JP2005251473A - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonaqueous electrolyte secondary battery capable of improving charging/discharging cycle property. <P>SOLUTION: The nonaqueous electrolyte secondary battery comprises an anode 1 having an anode active substance containing metal like copper which forms a compound at least with sulfur, a cathode 2 containing a material storing and releasing lithium, and a nonaqueous electrolyte 5 containing lithium sulfide Li<SB>2</SB>S. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、非水電解質二次電池に関し、特に、正極活物質を含む正極を備えた非水電解質二次電池に関する。   The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery, and more particularly to a non-aqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode including a positive electrode active material.

従来、高エネルギー密度の二次電池として、非水電解質を使用してリチウムイオンを正極と負極との間で移動させることにより充放電を行う非水電解質二次電池が知られている。この従来の非水電解質二次電池では、正極にLiCoOなどのリチウム遷移金属複合酸化物を用いるとともに、負極にリチウム金属、リチウム合金、または、リチウムイオンの吸蔵および放出が可能な炭素材料を用いる。また、非水電解質として、エチレンカーボネートやジエチルカーボネートなどの有機溶媒に、LiBFやLiPFなどのリチウム塩からなる溶質(電解質塩)を溶解させた非水電解質が使用されている。また、近年、このような従来の非水電解質二次電池は、種々の携帯用機器の電源などに使用されている。そして、携帯用機器の多機能化による消費電力の増加に伴って、さらに高いエネルギー密度の非水電解質二次電池が要望されている。 Conventionally, as a secondary battery having a high energy density, a nonaqueous electrolyte secondary battery that performs charge / discharge by moving lithium ions between a positive electrode and a negative electrode using a nonaqueous electrolyte is known. In this conventional nonaqueous electrolyte secondary battery, a lithium transition metal composite oxide such as LiCoO 2 is used for the positive electrode, and a lithium metal, a lithium alloy, or a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions is used for the negative electrode. . As the nonaqueous electrolyte, a nonaqueous electrolyte in which a solute (electrolyte salt) made of a lithium salt such as LiBF 4 or LiPF 6 is dissolved in an organic solvent such as ethylene carbonate or diethyl carbonate is used. In recent years, such conventional non-aqueous electrolyte secondary batteries have been used as power sources for various portable devices. Along with the increase in power consumption due to the multifunctional use of portable devices, a non-aqueous electrolyte secondary battery having a higher energy density is demanded.

しかし、従来の非水電解質二次電池では、正極に使用されるLiCoOなどのリチウム遷移金属複合酸化物は、質量が大きいとともに、反応電子数が少ないので、単位質量当たりの容量(容量密度)を充分に高めることが困難であるという不都合があった。 However, in the conventional non-aqueous electrolyte secondary battery, the lithium transition metal composite oxide such as LiCoO 2 used for the positive electrode has a large mass and a small number of reaction electrons. Therefore, the capacity per unit mass (capacity density) There is an inconvenience that it is difficult to sufficiently raise the value.

そこで、従来、上記した不都合を解消するために、約1675mAh/gの高い理論容量密度を有する硫黄を正極材料に用いる技術が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。この特許文献1に開示された硫黄を正極材料に用いた従来の非水電解質二次電池は、硫黄単体と炭素材料などの電子伝導性の材料とを含んだ正極と、金属硫化物(たとえば、硫化リチウム)などの硫黄を含んだ非水電解質とを備えている。
特表2003−522383号公報
Therefore, conventionally, in order to eliminate the above-described inconvenience, a technique using sulfur having a high theoretical capacity density of about 1675 mAh / g as a positive electrode material has been proposed (for example, see Patent Document 1). A conventional nonaqueous electrolyte secondary battery using sulfur as a positive electrode material disclosed in Patent Document 1 includes a positive electrode containing a simple substance of sulfur and an electron conductive material such as a carbon material, a metal sulfide (for example, And a non-aqueous electrolyte containing sulfur such as lithium sulfide).
Special table 2003-522383 gazette

上記特許文献1に開示された従来の非水電解質二次電池では、電解質中の硫化物イオンS2−は、正極における充電反応の過程において、まず、多硫化物イオンS 2−(2≦y≦8)に酸化される。そして、生成された多硫化物イオンS 2−のうちの大部分は、さらに酸化されることにより、正極の表面に硫黄Sとして析出する。ところが、正極に析出した硫黄Sは、以下の式(1)に示すように、酸化されずに正極付近に残った多硫化物イオンS(y−1) 2−と反応することにより、再び多硫化物イオンS 2−として電解質中に溶出する。そして、この電解質中に溶出した多硫化物イオンが負極と反応して還元されることにより、負極側で放電(自己放電現象)が起きる。その結果、非水電解質二次電池の充放電サイクル特性が低下するという問題点がある。 In the conventional non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed in Patent Document 1, sulfide ions S 2− in the electrolyte are first converted into polysulfide ions S y 2− (2 ≦ 2 ) during the charging reaction in the positive electrode. Oxidized to y ≦ 8). Then, most of the generated polysulfide ion S y 2-, by being further oxidized, deposited on the surface of the positive electrode as sulfur S. However, as shown in the following formula (1), the sulfur S deposited on the positive electrode reacts with the polysulfide ion S (y-1) 2− which is not oxidized and remains in the vicinity of the positive electrode, thereby increasing the amount of sulfur again. It elutes in the electrolyte as sulfide ion S y 2- . And the polysulfide ion eluted in this electrolyte reacts with the negative electrode and is reduced, whereby discharge (self-discharge phenomenon) occurs on the negative electrode side. As a result, there is a problem that the charge / discharge cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery deteriorate.

(y−1) 2− + S → S 2− …(1)
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、充放電サイクル特性を向上させることが可能な非水電解質二次電池を提供することである。
S (y-1) 2 + S → S y 2− (1)
The present invention has been made to solve the above-described problems, and one object of the present invention is to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery capable of improving charge / discharge cycle characteristics. is there.

課題を解決するための手段および発明の効果Means for Solving the Problems and Effects of the Invention

本願発明者は、上記目的を達成するために、鋭意検討した結果、正極上に硫黄を析出させるのではなく、正極上に硫黄を化合物として固定することによって、硫黄が再び電解質中に溶出することに起因する自己放電現象を抑制することができることを見出した。   The inventor of the present application has intensively studied to achieve the above object, and as a result, sulfur does not precipitate on the positive electrode but is fixed as a compound on the positive electrode, so that the sulfur elutes again in the electrolyte. It has been found that the self-discharge phenomenon caused by can be suppressed.

すなわち、この発明の第1の局面による非水電解質二次電池は、少なくとも硫黄と化合物を形成する金属を含有する正極活物質を含む正極と、リチウムを吸蔵および放出する材料を含む負極と、Li(1≦x≦8)を含む非水電解質とを備えている。 That is, the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the first aspect of the present invention includes a positive electrode including a positive electrode active material containing a metal that forms a compound with at least sulfur, a negative electrode including a material that absorbs and releases lithium, and Li And a non-aqueous electrolyte containing 2 S x (1 ≦ x ≦ 8).

