JP2013028843A - Method for producing transition metal sulfide - Google Patents

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佳明 安田
Yasuyuki Hirota
恭幸 弘田
Masato Okamoto
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing at least one of transition metal sulfide selected from Groups 8-10, on an industrial scale in a stable manner.SOLUTION: The method for producing the transition metal sulfide includes a step of arranging two electrodes in at least one of liquid sulfidizing agents to generate a rectangular pulse plasma discharge between the two electrodes. At least one of the electrodes contains at least one of elements selected from transition metal elements of Groups 8-10.

Description

本発明は、遷移金属硫化物の製造方法、より詳細には、第8族〜第10族の遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の遷移金属元素を含有する遷移金属硫化物の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a transition metal sulfide, and more particularly to a method for producing a transition metal sulfide containing at least one kind of transition metal element selected from Group 8 to Group 10 transition metal elements.

近年、リチウムイオン二次電池用の正極材料として、可逆的なリチウムイオンの吸蔵および放出が可能な遷移金属硫化物(MS、ここでMは遷移金属、xは正数を表す)、特に第8族〜第10族の遷移金属(例えば鉄やニッケル)の硫化物であって、構成する硫黄と遷移金属のモル比が1を超える遷移金属硫化物が注目されている。 In recent years, as a positive electrode material for a lithium ion secondary battery, a transition metal sulfide capable of reversibly inserting and extracting lithium ions (MS x , where M is a transition metal, x represents a positive number), Attention has been focused on transition metal sulfides of Group 8 to Group 10 transition metals (for example, iron and nickel) in which the molar ratio of the constituent sulfur to the transition metal exceeds 1.

例えば硫化鉄の製造方法としては、鉄と硫黄をモル比1:2で混合し、ヨウ素を加えたのち石英管に封入して5日間程度加熱することにより黄鉄鉱の結晶を生成させる方法(非特許文献1参照)、硫酸第一鉄7水和物と斜方硫黄の混合物に、硫化水素で飽和した水酸化ナトリウム水溶液を加えたのち、硫化水素を通じてから系を密閉して、恒温乾燥器中で2週間程度維持することによりフランボイド黄鉄鉱を生成させる方法(非特許文献2参照)、鉄粉と硫黄粉をモル比1:2に混合し、アルゴンガス雰囲気下、タングステンカーバイド容器にボールミル用のボールとともに封入した後、約110時間ボールミル処理にかけて硫化鉄を生成させる方法などが知られている(非特許文献3参照)。   For example, as a method for producing iron sulfide, iron and sulfur are mixed at a molar ratio of 1: 2, and iodine is added, and then enclosed in a quartz tube and heated for about 5 days to produce pyrite crystals (non-patented). Reference 1), after adding a sodium hydroxide aqueous solution saturated with hydrogen sulfide to a mixture of ferrous sulfate heptahydrate and orthorhombic sulfur, the system is sealed after passing through the hydrogen sulfide, and in a constant temperature dryer. A method of generating flamboid pyrite by maintaining for about 2 weeks (see Non-Patent Document 2), iron powder and sulfur powder are mixed at a molar ratio of 1: 2, and a tungsten carbide container is placed in a tungsten carbide container with a ball mill ball A method of generating iron sulfide by ball milling for about 110 hours after sealing is known (see Non-Patent Document 3).

しかし上記の製造方法では、目的とする硫化鉄を得るために、100時間を越える長い反応時間を要するという欠点がある。   However, the above production method has a drawback that a long reaction time exceeding 100 hours is required to obtain the target iron sulfide.

また硫化ニッケルの製造方法として、メカニカルミリング法、液相沈殿反応法などが知られている。例えば、メカニカルミリング法によって、比較的低いエネルギーで、NiSを生成できることが知られている(非特許文献4参照)。また、液相沈殿反応法によって、pH調整が行われた塩化ニッケルとナトリウムジチオナイトを含む水性反応溶液から結晶性のNi、Ni等が生成することが知られている(非特許文献5参照)。これらの方法では系内の酸素を完全に除くことが困難なため、ニッケル酸化物および水酸化物の混入を避けるのが難しく、またS/Niの比率が高いニッケル硫化物を得ることは困難である。 Known methods for producing nickel sulfide include a mechanical milling method and a liquid phase precipitation reaction method. For example, it is known that NiS can be generated with relatively low energy by a mechanical milling method (see Non-Patent Document 4). In addition, it is known that crystalline Ni 3 S 2 , Ni 3 S 4, and the like are generated from an aqueous reaction solution containing nickel chloride and sodium dithionite adjusted for pH by a liquid phase precipitation reaction method ( Non-patent document 5). In these methods, it is difficult to completely remove oxygen in the system, so it is difficult to avoid mixing nickel oxide and hydroxide, and it is difficult to obtain nickel sulfide having a high S / Ni ratio. is there.

