(57)【要約】【課題】電極合材の均一性が得られ、活物質および電解液との親和性が高く、かつ接着力が十分であって電極の作製が容易となるバインダ、サイクル特性が向上した電極、電気抵抗が軽減され、出力特性が向上した、高性能かつ安全性に優れた電気化学デバイスを提供する。【解決手段】少なくとも、電極の材料である活物質と、集電体と、導電助剤とを連結させる、電気化学反応を伴うデバイスに用いられるバインダは、負に帯電した若しくは分極した官能基を有する高分子化合物と、正に帯電した低分子化合物または陽イオンとを少なくとも含む。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
硫黄化合物を含む電気化学デバイス用電極に用いられるバインダであって、
負に帯電した若しくは分極した官能基を有する高分子化合物と、
プロトン、リチウムイオン、２価以上の多価陽イオン、および正に帯電した低分子化合物からなる群より選ばれる、１種または２種以上の陽イオンおよび／または化合物と、を含むことを特徴とするバインダ。
【請求項２】
上記高分子化合物が、酸性官能基を有する高分子化合物を含有することを特徴とする請求項１に記載のバインダ。
【請求項３】
上記酸性官能基を有する高分子化合物が、カルボキシル基を有する高分子化合物を含有することを特徴とする請求項２に記載のバインダ。
【請求項４】
上記カルボキシル基を有する高分子化合物が、ウロン酸が重合した構造を有する高分子化合物であることを特徴とする請求項３に記載のバインダ。
【請求項５】
上記ウロン酸が重合した構造を有する高分子化合物が、アルギン酸およびアルギン酸塩を含有することを特徴とする請求項４に記載のバインダ。
【請求項６】
上記２価以上の多価陽イオンが、多価金属イオンであることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のバインダ。
【請求項７】
上記多価金属イオンが、マグネシウムイオンであることを特徴とする請求項６に記載のバインダ。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載のバインダを含有することを特徴とする電気化学デバイス用電極。
【請求項９】
活物質が硫黄−炭素複合体であることを特徴とする請求項８に記載の電気化学デバイス用電極。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の電気化学デバイス用電極を有することを特徴とする電気化学デバイス。
【請求項１１】
イオン液体電解液を含有することを特徴とする請求項１０に記載の電気化学デバイス。
【請求項１２】
上記イオン液体電解液が、ビス（フルオロスルフォニル）イミドを含有することを特徴とする請求項１１に記載の電気化学デバイス。
【請求項１３】
上記イオン液体電解液が、リチウム溶媒和錯体を含有する電解液であることを特徴とする請求項１１に記載の電気化学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学反応を伴うデバイスに用いられるバインダ、当該バインダを含有する電極、および上記電極を有する電気化学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話等の携帯端末機器、電気自動車等に搭載される電気化学デバイス（例えば、電気化学キャパシタ、リチウムイオン二次電池等の蓄電デバイスが包含される）が開発されている。これら電気化学デバイスは、機器の小型化や軽量化を可能にし、充放電効率がよく、高いエネルギー密度を有しているため、例えば、携帯端末機器やノート型パソコン、家電機器、さらにはハイブリッド自動車や電気自動車の電源として使用されている。また、太陽光発電や風力発電等の自然エネルギーシステムと組み合わせた、発電した電力の貯蔵用蓄電デバイスとしての用途も新たに注目されている。
【０００３】
例えば特許文献１に記載されているように、電気化学デバイスであるリチウム硫黄電池における硫黄正極は、一般的に活物質である、導通パスを担う炭素材料および導電助剤、並びに、バインダおよび集電体から構成されている。リチウム硫黄電池の特性は、硫黄正極の構成に大きく依存し、具体的には、当該硫黄電極を構成する各構成の材料そのものの特性と、各構成の組み合わせ方とに大きく影響を受ける。特に、バインダは、電極合材内の活物質である炭素材料、導電助剤および集電体を互いに接着する役割を担い、電気化学デバイスのサイクル特性や出力特性を左右する材料である。
【０００４】
ここで、バインダは、電極内にて、その存在比が少ないこと、活物質や導電助剤、集電体、電解液との親和性に優れ、電極層の電気抵抗を最小限にできることが望まれる。ところが、硫黄正極の低い導電性は、電気化学デバイスの出力特性には不利である。
【０００５】
従来技術におけるバインダは、非水系バインダおよび水系バインダの２種類に大きく分類される。非水系バインダとしては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）（非特許文献１等）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）（非特許文献２）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）（非特許文献３）、ブタジエン含有共重合体（特許文献２，３）等が挙げられる。水系バインダとしては、スチレン−ブタジエンラバー（ＳＢＲ）とそのカルボキシメチルセルロース（Ｎａ塩、ＣＭＣ）との併用物（非特許文献１，４等）等が挙げられる。水系バインダは、非常に安定したサイクル特性を示す。また、水系バインダとして天然高分子が有効であることが明らかとなっており、ゼラチン（非特許文献５等）、アルギン酸ナトリウム塩（非特許文献６等）等が報告されている。
【０００６】
アルギン酸系バインダに関して、本発明者らは、キャパシタ用電極（特許文献４、非特許文献７）、並びに、リチウムイオン二次電池用負極（特許文献４）が適用可能であることを見出している。特に、リチウムを利用する蓄電デバイス（電気化学デバイス）にアルギン酸系バインダを適用する場合には、当該アルギン酸系バインダとしてアルギン酸ナトリウム塩を用いると、ナトリウムイオンと電解液中のリチウムイオンとの交換反応等が起こるため、より安定な作動を実現するには、アルギン酸マグネシウム塩を用いることが好ましいことが分かっている（非特許文献８）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願第３，０４３，８９６号公報
【特許文献２】特開２００４−０４７４６０号公報
【特許文献３】特開２００４−０４７４６２号公報
【特許文献４】特開２０１３−１６１８３２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】M. He他，J. Phys. Chem. C, 115, 15703 (2011)
【非特許文献２】J. Sun, Electrochim. Acta, 53, 7084 (2008)
【非特許文献３】K. Dokko他，J. Electrochem. Soc, 160, A1304 (2013)
【非特許文献４】K. Zhao他，J. Korean Electrochem. Soc, 13, 169 (2010)
【非特許文献５】Y. Wang他，Electrochem. Acta, 54, 4062 (2009)
【非特許文献６】W. Bao他，J. Energy Chem., 22, 790 (2013)
【非特許文献７】M. Yamagata et al.，RSC Advances，Vol. 3, pp. 1037-1040 (2013)