この第1の局面による非水電解質二次電池では、上記のように、Li(1≦x≦8)を添加した非水電解質を用いた非水電解質二次電池において、正極活物質として硫黄と化合物を形成する金属を用いることによって、充電反応の際に、電解質中の(多)硫化物イオンを硫黄として正極に析出させるのではなく、上記した硫黄と化合物を形成する金属との化合物として正極に固定的に析出させることができる。これにより、(多)硫化物イオンが再び電解質中に溶出するのを防止することができるので、負極と電解質中の多硫化物イオンとの反応に起因する自己放電現象を防止することができる。これによって、非水電解質二次電池の充放電サイクル特性を向上させることができる。また、正極活物質として硫黄と化合物を形成する金属を用いることによって、放電状態での電池作製となるので、正極活物質として硫黄を用いる場合の充電状態での電池作製と異なり、負極にリチウム金属を用いる必要がなくなる。ここで、充電状態での電池作製とは、正極に酸化された状態の材料を用いるとともに、負極に還元された状態の材料を用いて電池を作製することを意味する。これに対して、放電状態での電池作製とは、正極に還元された状態の材料を用いるとともに、負極に酸化された状態の材料を用いて電池を作製することを意味する。また、硫黄(S)は、硫化物イオン(S2−)が酸化された状態であり、リチウム(Li)および硫黄と化合物を形成する金属は、リチウムイオン(Li)および上記硫黄と化合物を形成する金属のイオンが還元された状態である。すなわち、正極に硫黄(S)を用いた充電状態での電池作製の場合、負極に還元された状態の材料を用いなければならない。このような還元された状態の材料としては、リチウムを含有した材料を用いるのが最も好ましいが、これらはいずれも空気中の水分と反応する性質を有しているので、ドライルームなどの設備を設ける必要がある。これに対して、正極に硫黄と化合物を形成する金属を用いた放電状態での電池作製の場合、負極にリチウムを含有した材料を用いる必要がない。これによって、非水電解質二次電池を組み立てる際に、ドライルームなどの設備を別途設ける必要がなくなるので、非水電解質二次電池の組立工程を簡略化することができるという効果もある。 In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the first aspect, as described above, in the nonaqueous electrolyte secondary battery using the nonaqueous electrolyte to which Li 2 S x (1 ≦ x ≦ 8) is added, the positive electrode active material By using a metal that forms a compound with sulfur as a catalyst, the (multi) sulfide ions in the electrolyte are not deposited as sulfur on the positive electrode during the charging reaction, but instead of the above-described sulfur and the metal that forms the compound. The compound can be fixedly deposited on the positive electrode. As a result, it is possible to prevent the (multi) sulfide ions from eluting into the electrolyte again, and thus it is possible to prevent the self-discharge phenomenon caused by the reaction between the negative electrode and the polysulfide ions in the electrolyte. Thereby, the charge / discharge cycle characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery can be improved. In addition, since a battery is formed in a discharged state by using a metal that forms a compound with sulfur as a positive electrode active material, lithium metal is used for the negative electrode, unlike a battery in a charged state when sulfur is used as a positive electrode active material. Need not be used. Here, the production of a battery in a charged state means that a battery is produced using a material in an oxidized state for the positive electrode and a material in a reduced state for the negative electrode. On the other hand, the production of a battery in a discharged state means that a battery is produced using a material in a reduced state for the positive electrode and an oxidized material for the negative electrode. Sulfur (S) is a state in which sulfide ions (S 2− ) are oxidized, and the metal that forms a compound with lithium (Li) and sulfur is lithium ion (Li + ) and the above sulfur and compound. In this state, the metal ions to be formed are reduced. That is, in the case of producing a battery in a charged state using sulfur (S) for the positive electrode, a reduced material must be used for the negative electrode. As the material in such a reduced state, it is most preferable to use a material containing lithium. However, since these all have a property of reacting with moisture in the air, facilities such as a dry room are required. It is necessary to provide it. On the other hand, in the case of producing a battery in a discharged state using a metal that forms a compound with sulfur for the positive electrode, it is not necessary to use a material containing lithium for the negative electrode. As a result, when assembling the non-aqueous electrolyte secondary battery, it is not necessary to separately provide equipment such as a dry room, so that the assembly process of the non-aqueous electrolyte secondary battery can be simplified.

この第1の局面による非水電解質二次電池において、好ましくは、硫黄と化合物を形成する金属は、銅、鉄およびニッケルのうちの少なくとも1つを含んでいる。このように構成すれば、充電反応の際に、電解質中の(多)硫化物イオンを、銅、鉄およびニッケルのうちのいずれか1つとの化合物として正極に固定的に析出させることができる。これにより、(多)硫化物イオンが再び電解質中に溶出するのを防止することができるので、負極と電解質中の多硫化物イオンとの反応に起因する自己放電現象を防止することができる。これによって、非水電解質二次電池の充放電サイクル特性を向上させることができる。   In the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the first aspect, preferably, the metal that forms a compound with sulfur includes at least one of copper, iron, and nickel. If comprised in this way, the (multi) sulfide ion in electrolyte can be fixedly deposited on a positive electrode as a compound with any one of copper, iron, and nickel in the case of charge reaction. As a result, it is possible to prevent the (multi) sulfide ions from eluting into the electrolyte again, and thus it is possible to prevent the self-discharge phenomenon caused by the reaction between the negative electrode and the polysulfide ions in the electrolyte. Thereby, the charge / discharge cycle characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery can be improved.

この第1の局面による非水電解質二次電池において、好ましくは、硫黄と化合物を形成する金属を含む正極は、銅、鉄およびニッケルのうちのいずれかの金属を主体とする金属箔を含んでいる。なお、金属を主体とするとは、主体とする金属が50%以上含まれていることを意味する。このように構成すれば、粉末状の銅、鉄およびニッケルのうちのいずれかを主体とする金属を用いる場合に比べて、より容易に正極を形成することができる。   In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the first aspect, preferably, the positive electrode including a metal that forms a compound with sulfur includes a metal foil mainly composed of any one of copper, iron, and nickel. Yes. Note that “mainly metal” means that 50% or more of the main metal is contained. If comprised in this way, a positive electrode can be formed more easily compared with the case where the metal which has any one of powdery copper, iron, and nickel is used.

この第1の局面による非水電解質二次電池において、好ましくは、硫黄と化合物を形成する金属を含む正極は、銅箔、鉄箔およびニッケル箔のうちのいずれかを含んでいる。このように構成すれば、銅、鉄およびニッケルのうちのいずれかを含有する合金を含む正極に比べて、充電反応の際に、電解質中の(多)硫化物イオンを、銅箔、鉄箔およびニッケル箔のうちのいずれか1つとの化合物として正極により多く固定的に析出させることができる。これにより、(多)硫化物イオンが再び電解質中に溶出するのを有効に防止することができるので、負極と電解質中の多硫化物イオンとの反応に起因する自己放電現象を有効に防止することができる。これによって、非水電解質二次電池の充放電サイクル特性を容易に向上させることができる。また、電解質中の(多)硫化物イオンを、銅箔、鉄箔およびニッケル箔のうちのいずれか1つとの化合物として正極により多く固定的に析出させることができるので、電池容量を向上させることができるという効果もある。   In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the first aspect, the positive electrode including a metal that forms a compound with sulfur preferably includes any one of a copper foil, an iron foil, and a nickel foil. If comprised in this way, compared with the positive electrode containing the alloy containing either of copper, iron, and nickel, in the case of charge reaction, the (multi) sulfide ion in electrolyte will be copper foil, iron foil As a compound with any one of nickel foil and nickel foil, more can be fixedly deposited on the positive electrode. As a result, it is possible to effectively prevent the (multi) sulfide ions from eluting into the electrolyte again, so that the self-discharge phenomenon caused by the reaction between the negative electrode and the polysulfide ions in the electrolyte is effectively prevented. be able to. Thereby, the charge / discharge cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be easily improved. Moreover, since (poly) sulfide ions in the electrolyte can be deposited more and more on the positive electrode as a compound with any one of copper foil, iron foil and nickel foil, the battery capacity is improved. There is also an effect that can be done.

この第1の局面による非水電解質二次電池において、好ましくは、非水電解質は、Li(1≦x≦8)を過飽和の状態で含んでいる。このように構成すれば、充電反応の際に、非水電解質に溶解している(多)硫化リチウム(Li(1≦x≦8))が消費されることにより、固体状態の(多)硫化リチウムが非水電解質に溶解するとともに、充電反応に用いられる。これによって、(多)硫化リチウムを不飽和の状態で含んでいる非水電解質を用いる場合に比べて、より多くの(多)硫化リチウムを充電反応に用いることができる。このため、充電反応によってより多くの金属硫化物が生成されるので、非水電解質二次電池の容量を大きくすることができ、その結果、充放電サイクル特性を向上させることができる。 In the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the first aspect, preferably, the non-aqueous electrolyte contains Li 2 S x (1 ≦ x ≦ 8) in a supersaturated state. According to this structure, when the charge reaction, by which is dissolved in the non-aqueous electrolyte (multi) lithium sulfide (Li 2 S x (1 ≦ x ≦ 8)) is consumed in the solid state ( Multi) Lithium sulfide dissolves in the non-aqueous electrolyte and is used for the charging reaction. As a result, more (multi) lithium sulfide can be used for the charging reaction than when a nonaqueous electrolyte containing (poly) lithium sulfide in an unsaturated state is used. For this reason, since more metal sulfide is produced | generated by charge reaction, the capacity | capacitance of a nonaqueous electrolyte secondary battery can be enlarged, As a result, charging / discharging cycling characteristics can be improved.

