JP6004468B2 - Alkali metal-sulfur secondary battery and electrolyte for secondary battery - Google Patents

Alkali metal-sulfur secondary battery and electrolyte for secondary battery Download PDF

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Description

本発明は、ナトリウム−硫黄電池等、正極に硫黄を用いたアルカリ金属−硫黄系二次電池及び二次電池用電解液に関する。   The present invention relates to an alkali metal-sulfur secondary battery using sulfur as a positive electrode, such as a sodium-sulfur battery, and an electrolyte for a secondary battery.

近年、風力エネルギーや太陽光エネルギーなど自然エネルギーを用いた発電に注目が集まっている。しかしながら、これらの自然エネルギーは変動が大きいため、電力貯蔵や負荷平準化のためには大容量な電池を併設する必要がある。このような大容量電池として、リチウムイオン二次電池やナトリウム硫黄(Na-S)電池が研究開発され、一部は商用化されている。特に、ナトリウム硫黄電池はリチウムイオン二次電池に比べて資源的制約が少なく、有望視されている。
ところで、現在商用化されているNa-S電池は、電解質として固体イオン伝導体であるβアルミナを用いており、作動温度が300℃程度の高温であり、この作動温度においては負極であるNa金属、正極である硫黄(S)ともに溶融状態となっている。このような溶融Na金属を用いる場合、発火などの恐れがあり、電池の安全性の確保が重要な課題となる。そこで、室温付近でNa-S電池を作動させることができれば、Na金属電極が固体状態となるため、溶融金属Naと比較して反応性が低く、電池の安全性を改善することができる。
In recent years, attention has been focused on power generation using natural energy such as wind energy and solar energy. However, since these natural energies vary greatly, it is necessary to install a large capacity battery for power storage and load leveling. As such large-capacity batteries, lithium ion secondary batteries and sodium-sulfur (Na-S) batteries have been researched and developed, and some are commercialized. In particular, sodium-sulfur batteries are less promising than lithium-ion secondary batteries, and are promising.
By the way, currently commercialized Na-S batteries use β-alumina, which is a solid ion conductor, as an electrolyte, and the operating temperature is as high as about 300 ° C. At this operating temperature, Na metal, which is a negative electrode, is used. The sulfur (S) that is the positive electrode is in a molten state. When such molten Na metal is used, there is a risk of ignition and securing the safety of the battery is an important issue. Therefore, if the Na-S battery can be operated near room temperature, the Na metal electrode becomes a solid state. Therefore, the reactivity is low compared with the molten metal Na, and the safety of the battery can be improved.

このようなことから、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)とグライムをアセトンに溶解させたゲル状の有機電解液を用いて室温作動を実現したNa-S電池が報告されている(非特許文献1参照)。又、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)を有機電解液として用い、室温作動を実現したNa-S電池が報告されている(非特許文献2参照)。又、ポリエチレンオキサイド(PEO)をベース.とする固体高分子電解質を用い、90℃付近で作動するNa-S電池が報告されている(非特許文献3参照)。   For this reason, a Na-S battery has been reported that achieves room temperature operation using a gel-like organic electrolyte obtained by dissolving polyvinylidene fluoride (PVDF) and glyme in acetone (see Non-Patent Document 1). . In addition, a Na-S battery using tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME) as an organic electrolyte and realizing room temperature operation has been reported (see Non-Patent Document 2). In addition, a Na—S battery that operates near 90 ° C. using a solid polymer electrolyte based on polyethylene oxide (PEO) has been reported (see Non-Patent Document 3).

Cheol-Wan Park et, Electrochemical and Solid-State Letters, 9, A123-A125 (2006)Cheol-Wan Park et, Electrochemical and Solid-State Letters, 9, A123-A125 (2006) Hosuk Ryu et, Journal of Power Sources 196 (2011) p5186-5190Hosuk Ryu et, Journal of Power Sources 196 (2011) p5186-5190 Cheol-Wan Park et, Journal of Power Sources 165 (2007) p450-454Cheol-Wan Park et, Journal of Power Sources 165 (2007) p450-454

しかしながら、上記非特許文献1、2記載の技術の場合、室温で作動するものの、充放電サイクルを繰り返すと容量が急激に低下するという問題がある。これは、有機電解液を用いた場合に、硫黄(S)および硫黄の還元生成物が電解液に溶出してしまうためである。また、これら文献に用いられている有機電解液は、熱安定性が低い。さらに、本発明者が上記有機電解液を用いてNa-S電池の充放電試験を行ったところ、再充電したのちの放電容量が充電容量よりも極めて小さく(クーロン効率が低く)、実用性に乏しいことが分かった。
又、上記非特許文献3記載の技術の場合、固体高分子電解質が室温ではイオン伝導率が低いため、90℃付近まで電池を加熱しないと電池を作動させることが困難である。
従って、本発明の目的は、クーロン効率を向上させると共に、低温で作動可能であり、負極がNa金属であっても溶融させずに安全性の高いアルカリ金属−硫黄系二次電池及び二次電池用電解液を提供することにある。
However, although the techniques described in Non-Patent Documents 1 and 2 operate at room temperature, there is a problem that the capacity rapidly decreases when the charge / discharge cycle is repeated. This is because sulfur (S) and a reduction product of sulfur are eluted into the electrolytic solution when the organic electrolytic solution is used. Moreover, the organic electrolyte solution used in these documents has low thermal stability. Furthermore, when the present inventor conducted a charge / discharge test of the Na-S battery using the above-mentioned organic electrolyte, the discharge capacity after recharging was extremely smaller than the charge capacity (coulomb efficiency was low). I found it scarce.
In the case of the technique described in Non-Patent Document 3, since the solid polymer electrolyte has low ionic conductivity at room temperature, it is difficult to operate the battery unless the battery is heated to around 90 ° C.
Accordingly, an object of the present invention is to improve the coulomb efficiency, operate at a low temperature, and have a high safety alkali metal-sulfur secondary battery and secondary battery without melting even if the negative electrode is Na metal. It is to provide an electrolytic solution for use.

本発明のアルカリ金属−硫黄系二次電池は、単体硫黄、金属硫化物、金属多硫化物、及び有機硫黄化合物からなる群から選択される少なくとも一つを含む硫黄系電極活物質を有する正極と、下記式
(ここで、Rは、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかであり、Rは、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基、又はエチル基のいずれかである)、
(ここで、R、Rは、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかである)、
(ここで、R、Rは、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかである)、又は、
(ここで、Rは、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかである)、で表されるグライムと、アルカリ金属塩と、を含み、前記グライムと前記アルカリ金属塩との少なくとも一部が錯体を形成し、さらにフッ素系溶媒、イオン液体、及び炭化水素の群から選ばれる1種又は2種以上の、前記アルカリ金属及び多硫化アルカリ金属(M :1 ≦ n ≦ 8)と化学反応しない溶媒を含有し、実質的に前記グライムと前記アルカリ金属塩と前記溶媒とからなる電解液と、前記正極の対極であって、前記アルカリ金属、前記アルカリ金属を含む合金、又は炭素を有する負極と、を備え、前記グライムに対する前記アルカリ金属塩の混合比が、モル換算で0.80以上で、かつ前記グライム中の前記アルカリ金属塩の飽和濃度で決まる値以下であるアルカリ金属−硫黄系二次電池。
The alkali metal-sulfur secondary battery of the present invention includes a positive electrode having a sulfur-based electrode active material containing at least one selected from the group consisting of elemental sulfur, metal sulfides, metal polysulfides, and organic sulfur compounds. , The following formula
(Here, R 1 is any of an alkyl group having 1 or 2 carbon atoms which may be substituted with fluorine, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom. R 2 is an alkyl group having 1 or 2 carbon atoms which may be substituted with fluorine, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom, or ethyl One of the groups),
(Here, R 3 and R 4 are each an alkyl group optionally substituted with 1 or 2 carbon atoms, a phenyl group optionally substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl optionally substituted with a halogen atom. One of the groups),
(Here, R 5 and R 6 are each an alkyl group optionally substituted with 1 or 2 carbon atoms, a phenyl group optionally substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl optionally substituted with a halogen atom. One of the groups), or
(Wherein R 7 is an alkyl group having 1 or 2 carbon atoms which may be substituted with fluorine, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom. And at least a part of the glyme and the alkali metal salt forms a complex, and further includes a fluorinated solvent, an ionic liquid, and a hydrocarbon. of one or more selected from the group of the alkali metal and polysulfides alkali metal (M 2 S n: 1 ≦ n ≦ 8) and containing a solvent which does not chemically react substantially the grime and the alkali an electrolyte solution comprising a metal salt and the solvent, a said positive electrode the counter electrode, the alkali metal, and a negative electrode having an alloy, or a carbon containing the alkali metal, the gley The mixing ratio of the alkali metal salt, the molar in terms of at least 0.80, and an alkali metal wherein less than or equal to the value determined by the saturation concentration of the alkali metal salt in the glyme against - sulfur-based secondary batteries.