更に、放電プラズマ焼結による遷移金属硫化物の製造方法が提案されている(特許文献1参照)。該製造方法によれば、比較的簡便にMS(ここでMは遷移金属を表す)の組成の金属硫化物を得ることができるが、高温高圧下での処理を必要とすること、バッチ反応であることから、工業的な規模で実施することは難しい。 Furthermore, a method for producing a transition metal sulfide by spark plasma sintering has been proposed (see Patent Document 1). According to this production method, a metal sulfide having a composition of MS 2 (where M represents a transition metal) can be obtained relatively easily, but it requires treatment under high temperature and high pressure, and batch reaction. Therefore, it is difficult to implement on an industrial scale.

また、硫黄中にコンデンサー方式でプラズマ放電を間欠的に発生させて遷移金属と反応させて遷移金属硫化物を生成させる方法が開示されている(特許文献2参照)。この方法では、電流密度が安定しないため、一時的に反応場にかかる高い電流密度によって硫黄の重合が進み、均一な生成物が得られないばかりか、連続的な生産ができないなどの問題がある。   Also disclosed is a method of generating a transition metal sulfide by intermittently generating a plasma discharge in sulfur and reacting with a transition metal in a condenser system (see Patent Document 2). In this method, since the current density is not stable, sulfur polymerization proceeds due to the high current density temporarily applied to the reaction field, and there is a problem that a uniform product cannot be obtained and continuous production is not possible. .

上述のとおり、遷移金属硫化物、特に第8〜第10族の遷移金属の硫化物を工業的規模で安定的に製造する方法は確立されていない。   As described above, a method for stably producing a transition metal sulfide, in particular, a transition metal sulfide of Group 8 to Group 10 on an industrial scale has not been established.

国際公開第09/028326号International Publication No. 09/028326 USSR No.860428号USSR No. 860428

Acta Chem. Scand.、1969年、23巻、p. 2186Acta Chem. Scand., 1969, 23, p. 2186 Econ. Geol.、1969年、64巻、p. 383Econ. Geol., 1969, 64, p. 383 J. Solid StateChem.、1998年、138号、p. 114J. Solid State Chem., 1998, 138, p. 114 J. Alloys Comp.、2003年、349巻、p. 290-296J. Alloys Comp., 2003, 349, p. 290-296 Inorg. Chem.、2001年、40巻、p. 73-77Inorg. Chem., 2001, 40, p. 73-77

本発明の目的は、第8族〜第10族から選ばれる少なくとも1種の遷移金属の硫化物を、工業的規模で安定的に製造する方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a method for stably producing a sulfide of at least one transition metal selected from Group 8 to Group 10 on an industrial scale.

本発明によれば、上記の目的は、
[1]少なくとも1種の液体硫化剤中に二つの電極を配置し、当該二つの電極間に矩形パルスプラズマ放電を発生させることを含む遷移金属硫化物の製造方法であって、前記電極の少なくとも一方が、第8族〜第10族の遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の遷移金属元素を含有することを特徴とする遷移金属硫化物の製造方法;
[2]前記液体硫化剤が溶融硫黄である、上記[1]の遷移金属硫化物の製造方法;
[3]前記液体硫化剤が二硫化炭素を含む、上記[1]の遷移金属硫化物の製造方法;
[4]前記液体硫化剤が水の層によって液封されていることを特徴とする、上記[3]の遷移金属硫化物の製造方法;および、
[5]組成式:MS(式中、Mは、Fe、Co、およびNiからなる群から選ばれる少なくとも一種の遷移金属であり、xは1<x≦2の範囲にある正数である)で表される、上記[1]〜[4]のいずれかの製造方法で得られる遷移金属硫化物;
を提供することによって達成される。
According to the present invention, the above object is
[1] A method for producing a transition metal sulfide comprising disposing two electrodes in at least one liquid sulfiding agent and generating a rectangular pulse plasma discharge between the two electrodes, wherein at least one of the electrodes One of them contains at least one transition metal element selected from Group 8 to Group 10 transition metal elements;
[2] The method for producing a transition metal sulfide according to [1], wherein the liquid sulfiding agent is molten sulfur;
[3] The method for producing a transition metal sulfide according to [1] above, wherein the liquid sulfiding agent contains carbon disulfide;
[4] The method for producing a transition metal sulfide according to [3] above, wherein the liquid sulfiding agent is sealed with a water layer;
[5] Composition formula: MS x (wherein M is at least one transition metal selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni, and x is a positive number in the range of 1 <x ≦ 2. And a transition metal sulfide obtained by the production method of any one of the above [1] to [4];
Is achieved by providing

本発明によれば、第8族〜第10族から選ばれる少なくとも一種の遷移金属の硫化物を、工業的規模で安定的に製造できる。   According to the present invention, at least one transition metal sulfide selected from Group 8 to Group 10 can be stably produced on an industrial scale.

