JP2012099342A - 硫黄系正極活物質の製造方法、硫黄系正極活物質、および、リチウムイオン二次電池用正極 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】硫黄系正極活物質の混合原料を、石炭ピッチ、石油ピッチ、メソフェーズピッチ、アスファルト、コールタール、コールタールピッチ、縮合多環芳香族炭化水素化合物の重縮合で得られる有機合成ピッチ、および、ヘテロ原子含有縮合多環芳香族炭化水素化合物の重縮合で得られる有機合成ピッチからなる群から選ばれる少なくとも一種の炭素材料と、硫黄と、で構成し、この混合原料を、炭素材料の少なくとも一部と硫黄の少なくとも一部とが液体となるように加熱する。
【選択図】図3
Description
本発明の硫黄系正極活物質の製造方法(以下、本発明の製造方法と略する)においては、硫黄系正極活物質の原料として、炭素材料と硫黄とを用いる。このうち炭素材料としては、石炭ピッチ、石油ピッチ、メソフェーズピッチ(異方性ピッチ)、アスファルト、コールタール、コールタールピッチ、縮合多環芳香族炭化水素化合物の重縮合で得られる有機合成ピッチ、またはヘテロ原子含有縮合多環芳香族炭化水素化合物の重縮合で得られる有機合成ピッチ、からなる群から選ばれる少なくとも一種を用いる。これらは縮合多環芳香族を含む炭素材料として知られている。以下、これらの炭素材料をピッチ系炭素材料と呼ぶ。
本発明の硫黄系正極活物質は、本発明の製造方法で製造できる。本発明の硫黄系正極活物質は、正極、負極および電解質を持つリチウムイオン二次電池用の正極に用いられる。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極は、上述した本発明の硫黄系正極活物質を含む。このリチウムイオン二次電池用正極は、正極活物質以外は、一般的なリチウムイオン二次電池用正極と同様の構造にできる。例えば、本発明のリチウムイオン二次電池用正極は、本発明の硫黄系正極活物質、導電助剤、バインダ、および溶媒を混合した正極材料を、集電体に塗布することによって製作できる。
導電助剤としては、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber:VGCF)、炭素粉末、カーボンブラック(CB)、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、黒鉛、アルミニウムやチタンなどの正極電位において安定な金属の微粉末等が例示される。
バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidene DiFluoride:PVDF)、ポリ四フッ化エチレン(PTFE)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリ塩化ビニル(PVC)、メタクリル樹脂(PMA)、ポリアクリロニトリル(PAN)、変性ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等が例示される。
溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアルデヒド、アルコール、水等が例示される。これら導電助剤、バインダおよび溶媒は、それぞれ複数種を混合して用いても良い。これらの材料の配合量は特に問わないが、例えば、硫黄系正極活物質100質量部に対して、導電助剤20〜100質量部程度、バインダ10〜20質量部程度を配合するのが好ましい。また、その他の方法として、本発明の硫黄系正極活物質と上述した導電助剤およびバインダとの混合物を乳鉢やプレス機などで混練しかつフィルム状にし、フィルム状の混合物をプレス機等で集電体に圧着することで、本発明のリチウムイオン二次電池用正極を製造することもできる。
以下、本発明の硫黄系正極活物質を正極に用いたリチウムイオン二次電池の構成について説明する。以下、本発明の硫黄系正極活物質を正極に用いたリチウムイオン二次電池を単にリチウムイオン二次電池用と略する。なお、正極に関しては、上述したとおりである。