前記アルカリ金属塩がMXで表され、ここで、Mはアルカリ金属、Xは、Cl、Br、I、BF、PF、CFSO、ClO、CFCO、AsF、SbF、AlCl、N(CFSO、N(CFCFSO、PF(C、N(FSO、N(FSO)(CFSO)、N(CFCFSO、N(C)、N(C)、N(CN)、N(CFSO)(CFCO)、RFBF(但し、RF=n-C2m+1、m=1〜4の自然数)およびRBF(但し、R=n−C2p+1、p=1〜5の自然数)からなる群から選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。 The alkali metal salt is represented by MX, where M is an alkali metal, X is Cl, Br, I, BF 4 , PF 6 , CF 3 SO 3 , ClO 4 , CF 3 CO 2 , AsF 6 , SbF. 6 , AlCl 4 , N (CF 3 SO 2 ) 2 , N (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , PF 3 (C 2 F 5 ) 3 , N (FSO 2 ) 2 , N (FSO 2 ) (CF 3 SO 2), N (CF 3 CF 2 SO 2) 2, N (C 2 F 4 S 2 O 4), N (C 3 F 6 S 2 O 4), N (CN) 2, N (CF 3 SO 2 ) (CF 3 CO), R 1 FBF 3 (where R 1 F = n-C m F 2m + 1 , m = 1 to 4 natural number) and R 2 BF 3 (where R 2 = n−C pH H 2p + 1, that p = is at least one selected from 1-5 of the group consisting of natural numbers) Preferred.

本発明の二次電池用電解液は、下記式
(ここで、R は、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかであり、R は、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基、又はエチル基のいずれかである)、
(ここで、R、Rは、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかである)
(ここで、R、Rは、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかである)、又は、
(ここで、R は、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかである)で表されるグライムと、アルカリ金属塩と、から実質的になり前記グライムに対する前記アルカリ金属塩の混合比が、モル換算で0.80以上で、かつ前記グライム中の前記アルカリ金属塩の飽和濃度で決まる値以下であり、前記グライムと前記アルカリ金属塩との少なくとも一部が錯体を形成している。
なお、本発明の二次電池用電解液は、上述のアルカリ金属−硫黄系二次電池に限らず、正極と負極を有して複数回の充放電が可能なあらゆる二次電池に適用可能である。
The electrolyte for secondary battery of the present invention has the following formula:
(Here, R 1 is any of an alkyl group having 1 or 2 carbon atoms which may be substituted with fluorine, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom. R 2 is an alkyl group having 1 or 2 carbon atoms which may be substituted with fluorine, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom, or ethyl One of the groups),
(Here, R 3 and R 4 are each an alkyl group optionally substituted with 1 or 2 carbon atoms, a phenyl group optionally substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl optionally substituted with a halogen atom. is any of the groups),
(Here, R 5 and R 6 are each an alkyl group optionally substituted with 1 or 2 carbon atoms, a phenyl group optionally substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl optionally substituted with a halogen atom. One of the groups), or
(Wherein R 7 is an alkyl group having 1 or 2 carbon atoms which may be substituted with fluorine, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom. and glyme represented by a is) or the alkali metal salts, substantially becomes a mixing ratio of the alkali metal salt to the glyme, on a molar basis at least 0.80, and wherein the alkali in the glyme It is below a value determined by the saturation concentration of the metal salt, and at least a part of the glyme and the alkali metal salt forms a complex.
In addition, the electrolyte solution for secondary batteries of this invention is applicable not only to the above-mentioned alkali metal-sulfur secondary battery but also to any secondary battery that has a positive electrode and a negative electrode and can be charged and discharged multiple times. is there.

本発明によれば、クーロン効率を向上させると共に、低温で作動可能であり、負極がNa金属であっても溶融させずに安全性の高いアルカリ金属−硫黄系二次電池を得ることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while improving coulomb efficiency, it can operate | move at low temperature, and even if a negative electrode is Na metal, a highly safe alkali metal-sulfur type secondary battery can be obtained without melting.

ナトリウム−硫黄電池の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of a sodium-sulfur battery. グライム(3MeG4)とアルカリ金属塩(NaTFSA)を含む電解液の熱重量測定の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the thermogravimetry of the electrolyte solution containing a glyme (3MeG4) and an alkali metal salt (NaTFSA). グライム(6MeG4)とアルカリ金属塩(NaTFSA)を含む電解液の熱重量測定の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the thermogravimetry of the electrolyte solution containing a glyme (6MeG4) and an alkali metal salt (NaTFSA). グライム(G5)とアルカリ金属塩(NaTFSA)を含む電解液の熱重量測定の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the thermogravimetry of the electrolyte solution containing a glyme (G5) and an alkali metal salt (NaTFSA). グライム(3MeG4)を用いた二次電池の放電容量の充放電サイクル依存性(図5(a))、及びクーロン効率の充放電サイクル依存性(図5(b))を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging cycle dependence (FIG.5 (a)) of the discharge capacity of a secondary battery using a glyme (3MeG4), and the charging / discharging cycle dependence (FIG.5 (b)) of coulomb efficiency. グライム(6MeG4)を用いた二次電池の放電容量の充放電サイクル依存性(図6(a))、及びクーロン効率の充放電サイクル依存性(図6(b))を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging cycle dependence (FIG.6 (a)) of the discharge capacity of a secondary battery using a glyme (6MeG4), and the charging / discharging cycle dependence (FIG.6 (b)) of coulomb efficiency. グライム(G5)を用いた二次電池の放電容量の充放電サイクル依存性(図7(a))、及びクーロン効率の充放電サイクル依存性(図7(b))を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging cycle dependence (FIG.7 (a)) of the discharge capacity of the secondary battery using a glyme (G5), and the charging / discharging cycle dependence (FIG.7 (b)) of coulomb efficiency. グライム(G4Et)を用いた二次電池の放電容量の充放電サイクル依存性(図8(a))、及びクーロン効率の充放電サイクル依存性(図8(b))を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging cycle dependence (FIG.8 (a)) of the discharge capacity of the secondary battery using a glyme (G4Et), and the charging / discharging cycle dependence (FIG.8 (b)) of coulomb efficiency. 溶媒(HFE)を添加した二次電池の放電容量の充放電サイクル依存性(図9(a))、及びクーロン効率の充放電サイクル依存性(図9(b))を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging cycle dependence (FIG.9 (a)) of the discharge capacity of the secondary battery which added the solvent (HFE), and the charging / discharging cycle dependence (FIG.9 (b)) of coulomb efficiency. 溶媒([P13][TFSA])を添加した二次電池の放電容量の充放電サイクル依存性(図10(a))、及びクーロン効率の充放電サイクル依存性(図10(b))を示す図である。The charge / discharge cycle dependency of the discharge capacity of the secondary battery added with the solvent ([P13] [TFSA]) (FIG. 10 (a)) and the charge / discharge cycle dependency of the coulomb efficiency (FIG. 10 (b)) are shown. FIG. 溶媒(トルエン)を添加した二次電池の放電容量の充放電サイクル依存性(図11(a))、及びクーロン効率の充放電サイクル依存性(図11(b))を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging cycle dependence (FIG. 11 (a)) of the discharge capacity of the secondary battery which added the solvent (toluene), and the charging / discharging cycle dependence (FIG.11 (b)) of coulomb efficiency. 溶媒(プロピレンカーボネート)を添加した二次電池の放電容量の充放電サイクル依存性を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging cycle dependence of the discharge capacity of the secondary battery which added the solvent (propylene carbonate).

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明に係るアルカリ金属−硫黄系二次電池は、硫黄系電極活物質を有する正極と、負極と、下記の電解液とを備える。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. The alkali metal-sulfur secondary battery according to the present invention includes a positive electrode having a sulfur-based electrode active material, a negative electrode, and the following electrolytic solution.

本発明に係るアルカリ金属−硫黄系二次電池は、例えば、上記した正極と負極とをセパレータを介して離間して配置し、セパレータ内に電解液を含ませてセルを構成し、このセルを複数個積層又は巻回してケースに収容した構造になっている。正極と、負極との集電体は、それぞれケース外部に引き出され、タブ(端子)に電気的に接続される。なお、電解液をゲル電解質としてもよい。
アルカリ金属−硫黄系二次電池は、従来公知の方法で製造することができる。
In the alkali metal-sulfur secondary battery according to the present invention, for example, the positive electrode and the negative electrode described above are arranged with a separator interposed therebetween, an electrolyte is contained in the separator, and a cell is formed. It has a structure in which a plurality of layers are wound or housed in a case. The current collectors of the positive electrode and the negative electrode are each drawn out of the case and electrically connected to a tab (terminal). The electrolytic solution may be a gel electrolyte.
The alkali metal-sulfur secondary battery can be manufactured by a conventionally known method.

<硫黄系電極活物質を有する正極>
正極は、単体硫黄、金属硫化物、金属多硫化物、及び有機硫黄化合物からなる群から選択される少なくとも一つを含む硫黄系電極活物質を有する。硫黄系金属硫化物としては、リチウム多硫化物;Li2Sx(1≦x≦8)やNa2Sx(1≦x≦8)が挙げられ、硫黄系金属多硫化物としては、MSx (M=Ni, Co,Cu,Fe、1≦x≦2) が挙げられる。又、有機硫黄化合物としては、有機ジスルフィド化合物、カーボンスルフィド化合物が挙げられる。
上記した正極は、上記した硫黄系電極活物質と結着剤と導電剤とを含んでもよい。そして、これら電極材料のスラリー(ペースト)を、導電性の担体(集電体)に塗布して乾燥することにより、電極材料を担体に担持させて正極を製造することができる。集電体としては、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレス鋼などの導電性の金属を、箔、メッシュ、エキスパンドグリッド(エキスパンドメタル)、パンチドメタルなどに形成したものが挙げられる。また、導電性を有する樹脂または導電性フィラーを含有させた樹脂を集電体として使用してもよい。集電体の厚さは、例えば5〜30μmであるが、この範囲に限定されない。
<Positive electrode with sulfur-based electrode active material>
The positive electrode has a sulfur-based electrode active material containing at least one selected from the group consisting of elemental sulfur, metal sulfides, metal polysulfides, and organic sulfur compounds. Examples of sulfur-based metal sulfides include lithium polysulfides; Li 2 S x (1 ≦ x ≦ 8) and Na 2 S x (1 ≦ x ≦ 8). Examples of sulfur-based metal polysulfides include MSx. (M = Ni, Co, Cu, Fe, 1 ≦ x ≦ 2). Examples of organic sulfur compounds include organic disulfide compounds and carbon sulfide compounds.
The positive electrode described above may include the above-described sulfur-based electrode active material, a binder, and a conductive agent. The electrode material slurry (paste) is applied to a conductive carrier (current collector) and dried, whereby the electrode material is supported on the carrier and a positive electrode can be produced. Examples of the current collector include those in which a conductive metal such as aluminum, nickel, copper, and stainless steel is formed on a foil, a mesh, an expanded grid (expanded metal), a punched metal, or the like. Further, a resin having conductivity or a resin containing a conductive filler may be used as the current collector. The thickness of the current collector is, for example, 5 to 30 μm, but is not limited to this range.