実施例1〜3で得られた遷移金属硫化物のXRDチャートである。It is an XRD chart of the transition metal sulfide obtained in Examples 1-3. 実施例1で得られた硫化ニッケル1の熱質量分析チャートである。2 is a thermal mass analysis chart of nickel sulfide 1 obtained in Example 1. FIG. 実施例2で得られた硫化ニッケル2の熱質量分析チャートである。2 is a thermal mass spectrometry chart of nickel sulfide 2 obtained in Example 2. FIG. 実施例3で得られた硫化ニッケル3の熱質量分析チャートである。2 is a thermal mass spectrometry chart of nickel sulfide 3 obtained in Example 3. FIG.

本発明の金属硫化物の製造方法は、液体硫化剤中に配置した二つの電極間に電圧を印加して矩形パルスプラズマ放電を発生させるものであり、前記電極の少なくとも一方が含有する第8族〜第10族の遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の遷移金属元素と、前記液体硫化剤との反応により遷移金属硫化物が生成する。   The method for producing a metal sulfide according to the present invention generates a rectangular pulse plasma discharge by applying a voltage between two electrodes arranged in a liquid sulfiding agent, and the Group 8 contained in at least one of the electrodes. A transition metal sulfide is produced by a reaction of at least one transition metal element selected from Group 10 transition metal elements and the liquid sulfiding agent.

かかる電極としては、第8族〜第10族の遷移金属元素からなる遷移金属単体、該遷移金属元素を含む合金、該遷移金属元素にめっき等により他の金属のコーティングを施したものが挙げられる。本発明では、元素周期律表の第8族〜第10族に属するいずれかの遷移金属元素を含有する電極を用いることで、含有する遷移金属元素(M)に対応する遷移金属硫化物(MS)の粒子を生成させることができる。正極、負極には同種の電極を用いても、異種の電極を用いてもよい。本発明の遷移金属硫化物の製造方法で用いる二つの電極の一方は、第8族〜第10族から選ばれる遷移金属元素を含有していなくてもよい。第8族〜第10族から選ばれる遷移金属元素を含有しない電極材料としては、各種金属単体やその化合物、グラファイトなどの炭素材料などの導電性物質が挙げられる。上記遷移金属元素を含有しない電極材料として炭素材料を用いた場合、炭素を含有する遷移金属硫化物が得られる。 Examples of the electrode include a transition metal element composed of a transition metal element belonging to Group 8 to Group 10, an alloy containing the transition metal element, and an electrode obtained by coating the transition metal element with another metal by plating or the like. . In the present invention, by using an electrode containing any transition metal element belonging to Group 8 to Group 10 of the Periodic Table of Elements, a transition metal sulfide (MS) corresponding to the contained transition metal element (M) is used. x ) particles can be generated. The positive electrode and the negative electrode may be the same type of electrodes or different types of electrodes. One of the two electrodes used in the method for producing a transition metal sulfide of the present invention may not contain a transition metal element selected from Group 8 to Group 10. Examples of the electrode material that does not contain a transition metal element selected from Group 8 to Group 10 include various metal simple substances and compounds thereof, and conductive substances such as carbon materials such as graphite. When a carbon material is used as the electrode material not containing the transition metal element, a transition metal sulfide containing carbon is obtained.

本発明の遷移金属硫化物の製造方法で用いる電極の形態としては、棒状、針金状、板状などいずれの形態であってもかまわない。両電極の大きさは同一であっても異なってよい。   The form of the electrode used in the method for producing a transition metal sulfide of the present invention may be any form such as a rod, wire, or plate. The size of both electrodes may be the same or different.