負極材料としては、公知の金属リチウム、黒鉛などの炭素系材料、シリコン薄膜などのシリコン系材料、銅−錫やコバルト−錫などの合金系材料を使用できる。負極材料として、リチウムを含まない材料、例えば、上記した負極材料の内で、炭素系材料、シリコン系材料、合金系材料等を用いる場合には、デンドライドの発生による正負極間の短絡を生じ難い点で有利である。ただし、これらのリチウムを含まない負極材料を本発明の正極と組み合わせて用いる場合には、正極および負極が何れもリチウムを含まない。このため、負極および正極の何れか一方、または両方にあらかじめリチウムを挿入するリチウムプリドープ処理が必要となる。リチウムのプリドープ法としては公知の方法に従えば良い。例えば負極にリチウムをドープする場合には、対極に金属リチウムを用いて半電池を組み、電気化学的にリチウムをドープする電解ドープ法によってリチウムを挿入する方法や、金属リチウム箔を電極に貼り付けたあと電解液の中に放置し電極へのリチウムの拡散を利用してドープする貼り付けプリドープ法によりリチウムを挿入する方法が挙げられる。また、正極にリチウムをプリドープする場合にも、上記した電解ドープ法を利用することが出来る。
リチウムイオン二次電池に用いる電解質としては、有機溶媒に電解質であるアルカリ金属塩を溶解させたものを用いることができる。有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルエーテル、ガンマ−ブチロラクトン、アセトニトリル等の非水系溶媒から選ばれる少なくとも一種を用いるのが好ましい。電解質としては、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiI、LiClO4等を用いることができる。電解質の濃度は、0.5mol/l〜1.7mol/l程度であれば良い。なお、電解質は液状に限定されない。例えば、リチウムイオン二次電池がリチウムポリマー二次電池である場合、電解質は固体状(例えば高分子ゲル状)をなす。
リチウムイオン二次電池は、上述した負極、正極、電解質以外にも、セパレータ等の部材を備えても良い。セパレータは、正極と負極との間に介在し、正極と負極との間のイオンの移動を許容するとともに、正極と負極との内部短絡を防止する。リチウムイオン二次電池が密閉型であれば、セパレータには電解液を保持する機能も求められる。セパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、アラミド、ポリイミド、セルロース、ガラス等を材料とする薄肉かつ微多孔性または不織布状の膜を用いるのが好ましい。リチウムイオン二次電池の形状は特に限定されず、円筒型、積層型、コイン型等、種々の形状にできる。
〈硫黄系正極活物質の製造〉
〔1〕材料
石炭ピッチ粉末(等方性ピッチ、CAS番号65996−93−2)1gと硫黄粉末5gとを乳鉢で混合・粉砕して、混合原料を得た。
図1に示すように、反応装置1は、反応容器2、蓋3、熱電対4、アルミナ保護管40、2つのアルミナ管(ガス導入管5、ガス排出管6)、アルゴンガス配管50、アルゴンガスを収容したガスタンク51、トラップ配管60、水酸化ナトリウム水溶液61を収容したトラップ槽62、電気炉7、電気炉に接続されている温度コントローラ70を持つ。
混合原料9を収容した反応容器2を、電気炉7(ルツボ炉、開口幅φ80mm、加熱高さ100mm)に収容した。このとき、ガス導入管5を介して反応容器2の内部にアルゴンを導入した。このときのアルゴンガスの流速は100ml/分であった。アルゴンガスの導入開始10分後に、アルゴンガスの導入を継続しつつ反応容器2中の混合原料9の加熱を開始した。このときの昇温速度は5℃/分であった。混合原料9が100℃になった時点で、混合原料9の加熱を継続しつつアルゴンガスの導入を停止した。混合原料9が約200℃になるとガスが発生した。混合原料9が330℃になった時点で加熱を停止した。加熱停止後、混合原料9の温度は350℃にまで上昇し、その後低下した。したがって、この熱処理工程において、混合原料9は350℃にまで加熱された。その後、混合原料9を自然冷却し、混合原料9が室温(約25℃)にまで冷却された時点で反応容器2から生成物(すなわち、熱処理工程後の被処理体)を取り出した。なお、このときの加熱時間は350℃で約5分であり、硫黄は還流された。
熱処理工程後の被処理体に残存する単体硫黄(遊離の硫黄)を除去するために、以下の工程をおこなった。
〔1〕正極
実施例1の硫黄系正極活物質3mgとアセチレンブラック2.7mgとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)0.3mgとの混合物を、キシレンを適量加えつつ、メノウ製乳鉢でフィルム状になるまで混練し、フィルム状の正極材料を得た。この正極材料全量を、直径14mmの円形に打ち抜いたアルミニウムメッシュにプレス機で圧着し、100℃で3時間乾燥した。この工程で、実施例1のリチウムイオン二次電池用正極を得た。
負極としては、厚さ500μmの金属リチウム箔を直径14mmに打ち抜いたものを用いた。