上記した電極材料(硫黄系電極活物質と他の成分との合計量、集電体を除く)のうち、硫黄系電極活物質の含有量は、好ましくは50〜98質量%であり、より好ましくは80〜98質量%である。活物質の含有量が前記範囲であれば、エネルギー密度を高くすることができるため好適である。
電極材料の厚さ(塗布層の片面の厚さ)は、好ましくは、20〜500μmであり、より好ましくは20〜300μmであり、さらに好ましくは20〜150μmである。
Among the electrode materials described above (total amount of sulfur-based electrode active material and other components, excluding current collector), the content of sulfur-based electrode active material is preferably 50 to 98 mass%, more preferably. Is 80-98 mass%. If the content of the active material is within the above range, it is preferable because the energy density can be increased.
The thickness of the electrode material (thickness on one side of the coating layer) is preferably 20 to 500 μm, more preferably 20 to 300 μm, and still more preferably 20 to 150 μm.

結着剤としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリアクリル酸リチウム(PALi)、ポリアクリル酸ナトリウム(PANa)、エチレンオキシド若しくは一置換エポキサイドの開環重合物などのポリアルキレンオキサイド、またはこれらの混合物が挙げられる。
導電剤は、導電性を向上させるために配合される添加物であり、黒鉛、ケッチェンブラック、逆オパール炭素、アセチレンブラックなどのカーボン粉末や、気相成長炭素繊維(VGCF)やカーボンナノチューブ(CNT)などの種々の炭素繊維などが挙げられる。又、電極材料が支持塩(下記電解液に含まれる成分)を含んでもよい。
As binders, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polyimide (PI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic acid (PAA) , Polyalkylene oxides such as polyacrylic acid lithium (PALi), sodium polyacrylate (PANa), ring-opening polymer of ethylene oxide or mono-substituted epoxide, or a mixture thereof.
The conductive agent is an additive blended to improve conductivity, such as carbon powder such as graphite, ketjen black, inverse opal carbon, acetylene black, vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon nanotube (CNT). ) And the like. Further, the electrode material may contain a supporting salt (a component contained in the following electrolytic solution).

<負極>
負極は、アルカリ金属、アルカリ金属を含む合金、遷移金属酸化物、又は炭素を有するものとすることができる。負極に含まれる負極活物質は、アルカリ金属イオンを吸蔵脱離するよう作用する。負極活物質としては、リチウム、ナトリウム、炭素、ケイ素、アルミニウム、スズ、アンチモンおよびマグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種が好ましい。より具体的には、TiO、チタン酸リチウム、リチウム金属、ナトリウム金属、リチウムアルミ合金、ナトリウムアルミ合金、リチウムスズ合金、ナトリウムスズ合金、リチウムケイ素合金、ナトリウムケイ素合金、リチウムアンチモン合金、ナトリウムアンチモン合金等の金属材料、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボンなどの結晶性炭素材や非結晶性炭素材等の炭素材料といった従来公知の負極材料を用いることができる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。
好ましくは、負極は金属Naからなる。後述するように、本発明においては、アルカリ金属−硫黄系二次電池を従来よりも低温(例えば、室温近傍)で作動可能であるので、負極がNa金属であっても溶融させずに使用することができ、加熱のためのエネルギーが不要であると共に、安全性が高い。
<Negative electrode>
The negative electrode can have an alkali metal, an alloy containing an alkali metal, a transition metal oxide, or carbon. The negative electrode active material contained in the negative electrode acts to occlude and desorb alkali metal ions. The negative electrode active material is preferably at least one selected from the group consisting of lithium, sodium, carbon, silicon, aluminum, tin, antimony and magnesium. More specifically, TiO 2 , lithium titanate, lithium metal, sodium metal, lithium aluminum alloy, sodium aluminum alloy, lithium tin alloy, sodium tin alloy, lithium silicon alloy, sodium silicon alloy, lithium antimony alloy, sodium antimony alloy Conventionally known metal materials such as natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, graphite, activated carbon, carbon fiber, coke, soft carbon, carbon material such as hard carbon, and carbon material such as amorphous carbon material The negative electrode material can be used. In some cases, two or more negative electrode active materials may be used in combination.
Preferably, the negative electrode is made of metal Na. As will be described later, in the present invention, since the alkali metal-sulfur secondary battery can be operated at a lower temperature (for example, near room temperature) than before, it is used without melting even if the negative electrode is Na metal. It does not require energy for heating and is highly safe.

正極と負極の間にはセパレータが配置されている。セパレータとしては、例えば、後述する電解液を吸収保持するガラス製セパレータ、ポリマーからなる多孔性シートおよび不織布を挙げることができる。多孔性シートは、例えば、微多孔質のポリマーで構成される。このような多孔性シートを構成するポリマーとしては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン;PP/PE/PPの3層構造をした積層体、ポリイミド、アラミドが挙げられる。特にポリオレフィン系微多孔質セパレータは、有機溶媒に対して化学的に安定であるという性質があり、電解液との反応性を低く抑えることができることから好ましい。多孔性シートからなるセパレータの厚みは限定されないが、車両のモータ駆動用二次電池の用途においては、単層又は多層で全体の厚み4〜60μmであることが好ましい。また、多孔性シートからなるセパレータの微細孔径は、最大で10μm以下(通常、10〜100nm程度)、空孔率は20〜80%であることが好ましい。
不織布としては、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン(登録商標)、ポリエステル;PP、PEなどのポリオレフィン;ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを、単独または混合して用いる。不織布セパレータの空孔率は50〜90%であることが好ましい。さらに、不織布セパレータの厚さは、好ましくは5〜200μmであり、特に好ましくは10〜100μmである。厚さが5μm未満では電解質の保持性が悪化し、200μmを超える場合には抵抗が増大する場合がある。
A separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode. Examples of the separator include a glass separator that absorbs and holds an electrolyte solution described later, a porous sheet made of a polymer, and a nonwoven fabric. The porous sheet is composed of, for example, a microporous polymer. Examples of the polymer constituting such a porous sheet include polyolefins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP); laminates having a three-layer structure of PP / PE / PP, polyimide, and aramid. In particular, a polyolefin-based microporous separator is preferable because it has a property of being chemically stable with respect to an organic solvent and can keep the reactivity with the electrolyte solution low. The thickness of the separator made of a porous sheet is not limited, but in the use of a secondary battery for driving a motor of a vehicle, the total thickness is preferably 4 to 60 μm with a single layer or multiple layers. Moreover, it is preferable that the fine pore diameter of the separator made of a porous sheet is 10 μm or less (usually about 10 to 100 nm) and the porosity is 20 to 80%.
As the nonwoven fabric, cotton, rayon, acetate, nylon (registered trademark), polyester; polyolefins such as PP and PE; conventionally known materials such as polyimide and aramid are used alone or in combination. The porosity of the nonwoven fabric separator is preferably 50 to 90%. Furthermore, the thickness of the nonwoven fabric separator is preferably 5 to 200 μm, particularly preferably 10 to 100 μm. When the thickness is less than 5 μm, the electrolyte retainability deteriorates, and when it exceeds 200 μm, the resistance may increase.

<電解液>
電解液は、以下のグライムとアルカリ金属塩とを含み、上記グライムとアルカリ金属塩の少なくとも一部が錯体を形成している。以下のグライムは、一種が単独で使用されても、二種以上の混合物の形態で使用されてもよい。
グライムは、下記式
(ここで、R1は、炭素数1〜9のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかであり、R2は、炭素数1〜9のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基、又はエチル基のいずれかである)、
(ここで、R3、R4は、炭素数1〜9のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかである)、
(ここで、R5、R6は、炭素数1〜9のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかである)、又は、
(ここで、R7は、炭素数1〜9のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかである)で表される。
<Electrolyte>
The electrolytic solution contains the following glyme and alkali metal salt, and at least a part of the glyme and alkali metal salt forms a complex. The following grime may be used alone or in the form of a mixture of two or more.
The grime has the following formula
(Here, R1 is any one of an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms which may be substituted with a fluorine atom, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom. R2 is an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms which may be substituted with a fluorine atom, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom, or an ethyl group. Either)
(Here, R3 and R4 are each an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms which may be substituted with a fluorine atom, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom. Either)
(Here, R5 and R6 are an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms which may be substituted with a fluorine atom, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom. Either) or
(Here, R7 is any one of an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms which may be substituted with a fluorine atom, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom. ).

