JP2024504161A - バッテリーのための電極バインダー - Google Patents
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Abstract
再充電可能なバッテリーでの使用のための電極バインダーが開示されている。実施形態において、電極バインダーは、Si、Si合金、Si化合物、Si複合材、カーボンブラック又はグラファイトなどの電極活物質との使用のためのスチレン系ブロックコポリマー(SBC)を少なくとも20重量%の量で含む。SBCは、不飽和(USBC)であってもよく、又は水素化(HSBC)されていてもよく、又は官能基化されていてもよく、官能基は、マレイン化、エポキシ化、シラン化、カルボン酸/塩、第4級アンモニウム塩、スルホン化などを含む。実施形態において、電極バインダーは、イソプレンゴム(IR)、シリコーン含有ブロックコポリマー、及び非水素化CHD(シクロヘキサジエン)ブロックであるブロックを含有する電子伝導性ブロックコポリマーから選択される。
Description
関連出願
本願は、出願日2021年1月24日の米国仮出願番号63/140,892に対する利益を主張するものであり、この開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
本願は、出願日2021年1月24日の米国仮出願番号63/140,892に対する利益を主張するものであり、この開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、再充電可能なバッテリー内の電極及び/又は電解質における使用のためのバインダーに関する。
再充電可能なバッテリー、例えばリチウム(「Li」)イオンバッテリーは、現代の生活の不可欠な部分となっており、携帯電話、コンピュータ、タブレット、電動工具、輸送、エネルギー貯蔵などを含むが、これらに限定されることはない用途で広く使用されている。イオンは、電解質を通じて、放電中はマイナスからプラスに移動し、再充電中はその逆で移動する。再充電可能なバッテリーは、いくつかの主要成分:カソード(正極)、アノード(負極)、セパレーター、及び導体としての電解質混合物を有する。電圧及び電流を生成する電気化学反応は、コーティングされた電極において促進され、そこで、還元反応及び酸化反応が起こる。再充電サイクル能力及びエネルギー密度を有するバッテリーのための大容量(負)電極が、充電間の走行距離が延長されたプラグイン電気自動車に必要である。
バッテリー電極の作製において、バインダーは、機械的安定化及び電気伝導のために重要である。典型的な電極製造プロセスにおいて、Si又はSiベースの材料、フィラー(複数可)及びバインダー(複数可)などの電極活物質(複数可)は、ブレンドされてペーストを形成し、次いで、このペーストは、アルミニウム箔又は銅箔のいずれかである集電体上にコーティングされる。その後の乾燥、カレンダー加工及びスリッティングによって、電極巻取ストックが生成され、次いで、この電極巻取ストックは、バッテリーの構築に使用される。電極バインダーの主要機能は、バッテリーの製造プロセス及び実際のバッテリーの使用の両方を通じて、特に、多くの充電/放電サイクルを通じて、電極粒子及びフィラーを一緒に保持することである。Si、Si合金、Si化合物又はSi複合アノードなどの一部の大容量電極の場合、充電/放電サイクル中の電極体積の膨張/収縮は、300%以上までと大きく、充電/放電サイクル中の大きな電極体積の膨張/収縮に耐えることができるバインダー材料を必要とする。
再充電可能なバッテリーは、液体、ゲル、固体又はフィルムのいずれかであり得る固体電解質中にバインダー材料を含有している。液体電解質は、一般に、エネルギー密度を低下させることができる硬質ハーメチックシール金属「缶」へのパッケージングを必要とする。従来技術のゲルポリマー電解質は、ゲルが低温で凍結して他のバッテリー成分と反応する又は高温で溶融するため、一般に、幅広い温度範囲で動作することができない。
再充電可能なバッテリー、電極及び/又は電解質における使用のための改善されたバインダー材料が依然として必要とされている。
実施形態において、本開示は、再充電可能なバッテリーにおける使用のためのバインダー組成物に関する。バインダー組成物は、線状構造、放射状構造又は分岐状構造のうちのいずれかを有する少なくとも20重量%のスチレン系ブロックコポリマー(SBC)、炭化水素樹脂、アルキド樹脂、ロジン樹脂、ロジンエステル及びそれらの組合せから選択される70重量%以下の粘着付与剤、並びに植物油、鉱油、プロセス油、フタレート及びそれらの混合物から選択される40重量%以下の可塑剤を含む、これらから本質的になる、又はこれらからなる。SBCは、a)モノビニル芳香族化合物ポリマーブロック、b)環状共役ジエンポリマーブロック及び共役ジエンポリマーブロックのうちの少なくとも1つ、並びにc)任意選択的にカップリング剤残基を含む、これらから本質的になる、又はこれらからなる。SBCは、0.5~25meq/gの残留不飽和を有する。
実施形態において、SBCは、水素化されていない(undehydrogenate)、又は選択的、完全若しくは部分的に水素化されている。
実施形態において、SBCは、マレイン化、エポキシ化、シラン化、カルボン酸/塩、第4級アンモニウム塩及びスルホン化の群から選択される官能基で官能基化されている。
実施形態において、電極組成物が開示されている。電極組成物は、本明細書に開示されている電極活物質、フィラー及びバインダーを含む、これらから本質的になる、又はこれらからなる。電極活物質は、Si、Si合金、Si化合物、Si複合材、カーボンブラック及びグラファイトから選択され、少なくとも85重量%を占める。バインダーは、微量成分であり、15重量%未満を占める。
実施形態において、電極組成物が開示されている。電極組成物は、電極活物質(複数可)、フィラー(複数可)、及び電極バインダーとしてのイソプレンゴム(IR)を含み、Si、Si合金、Si化合物、Si複合材、カーボンブラック又はグラファイトなどの電極活物質は、85重量%超を占め、又は90重量%超を占め、又は94重量%超を占め、IRゴムは、微量成分であり、15重量%未満を占める、又は10重量%未満を占める、又は6重量%未満を占める。実施形態において、IRゴムは、ラテックス形態として使用され、粒径は、5ミクロン未満又は2ミクロン未満であり、より好ましくは1ミクロン未満である。実施形態において、IRゴムは、架橋されており、架橋は、バインダー製造プロセス中若しくはその後に、又はバッテリー製造プロセス中若しくはその後に導入され得る。
実施形態において、電極組成物が開示されている。電極組成物は、電極活物質(複数可)、フィラー(複数可)、及び電極バインダーとしてのシリコーン含有ブロックコポリマーを含み、Si、Si合金、Si化合物、Si複合材、カーボンブラック又はグラファイトなどの電極活物質は、85重量%超を占め、又は90重量%超を占め、又は94重量%超を占め、シリコーン含有ブロックコポリマーは、微量成分であり、15重量%未満を占める、又は10重量%未満を占める、又は6重量%未満を占める。実施形態において、シリコーン含有ブロックコポリマーは、少なくとも2つのブロックを有し、線状ポリマー、放射状ポリマー又は星型ポリマーであり得、シリコーン含有ブロックコポリマーは、400%超の破断点伸び(ASTM D412による)を有する、又は600%超の破断点伸び(ASTM D412による)を有する、及び/又は800%超の破断点伸び(ASTM D412による)を有する。実施形態において、シリコーン含有ブロックコポリマーは、架橋されており、架橋は、バインダー製造プロセス中若しくはその後に、又はバッテリー製造プロセス中若しくはその後に導入され得る。
実施形態において、電極組成物が開示されている。電極組成物は、電極活物質(複数可)、フィラー(複数可)、及び電極バインダーとしての電子伝導性ブロックコポリマーを含み、Si、Si合金、Si化合物、Si複合材、カーボンブラック又はグラファイトなどの電極活物質は、85重量%超を占め、又は90重量%超を占め、又は94重量%超を占め、電子伝導性ブロックコポリマーは、微量成分であり、15重量%未満を占める、又は10重量%未満を占める、又は6重量%未満を占める。実施形態において、電子伝導性ブロックコポリマーは、脱水素化(dehyrodgenated)CHD(シクロヘキサジエン)ブロックであるブロック、すなわちポリフェニレンブロックを含有しており、ポリフェニレン含有ブロックコポリマーは、少なくとも2つのブロックを有し、線状ポリマー、放射状ポリマー又は星型ポリマーであり得、電子伝導性ブロックコポリマーは、400%超の破断点伸び(ASTM D412による)を有する、又は600%超の破断点伸び(ASTM D412による)を有する、及び/又は800%超の破断点伸び(ASTM D412による)を有する。実施形態において、CHD(シクロヘキサジエン)ブロックの非水素化レベルは、少なくとも50%、好ましくは少なくとも70%、より好ましくは少なくとも90%である。
実施形態において、電極組成物が開示されている。電極組成物は、電極活物質(複数可)、フィラー(複数可)、及び電極バインダーとしてのイオン伝導性ブロックコポリマーを含み、Si、Si合金、Si化合物、Si複合材、カーボンブラック又はグラファイトなどの電極活物質は、85重量%超を占め、又は90重量%超を占め、又は94重量%超を占め、イオン伝導性ブロックコポリマーは、微量成分であり、15重量%未満を占める、又は10重量%未満を占める、又は6重量%未満を占める。実施形態において、イオン伝導性ブロックコポリマーは、400%超の破断点伸び(ASTM D412による)を有する、又は600%超の破断点伸び(ASTM D412による)を有する、及び/又は800%超の破断点伸び(ASTM D412による)を有する。