電解液としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒に、LiPF6を溶解した非水電解質を用いた。エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとは質量比1:1で混合した。電解液中のLiPF6の濃度は、1.0mol/lであった。
〔1〕、〔2〕で得られた正極および負極を用いて、コイン電池を製作した。詳しくは、ドライルーム内で、厚さ25μmのポリプロピレン微孔質膜からなるセパレータ(Celgard2400)と、厚さ500μmのガラス不織布フィルタと、を正極と負極との間に挟装して、電極体電池とした。この電極体電池を、ステンレス容器からなる電池ケース(CR2032型コイン電池用部材、宝泉株式会社製)に収容した。電池ケースには〔3〕で得られた電解液を注入した。電池ケースをカシメ機で密閉して、実施例1のリチウムイオン二次電池を得た。
実施例2の硫黄系正極活物質の製造方法は、熱処理工程において混合原料が250℃になった時点で加熱を停止して、混合原料を300℃にまで加熱したこと以外は、実施例1の製造方法と同じである。実施例2の硫黄系正極活物質は、実施例2の硫黄系正極活物質の製造方法で製造した硫黄系正極活物質である。実施例2のリチウムイオン二次電池用正極は、実施例2の硫黄系正極活物質を正極に含むこと以外は、実施例1のリチウムイオン二次電池用正極と同じものである。
実施例3の硫黄系正極活物質の製造方法は、熱処理工程において混合原料が300℃になった時点で加熱を停止して、混合原料を350℃にまで加熱したこと以外は、実施例1の製造方法と同じである。実施例3の硫黄系正極活物質は、実施例3の硫黄系正極活物質の製造方法で製造した硫黄系正極活物質である。実施例3のリチウムイオン二次電池用正極は、実施例3の硫黄系正極活物質を正極に含むこと以外は、実施例1のリチウムイオン二次電池用正極と同じものである。
実施例4の硫黄系正極活物質の製造方法は、単体硫黄除去工程を行わなかったこと以外は、実施例1の製造方法と同じである。したがって、実施例4の硫黄系正極活物質の製造方法における熱処理工程では、混合原料を400℃にまで加熱した。実施例4の硫黄系正極活物質は、実施例4の硫黄系正極活物質の製造方法で製造した硫黄系正極活物質である。実施例4のリチウムイオン二次電池用正極は、実施例4の硫黄系正極活物質を正極に含むこと以外は、実施例1のリチウムイオン二次電池用正極と同じものである。
実施例5の硫黄系正極活物質の製造方法は、混合原料における石炭ピッチと硫黄との配合比を1:1(質量比)としたこと、および、単体硫黄除去工程を行わなかったこと以外は実施例3の製造方法と同じである。したがって、実施例5の硫黄系正極活物質の製造方法における熱処理工程では、混合原料を350℃にまで加熱した。実施例5の硫黄系正極活物質は、実施例5の硫黄系正極活物質の製造方法で製造した硫黄系正極活物質である。
実施例6の硫黄系正極活物質の製造方法は、単体硫黄除去工程を行わなかったこと以外は実施例3の製造方法と同じである。したがって、実施例6の硫黄系正極活物質の製造方法では、混合原料における石炭ピッチと硫黄との配合比を1:5(質量比)とし、熱処理工程において混合原料を350℃にまで加熱した。実施例6の硫黄系正極活物質は、実施例6の硫黄系正極活物質の製造方法で製造した硫黄系正極活物質である。
実施例7の硫黄系正極活物質の製造方法は、単体硫黄除去工程を行わなかったこと以外は実施例3の製造方法と同じである。したがって、実施例6の硫黄系正極活物質の製造方法では、混合原料における石炭ピッチと硫黄との配合比を1:10(質量比)とし、熱処理工程において混合原料を350℃にまで加熱した。実施例6の硫黄系正極活物質は、実施例6の硫黄系正極活物質の製造方法で製造した硫黄系正極活物質である。
比較例1のリチウムイオン二次電池は、正極活物質として単体硫黄を用いたものである。