なお、上記した化学式においてR1、R2がメチル基のものをペンタグライム(G5)と略記し、R1がメチル基でR2がエチル基のものをエチルペンタグライム(G5Et)と略記する。又、化学式5の化合物はエチルテトラグライム(G4Et)と略記する。
又、上記した化学式においてR3、R4がメチル基のものを3−メチルテトラグライム(3MeG4)と略記し、R5、R6がメチル基のものを6−メチルテトラグライム(6MeG4)と略記する。
In the above chemical formula, those in which R1 and R2 are methyl groups are abbreviated as pentaglime (G5), and those in which R1 is a methyl group and R2 is an ethyl group are abbreviated as ethylpentalime (G5Et). The compound of Chemical Formula 5 is abbreviated as ethyltetraglyme (G4Et).
In the above chemical formula, those in which R3 and R4 are methyl groups are abbreviated as 3-methyltetraglyme (3MeG4), and those in which R5 and R6 are methyl groups are abbreviated as 6-methyltetraglyme (6MeG4).

上記式中のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基等が挙げられる。これらのアルキル基は、任意の位置がフッ素で置換されていてもよい。アルキル基の炭素数が9を超えると、グライムの極性が弱くなるため、アルカリ金属塩の溶解性が低下する傾向がある。そのため、アルキル基の炭素数は少ない方が好ましく、好ましくはメチル基およびエチル基であり、最も好ましくはメチル基である。   Examples of the alkyl group in the above formula include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, pentyl group, isopentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group, and nonyl group. These alkyl groups may be substituted at any position with fluorine. When the alkyl group has more than 9 carbon atoms, the polarity of glyme becomes weak, so the solubility of the alkali metal salt tends to decrease. For this reason, the alkyl group preferably has a smaller number of carbon atoms, preferably a methyl group or an ethyl group, and most preferably a methyl group.

ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基としては、特に制限はないが、2−クロロフェニル基、3−クロロフェニル基、4−クロロフェニル基、2,4−ジクロロフェニル基、2−ブロモフェニル基、3−ブロモフェニル基、4−ブロモフェニル基、2,4−ジブロモフェニル基、2−ヨードフェニル基、3−ヨードフェニル基、4−ヨードフェニル基、2,4−ヨードフェニル基等が挙げられる。   The phenyl group which may be substituted with a halogen atom is not particularly limited, but 2-chlorophenyl group, 3-chlorophenyl group, 4-chlorophenyl group, 2,4-dichlorophenyl group, 2-bromophenyl group, 3- Examples include bromophenyl group, 4-bromophenyl group, 2,4-dibromophenyl group, 2-iodophenyl group, 3-iodophenyl group, 4-iodophenyl group, 2,4-iodophenyl group and the like.

ハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基としては、特に制限はないが、2−クロロシクロヘキシル基、3−クロロシクロヘキシル基、4−クロロシクロヘキシル基、2,4−ジクロロシクロヘキシル基、2−ブロモシクロヘキシル基、3−ブロモシクロヘキシル基、4−ブロモシクロヘキシル基、2,4−ジブロモシクロヘキシル基、2−ヨードシクロヘキシル基、3−ヨードシクロヘキシル基、4−ヨードシクロヘキシル基、2,4−ジヨードシクロヘキシル基等が挙げられる。   The cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom is not particularly limited, but 2-chlorocyclohexyl group, 3-chlorocyclohexyl group, 4-chlorocyclohexyl group, 2,4-dichlorocyclohexyl group, 2-bromocyclohexyl group. Group, 3-bromocyclohexyl group, 4-bromocyclohexyl group, 2,4-dibromocyclohexyl group, 2-iodocyclohexyl group, 3-iodocyclohexyl group, 4-iodocyclohexyl group, 2,4-diiodocyclohexyl group and the like. Can be mentioned.

上記したアルカリ金属塩はMXで表され、Mはアルカリ金属、Xは対の陰イオンとなる物質である。上記アルカリ金属塩は、一種を単独で使用してもよいし、二種以上を混合物の形態で使用してもよい。
Mとしては特に制限はなく、通常の電池に支持塩や活物質として使用されているアルカリ金属がいずれも使用可能である。具体的には、Li、Na、K、RbおよびCsが挙げられる。より好ましくはLi、NaおよびKであり、最も好ましくはNaである。
Xとしては、特に制限はないが、Cl、Br、I、BF、PF、CFSO、ClO、CFCO、AsF、SbF、AlCl、N(CFSO、N(CFCFSO、PF(C、N(FSO、N(FSO)(CFSO)、N(CFCFSO、N(C)、N(C)、N(CN)、N(CFSO)(CFCO)、RFBF(但し、RF=n-C2m+1、m=1〜4の自然数、nはノルマル)およびRBF(但し、R=n−C2p+1、p=1〜5の自然数、nはノルマル)からなる群から選ばれる少なくとも一種であると好ましい。グライムに対する溶解性や、錯構造の形成しやすさの点から、より好ましくはN(CFSO、N(FSO、およびN(CFCFSOである。
The alkali metal salt described above is represented by MX, M is an alkali metal, and X is a substance that becomes a counter anion. The said alkali metal salt may be used individually by 1 type, and may be used in the form of a mixture of 2 or more types.
There is no restriction | limiting in particular as M, The alkali metal currently used as a supporting salt and an active material in a normal battery can be used. Specific examples include Li, Na, K, Rb, and Cs. More preferred are Li, Na and K, and most preferred is Na.
X is not particularly limited, but Cl, Br, I, BF 4 , PF 6 , CF 3 SO 3 , ClO 4 , CF 3 CO 2 , AsF 6 , SbF 6 , AlCl 4 , N (CF 3 SO 2 ) 2 , N (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , PF 3 (C 2 F 5 ) 3 , N (FSO 2 ) 2 , N (FSO 2 ) (CF 3 SO 2 ), N (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , N (C 2 F 4 S 2 O 4 ), N (C 3 F 6 S 2 O 4 ), N (CN) 2 , N (CF 3 SO 2 ) (CF 3 CO), R 1 FBF 3 (where R 1 F = n-C m F 2m + 1 , m = 1 to 4 is a natural number, n is normal) and R 2 BF 3 (where R 2 = n−C p H 2p + 1 , p = 1-5) The natural number of n is preferably at least one selected from the group consisting of n). N (CF 3 SO 2 ) 2 , N (FSO 2 ) 2 , and N (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 are more preferable from the viewpoints of solubility in glyme and ease of forming a complex structure.

上記したグライムとアルカリ金属塩との少なくとも一部が錯体を形成していることは、これらを混合した電解液の熱重量測定で判定することができる。つまり、錯形成しているグライムは、錯形成していないグライムに比べて揮発しにくい。このため、グライムのみの熱重量測定による重量減少をベースとし、温度による重量減少がこのベースより少ない電解液は、グライムとアルカリ金属塩との少なくとも一部が錯体を形成しているとみなす。
図2〜図4は、それぞれグライムとして3MeG4、6MeG4及びG5を用い、アルカリ金属塩として後述するNaTFSA(NaN(CF3SO2)2)を用いた電解液の熱重量測定の結果(温度上昇と重量減少の関係)のグラフを示す。なお、各グライムとNaTFSAの混合比(モル換算)を変えた電解液を調製し、電解液の温度を室温から550まで、10 min-1の昇温速度で上昇させて熱重量測定を行った。又、測定装置として、示唆熱熱重量同時測定装置(セイコーインスツル社製のTG/DTA 6200)を用いた。
なお、例えば図2のNaTFSA/3MeG4=1は、グライムに対するNaTFSAの混合比(モル換算)が1であることを示す。又、図2の3MeG4の示す曲線は、3MeG4のみからなる電解液の熱重量測定を示す。図3及び図4も同様である。
Whether at least a part of the above-mentioned glyme and alkali metal salt forms a complex can be determined by thermogravimetric measurement of an electrolytic solution in which these are mixed. That is, complexed glyme is less volatile than non-complexed glyme. For this reason, the electrolyte solution based on the weight reduction by thermogravimetry of only glyme and having a weight reduction by temperature less than this base is considered that at least a part of glyme and alkali metal salt forms a complex.
2 to 4 show the results of thermogravimetric measurement (temperature increase and weight decrease) of the electrolyte using 3MeG4, 6MeG4 and G5 as the glyme and NaTFSA (NaN (CF3SO2) 2) described later as the alkali metal salt, respectively. (Relationship) graph. In addition, we prepared electrolyte solutions with different mixing ratios (molar conversion) of each glyme and NaTFSA, and increased the temperature of the electrolyte solution from room temperature to 550 ° C at a heating rate of 10 ° C min-1 for thermogravimetry. went. In addition, as a measuring device, a suggested thermothermogravimetric simultaneous measuring device (TG / DTA 6200 manufactured by Seiko Instruments Inc.) was used.
For example, NaTFSA / 3MeG4 = 1 in FIG. 2 indicates that the mixing ratio (in terms of mole) of NaTFSA to glyme is 1. Moreover, the curve shown by 3MeG4 in FIG. 2 shows the thermogravimetric measurement of an electrolyte solution made of only 3MeG4. The same applies to FIGS. 3 and 4.