本発明の遷移金属硫化物の製造方法では、少なくとも1種の液体硫化剤を使用できる。液体硫化剤としては、硫黄元素が構成元素として含まれている無機物質、有機物質またはその組み合わせであって、反応温度で液体状態を保っているものであればよい。例えば、硫黄単体は120℃〜160℃の反応温度であれば液体硫化剤として用いることができる。また、二硫化炭素、または硫黄の二硫化炭素溶液(本明細書中、「二硫化炭素等」という)は、常温付近で液体硫化剤として用いることができる。二硫化炭素等を液体硫化剤として用いる場合、遷移金属硫化物は炭素材料(例えばアモルファスカーボン)とともに生成する。   In the method for producing a transition metal sulfide of the present invention, at least one liquid sulfiding agent can be used. The liquid sulfiding agent may be an inorganic substance, an organic substance or a combination thereof containing a sulfur element as a constituent element and can maintain a liquid state at the reaction temperature. For example, sulfur alone can be used as a liquid sulfiding agent at a reaction temperature of 120 ° C. to 160 ° C. Further, carbon disulfide or a carbon disulfide solution of sulfur (referred to as “carbon disulfide” in the present specification) can be used as a liquid sulfiding agent at around room temperature. When carbon disulfide or the like is used as a liquid sulfiding agent, the transition metal sulfide is generated together with a carbon material (for example, amorphous carbon).

また、これらの液体硫化剤には目的に応じて添加物を加えてもよい。例えば、添加剤として第8族〜第10族に属さない金属の塩を加えることで、かかる金属を微粒子として生成する遷移金属化合物中に取り込ませることができる。かかる金属としては、銅、亜鉛、スズなどが挙げられる。   Moreover, you may add an additive to these liquid sulfiding agents according to the objective. For example, by adding a salt of a metal that does not belong to Group 8 to Group 10 as an additive, the metal can be incorporated into a transition metal compound that is generated as fine particles. Such metals include copper, zinc, tin and the like.

本発明の遷移金属硫化物の製造方法において、矩形パルスプラズマ放電する際の液体硫化剤の温度としては、液体硫化剤の液体状態が保たれる温度であれば制限はない。例えば、液体硫化剤として硫黄単体を使用する場合には、120℃以上160℃以下の範囲が好ましく、130℃以上150℃以下がより好ましい。また、二硫化炭素を使用する場合には、二硫化炭素の沸点である46℃またはそれより低い温度を選択することができる。液体硫化剤として硫黄の二硫化炭素溶液を用いる場合には、二硫化炭素に対する硫黄の溶解度が良好なレベルに保たれるようにするため、20℃以上46℃以下であることが好ましい。   In the method for producing a transition metal sulfide of the present invention, the temperature of the liquid sulfiding agent at the time of rectangular pulse plasma discharge is not limited as long as the liquid sulfiding agent is maintained in a liquid state. For example, when sulfur alone is used as the liquid sulfiding agent, a range of 120 ° C. or higher and 160 ° C. or lower is preferable, and 130 ° C. or higher and 150 ° C. or lower is more preferable. When carbon disulfide is used, a temperature of 46 ° C. or lower, which is the boiling point of carbon disulfide, can be selected. When a sulfur carbon disulfide solution is used as the liquid sulfiding agent, it is preferably 20 ° C. or higher and 46 ° C. or lower so that the solubility of sulfur in carbon disulfide is maintained at a good level.

本発明において、液体硫化剤が二硫化炭素を含む場合、二硫化炭素の揮発性、引火性を考慮して、二硫化炭素に対して非混和性液体の層によって、液封することが好ましい。液封のために使用する非混和性液体としては、引火しにくく、かつ、二硫化炭素を含む液体硫化剤に対して非混和性であることが好ましく、入手性、安全性等の観点から水が好ましい。液体硫化剤が二硫化炭素のみからなり、かかる二硫化炭素を水によって液封する場合、用いる二硫化炭素/水の容積比は、通常、1/0.01〜1/10の範囲であることが好ましい。   In the present invention, when the liquid sulfiding agent contains carbon disulfide, it is preferably sealed with a liquid layer immiscible with carbon disulfide in consideration of the volatility and flammability of carbon disulfide. The immiscible liquid used for liquid sealing is preferably non-flammable and immiscible with a liquid sulfiding agent containing carbon disulfide. From the viewpoint of availability, safety, etc. Is preferred. When the liquid sulfiding agent is composed only of carbon disulfide, and the carbon disulfide is sealed with water, the volume ratio of carbon disulfide / water used is usually in the range of 1 / 0.01 to 1/10. Is preferred.