実施形態において、電極組成物が開示されている。電極組成物は、電極活物質(複数可)、フィラー及び電極バインダーを含み、Si、Si合金、Si化合物、Si複合材、カーボンブラック又はグラファイトなどの電極材料の重量%は、85重量%超であり、又は90重量%超であり、又は94重量%超であり、電極バインダーの重量%は、微量成分であり、15重量%未満を占め、又は10重量%未満を占め、又は6重量%未満を占め、バインダーは、ブロックコポリマーであり、電極活物質の周りを包んでいる。実施形態において、電極「ラッパー(wrapper)」ブロックコポリマーは、400%超の破断点伸び(ASTM D412)を有し、又は600%超の破断点伸び(ASTM D412)を有し、及び/又は800%超の破断点伸び(ASTM D412)を有し、「ラッパー」ブロックコポリマーは、USBC、HSBC、官能基化SBC、SBCブレンド、IRラテックス、シリコーン含有ブロックコポリマー、伝導性ブロックコポリマーなどから選択され得る。
実施形態において、電極組成物が開示されている。電極組成物は、電極活物質、フィラー(複数可)及び電極バインダーを含み、Si、Si合金、Si化合物、Si複合材、カーボンブラック又はグラファイトなどの電極活物質は、85重量%超を占め、又は90重量%超を占め、又は94重量%超を占め、電極バインダーは、微量成分であり、15重量%未満を占め、又は10重量%未満を占め、又は6重量%未満を占め、活性電極材料(複数可)及びバインダー(複数可)は、パイ中空繊維構造を形成する、又は先端三葉形繊維構造を形成する、又はシースコア繊維構造を形成する、又は海繊維構造(sea fiber structure)中の島を形成する。実施形態において、バインダーは、先に記載されているブロックコポリマーのうちのいずれであり得る。実施形態において、電極組成物を作製する方法は、繊維紡糸によるものであり、繊維紡糸は、溶融紡糸又は溶液紡糸であり得る。
実施形態において、水又は溶媒(複数可)の使用なしで電極巻取ストックを作製するための乾式方法が開示されている。電極は、電極活物質(複数可)、フィラー及び請求項1~5のいずれかに記載の電極バインダーを含み、Si、Si合金、Si化合物、Si複合材、カーボンブラック又はグラファイトなどの電極材料の重量%は、85重量%超であり、電極バインダーの重量%は、微量成分であり、15重量%未満を占める、又は10重量%未満を占める、又は6重量%未満を占める。いくつかの態様において、乾式方法は、押出又は繊維紡糸である。
説明
以下の用語は、明細書全体で使用され、特に示されていない限り、以下の意味を有する。
以下の用語は、明細書全体で使用され、特に示されていない限り、以下の意味を有する。
「[A、B及びCなどの群]のうちの少なくとも1つ」又は「[A、B及びCなどの群]のうちのいずれか」は、この群からの単一のメンバー、この群からの2つ以上のメンバー又はこの群からのメンバーの組合せを意味する。例えば、A、B及びCのうちの少なくとも1つは、例えば、Aのみ、Bのみ又はCのみ、並びにA及びB、A及びC、B及びC、又はA、B及びC、又はA、B及びCのその他すべての組合せを含む。
「A、B又はC」として提示されている実施形態の一覧は、Aのみ、Bのみ、Cのみ、「A若しくはB」、「A若しくはC」、「B若しくはC」、又は「A、B若しくはC」の実施形態を含むと解釈されるべきである。
「共役ジエン」は、共役炭素-炭素二重結合及び合計4~12個の炭素原子、例えば4~8個の炭素原子を含有する有機化合物を指し、この有機化合物は、1,3-ブタジエン、並びに1,3-シクロヘキサジエン、イソプレン、2,3-ジメチル-1,3-ブタジエン、1-フェニル-1,3-ブタジエン、1,3-ペンタジエン、3-ブチル-1,3-オクタジエン、クロロプレン及びピペリレン又はそれらの任意の組合せを含むが、これらに限定されることはない置換ブタジエンのうちのいずれかであり得る。実施形態において、共役ジエンブロックは、ブタジエンモノマー及びイソプレンモノマーの混合物を含む。実施形態において、1,3-ブタジエンのみが使用される。
「ブタジエン」は、1,3-ブタジエンを指す。
「モノビニルアレーン」又は「モノアルケニルアレーン」又は「ビニル芳香族」は、単一の炭素-炭素二重結合、少なくとも1個の芳香族部分及び合計8~18個の炭素原子、例えば8~12個の炭素原子を含有する有機化合物を指す。例は、スチレン、o-メチルスチレン、p-メチルスチレン、p-tert-ブチルスチレン、2,4-ジメチルスチレン、アルファ-メチルスチレン、ビニルナフタレン、ビニルトルエン、ビニルキシレン、アダマンチルスチレン、ビニルアントラセン又はそれらの混合物のうちのいずれかを含む。実施形態において、モノアルケニルアレーンブロックは、実質的に純粋なモノアルケニルアレーンモノマーを含む。一部の実施形態において、スチレンは、微量の割合(10重量%未満)の構造的に関連するビニル芳香族モノマー、例えば、o-メチルスチレン、p-メチルスチレン、p-tert-ブチルスチレン、2,4-ジメチルスチレン、アルファ-メチルスチレン、ビニルナフタレン、ビニルトルエン、ビニルキシレン又はそれらの組合せを有する主成分である。実施形態において、スチレンのみが使用される。
「残留不飽和」又はRUは、不飽和のレベル、すなわち、ブロックコポリマー1グラム当たりの炭素-炭素二重結合のレベルを指す。RUは、核磁気共鳴又はオゾン分解滴定を使用して測定され得る。RUはまた、ブロックコポリマーの成分を知ることで計算され得る。
「ビニル含有量」は、ポリマー骨格に隣接した一置換オレフィン又はビニル基をもたらす、ブタジエンの場合には1,2-付加を介して重合された又はイソプレンの場合には3,4-付加を介して重合された共役ジエンの含有量を指す。ビニル含有量は、核磁気共鳴分光法(NMR)によって測定され得る。
%CEとして表される「カップリング効率」は、カップリングしたポリマーの重量%及びカップリングしていないポリマーの重量%の値を使用して計算される。カップリングしたポリマー及びカップリングしていないポリマーの重量%は、示差屈折計検出器の出力を使用して決定される。特定の溶出体積でのシグナルの強度は、その溶出体積で検出されるポリスチレン標準に対応する分子量の材料の量に比例する。カップリングしたポリマーに対応するMW範囲にわたる曲線下の面積は、カップリングしたポリマーの重量%に代表的なものであり、カップリングしていないポリマーについても同様である。%CEは、100倍で与えられる(カップリングしたポリマーの重量%/カップリングしたポリマーの重量%+カップリングしていないポリマーの重量%)。カップリング効率は、GPCからのデータを計算し、すべてのカップリングしたポリマー(2アーム、3アーム、4アームなどのコポリマーを含む)のGPC曲線下の積分面積をカップリングしたポリマー及びカップリングしていないポリマーの両方のGPC曲線下の積分面積の同じもので割ることによっても測定することができる。
「カップリング剤」又は「X」は、スチレン系ブロックコポリマー(SBC)の作製に一般的に使用されるカップリング剤、例えば、シランカップリング剤、ポリビニル化合物、ポリビニルアレーン、ジビニルアレーン化合物又はマルチビニルアレーン化合物、ジエポキシド又はマルチエポキシド、ジイソシアネート又はマルチイソシアネート、ジアルコキシシラン又はマルチアルコキシシラン、ジイミン又はマルチイミン、ジアルデヒド又はマルチアルデヒド、ジケトン又はマルチケトン、アルコキシスズ化合物、ハロゲン化ケイ素及びハロシランなどのジハロゲン化物又はマルチハロゲン化物、モノ無水物、ジ無水物又はマルチ無水物、ジエステル又はマルチエステルなどを指す。
SBCの「ポリスチレン含有量」又はPSCは、すべてのビニル芳香族ブロックの分子量の合計をSBCの総分子量で割ることによって計算される、SBC中のビニル芳香族、例えばポリスチレンの重量%を指す。PSCは、プロトン核磁気共鳴(NMR)を使用して決定され得る。
「制御分布」は、以下の属性を有する分子構造を指すと定義されている:(1)共役ジエン単位が豊富な(すなわち、平均よりも多い量の共役ジエン単位を有する)モノアルケニルアレーンホモポリマー(「A」)ブロックに隣接した末端領域、(2)モノアルケニルアレーン単位が豊富な(すなわち、平均よりも多い量のモノアルケニルアレーン単位を有する)Aブロックに隣接していない1つ以上の領域及び(3)例えば40未満の比較的低いブロック性を有する全体構造。「が豊富」は、平均量よりも多いこと、例えば、平均量よりも5%多いことと定義されている。比較的低いブロック性は、示差走査熱量測定(「DSC」)又はプロトンNMR法のいずれかを使用して分析した場合、いずれかのモノマー単独のTgの中間の単一ガラス転移温度(「Tg」)の存在によって示され得る。「スチレンブロック性」は、プロトンNMRを使用して測定され得、ポリマー鎖上に2つのS最近傍隣接体(nearest neighbor)を有するポリマーにおけるモノビニル芳香族(S)単位の割合であると定義されている。
「分子量」又は「MW」は、(特に示されていない限り)ポリマーブロック又はブロックコポリマーのg/molでのスチレン等価分子量を指す。MWは、ASTM 5296-19によって行われるような、ポリスチレン較正標準を使用するゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)で測定され得る。GPC検出器は、紫外線検出器又は屈折率検出器又はそれらの組合せであり得る。クロマトグラフは、市販のポリスチレン分子量標準を使用して較正される。そのようにして較正されたGPCを使用して測定されたポリマーのMWは、スチレン等価分子量又は見かけの分子量である。本明細書で表されるMWは、GPCトレースのピークで測定され、一般に、スチレン等価「ピーク分子量」と呼ばれ、Mpとして示される。
Mnは、分子量の数平均であり、
「主な」は、組成及び特定の成分、例えばモノマーと組み合わせて使用される場合、この成分が、組成物中に、実質的に純粋な形態で、又は多量、例えば、80重量%超で存在すること、又は85重量%超で存在すること、又は90重量%超で存在すること、又は95重量%超で存在することを意味する。
「分散した」又は「分散液」又は「エマルション」は、一方の相が、バルク物質である第2の相全体に分散した細粒子を含む、2相系を指す。粒子は、分散相又は内部相であり、バルク物質は、連続相又は外部相である。連続相は、水、水性混合物又は有機混合物であり得る。「分散液」とは、必ずしもすべての組成物又は成分が水不溶性である必要はないことも意味する。
「Df」は、散逸系における電気エネルギーの損失率の尺度である散逸係数又は損失正接を指す。
「Dk」は、絶縁定数又は誘電率を指す。