図2〜図4のように、重量減少の過程は、以下の(1)-(3)の3段階で進行することがわかる。
(1)100〜200までの重量減少は、錯形成していないグライムの蒸発に由来する
(2)200〜400までの重量減少は、錯形成しているグライムの蒸発に由来する
(3)400以上での重量減少は、アルカリ金属塩(NaTFSA)の熱分解に由来する
従って、上記 (2)のプロセスが熱重量測定の結果から確認できる場合、グライムが錯形成していると考えることができる。
グライムに対するNaTFSAの混合比(モル換算)が0.80以上の系では、すべてのグライムが錯体を形成しているため、(1)のプロセスがほとんどなく、200以上から重量減少が始まることがわかる。そして、後述するように、上記混合比(モル換算)が0.80以上であると、上記非特許文献1、2記載の技術に比べてアルカリ金属塩(Na塩)の濃度が高くなり、充電時の副反応が抑制されてクーロン効率を向上させることができる。
一方、グライムに対するNaTFSAの混合比(モル換算)が0.80未満であると、電解液の熱的安定性が低下すると共に、アルカリ金属塩(Na塩)の濃度が低くなり、クーロン効率も低下する。なお、後述するように、3MeG4、6MeG4、G4Et、G5及びG5Et以外のグライム(例えばテトラグライム)の場合、アルカリ金属塩(ナトリウムイオン)の溶解度が低く、上記混合比(モル換算)が0.80以上にならない。
As shown in FIGS. 2 to 4, it can be seen that the process of weight reduction proceeds in the following three stages (1) to (3).
(1) Weight loss up to 100-200 ° C is due to the evaporation of uncomplexed glyme
(2) The weight loss from 200 to 400 ° C is due to the evaporation of complexed glyme
(3) The weight loss above 400 ° C is derived from the thermal decomposition of alkali metal salt (NaTFSA) .Therefore, when the above process (2) can be confirmed from the results of thermogravimetry, complexing of glyme is observed. Can be considered.
It can be seen that in the system where the mixing ratio of NaTFSA to glyme (molar conversion) is 0.80 or more, all the glyme forms a complex, so there is almost no process of (1), and weight loss starts from 200 ° C or higher. And as will be described later, when the mixing ratio (molar conversion) is 0.80 or more, the concentration of the alkali metal salt (Na salt) is higher than that of the techniques described in Non-Patent Documents 1 and 2, and during charging. Side reactions are suppressed and the coulomb efficiency can be improved.
On the other hand, when the mixing ratio of NaTFSA to glyme (molar conversion) is less than 0.80, the thermal stability of the electrolytic solution is lowered, the concentration of the alkali metal salt (Na salt) is lowered, and the Coulomb efficiency is also lowered. As will be described later, in the case of glyme other than 3MeG4, 6MeG4, G4Et, G5 and G5Et (for example, tetraglyme), the solubility of alkali metal salt (sodium ion) is low, and the mixing ratio (molar conversion) is 0.80 or more. Don't be.

なお、上記混合比が高いほど、クーロン効率及び放電容量維持率が向上するが、混合比が上記グライム中の上記アルカリ金属塩の飽和濃度で決まる値を超えて高くなるとアルカリ金属塩がグライムに溶解しなくなる。従って、上記混合比の上限を、モル換算で、上記グライム中の上記アルカリ金属塩の飽和濃度で決まる値以下に規定する。
なお、グライム中のアルカリ金属塩の飽和濃度は、30℃のグライムにアルカリ金属塩を溶解させたとき、アルカリ金属塩の固形分が目視で確認できたときの濃度とする。
上記グライムを用いたときの上記混合比の上限は、アルカリ金属塩をNa塩とした場合、通常、モル換算で1.25である。
The higher the mixing ratio, the better the coulomb efficiency and the discharge capacity maintenance ratio. However, when the mixing ratio exceeds a value determined by the saturation concentration of the alkali metal salt in the glyme, the alkali metal salt dissolves in the glyme. No longer. Therefore, the upper limit of the mixing ratio is regulated to a value determined by the molar concentration in terms of the saturation concentration of the alkali metal salt in the glyme.
The saturated concentration of the alkali metal salt in glyme is the concentration at which the solid content of the alkali metal salt can be visually confirmed when the alkali metal salt is dissolved in glyme at 30 ° C.
The upper limit of the mixing ratio when the glyme is used is usually 1.25 in terms of mole when the alkali metal salt is a Na salt.

電解液をゲル状のゲル電解質としてもよい。ゲル電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマーに、電解液が注入されてなる構成を有する。電解液は、上記の本発明の電解液を使用する。マトリックスポリマーとして用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリアクリロニトリル(PAN)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(VDF−HEP)の共重合体、ポリ(メチルメタクリレート(PMMA)およびこれらの共重合体等が挙げられる。ポリアルキレンオキシド系高分子には、リチウム塩やナトリウム塩などの電解質塩がよく溶解しうる。   The electrolytic solution may be a gel gel electrolyte. The gel electrolyte has a configuration in which an electrolytic solution is injected into a matrix polymer made of an ion conductive polymer. As the electrolytic solution, the above-described electrolytic solution of the present invention is used. Examples of the ion conductive polymer used as the matrix polymer include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polyethylene glycol (PEG), polyacrylonitrile (PAN), and vinylidene fluoride-hexafluoropropylene (VDF-HEP). And poly (methyl methacrylate (PMMA) and their copolymers, etc. Electrolytic salts such as lithium salts and sodium salts can be well dissolved in polyalkylene oxide polymers.

本発明においては、電解液は上記グライムとアルカリ金属塩に加え、疎水性を有して前記錯体と完全に混合すると共に、アルカリ金属及び多硫化アルカリ金属:M(Mはアルカリ金属カチオン、1≦n≦8)と化学反応しないフッ素系溶媒、イオン液体、及び炭化水素の群から選ばれる1種又は2種以上を含有すると好ましい。
本発明者が検討したところ、アルカリ金属−硫黄系二次電池の電解液として、上記グライムとアルカリ金属塩にさらに上記溶媒を加えると、電解液のイオン伝導率が上昇し、より低温(室温、又は室温に近い30℃程度)であってもクーロン効率を向上させることができる。この理由は明確ではないが、電解液が上記溶媒を含有すると、イオン伝導率が増大して電流が流れやすくなり、また電解液の粘性率が低下して硫黄-炭素複合電極内の細孔内部まで電解液が浸透しやすくなり、電極と電解液が電気化学反応できる界面が増大するためと考えられる。なお、溶媒が不燃性であると、得られた電池の安全性が向上するので好ましい。
In the present invention, in addition to the above-mentioned glyme and alkali metal salt, the electrolytic solution has hydrophobicity and is thoroughly mixed with the complex, and alkali metal and alkali metal polysulfide: M 2 Sn (M is an alkali metal cation) 1 ≦ n ≦ 8), it is preferable to contain one or more selected from the group of fluorine-based solvents, ionic liquids, and hydrocarbons that do not chemically react.
As a result of investigation by the present inventor, when the above solvent is further added to the glyme and the alkali metal salt as an electrolytic solution of the alkali metal-sulfur secondary battery, the ionic conductivity of the electrolytic solution is increased and the temperature is lowered (room temperature, Alternatively, the coulomb efficiency can be improved even at about 30 ° C. close to room temperature. The reason for this is not clear, but if the electrolyte contains the above solvent, the ionic conductivity increases and current flows more easily, and the viscosity of the electrolyte decreases and the pores inside the sulfur-carbon composite electrode are reduced. This is thought to be because the electrolyte solution easily penetrates and the interface where the electrode and the electrolyte solution can be electrochemically reacted increases. In addition, it is preferable that the solvent is nonflammable because the safety of the obtained battery is improved.

ここで、溶媒の疎水性は、溶媒と蒸留水を体積比1:1で混合し、相分離の有無を目視で判断する。相分離が視認できれば疎水性とし、相分離がなく一様な混合溶液であれば親水性と判断する。
電池反応過程で生成する多硫化アルカリ金属:M(Mはアルカリ金属カチオン、1≦n≦8)は、親水性溶媒に溶解しやすく、硫黄正極の場合、Mが溶解することは充電時の副反応が生じることを示し、充放電の繰り返しによりクーロン効率および放電容量が低下することとなる。そこで、溶媒が疎水性であると、充放電時に生成するMの溶出を抑制するため、高いクーロン効率を維持する。
又、錯体と溶媒の混合性は、錯体と溶媒とを体積比1:1で混合し、相分離の有無を目視で判断する。溶媒がこの錯体と混合しないと、電解液として適さない。
Here, the hydrophobicity of the solvent is determined by visual observation of the presence or absence of phase separation by mixing the solvent and distilled water at a volume ratio of 1: 1. If the phase separation is visible, it is determined to be hydrophobic, and if it is a uniform mixed solution without phase separation, it is determined to be hydrophilic.
Polysulfide alkali metal produced in the battery reaction process: M 2 Sn (M is an alkali metal cation, 1 ≦ n ≦ 8) is easily dissolved in a hydrophilic solvent. In the case of a sulfur positive electrode, M 2 Sn is dissolved. This indicates that a side reaction occurs during charging, and the Coulomb efficiency and the discharge capacity are reduced by repeated charging and discharging. Therefore, when the solvent is a hydrophobic, in order to suppress the elution of M 2 S n generated during charge and discharge, to maintain a high coulomb efficiency.
In addition, the mixing property of the complex and the solvent is determined by visually comparing the presence of phase separation by mixing the complex and the solvent in a volume ratio of 1: 1. If the solvent is not mixed with this complex, it is not suitable as an electrolyte.

