルボキシル化アルキルセルロース、好ましくはカルボキシル化メチルセルロース、ポリアミドイミド、およびポリイミドが含まれる。
【００５２】
組成物（Ａ）はより好ましくはさらに、高分子電解質からなる群から、好ましくは部分中和ポリ（アクリル酸）またはポリ（メタクリル酸）などのアニオン型高分子電解質からなる群から選択される少なくとも１つの化学添加剤を、組成物（Ａ）の全重量に対して典型的に０．１重量％〜１０重量％の間、好ましくは０．５重量％〜５重量％の間で含む。
【００５３】
組成物（Ａ）は、高分子電解質からなる群から、好ましくは部分中和ポリ（アクリル酸）またはポリ（メタクリル酸）などのアニオン型高分子電解質からなる群から選択される少なくとも１つの化学添加剤をさらに含む場合、前記組成物（Ａ）は好ましくはまた、少なくとも１つのポリマーバインダーを含み、前記ポリマーバインダーは、好ましくはカルボキシル化アルキルセルロース、より好ましくはカルボキシル化メチルセルロースである。
【００５４】
典型的に、組成物（Ａ）は、水と、少なくとも１つの化学添加剤、好ましくは、高分子電解質からなる群から選択される少なくとも１つの化学添加剤、より好ましくは、部分中和ポリ（アクリル酸）またはポリ（メタクリル酸）などのアニオン型高分子電解質からなる群から選択される少なくとも１つの化学添加剤を組成物（Ａ）の全重量に対して典型的に０．１重量％〜１０重量％の間、好ましくは０．５重量％〜５重量％の間でさらに含む水溶液である。
【００５５】
好ましくは、組成物（Ａ）は、水と少なくとも１つのポリマーバインダーとを含む水溶液である。任意選択により、水性組成物（Ａ）は、２０１０年１２月２日公開の米国特許出願公開第２０１０／０３０４２７０号（ＡＲＫＥＭＡＩＮＣ）に記載されたような一または複数の一時的接着促進剤をさらに含有することができる。本明細書中で用いられるとき、用語「一時的接着促進剤」は、基材上にコートした後に水性組成物（Ａ）の相互接続性を増加させる試剤を意味することが意図される。その場合には、一時的接着促進剤は、一般的に（化学物質の）蒸発によってまたは（加えられたエネルギーの）散逸によって、形成された電極から除去され得る。
【００５６】
一時的接着促進剤は、電極を形成する間に水性組成物（Ａ）の成分の相互接続性をもたらすために有効な量で使用される、化学物質、圧力と組み合わせられたエネルギー源、または組合せであり得る。化学の一時的接着促進剤については、水性組成物（Ａ）は、水１００重量部当たり一または複数の一時的接着促進剤を０〜１５０重量部、好ましくは１〜１００重量部、そしてより好ましくは２〜３０重量部で含有する。好ましくは、これは、水に可溶性または混和性である有機液体である。一実施形態において有用な有機溶剤はＮ−メチル−２−ピロリドンである。他の有用な一時的接着促進剤試剤には、ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、ヘキサメチルホスファミド、ジオキサン、テトラヒドロフラン、テトラメチル尿素、トリエチルホスフェート、トリメチルホスフェート、ジメチルスクシネート、ジエチルスクシネートおよびテトラエチル尿素が含まれるがそれらに限定されない。
【００５７】
一時的接着促進剤としてのエネルギーの場合、有用なエネルギー源には、熱、赤外線放射、および高周波（ＲＦ）が含まれるがそれらに限定されない。一時的接着促進剤としてエネルギーだけが使用されるとき、良い相互接続性のために、熱は圧力−例えばカレンダリング工程と組み合わせられるのが好ましい。
【００５８】
水性組成物（Ａ）は、水の他に、好ましくは極性有機溶剤からなる群から選択される、少なくとも１つの付加的な液体溶剤を含んでもよい。前記極性有機溶剤は一般的に、エタノール、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスファミド、ジオキサン、テトラヒドロフラン、テトラメチル尿素、トリエチルホスフェート、およびトリメチルホスフェートからなる群から選択され、単独にまたは少なくとも２つの種の混合物において使用されてもよい。一般的に、少なくとも１つの付加的な液体溶剤が水性組成物（Ａ）中に存在している場合、水は、水と付加的な液体溶剤との全重量に対して少なくとも５０重量％、好ましくは少なくとも７５重量％、より好ましくは少なくとも８０重量％に相当する。