【非特許文献８】K. Soeda他，ECS Trans，53, 93 (2013)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非水系バインダであるＰＴＦＥやＰＶｄＦ等のフッ素化ポリマーは、活物質との間の分子間力が小さいために、十分な分散性および接着性が得られない場合が多い。また、電解液と接触すると膨潤するため、電極構造の崩壊による電極の内部抵抗の増加等が懸念される。一方、水系バインダであるＳＢＲとＣＭＣとの併用物は、ＳＢＲが主鎖に二重結合を有しているため、高温等の環境下において電極が酸化雰囲気に曝されると劣化が生じるという問題点を有している。さらに、上記併用物は、電解液と接触すると膨潤するため、集電体から活物質が剥離して脱落し、サイクル特性や出力特性が低下する原因となる。電極層におけるバインダの含有量を増加させることによって当該電極層の強度を確保することは可能であるものの、この場合には、電極の電気抵抗が増加する結果となり、特に充放電時の形状変化が大きい活物質ではその活性点が失われてしまう。
【００１０】
また、これらバインダに共通する課題として、硫黄の低電子導電性から、硫黄正極は殆どの場合において、出力特性に問題点を有している。尚、アルギン酸ナトリウム塩をバインダとして用いた場合には、電極の内部抵抗を低減する効果があるため、比較的高い出力が期待できるものの、ナトリウムイオンと電解液中のリチウムイオンとの交換反応等が起こるため、結果的に電極の内部抵抗の増加、およびサイクル特性の低下を引き起こす。
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、その主たる目的は、電極合材の均一性が得られ、活物質および電解液との親和性が高く、かつ接着力が十分であって電極の作製が容易となるバインダ、当該バインダを含有する、サイクル特性が向上した電極、および上記電極を有する、電気抵抗が軽減され、出力特性が向上した、高性能かつ安全性に優れた電池等の電気化学デバイスを提供することにある。また、天然高分子を用いることによる環境負荷の低減およびコストの削減を実現することができるバインダ、電極、電気化学デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明者らは鋭意検討した結果、負に帯電した若しくは分極した官能基を有する高分子化合物と、正に帯電した低分子化合物または陽イオンとを少なくとも含むバインダを用いることによって上記課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明に係るバインダは、硫黄化合物を含む電気化学デバイス用電極に用いられるバインダであって、負に帯電した若しくは分極した官能基を有する高分子化合物と、プロトン、リチウムイオン、２価以上の多価陽イオン、および正に帯電した低分子化合物からなる群より選ばれる、１種または２種以上の陽イオンおよび／または化合物と、を含むことを特徴としている。
【００１４】
上記バインダは、上記高分子化合物が、酸性官能基を有する高分子化合物を含有することがより好ましい。また、上記酸性官能基を有する高分子化合物が、カルボキシル基を有する高分子化合物を含有することがより好ましい。また、上記カルボキシル基を有する高分子化合物が、ウロン酸が重合した構造を有する高分子化合物であることがより好ましい。さらに、上記ウロン酸が重合した構造を有する高分子化合物が、アルギン酸およびアルギン酸塩を含有することがより好ましい。
【００１５】
上記バインダは、上記２価以上の多価陽イオンが、多価金属イオンであることがより好ましい。また、上記多価金属イオンが、マグネシウムイオンであることがより好ましい。
【００１６】
また、本発明に係る電気化学デバイス用電極は、上記バインダを含有することを特徴としている。さらに、上記電気化学デバイス用電極は、活物質が硫黄−炭素複合体であることがより好ましい。
【００１７】
本発明に係る電気化学デバイスは、上記電気化学デバイス用電極を有することを特徴としている。上記電気化学デバイスは、イオン液体電解液を含有することがより好ましい。また、上記イオン液体電解液が、ビス（フルオロスルフォニル）イミドを含有することがより好ましい。さらに、上記イオン液体電解液が、リチウム溶媒和錯体を含有する電解液であることがより好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るバインダは、硫黄化合物を含む電気化学デバイス用電極に用いられるバインダであって、負に帯電した若しくは分極した官能基を有する高分子化合物と、プロトン、リチウムイオン、２価以上の多価陽イオン、および正に帯電した低分子化合物からなる群より選ばれる、１種または２種以上の陽イオンおよび／または化合物と、を含んでいる。
【００１９】
それゆえ、電極合材の均一性が得られ、活物質および電解液との親和性が高く、かつ接着力が十分であって電極の作製が容易となるバインダ、当該バインダを含有する、サイクル特性が向上した電極、および上記電極を有する、電気抵抗が軽減され、出力特性が向上した、高性能かつ製造プロセスにおける環境負荷の軽減が可能であり、安全性に優れた電池等の電気化学デバイスを提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１，２，３で構築した評価用２極式ハーフセルの正極の充放電サイクル特性を示すグラフである。
【図２】（ａ）は、実施例１で構築した評価用２極式ハーフセルの正極の充放電曲線を示すグラフであり、（ｂ）は、比較例１で構築した評価用２極式ハーフセルの正極の充放電曲線を示すグラフである。
【図３】実施例１および比較例１で構築した評価用２極式ハーフセルの正極の充放電サイクル特性を示すグラフである。
【図４】実施例１および比較例１で構築した評価用２極式ハーフセルの正極の出力特性を示すグラフである。
【図５】実施例４および比較例２で構築した評価用２極式ハーフセルの正極の出力特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施の形態について、詳細に説明する。尚、本出願において、「Ａ〜Ｂ」とは、「Ａ以上、Ｂ以下」であることを示している。また、特に断りの無い限り、「質量」および「重量」、「質量％」および「重量％」は、同義語として扱う。
【００２２】
本発明に係るバインダは、硫黄化合物を含む電気化学デバイス用電極に用いられるバインダであって、負に帯電した若しくは分極した官能基を有する高分子化合物と、プロトン、リチウムイオン、２価以上の多価陽イオン、および正に帯電した低分子化合物からなる群より選ばれる、１種または２種以上の陽イオンおよび／または化合物と、を含む構成である。また、本発明に係る電気化学デバイス用電極は、上記バインダを含有する構成である。以下、電極を構成する部材を順に説明する。
【００２３】
［活物質］
電極の材料であり、電気エネルギーの蓄電に直接係わる活物質としては、正極の材料である正極活物質および負極の材料である負極活物質が挙げられる。
【００２４】
上記活物質は、例えば、リチウム、ナトリウム、マグネシウム等の陽イオンの挿入または脱離が可能な物質であればよく、特に限定されるものではない。また、上記活物質としては、硫黄−炭素複合体も好適に用いることができる。
【００２５】
上記正極活物質としては、例えば、硫黄電池用の正極活物質として、硫黄、ＬｉxＳ2で表される硫化リチウム化合物、ＮａyＳ2で表される硫化ナトリウム化合物、ＭｇzＳ2で表される硫化マグネシウム化合物等の硫化物が挙げられる。この場合、硫黄或いは硫化物の低い電子伝導性のため、電子伝導性の高い物質と組み合わせることも可能である。
【００２６】