「電気化学セル」は、例えば、正極、負極、並びにイオン(例えば、Na+、Li+)を伝導するが正極及び負極を電気的に絶縁するこれらの間でこれらと直接接触している電解質を含む、「再充電可能なバッテリー」又は「バッテリーセル」を指す。実施形態において、バッテリーは、1つの容器内に複数の正極及び/又は複数の負極を含み得る。
「正極」は、バッテリーの放電中に正イオン、例えばLi+が伝導、流動又は移動で向かう二次バッテリー内の電極を指す。
「負極」又は「アノード」は、バッテリーの放電中に正イオン、例えばLi+がそこから流れ出る又は移動する二次バッテリー内の電極を指す。
「複合電解質」は、少なくとも2種の成分である固体電解質及び電解質に結合若しくは接着した又は電解質と均一に混合されたバインダーを有する電解質を指す。
「固体電解質」は、負極及び正極を電気的に絶縁するのに適切な材料を指し、その一方で、リチウム、ナトリウムなどのイオンのための伝導経路も提供する。
「アノライト」は、電気化学セルのアノード側の電解質である。アノライトは、アノード材料と混合され得る、この上に重ねられ得る、又はこれに積層され得る。
「硫化物電解質」は、イオンを伝導するが実質的に電子的に絶縁性である無機固体材料を指す。例は、リチウム、リン及び硫黄、並びに任意選択的にGe、Sn、Sn、As、Al及びSiなどの追加的な元素(複数可)を含む。
「バインダー」は、別の材料の接着を補助する及び/又はフィルムの形成を補助する材料を指し、バインダー組成物は、スチレンブロックコポリマー(「SBC」)を含む、これから本質的になる、又はこれからなる。
本開示は、例えばリチウムイオンバッテリーなどの再充電可能なバッテリーにおける使用のためのバインダーに関する。ポリマーバインダーは、高い接着特性とともに、バッテリー内の大きな体積膨張/収縮に適合する高弾性(より低いヒステリシス)特徴を含む特性を有するスチレン系ブロックコポリマー(SBC)を含む。実施形態において、バインダーは、電極及び/又は電解質におけるより良好な性能のための独自の構造に組み込まれる。
スチレン系ブロックコポリマー(SBC):従来技術でバインダー材料として使用されている、ランダムコポリマーであるSBRとは異なり、SBC(スチレン系ブロックコポリマー)は、ブロックコポリマーである。硬質ブロック(スチレン)は、強度を提供し、その一方で、軟質ブロック(例えば、ブタジエン又はイソプレン)は、弾性及び接着性を提供する。ブロック構造を理由に、SBCは、バッテリー特性、特に充電/放電サイクル性能に関して、SBRよりも良好な強度、良好な弾性及び接着性を固有的に有する。
SBCは、少なくとも1つのモノビニル芳香族ブロックA、並びにブロックBのための環状共役ジエンブロック及び共役ジエンのうちの少なくとも1つ、任意選択的にカップリング剤残基Xを含む、線状、放射状又は分枝状(マルチアーム)ブロックコポリマーのうちのいずれかであり得る。実施形態において、SBCは、水素化されていない、水素化されている、部分的に水素化されている、又は選択的に水素化されている。SBCは、30,000~1,000,000の分子量を有する、又は35,000~750,000の分子量を有する、又は40,000~500,000の分子量を有する、又は50,000~200,000の分子量を有する。
実施形態において、ブロックBは、不飽和ブロックであり、SBRなどのような従来技術の他のタイプのポリマーよりも電子移動を効率的にする。実施形態において、SBCは、0.5~25meq/gの残留不飽和を有する、又は0.5~20meq/gの残留不飽和を有する、又は1~18meq/gの残留不飽和を有する、又は2~15meq/gの残留不飽和を有する、25meq/g未満の残留不飽和を有する、又は20meq/g未満の残留不飽和を有する、又は15meq/g未満の残留不飽和を有する、又は10meq/g未満の残留不飽和を有する、又は8meq/g未満の残留不飽和を有する、又は5meq/g未満の残留不飽和を有する、又は3meq/g未満の残留不飽和を有する、又は0.5meq/g超の残留不飽和を有する、又は1meq/g超の残留不飽和を有する、又は2meq/g超の残留不飽和を有する。
実施形態において、SBCは、40重量%未満のポリスチレン含有量を有する、又は35重量%未満のポリスチレン含有量を有する、又は30重量%未満のポリスチレン含有量を有する、又は5重量%超のポリスチレン含有量を有する、又は10重量%超のポリスチレン含有量を有する。
実施形態において、SBCは、スルホン化されており、すなわち、酸の形態(-SO3H、スルホン酸)又は塩の形態(-SO3Na)のいずれかのスルホネート基、すなわち-SO3を有する。実施形態において、ブロックBは、シクロヘキサジエンブタジエン及びイソプレンブロックコポリマーのうちの少なくとも1種を含み、ポリブタジエン及びポリイソプレン軟質ブロックは、水素化されていてもよく、ポリシクロヘキサジエンブロックは、水素化されていても、又は水素化されていなくてもよい。
実施形態において、SBCは、参照により本明細書に組み込まれる米国特許及び特許公開番号US20070021569A1、US10022680、US8263713、US9861941、US20130102213A1、US20170107332A1に開示されているようなスルホン化ブロックコポリマーである。実施形態において、SBCは、選択的にスルホン化された負電荷のアニオン性スチレン系ブロックコポリマーである。「選択的にスルホン化された」という用語は、スルホン酸及び中和されたスルホネート誘導体を含むと定義されている。スルホネート基は、金属塩、アンモニウム塩又はアミン塩の形態であり得る。実施形態において、スルホン化ブロックコポリマーは、一般的な構成A-B-A、(A-B)n(A)、(A-B-A)n、(A-B-A)nX、(A-B)nX、A-D-B、A-B-D、A-D-B-D-A、A-B-D-B-A、(A-D-B)nA、(A-B-D)nA(A-D-B)nX、(A-B-D)nX又はそれらの混合物を有し、nは、0~30の整数又は2~20の整数であり、Xは、カップリング剤残基である。各Aブロック及びDブロックは、スルホン化に耐性のあるポリマーブロックである。各Bブロックは、スルホン化を受けやすい。複数のAブロック、Bブロック又はDブロックは、同一であり又は異なる。
各Aブロックは、重合した(i)パラ置換スチレンモノマー、(ii)エチレン、(iii)炭素原子3~18個のアルファオレフィン、(iv)1,3-シクロジエンモノマー、(v)水素化前に35molパーセント未満のビニル含有量を有する共役ジエンのモノマー、(vi)アクリル酸エステル、(vii)メタクリル酸エステル及び(viii)それらの混合物から選択される1つ以上のセグメントを含む。実施形態において、ブロックAは、パラ-メチルスチレン、パラ-エチルスチレン、パラ-n-プロピルスチレン、パラ-イソ-プロピルスチレン、パラ-n-ブチルスチレン、パラ-sec-ブチルスチレン、パラ-イソ-ブチルスチレン、パラ-t-ブチルスチレン、パラ-デシルスチレンの異性体、パラ-ドデシルスチレンの異性体及びそれらの混合物から選択されるパラ置換スチレンモノマーから選択される。各Bブロックは、1種以上のビニル芳香族モノマーのセグメントを含む。各Dブロックは、(i)重合又は共重合した共役ジエン、(ii)重合したアクリレートモノマー、(iii)重合したシリコン、(iv)重合したイソブチレン及び(v)それらの混合物からなる群から選択される。
実施形態において、ブロックAは、SBC中の他のポリマーブロックと比較して、例えば、20℃超の比較的高いガラス転移温度を有し、又は40℃超の比較的高いガラス転移温度を有し、又は50℃超の比較的高いガラス転移温度を有し、又は60℃超の比較的高いガラス転移温度を有し、又は80℃超の比較的高いガラス転移温度を有し、又は100℃超の比較的高いガラス転移温度を有し、又は30~100℃の比較的高いガラス転移温度を有し、又は40~80℃の比較的高いガラス転移温度を有し、それによって、所望の機械的特性及び他の官能的特性を有するコポリマーをもたらすことができる。実施形態において、ブロックAは、1000~60000g/molの分子量(Mp)を有する、又は2000~50000g/molの分子量(Mp)を有する、又は5000~45000g/molの分子量(Mp)を有する、又は8000~40000g/molの分子量(Mp)を有する、又は10000~35000g/molの分子量(Mp)を有する、又は1500g/mol超の分子量(Mp)を有する、又は50000g/mol未満の分子量(Mp)を有する。実施形態において、ブロックAは、SBCの総重量に基づいて、1~80重量%を構成する、又は5~75重量%を構成する、又は10~70重量%を構成する、又は15~65重量%を構成する、又は20~60重量%を構成する、又は25~55重量%を構成する、又は30~50重量%を構成する、又は10重量%超を構成する、又は75重量%未満を構成する。実施形態において、ブロックAは、Bブロック中に存在するものなどのビニル芳香族モノマーを0~25重量%有する、又は2~20重量%有する、又は5~15重量%有する。実施形態において、Aブロックは、0~15mol%のスルホン化度を有する、又は2~12mol%のスルホン化度を有する、又は5~10mol%のスルホン化度を有する。
実施形態において、ブロックBは、非置換スチレン、オルト置換スチレン、メタ置換スチレン、アルファ-メチルスチレン、1,1-ジフェニルエチレン、1,2-ジフェニルエチレン及びそれらの混合物から選択されるビニル芳香族モノマーの重合単位を含む。実施形態において、ブロックBは、スルホン化されるべきモノマー単位又はブロックの数に基づいて、スルホン酸又はスルホン酸エステル官能基10~100mol%のスルホン化度を有する、又は15~95mol%のスルホン化度を有する、又は20~90mol%のスルホン化度を有する、又は25~85mol%のスルホン化度を有する、又は30~80mol%のスルホン化度を有する、又は35~75mol%のスルホン化度を有する、又は40~70mol%のスルホン化度を有する、又は15mol%超のスルホン化度を有する、又は85mol%未満のスルホン化度を有する。実施形態において、ブロックBは、10000~300000g/molの分子量(Mp)を有する、又は20000~250000g/molの分子量(Mp)を有する、又は30000~200000g/molの分子量(Mp)を有する、又は40000~150000g/molの分子量(Mp)を有する、又は50000~100000g/molの分子量(Mp)を有する、又は60000~90000g/molの分子量(Mp)を有する、又は15000g/mol超の分子量(Mp)を有する、又は150000g/mol未満の分子量(Mp)を有する。実施形態において、ブロックBは、SBCの総重量に基づいて、10~80重量%を構成する、又は15~75重量%を構成する、又は20~70重量%を構成する、又は25~65重量%を構成する、又は30~55重量%を構成する、又は10重量%超を構成する、又は75重量%未満を構成する。実施形態において、ブロックBは、Aブロック中に存在するものなどのパラ置換スチレンモノマーを0~25重量%有する、又は2~20重量%有する、又は5~15重量%有する。