矩形パルスプラズマ放電する電流は、直流、交流のいずれであってもよいが、反応の温度制御および生成する遷移金属硫化物の安定性の観点から、直流が好ましい。矩形パルスプラズマ放電を発生させる電圧としては、50〜500Vの範囲にあればよいが、安全性、および特殊な装置の必要性を考慮して、60〜400Vの範囲の値であることが好ましく、80〜300Vの範囲の値であることがより好ましい。   The current for rectangular pulse plasma discharge may be either direct current or alternating current, but direct current is preferred from the viewpoint of temperature control of the reaction and the stability of the produced transition metal sulfide. The voltage for generating the rectangular pulse plasma discharge may be in the range of 50 to 500V, but in view of safety and the necessity of a special device, the voltage is preferably in the range of 60 to 400V. A value in the range of 80 to 300V is more preferable.

矩形パルスプラズマ放電する電流は、0.1〜100Aの範囲にあることが好ましく、エネルギー効率を考慮して、0.2〜30Aの範囲の値であることがより好ましい。
矩形パルスプラズマ放電における休止時間は、生成する遷移金属硫化物の安定性の観点から2マイクロ秒以上とすることが好ましく、さらに生産効率の観点から20ミリ秒以下とすることが好ましい。
The current for rectangular pulse plasma discharge is preferably in the range of 0.1 to 100 A, and more preferably in the range of 0.2 to 30 A in consideration of energy efficiency.
The pause time in the rectangular pulse plasma discharge is preferably 2 microseconds or more from the viewpoint of the stability of the produced transition metal sulfide, and more preferably 20 milliseconds or less from the viewpoint of production efficiency.

矩形パルスプラズマ放電1回あたりの持続時間は、1〜8000マイクロ秒の範囲にあればよいが、好ましくは2〜500マイクロ秒の範囲の値であることが好ましい。   The duration per rectangular pulse plasma discharge may be in the range of 1 to 8000 microseconds, but is preferably in the range of 2 to 500 microseconds.

本発明の製造方法では、一方または両方の電極に振動を与えることも可能である。電極に振動を与えることで、電極間に生成する遷移金属硫化物(MS)の滞留が解消され、反応が効率的に促進されるという効果が得られる。振動は、電極に対して連続的に与えても、また、断続的に与えてもよい。 In the manufacturing method of the present invention, it is possible to apply vibration to one or both electrodes. By applying vibration to the electrodes, the retention of the transition metal sulfide (MS x ) generated between the electrodes is eliminated, and the effect that the reaction is efficiently promoted can be obtained. The vibration may be applied to the electrode continuously or intermittently.

本発明を実施するための反応系は、減圧下、加圧下、常圧下のいずれの状態にあってもよい。また、反応系の雰囲気は、安全性、操作性を考慮して、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気であることが好ましい。   The reaction system for carrying out the present invention may be in any state of reduced pressure, increased pressure, and normal pressure. The atmosphere of the reaction system is preferably an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon in consideration of safety and operability.

生成する遷移金属硫化物は液体硫化剤中に分散ないし堆積するので、慣用の固液分離方法(例えば、濾過、単蒸留、減圧蒸留等)により遷移金属硫化物を分離・回収することができる。   Since the produced transition metal sulfide is dispersed or deposited in the liquid sulfiding agent, the transition metal sulfide can be separated and recovered by a conventional solid-liquid separation method (for example, filtration, simple distillation, vacuum distillation, etc.).

以下、実施例を挙げて、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
各実施例において、ニッケル電極は株式会社ニラコ製のものを用いた。また、プラズマ放電発生中にニッケル電極を振動させるための振動発生装置として、アクチュエーター(旭製作所製 WaveMaker SL-0105)を用いた。
XRD測定は、粉末X線回折装置(リガク社製MiniFlex II)を用いた。
得られた非水系二次電池用正極材料の組成および組成式NiS中のxの値は、有機炭素分析および熱質量分析によって算出した。有機炭素分析はパーキンエルマー社製、2400CHNSにて行った。熱質量分析は、熱質量測定装置(SII社製 TG/DTA6300 EXSTAR6000)を用いて、空気下、10℃/分で1000℃まで加熱しながら行った。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated concretely, this invention is not limited to these.
In each example, a nickel electrode manufactured by Niraco Co., Ltd. was used. In addition, an actuator (WaveMaker SL-0105 manufactured by Asahi Seisakusho) was used as a vibration generator for vibrating the nickel electrode during plasma discharge.
For XRD measurement, a powder X-ray diffractometer (MiniFlex II manufactured by Rigaku Corporation) was used.
The composition of the obtained positive electrode material for a non-aqueous secondary battery and the value of x in the composition formula NiS x were calculated by organic carbon analysis and thermal mass spectrometry. The organic carbon analysis was conducted with Perkin Elmer 2400CHNS. Thermal mass spectrometry was performed using a thermal mass spectrometer (TG / DTA6300 EXSTAR6000 manufactured by SII) while heating to 1000 ° C. at 10 ° C./min in the air.