上記電子伝導性の高い物質として、例えば、活性炭等のミクロ多孔性カーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、グラフェン、カーボンブラック、カーボンウイスカー、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンファイバー等が挙げられる。
【００２７】
上記「硫黄−炭素複合体」としては、例えば、上記硫化物と、上記電子伝導性の高い物質との複合体を挙げることができる。上記複合体は、例えば上記硫化物と、上記電子伝導性の高い物質とを混合することによって製造することができる。
【００２８】
また、硫黄−炭素複合体以外の正極活物質としては、ＴｉＳ2、ＭｏＳ2、ＮｂＳｅ3等の金属カルコゲン化物；ポリアセン、ポリパラフェニレン、ポリピロール、ポリアニリン等の導電性高分子化合物；等が挙げられる。また、ＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、ＭｎＯ2、ＭｏＯ3、Ｖ2Ｏ5、ＣｒＯ3、Ｆｅ2Ｏ3、Ｎｉ2Ｏ3、ＣｏＯ3等の遷移金属酸化物；ＬｉXＣｏＯ2、ＬｉXＮｉＯ2、ＬｉXＭｎ2Ｏ4、ＬｉＮｉ1/3Ｍｎ1/3Ｃｏ1/3Ｏ2、ＬｉＦｅＰＯ4等のリチウムと遷移金属とを含むリチウム複合酸化物、また、これらのナトリウム、マグネシウム等の１族或いは２族元素置換化合物等を挙げることもできる。さらには、これらと炭素系材料との複合活物質でも構わない。これら活物質は、本発明に係るバインダと組み合わせて用いるのに好適な活物質である。
【００２９】
上記負極活物質としては、例えば、硫黄電池用の負極活物質として、天然黒鉛、人造黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素等の炭素材料が挙げられる。また、金属リチウムや金属ナトリウム、金属マグネシウム等の１族および２族元素金属、スズ化合物等の金属材料、ケイ素およびケイ素化合物、チタン酸化物などの金属酸化物、またこれらの１族および２族元素との合金或いは１族および２族元素を含む化合物、さらには、これらの結晶性化合物および非晶質化合物；導電性ポリマー等も挙げられる。
【００３０】
［集電体］
集電体としては、構成された電池等の電気化学デバイスにおいて、その性能に悪影響を及ぼさない電子伝導体であればよく、特に限定されるものではない。集電体としては、具体的には、例えば、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス等が挙げられる。また、接着性や導電性、耐酸化性等の性能を向上させることを目的として、アルミニウム等の表面を、カーボン、ニッケル、チタンまたは銀等で処理してなる集電体を用いてもよい。
【００３１】
さらに、集電体の表面を酸化処理することも可能である。また、集電体の形状は、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチまたはエキスパンドされた形状であってもよく、或いは、ラス体、多孔質体、発泡体等の成形体であってもよい。厚さは特に限定されるものではないが、通常、１μｍ以上、１００μｍ以下の範囲の集電体が用いられる。
【００３２】
尚、本発明に係るバインダを含有する電極を正極として有する電池等の電気化学デバイスにおいて、負極用集電体は、特に限定されるものではなく、公知の負極用集電体を用いることができる。
【００３３】
［導電助剤］
活物質間の導通パスを担う導電助剤は、構成された電池等の電気化学デバイスにおいて、その性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であればよく、特に限定されるものではない。導電助剤としては、通常、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラックが使用される。また、導電助剤として、例えば、天然黒鉛（鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛等）、人造黒鉛、カーボンウイスカー、炭素繊維粉末、金属（銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金等）粉末、金属繊維、導電性セラミックス材料等の導電性材料を使用してもよい。導電助剤は、１種類のみを用いてもよいし、２種類以上を併用してもよい。
【００３４】
［バインダ］
本発明に係るバインダは、硫黄化合物を含む電気化学デバイス用電極に用いられ、少なくとも、活物質と、集電体と、導電助剤とを連結させる機能を有している。そして、上記バインダは、負に帯電した若しくは分極した官能基を有する高分子化合物と、プロトン、リチウムイオン、２価以上の多価陽イオン、および正に帯電した低分子化合物からなる群より選ばれる、１種または２種以上の陽イオンおよび／または化合物と、を含んでいる。
【００３５】
本発明に係るバインダは結着剤であり、接着性に優れるため、少なくとも、活物質と、集電体と、導電助剤とを、集電体に良好に接着させる（連結させる）ことができる。
【００３６】
負に帯電した若しくは分極した官能基を有する高分子化合物は、天然高分子であってもよく、合成高分子であってもよい。負に帯電した若しくは分極した官能基としては、具体的には、例えば、カルボキシル基、カルボニル基、スルホ基、スルホン酸基、スルホニル基、ニトロ基、硝酸基、亜硝酸基、リン酸基、フェノール性ヒドロキシル基等の酸性官能基が挙げられる。高分子化合物は、上記官能基を１種類のみ有していてもよく、２種類以上有していてもよい。
【００３７】
上記高分子化合物は、上記官能基を有するモノマーを含むモノマー組成物（単量体成分）を重合（または共重合）することによって得ることができる。上記官能基を有するモノマーとしては、具体的には、例えば、アルギン酸、ヒアルロン酸、カルボン酸ビニル、ビニルスルホン酸等が挙げられる。上記モノマーは、１種類のみを用いてもよいし、２種類以上を併用してもよい。また、上記モノマー組成物は、本発明に係るバインダとしての機能を損なわない範囲で、上記官能基を有しないモノマーを共重合成分として含んでいてもよい。
【００３８】
また、上記高分子化合物として、ペクチン、ポリ乳酸、ナフィオン（登録商標；炭素およびフッ素からなる疎水性フッ素樹脂骨格（主鎖）とスルホン酸基を有するパーフルオロ側鎖とから構成されるパーフルオロカーボン）、スチレン−スルホン酸共重合体、スチレン−マレイン酸共重合体等の、プロトンを有する極性官能基を有するモノマーの重合体（または共重合体）、或いは、プロトンを有する極性官能基が付加されたポリマー等が挙げられる。
【００３９】
上記高分子化合物の中でも、上記酸性官能基を有する高分子化合物がより好ましい。また。上記酸性官能基を有する高分子化合物の中でも、カルボキシル基を有する高分子化合物がより好ましい。さらに、上記カルボキシル基を有する高分子化合物の中でも、ウロン酸が重合した構造を有する高分子化合物がより好ましい。ウロン酸が重合した構造を有する高分子化合物としては、例えばアルギン酸を挙げることができる。また、高分子化合物は、本発明に係るバインダとしての機能を損なわない範囲で、上記官能基を有しない高分子化合物を含んでいてもよい。
【００４０】
上記正に帯電した低分子化合物としては、例えば、アンモニウムイオン、尿素やアルキルジアミン、フェニレンジアミン等のジアミンをベースとした低分子化合物およびその酸誘導体；スルホニウムイオン、アルキルジスルホニウムやフェニレンジスルホニウム等のジスルホニウムをベースとした低分子化合物或いはその酸誘導体；ホスホニウムイオン、アルキルジホスホニウム等のジホスホニウムをベースとした低分子化合物或いはその誘導体；アミン、スルホニウム、ホスホニウム等の酸性官能基を少なくとも２つ以上含む低分子化合物或いはその誘導体等が挙げられる。
【００４１】