実施形態において、ブロックDは、イソプレン、1,3-ブタジエン、2,3-ジメチル-1,3-ブタジエン、1-フェニル-1,3-ブタジエン、1,3-ペンタジエン、1,3-ヘキサジエン、3-ブチル-1,3-オクタジエン、ファルネセン、ミルセン、ピペリレン、シクロヘキサジエン及びそれらの混合物から選択される共役ジエンのポリマー又はコポリマーを含む。実施形態において、ブロックDは、1000~60000g/molのMpを有する、又は2000~50000g/molのMpを有する、又は5000~45000g/molのMpを有する、又は8000~40000g/molのMpを有する、又は10000~35000g/molのMpを有する、又は15000~30000g/molのMpを有する、又は1500g/mol超のMpを有する、又は50000g/mol未満のMpを有する。実施形態において、ブロックDは、SBCの総重量に基づいて、10~80重量%を構成する、又は15~75重量%を構成する、又は20~70重量%を構成する、又は25~65重量%を構成する、10重量%超を構成する、又は75重量%未満を構成する。
実施形態において、スルホン化は、Bブロック中の重合スチレン単位のフェニル環において、ポリマー骨格に結合したフェニル炭素原子に対して主にパラ位で起こる。実施形態において、ブロックBは、スルホン化されるべきモノマー単位又はブロックの数に基づいて、スルホン酸又はスルホン酸エステル官能基10~100mol%のスルホン化度を有する、又は15~95mol%のスルホン化度を有する、又は20~90mol%のスルホン化度を有する、又は25~85mol%のスルホン化度を有する、又は30~80mol%のスルホン化度を有する、又は35~75mol%のスルホン化度を有する、又は40~70mol%のスルホン化度を有する、又は15mol%超のスルホン化度を有する、又は85mol%未満のスルホン化度を有する。実施形態において、スルホン化ポリマーは、25mol%超のスルホン化度を有する、又は50mol%超のスルホン化度を有する、又は95mol%未満のスルホン化度を有する、又は25~70mol%のスルホン化度を有する。スルホン化度は、NMR又はイオン交換容量(IEC)によって計算することができる。
実施形態において、SBCは、ミッドブロックスルホン化トリブロックコポリマー又はミッドブロックスルホン化ペンタブロックコポリマー、例えば、ポリ(p-tert-ブチルスチレン-b-スチレンスルホネート-b-p-tert-ブチルスチレン)又はポリ[tert-ブチルスチレン-b-(エチレン-alt-プロピレン)-b-(スチレンスルホネート)-b-(エチレン-alt-プロピレン)-b-tert-ブチルスチレンである。
実施形態において、スルホン化ブロックコポリマーは、25000~500000のMpを有する、又は30000~450000のMpを有する、又は35000~400000のMpを有する、又は40000~350000のMpを有する、又は45000~300000のMpを有する、又は50000~250000のMpを有する、又は35000超のMpを有する、又は350000g/mol未満のMpを有する。実施形態において、SBCは、0.5meq/g超のイオン交換容量(IEC)を有する、又は0.75meq/g超のイオン交換容量(IEC)を有する、又は1.0meq/g超のイオン交換容量(IEC)を有する、又は1.5meq/g超のイオン交換容量(IEC)を有する、又は2.0meq/g超のイオン交換容量(IEC)を有する、又は2.5meq/g超のイオン交換容量(IEC)を有する、又は5.0meq/g未満のイオン交換容量(IEC)を有する。実施形態において、SBCは、6未満のpHを有する、又は5未満のpHを有する、又は4未満のpHを有する、又は3未満のpHを有する、又は2.75未満のpHを有する、又は2.5未満のpHを有する、又は2.25未満のpHを有する、又は2未満のpHを有する、又は1.75未満のpHを有する、又は1.5未満のpHを有する、又は1.25未満のpHを有する。
実施形態において、SBCは、参照により本明細書に組み込まれる米国特許番号US7704676に開示されているような非水素化ブロックターポリマーである。実施形態における非水素化ブロックターポリマーは、一般構造A-I-B-I-A又は(A-I-B)n-Xを有する。各Aブロックは、独立的にビニル芳香族化合物である。各Iは、主にイソプレンである。各Bは、主にブタジエンである。Xは、カップリング剤残基であり、nは、2以上の整数である。実施形態において、IとBとの重量比は、30:70~70:30の範囲である。Bブロックは、20~90%の範囲の1,2-ビニル結合含有量を有する、又は少なくとも30%の1,2-ビニル結合含有量を有する。PSCは、10~45%である、又は15~35%である、又は少なくとも25%である。Aブロックは、5,000~20,000の範囲の分子量を有する、又は5,000~15,000の範囲の分子量を有する、又は10,000~20,000の範囲の分子量を有する。Iブロック及びBブロックは合わせて、50,000~200,000の範囲の分子量を有する、又は100,000~200,000の範囲の分子量を有する、又は50,000~150,000の分子量を有する。実施形態において、非共役トリブロックであるA-I-B含有量は、約2%~約95%の範囲である、又は少なくとも90%である。
実施形態において、SBCは、ポリスチレンブロックの重量に基づいて5重量%未満の共重合性モノマーを含有する2つ以上のポリスチレンブロック及びブロック重合共役ジエンの重量に基づいて5重量%未満の共重合性モノマーを含有するポリイソプレンの少なくとも1つのブロックを有する、イソプレンゴムラテックスなどの水性分散液の形態である。SBCは、170,000~350,000の重量平均MWを有する、又は180,000~300,000の重量平均MWを有する、又は少なくとも200,000の重量平均MWを有する、又は275,000未満の重量平均MWを有する。ポリスチレンブロックは、8,000~15,000の重量平均MWを有し、ブロックコポリマー中のPSCは、5~25重量%である。各Bブロックは、イソプレンからなり、重量平均MWは、30,000~200,000である、又は150,000未満である、又は100,000未満である、又は40,000~70,000である。
実施形態において、SBCは、参照により本明細書に組み込まれる米国特許公開番号US202010394404に開示されているように、重合したモノアルケニルアレーンの少なくとも2つのブロック(A)及び重合した共役ジエンの少なくとも1つのブロック(B)を含み、これらのブロックは、線状又は放射状に配置されている。実施形態において、SBCは、A-B-A又はA-B-X-(B-A)n[式中、Xは、カップリング剤の残基を表し、nは、2以上の整数であり、放射状構造におけるアームの平均数を表す。]のような一般的な配置を有する。実施形態において、カップリング効率は、90%超である、又は92~100%である。放射状ブロックコポリマー構造において、Aブロックは、10,000~12,000のMWを有する。Bブロックは、75,000~150,000のMWを有する、又は80,000~120,000のMWを有する。完成したブロックポリマー中のAブロックの総量は、8~15重量%又は10~12重量%である。線状ブロックコポリマーにおいて、各Aブロックは、8,000~15,000のMWを有する、又は9,000~14,000のMWを有する。ブロックコポリマーの総分子量は、150,000~250,000又は170,000~220,000である。ブロックコポリマーは、ブロックコポリマーの総重量に基づいて、8重量%~15重量%のモノアルケニルアレーン含有量を有する、又は9重量%~14重量%のモノアルケニルアレーン含有量を有する。実施形態において、コポリマーは、15~30重量%のスチレン及び70~85重量%のイソプレンを含有し、かつ30,000~200,000のMWを有する、SIS(スチレン-イソプレン-スチレン)ブロックコポリマーである。実施形態において、コポリマーは、式A-B-Xm-(B-A)nを有し、A、B、X、nは、先に定義されている通りであり、Aは、8,000~15,000のMWを有し、Bは、30,000~200,000のMWを有し、mは、0又は1であり、nは、1~5の整数である。実施形態において、コポリマーは、60重量%~10重量%の放射状スチレン系ブロックコポリマー及び40重量%~90重量%のスチレンジエンジブロックコポリマーを含む混合物である。スチレンジエンジブロックコポリマーは、スチレンイソプレンジブロックコポリマー及び/又はスチレンブタジエンジブロックコポリマーである。ジブロックコポリマーがスチレンブタジエンジブロックコポリマーである場合、これは、10~30重量%のPSCを有する。
実施形態において、SBCは、式A-B-Aの線状ブロックコポリマーである。各Bブロックは、主にブタジエンである。各Aブロックは、モノビニル芳香族である。PSCは、20~50%の範囲である、又は25~40%の範囲である、又は少なくとも30%である。MWは、50,000~200,000の範囲である、又は110,000~175,000の範囲である、又は少なくとも125,000である。ビニル結合含有量は、20~60%の範囲である、又は少なくとも25%である、又は35~50%の範囲である。トリブロック含有量は、少なくとも85%又は少なくとも90%である。