[実施例1](電極/液体硫化剤/電極の組み合わせがNi/S/Niである場合)
100mlビーカーに硫黄100gを取り、140℃に加熱して融解させた。正極および負極として、直径5mm、長さ100mmの円柱状のニッケル電極(純度99%以上)2本を硫黄融液に浸漬し、電極間の距離を1mmとなるよう配置した。電動式の振動発生器(アクチュエーター)で両方の電極に振動(毎秒約100回の振動数)を与えて、ニッケル電極の表面に反応生成物が堆積することを防止した。正極および負極を電源に接続し、200V、60Aで矩形パルスプラズマ放電1回の持続時間250マイクロ秒、休止時間10ミリ秒となるように直流にて電圧を印加して矩形パルスプラズマ放電を30分間継続した。矩形パルスプラズマ放電後の、正極の質量減少は0.55g,負極の質量減少は0.52gであった。反応生成物を含む溶融硫黄から減圧蒸留により硫黄を除去し、粉末として1.71gの硫化ニッケル(硫化ニッケル1と称する)を得た。XRDの測定結果を図1に示す。
また、硫化ニッケル1の熱質量測定の結果を図2に示す。250℃にかけて観測された8%の質量減少は、水などの揮発分に基づくと推定しており、250℃〜900℃にかけて観測された26%の質量減少は、硫化ニッケルの酸化に伴う硫黄分の揮発に基づくと推定している。かかる熱質量分析から算出した組成式NiSのxの値は1.4であった。
[Example 1] (When the electrode / liquid sulfide / electrode combination is Ni / S / Ni)
In a 100 ml beaker, 100 g of sulfur was taken and heated to 140 ° C. to melt. As a positive electrode and a negative electrode, two cylindrical nickel electrodes (purity 99% or more) having a diameter of 5 mm and a length of 100 mm were immersed in a sulfur melt, and the distance between the electrodes was set to 1 mm. Vibration (about 100 vibrations per second) was applied to both electrodes with an electric vibration generator (actuator) to prevent reaction products from being deposited on the surface of the nickel electrode. The positive and negative electrodes are connected to a power source, and a rectangular pulse plasma discharge is performed for 30 minutes by applying a voltage with a direct current so that the duration of one round pulse plasma discharge is 200 microseconds at 200 V and 60 A, and the rest time is 10 milliseconds. Continued. After the rectangular pulse plasma discharge, the mass decrease of the positive electrode was 0.55 g, and the mass decrease of the negative electrode was 0.52 g. Sulfur was removed from the molten sulfur containing the reaction product by distillation under reduced pressure to obtain 1.71 g of nickel sulfide (referred to as nickel sulfide 1) as a powder. The measurement result of XRD is shown in FIG.
Moreover, the result of the thermal mass measurement of the nickel sulfide 1 is shown in FIG. It is estimated that the 8% mass reduction observed over 250 ° C. is based on volatile components such as water, and the 26% mass reduction observed over 250 ° C. to 900 ° C. is the sulfur content associated with oxidation of nickel sulfide. Estimated to be based on volatilization. The value of x in the composition formula NiS x calculated from the thermal mass spectrometry was 1.4.