この第1の局面による非水電解質二次電池において、好ましくは、負極は、シリコンを含有する負極活物質を含んでいる。このように構成すれば、リチウムを負極に用いる場合と異なり、負極の表面にデンドライト状(樹枝状)の析出物が生じない。また、高い容量を有するシリコンを負極に用いることにより、非水電解質二次電池の容量を大きくすることができるので、充放電サイクル特性を向上させることができる。   In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the first aspect, preferably, the negative electrode includes a negative electrode active material containing silicon. If constituted in this way, unlike the case where lithium is used for the negative electrode, dendritic (dendritic) precipitates are not generated on the surface of the negative electrode. Moreover, since the capacity | capacitance of a nonaqueous electrolyte secondary battery can be enlarged by using the silicon | silicone which has a high capacity | capacitance for a negative electrode, charging / discharging cycling characteristics can be improved.

以下、本発明の実施例を具体的に説明する。   Examples of the present invention will be specifically described below.

本出願では、本発明に対応する実施例として、以下の実施例1〜4によるリチウム二次電池(非水電解質二次電池)を作製するとともに、比較例として、以下の比較例1によるリチウム二次電池を作製して特性を比較した。   In the present application, lithium secondary batteries (nonaqueous electrolyte secondary batteries) according to the following Examples 1 to 4 are manufactured as examples corresponding to the present invention, and lithium secondary batteries according to the following Comparative Example 1 are used as comparative examples. Next batteries were fabricated and their characteristics were compared.

[正極の作製]
(実施例1および実施例2共通)
20μmの厚みを有する圧延加工を施された純度99.9%の銅箔を2cm×2cm角のサイズに成形した後、真空中において100℃で乾燥させることにより、実施例1および実施例2によるリチウム二次電池の正極を作製した。
[Production of positive electrode]
(Common to Example 1 and Example 2)
According to Example 1 and Example 2, a 99.9% pure copper foil having a thickness of 20 μm formed into a size of 2 cm × 2 cm square was dried at 100 ° C. in a vacuum. A positive electrode of a lithium secondary battery was produced.

(実施例3)
100μmの厚みを有する純度99.9%の鉄箔を2cm×2cm角のサイズに成形した後、真空中において100℃で乾燥させることにより、実施例3によるリチウム二次電池の正極を作製した。
(Example 3)
An iron foil having a thickness of 100 μm and having a purity of 99.9% was molded into a size of 2 cm × 2 cm square, and then dried at 100 ° C. in a vacuum, thereby producing a positive electrode of a lithium secondary battery according to Example 3.

(実施例4)
100μmの厚みを有する純度99.98%のニッケル箔を2cm×2cm角のサイズに成形した後、真空中において100℃で乾燥させることにより、実施例4によるリチウム二次電池の正極を作製した。
Example 4
A nickel foil having a thickness of 100 μm and having a purity of 99.98% was molded into a size of 2 cm × 2 cm square, and then dried at 100 ° C. in a vacuum to produce a positive electrode for a lithium secondary battery according to Example 4.

(比較例1)
導電剤としてのケッチェンブラック(KB)と、結着剤としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、それぞれの質量比が90:5:5になるように混合した後、混練することによりスラリーとした。そして、このスラリーをドクターブレード法により表面を電解処理した正極集電体としてのアルミニウム箔上に均一に貼付した後、ホットプレートを用いて50℃で乾燥させた。これを2cm×2cm角に切り取り、真空中において100℃で乾燥させることにより、比較例1によるリチウム二次電池の正極を作製した。
(Comparative Example 1)
Ketjen black (KB) as a conductive agent, polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener have a mass ratio of 90: 5: 5. After being mixed, the mixture was kneaded to obtain a slurry. And after sticking this slurry uniformly on the aluminum foil as a positive electrode collector which surface electrolyzed by the doctor blade method, it was dried at 50 degreeC using the hotplate. This was cut into a 2 cm × 2 cm square and dried at 100 ° C. in a vacuum to produce a positive electrode of a lithium secondary battery according to Comparative Example 1.

[負極の作製]
(実施例1、3、4および比較例1共通)
リチウム金属を用いて実施例1、3、4および比較例1によるリチウム二次電池の負極を作製した。
[Production of negative electrode]
(Common to Examples 1, 3, 4 and Comparative Example 1)
Negative electrodes of lithium secondary batteries according to Examples 1, 3, 4 and Comparative Example 1 were prepared using lithium metal.

(実施例2)
表面を電解処理した負極集電体としての銅箔上に、スパッタリング法を用いて、負極活物質としての0.5μmの厚みを有するアモルファスシリコン膜を形成した。これを2cm×2cm角に切り取り、真空中において110℃で乾燥させることにより、実施例2によるリチウム二次電池の負極を作製した。
(Example 2)
An amorphous silicon film having a thickness of 0.5 μm as a negative electrode active material was formed on a copper foil as a negative electrode current collector, the surface of which was electrolytically treated, using a sputtering method. This was cut into a 2 cm × 2 cm square and dried at 110 ° C. in a vacuum to produce a negative electrode for a lithium secondary battery according to Example 2.

[非水電解質の作製]
(実施例1〜4および比較例1共通)
1,2−ジメトキシエタンと1,3−ジオキソランとを9:1の体積比で混合した電解質に、リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドLiN(SOCFを0.5mol/lの濃度になるように溶解した。そして、LiSを2.0mol/lの濃度になるように添加して、過飽和の状態にすることによって、実施例1〜4および比較例1によるリチウム二次電池の非水電解質を作製した。
[Production of non-aqueous electrolyte]
(Common to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1)
To an electrolyte in which 1,2-dimethoxyethane and 1,3-dioxolane were mixed at a volume ratio of 9: 1, lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide LiN (SO 2 CF 3 ) 2 was added at 0.5 mol / l. Dissolved to a concentration. Then, by adding Li 2 S at a concentration of 2.0 mol / l, by the state of supersaturation, to prepare a non-aqueous electrolyte of a lithium secondary battery according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 .

[試験セルの作製]
(実施例1〜4および比較例1共通)
図1は、実施例1〜4および比較例1による非水電解質二次電池の正極の特性を調べるために作製した試験セルを示した斜視図である。図1を参照して、試験セルの作製プロセスとしては、正極1と負極2とがセパレータ3を挟んで対向するように、正極1および負極2を試験セル容器10内に配置した。また、参照極4も試験セル容器10内に配置した。そして、試験セル容器10内に非水電解質5を注入することによって、試験セルを作製した。なお、正極1、負極2および非水電解質5としては、上記のようにして作製した実施例1〜4および比較例1による正極、負極および非水電解質を用いるとともに、参照極3としては、リチウム金属を用いた。
[Production of test cell]
(Common to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1)
FIG. 1 is a perspective view showing a test cell produced for examining the characteristics of the positive electrode of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. FIG. Referring to FIG. 1, as a test cell manufacturing process, positive electrode 1 and negative electrode 2 were arranged in test cell container 10 such that positive electrode 1 and negative electrode 2 face each other with separator 3 interposed therebetween. The reference electrode 4 was also disposed in the test cell container 10. And the test cell was produced by inject | pouring the nonaqueous electrolyte 5 in the test cell container 10. FIG. In addition, as the positive electrode 1, the negative electrode 2, and the nonaqueous electrolyte 5, while using the positive electrode, negative electrode, and nonaqueous electrolyte by Examples 1-4 and the comparative example 1 which were produced as mentioned above, as the reference electrode 3, lithium was used. Metal was used.