上記陽イオンとしては、プロトン、リチウムイオン、２価以上の多価陽イオン、例えば、二価以上の金属イオン（マグネシウムイオン、アルカリ土類金属イオン、鉄(III) イオンやマンガン(II)イオン等の遷移金属イオン等）等の陽イオンが挙げられる。上記陽イオンのうち、多価金属イオン（二価以上の金属イオン）がより好ましい。また、上記多価金属イオンのうち、マグネシウムイオンがより好ましい。
【００４２】
上記高分子化合物と、プロトン、リチウムイオン、２価以上の多価陽イオン、および正に帯電した低分子化合物からなる群より選ばれる、１種または２種以上の陽イオンおよび／または化合物と、の組み合わせとしては、酸性官能基を有する高分子化合物と、プロトン、リチウムイオンおよび２価以上の多価陽イオンからなる群より選ばれる１種または２種以上の陽イオンとの組み合わせ、カルボキシル基を有する高分子化合物と上記陽イオンとの組み合わせ、ウロン酸が重合した構造を有する高分子化合物と上記陽イオンとの組み合わせ、アルギン酸およびアルギン酸塩を含有する高分子化合物と上記陽イオンとの組み合わせが、後述したものほどより好ましい。上記陽イオンとしては、上述したようにマグネシウムイオンが最も好ましい。
【００４３】
一つの陽イオンは、二つ以上の上記官能基と相互作用するため、高分子化合物は、見かけ上、架橋構造を形成する。
【００４４】
即ち、本発明に係るバインダでは、「プロトン、リチウムイオン、２価以上の多価陽イオン、および正に帯電した低分子化合物からなる群より選ばれる、１種または２種以上の陽イオンおよび／または化合物」（以下、本項において「陽イオンおよび／または化合物」と称する）が、二つ以上の、負に帯電した若しくは分極した官能基と相互作用し、見かけ上、高分子化合物が架橋構造を形成する。特に、マグネシウムイオン等の二価かつ表面電荷密度の大きい陽イオンの場合には、二つ以上の、負に帯電した若しくは分極した官能基に作用し、分子内或いは分子間で見かけ上、架橋構造を形成する。これにより、電極の構造が維持される。
【００４５】
上記高分子化合物と、上記陽イオンおよび／または化合物との組み合わせとしては、多糖類系の天然高分子であるアルギン酸マグネシウムが最適である。バインダとしてアルギン酸マグネシウムを含有する電極合材を用いてなる電極を電気化学デバイスの正極として用いることにより、当該正極と電解液との高い親和性を利用して、電極のサイクル特性をより一層向上させることができ、電気化学デバイスの出力特性をより一層向上させることができる。具体的には、多糖類系の天然高分子であるアルギン酸マグネシウムは安価であり、環境負荷が低減され、アルギン酸マグネシウム単体でバインダとして利用することが可能であり、また、均一な電極合材を作製することができるので、均一な電極を容易にかつ低コストで製造することができる。そして、アルギン酸の活物質、電解液および集電体に対する高い親和性により、従来のバインダでは達成することができない高いサイクル特性（安定性）および出力特性を有する電気化学デバイスを製造することができる。
【００４６】
そして、本発明に係る電気化学デバイスとしての電池が例えば硫黄電池（リチウム硫黄電池および非リチウム硫黄電池）である場合には、上記陽イオンおよび／または化合物は、充放電過程において溶出する硫黄成分であるポリスルフィドと相互作用し、トラップ効果によって、当該ポリスルフィドの電解液への溶出を防止する。このようなメカニズムによって、本発明に係るバインダは、電極における含有量が少なくても高い電極強度を確保することができ、かつ、電解液等との高い親和性を有することで電極の高い出力特性等を実現することができる。以上のメカニズムに基づいていれば、上記バインダは、負に帯電した若しくは分極した官能基を有する高分子化合物と、上記陽イオンおよび／または化合物と、を含んでいる限り、その構成は特に限定されるものではない。
【００４７】
上記バインダは、本発明に係るバインダとしての機能を損なわない範囲で、公知のバインダ成分を含んでいてもよい。即ち、本発明に係るバインダは、負に帯電した若しくは分極した官能基を有する高分子化合物、および、上記陽イオンおよび／または化合物を、主成分として含有していればよい。具体的には、バインダの総重量を１００重量％としたとき、バインダにおける上記化合物（高分子化合物と、上記陽イオンおよび／または化合物との合計）の含有率は、５０重量％を超え、１００重量％以下であればよい。上記含有率は、７０重量％以上、１００重量％以下であることが好ましく、７５重量％以上、１００重量％以下であることがより好ましく、８０重量％以上、１００重量％以下であることがさらに好ましく、８５重量％以上、１００重量％以下であることが特に好ましく、９０重量％以上、１００重量％以下であることが最も好ましい。上記含有率が５０重量％以下である場合には、電気化学デバイスの出力が低下する。
【００４８】
バインダにおける上記化合物の含有率が１００重量％未満の場合において、上記化合物以外の公知のバインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）；ＰＶｄＦとヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）との共重合体、パーフルオロメチルビニルエーテル（ＰＦＭＶ）とテトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）との共重合体等のＰＶｄＦ共重合体；ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ素ゴム等のフッ素系樹脂；スチレン−ブタジエンラバー（ＳＢＲ）、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、スチレン−アクリロニトリル共重合体等のポリマー；カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等の多糖類；ゼラチン等のタンパク質類；等が挙げられる。また、これらの誘導体でも構わない。上記公知のバインダは、１種類のみを用いてもよいし、２種類以上を併用してもよい。
【００４９】
本発明に係るバインダは、電極を構成する材料（活物質、集電体、導電助剤）に対する高い親和性を有するため、硫黄電池に限らず、各種電気化学デバイスに好適に用いることができる。
【００５０】
また、本発明に係るバインダは、活物質、集電体、導電助剤、および電解液に対する高い親和性を有するため、後述する実施例に示すように、上記活物質を使用した電極のサイクル特性、および電気化学デバイスの容量発現特性を飛躍的に向上させることができる。また、本発明に係るバインダは、活物質および導電助剤との親和性に優れるため、電気化学デバイスの電極における各材料間の界面抵抗を軽減することもできる。さらに、良好な充放電特性を高電圧および高電位で実現することが可能である。
【００５１】
従って、本発明に係るバインダを用いることにより、硫黄電池等の電気化学デバイスの高エネルギー密度化および高出力化を実現することができる。
【００５２】
［電極］
本発明に係る電極は、電気化学デバイス用の電極であって、本発明に係るバインダを含有している。上記電極は、バインダ以外に、少なくとも、上述した活物質、集電体および導電助剤を含有している。
【００５３】
本発明に係る電極における上記バインダの含有率は、集電体を除いた重量を１００重量％としたとき、１重量％以上、２０重量％以下であることが好ましく、２重量％以上、１０重量％以下であることがより好ましい。換言すれば、上記バインダの含有率は、上記活物質、導電助剤およびバインダの重量の合計を１００重量％としたとき、１重量％以上、２０重量％以下であることが好ましく、２重量％以上、１０重量％以下であることがより好ましい。
【００５４】