実施形態において、SBCは、一般構造(A-B)n-Xを有する非水素化放射状ブロックコポリマーであり、nは、3~4の範囲であり、Xは、カップリング剤残基である。Aブロックは、モノビニル芳香族のポリマーブロックである。Bブロックは、共役ジエンのポリマーブロックである。PSC含有量は、20~30%の範囲である。実施形態において、SBCは、250,000~400,000のMWを有する、又は300,000~370,000のMWを有する。
実施形態において、SBCは、参照により本明細書に組み込まれる米国特許番号7169848に開示されているように、少なくとも1つのAブロック及び少なくとも1つのBブロックを有するブロックコポリマーである。実施形態において、SBCは、A-B、A-B-A、(A-B)n(A-B-A)n(A-B-A)nX、(A-B)nX又はそれらの混合物の一般的な構成を有する。Xは、カップリング剤残基であり、nは、2~約30の整数である。実施形態において、SBCは、構造A1-B1-A2-B2を有するテトラブロックである。各A、A1及びA2ブロックは、モノアルケニルアレーンポリマーブロックである。各B及びB1ブロックは、少なくとも1種の共役ジエン及び少なくとも1種のモノアルケニルアレーンの制御分布コポリマーブロックである。各B2ブロックは、(i)少なくとも1種の共役ジエン及び少なくとも1種のモノアルケニルアレーンの制御分布コポリマーブロック、(ii)共役ジエンのホモポリマーブロック、並びに(iii)2種以上の異なる共役ジエンのコポリマーブロックからなる群から選択される。各A、A1及びA2ブロックは、3,000~60,000のMWを独立的に有する。各B及びB1ブロックは、約30,000~約300,000のMWを独立的に有する。各B2ブロックは、2,000~40,000のMWを独立的に有する。各B及びB1ブロックは、共役ジエン単位が豊富なAブロックに隣接した末端領域及びモノアルケニルアレーン単位が豊富なAブロックに隣接していない1つ以上の領域を含む。実施形態において、ブロックコポリマーは、少なくとも1つのCブロックをさらに含む。各Cブロックは、1つ以上の共役ジエンのポリマーブロックであり、それぞれ、2,000~200,000のMWを有する。ブロックコポリマー中のモノアルケニルアレーンの総量は、20重量%~80重量%である。各B及びB1ブロック中のモノアルケニルアレーンの総量は、10重量%~75重量%である。実施形態において、水素化に続いて、アレーン二重結合の0~10%が還元され、共役ジエン二重結合の少なくとも90%が還元される。所望であれば、A及びA1ブロックは、アレーン二重結合の少なくとも90%が還元されるように完全に飽和させてもよい。また、所望であれば、ジエンブロックの飽和は、ジエン二重結合の25~95%が還元されるように減少させてもよい。
実施形態において、SBCは、式A-B-Aである(A-B)nXの水素化ブロックコポリマーである。Xは、カップリング剤残基である。nは、3の値を有する。水素化の前は、各Bブロックは、共役ジエンのポリマーであり、各Aブロックは、ビニル芳香族のポリマーである。PSCは、13~25%の範囲である、又は20~23%の範囲である、又は18%超である。MWは、100,000~200,000の範囲である、又は110,000~175,000の範囲である、又は125,000超である。ビニル結合含有量は、60~90%の範囲である、又は60%超である、又は65~75%の範囲である。
実施形態において、SBCは、1,3-シクロヘキサジエンモノマー(CHD)を含む水素化又は非水素化ブロックコポリマーである。実施形態において、CHDを含むSBCは、以下の一般的な構成を有する:A-B、(A-B)nX、A’-B、(A’-B)nX、A-B-A、A’-B-A’、A-B-A’又はA-B-C[式中、nは、2~30の整数であり、Xは、カップリング剤残基である。]。各Aブロックは、ポリ(1,3-シクロジエン)ホモポリマーである。各A’ブロックは、ポリ(1,3-シクロジエン-コ-モノアルケニルアレーン)ランダムコポリマーである。各Bブロックは、少なくとも1つの非環式共役ジエンの重合単位を含むポリ(非環式共役ジエン)ポリマーである。実施形態において、Bブロックは、水素化されている。各Cブロックは、ポリ(アルケニルアレーン)ポリマーである。各A、A’及びCブロックは、2,000~60,000の平均分子量を独立的に有する、又は2,500~50,000の平均分子量を独立的に有する、又は3,000~30,000の平均分子量を独立的に有する。各Bブロックは、1,000~300,000の平均分子量を有する、又は2,000~100,000の平均分子量を有する、又は2,500~75,000の平均分子量を有する、又は3,000~50,000の平均分子量を有する。
実施形態において、SBCは、参照により本明細書に組み込まれる米国特許公開番号2021-0309773に開示されているような、ポリ(1,3-シクロヘキサジエン)ホモポリマーである。実施形態において、SBCは、2,000~15,000のMnを有する、又は3,500~12,500のMnを有する、又は5,000~10,000のMnを有する、又は2,000超のMnを有する、又は3,000超のMnを有する、又は5,000超のMnを有する、又は15,000未満のMnを有する、又は10,000未満のMnを有する。実施形態において、SBCは、5,000~15,000のMWを有する、又は7,000~12,000のMWを有する、又は10,000未満のMWを有する、又は6,000超のMWを有する、又は4,000超のMWを有する。実施形態において、SBCは、3.0~8.0の多分散指数を有する、又は4.0~6.0の多分散指数を有する、又は4.5超の多分散指数を有する、又は7.0未満の多分散指数を有する、又は3.5~7.0の多分散指数を有する。
実施形態において、SBCは、参照により本明細書に組み込まれる米国特許公開番号2021-0309779に開示されているような、1つ以上の環状ジエン及びコモノマーのカチオン重合によって形成されたコポリマーである。コモノマーは、モノテルペン、分岐状スチレン及びそれらの組合せからなる群から選択される。1つ以上の環状ジエンは、1,3-シクロヘキサジエン(CHD)、シクロペンタジエン(CPD)、1,3-シクロヘプタジエン、4,5,6,7-テトラヒドロインデン、ノルボルナジエン(NBD)及びそれらの組合せからなる群から選択される。実施形態において、SBCは、2,000~15,000のMnを有する、又は3,500~12,500のMnを有する、又は5,000~10,000のMnを有する、又は2,000超のMnを有する、又は3,000超のMnを有する、又は5,000超のMnを有する、又は15,000未満のMnを有する、又は10,000未満のMnを有する。実施形態において、SBCは、2,000~30,000のMzを有する、又は3,000~25,000のMzを有する、又は20,000未満のMzを有する、又は18,000未満のMzを有する、又は2,500超のMzを有する、又は3,000超のMzを有する。
実施形態において、SBCは、参照により本明細書に組み込まれる米国特許公開番号2020-0347168に開示されているような、星型分岐状コポリマーである。各ポリマーアームは、ラジカル反応性基を含む第1のビニル芳香族モノマーに由来する重合単位(i)であり、重合単位(i)の10mol%超~100mol%が水素化されていない、重合単位(i);及び任意選択的に、(iiA)300℃以下のTgを有する高Tgモノマーに由来する重合単位(ii)の水素化及び非水素化形態、並びに(iiB)重合単位(i)の水素化形態又は重合スチレン単位の水素化形態を含む、重合単位(ii);及び任意選択的に、(iiiA)1種以上の非環式共役ジエンに由来する重合単位の水素化形態であり、(a)の10重量%未満が水素化されていないもの、及び(iiiB)1種以上の第2のビニル芳香族モノマーに由来する重合単位を含む、重合単位(iii)を含む。星型分岐状ポリマーの各ポリマーアームは、1kg/mol~50kg/molの分子量Mpを有する。コポリマーは、15kg/mol~500kg/molのピーク分子量Mpを有する。
実施形態において、SBCは、スチレン又はエチレン-ブチレンブロック化学官能部分のいずれかに化学的に結合した官能基を用いたグラフト化反応によってさらに変性されている(官能基化されている)。
実施形態において、官能基は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許番号US7169848、US4578429、US5506299、US4292414に開示されているような、1個以上の飽和基を有する不飽和モノマー又はそれらの誘導体、例えば、カルボン酸基及びそれらの塩、無水物、エステル、イミド、アミド又は酸塩化物基である。例は、第4級アンモニウム塩、カルボン酸/塩、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、シトラコン酸、アクリル酸、グリシジルアクリレート、シアノアクリレート、ヒドロキシC1~C20アルキルメタクリレート、アクリルポリエーテル、アクリル酸無水物、メタクリル酸、クロトン酸、イソクロトン酸、メサコン酸、アンゲリカ酸、マレイン酸無水物、イタコン酸無水物、シトラコン酸無水物、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、アクリル酸ナトリウム、アクリル酸カルシウム及びアクリル酸マグネシウムを含む。
実施形態において、グラフト化のための官能基は、シラン、スルホン酸、ホスフェート、ホスフィンオキシド、リン酸、アルコキシド、ニトリル、チオエーテル、チオール及びそれらの組合せから選択される。実施形態において、SBCは、参照により本明細書に組み込まれる米国特許番号4,882,384に教示されているようなケイ素又はホウ素含有化合物とのグラフト化反応によって変性されている。一例は、シラン変性ブロックコポリマーを形成するためのアルコキシシラン化合物とのグラフト化反応である。実施形態において、SBCは、参照により本明細書に組み込まれるUS8927657B2に開示されているようなエポキシ化ブロックコポリマーであり、共役ジエン基の二重結合は、エポキシ化されている。
