PVDF、CMC、PAAなどのリチウム電池バインダー
Jun 15, 2025
リチウムイオン電池(LIB)の電極は、主に電気化学的に活性な電極材料、導電性添加剤、バインダー、集電体などの部品で構成されています。これらの中で、バインダーはLIB電極の重要な構成要素です。バインダーは活物質と導電材を集電体にしっかりと接着し、完全な電極構造を形成します。バインダーは、充放電プロセスにおける活物質の剥離や剥離を防ぐとともに、活物質と導電材を均一に分散させます。これにより、良好な電子・イオン輸送ネットワークが形成され、電子とリチウムイオンの効率的な輸送が促進されます。 現在、電極バインダーとして使用されている物質としては、ポリフッ化ビニリデン( PVDF) 、カルボキシメチルセルロース(CMC)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリアクリル酸( PAA )、ポリビニルアルコール(PVA)、アルギン酸ナトリウム(Alg)、β-シクロデキストリンポリマー(β-CDp)、ポリプロピレンエマルジョン(LA132)、ポリテトラフルオロエチレン( PTFE )、等、上記ポリマーまたはモノマーから形成される共重合体の機能化誘導体も含まれる。 リチウムイオン電池 (LIB) の電極では、理想的なバインダー性能には以下が含まれます。 (1)所定の電極/電解質系における化学的および電気化学的安定性、電解質腐食に対する耐性、および動作電圧範囲内での酸化還元反応の発生がない。 (2)溶解性が良好で、溶解速度が速く、溶媒への溶解性が高いことが必要であり、必要な溶媒は安全で環境に優しく、無毒であることが必要であり、水系溶媒が好ましい。 (3)スラリーの混合を容易にし、スラリーの安定性を維持するために適度な粘度を有するとともに、強力な接着力を有し、高い剥離強度、優れた機械的特性、および低いバインダー使用量を有する電極が得られる。 (4)電極の取り扱い中の曲げやLIBの充放電サイクル中の活物質粒子の体積変化に耐える優れた柔軟性を示すこと。 (5)導電剤と理想的な導電ネットワークを形成し、良好な電気伝導性とリチウムイオン伝導性を備えた電極を実現できること。 (6)広く利用可能であり、低コストであること。 本稿では、LIB 電極バインダーに関する最近の研究成果をまとめ、電極におけるバインダーの接着メカニズムと、現在の LIB 電極で一般的に使用されている油性および水性バインダーの紹介に重点を置いています。 1 リチウムイオン電池電極におけるバインダーの接着機構 LIB電極の製造プロセスは、一般的に4つのステップから構成されます。まず、各種材料(電極活物質を含む)を溶媒に混合して電池スラリーを調製し、次にこのスラリーを集電体に塗布し、乾燥し、圧延します。LIB電極は、イオンと電子の供給源となる活物質粒子(AM)、イオン伝導のための電解質が充填された細孔空間、そして導電性を担うカーボンバインダードメイン(CBD)の3つの構成要素から構成されると一般的に考えられています。 CBD は通常、ポリマーバインダーで結合したカーボンナノ粒子で構成されています (図 1)。一方、電極の準備に必要な前駆体スラリーは、CBD 内に懸濁したマイクロメートル サイズの活物質 (AM) 粒子で構成されています。CBD は、電極内のイオンと電子の輸送効率、および電解質と接触する活物質の表面に形成されるパッシベーション層 (固体電解質界面相 [SEI] フィルムやカソード電解質界面相 [CEI] フィルムなど) の品質に直接影響します。そのため、CBD は電極製造プロセスで重要な役割を果たします。CBD が不十分だと電極の接続性が悪くなり、電子輸送が不十分になり、電極の機械的強度が不十分になります。CBD が過剰だと、バッテリーの自重と体積が増加し、イオン輸送が遅くなる場合もあります。 Zielkeらは、X線コンピュータ断層撮影(CT)と仮想設計を組み合わせた新たな手法を用いて、2種類の炭素バインダードメイン(CBD)モデルが、リチウムイオン電池(LIB)の電極における固体電解質界面(SEI)膜の充放電状態における表面積、屈曲度、および電気伝導性に与える影響を比較した。その結果、CBD含有量は充放電状態の両方においてLIBの輸送パラメータに大きな影響を与えるのに対し、CBDの形態は放電状態にのみ重要な影響を及ぼすことが示された。 Prasherらの研究グループは、粒子間コロイド相互作用と流体力学的相互作用を組み込んだミクロレオロジーモデルを提案し、導電性カーボンナノ粒子とポリマーバインダーの懸濁液、およびアノードスラリー全体の粘度を予測しました。その結果、カーボンナノ粒子粒子間の相互作用は、粒子とポリマーバインダーの比率とポリマーバインダーの分子量に大きく依存することが明らかになりました。さらに、粒子間相互作用の変化は粒子の自己組織化構造に明確に反映され、それがスラリーの粘度に反映されることが示されました。 Srivastava らは、粒子動力学およびコロイド動力学シミュレーションを通じて、活物質 (AM) と炭素バインダードメイン (CBD) 間の接着および CBD 内の凝集力が電極の微細構造および電気化学輸送に関連する主要な特性 (イオン輸送の曲がり具合、電子伝導性、利用可能な活物質 (AM) と電解質の界面積など) に与える影響を明らかにしました。 リチウムイオン電池によく使われる2種類の電極バインダー 2.1 ポリフッ化ビニリデン(油性) ポリフッ化ビニリデン(PVDF)は、最も古くから使用されているバインダーの一つです。高い機械的強度と広い電気化学的安定度を示すため、リチウムイオン電池(LIB)を含む様々なシステムの電池電極用バインダーとして広く使用されています。リチウムイオン電池産業の大規模生産では、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)やN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)などの極性有機化合物が溶媒として一般的に使用されています。PVDFはまずこれらの溶媒に溶解して油溶性溶液を形成し、これがリチウム電池バインダーとして使用されます。 Zhongらは、密度汎関数理論(DFT)シミュレーションおよびLIB電極中のAM粒子とバインダーとの結合界面の解析を通じて、リチウムイオン電池(LIB)中の活物質(AM)とポリフッ化ビニリデン(PVDF)との結合機構を調査した(図2)。プロセスシミュレーションと理論計算の結果によると、LiFePO₄(LFP)電池では、LFPとPVDFとの結合相互作用はPVDFとアルミニウム(Al)との結合相互作用よりも大幅に強いのに対し、Ni-Co-Mn(NCM)電池では、NCMとPVDFとの結合相互作用はPVDFとAlとの結合相互作用よりも弱いことが示された。走査型電子顕微鏡(SEM)およびオージェ電子分光法(AES)による分析から、LFP電池では、PVDFは主にLFPの表面に分布しており、LFP電池におけるPVDFの接着性能が低いことが明らかになった。一方、NCM電池では、PVDFは活物質とAlの表面に均...
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