実施例3の硫黄系正極活物質、単体硫黄および単体石炭ピッチの熱質量変化(TG)を測定した。測定装置としてはリガク製熱分析装置(Thermo Plus TG8120)を用いた。詳しくは、高純度窒素ガスを100ml/分の流量で供給しつつ、各試料を室温から550℃まで10℃/分の昇温速度で加熱し、温度と質量変化との関係を測定することによって、熱質量−示差熱分析を行った。分析結果を図2に示す。図2に示すように、単体硫黄の質量は、170℃付近から徐々に減少し、200℃を超すと急激に減少する。石炭ピッチおよび実施例3の硫黄系正極活物質は、どちらも質量減少し難い。250℃〜450℃付近では石炭ピッチの方がより質量減少し難く、450℃以上では実施例3の硫黄系正極活物質の方がより質量減少し難い。参考までに、室温から550℃まで加熱したときに、石炭ピッチの質量は約30%減少し、実施例3の硫黄系正極活物質の質量は約25%減少した。このように、実施例3の硫黄系正極活物質は熱安定性に優れた化合物である。なお、硫黄系正極活物質に残存する単体硫黄のみを除去するためには、単体硫黄の質量減少が生じ、硫黄系正極活物質およびピッチの質量減少が生じない温度で単体硫黄除去工程を行うのが好ましい。上記の結果から、単体硫黄除去工程は170℃以上で行うのが好ましく、185℃以上で行うのがより好ましく、200℃以上で行うのが特に好ましいことがわかる。また、単体硫黄除去工程は300℃以下で行うのが好ましく、270℃以下で行うのがより好ましく、250℃以下で行うのが特に好ましいことがわかる。なお、単体硫黄除去工程の特に好適な温度は200℃〜250℃であると考えられる。
実施例1〜3の硫黄系正極活物質をラマンスペクトル分析した。装置として日本分光株式会社製のRMP−320(励起波長λ=532nm、グレーチング:1800gr/mm、分解能:3cm−1)を用いた。得られたラマンスペクトルを図3に示す。図3における横軸はラマンシフト(cm−1)であり、縦軸は相対強度である。実施例1〜3の硫黄系正極活物質の主ピークは1557cm−1付近に存在し、主ピークの次に大きいピークは1371cm−1付近に存在した。さらに、200cm−1〜1800cm−1の範囲内における主なピークは、1371cm−1、1049cm−1、994cm−1、842cm−1、612cm−1、412cm−1、354cm−1、314cm−1付近に存在した。単体硫黄(S8硫黄)のピークは500〜550cm−1付近に存在し、非常に強いピークであることが知られている。図3には、このS8硫黄のピークは認められなかった。この結果から、硫黄系正極活物質に硫黄はS8硫黄としては存在していないと考えられる。このため、硫黄系正極活物質の硫黄は、C−S結合等の結合をした状態で存在するか、または、ラマンスペクトルで検出できない非晶質の状態で存在すると考えられる。
実施例5〜7の硫黄系正極活物質、単体石炭ピッチ、単体硫黄について、X線回折分析を行った。装置として粉末X線回折装置(MAC Science社製、M06XCE)を用いた。測定条件は、CuKα線、電圧:40kV、電流:100mA、スキャン速度:4°/分、サンプリング:0.02°、積算回数:1回、回折角(2θ):10°〜60°であった。X線回折で得られた回折パターンを図4に示す。単体硫黄の主ピークは22°付近に存在した。単体石炭ピッチの主ピークは26°付近に存在した。実施例5の硫黄系正極活物質(石炭ピッチ:硫黄=1:1)のピークは単一ピークであり、26°付近に存在した。実施例7の硫黄系正極活物質(石炭ピッチ:硫黄=1:10)の主ピークは22°付近に存在し、実施例6の硫黄系正極活物質(石炭ピッチ:硫黄=1:5)の主ピークもまた22°付近に存在した。この結果から、実施例5の硫黄系正極活物質(石炭ピッチ:硫黄=1:1)においては、硫黄が全てピッチ系炭素材料に取り込まれることがわかる。そして、実施例6の硫黄系正極活物質(石炭ピッチ:硫黄=1:5)および実施例7の硫黄系正極活物質(石炭ピッチ:硫黄=1:10)には単体硫黄が残存するために、上述した単体硫黄除去工程が必要になることがわかる。また、実施例5の硫黄系正極活物質(石炭ピッチ:硫黄=1:1)の硫黄含有量は比較的少ないため、充放電容量が比較的小さいと推測される。したがって、混合原料におけるピッチ系炭素材料と硫黄との配合比(質量比)は、1:1以上、1:5以下であるのが好ましいと考えられる。なお、上述したように、単体硫黄除去工程の好適な温度は200℃〜250℃であると考えられる。このため、混合原料中に硫黄を過剰量配合し、熱処理工程後に単体硫黄除去工程を200℃〜250℃で行うことで、リチウムイオン二次電池の充放電容量を大きくできる硫黄系正極活物質を再現性高く製造できると考えられる。ここでいう過剰量は、ピッチ系炭素材料:硫黄=1:2〜1:10となる範囲が好ましく、1:2〜1:7となる範囲がより好ましく、1:2〜1:5となる範囲がさらに好ましい。