SBCは、粉末、ペレット、クラム、溶液、ゲル、膜若しくはフィルム、懸濁液、水性分散液、水性エマルション又はラテックス形態を含むが、これらに限定されることはない様々な形態のバインダーにおける使用に利用可能である。実施形態において、SBCは、水懸濁液又はラテックス形態で用いられ、ポリマーは、縮小された粒径のもの、例えば、ミクロン及びサブミクロンの範囲のものである。
実施形態において、SBCは、0.05~20.0μmの粒径を有する、又は0.05~15μmの粒径を有する、又は0.1~10μmの粒径を有する、又は0.2~5μmの粒径を有する、又は0.2~5μmの粒径を有する、又は0.5~3μmの粒径を有する。小さな粒径は、Si若しくはSi合金、Si化合物又はSi複合材などの電極粒子のより良好な接着性及び表面/亀裂保護を呈する可能性があり得る。
実施形態において、バインダー範囲内のSBCポリマーの量は、バインダー組成物の総重量に基づいて、20重量%超である、又は30重量%超である、又は40重量%超である、又は20~99重量%である、又は25~95重量%である、又は30~90重量%である、又は35~85重量%である。
任意選択的に変性されたSBC。実施形態において、SBCは、最初に、溶媒中に懸濁されてコロイド懸濁液を生成し、次いで、伝導性特性を増加させるための化学的ドーパントで任意選択的にドーピング又はグラフト化されて、例えば、ポリマーの伝導ドメイン中に存在するイオンの局所濃度を増加させる。実施形態において、化学的ドーパントは、イオン液体、例えば、複素環式ジアゾール系イオン液体、イミダゾール型カチオン、アルキル置換イミダゾリウム、ピリジニウム、ピロリジニウムカチオン又はそれらの組合せを含むイオン液体を含む。実施形態における重合したイオン液体ブロックの量は、SBC全体の5~70mol%の範囲である、又は少なくとも10mol%である。
SBCがCHD(1,3-シクロヘキサジエン)を含有する一部の実施形態において、SBCは、PCHD(ポリ(1,3-シクロヘキサジエン))を共役ポリマー又は半導体ポリマー、すなわちポリフェニレンに脱水素化することによって本来的に伝導性にされ得る。他の実施形態において、SBCは、ポリスチレンブロック上にアニリンでグラフト共重合することによって本来的に伝導性にされている。少なくとも1種の非置換アニリン及び/又は置換アニリンからなる共役ホモポリマー又はコポリマーであるアニリンポリマーは、実施形態において、プロトン酸でドープされており、プロトン酸は、アニリンポリマーが溶融加工可能又は溶液加工可能であるようにアニリンポリマーを官能基化し、グラフト化に適している。
代替的に又は追加的に、実施形態において、SBCは、伝導性フィラーでドープされている、又はこれで伝導性にされている。実施形態において、伝導性フィラーは、純銀粉末、アセチレンカーボン、カーボンブラック、グラフェン、その表面が銀でコーティングされている金属粒子又はそれらの混合物、グラファイト、天然グラファイト、銀でコーティングされているグラファイト粒子、ニッケルでコーティングされているグラファイト粒子、金でコーティングされているグラファイト粒子又はそれらの混合物の粒子を含む。粒子は、約100ミクロンの質量中央径(D50)を有し、フレーク、小板、葉状粒子、棒、チューブ、繊維、針及び樹状粒子からなる群から選択される。実施形態において、伝導性フィラーは、5~100ミクロンの長さを有する炭素繊維からなる。
実施形態において、伝導性フィラーは、カーボンベースのナノフィラー、例えばカーボンナノチューブ(CNT)である。CNTは、当技術分野で公知の方法、例えば、参照により本明細書に組み込まれる米国特許公開番号US20040186220A、US-2010/0009165-A及びWO-2010/007163-Aを介してSBC中に分散させることができる。公知の方法は、溶媒で補助されるポリマーコーティング/ラッピングプロセス及び非ラッピングプロセスを含むが、これらに限定されることはない。
実施形態において、伝導性フィラーの量は、バインダー組成物の総重量の0.1~20重量%の範囲である、0.1~15重量%の範囲である、又は1~10重量%の範囲である、又は8重量%未満である。又は1重量%超である。実施形態において、伝導性フィラーの量は、1:50~1:4の伝導性フィラーとSBCとの重量比で存在する、又は1:40~1:30の伝導性フィラーとSBCとの重量比で存在する、又は1:30~1:5の伝導性フィラーとSBCとの重量比で存在する、又は1:20~1:6の伝導性フィラーとSBCとの重量比で存在する、又は1:10~1:8の伝導性フィラーとSBCとの重量比で存在する。
実施形態において、伝導性フィラーによって変性されていることに加えて、又はその代わりに、SBCは、バインダー特性、例えば、接着性及び弾性を改善するために、IRゴムラテックスの添加によって変性されている。実施形態において、IRゴムラテックスで変性されたSBCは、電極組成物全体に基づいて、10~20重量%の量で存在する、又は20重量%未満の量で存在する、又は15重量%未満の量で存在する、又は10重量%未満の量で存在する。
実施形態において、IRゴムラテックスの代わりに、又はこれに加えて、SBCは、接着性及び弾性をさらに改善するために、シリコーンで変性されている。実施形態において、シリコーンで変性されたSBCは、電極組成物全体に基づいて、10~20重量%の量で存在する、又は20重量%未満の量で存在する、又は15重量%未満の量で存在する、又は10重量%未満の量で存在する。
任意選択的な粘着付与樹脂成分:一部の実施形態において、用途に応じて、バインダー組成物は、粘着付与樹脂を任意選択的に含む。実施形態において、粘着付与樹脂は、変性ロジン樹脂及びロジンエステルの群から選択されるロジン樹脂を含む。変性ロジン樹脂は、ロジン酸、マレイン酸無水物又はフマル酸又はマレイン酸変性ロジンエステル(MMRE)の群から選択される1種以上の成分を含む。ガムロジン、ウッドロジン又はトール油ロジンとしての樹木に由来するロジン酸は、アビエチン酸、ネオアビエチン酸、デヒドロアビエチン酸、レボピマル酸、ピマル酸、パルストリン酸、イソピマル酸及びサンダロコピマル酸からなる群の1種以上の成分から構成されている。ロジンエステルは、1種以上のロジン酸と、メタノール、トリエチレングリコール、グリセロール及びペンタエリトリトールからなるアルコールの群からの1種以上のアルコールとの反応から得られる1種以上の誘導体から構成されている。
実施形態において、ロジンエステル樹脂は、水素化炭化水素ロジンエステル、アクリルロジンエステル、不均化ロジンエステル、二塩基酸変性ロジンエステル、重合樹脂エステル、フェノール変性ロジンエステル樹脂及びそれらの混合物から選択される。他の実施形態において、バインダーは、ロジン樹脂のマレイン酸変性グリセロールエステル及びペンタエリトリトールエステルの混合物を含む。
実施形態において、バインダーは、粘着付与剤としての炭化水素樹脂を含む。例は、C5脂肪族炭化水素樹脂、C9芳香族炭化水素樹脂及びC5/C9炭化水素ブレンドの群から選択される樹脂を含む。C5脂肪族炭化水素樹脂は、トランス-1,3-ペンタジエン、シス-1,3-ペンタジエン、2-メチル-2-ブテン、ジシクロペンタジエン、シクロペンタジエン及びシクロペンテンの群の1種以上の成分を含むピペリレンの、ルイス触媒の存在下での蒸留反応から生成される。C9芳香族炭化水素樹脂は、ビニルトルエン、ジシクロペンタジエン、インデン、メチルスチレン、スチレン及びメチルインデンからなる群のうちの1種以上を含むC5脂肪族樹脂を生成するために使用される石油原料のナフサ分解の副生成物である。
実施形態において、粘着付与樹脂は、マレイン化ロジンエステル、マレイン酸変性グリセロールロジンエステル、フマル化ロジンエステル、アクリル化ロジンエステル、アミド化ロジンエステル(アミン変性)、ニトロ化ロジンエステル(nitrated rosin ester)、塩素化ロジンエステル、臭素化ロジンエステル、水素化ロジンのペンタエリトリトールエステル、グリセロールエステル)、水素化及び非水素化の両方であるピペリエン及びイソプレンなどの炭化水素エステル、スチレン化炭化水素樹脂、及びテルペンフェノール、スチレン化テルペン、ポリテルペン樹脂などのテルペン系樹脂、並びにそれらの混合物の群から選択される。
実施形態において、粘着付与樹脂は、水性分散液中において提供される。実施形態において、粘着付与樹脂の水性分散液は、界面活性剤を含む。任意の所望の界面活性剤、例えば、アニオン性界面活性剤、カチオン界面活性剤、非イオン性界面活性剤又はそれらの混合物は、水性粘着付与剤分散液の作製に使用され得る。
実施形態において、粘着付与樹脂は、0.3~3μmの粒径を有する、又は0.5~1.5μmの粒径を有する、又は3μm未満の粒径を有する、又は0.3μm超の粒径を有する、又は0.5μm超の粒径を有する。
実施形態において、バインダー中の任意選択的な粘着付与樹脂の量は、接着剤組成物の総重量に基づいて、0~70重量%の範囲である、30重量%未満である、又は20~70重量%の範囲である、又は25~50重量%の範囲である、又は10重量%超である、又は5重量%超である。実施形態において、バインダー組成物中のSBCに対する樹脂粘着付与剤は、10:90~50:50の重量比範囲で存在する、又は20:80~80:20の重量比範囲で存在する、又は20:80~40:60の重量比範囲で存在する、又は45:50~40:60の重量比範囲で存在する。
任意選択的な可塑剤成分:用途に応じて、一部の実施形態において、バインダーは、植物油、プロセス油、鉱油、フタレート及び混合物の群から選択される少なくとも1種の可塑剤をさらに含む。
プロセス油は、パラフィン系油、ナフテン系油及び芳香族油からなる群の1つ以上の成分から構成されている。パラフィン系油は、飽和炭素骨格であり、ナフテン系油は、芳香族含有量がほとんどない多価不飽和炭素構造を有し、芳香族油は、芳香族の分類をもたらす環状炭素不飽和を有する。
バインダー中の可塑剤の量は、バインダー材料の総重量に基づいて、0~40重量%の範囲である、又は5~35重量%の範囲である、又は20重量%未満である。