上記バインダの含有率が１重量％以上であれば、活物質、導電助剤およびバインダが均一に混合された電極合材を作製することが容易となり、上記含有率が２重量％以上であればより容易となる。また、バインダの含有率が２０重量％以下であれば、バインダの含有率の増加に伴う活物質の含有率の低下を防ぐことができ、上記含有率が１０重量％以下であれば上記低下をより防ぐことができるので好ましい。
【００５５】
本発明に係る電極は、本発明に係るバインダを含有しているため、後述する実施例に示すように、上記電極合材における含有率がＣＭＣやＳＢＲ等の従来のバインダより低くても、従来のバインダを用いた電極と同等或いはそれ以上の強度を確保することができる。また、本発明に係る電極は、本発明に係るバインダを用いていることにより、均一性に優れており、電気抵抗が低減されており、後述する実施例に示すように、３．０Ｖの高電圧或いはそれ以上の高電圧にて作動可能である。
【００５６】
［電極の製造方法］
本発明に係る電極は、例えば、本発明に係るバインダと、活物質と、導電助剤とを混合し、混合物を得る工程Ａと、上記混合物と水とを混合し、固形分濃度が２０〜７５重量％である電極合材を得る工程Ｂとを備える方法によって製造することができる。但し、電極の製造方法は、上記方法に限定されるものではない。
【００５７】
上記電極合材の固形分における活物質、導電助剤およびバインダの含有率（重量％）は、電極合材の固形分の重量を１００重量％としたときに、活物質：導電助剤：バインダ＝８５〜９８：０〜１０：１〜１０であることが好ましく、９０〜９８：１〜６：２〜１０であることがより好ましい。
【００５８】
上記工程Ａでは、それぞれ固体であるバインダと、活物質と、導電助剤とを混合して混合物を得る。上記混合は、例えば従来公知の乳鉢等の容器に、上記バインダと、活物質と、導電助剤とを収容し、従来公知の乳棒等で攪拌し、粉砕および／または混合する方法；上記バインダと、活物質と、導電助剤とを例えば、ロールミル、ハンマーミル、スクリューミル、ピンミル等の高速回転式粉砕機、或いは、振動ミル、ロールグラニュレーター、ナックルタイプ粉砕機、円筒型ミキサー等に投入し、粉砕および／または混合する方法；等により行うことができる。
【００５９】
上記工程Ｂでは、上記混合物と水とを混合することにより、電極合材である電極用スラリーを得ることができる。電極用スラリーの固形分濃度は、当該電極用スラリーの内容物によって変化するため、特に限定されるものではない。但し、電極用スラリーは、固形分濃度が例えば好ましくは２０〜７５重量％、より好ましくは６０重量％となるように、水を混合して調製すればよい。混合は、上述した乳鉢やロールミル等を用いて適宜行うことができる。
【００６０】
電極は、上記電極用スラリーを集電体に塗布し、乾燥させることによって製造することができる。塗布方法としては、例えば、集電体に上記電極用スラリーを塗布し、ドクターブレードにより余分な電極用スラリーを除去する方式、集電体に上記電極用スラリーを塗布し、ローラにより上記電極用スラリーを集電体と共に圧延する方式、等の公知の塗布方法を採用することができる。
【００６１】
塗布した上記電極用スラリーを乾燥する温度は、特に限定されるものではなく、上記電極用スラリーに含まれる各材料の含有率に応じて適宜変更すればよい。乾燥方法の一例としては、上記電極用スラリーを塗布した集電体を室温にて放置した後、加熱用の機器を用いて当該集電体を５０℃〜１００℃に加熱して水分を除去し、乾燥させ、さらに、減圧下、１２０℃にて数時間、乾燥させる方法が挙げられる。尚、このときの減圧条件は、圧力が１０Ｐａ以下であることが好ましい。また、得られる電極の厚さや大きさは、当該電極を用いる電気化学デバイスの用途に応じて適宜変更すればよい。
【００６２】
［電解液］
上記電極を用いてなる電池等の電気化学デバイスに使用される電解液は、特に限定されるものではなく、従来のリチウム硫黄電池を始め、一般的な二次電池で検討或いは採用された電解液を採用することができる。つまり、電解液は公知の電解液を用いることができる。電解液の中でも、非水系電解液を用いることがより好ましい。非水系電解液は、従来の電気化学デバイスに用いられる非水系電解液であればよく、イオン液体電解液を用いることもできる。
【００６３】
また、非水系電解液は、電気化学デバイスの非水系電解液として用いられる有機系電解液であってもよい。当該有機系電解質は、イオンキャリアとなる電解質塩を含み、当該電解質塩と、これを溶解させる有機溶媒とから構成されている。
【００６４】
上記電解質塩としては、１族元素金属塩、２族元素金属塩等が挙げられる。
【００６５】
代表的な１族元素金属塩、２族元素金属塩としては、例えば、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩、カルシウム塩等が挙げられる。
【００６６】
上記電解質塩のアニオンとしては、例えば、ＢＦ4-、ＮＯ3-、ＰＦ6-、ＳｂＦ6-、ＣＨ3ＣＨ2ＯＳＯ3-、ＣＨ3ＣＯ2-、または；ＣＦ3ＣＯ2-、ＣＦ3ＳＯ3-、（ＣＦ3ＳＯ2）2Ｎ-［ビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミド（ＴＦＳＩ）］、（ＦＳＯ2）2Ｎ-［ビス（フルオロスルフォニル）イミド（ＦＳＩ）］、（ＣＦ3ＳＯ2）3Ｃ-等のフルオロアルキル基含有アニオン等が挙げられる。
【００６７】
特に、電気化学デバイスとしての電池がリチウム−硫黄二次電池である場合における電解質塩としては、例えば、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＰＦ6、ＬｉＰＦ4、ＬｉＢＦ4、ＬｉＢ（Ｃ6Ｈ5）4、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＣＨ3ＳＯ3Ｌｉ、ＬｉＦＳＩ、ＬｉＴＦＳＩ、ＣＦ3ＳＯ3Ｌｉ等のリチウム塩等が挙げられる。中でも、ＬｉＦＳＩがより好ましい。また、電気化学デバイスとしての電池が非リチウム−硫黄二次電池である場合には、上記電解質塩の１族元素置換化合物或いは２族元素置換化合物が挙げられる。中でも、ＦＳＩをアニオンとする塩が好ましい。
【００６８】
また、上記有機溶媒としては、例えば、エーテル類、ケトン類、ラクトン類、ニトリル類、アミン類、アミド類、硫黄化合物、塩素化炭化水素類、エステル類、カーボネート類、ニトロ化合物、リン酸エステル系化合物、スルホラン系化合物等が挙げられる。代表的な有機溶媒としては、例えば、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、アニソール、モノグライム、アセトニトリル、プロピオニトリル、４−メチル−２−ペンタノン、ブチロニトリル、バレロニトリル、ベンゾニトリル、１，２−ジクロロエタン、γ−ブチロラクトン、ジメトキシエタン、メチルフォルメイト、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルチオホルムアミド、スルホラン、３−メチル−スルホラン、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、およびこれら有機溶媒の混合溶媒等が挙げられる。
【００６９】
これら有機溶媒の中でも、低粘度であり、イオン伝導性に優れ、電気化学的な安定性に優れている点で、プロピレンカーボネートがより好ましい。上記有機溶媒は、１種類のみを用いてもよいし、２種類以上を併用してもよい。
【００７０】
或いは、電池が硫黄電池である場合においては、例えば、以下の電解液を用いることもできる。具体的には、例えば、１，２−ジメトキシエタン（ＤＭＥ）やジエチルカーボネート（ＤＥＭ）を主溶媒として、それに極性溶媒である１，３−ジオキソラン（ＤＯＬ）やエチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチルメチルスルフォン（ＥＭＳ）等を組み合わせてなる混合溶媒、テトラエチレングリコールジメチルエーテル（ＴＥＧＤＭＥ）等に代表される化学式「Ｒ1（ＣＨ2ＣＨ2Ｏ）nＲ2」（ｎ＝２〜１０であり，Ｒ1はアルキル基またはアルコキシ基、Ｒ2はアルキル基、特にＲ1がアルコキシ基の場合はグライムと呼ばれる）を単体或いは主溶媒とし、副溶媒としてＤＯＬ等を組み合わせてなる混合溶媒、等が挙げられる。