溶媒がアルカリ金属と化学反応するか否かは、溶媒2mLに、1 cm(縦)×1 cm(横)× 0.02cm(厚み)のアルカリ金属箔を1日浸し、目視にて、金属箔の光沢が初期より低下したか、又は溶媒の色が初期より変化した場合、反応すると判断する。溶媒がアルカリ金属と化学反応すると、電池の副反応が生じてクーロン効率の低下、放電容量維持率(電池寿命)の低下となり、不適である。
溶媒が多硫化アルカリ金属(M)と化学反応するか否かは、電池の充電に要した電気量が閾値以上か否かで判定した。例えば、アルカリ金属がLiの場合、充放電時に生成するLi2Snが溶媒と化学反応しなければ、Li2Snが充放電反応に寄与する。このため、電池の放電時に2.2 Vおよび 2.0 V付近で反応が観測され、充電時に2.4 V 付近で反応が観測される。一方、溶媒がLi2Snと反応すると、充電反応が生じない。従って、Liの場合充電に要した電気量が200 mA h g-1 以上であれば化学反応しないとみなした。アルカリ金属がNa,Kの場合も充電に要した電気量が200 mA h g-1 以上であれば化学反応しないとみなした。
なお、溶媒が多硫化アルカリ金属Mと化学反応すると、電池の副反応が生じてクーロン効率の低下、放電容量維持率(電池寿命)の低下をもたらし、不適である。例えば、後述する実験で示すように、カーボネート系溶媒は、Li2Snと化学反応することが知られている (文献J. Phys. Chem. C, 115, 25132, (2011))。
なお、本発明に用いる溶媒が上記した各特性を有することが必要な理由については後述する(表2及びその説明を参照)。
Whether or not the solvent chemically reacts with the alkali metal is determined by immersing an alkali metal foil of 1 cm (length) × 1 cm (width) × 0.02 cm (thickness) in 2 mL of solvent for 1 day. When the gloss is lower than the initial value or the color of the solvent is changed from the initial value, it is determined that the reaction occurs. If the solvent chemically reacts with the alkali metal, a side reaction of the battery occurs, resulting in a decrease in coulomb efficiency and a decrease in discharge capacity maintenance rate (battery life), which is inappropriate.
Whether or not the solvent chemically reacts with alkali metal polysulfide (M 2 Sn ) was determined based on whether or not the amount of electricity required for charging the battery was equal to or greater than a threshold value. For example, when the alkali metal is Li, if Li 2 S n generated during charge and discharge is solvent and chemical reaction, Li 2 S n contributes to the charge and discharge reaction. Therefore, reactions are observed around 2.2 V and 2.0 V when the battery is discharged, and reactions are observed around 2.4 V when charging. On the other hand, if the solvent reacts with Li 2 S n, the charge reaction does not occur. Therefore, in the case of Li, if the amount of electricity required for charging was 200 mA hg −1 or more, it was considered that no chemical reaction occurred. Even when the alkali metal was Na or K, it was considered that no chemical reaction occurred if the amount of electricity required for charging was 200 mAhg -1 or more.
Incidentally, when the solvent polysulfide alkali metal M 2 S n and chemical reactions, result in reduced degradation of the coulombic efficiency occurs a side reaction of the battery, the discharge capacity retention ratio (battery life), it is unsuitable. For example, as shown by the experiments described below, carbonate-based solvents are known to react chemically with Li 2 S n (literature J. Phys. Chem. C, 115 , 25132, (2011)).
The reason why the solvent used in the present invention needs to have the above-described characteristics will be described later (see Table 2 and the description thereof).

上記フッ素系溶媒としては、ハイドロフルオロエーテルが好ましい。ハイドロフルオロエーテルとしては、例えば、HFCFCHC−O−CFCFH(1,1,2,2-テトラフルオロエチル(2,2,3,3-テトラフルオロプロピル)エーテル、以下「HFE」で表記する)が挙げられる。
又、本発明の溶媒として用いられるイオン液体は、融点100℃以下のオニウム塩である。イオン液体としては、例えば、以下の式4
で示されるN-メチル-N-プロピルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルフォニル)アミド([P13][TFSA]と略記)が挙げられる。
又、本発明の溶媒として用いられる炭化水素としては、トルエンが挙げられる。
As the fluorine-based solvent, hydrofluoroether is preferable. Examples of the hydrofluoroether include HF 2 CF 2 CH 2 C—O—CF 2 CF 2 H (1,1,2,2-tetrafluoroethyl (2,2,3,3-tetrafluoropropyl) ether, (Hereinafter referred to as “HFE”).
The ionic liquid used as the solvent of the present invention is an onium salt having a melting point of 100 ° C. or lower. As the ionic liquid, for example, the following formula 4
N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (abbreviated as [P13] [TFSA]).
Moreover, toluene is mentioned as a hydrocarbon used as a solvent of this invention.

本発明において、アルカリ金属塩に対する、溶媒の混合比{(溶媒)/(アルカリ金属塩)}が、モル換算で0.50〜5.0であることが好ましい。
(溶媒)/(アルカリ金属塩)で表される比がモル換算で0.50未満であると、溶媒が少なくて上述した効果が生じず、入出力密度が向上しない場合がある。一方、上記比が5.0を超えても溶媒による効果が飽和し、コストアップとなる。
In the present invention, the solvent mixing ratio {(solvent) / (alkali metal salt)} to the alkali metal salt is preferably 0.50 to 5.0 in terms of mole.
When the ratio represented by (solvent) / (alkali metal salt) is less than 0.50 in terms of mole, the above-mentioned effect does not occur because the solvent is small, and the input / output density may not be improved. On the other hand, even if the ratio exceeds 5.0, the effect of the solvent is saturated and the cost increases.

以下に、実施例によって本発明を更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、特に断らない限り、%は質量%を示す。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples. In addition, unless otherwise indicated,% shows the mass%.

<実験A:グライムを含む電解液での実験>
<電解液の調製>
グライムとして、それぞれ3MeG4、6MeG4、G5、G4Et、G4(テトラグライム)(以上、日本乳化剤社製)を用いた。又、G5Etを以下のように合成した。
G5Etの合成:三口フラスコにトリエチレングリコールモノメチルエーテル20.53 g (125 mmol)、トリエチルアミン15.81 g (156 mmol)、THF 50 mL を加えた。その後、塩化パラトルエンスルホニル19.07 g (100 mmol) をTHF 80 mLに溶解させ、その溶液を滴下漏斗を用いてゆっくり滴下し、一晩撹拌させた。その後、吸引ろ過により析出物を取り除き、THFを取り除くため、溶液を濃縮した。得た溶液にクロロホルム300 mL加え、分液漏斗を用いて、純水100 mLで5回洗浄した。洗浄で得た有機相をMgSO4で乾燥させ、ろ過した後、ろ液を濃縮した。その後、カラムクロマトグラフィーにより精製、濃縮を行い、[2-[2-(2-メトキシエトキシ) エトキシ] エトキシ] p-トルエンスルホナートを得た。
次に、脱水ヘキサンで洗浄済みのNaH 1.65 g (68.8 mmol)を三口フラスコに量りとり、dry-DMF 50 mLを加え撹拌した。その後、滴下ロートにジエチレングリコールモノメチルエーテル9.2 mL (68.8 mmol)、dry-DMF 50 mL入れ、三口フラスコにゆっくり滴下した。少し撹拌させた後、[2-[2-(2-メトキシエトキシ) エトキシ] エトキシ] p-トルエンスルホナート14.8 mL (55.0 mmol)、dry-DMF 50 mL入れ、三口フラスコにゆっくり滴下し、一晩撹拌させた。反応は全て室温で行った。その後、水を適量加え、反応を停止させた。DMFをできるだけ取り除いた後、得られた溶液に純水100 mL を加え、分液漏斗を用いて、Chloroform 50 mL×4で抽出した。抽出で得た有機相をMgSO4で乾燥させ、ろ過した後、ろ液を濃縮した。その後、減圧蒸留(110 °C)を行った。そして、金属ナトリウムを用いて再び減圧蒸留を行った後、一晩加熱真空乾燥をさせ、G5Etを得た。
なお、生成物のキャラクタリゼーションは1H-NMRで行った。
<Experiment A: Experiment with electrolyte containing glyme>
<Preparation of electrolyte>
As the grime, 3MeG4, 6MeG4, G5, G4Et, and G4 (tetraglyme) (manufactured by Nippon Emulsifier Co., Ltd.) were used, respectively. G5Et was synthesized as follows.
Synthesis of G5Et: To a three-necked flask were added 20.53 g (125 mmol) of triethylene glycol monomethyl ether, 15.81 g (156 mmol) of triethylamine, and 50 mL of THF. Then, 19.07 g (100 mmol) of p-toluenesulfonyl chloride was dissolved in 80 mL of THF, and the solution was slowly added dropwise using a dropping funnel and allowed to stir overnight. Thereafter, the precipitate was removed by suction filtration, and the solution was concentrated to remove THF. To the obtained solution, 300 mL of chloroform was added and washed 5 times with 100 mL of pure water using a separatory funnel. The organic phase obtained by washing was dried over MgSO 4 and filtered, and then the filtrate was concentrated. Thereafter, purification and concentration were performed by column chromatography to obtain [2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] ethoxy] p-toluenesulfonate.
Next, 1.65 g (68.8 mmol) of NaH that had been washed with dehydrated hexane was weighed into a three-necked flask, and 50 mL of dry-DMF was added and stirred. Then, 9.2 mL (68.8 mmol) of diethylene glycol monomethyl ether and 50 mL of dry-DMF were added to the dropping funnel, and slowly dropped into the three-necked flask. After stirring for a while, [2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] ethoxy] p-toluenesulfonate 14.8 mL (55.0 mmol) and dry-DMF 50 mL were added and slowly dropped into a three-necked flask overnight. Allow to stir. All reactions were performed at room temperature. Thereafter, an appropriate amount of water was added to stop the reaction. After removing DMF as much as possible, 100 mL of pure water was added to the resulting solution, and extraction was performed with Chloroform 50 mL × 4 using a separatory funnel. The organic phase obtained by extraction was dried over MgSO 4 and filtered, and then the filtrate was concentrated. Thereafter, vacuum distillation (110 ° C.) was performed. And after performing vacuum distillation again using metallic sodium, it was made to heat-vacuum dry overnight and G5Et was obtained.
The product was characterized by 1 H-NMR.