特性:実施形態において、SBCは、400%超の破断点伸び(ASTM D412による)を有し、又は600%超の破断点伸び(ASTM D412による)を有し、又は800%超の破断点伸び(ASTM D412による)を有し、又は200~2,000%の破断点伸び(ASTM D412による)を有し、又は400~2,000%の破断点伸び(ASTM D412による)を有し、又は2,000%未満の破断点伸び(ASTM D412による)を有し、バインダー材料が高い弾性(低いヒステリシス)を有することを可能にする。SBCは弾性が高いため、アノード、例えばシリコンアノードへの添加のためのバインダー材料に使用されると、バインダーは、シリコン粒子を一緒に保持しながら、充電及び放電の応力を軽減するのに役立つ。SBCを含有するバインダーは、弾性があり、応力緩和が低く、強度が高く、かつ破断伸びが高いことを特徴とする。
実施形態において、SBCは、ASTM 4065によって動的機械分析(DMA)により測定して、30~90℃の範囲のできるだけ低いガラス転移温度(Tg)を有する、又は40~90℃の範囲のできるだけ低いガラス転移温度(Tg)を有する、又は50~80℃の範囲のできるだけ低いガラス転移温度(Tg)を有する、60~80℃の範囲のできるだけ低いガラス転移温度(Tg)を有する、又は30℃超のできるだけ低いガラス転移温度(Tg)を有する、又は95℃未満のできるだけ低いガラス転移温度(Tg)を有する、又は80℃未満のできるだけ低いガラス転移温度(Tg)を有する。
実施形態において、SBCは、2.2~3の絶縁定数(Dk)を有する、又は2.2~2.8の絶縁定数(Dk)を有する、又は2.2~2.5の絶縁定数(Dk)を有する。実施形態において、SBCは、0.001~0.01の散逸係数(Df)を有する、又は0.001~0.05の散逸係数(Df)を有する、又は0.001~0.001の散逸係数(Df)を有する、又は0.001~0.005の散逸係数(Df)を有する。Dk及びDfは、ASTM D2520によって、1GHz及び20GHzで測定される。
実施形態において、バインダー組成物における使用のためのSBCは、(従来技術のバインダー材料、例えばSBRのようには)架橋されていない。実施形態において、SBCは、ゲルを実質的に含まず、例えば、10%未満のゲル含有量を有する、又は5%未満のゲル含有量を有する、又は2%未満のゲル含有量を有する、又は1%未満のゲル含有量を有する。ゲルは、例えば架橋の結果として、軟質、半固体又は固体の状態を指す、又はそのような材料を指す。
実施形態において、SBCは、有機溶媒を本質的に含まない又は有機溶媒を含有していない水性分散液の形態で提供される。
実施形態において、SBCを含むバインダー材料は、高い機械的強度、電極粒子及びフィラーに対する高い接着性、高い電気伝導性、高いイオン伝導性、並びに組合せのいずれかを有することを特徴とする。
SBCを含有するバインダー材料は、Si若しくはSi合金、Si化合物若しくはSi複合材、カーボンブラック又はグラファイトスラリーなどの追加的な成分を用いても、低温で溶融押出され得る。これらは、酸及び塩基に対して良好な耐薬品性を有する。極性官能基は、官能基化/グラフト化SBCを用いてバインダーに導入され得る。
バインダー材料を作製するための方法&用途:SBCを含有するバインダー材料は、Siベース又はCベースのバッテリーなどにかかわらず、リチウムイオンバッテリー、リチウム硫黄バッテリーなどのバッテリーにおける使用に適切である。SBCを含有するバインダー材料は、電極、例えば、正極及び負極、固体電解質、並びにアノライトを形成するために使用され得る。
SBCを含有するバインダー材料を作製するための方法は、最終使用用途、例えば、電極又はアノライト、電極において使用される材料、例えば、グラファイト、カーボンブラック、Li、Al、Si、Si合金、Si複合材など、例えば、リチウム遷移金属酸化物、酸化チタン、ナノグラファイト、ホウ素、炭化ホウ素、炭化ケイ素、希土類金属炭化物、遷移金属炭化物、窒化ホウ素、窒化ケイ素、希土類金属窒化物及び遷移金属窒化物、エネルギー密度、体積膨張などの要因に対処するためにバインダー材料に含まれるべき成分などによって決まる。
実施形態において、SBCを含有するバインダー材料は、「弾力性」アノライトを形成するためのものである。弾力性は、破損することなく圧縮可能であること又は柔軟性であることを示す。実施形態において、SBC、特に伝導性SBCを含有するバインダー材料は、他の材料、例えば、炭素、ナノ粒子(例えば、Ag、Mg、Si、Ni、Cu、Pt、Cなど及び組合せ)、ナノワイヤなどとともに液体ゲルに組み込まれ、電気伝導性種&弾力性アノライトのネットワークを形成する。弾力性アノライト層は、硬質又は硬いアノライトと比較して、Liストリッピング中により圧縮可能である。SBCバインダー材料を用いると、弾力性アノライトは、劣化なく変形する能力をいくらか有し、変形に伴って機械的完全性を維持する(適度な変形を伴って亀裂又は破損する硬いアノライトと比較した場合)。実施形態において、SBCバインダー材料を含有するアノライト組成物の約90%が、500サイクルの約20%の変形に供された場合に残存する。
実施形態において、SBCを、最初に、アセトニトリル、スクシノニトリル、トルエン、ベンゼン、エチルエーテル、デカン、ウンデカン、ドデカン及びそれらの混合物などの溶媒中で、固体無機電解質、例えば、リチウム超イオン伝導体、リチウムリン酸窒化物、ポリエチレングリコール(PEG)及びポリエチレンオキシド/ポリプロピレンオキシド、硫化物電解質、魚油、リン酸エステルなどの分散剤などを含む材料と混合し、スラリーを「グリーンフィルム」(熱処理前)へと形成する。一部の例では、フィルムは、層状に押し出されて、又は他の複合電解質上に堆積若しくは積層されて、複合電解質のいくつかの層を構築する。実施形態において、フィルムは、電解質フィルム又は粉末を約5℃~約1200℃の範囲で約1~約720分間加熱することによって焼結される。実施形態における電解質フィルムは、10nm超及び100μm未満の厚さを有する。
実施形態において、SBC水性分散液及び粘着付与樹脂水性分散液は、他の成分を添加してバインダーを形成する前に、組み合わされる。実施形態において、SBC及び他の成分、例えば伝導性材料を含有するバインダー組成物は、その後のフィルム形成のために、コーティングとしての噴霧のために又は複合電解質若しくはコレクタ基板上への積層のために水中に分散されて、電極を形成する。コーティング後に、バッテリー電極は、真空チャンバ内又は不活性ガス雰囲気中で乾燥されてもよい。
実施形態において、SBCを含有するバインダーは、Si粒子の周りを包んで体積膨張をより良好に制御するために、かつ電極粒子、例えば、Si又はSi合金、Si化合物又はSi複合材、カーボンブラック、グラファイトなどを各充電/放電サイクル後に(ほぼ)元々の物理的状態に回復するために適用されており、そのため、容量低下は、最小限に抑えられる。任意のシリコン粒径が有用であり得るが、一部の実施形態において、これは、2nm~100マイクロメートルである、又は0.1nm~1000μmである、又は50~100nmの平均直径である。
スルホン化ブロックコポリマー、例えば、Kraton CorporationのNexar(商標)スルホン化ポリマーを含むSBCバインダー材料を用いた実施形態において、ユニバーサル圧延プレス法が、膜形態のスルホン化ブロックコポリマーを集電体上に圧延することによって使用され、続いて、熱処理が行われ、電極が得られる。
実施形態において、Nexar(商標)スルホン化ポリマーなどのSBC材料は、繊維へと電界紡糸される。プレス時に、繊維は、集電体(例えば、Cu箔)に強く接着する。熱処理後/炭化された後に、Cu箔は、SBC材料と強力な結合を形成する。実施形態において、電極粒子は、電界紡糸の前にポリマーと組み合わされて、ポリマー複合材を形成する。他の実施形態において、2成分複合材(電極粒子及びSBC)は、中空繊維構造への押出繊維紡糸によって繊維にされ得る。
他の実施形態において、スラリー、溶液、ポリマー溶融物、分散液、エマルションなどは、主成分(85~98重量%)としての電極材料並びに副成分(1~10重量%)としてのバインダー及び伝導性添加剤を含有するバインダー組成物とともに、他のタイプの構造へと共押出される。押出後に、繊維は、(必要に応じて)乾燥させて、所望の長さに切ってもよい。先の中空セグメント化構造は、使用され得る多くの構造のうちの1つであるが、他の構造、例えば、先端三葉形、シースコア、シェルコア繊維、及び海繊維中の島も利用可能である。
例:表1に要約されている以下の例示的な例は、非限定的なものである。
比較例において、SBRは、MTI Corporationから市販されている、100~250mPa.sの粘度(NDJ-5S、25℃)を有するエマルション形態の、23~35%のスチレン、70~72%のブタジエン及び5%のカルボキシルを有する、Liイオンバッテリーアノードのためのスチレン-ブタジエン-ゴムバインダーである。CMCは、同様にMTI Corporationからの、400,000の粘度平均モル質量又はMvを有する粉末形態としてのカルボキシメチルセルロースである。
比較例1.活性アノード材料(グラファイト)、伝導性助剤(カーボンブラック)及びCMCは、滑らかなペーストを達成するために、最初に高せん断速度で混合される。せん断速度は、100 1/s未満に下げられ、次いで、SBRラテックスは、ペーストに添加される。次いで、ペーストは、ドクターブレードコーティング法を使用してCu箔上にコーティングされる。電極の乾燥組成は、以下の通りである:グラファイト94%、カーボンブラック2%、CMC1.5%及びSBR2.5%。
比較例2.電極が89%のグラファイト及び5%のミクロンサイズのSiから構成されていることを除いて、比較例1と同様である。
[実施例1~10.] 例における使用のためのSBCバインダーは、表1に列挙されている通りである。最初に、SBCバインダーをトルエンに溶解させる。トルエンの量は、最終的なペーストが約3,000cPの粘度を有するように調整される。トルエンへのSBCバインダーの溶解後に、次いで、活性アノード材料(複数可)(グラファイト又はグラファイト+Si)及び伝導性助剤(カーボンブラック)が、高せん断下でトルエン溶液に添加される。超音波処理が、滑らかなペーストを達成するために追加されてもよく、次いで、この滑らかなペーストは、Cu箔上にコーティングされる。電極の乾燥組成は、比較例と同様であり、すなわち、約94%の活性アノード材料、約2%の伝導性助剤及び約4%のバインダーである。