【００７１】
また、非水系電解液は、電気化学デバイスの非水系電解液として用いられるイオン液体電解液であってもよい。ここで「イオン液体」とは、１００℃以下において液体で存在する塩を意味する。このイオン液体のカチオンとしては、例えば、イミダゾリウム、ピリジニウム、ピロリジニウム、ピペリジニウム、テトラアルキルアンモニウム、ピラゾリウム、またはテトラアルキルホスホニウム等が挙げられる。
【００７２】
上記イミダゾリウムとしては、例えば、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム、１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、１−アリル−３−メチルイミダゾリウム、１−アリル−３−エチルイミダゾリウム、１−アリル−３−ブチルイミダゾリウム、１，３−ジアリルイミダゾリウム等が挙げられる。
【００７３】
上記ピリジニウムとしては、例えば、１−プロピルピリジニウム、１−ブチルピリジニウム、１−エチル−３−（ヒドロキシメチル）ピリジニウム、１−エチル−３−メチルピリジニウム等が挙げられる。
【００７４】
上記ピロリジニウムとしては、例えば、Ｎ−メチル−Ｎ−プロピルピロリジニウム、Ｎ−メチル−Ｎ−ブチルピロリジニウム、Ｎ−メチル−Ｎ−メトキシメチルピロリジニウム等が挙げられる。
【００７５】
上記ピペリジニウムとしては、例えば、Ｎ−メチル−Ｎ−プロピルピペリジニウム等が挙げられる。
【００７６】
上記テトラアルキルアンモニウムとしては、例えば、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチル−Ｎ−プロピルアンモニウム、メチルトリオクチルアンモニウム等が挙げられる。
【００７７】
上記ピラゾリウムとしては、例えば、１−エチル−２，３，５−トリメチルピラゾリウム、１−プロピル−２，３，５−トリメチルピラゾリウム、１−ブチル−２，３，５−トリメチルピラゾリウム等が挙げられる。
【００７８】
上記テトラアルキルホスホニウムとしては、例えば、Ｐ−ブチル−Ｐ，Ｐ，Ｐ−トリエチルホスホニウムやＰ，Ｐ，Ｐ−トリエチル−Ｐ−（２−メトキシエチル）ホスホニウム等が挙げられる。
【００７９】
また、上記カチオンと組み合わされてイオン液体を構成するアニオンとしては、例えば、ＢＦ4-、ＮＯ3-、ＰＦ6-、ＳｂＦ6-、ＣＨ3ＣＨ2ＯＳＯ3-、ＣＨ3ＣＯ2-、または；ＣＦ3ＣＯ2-、ＣＦ3ＳＯ3-、（ＣＦ3ＳＯ2）2Ｎ-［ビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミド（ＴＦＳＩ）］、（ＦＳＯ2）2Ｎ-［ビス（フルオロスルフォニル）イミド（ＦＳＩ）］、（ＣＦ3ＳＯ2）3Ｃ-等のフルオロアルキル基含有アニオン等が挙げられる。
【００８０】
上記イオン液体電解液は、上記カチオンの少なくとも１種と、上記アニオンの少なくとも１種とを適宜組み合わせて構成することができる。電池がリチウムイオン二次電池である場合におけるイオン液体電解液は、（ＦＳＯ2）2Ｎ-等のアニオンを含んでいることがより好ましい。
【００８１】
上記イオン液体電解液は、電気化学デバイスである蓄電デバイスにおける電気的特性により優れると共に、当該電気的特性の低下が抑制されるという点、および、入手し易く、イオン液体電解液が備える電気的特性の低下が蓄電デバイスにおいてより抑制されるという点から、好ましい。
【００８２】
また、大気中での取り扱いが容易であるという点で、リチウムイオン二次電池においては、（ＦＳＯ2）2Ｎ-等の含フッ素系アニオンを含むイオン液体電解液がより好ましい。
【００８３】
さらに、上記イオン液体電解液としては、比較的低粘度であり、イオン伝導性に優れ、電気化学的な安定性に優れているという点で、イミダゾリウムカチオンまたはピロリジニウムカチオンを含んでいることがより好ましい。
【００８４】
具体的には、上記イオン液体電解液が、ビス（フルオロスルフォニル）イミド（ＦＳＩ）を含有することが好ましく、上記イオン液体電解液を構成するイオン液体としては、アニオンとしてのビス（フルオロスルフォニル）イミドアニオン（ＦＳＩ）と、カチオンとしてのピロリジニウム等の四級アンモニウムとの塩がより好ましく、例えば、Ｎ，Ｎ−メチルプロピルピロリジニウム ビス（フルオロスルフォニル）イミド（ＭＰＰｙｒＰｙｒＦＳＩ）、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチル−Ｎ−ブチル−アンモニウム ビス（フルオロスルフォニル）イミド（Ｎ1114ＦＳＩ）、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム ビス（フルオロスルフォニル）イミド（ＥＭＩｍＦＳＩ）がより好ましい。
【００８５】
一方、従来の電気化学デバイスに使用されているイオン液体系電解液（本明細書で取り上げている溶媒和イオン液体を含む）等を用いることもできる。
【００８６】
上記溶媒和イオン液体は、上記電解質塩と、電解質陽イオンと錯体形成をする有機化合物とから構成されるイオン液体である。上記有機化合物としては、例えば、モノグライム（エチレングリコールジメチルエーテル）、ジグライム（ジエチレングリコールジメチルエーテル）、トリグライム（トリエチレングリコールジメチルエーテル）、テトラグライム（テトラエチレングリコールジメチルエーテル）等のエーテル系溶媒等が挙げられる。
【００８７】
上記溶媒和イオン液体としては、電気化学デバイスとしての電池が非リチウム−硫黄二次電池である場合には、リチウム溶媒和錯体を含有する電解液、即ち上記電解質陽イオンがリチウムイオンである電解液であることが好ましい。
【００８８】
特に、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム ビス（フルオロスルフォニル）イミド（以下、「ＥＭＩｍＦＳＩ」と記載する場合がある）を含むイオン液体電解液を用いることにより、従来のイオン液体電解液では達成することができない高いサイクル特性（安定性）および出力特性を有する電気化学デバイスを製造することができる。また、添加剤を特に必要とせず、また可燃性の低粘性溶剤を用いないので、安定な充放電を行うことができる安全性に優れた電気化学デバイスを提供することができる。ＥＭＩｍＦＳＩを含むイオン液体電解液を用いることにより、高いイオン伝導性を発揮することができ、充放電過程で生じる例えばポリスルフィドの溶解度が低く、電気化学的安定性および安全性に優れているので、電気化学デバイスを安定に作動させることができる。また、可燃性の低粘性溶剤を用いないので、電気化学デバイスの耐熱性を向上させることができる。
【００８９】
また、電池がリチウムイオン二次電池である場合においては、ポリエチレンオキシド、ポリアクリルニトリル、ポリメチルメタクリレート等の公知のポリマー電解質を用いてもよい。
【００９０】
電池が硫黄電池である場合においては、上記電解液を用いることにより、高いイオン伝導性を発揮することができ、充放電過程で生じるポリスルフィドの溶解度が低く、電気化学的安定性および安全性に優れているので、当該硫黄電池（特に正極）を安定に作動させることができる。
【００９１】
また、電池がリチウム硫黄電池である場合においては、バインダであるアルギン酸マグネシウムと、電解液である１−エチル−３−メチルイミダゾリウム ビス（フルオロスルフォニル）イミドとを組み合わせることにより、当該電池の充電時間を、従来の１０時間から１時間に短縮することができる。