実施例1のリチウムイオン二次電池および比較例1のリチウムイオン二次電池の充放電容量を測定した。詳しくは、実施例1のリチウムイオン二次電池および比較例1のリチウムイオン二次電池に、正極活物質の1gあたり50mAに相当する電流値で充放電を行った。このときの放電終止電圧は1.0V、充電終止電圧は3.0Vであった。実施例1のリチウムイオン二次電池については、充放電を11回繰り返した。比較例1のリチウムイオン二次電池については、充放電を10回繰り返した。実施例1のリチウムイオン二次電池の充放電曲線を図5に示し、比較例1のリチウムイオン二次電池の充放電曲線を図6に示す。比較例1のリチウムイオン二次電池は、初期容量(1回目充放電)は大きいが、2回目の充放電以降に急速に容量低下した。実施例1のリチウムイオン二次電池は初期容量も大きく、かつ、2回目の充放電以降にも容量低下が少なかった。この結果から、ピッチ系炭素材料と硫黄とを含む混合原料に熱処理工程を施して得た本発明の硫黄系正極活物質によると、リチウムイオン二次電池の充放電容量およびサイクル特性を向上させ得ることがわかる。
実施例1〜4のリチウムイオン二次電池について、27℃で繰り返し充放電をおこなった。実施例1のリチウムイオン二次電池については60サイクル充放電し、実施例2のリチウムイオン二次電池については14サイクル充放電し、実施例3のリチウムイオン二次電池については6サイクル充放電し、実施例4のリチウムイオン二次電池については50サイクル充放電した。詳しくは、まず0.1Cで1.0VまでCC放電(低電流放電)を行い、それ以降のサイクルは0.1Cで3.0VまでCC充電を行った後に0.1Cで1.0VまでCC放電を行う充放電を、繰り返した。サイクル試験の結果を図7〜図10に示す。なお、図7は実施例1のリチウムイオン二次電池のサイクル試験の結果であり、図8は実施例2のリチウムイオン二次電池のサイクル試験の結果であり、図9は実施例3のリチウムイオン二次電池のサイクル試験の結果であり、図10は実施例4のリチウムイオン二次電池のサイクル試験の結果である。
5:ガス導入管 6:ガス排出管 7:電気炉
Claims (11)
- 炭素(C)、硫黄(S)、および複数種の多環芳香族炭化水素の混合物からなることを特徴とする硫黄系正極活物質。
- 少なくとも一部の前記Cと少なくとも一部の前記Sとは互いに結合している請求項1に記載の硫黄系正極活物質。
- ラマンスペクトルにおいて、ラマンシフトの1557cm−1付近に主ピークが存在し、かつ、200cm−1〜1800cm−1の範囲内で1371cm−1、1049cm−1、994cm−1、842cm−1、612cm−1、412cm−1、354cm−1、314cm−1付近にそれぞれピークが存在する請求項1または請求項2に記載の硫黄系正極活物質。
- 石炭ピッチ、石油ピッチ、メソフェーズピッチ、アスファルト、コールタール、コールタールピッチ、縮合多環芳香族炭化水素化合物の重縮合で得られる有機合成ピッチ、および、ヘテロ原子含有縮合多環芳香族炭化水素化合物の重縮合で得られる有機合成ピッチからなる群から選ばれる少なくとも一種の炭素材料と、硫黄と、を含む混合原料を加熱して被処理体を得る熱処理工程を含み、
該熱処理工程において、該炭素材料の少なくとも一部と該硫黄の少なくとも一部とが液体となることを特徴とする硫黄系正極活物質の製造方法。 - 前記熱処理工程において、前記硫黄を還流する請求項4に記載の硫黄系正極活物質の製造方法。
- 前記熱処理工程において、前記混合原料の温度は500℃以下である請求項4または請求項5に記載の硫黄系正極活物質の製造方法。
- 前記熱処理工程において、前記混合原料の温度は250℃以上である請求項4〜請求項6の何れか一つに記載の硫黄系正極活物質の製造方法。
- 前記混合原料中の前記炭素材料と前記硫黄との配合比は、質量比で1:1〜1:5である請求項4〜請求項7の何れか一つに記載の硫黄系正極活物質の製造方法。
- 前記混合原料中の前記炭素材料と前記硫黄との配合比は、質量比で1:2〜1:10であり、
前記熱処理工程後の前記被処理体を、減圧しつつ200℃〜250℃で加熱する単体硫黄除去工程を含む請求項4〜請求項7の何れか一つに記載の硫黄系正極活物質の製造方法。 - 請求項4〜9の何れか一つに記載の硫黄系正極活物質の製造方法で製造され、
ラマンスペクトルにおいて、ラマンシフトの1557cm−1付近に主ピークが存在し、かつ、200cm−1〜1800cm−1の範囲内で1371cm−1、1049cm−1、994cm−1、842cm−1、612cm−1、412cm−1、354cm−1、314cm−1付近にそれぞれピークが存在することを特徴とする硫黄系正極活物質。 - 請求項1〜3、10の何れか一つに記載の硫黄系正極活物質を正極に含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極。
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