[充放電試験]
上記のようにして作製した実施例1〜4および比較例1に対応するそれぞれの試験セルについて、充放電試験を行った。実施例1および実施例2における充放電の条件は、25μA/cmの充電電流で、2.8V(vs.Li/Li)の充電終止電位まで充電を行った後、25μA/cmの放電電流で、1.5V(vs.Li/Li)の放電終止電位まで放電を行った。そして、この充放電を1サイクルとして、実施例1および実施例2では、5サイクル目および11サイクル目まで充放電を行った。また、実施例2では、上記した充放電の条件から充電終止電位のみを3.0V(vs.Li/Li)に変更して、11サイクル目までの充放電に引き続き12サイクル目から19サイクル目まで充放電を行った。また、実施例3および実施例4における充放電の条件は、25μA/cmの充電電流で、それぞれ2.9V(vs.Li/Li)および2.5V(vs.Li/Li)の充電終止電位まで充電を行った後、25μA/cmの放電電流で、1.5V(vs.Li/Li)の放電終止電位まで放電を行った。そして、この充放電を1サイクルとして、実施例3および実施例4では、1サイクル目まで充放電を行った。また、比較例1における充放電の条件は、2.5μA/cmの充電電流で、2.8V(vs.Li/Li)の充電終止電位まで充電を行った後、2.5μA/cmの放電電流で、1.5V(vs.Li/Li)の放電終止電位まで放電を行った。そして、この充放電を1サイクルとして、比較例1では、7サイクル目まで充放電を行った。その結果を図2〜図9に示す。
[Charge / discharge test]
A charge / discharge test was performed on each of the test cells corresponding to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 manufactured as described above. The charge and discharge conditions in Example 1 and Example 2 were 25 μA / cm 2 after charging to a charge end potential of 2.8 V (vs. Li / Li + ) with a charge current of 25 μA / cm 2 . Discharge was performed to a discharge end potential of 1.5 V (vs. Li / Li + ) with a discharge current. And charging / discharging was performed to the 5th cycle and the 11th cycle in Example 1 and Example 2 by making this charging / discharging into 1 cycle. Moreover, in Example 2, only the charge end potential was changed to 3.0 V (vs. Li / Li + ) from the above-described charging / discharging conditions, and the charging and discharging up to the 11th cycle continued from the 12th cycle to the 19th cycle. Charging / discharging was performed to the eyes. The condition of the charging and discharging in Example 3 and Example 4, at a charging current of 25 .mu.A / cm 2, respectively 2.9V (vs.Li/Li +) and a 2.5V (vs.Li/Li +) After charging to the end-of-charge potential, discharging was performed to a discharge end potential of 1.5 V (vs. Li / Li + ) with a discharge current of 25 μA / cm 2 . And charging / discharging was performed to the 1st cycle in Example 3 and Example 4 by making this charging / discharging into 1 cycle. The charge / discharge conditions in Comparative Example 1 were 2.5 μA / cm 2 after charging to a charge end potential of 2.8 V (vs. Li / Li + ) with a charge current of 2.5 μA / cm 2. Discharge was performed at a discharge current of 2 to a discharge end potential of 1.5 V (vs. Li / Li + ). And this charge / discharge was made into 1 cycle, and in the comparative example 1, it charged / discharged to the 7th cycle. The results are shown in FIGS.

具体的には、図2、図4、図6、図7および図8には、それぞれ、実施例1、実施例2、実施例3、実施例4および比較例1に対応する試験セルについて行った初期(1サイクル目の)充放電特性が示されている。なお、図4中の電池電圧は、正極の電位と負極の電位との差を示しており、実施例1、3、4および比較例1では、負極および参照極としてリチウム金属を用いているので、図2、図6、図7および図8には、参照極に対する正極の電位のみを示している。また、図3には、実施例1の試験セルについて行った充放電の5サイクル目までの充放電サイクル特性が示されており、図5には、実施例2の試験セルについて行った充放電の19サイクル目までの充放電サイクル特性が示されている。また、図9には、比較例1の試験セルについて行った充放電の7サイクル目までの充放電サイクル特性が示されている。   Specifically, in FIGS. 2, 4, 6, 7, and 8, test cells corresponding to Example 1, Example 2, Example 3, Example 4, and Comparative Example 1 were performed, respectively. Initial charge (discharge cycle) charge / discharge characteristics are shown. The battery voltage in FIG. 4 indicates the difference between the positive electrode potential and the negative electrode potential. In Examples 1, 3, 4 and Comparative Example 1, lithium metal is used as the negative electrode and the reference electrode. 2, FIG. 6, FIG. 7 and FIG. 8 show only the potential of the positive electrode with respect to the reference electrode. FIG. 3 shows the charge / discharge cycle characteristics up to the fifth cycle of charge / discharge performed on the test cell of Example 1, and FIG. 5 shows the charge / discharge performed on the test cell of Example 2. The charge / discharge cycle characteristics up to the 19th cycle are shown. FIG. 9 shows the charge / discharge cycle characteristics up to the seventh cycle of charge / discharge performed for the test cell of Comparative Example 1.

また、正極として銅箔、負極としてアモルファスシリコン膜および非水電解質としてLiSを用いた実施例2の正極および負極で起こったと考えられる初期(1サイクル目の)充放電反応の式および2サイクル目以降の充放電反応の式を、それぞれ以下の式(2)〜式(9)に示す。 Also, the initial (first cycle) charge / discharge reaction equation and two cycles considered to have occurred in the positive electrode and negative electrode of Example 2 using copper foil as the positive electrode, amorphous silicon film as the negative electrode, and Li 2 S as the nonaqueous electrolyte. The following formulas (2) to (9) show the formulas of the charge and discharge reactions after the first.

初期(1サイクル目の)充電反応
負極: Si + 4.4Li + 4.4e → Li4.4Si …(2)
正極: zCu + S2− → CuS + 2e …(3)
初期(1サイクル目の)放電反応
負極: Li4.4Si → Si + 4.4Li + 4.4e …(4)
正極: CuS + 2Li + 2e → LiCuS …(5)
2サイクル目以降の充電反応
負極: Si + 4.4Li + 4.4e → Li4.4Si …(6)
正極: LiCuS → CuS + 2Li + 2e …(7)
2サイクル目以降の放電反応
負極: Li4.4Si → Si + 4.4Li + 4.4e …(8)
正極: CuS + 2Li + 2e → LiCuS …(9)
ただし、上記式(3)、(5)、(7)および(9)におけるzの値は、0<z≦2とする。
Initial (first cycle) charging reaction Negative electrode: Si + 4.4Li + + 4.4e → Li 4.4 Si (2)
The positive electrode: zCu + S 2- → Cu z S + 2e - ... (3)
Initial (first cycle) discharge reaction Negative electrode: Li 4.4 Si → Si + 4.4 Li + + 4.4 e (4)
Positive electrode: Cu z S + 2Li + + 2e → Li 2 Cu z S (5)
Charging reaction after the second cycle Negative electrode: Si + 4.4Li + + 4.4e → Li 4.4 Si (6)
Positive electrode: Li 2 Cu z S → Cu z S + 2Li + + 2e (7)
Discharge reaction after the second cycle Negative electrode: Li 4.4 Si → Si + 4.4 Li + + 4.4e (8)
Positive electrode: Cu z S + 2Li + + 2e → Li 2 Cu z S (9)
However, the value of z in the above formulas (3), (5), (7), and (9) is 0 <z ≦ 2.

なお、実施例1、3および4に対応する試験セルにおける負極での反応式は、上記した式(2)、式(4)、式(6)および式(8)において、SiをLiに代えた反応式で表される。また、正極での反応式は、実施例1では、上記した実施例2と同様であり、実施例3および実施例4では、上記した式(3)、式(5)、式(7)および式(9)において、CuをそれぞれFeおよびNiに代えた反応式で表される。   The reaction formula at the negative electrode in the test cells corresponding to Examples 1, 3, and 4 is as follows. It is expressed by the following reaction formula. In addition, the reaction formula at the positive electrode is the same as that in Example 2 in Example 1, and in Examples 3 and 4, the above formulas (3), (5), (7), and In Formula (9), it represents with the reaction formula which replaced Cu with Fe and Ni, respectively.

LiSを含む非水電解質を用いるとともに、正極および負極としてそれぞれ銅箔およびリチウム金属を用いた実施例1では、図2および図3に示すように、初期(1サイクル目の)充電容量は、0.809mAhであり、初期(1サイクル目の)放電容量は、0.308mAhであり、充放電を行うことができるということが判明した。この場合、初期充電反応において、正極で硫化銅(CuS)が形成される反応(上記した式(3)の反応)が起こるとともに、その後の初期放電反応において、初期充電反応の際に形成された硫化銅にリチウム(Li)が吸蔵される反応(上記した式(5)の反応)が起こったと考えられる。また、実施例1の2サイクル目の充電容量は、0.367mAhであり、2サイクル目の放電容量は、0.399mAhであった。また、実施例1の初期充放電効率は、38%であり、2サイクル目以降の充放電効率は、略100%であった。このことから、実施例1では、自己放電現象が起こることなく充放電反応を行うことができており、初期充電反応の際に形成された硫化銅が電解液に溶解していないと考えられる。なお、図3において、100%以上の充放電効率を示すデータが記載されているが、これは、実験の際に生じる誤差によるものであり、実際には100%に近い値であると考えられる。 In Example 1 using a nonaqueous electrolyte containing Li 2 S and using copper foil and lithium metal as the positive electrode and the negative electrode, respectively, as shown in FIGS. 2 and 3, the initial (first cycle) charge capacity is 0.809 mAh, and the initial (first cycle) discharge capacity was 0.308 mAh, and it was found that charging and discharging can be performed. In this case, in the initial charging reaction, a reaction in which copper sulfide (Cu z S) is formed at the positive electrode (reaction of the above formula (3)) occurs, and in the subsequent initial discharging reaction, it is formed during the initial charging reaction. It is considered that a reaction in which lithium (Li) was occluded in the copper sulfide thus formed (the reaction of the above formula (5)) occurred. Moreover, the charge capacity in the second cycle of Example 1 was 0.367 mAh, and the discharge capacity in the second cycle was 0.399 mAh. The initial charge / discharge efficiency of Example 1 was 38%, and the charge / discharge efficiency after the second cycle was approximately 100%. From this, in Example 1, it is thought that the charge / discharge reaction can be performed without causing the self-discharge phenomenon, and the copper sulfide formed during the initial charge reaction is not dissolved in the electrolytic solution. In FIG. 3, data indicating charging / discharging efficiency of 100% or more is described, but this is due to an error generated during the experiment, and is actually considered to be a value close to 100%. .