【００９２】
つまり、従来のバインダは、電極を成形するための結着剤として好適な構成が考慮されており、活物質の移動や電解質の移動に関しては特段の考慮がなされていない。これに対して、本発明に係るバインダにおいては、結着剤として好適なだけでなく、活物質の移動や電解質の移動の容易さも含めて、その構成が考慮されている。それゆえ、本発明に係るバインダは、単なる結着剤ではなく、高分子化合物および陽イオン等によって電気的なネットワークを有しており、活物質の移動や電解質の移動を阻害しない。従って、従来と比較して、充電時間を大幅に短縮することができる。
【００９３】
［セパレータ］
上記電極を用いてなる電池等の電気化学デバイスでは、正極と負極との間の短絡を防止するために、正極と負極との間にセパレータが備えられる。上記セパレータは、公知のセパレータを用いることができ、特に限定されるものではないが、例えば、ポリエチレン製またはポリプロピレン製フィルムの微多孔膜；多孔性のポリエチレンフィルムとポリプロピレンとの多層フィルム；ポリエステル繊維、アラミド繊維またはガラス繊維等からなる不織布；が挙げられる。
【００９４】
上記セパレータの空隙率は、７０％以上であることが好ましく、８０％以上であることがより好ましい。また、上記空隙率は、９５％以下であることがより好ましい。
【００９５】
ここで、上記空隙率は、セパレータの見掛け密度と構成材料の固形分の真密度とから、次式
空隙率（％）＝１００−（セパレータの見掛け密度／構成材料の固形分の真密度）×１００
により算出される値である。
【００９６】
［電気化学デバイス］
本発明に係る電気化学デバイスは、正極および負極を備え、正極と負極との間に、電解液を含んでいる。そして、正極および負極の一方、好ましくは正極は、本発明に係るバインダを用いて製造されている。また、電気化学デバイスは、正極と負極との間の短絡を防止するために、正極と負極との間にセパレータを備えている。正極および負極にはそれぞれ集電体が備えられており、両集電体は電源に電気的に接続されている。この電源の操作によって電気化学デバイスの充放電の切り替えが行われる。
【００９７】
本発明に係る電気化学デバイスとしては、例えば、硫黄二次電池（リチウム−硫黄二次電池、ナトリウム−硫黄二次電池等）、リチウムイオン二次電池および非リチウムイオン二次電池（ナトリウム二次電池、マグネシウム二次電池等）、空気電池（リチウム−空気電池等）、電気化学キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、色素増感型太陽電池等も包含される。当該電気化学デバイスは、電気抵抗が軽減され、出力特性が向上した蓄電デバイスとして利用することができる。よって、本発明に係る電気化学デバイスは、携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）等の携帯端末機器、ノート型パソコン、ビデオカメラやデジタルカメラ等の小型電子機器、家電機器；電動自転車、電動自動車（電気自動車）、ハイブリッド自動車、電車等の移動用機器（車両）；火力発電、風力発電、水力発電、原子力発電、地熱発電、太陽光発電等の発電用機器；自然エネルギー蓄電システム；等に好適に搭載することができる。
【００９８】
上記電気化学デバイスの中でも、電池であることが好ましく、硫黄二次電池、リチウム-硫黄二次電池であることがより好ましい。
【００９９】
即ち、本発明に係る電気化学デバイスに用いられる本発明に係るバインダは、電極における含有量が少なくても高い電極強度を確保することができ、かつ、電解液等との高い親和性を有することで電極の高い出力特性等を実現することができる。それゆえ、電極合材の均一性が得られ、活物質および電解液との親和性が高く、かつ接着力が十分であって電極の作製が容易となるバインダ、当該バインダを含有する、サイクル特性が向上した電極、および上記電極を有する、電気抵抗が軽減され、出力特性が向上した、高性能かつ安全性に優れた電池等の電気化学デバイスを提供することができる。
【０１００】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【実施例】
【０１０１】
以下、実施例および比較例により、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。尚、実施例および比較例において、使用量ないし含有量を表す「部」および「％」は、特に断りの無い限り、重量基準である。
【０１０２】
〔実施例１〕
先ず、活物質としての市販の硫黄粉末およびミクロ多孔性炭素粉末を密閉容器に入れて密閉し、１５５℃、３時間および３００℃、２時間の加熱を行い、複合化物（Ｓ／Ｃ）を得た。この複合化物と炭素系の導電助剤とを乳鉢に入れ、約１０分間混合して混合物を得た。次に、バインダとしてのアルギン酸マグネシウムを水に溶解して、所定の濃度のアルギン酸マグネシウム水溶液を調製した。そして、上記混合物にアルギン酸マグネシウム水溶液を加えて混練し、電極合材としての電極用スラリーを得た。混合物に対するアルギン酸マグネシウム水溶液の添加量は、電極用スラリーにおける硫黄粉末およびミクロ多孔性炭素粉末の含有率（活物質の合計）が９１重量％、アルギン酸マグネシウムの含有率が４重量％となるように調節した（残りの５重量％は導電助剤）。また、アルギン酸マグネシウム水溶液の濃度は、得られる電極用スラリーの粘度を考慮して適宜調節した。
【０１０３】
得られた電極用スラリーを、集電体としてのアルミニウム箔に、ドクターブレード法を採用して塗布した。その後、当該アルミニウム箔を８０℃のホットプレート上で加熱して水分を除去し、乾燥させた。さらに、減圧下、８０℃で数時間、乾燥させることで、本発明に係るシート状の電極を得た。上記シート状の電極を、所定の大きさおよび形状に打ち抜き、電極１を作製した。電極１の主な構成を表１にまとめた。
【０１０４】
得られた電極１を正極（作用極）とし、当該電極１と、電解液としてのグライム−リチウム錯体系溶媒和イオン液体（非特許文献３を参照）（以下、「Ｌｉ（Ｇ４）［ＴＦＳＩ］＋ＨＦＥ」（Ｇ４はテトラグライム、ＨＦＥはハイドロフルオロエーテルを表す）と記載する場合がある）と、負極（対極）としてのリチウム金属箔と、セパレータとを用いて、評価用２極式ハーフセル１を構築した。評価用２極式ハーフセル１の主な構成を表２にまとめた。
【０１０５】
〔実施例２〕
アルギン酸マグネシウムに替えてアルギン酸ナトリウムを用いた以外は、実施例１の操作と同様の操作を行うことより、本発明に係る電極２を得た。電極２の主な構成を表１にまとめた。
【０１０６】
そして、得られた電極２を正極（作用極）とし、実施例１の操作と同様の操作を行うことより、評価用２極式ハーフセル２を構築した。評価用２極式ハーフセル２の主な構成を表２にまとめた。
【０１０７】
〔実施例３〕
アルギン酸マグネシウムに替えてアルギン酸アンモニウムを用いた以外は、実施例１の操作と同様の操作を行うことより、本発明に係る電極３を得た。電極３の主な構成を表１にまとめた。
【０１０８】
そして、得られた電極３を正極（作用極）とし、実施例１の操作と同様の操作を行うことより、評価用２極式ハーフセル３を構築した。評価用２極式ハーフセル３の主な構成を表２にまとめた。
【０１０９】
〔比較例１〕
アルギン酸マグネシウムに替えて、従来の一般的なバインダであるカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）およびスチレン−ブタジエンラバー（ＳＢＲ）（以下、「ＣＭＣ＋ＳＢＲ」と記載する場合がある）を用いた以外は、実施例１の操作と同様の操作を行うことより、電極４を得た。混合物に対するＣＭＣ＋ＳＢＲの添加量は、活物質の含有量が９１重量％、ＣＭＣ＋ＳＢＲの含有率が４重量％（ＣＭＣ２重量％、ＳＢＲ２重量％）となるように調節した（残りの５重量％は導電助剤）。電極４の主な構成を表１にまとめた。