[実施例11.] これは、SBRがIR401で置き換えられていることを除いて、比較例1と同様である。
電極の作製:調製されたままの電極ペーストは、銅箔(アノードペースト)又はアルミニウム箔(カソードペースト)上にコーティングされる。コーティングは、ナイフコーティング法を使用して行われ得、コーティング厚さは、約300ミクロンである。次いで、コーティングは、約35%の多孔率までカレンダー加工される。
コインセルの製造:多くのバッテリーセル(コイルセルタイプ)が製造される。各セルについて、作用電極としてのコインセルアセンブリにおける使用のために、直径1.47cmのディスクが積層体から打ち抜き加工される。リチウム箔が対極の作製に使用され、直径1.5cmのディスクとして切断される。直径2cmの多孔質ポリエチレンセパレーターが作用電極の上部に置かれる。次いで、セルを、約80℃~120℃で、真空下において、約24時間にわたって乾燥させ、重量比1:1のEC:DEC(エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート)中に入った1MのLiPF6である電解質がセルに注入される。バッテリーセルは、試験の用意ができている。
コインセルの試験:バッテリーセルは、25℃の試験チャンバに入れられる。試験において、経時的な電圧及び電流のデータが、多くの充電及び放電サイクルにわたって記録される。これらのデータから、セル容量、抵抗、クーロン効率及び他の性能データが導き出される。特に言及されていない限り、4つのセルが、各試験に使用され、結果は、4回の試験の平均である。特に言及されていない限り、充電及び放電速度は、C/10である。表2は、異なるタイプのバインダーを有する電極の脱リチウム化能力を示す。
「含む(comprising)」及び「含む(including)」という用語は、本明細書では様々な態様を説明するために使用されてきたが、「から本質的になる」及び「からなる」という用語は、本開示のより具体的な態様を提供するために「含む(comprising)」及び「含む(including)」の代わりに使用されてもよく、開示されてもいる。
Claims (18)
- 再充電可能なバッテリーにおける使用のためのバインダー組成物であって、
線状構造、放射状構造又は分岐状構造のうちのいずれかを有する少なくとも20重量%のスチレン系ブロックコポリマーであり、
i)モノビニル芳香族ブロック、
ii)環状共役ジエンブロック及び共役ジエンブロックのうちの少なくとも1つ、並びに
iii)任意選択的にカップリング剤残基
を含み、0.5~25meq/gの残留不飽和を有する、スチレン系ブロックコポリマー;
炭化水素樹脂、アルキド樹脂、ロジン樹脂、ロジンエステル及びそれらの組合せから選択される70重量%以下の粘着付与剤;
植物油、鉱油、プロセス油、フタレート及びそれらの混合物から選択される40重量%以下の可塑剤
を含む、バインダー組成物。 - スチレン系ブロックコポリマーが水素化されていない、請求項1に記載のバインダー組成物。
- スチレン系ブロックコポリマーが、40重量%未満のポリスチレン含有量を有する、請求項1に記載のバインダー組成物。
- モノビニル芳香族が、スチレン、o-メチルスチレン、p-メチルスチレン、p-tert-ブチルスチレン、2,4-ジメチルスチレン、アルファ-メチルスチレン、ビニルナフタレン、ビニルトルエン、ビニルキシレン、アダマンチルスチレン、ビニルアントラセン、ビニルビフェニル、1,1-ジフェニルエチレン及びそれらの混合物の群から選択される、請求項1に記載のバインダー組成物。
- 環状共役ジエンが、1,3-シクロヘキサジエン、ベンゾフルベン及びそれらの組合せの群から選択される、請求項1に記載のバインダー組成物。
- 共役ジエンポリマーが、ブタジエン、イソプレン及びそれらの混合物の群から選択される、請求項1に記載のバインダー組成物。
- スチレン系ブロックコポリマーが、
一般構造A-I-B-I-A又は(A-I-B)n-X[式中、各Aブロックは、独立的にビニル芳香族化合物であり、各Iブロックは、主にイソプレンであり、各Bは、主にブタジエンであり、Xは、カップリング剤残基であり、nは、2以上の整数である。]を有する非水素化ブロックターポリマー;
一般構造(A-B)n-X[式中、nは、3~4の範囲であり、Xは、カップリング剤残基であり、Aブロックは、ビニル芳香族のポリマーブロックであり、Bブロックは、共役ジエンのポリマーブロックである。]を有する非水素化放射状ブロックコポリマー;
A-B-A又はA-B-X-(B-A)n[式中、各Aは、重合したモノアルケニルアレーンであり、各Bは、重合した共役ジエンであり、Xは、カップリング剤の残基を表し、nは、2以上の整数であり、放射状構造におけるアームの平均数を表す。]の一般構造を有するスチレン系ブロックコポリマー;
A-B、A-B-A、(A-B)n(A-B-A)n(A-B-A)nX、(A-B)nX、A1-B1-A2-B2[式中、各A、A1及びA2ブロックは、モノアルケニルアレーンポリマーブロックであり、各B及びB1ブロックは、少なくとも1種の共役ジエン及び少なくとも1種のモノアルケニルアレーンの制御分布コポリマーブロックであり、各B2ブロックは、(i)少なくとも1種の共役ジエン及び少なくとも1種のモノアルケニルアレーンの制御分布コポリマーブロック、(ii)共役ジエンのホモポリマーブロック、並びに(iii)2種以上の異なる共役ジエンのコポリマーブロックからなる群から選択され、Xは、カップリング剤残基であり、nは、2~30の整数である。]又はそれらの混合物の一般構造を有するスチレン系ブロックコポリマー;
スチレン系ブロックコポリマーは、ポリスチレンブロックの重量に基づいて5重量%未満の共重合性モノマーを含有する2つ以上のポリスチレンブロック及びブロック重合共役ジエンの重量に基づいて5重量%未満の共重合性モノマーを含有するポリイソプレンの少なくとも1つのブロックを有する、イソプレンゴムラテックスなどの水性分散液の形態である;
2,000~15,000のMn及び5,000~15,000のMWを有するポリ(1,3-シクロヘキサジエン)ホモポリマー;
1,3-シクロヘキサジエン(CHD)、シクロペンタジエン(CPD)、1,3-シクロヘプタジエン、4,5,6,7-テトラヒドロインデン、ノルボルナジエン(NBD)及びそれらの組合せからなる群から選択される1種以上の環状ジエン;並びにモノテルペン、分岐状スチレン及びそれらの組合せからなる群から選択されるコモノマーのカチオン重合によって形成されたコポリマー;並びに
星型分岐状コポリマーであり、各ポリマーアームが、ラジカル反応性基を含む第1のビニル芳香族モノマーに由来する重合単位(i)であり、重合単位(i)の10mol%超~100mol%が水素化されていない、重合単位(i);及び任意選択的に、(iiA)300℃以下のTgを有する高Tgモノマーに由来する重合単位(ii)の水素化及び非水素化形態、並びに(iiB)重合単位(i)の水素化形態又は重合スチレン単位の水素化形態を含む、重合単位(ii);及び任意選択的に、(iiiA)1種以上の非環式共役ジエンに由来する重合単位の水素化形態及び(iiiB)1種以上の第2のビニル芳香族モノマーに由来する重合単位を含む、重合単位(iii)を含む、星形分岐状コポリマー
の群から選択される、請求項1~6のいずれかに記載のバインダー組成物。 - スチレン系ブロックコポリマーが、マレイン化、エポキシ化、シラン化、カルボン酸/塩、第4級アンモニウム塩及びスルホン化の群から選択される官能基で官能基化されている、請求項1~6のいずれかに記載のバインダー組成物。
- 官能基が、重合後の官能基化、又は官能基を有するモノマーの重合のいずれかによる及びそれらの組合せである、請求項8に記載のバインダー組成物。
- スチレン系ブロックコポリマーが、粉末、ペレット、クラム、溶液、懸濁液、水性分散液又はラテックス形態を含むが、これらに限定されることはない様々な形態である、請求項1~6のいずれかに記載のバインダー組成物。
- 水性分散液が界面活性剤を含む、請求項10に記載のバインダー組成物。
- スチレン系ブロックコポリマーが、他のポリマー、樹脂及び/又は粘着付与剤/接着促進剤とブレンドされていてもよく、このブレンドされるものがラテックス形態であり得るポリアミド、テルペン/フェノール樹脂及びロジンエステルとのブレンドを含むが、これらに限定されることはない、請求項1~6のいずれかに記載のバインダー組成物。
- グラファイト、カーボンブラック、Li、Al、Si、Si合金、Si化合物又はSi複合材から選択される少なくとも1種の電極活物質を少なくとも85重量%の量でさらに含む、請求項1~6のいずれかに記載のバインダー組成物。
- スチレン系ブロックコポリマーが、0.05~20.0μmの粒径を有する、請求項1~6のいずれかに記載のバインダー組成物。
- スチレン系ブロックコポリマーが、
400%超の破断点伸び、
30~90℃のガラス転移温度(Tg)、
2.2~3の絶縁定数(Dk)及び
0.001~0.01の散逸係数(Df)
のうちの1つ以上を有する、請求項1~6のいずれかに記載のバインダー組成物。 - 電極活物質、
フィラー及び
請求項1~6のいずれかに記載のバインダー
を含む、電極組成物であって、
Si、Si合金、Si化合物、Si複合材、カーボンブラック及びグラファイトから選択される電極活物質が、電極組成物の総重量に基づいて少なくとも85重量%を占め、
バインダーが、微量成分であり、電極組成物の総重量に基づいて15重量%未満を占める、
電極組成物。 - バインダーが、イソプレンゴム(IR)、シリコーン含有ブロックコポリマー、電子伝導性ブロックコポリマー及びイオン伝導性ブロックコポリマーのうちの少なくとも1種から選択される、請求項16に記載の電極組成物。
- 繊維紡糸によって請求項16に記載の電極組成物を作製する方法であって、繊維紡糸が溶融紡糸又は溶液紡糸であり得る、方法。
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