また、LiSを含む非水電解質を用いるとともに、正極および負極としてそれぞれ銅箔およびアモルファスシリコン膜を用いた実施例2では、図4および図5に示すように、初期(1サイクル目の)充電容量は、2.125mAhであり、初期(1サイクル目の)放電容量は、0.769mAhであり、この実施例2においても、充放電が行うことができるということが判明した。この実施例2の場合も、上記実施例1と同様、初期充電反応において、正極で硫化銅が形成される反応(上記した式(3)の反応)が起こるとともに、その後の初期放電反応において、初期充電反応の際に形成された硫化銅にリチウムが吸蔵される反応(上記した式(5)の反応)が起こったと考えられる。また、実施例2の2サイクル目の充電容量は、0.775mAhであり、2サイクル目の放電容量は、0.879mAhであった。また、実施例2の初期充放電効率は、36%であり、2サイクル目以降の充放電効率は、略100%であった。これによって、実施例2においても、自己放電現象が起こることなく充放電反応を行うことができており、初期充電反応の際に形成された硫化銅が電解液に溶解していないと考えられる。なお、図5においても、100%以上の充放電効率を示すデータが記載されているが、図3と同様、実験の際に生じる誤差によるものであり、実際には100%に近い値であると考えられる。 In Example 2 using a nonaqueous electrolyte containing Li 2 S and using a copper foil and an amorphous silicon film as the positive electrode and the negative electrode, respectively, as shown in FIGS. 4 and 5, the initial (first cycle) The charge capacity was 2.125 mAh, the initial (first cycle) discharge capacity was 0.769 mAh, and it was found that charging / discharging can also be performed in Example 2. In the case of Example 2, as in Example 1 above, in the initial charging reaction, a reaction in which copper sulfide is formed at the positive electrode (reaction of the above formula (3)) occurs, and in the subsequent initial discharging reaction, It is considered that a reaction in which lithium is occluded in the copper sulfide formed during the initial charging reaction (the reaction of the above formula (5)) occurred. Moreover, the charge capacity in the second cycle of Example 2 was 0.775 mAh, and the discharge capacity in the second cycle was 0.879 mAh. The initial charge / discharge efficiency of Example 2 was 36%, and the charge / discharge efficiency after the second cycle was approximately 100%. Thus, also in Example 2, the charge / discharge reaction can be performed without causing the self-discharge phenomenon, and it is considered that the copper sulfide formed in the initial charge reaction is not dissolved in the electrolytic solution. In FIG. 5, data indicating charge / discharge efficiency of 100% or more is described. However, as in FIG. 3, it is due to an error generated during the experiment, and is actually a value close to 100%. it is conceivable that.

また、LiSを含む非水電解質を用いるとともに、正極および負極としてそれぞれ鉄箔およびリチウム金属を用いた実施例3と、LiSを含む非水電解質を用いるとともに、正極および負極としてそれぞれニッケル箔およびリチウム金属を用いた実施例4とでは、図6および図7に示すように、初期(1サイクル目の)充電容量は、0.34mAhおよび0.514mAhであり、初期(1サイクル目の)放電容量は、0.171mAhおよび0.308mAhであった。これによって、正極としてそれぞれ鉄箔およびニッケル箔を用いるとともに、負極としてリチウム金属を用いた実施例3および実施例4に対応する試験セルにおいて、充放電を行うことができるということが判明した。また、初期充放電効率は、実施例3では、50%であり、実施例4では、59%であった。 Further, the use of non-aqueous electrolyte containing Li 2 S, as in Example 3 using iron foil and lithium metal respectively as a positive electrode and the negative electrode, together with the use of non-aqueous electrolyte containing Li 2 S, respectively nickel as the positive electrode and the negative electrode In Example 4 using foil and lithium metal, as shown in FIGS. 6 and 7, the initial (first cycle) charge capacities are 0.34 mAh and 0.514 mAh, and the initial (first cycle) ) The discharge capacities were 0.171 mAh and 0.308 mAh. Thus, it was found that charging and discharging can be performed in the test cells corresponding to Example 3 and Example 4 using iron foil and nickel foil as the positive electrode and using lithium metal as the negative electrode. The initial charge / discharge efficiency was 50% in Example 3 and 59% in Example 4.

LiSを含む非水電解質を用いるとともに、正極および負極として、それぞれ、硫黄と化合物を形成することのない材料およびリチウム金属を用いた比較例1では、図8および図9に示すように、初期(1サイクル目の)充電容量は、0.36mAhであり、初期(1サイクル目の)放電容量は、0.15mAhであった。また、初期充放電効率は、41%であり、2サイクル目以降の充放電効率は、約70%〜約80%であった。 In Comparative Example 1 using a non-aqueous electrolyte containing Li 2 S and a material that does not form a compound with sulfur and lithium metal, respectively, as a positive electrode and a negative electrode, as shown in FIGS. The initial (first cycle) charge capacity was 0.36 mAh, and the initial (first cycle) discharge capacity was 0.15 mAh. The initial charge / discharge efficiency was 41%, and the charge / discharge efficiency after the second cycle was about 70% to about 80%.

上記のように、正極として銅箔(硫黄と化合物を形成する金属)を用いた実施例1および実施例2では、正極として硫黄と化合物を形成する材料を用いない比較例1の容量維持率(約70%〜約80%)よりも高い容量維持率(略100%)を得ることができるので、実施例1および実施例2の方が比較例1よりも充放電サイクル特性を向上させることができる。これは、以下の理由によると考えられる。すなわち、実施例1および実施例2では、正極に硫黄と化合物を形成する金属である銅箔を用いることによって、充電反応の際に、電解質中の硫化物イオンを硫黄として正極に析出させるのではなく、硫化銅として正極に固定的に析出させることができると考えられる。これにより、硫化物イオンが多硫化物イオンとして再び電解質中に溶出するのを防止することができるので、負極と電解質中の多硫化物イオンとの反応に起因する自己放電現象を防止することができると考えられる。その結果、非水電解質二次電池の充放電サイクル特性を向上させることができたと考えられる。これに対して、正極として硫黄と化合物を形成する材料を用いない比較例1では、充電反応の際に、電解質中の硫化物イオンが硫黄として正極に析出するとともに、析出した硫黄が多硫化物イオンとして再び電解質中に溶出すると考えられる。これにより、負極と電解質中の多硫化物イオンとの反応に起因する自己放電現象が起こり、その結果、非水電解質二次電池の充放電サイクル特性が低下したと考えられる。   As described above, in Example 1 and Example 2 using copper foil (a metal that forms a compound with sulfur) as the positive electrode, the capacity retention rate of Comparative Example 1 without using a material that forms a compound with sulfur as the positive electrode ( A capacity retention ratio (approximately 100%) higher than about 70% to about 80%) can be obtained, and therefore, Example 1 and Example 2 can improve charge / discharge cycle characteristics more than Comparative Example 1. it can. This is considered to be due to the following reason. That is, in Example 1 and Example 2, by using a copper foil, which is a metal that forms a compound with sulfur, in the positive electrode, sulfide ions in the electrolyte are deposited as sulfur on the positive electrode during the charging reaction. However, it is considered that copper sulfide can be fixedly deposited on the positive electrode. As a result, it is possible to prevent the sulfide ions from eluting again into the electrolyte as polysulfide ions, so that the self-discharge phenomenon caused by the reaction between the negative electrode and the polysulfide ions in the electrolyte can be prevented. It is considered possible. As a result, it is considered that the charge / discharge cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery could be improved. On the other hand, in Comparative Example 1 in which a material that forms a compound with sulfur is not used as the positive electrode, sulfide ions in the electrolyte are deposited on the positive electrode as sulfur during the charging reaction, and the precipitated sulfur is polysulfide. It is thought that it elutes again into the electrolyte as ions. Thereby, the self-discharge phenomenon resulting from the reaction between the negative electrode and the polysulfide ion in the electrolyte occurs, and as a result, the charge / discharge cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery are considered to have deteriorated.