又、Na塩として、以下の式13で示すナトリウムビス(トリフルオロメタンスルフォニル)アミド (以下「Na[TFSA]」と称する) (キシダ化学社製)を用いた。
上記グライムと、Na[TFSA]とをアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で混合し、Na[TFSA]を所定のモル濃度とした電解液を調製した。
As the Na salt, sodium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (hereinafter referred to as “Na [TFSA]”) represented by the following formula 13 (made by Kishida Chemical Co., Ltd.) was used.
The above-mentioned glyme and Na [TFSA] were mixed in a glove box under an argon atmosphere to prepare an electrolytic solution having Na [TFSA] at a predetermined molar concentration.

<ナトリウム−硫黄電池の作製>
単体硫黄(S8)を硫黄系電極活物質とし、単体硫黄を60 wt%、導電剤としてケッチェンブラックを30 wt%、結着剤としてPVA (ポリビニルアルコール)を10 wt%の割合で混合し、正極の電極材料2a(図1参照)を調製した。まず、単体硫黄とケッチェンブラックを混合後、155 で加熱することで単体硫黄とケッチェンブラックを複合化した。この混合物に対し、さらにPVAを溶解した適量のNMP (N-メチル-2-ピロリドン)を加えスラリー状に混錬した。得られたスラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔(集電体)2bに塗布した後、80で12時間乾燥してNMPを蒸発させた後、プレスして正極2(図1参照)を得た。厚さ200μmのナトリウム金属板を厚さ500μmのステンレスディスクに貼り付けて負極を作製した
<Production of sodium-sulfur battery>
Using elemental sulfur (S8) as a sulfur-based electrode active material, mixing elemental sulfur at 60 wt%, ketjen black as conductive agent at 30 wt%, and PVA (polyvinyl alcohol) as binder at a ratio of 10 wt%, A positive electrode material 2a (see FIG. 1) was prepared. First, simple sulfur and ketjen black were mixed, and then heated at 155 ° C. to compound simple sulfur and ketjen black. An appropriate amount of NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) in which PVA was dissolved was further added to this mixture and kneaded into a slurry. The obtained slurry was applied to an aluminum foil (current collector) 2b having a thickness of 20 μm, dried at 80 ° C. for 12 hours to evaporate NMP, and then pressed to obtain a positive electrode 2 (see FIG. 1). . A sodium metal plate having a thickness of 200 μm was attached to a stainless steel disk having a thickness of 500 μm to produce a negative electrode.

アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、正極2に上記電解液を適量加え、60℃で60分間、電解液を正極2に浸漬させた。正極2と負極4とを、セパレータ6(厚さ200μmの東洋濾紙社製のガラス製セパレータ(商品名GA-55))を介して積層し、さらに上記電解液を注入した後、2032型のコインセルケース20(SUS304製の厚さ3.2mm)に封入し、負極(負極)4の上にスペーサ12を載置した。スペーサ12の上にスプリング14を配置した。スプリング14の上から蓋22でコインセルケース20を封止し、図1に示す構造のナトリウム−硫黄電池50を作製した。なお、コインセルケース20の側壁にはガスケット10が介装されている。   An appropriate amount of the electrolyte solution was added to the positive electrode 2 in a glove box under an argon atmosphere, and the electrolyte solution was immersed in the positive electrode 2 at 60 ° C. for 60 minutes. The positive electrode 2 and the negative electrode 4 are laminated via a separator 6 (glass separator made by Toyo Roshi Kaisha with a thickness of 200 μm (trade name GA-55)), and the electrolyte is injected, and then a 2032 type coin cell The case 20 (SUS304 thickness 3.2 mm) was sealed, and the spacer 12 was placed on the negative electrode (negative electrode) 4. A spring 14 is disposed on the spacer 12. The coin cell case 20 was sealed from above the spring 14 with a lid 22 to produce a sodium-sulfur battery 50 having the structure shown in FIG. A gasket 10 is interposed on the side wall of the coin cell case 20.

<評価>
(1)定電流充放電試験
上記のようにして得られた二次電池について、電流密度を139 mA g-1 (正極に含まれる硫黄の重量で規格化)として定電流放電した。電圧は1.0−3.0Vの範囲とし、60℃一定に保持された恒温槽中で実施した。又、放電電流密度を1/12C(12時間率、電極活物質の理論容量をn (時間) で放電する電流値を1/n のC レートと表す)とした。
なお、正極(硫黄電極)は充電状態で作製されるため、充放電サイクルの第1サイクルは放電過程のみ進行し、第2サイクル目以降は充電と放電過程が進行する。したがって、充放電の順序は、第1サイクルの放電→第2サイクルの充電→第2サイクルの放電→第3サイクルの充電→第3サイクルの放電となる。このようにして、充放電サイクルを20サイクル行い、各サイクルで上記定電流充放電を行った。
<Evaluation>
(1) Constant Current Charge / Discharge Test The secondary battery obtained as described above was discharged at a constant current with a current density of 139 mA g −1 (normalized by the weight of sulfur contained in the positive electrode). The voltage was in the range of 1.0 to 3.0 V, and the test was carried out in a thermostatic bath maintained at 60 ° C. The discharge current density was 1 / 12C (12 hours rate, the theoretical capacity of the electrode active material was expressed as n (hours), and the current value expressed as 1 / n C rate).
In addition, since the positive electrode (sulfur electrode) is manufactured in a charged state, the first cycle of the charge / discharge cycle proceeds only in the discharge process, and the charge and discharge processes proceed in the second and subsequent cycles. Therefore, the order of charge / discharge is as follows: first cycle discharge → second cycle charge → second cycle discharge → third cycle charge → third cycle discharge. In this way, 20 charge / discharge cycles were performed, and the constant current charge / discharge was performed in each cycle.

(2)クーロン効率、充放電容量
上記定電流充放電で得られた充電容量と放電容量(mAh/g:gは単体硫黄の質量当り)から、充放電サイクルの各サイクルで、クーロン効率(%)=放電容量/充電容量を求めた。クーロン効率は、充電した電気量を放電でどれだけ取りだせるかを示す値であり、値が100(%)に近いほど良い。
得られた結果を図5〜図7、及び表1に示す。
(2) Coulomb efficiency, charge / discharge capacity From the charge capacity and discharge capacity obtained by the above constant current charge / discharge (mAh / g: g is per mass of elemental sulfur), the Coulomb efficiency (% ) = Discharge capacity / charge capacity. The coulomb efficiency is a value indicating how much the charged amount of electricity can be taken out by discharging, and the closer the value is to 100 (%), the better.
The obtained results are shown in FIGS.

グライムとして、3MEG4、6MEG4、G5、G4Et又はG5Etを用い、グライムに対するNa[TFSA]の混合比をモル換算で0.80以上とした場合(表1の実施例1〜14参照)、クーロン効率が向上したと共に、低温(60℃)で作動可能であることがわかる。
一方、グライムとしてG4を用いた比較例1の場合、及びグライムとしてG5を用い、グライムに対するNa[TFSA]の混合比をモル換算で0.80未満とした比較例2の場合、放電容量及びクーロン効率が大幅に低下した。
When 3MEG4, 6MEG4, G5, G4Et or G5Et is used as the glyme and the mixing ratio of Na [TFSA] to glyme is 0.80 or more in terms of mole (see Examples 1 to 14 in Table 1), the Coulomb efficiency is It can be seen that it can be operated at a low temperature (60 ° C.) while improving.
On the other hand, in the case of Comparative Example 1 using G4 as the glyme and in the case of Comparative Example 2 using G5 as the glyme and the mixing ratio of Na [TFSA] to glyme being less than 0.80 in terms of mole, the discharge capacity and coulomb Efficiency has dropped significantly.

<実験B:電解液に溶媒を添加した実験>
実験Aで用いた電解液は、常温(30℃程度)でのイオン電導率が高くない(1.0mS/cm以下)ため、60℃で電池を作動させた。そこで、常温(30℃程度)における電解液のイオン電導率を高くするため、電解液に溶媒を添加した。
まず、本発明に適した溶媒として、疎水性を有し、グライムとNa塩との錯体に完全に混合すると共に、Na金属及び多硫化アルカリ金属と化学反応しないものを実験的に見出し、その結果を表2に総合的にまとめた。
なお、表2の[C2mim][TFSA]は1-エチル-3-メチルイミダゾリウム-ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドであり、PFPMはペンタフルオロプロピオン酸メチルを表す。
<Experiment B: Experiment in which a solvent was added to the electrolyte>
Since the electrolyte used in Experiment A does not have high ionic conductivity (less than 1.0 mS / cm) at room temperature (about 30 ° C.), the battery was operated at 60 ° C. Therefore, in order to increase the ionic conductivity of the electrolytic solution at room temperature (about 30 ° C.), a solvent was added to the electrolytic solution.
First, as a solvent suitable for the present invention, a solvent having hydrophobicity, thoroughly mixed with a complex of glyme and Na salt, and not chemically reacting with Na metal and alkali metal polysulfide was found experimentally, and as a result. Are summarized in Table 2.
In Table 2, [C2mim] [TFSA] is 1-ethyl-3-methylimidazolium-bis (trifluoromethanesulfonyl) amide, and PFPM represents methyl pentafluoropropionate.