[実施例2](電極/液体硫化剤/電極の組み合わせがNi/CS/Niである場合)
140℃の硫黄の代わりに、20℃の二硫化炭素100gを用いたこと以外は、実施例1と同様の条件で矩形パルスプラズマ放電を30分間継続した。矩形パルスプラズマ放電後の、正極の質量減少は0.25g、負極の質量減少は0.19gであった。反応生成物を含む二硫化炭素から単蒸留により二硫化炭素を除去し、粉末として0.81gの硫化ニッケル(硫化ニッケル2と称する)を得た。XRDの測定結果を図1に示す。
また、得られた硫化ニッケル2を有機炭素分析したところ、炭素含有量は7質量%であった。これら炭素はアモルファスカーボンとして硫化ニッケル中に含まれていると推定している。また、硫化ニッケル2の熱質量測定の結果を図3に示す。250℃にかけて観測された9%の質量減少は水などの揮発分の減少に基づくと推定しており、250℃〜900℃にかけて観測された23%の質量減少は炭素分の酸化に伴う揮発および硫化ニッケルの酸化に伴う硫黄分の揮発に基づくと推定している。有機炭素分析および熱質量分析の測定結果から算出したNiSのxの値は1.1であった。
[Example 2] (When the electrode / liquid sulfiding agent / electrode combination is Ni / CS 2 / Ni)
The rectangular pulse plasma discharge was continued for 30 minutes under the same conditions as in Example 1 except that 100 g of carbon disulfide at 20 ° C. was used instead of sulfur at 140 ° C. After the rectangular pulse plasma discharge, the mass reduction of the positive electrode was 0.25 g, and the mass reduction of the negative electrode was 0.19 g. Carbon disulfide was removed from the carbon disulfide containing the reaction product by simple distillation to obtain 0.81 g of nickel sulfide (referred to as nickel sulfide 2) as a powder. The measurement result of XRD is shown in FIG.
Further, when the obtained nickel sulfide 2 was subjected to organic carbon analysis, the carbon content was 7% by mass. These carbons are presumed to be contained in nickel sulfide as amorphous carbon. Moreover, the result of the thermal mass measurement of the nickel sulfide 2 is shown in FIG. The 9% mass loss observed over 250 ° C. is estimated to be based on the reduction of volatiles such as water, and the 23% mass reduction observed over 250 ° C. to 900 ° C. is due to volatilization associated with carbon oxidation and It is estimated to be based on the volatilization of the sulfur content accompanying the oxidation of nickel sulfide. The value of x of NiS x calculated from the measurement results of organic carbon analysis and thermal mass spectrometry was 1.1.

[実施例3](電極/液体硫化剤/電極の組み合わせがNi/(S+CS)/Niである場合)
140℃の硫黄の代わりに、20℃の10質量%の硫黄の二硫化炭素溶液100gを用いたこと以外は、実施例1と同様の条件で矩形パルスプラズマ放電を30分間継続した。矩形パルスプラズマ放電後の、正極の質量減少は0.23g,負極の質量減少は0.18gであった。二硫化炭素を単蒸留により除去し、次いで硫黄を減圧蒸留により除去し、粉末として0.69gの硫化ニッケル(硫化ニッケル3と称する)を得た。XRDの測定結果を図1に示す。
また、反応生成物を大気雰囲気下で昇温速度10℃/分で900℃まで昇温しながら熱重量分析を行った結果を図3に示す、この測定結果から、反応生成物は実施例2と同様、アモルファスカーボンと硫化ニッケルの混合物であると考えている。
また、得られた硫化ニッケル3を有機炭素分析したところ、炭素含有量は3質量%であった。これら炭素はアモルファスカーボンとして硫化ニッケル中に含まれていると推定している。また、硫化ニッケル3の熱質量測定の結果を図4に示す。250℃にかけて観測された10%の質量減少は水などの揮発分に基づくと推定しており、250℃〜900℃にかけて観測された32%の質量減少は炭素分の酸化に伴う揮発および硫化ニッケルの酸化に伴う硫黄分の揮発に基づくと推定している。有機炭素分析および熱質量分析の測定結果から算出したNiSのxの値は1.7であった。
[Example 3] (When electrode / liquid sulfiding agent / electrode combination is Ni / (S + CS 2 ) / Ni)
A rectangular pulse plasma discharge was continued for 30 minutes under the same conditions as in Example 1 except that 100 g of a 10% by mass sulfur carbon disulfide solution at 20 ° C. was used instead of 140 ° C. sulfur. After the rectangular pulse plasma discharge, the mass reduction of the positive electrode was 0.23 g, and the mass reduction of the negative electrode was 0.18 g. Carbon disulfide was removed by simple distillation, and then sulfur was removed by vacuum distillation to obtain 0.69 g of nickel sulfide (referred to as nickel sulfide 3) as a powder. The measurement result of XRD is shown in FIG.
Further, FIG. 3 shows the result of thermogravimetric analysis performed while raising the reaction product to 900 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min in the air atmosphere. It is considered that it is a mixture of amorphous carbon and nickel sulfide.
Further, when the obtained nickel sulfide 3 was subjected to organic carbon analysis, the carbon content was 3% by mass. These carbons are presumed to be contained in nickel sulfide as amorphous carbon. Moreover, the result of the thermal mass measurement of the nickel sulfide 3 is shown in FIG. The 10% mass loss observed over 250 ° C. is estimated to be based on volatiles such as water, and the 32% mass reduction observed over 250 ° C. to 900 ° C. is due to volatilization due to oxidation of carbon and nickel sulfide. It is estimated to be based on the volatilization of the sulfur content accompanying oxidation of The value of x of NiS x calculated from the measurement results of organic carbon analysis and thermal mass spectrometry was 1.7.