また、上記のように、正極として鉄箔を用いた実施例3および正極としてニッケル箔を用いた実施例4では、正極として硫黄と化合物を形成する材料を用いない比較例1の初期放電容量(0.15mAh)よりも高い初期放電容量(0.171mAhおよび0.308mAh)を得ることができることが判明した。これにより、実施例3および実施例4においても、実施例1および実施例2と同様に、比較例1よりも充放電サイクル特性を向上させることができると推測される。この推測を裏付ける理由として、実施例3および実施例4では、正極に硫黄と化合物を形成する金属である鉄箔およびニッケル箔を用いることによって、充電反応の際に、電解質中の硫化物イオンを硫黄として正極に析出させるのではなく、硫化鉄および硫化ニッケルとして正極に固定的に析出させることができると考えられる。これにより、硫化物イオンが多硫化物イオンとして再び電解質中に溶出するのを防止することができるので、負極と電解質中の多硫化物イオンとの反応に起因する自己放電現象を防止することができると考えられる。その結果、非水電解質二次電池の充放電サイクル特性を向上させることができると考えられる。   As described above, in Example 3 using iron foil as the positive electrode and Example 4 using nickel foil as the positive electrode, the initial discharge capacity of Comparative Example 1 without using a material that forms a compound with sulfur as the positive electrode ( It has been found that initial discharge capacities (0.171 mAh and 0.308 mAh) higher than 0.15 mAh) can be obtained. Thereby, also in Example 3 and Example 4, similarly to Example 1 and Example 2, it is estimated that a charge / discharge cycle characteristic can be improved rather than the comparative example 1. FIG. As a reason to support this assumption, in Example 3 and Example 4, by using an iron foil and a nickel foil, which are metals that form a compound with sulfur, in the positive electrode, sulfide ions in the electrolyte are reduced during the charging reaction. It is thought that it can be fixedly deposited on the positive electrode as iron sulfide and nickel sulfide rather than being deposited on the positive electrode as sulfur. As a result, it is possible to prevent the sulfide ions from eluting again into the electrolyte as polysulfide ions, so that the self-discharge phenomenon caused by the reaction between the negative electrode and the polysulfide ions in the electrolyte can be prevented. It is considered possible. As a result, it is considered that the charge / discharge cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be improved.

また、実施例2において、12サイクル目の充放電から充電終止電位を3.0V(vs.Li/Li)に変更して充放電試験を行ったところ、図5に示すように、1サイクル目から11サイクル目までの放電容量に比べて、大きな放電容量を得ることができることが判明した。これは、以下の理由によると考えられる。すなわち、充電終止電位を2.8V(vs.Li/Li)から3.0V(vs.Li/Li)に変更することによって、充電反応の際により多くの硫化銅が形成されたためであるか、または、CuS(z≧0.5)におけるzの値がより大きい硫化銅が形成されることにより、反応電子数が増大したためであると考えられる。 In Example 2, the charge / discharge test was performed by changing the charge end potential to 3.0 V (vs. Li / Li + ) from the charge / discharge at the 12th cycle. As shown in FIG. It was found that a large discharge capacity can be obtained as compared with the discharge capacity from the first to the 11th cycle. This is considered to be due to the following reason. That is, by changing the charge end potential from 2.8 V (vs. Li / Li + ) to 3.0 V (vs. Li / Li + ), more copper sulfide was formed during the charging reaction. Alternatively, it is considered that the number of reaction electrons increased due to the formation of copper sulfide having a larger z value in CuS z (z ≧ 0.5).

なお、今回開示された実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。   In addition, it should be thought that the Example disclosed this time is an illustration and restrictive at no points. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.

たとえば、上記実施例では、正極として銅箔、鉄箔およびニッケル箔を用いたが、本発明はこれに限らず、銅箔、鉄箔、ニッケル箔以外の硫黄と化合物を形成することのできる銅などの金属を主体(50%以上の含有率)とする材料を正極に用いてもよい。たとえば、硫黄と化合物を形成することのできる材料として、銅を主体とする材料を用いる場合には、銅と合金を形成する金属として、ニッケル、スズ、シリコン、アルミニウム、ベリリウム、タングステン、銀、亜鉛、マンガンおよび鉛からなるグループより選択される少なくとも1つを用いることが可能である。具体的な銅合金としては、青銅、コンスタンタン、白銅、黄銅、洋白、赤黄銅などが挙げられる。また、正極活物質として、銅を主体とする粉末を正極集電体上に塗布したものを用いてもよいが、銅を主体とする正極集電体が、正極活物質としての機能を有することがより好ましい。たとえば、正極集電体に銅箔を用いるとともに、その銅箔を正極活物質として用いれば、銅箔上に銅と硫黄とが反応して生成された硫化銅が析出し、正極集電体の厚みが小さくなるので、電池の高容量化を期待することができる。また、集電体としては、銅箔に限らず、銅合金箔を用いてもよい。なお、集電体の厚みとしては、電池の高容量化の観点から、50μm以下の厚みを有するものが好ましく、20μm以下の厚みを有するものがより好ましく、10μm以下の厚みを有するものが最も好ましい。   For example, in the above embodiment, copper foil, iron foil and nickel foil were used as the positive electrode. However, the present invention is not limited to this, and copper capable of forming a compound with sulfur other than copper foil, iron foil and nickel foil. A material mainly composed of a metal such as 50% or more may be used for the positive electrode. For example, when a material mainly composed of copper is used as a material capable of forming a compound with sulfur, nickel, tin, silicon, aluminum, beryllium, tungsten, silver, zinc are used as metals that form an alloy with copper. It is possible to use at least one selected from the group consisting of manganese and lead. Specific examples of the copper alloy include bronze, constantan, white bronze, brass, western white, and red brass. In addition, as the positive electrode active material, a powder in which a powder mainly composed of copper is coated on the positive electrode current collector may be used, but the positive electrode current collector mainly composed of copper has a function as a positive electrode active material. Is more preferable. For example, when copper foil is used for the positive electrode current collector and the copper foil is used as the positive electrode active material, copper sulfide produced by the reaction of copper and sulfur is deposited on the copper foil, and the positive electrode current collector Since the thickness is reduced, an increase in the capacity of the battery can be expected. Further, the current collector is not limited to the copper foil, and a copper alloy foil may be used. The thickness of the current collector is preferably 50 μm or less, more preferably 20 μm or less, and most preferably 10 μm or less from the viewpoint of increasing the battery capacity. .

また、銅以外の硫黄と化合物を形成する金属を主体とする材料も用いることができる。そのような金属としては、たとえば、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、チタン、モリブデン、タングステン、亜鉛、銀、スズ、ジルコニウム、ルテニウム、ニオブ、タンタル、パラジウムおよびゲルマニウムなどが挙げられる。また、硫黄と化合物を形成することのできる材料として、鉄を主体とする材料を用いる場合には、鉄と合金を形成する金属として、ニッケル、モリブデン、チタン、マンガン、クロム、コバルト、タングステンおよびアルミニウムからなるグループより選択される少なくとも1つが挙げられる。また、硫黄と化合物を形成することのできる材料として、ニッケルを主体とする材料を用いる場合には、ニッケルと合金を形成する金属として、ベリリウム、銅、銀、コバルト、モリブデン、アルミニウム、鉄、マンガン、シリコン、チタンおよびタングステンからなるグループより選択される少なくとも1つが挙げられる。また、これらの金属および合金は、炭素を含んでいてもよい。なお、銅と硫黄とは、接触させるだけで容易に硫化銅を形成するので、上記した金属および合金の中でも、銅または銅合金を用いれば、最も大きな効果が期待できると考えられる。   Moreover, the material which has as a main the metal which forms sulfur and compounds other than copper can also be used. Examples of such metals include iron, nickel, manganese, cobalt, titanium, molybdenum, tungsten, zinc, silver, tin, zirconium, ruthenium, niobium, tantalum, palladium, and germanium. In addition, when a material mainly composed of iron is used as a material capable of forming a compound with sulfur, nickel, molybdenum, titanium, manganese, chromium, cobalt, tungsten, and aluminum are used as metals that form an alloy with iron. At least one selected from the group consisting of: In addition, when a material mainly composed of nickel is used as a material capable of forming a compound with sulfur, beryllium, copper, silver, cobalt, molybdenum, aluminum, iron, manganese are used as the metal that forms an alloy with nickel. , At least one selected from the group consisting of silicon, titanium and tungsten. Moreover, these metals and alloys may contain carbon. Note that copper and sulfur easily form copper sulfide only by contacting them, and it is considered that the greatest effect can be expected by using copper or a copper alloy among the metals and alloys described above.