表2より、ハイドロフルオロエーテルであるHFE(HFCFCHC−O−CFCFH)(ダイキン工業社製)、イオン液体である[P13][TFSA](関東化学社製)、炭化水素であるトルエンを溶媒に用いた。又、比較として、プロピレンカーボネートを溶媒に用いた。
<電解液の調製及び電池の作製>
グライムとしてG5を用い、Na塩としてNa[TFSA]を用い、Na[TFSA]/G5=1.0(モル換算)の割合で混合した。又、(溶媒)/ Na[TFSA] =4.0(モル換算)の割合となるよう、各溶媒を混合して電解液を調製した。
この電解液を用い、実験Aと同様にしてナトリウム−硫黄電池を作製した。
<評価>
実験Aと同様にして、定電流充放電試験を行い、クーロン効率及び充放電容量を求めた。なお、試験時の電池の作動温度を30℃とした。
得られた結果を図9〜図12、及び表3に示す。
From Table 2, HFE (HF 2 CF 2 CH 2 C—O—CF 2 CF 2 H) (made by Daikin Industries), which is a hydrofluoroether, [P13] [TFSA] (made by Kanto Chemical Co., Inc.) which is an ionic liquid Toluene, which is a hydrocarbon, was used as a solvent. For comparison, propylene carbonate was used as a solvent.
<Preparation of electrolyte and production of battery>
G5 was used as the glyme, Na [TFSA] was used as the Na salt, and the mixture was mixed at a ratio of Na [TFSA] /G5=1.0 (mol conversion). Moreover, each solvent was mixed and the electrolyte solution was prepared so that it might become the ratio of (solvent) / Na [TFSA] = 4.0 (molar conversion).
Using this electrolytic solution, a sodium-sulfur battery was produced in the same manner as in Experiment A.
<Evaluation>
In the same manner as in Experiment A, a constant current charge / discharge test was performed to determine the Coulomb efficiency and the charge / discharge capacity. The operating temperature of the battery during the test was 30 ° C.
The obtained results are shown in FIGS.

溶媒として、HFE、[P13][TFSA]、及びトルエンをそれぞれ用いた実施例21〜23の場合、クーロン効率が向上したと共に、常温(30℃)で作動可能であることがわかる。特に、HFE、[P13][TFSA]を用いた場合にクーロン効率が高くなった。又、実施例21〜23の場合、30℃の電解液のイオン伝導率が3.0mS/cm以上になった。
なお、いずれの溶媒においても、(溶媒)/Na[TFSA]=1.0以上(モル換算)となるように溶媒を添加すると、30℃の電解液のイオン伝導率が1.0mS/cm以上になることを確認した。又、溶媒を添加しないグライム錯体(Na[TFSA]/G5=1.0(モル換算))の場合、30℃の電解液のイオン伝導率が0.61mS/cmであった。
一方、溶媒としてプロピレンカーボネートを用いた比較例21の場合、放電容量及びクーロン効率が大幅に低下した。
In Examples 21 to 23 using HFE, [P13] [TFSA], and toluene as the solvent, it can be seen that the coulombic efficiency was improved and the operation was possible at room temperature (30 ° C.). In particular, when HFE and [P13] [TFSA] were used, the coulomb efficiency was increased. In the case of Examples 21 to 23, the ionic conductivity of the electrolyte at 30 ° C. was 3.0 mS / cm or more.
In any solvent, when the solvent is added so that (solvent) / Na [TFSA] = 1.0 or more (molar conversion), the ionic conductivity of the electrolyte at 30 ° C. should be 1.0 mS / cm or more. It was confirmed. In addition, in the case of a glyme complex (Na [TFSA] /G5=1.0 (mol conversion)) to which no solvent was added, the ionic conductivity of the electrolyte at 30 ° C. was 0.61 mS / cm.
On the other hand, in the case of Comparative Example 21 using propylene carbonate as a solvent, the discharge capacity and the Coulomb efficiency were greatly reduced.

2 正極
4 負極
50 硫黄系二次電池
2 Positive electrode 4 Negative electrode 50 Sulfur-based secondary battery

Claims (3)

単体硫黄、金属硫化物、金属多硫化物、及び有機硫黄化合物からなる群から選択される少なくとも一つを含む硫黄系電極活物質を有する正極と、
下記式
(ここで、Rは、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかであり、Rは、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基、又はエチル基のいずれかである)、
(ここで、R、Rは、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかである)、
(ここで、R、Rは、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかである)、又は、
(ここで、Rは、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかである)、で表されるグライムと、アルカリ金属塩と、を含み、前記グライムと前記アルカリ金属塩との少なくとも一部が錯体を形成し、さらにフッ素系溶媒、イオン液体、及び炭化水素の群から選ばれる1種又は2種以上の、前記アルカリ金属及び多硫化アルカリ金属(M :1 ≦ n ≦ 8)と化学反応しない溶媒を含有し、実質的に前記グライムと前記アルカリ金属塩と前記溶媒とからなる電解液と、
前記正極の対極であって、前記アルカリ金属、前記アルカリ金属を含む合金、又は炭素を有する負極と、
を備え、
前記グライムに対する前記アルカリ金属塩の混合比が、モル換算で0.80以上で、かつ前記グライム中の前記アルカリ金属塩の飽和濃度で決まる値以下であるアルカリ金属−硫黄系二次電池。
A positive electrode having a sulfur-based electrode active material comprising at least one selected from the group consisting of elemental sulfur, metal sulfides, metal polysulfides, and organic sulfur compounds;
Following formula
(Here, R 1 is any of an alkyl group having 1 or 2 carbon atoms which may be substituted with fluorine, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom. R 2 is an alkyl group having 1 or 2 carbon atoms which may be substituted with fluorine, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom, or ethyl One of the groups),
(Here, R 3 and R 4 are each an alkyl group optionally substituted with 1 or 2 carbon atoms, a phenyl group optionally substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl optionally substituted with a halogen atom. One of the groups),
(Here, R 5 and R 6 are each an alkyl group optionally substituted with 1 or 2 carbon atoms, a phenyl group optionally substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl optionally substituted with a halogen atom. One of the groups), or
(Wherein R 7 is an alkyl group having 1 or 2 carbon atoms which may be substituted with fluorine, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom. And at least a part of the glyme and the alkali metal salt forms a complex, and further includes a fluorinated solvent, an ionic liquid, and a hydrocarbon. of one or more selected from the group of the alkali metal and polysulfides alkali metal (M 2 S n: 1 ≦ n ≦ 8) and containing a solvent which does not chemically react substantially the grime and the alkali An electrolytic solution comprising a metal salt and the solvent ;
A counter electrode of the positive electrode, the negative electrode having the alkali metal, the alloy containing the alkali metal, or carbon;
With
An alkali metal-sulfur secondary battery in which a mixing ratio of the alkali metal salt to the glyme is 0.80 or more in terms of mole and not more than a value determined by a saturation concentration of the alkali metal salt in the glyme.
前記アルカリ金属塩がMXで表され、ここで、Mはアルカリ金属、Xは、Cl、Br、I、BF、PF、CFSO、ClO、CFCO、AsF、SbF、AlCl、N(CFSO、N(CFCFSO、PF(C、N(FSO、N(FSO)(CFSO)、N(CFCFSO、N(C)、N(C)、N(CN)、N(CFSO)(CFCO)、RFBF(但し、RF=n-C2m+1、m=1〜4の自然数)およびRBF(但し、R=n−C2p+1、p=1〜5の自然数)からなる群から選ばれる少なくとも一種である請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄系二次電池。 The alkali metal salt is represented by MX, where M is an alkali metal, X is Cl, Br, I, BF 4 , PF 6 , CF 3 SO 3 , ClO 4 , CF 3 CO 2 , AsF 6 , SbF. 6 , AlCl 4 , N (CF 3 SO 2 ) 2 , N (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , PF 3 (C 2 F 5 ) 3 , N (FSO 2 ) 2 , N (FSO 2 ) (CF 3 SO 2), N (CF 3 CF 2 SO 2) 2, N (C 2 F 4 S 2 O 4), N (C 3 F 6 S 2 O 4), N (CN) 2, N (CF 3 SO 2 ) (CF 3 CO), R 1 FBF 3 (where R 1 F = n-C m F 2m + 1 , m = 1 to 4 natural number) and R 2 BF 3 (where R 2 = n−C pH H 2p + 1, p = is at least one selected from 1-5 of the group consisting of natural numbers) according Sulfur-based secondary battery - alkali metal according to 1. 下記式
(ここで、R は、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかであり、R は、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基、又はエチル基のいずれかである)、
(ここで、R、Rは、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかである)
(ここで、R、Rは、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかである)、又は、
(ここで、R は、炭素数1または2のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、又はハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかである)で表されるグライムと、
アルカリ金属塩と、から実質的になり前記グライムに対する前記アルカリ金属塩の混合比が、モル換算で0.80以上で、かつ前記グライム中の前記アルカリ金属塩の飽和濃度で決まる値以下であり、前記グライムと前記アルカリ金属塩との少なくとも一部が錯体を形成している二次電池用電解液。
Following formula
(Here, R 1 is any of an alkyl group having 1 or 2 carbon atoms which may be substituted with fluorine, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom. R 2 is an alkyl group having 1 or 2 carbon atoms which may be substituted with fluorine, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom, or ethyl One of the groups),
(Here, R 3 and R 4 are each an alkyl group optionally substituted with 1 or 2 carbon atoms, a phenyl group optionally substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl optionally substituted with a halogen atom. is any of the groups),
(Here, R 5 and R 6 are each an alkyl group optionally substituted with 1 or 2 carbon atoms, a phenyl group optionally substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl optionally substituted with a halogen atom. One of the groups), or
(Wherein R 7 is an alkyl group having 1 or 2 carbon atoms which may be substituted with fluorine, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, or a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom. and glyme represented by a is) or,
And alkali metal salts, substantially becomes a mixing ratio of the alkali metal salt to the glyme, at a molar basis 0.80 or more, and be less than or equal to a value determined by the saturation concentration of the alkali metal salt in the glyme the glyme and at least partially electrolytic solution for a secondary battery which form a complex with the alkali metal salt.
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