【０１１０】
そして、得られた電極４を正極（作用極）とし、実施例１の操作と同様の操作を行うことより、評価用２極式ハーフセル４を構築した。評価用２極式ハーフセル４の主な構成を表２にまとめた。
【０１１１】
〔実施例４〕
１−エチル−３−メチルイミダゾリウム ビス（フルオロスルフォニル）イミド（以下、「ＥＭＩｍＦＳＩ」と記載する場合がある）に、リチウムビス（フルオロスルフォニル）イミド（以下、「ＬｉＦＳＩ」と記載する場合がある）を１．０モル／ｄｍ3溶解させたイオン液体電解液（以下、「ＬｉＦＳＩ／ＥＭＩｍＦＳＩ」と記載する場合がある）を調製した。
【０１１２】
そして、実施例１で得られた電極１を正極（作用極）とし、Ｌｉ（Ｇ４）［ＴＦＳＩ］＋ＨＦＥに替えてＬｉＦＳＩ／ＥＭＩｍＦＳＩを電解液として用いた以外は、実施例１の操作と同様の操作を行うことより、評価用２極式ハーフセル５を構築した。評価用２極式ハーフセル５の主な構成を表２にまとめた。
【０１１３】
〔比較例２〕
実施例４と同様にしてＬｉＦＳＩ／ＥＭＩｍＦＳＩを調製した。
【０１１４】
そして、比較例１で得られた電極４を正極（作用極）とし、Ｌｉ（Ｇ４）［ＴＦＳＩ］＋ＨＦＥに替えてＬｉＦＳＩ／ＥＭＩｍＦＳＩを電解液として用いた以外は、比較例１の操作と同様の操作を行うことより、評価用２極式ハーフセル６を構築した。評価用２極式ハーフセル６の主な構成を表２にまとめた。
【０１１５】
【表１】
2016100094.tif 000002
【０１１６】
【表２】
2016100094.tif 000003
【０１１７】
〔評価用２極式ハーフセルの性能評価〕
＜充放電特性の評価＞
実施例１〜３および比較例１で構築した評価用２極式ハーフセル１〜４の正極に関して、充放電特性の評価を行った。具体的には、測定条件を０．１Ｃ（時間率、但し、１Ｃ＝１６７２ｍＡ／ｇとする）の放電電流（定電流）、１．０Ｖから３．０Ｖの電圧範囲とし、評価用２極式ハーフセル１〜４の定電流充放電測定を行った。結果をグラフとして図１〜３に記載した。
【０１１８】
ここで、図１，３の横軸は充放電のサイクル数を示し、縦軸は放電容量の硫黄重量あたりの密度を示している。図２の横軸は容量の硫黄重量あたりの密度を示し、縦軸は電圧を示している。そして、図２中の「１，２，１０，２０，５０」は、それぞれ、１，２，１０，２０，５０サイクル時の充放電曲線を表している。
【０１１９】
図１は、実施例１，２，３で構築した評価用２極式ハーフセル１〜３の正極の充放電サイクル特性を示すグラフである。
【０１２０】
特に、実施例１，３で構築した評価用２極式ハーフセル１，３では、放電容量の減衰が非常に小さく、安定な充放電を繰り返し行うことが可能であることが分かる。
【０１２１】
図２の（ａ）は、実施例１で構築した評価用２極式ハーフセル１の正極の充放電曲線を示すグラフであり、図２の（ｂ）は、比較例１で構築した評価用２極式ハーフセル４の正極の充放電曲線を示すグラフである。
【０１２２】
本発明に係るバインダを用いて得た電極を用いて構築した実施例１の評価用２極式ハーフセル１は、従来のバインダを用いて得た電極を用いて構築した比較例１の評価用２極式ハーフセル４と比較して、充放電の繰り返し（サイクル）に伴う充放電容量の減少が低減されていることが分かる。また、充電時および放電時の分極は、評価用２極式ハーフセル４よりも評価用２極式ハーフセル１の方が小さく、それゆえ、本発明に係るバインダを用いることにより、正極（電極）の内部抵抗が低減されていることが分かる。
【０１２３】
図３は、実施例１および比較例１で構築した評価用２極式ハーフセル１，４の正極の充放電サイクル特性を示すグラフである。
【０１２４】
図３から、評価用２極式ハーフセル４よりも評価用２極式ハーフセル１の方が、安定な充放電を繰り返し行うことが可能であることが分かる（このことは図２からも明らかである）。尚、評価用２極式ハーフセル４において、充放電の繰り返しに伴って放電容量が大きく減衰している理由は、活物質である硫黄成分が電解液へ溶出することにより、電極４中における利用可能な活物質量が減少したためであると推察される。
【０１２５】
＜出力特性の評価＞
実施例１，４および比較例１，２で構築した評価用２極式ハーフセル１，４〜６の正極に関して、出力特性の評価を行った。具体的には、測定条件を０．２Ｃから２．０Ｃの放電電流、１．０Ｖから３．０Ｖの電圧範囲とし、評価用２極式ハーフセル１，４〜６の充放電測定を行った。結果をグラフとして図４，５に記載した。
【０１２６】
ここで、図４，５の横軸は充放電のサイクル数を示し、縦軸は放電容量の硫黄重量あたりの密度を示している。そして、図４，５中の「０．２Ｃ，０．３Ｃ，０．５Ｃ，１．０Ｃ，２．０Ｃ」は、それぞれ、放電電流が０．２Ｃ，０．３Ｃ，０．５Ｃ，１．０Ｃ，２．０Ｃであることを表している。
【０１２７】
図４は、実施例１および比較例１で構築した評価用２極式ハーフセル１，４の正極の出力特性を示すグラフである。
【０１２８】
評価用２極式ハーフセル１，４共に、放電電流の増加に伴って放電容量は低下しているものの、その低減率は評価用２極式ハーフセル１の方が遥かに少ない。評価用２極式ハーフセル１では、０．５Ｃの放電電流であっても９００ｍＡｈ／ｇ-sulfur以上の放電容量を維持している。このことから、本発明に係るバインダを用いることにより、正極（電極）の内部抵抗が低減されていることが分かる。また、この結果は、図２に示されている充電時および放電時の分極の低減とも一致している。
【０１２９】
図５は、実施例４および比較例２で構築した評価用２極式ハーフセル５，６の正極の出力特性を示すグラフである。
【０１３０】
評価用２極式ハーフセル５，６共に、放電電流の増加に伴って放電容量は低下しているものの、その低減率は評価用２極式ハーフセル５の方が遥かに少ない。
【０１３１】
また、評価用２極式ハーフセル５の正極の出力特性と、図４に記載の評価用２極式ハーフセル１の正極の出力特性との比較から、電解液として、Ｌｉ（Ｇ４）［ＴＦＳＩ］＋ＨＦＥよりもＬｉＦＳＩ／ＥＭＩｍＦＳＩを用いた方が、優れた出力特性を示すことが分かる。特に、本発明に係るバインダを用いて得た正極（電極）は、電解液としてＬｉＦＳＩ／ＥＭＩｍＦＳＩを用いることにより、２．０Ｃの放電電流であっても良好に作動することが分かる。この理由は、本発明に係るバインダがＬｉＦＳＩ／ＥＭＩｍＦＳＩに対して高い親和性を有していることに起因し、正極（電極）の内部抵抗が低減されている効果と併せて、見かけ上、より大きな抵抗の軽減に繋がったためであると推察される。
【０１３２】
尚、ＬｉＦＳＩ／ＥＭＩｍＦＳＩは難燃性であり、かつ、溶媒（揮発性成分）を一切含まない。従って、ＬｉＦＳＩ／ＥＭＩｍＦＳＩを電解液として用いることにより、より電気抵抗が軽減され、出力特性が向上した電池等の電気化学デバイスを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明に係るバインダ、電極および電気化学デバイスは、携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）等の携帯端末機器、ノート型パソコン、ビデオカメラやデジタルカメラ等の小型電子機器、家電機器；電動自転車、電動自動車（電気自動車）、ハイブリッド自動車、電車等の移動用機器（車両）；火力発電、風力発電、水力発電、原子力発電、地熱発電、太陽光発電等の発電用機器；自然エネルギー蓄電システム；等の分野において広範に利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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