また、上記実施例では、非水電解質に硫化リチウムLiSを添加する例を示したが、本発明はこれに限らず、硫化リチウムLiS以外の多硫化リチウムLi(1<x≦8)を添加してもよい。なお、非水電解質に添加する(多)硫化リチウムLi(1≦x≦8)は、できるだけ放電状態であることが好ましい。すなわち、(多)硫化リチウムLi(1≦x≦8)におけるxの値が小さいほど好ましく、完全放電状態であるx=1の場合の硫化リチウムLiSが最も好ましい。 In the above embodiment, the non-aqueous there is shown an example of adding lithium sulfide Li 2 S in the electrolyte, the present invention is not limited thereto, lithium sulfide Li 2 S other than lithium polysulphides Li 2 S x (1 < x ≦ 8) may be added. The (poly) lithium sulfide Li 2 S x (1 ≦ x ≦ 8) added to the nonaqueous electrolyte is preferably in a discharged state as much as possible. That is, the smaller the value of x in (poly) lithium sulfide Li 2 S x (1 ≦ x ≦ 8), the more preferable, and lithium sulfide Li 2 S in the case of x = 1 being the complete discharge state is most preferable.

また、上記実施例では、非水電解質に含まれる有機溶媒として、1,2−ジメトキシエタンと1,3−ジオキソランとの混合溶媒を用いたが、本発明はこれに限らず、(多)硫化リチウムLi(1≦x≦8)を溶解させることができる1,2−ジメトキシエタンおよび1,3−ジオキソラン以外の他の有機溶媒を用いてもよい。このような有機溶媒としては、環状エーテル、鎖状エーテルおよび融点が60℃以下の常温溶融塩などが挙げられる。具体的には、上記環状エーテルとしては、1,3−ジオキソラン、2−メチル−1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、プロピレンオキシド、1,2−ブチレンオキシド、1,4−ジオキサン、1,3,5−トリオキサン、フラン、2−メチルフラン、1,8−シネオールおよびクラウンエーテルなどが挙げられる。 In the above embodiment, a mixed solvent of 1,2-dimethoxyethane and 1,3-dioxolane is used as the organic solvent contained in the non-aqueous electrolyte. However, the present invention is not limited to this, and (poly) sulfurization is used. Other organic solvents other than 1,2-dimethoxyethane and 1,3-dioxolane capable of dissolving lithium Li 2 S x (1 ≦ x ≦ 8) may be used. Examples of such an organic solvent include cyclic ethers, chain ethers, and room temperature molten salts having a melting point of 60 ° C. or lower. Specifically, the cyclic ether includes 1,3-dioxolane, 2-methyl-1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, propylene oxide, 1,2 -Butylene oxide, 1,4-dioxane, 1,3,5-trioxane, furan, 2-methylfuran, 1,8-cineole, crown ether and the like.

また、上記鎖状エーテルとしては、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジヘキシルエーテル、エチルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル、メチルフェニルエーテル、エチルフェニルエーテル、ブチルフェニルエーテル、ペンチルフェニルエーテル、メトキシトルエン、ベンジルエチルエーテル、ジフェニルエーテル、ジベンジルエーテル、−ジメトキシベンゼン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、1,1−ジメトキシメタン、1,1−ジエトキシエタン、トリエチレングリコールジメチルエーテルおよびテトラエチレングリコールジメチルエーテルなどが挙げられる。また、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、テトラメチル尿素、ジメチルスルホキシドおよびアセトニトリルからなるグループより選択される少なくとも1つを非水電解質に含まれる有機溶媒として用いてもよい。 Examples of the chain ether include 1,2-dimethoxyethane, diethyl ether, dipropyl ether, diisopropyl ether, dibutyl ether, dihexyl ether, ethyl vinyl ether, butyl vinyl ether, methyl phenyl ether, ethyl phenyl ether, butyl phenyl ether, Pentylphenyl ether, methoxytoluene, benzylethyl ether, diphenyl ether, dibenzyl ether, 0 -dimethoxybenzene, 1,2-diethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol dibutyl ether, 1 , 1-dimethoxymethane, 1,1-diethoxyethane, triethylene glycol dimethyl ether Such fine tetraethylene glycol dimethyl ether. Further, a group consisting of γ-butyrolactone, γ-valerolactone, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N, N-dimethylformamide, N, N-diethylformamide, tetramethylurea, dimethylsulfoxide and acetonitrile At least one selected from the above may be used as the organic solvent contained in the nonaqueous electrolyte.

また、融点が60℃以下の室温溶融塩としては、第4級アンモニウム塩、イミダゾリウム塩およびピラゾリウム塩などが挙げられる。ここで、第4級アンモニウム塩は、イミダゾリウム塩やピラゾリウム塩などの他の常温溶融塩に比べて、リチウム金属と反応し難い材料であるので、金属負極としてリチウム金属を用いる場合には、第4級アンモニウム塩を用いるのが好ましい。   Examples of room temperature molten salts having a melting point of 60 ° C. or lower include quaternary ammonium salts, imidazolium salts and pyrazolium salts. Here, the quaternary ammonium salt is a material that is less likely to react with lithium metal than other room temperature molten salts such as imidazolium salt and pyrazolium salt. Therefore, when lithium metal is used as the metal anode, It is preferable to use a quaternary ammonium salt.

なお、第4級アンモニウム塩としては、たとえば、トリメチルプロピルアンモニウム・ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド((CH(C) N(SOCF)、トリメチルオクチルアンモニウム・ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド((CH(C17) N(SOCF)、トリメチルアリルアンモニウム・ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド((CH(Allyl) N(SOCF)、トリメチルヘキシルアンモニウム・ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド((CH(C13) N(SOCF)、メトキシメチルトリメチルアンモニウム・ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド((CH(CHOCH) N(SOCF)、トリメチルエチルアンモニウム・2,2,2−トリフルオロ−N−(トリフルオロメチルスルホニル)アセトアミド((CH(C) (CFCO)N(SOCF))、トリメチルアリルアンモニウム・2,2,2−トリフルオロ−N−(トリフルオロメチルスルホニル)アセトアミド((CH(Allyl) (CFCO)N(SOCF))、トリメチルプロピルアンモニウム・2,2,2−トリフルオロ−N−(トリフルオロメチルスルホニル)アセトアミド((CH(C) (CFCO)N(SOCF))、テトラエチルアンモニウム・2,2,2−トリフルオロ−N−(トリフルオロメチルスルホニル)アセトアミド((C (CFCO)N(SOCF))およびトリエチルメチルアンモニウム・2,2,2−トリフルオロ−N−(トリフルオロメチルスルホニル)アセトアミド((C(CH) (CFCO)N(SOCF))などが挙げられる。 Examples of the quaternary ammonium salt include trimethylpropylammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide ((CH 3 ) 3 N + (C 3 H 7 ) N (SO 2 CF 3 ) 2 ), trimethyl octyl ammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide ((CH 3) 3 N + (C 8 H 17) N - (SO 2 CF 3) 2), trimethyl allyl ammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (( CH 3) 3 N + (Allyl ) N - (SO 2 CF 3) 2), trimethyl hexyl ammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide ((CH 3) 3 N + (C 6 H 13) N - (SO 2 CF 3) 2), methoxymethyl trimethylammonium bis (tri Le Oro methylsulfonyl) imide ((CH 3) 3 N + (CH 2 OCH 3) N - (SO 2 CF 3) 2), trimethylethyl ammonium 2,2,2-trifluoro -N- (trifluoromethyl sulfonyl) acetamide ((CH 3) 3 N + (C 2 H 5) (CF 3 CO) N - (SO 2 CF 3)), trimethyl allyl ammonium 2,2,2-trifluoro -N- (trifluoro methylsulfonyl) acetamide ((CH 3) 3 N + (Allyl) (CF 3 CO) N - (SO 2 CF 3)), trimethylpropylammonium-2,2,2-trifluoro -N- (trifluoromethylsulfonyl ) acetamide ((CH 3) 3 N + (C 3 H 7) (CF 3 CO) N - (SO 2 CF 3)), Tet Ethyl ammonium 2,2,2-trifluoro -N- (trifluoromethylsulfonyl) acetamide ((C 2 H 5) 4 N + (CF 3 CO) N - (SO 2 CF 3)) and triethyl methyl ammonium and the like are - 2,2,2-trifluoro -N- (trifluoromethylsulfonyl) acetamide ((SO 2 CF 3) ( C 2 H 5) 3 N + (CH 3) (CF 3 CO) N) .