【００５９】
本発明のさらに別の目的は、組成物（Ａ）を使用してアノード構造を製造する方法である。有利には、前記方法は、組成物（Ａ）を基材の、好ましくは金属基材の少なくとも１つの表面上に適用する工程を含む。
【００６０】
組成物（Ａ）は、任意の従来の湿式コーティング法によって適用されてもよい。特に、非限定的な例として、湿式コーティング法には、スクリーン印刷、ロールコーター、ブレードコーター、スリットコーター、カーテンコーター、ワイヤーコーター、吹付け機、泡付与装置、ブラシコーター等を使用するコーティングなどが含まれてもよい。
【００６１】
組成物（Ａ）が安定なコーティング層を形成するため乾燥法は、公知の技術から選択されてもよい。非限定的な例として、乾燥は室温〜１５０℃の範囲の温度において行なわれてもよい。特定の非限定的な実施形態として、乾燥温度は室温〜１００℃の範囲であってもよい。
【００６２】
組成物（Ａ）は、図１および図２に示されるような異なる部分断面構造を有するアノード構造を形成するために使用されてもよい。より具体的には、組成物（Ａ）は、鉄、ステンレス鋼、鋼、銅、アルミニウム、ニッケルまたはチタンなどの、金属の箔またはワイヤ網を含み、そして小サイズのデバイスのためのたとえば、５〜１００μｍ、または５〜２０μｍの厚さを有する導電性基材１１の両表面（図１）または一表面（図２）上へ塗布され、そして、小サイズデバイスのためのたとえば、１０〜１０００μｍ厚さの複合電極層（１２ａ、１２ｂまたは１２）を形成するために乾燥させられてもよく、それによって電極構造（１０または２０）を提供する。
【００６３】
あるいは、図２に示されるような複合電極層１２を、塗布により導電性基材１１またはより良好な剥離性を有する任意の基材上に一旦形成し、乾燥させ、次に複合電極層１２のみを基材から剥離して電極シートを得て、次に電極シートを導電性基材１１上へ、バッテリーなどの、電気化学デバイスの製造業者による導電性接着剤で適用することによって、図１または図２に示されるものと同様のアノード構造を形成することもまた可能である。
【００６４】
こうして形成されたアノード構造１０または２０は、非水性電解液中に浸漬されている状態でそれが使用されるバッテリーまたは電気二重層キャパシター用のアノードとして好ましくは使用されてもよい。
【００６５】
本発明のさらに別の目的は、上に詳述したコア−シェル型アノード材料から、好ましくは組成物（Ａ）から製造されたアノード構造である。
【００６６】
さらに、好ましくは複合電極層１２ａおよび１２ｂを両面上に有するアノード構造１０（図１）の形態での、本発明によるアノード構造は、非水性バッテリー、特にリチウムイオンバッテリーの負極として使用されてもよい。
【００６７】
より一般的には、上に詳述されたようなアノード構造は、任意の電気化学デバイスに使用することができる。とりわけ非水性バッテリー、たとえばリチウムイオンバッテリー、およびキャパシター、特に電気二重層キャパシターなどの、電気化学デバイスでの、上に詳述されたような、アノード構造の使用は、本発明の別の目的である。
【００６８】
参照により本明細書に組み込まれる一切の特許、特許出願、および刊行物の開示が用語を不明瞭にさせ得る程度まで本出願の記載と矛盾する場合、本記載が優先するものとする。
【００６９】
本発明は、その目的が例示的であるにすぎず、本発明の範囲を限定することを意図するものではない、以下の実施例に関連して、ここでより詳細に記載される。
【実施例】
【００７０】
原材料
ケイ素（Ｓｉ）粉末：ＳｋｙＳｐｒｉｎｇ  Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｉｎｃ．によって供給される商用銘柄
黒鉛：スイスのＴｉｍＣａｌ  Ｌｔｄ．製のＴＩＭＲＥＸ  ＳＬＰ３０
カーボンブラック：Ｔｉｍｃａｌ  ＡＧ製のＳｕｐｅｒ  Ｐ
Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ製のナトリウムカルボキシメチルセルロース
Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ製のポリアクリル酸
【００７１】
調製例１−銅によるＳｉ粒子の無電解コーティング
この調製例において、以下の手順に従い無電解めっきによってＳｉの粒子が銅（Ｃｕ）をコートされた。最初に、パラジウム（Ｐｄ）触媒をＳｉ粒子表面上に堆積させることによってめっきを開始した。Ｐｄ触媒の堆積を実施するためにＳｉ粒子の粉末を０．０３ｇ／ＬのＰｄＣｌ２を含有する水溶液中に１分間浸漬したが、それは高密度でＰｄで覆われたＳｉ粒子をもたらした。
【００７２】
次に、Ｐｄ触媒されたＳｉ粉末を２００ｒｐｍの速度の磁気撹拌下で水性めっき槽内に浸漬した。前記水性めっき槽は６ｇ／Ｌの硫酸銅、２７ｇ／ＬのＥＤＴＡ、７．４７ｍＬ／Ｌのホルムアルデヒドおよび５．６ｇ／Ｌの水酸化ナトリウムを保有し、１２のｐＨ価を有した。めっき温度は６０℃になるように設定された。３０分の浸漬後、ＣｕでコートされたＳｉ材料は良好に得られた。
【００７３】
実施例２−ＣｕでコートされたＳｉ材料を使用するアノードの製造
以下の手順に従い、調製例１で得られたＣｕでコートされたＳｉ材料を使用してアノードを作製した：
調製例１から得られたＣｕでコートされたＳｉ材料１グラムを乳鉢によって０．２グラムの黒鉛ＳＬＰ３０および２．４グラムのカーボンブラックＳｕｐｅｒ  Ｐと乾燥混合した。均質な粉状混合物が達成されたとき、それを８グラムの４重量％ナトリウムカルボキシメチルセルロース水溶液、２２８ｍｇの３５重量％アクリル酸水溶液および３．５グラムの２５／７５ｗ／ｗエタノール／水溶液によって構成された溶液にゆっくりと添加した。得られた複合スラリーを１０００ｒｐｍで３０分間にわたって機械的に撹拌した。その後、ペーストを１００μｍのコーティング用のナイフを使用して厚さ１０μｍの銅箔上にドクター・ブレード・キャスティング装置でテープキャストした。その後、電極を日中に室温で乾燥させ、次いで９０℃の真空炉内に置いて一晩乾燥させた。最終的なアノードは、８１μｍの厚さおよび２．４ｍｇの電極材料／平方ｃｍの配合量を有する。
【００７４】
比較例３−コートされていないＳｉ粒子を使用するアノードの製造
出発原料として商用銘柄のコートされていないＳｉ粉末を使用すること以外、実施例２に詳述したのと同じ手順に従ってアノードを作製した。
【００７５】
実施例４：実施例２および比較例３の製造されたアノードの電気化学的性質の評価
実施例２ならびに比較例３に従って製造された電極の小さいディスクを、対電極および対照電極としてのリチウム金属と一緒に打ち抜くことによってリチウムコイン電池（ＣＲ２０３２型）をＡｒガス雰囲気下にグローブボックス中で製造した。電解質は、エチレンカーボネート（ＥＣ）／ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）（１：１容積／容積）中の１Ｍ  ＬｉＰＦ６であり、Ｗｈａｔｍａｎ（登録商標）ガラス繊維紙をセパレータとして使用した。
【００７６】
低い電流率で初充電および放電サイクルの後、２つの電池の各々を０．２Ｃの一定電流率で定電流でサイクル経過させた。表１および表２のデータから見られるように、比較例３のアノードを使用する電池は、実施例２のアノードを使用する電池に比べて、サイクル経過によってかなり大きめの容量低下を示した。また、これらの電気化学結果は、コートされていないＳｉ活物質を使用するアノード（比較例３）よりも著しく改良された容量維持率によって明らかにされるように、アノードのＳｉ活物質上にＣｕコーティングを無電解堆積することによって、サイクル経過の間より良い構造安定性を有するすぐれたアノード（実施例２）を製造できることを示した。
【００７７】
0006505671.tif 000003
【００７８】
0006505671.tif 000004
【００７９】
実施例５−ＣｕでコートされたＳｉ材料を使用するアノードの製造