[実施例4](電極/液体硫化剤/電極の組み合わせがNi/CS+水/Niである場合)
20℃の二硫化炭素100gの代わりに、20℃の二硫化炭素100gにイオン交換水50gを加えて用いたこと以外は、実施例2と同様の条件で矩形パルスプラズマ放電を30分間継続した。矩形パルスプラズマ放電後の、正極の質量減少は0.25g、負極の質量減少は0.19gであった。二硫化炭素を単蒸留により除去して得られた固体粉末の質量は0.81gの硫化ニッケル(硫化ニッケル4と称する)を得た。
また、得られた硫化ニッケル4を有機炭素分析したところ、炭素含有量は7質量%であった。これら炭素はアモルファスカーボンとして硫化ニッケル中に含まれていると推定している。また、硫化ニッケル4の熱質量測定を行い、有機炭素分析の測定結果とあわせて算出したNiSのxの値は1.1であった。
[Example 4] (When electrode / liquid sulfiding agent / electrode combination is Ni / CS 2 + water / Ni)
Instead of 100 g of carbon disulfide at 20 ° C., rectangular pulse plasma discharge was continued for 30 minutes under the same conditions as in Example 2 except that 50 g of ion-exchanged water was added to 100 g of carbon disulfide at 20 ° C. After the rectangular pulse plasma discharge, the mass reduction of the positive electrode was 0.25 g, and the mass reduction of the negative electrode was 0.19 g. The mass of the solid powder obtained by removing carbon disulfide by simple distillation was 0.81 g of nickel sulfide (referred to as nickel sulfide 4).
Further, when the obtained nickel sulfide 4 was subjected to organic carbon analysis, the carbon content was 7% by mass. These carbons are presumed to be contained in nickel sulfide as amorphous carbon. Moreover, the thermal mass measurement of the nickel sulfide 4 was performed, and the value of x of NiS x calculated together with the measurement result of the organic carbon analysis was 1.1.

本発明は、元素周期律表の第8族、9族、および10族の遷移金属元素のいずれかを含む遷移金属硫化物を工業的規模で安定的に製造可能な方法を提供するものであり、得られる遷移金属硫化物は、遷移金属硫化物系正極材料として高容量リチウムイオン二次電池の製造および開発のために有用である。   The present invention provides a method capable of stably producing a transition metal sulfide containing any of the transition metal elements of Groups 8, 9, and 10 of the Periodic Table of Elements on an industrial scale. The obtained transition metal sulfide is useful for production and development of a high-capacity lithium ion secondary battery as a transition metal sulfide-based positive electrode material.

Claims (5)

少なくとも1種の液体硫化剤中に二つの電極を配置し、当該二つの電極間に矩形パルスプラズマ放電を発生させることを含む遷移金属硫化物の製造方法であって、前記電極の少なくとも一方が、第8族〜第10族の遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種の遷移金属元素を含有することを特徴とする遷移金属硫化物の製造方法。   A method for producing a transition metal sulfide comprising disposing two electrodes in at least one liquid sulfiding agent and generating a rectangular pulse plasma discharge between the two electrodes, wherein at least one of the electrodes comprises: A method for producing a transition metal sulfide, comprising at least one transition metal element selected from Group 8 to Group 10 transition metal elements. 前記液体硫化剤が溶融硫黄である、請求項1に記載の遷移金属硫化物の製造方法。   The method for producing a transition metal sulfide according to claim 1, wherein the liquid sulfiding agent is molten sulfur. 前記液体硫化剤が二硫化炭素を含む、請求項1に記載の遷移金属硫化物の製造方法。   The method for producing a transition metal sulfide according to claim 1, wherein the liquid sulfiding agent contains carbon disulfide. 前記液体硫化剤が水の層によって液封されていることを特徴とする、請求項3に記載の遷移金属硫化物の製造方法。   The method for producing a transition metal sulfide according to claim 3, wherein the liquid sulfiding agent is sealed with a water layer. 組成式:MS(式中、Mは、Fe、Co、およびNiからなる群から選ばれる少なくとも一種の遷移金属であり、xは1<x≦2の範囲にある正数である)で表される、請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法で得られる遷移金属硫化物。 Composition formula: MS x (wherein M is at least one transition metal selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni, and x is a positive number in the range of 1 <x ≦ 2) The transition metal sulfide obtained by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180113382A (en) * 2017-04-06 2018-10-16 재단법인대구경북과학기술원 Electrode for water electrolysis and manufacturing methode of the same
CN112850661A (en) * 2021-02-03 2021-05-28 吉林大学 Preparation method of titanium selenide nanowire

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