また、上記実施例では、溶質(リチウム塩)としてのLiN(SOCFが溶解された非水電解質を用いたが、本発明はこれに限らず、LiN(SOCF以外のリチウム塩が溶解された非水電解質を用いてもよい。LiN(SOCF以外のリチウム塩としては、たとえば、LiBF、LiPF、LiCFSO、LiCSO、LiN(SO、LiAsFおよびジフルオロ(オキサラト)ホウ酸リチウム(以下の化1の化学式によって表わされる物質)などが挙げられる。また、上記したリチウム塩からなるグループより選択される2つ以上を組み合わせた混合物を用いてもよい。 Further, the above embodiment is used LiN (SO 2 CF 3) 2 was dissolved nonaqueous electrolyte as a solute (lithium salt), the present invention is not limited to this, LiN (SO 2 CF 3) 2 A nonaqueous electrolyte in which a lithium salt other than the above is dissolved may be used. Examples of lithium salts other than LiN (SO 2 CF 3 ) 2 include LiBF 4 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiAsF 6 and difluoro. (Oxalato) lithium borate (substance represented by the chemical formula of the following chemical formula 1) and the like. Moreover, you may use the mixture which combined 2 or more selected from the group which consists of an above-described lithium salt.

Figure 2005251473
また、上記実施例では、負極活物質としてリチウム金属またはアモルファスシリコン膜を用いたが、本発明はこれに限らず、一般的にリチウムイオン電池に使用されている材料を主体とする負極活物質として用いてもよい。具体的には、リチウムアルミニウム合金、黒鉛、シリコンおよびスズなどが挙げられる。なお、シリコンを主体とする負極活物質としては、金属箔からなる集電体上にCVD(Chemical Vapor Deposition)法、スパッタリング法、蒸着法および溶射法などにより堆積させたシリコン膜およびシリコン合金膜が挙げられる。ここで、シリコンを主体とする負極活物質とは、シリコンが全体の50%以上の割合で含有されている負極活物質を示している。上記堆積されたシリコン膜としては、非晶質(アモルファス)シリコン膜および微結晶シリコン膜を用いるのが好ましい。また、堆積されたシリコン合金膜としては、たとえば、コバルト、鉄、ジルコニウムおよび亜鉛などを含むシリコン合金膜が挙げられる。また、負極活物質としてシリコン粉末を用いてもよい。なお、このようなシリコン粉末を用いる場合には、シリコン粉末とバインダとを含むスラリーを負極集電体上に塗布することにより負極を作製することができる。また、負極活物質として堆積されたシリコン膜を用いる場合には、集電体上のシリコン膜が厚み方向の切れ目によって柱状に分離された電極、銅成分などの集電体成分がシリコン膜の内部に拡散した電極、または、表面が粗面化された集電体の上に形成されたシリコン膜を用いた電極を用いるのが好ましい。
Figure 2005251473
Further, in the above embodiment, lithium metal or amorphous silicon film was used as the negative electrode active material, but the present invention is not limited to this, and as a negative electrode active material mainly composed of materials generally used in lithium ion batteries. It may be used. Specific examples include lithium aluminum alloy, graphite, silicon, and tin. Note that as the negative electrode active material mainly composed of silicon, a silicon film and a silicon alloy film deposited on a current collector made of metal foil by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a sputtering method, a vapor deposition method, a thermal spraying method, or the like. Can be mentioned. Here, the negative electrode active material mainly composed of silicon refers to a negative electrode active material containing silicon in a proportion of 50% or more of the whole. As the deposited silicon film, an amorphous silicon film and a microcrystalline silicon film are preferably used. Examples of the deposited silicon alloy film include a silicon alloy film containing cobalt, iron, zirconium, zinc, and the like. Moreover, you may use a silicon powder as a negative electrode active material. In addition, when using such a silicon powder, a negative electrode can be produced by applying a slurry containing silicon powder and a binder on a negative electrode current collector. In addition, when a silicon film deposited as a negative electrode active material is used, an electrode in which the silicon film on the current collector is separated into a columnar shape by a cut in the thickness direction, and a current collector component such as a copper component is inside the silicon film. It is preferable to use an electrode that has diffused into the surface or an electrode that uses a silicon film formed on a current collector having a roughened surface.

実施例1〜4および比較例1による非水電解質二次電池の正極の特性を調べるために作製した試験セルを示した斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing a test cell produced for examining the characteristics of the positive electrode of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. 実施例1に対応する試験セルについて行った充放電試験における初期充放電特性を示したグラフである。2 is a graph showing initial charge / discharge characteristics in a charge / discharge test performed on a test cell corresponding to Example 1. FIG. 実施例1に対応する試験セルについて行った充放電試験におけるサイクル数と放電容量および充放電効率との関係を示したグラフである。4 is a graph showing the relationship between the number of cycles, the discharge capacity, and the charge / discharge efficiency in a charge / discharge test performed on a test cell corresponding to Example 1. FIG. 実施例2に対応する試験セルについて行った充放電試験における初期充放電特性を示したグラフである。4 is a graph showing initial charge / discharge characteristics in a charge / discharge test performed on a test cell corresponding to Example 2. FIG. 実施例2に対応する試験セルについて行った充放電試験におけるサイクル数と放電容量および充放電効率との関係を示したグラフである。6 is a graph showing the relationship between the number of cycles, the discharge capacity, and the charge / discharge efficiency in a charge / discharge test performed on a test cell corresponding to Example 2. FIG. 実施例3に対応する試験セルについて行った充放電試験における初期充放電特性を示したグラフである。4 is a graph showing initial charge / discharge characteristics in a charge / discharge test performed on a test cell corresponding to Example 3. FIG. 実施例4に対応する試験セルについて行った充放電試験における初期充放電特性を示したグラフである。6 is a graph showing initial charge / discharge characteristics in a charge / discharge test performed on a test cell corresponding to Example 4. FIG. 比較例1に対応する試験セルについて行った充放電試験における初期充放電特性を示したグラフである。5 is a graph showing initial charge / discharge characteristics in a charge / discharge test performed on a test cell corresponding to Comparative Example 1. FIG. 比較例1に対応する試験セルについて行った充放電試験におけるサイクル数と放電容量および充放電効率との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between the cycle number in the charging / discharging test done about the test cell corresponding to the comparative example 1, discharge capacity, and charging / discharging efficiency.

符号の説明Explanation of symbols

1 正極
2 負極
5 非水電解質
1 Positive electrode 2 Negative electrode 5 Nonaqueous electrolyte

Claims (6)

少なくとも硫黄と化合物を形成する金属を含有する正極活物質を含む正極と、
リチウムを吸蔵および放出する材料を含む負極と、
Li(1≦x≦8)を含む非水電解質とを備えた、非水電解質二次電池。
A positive electrode including a positive electrode active material containing a metal that forms a compound with at least sulfur; and
A negative electrode comprising a material that occludes and releases lithium;
A nonaqueous electrolyte secondary battery comprising a nonaqueous electrolyte containing Li 2 S x (1 ≦ x ≦ 8).
前記硫黄と化合物を形成する金属は、銅、鉄およびニッケルのうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の非水電解質二次電池。   The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the metal that forms a compound with sulfur includes at least one of copper, iron, and nickel. 前記硫黄と化合物を形成する金属を含む正極は、銅、鉄およびニッケルのうちのいずれかの金属を主体とする金属箔を含む、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。   The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode including a metal that forms a compound with sulfur includes a metal foil mainly composed of any one of copper, iron, and nickel. 前記硫黄と化合物を形成する金属を含む正極は、銅箔、鉄箔およびニッケル箔のうちのいずれかを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。   The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode including a metal that forms a compound with sulfur includes any one of copper foil, iron foil, and nickel foil. 前記非水電解質は、前記Li(1≦x≦8)を過飽和の状態で含んでいる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。 5. The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the non-aqueous electrolyte includes the Li 2 S x (1 ≦ x ≦ 8) in a supersaturated state. 前記負極は、シリコンを含有する負極活物質を含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。   The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode includes a negative electrode active material containing silicon.
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