以下の手順に従い、調製例１で得られたＣｕでコートされたＳｉ材料を使用してアノードを作製した：
調製例１から得られたＣｕでコートされたＳｉ材料１グラムを乳鉢によって０．２３グラムのカーボンブラックＳｕｐｅｒ  Ｐと乾燥混合した。均質な粉状混合物が達成されたとき、それを１．２グラムのナトリウムカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、０．２グラムのポリアクリル酸（ＡＡ）によって構成された溶液にゆっくりと添加した。得られた複合スラリーを１０００ｒｐｍで３０分間にわたって機械的に撹拌した。その後、ペーストを１００μｍのコーティング用のナイフを使用して厚さ１０μｍの銅箔上にドクター・ブレード・キャスティング装置でテープキャストした。その後、電極を日中に室温で乾燥させ、次いで９０℃の真空炉内に置いて一晩乾燥させた。最終的なアノードは、４７μｍの厚さおよび３ｍｇの電極材料／平方ｃｍの配合量を有する。
【００８０】
比較例６−コートされていないＳｉ粒子を使用するカソードの製造
出発原料として商用銘柄のコートされていないＳｉ粉末を使用すること以外、実施例５に詳述したのと同じ手順に従ってアノードを作製した。
【００８１】
実施例７：実施例５および比較例６の製造されたアノードの電気化学的性質の評価
実施例５ならびに比較例６に従って製造された電極の小さいディスクを、対電極および対照電極としてのリチウム金属と一緒に打ち抜くことによってリチウムコイン電池（ＣＲ２０３２型）をＡｒガス雰囲気下にグローブボックス中で製造した。電解質は、エチレンカーボネート（ＥＣ）／ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）（１：１容積／容積）中の１Ｍ  ＬｉＰＦ６であり、Ｗｈａｔｍａｎ（登録商標）ガラス繊維紙をセパレータとして使用した。低い電流率で初充電および放電サイクルの後、２つの電池の各々をＣ／５−Ｄ／５の一定電流率で定電流でサイクル経過させた。表３のデータから見られるように、比較例６のアノードを使用する電池は、実施例５のアノードを使用する電池に比べて、サイクル経過によってかなり大きめの容量低下を示した。これらの電気化学結果は、コートされていないＳｉ活物質を使用するアノード（比較例６）よりも著しく改良された容量維持率によって明らかにされるように、アノードのＳｉ活物質上にＣｕコーティングを無電解堆積することによって、サイクルの間より良い構造安定性を有するすぐれたアノード（実施例５）を製造できることをさらに裏づけた。
【００８２】
0006505671.tif 000005
【００８３】
実施例８：実施例５および比較例６の製造されたアノードの導電率の測定
実施例５および比較例６のアノードの導電率は、面外方法を使用しておよびＪａｎｄｅｌ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．製の４点プローブを使用して測定された。面外方法において、アノードを２つの電極の間に挟み、電圧をこのシステムに印加して、システム内の循環電流を測定した。アノードのシート抵抗もまた、４点プローブ（Ｊａｎｄｅｌ円筒形プローブヘッド）によって測定されたが、それは、試験中にアノード試料と接触させられる４つの細い同一直線上に置かれたタングステンワイヤプローブを備える。４点プローブ試験の間に、電流Ｉを外側プローブ間に流れさせ、電圧Ｖを２つの内側プローブ間で測定した。
試料のシート抵抗は、
Ｒｓ＝４．５３×Ｖ／Ｉ
によって与えられた。
試料の体積抵抗率Ｒｖ（ｏｈｍ  ｃｍ単位）は、
Ｒｖ＝Ｒｓ＊厚さ（ｃｍ）
によってＲｓに関連づけられた。
【００８４】
実施例５のアノード電極組成物は、７４％のＣｕでコートされたＳｉ、１６％のＳｕｐｅｒ  Ｐおよび１０％のＣＭＣ／ＡＡバインダーからなる。室温（ＲＴ）での導電率の測定の結果を表４に示す。
【００８５】
0006505671.tif 000006
【図１】
0006505671.tif 000007
【図２】
0006505671.tif 000008