JP2013037960A - Manufacturing method and apparatus for sulfur-based positive electrode active material - Google Patents

Manufacturing method and apparatus for sulfur-based positive electrode active material Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method and an apparatus for achieving mass production of a sulfur-based positive electrode active material capable of increasing a capacity of a nonaqueous electrolyte secondary battery.SOLUTION: In manufacturing sulfur-based positive electrode active material, while a polyacrylonitrile sheet is continuously being conveyed, sulfur (S) is deposited before heating. At this time, at least a part of sulfur (S) is deposited on the polyacrylonitrile sheet in a liquid manner. Using a sheet-like material as polyacrylonitrile, while the material is continuously being conveyed, sulfur is deposited before heating, thereby facilitating mass production of the sulfur-based positive electrode active material. Deposition of sulfur (S) on the polyacrylonitrile in a liquid manner enables production of the sulfur-based positive electrode active material excellent in battery characteristics.

Description

本発明は、非水電解質二次電池用の正極活物質として利用可能な硫黄系正極活物質を製造する方法、および、この製造方法により硫黄系正極活物質を製造する装置に関する。   The present invention relates to a method for producing a sulfur-based cathode active material that can be used as a cathode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, and an apparatus for producing a sulfur-based cathode active material by this production method.

非水電解質二次電池の一種であるリチウム二次電池、リチウムイオン二次電池は、充放電容量の大きな電池であり、主として携帯電子機器用の電池として用いられている。また、リチウムイオン二次電池は、電気自動車用の電池としても期待されている。非水電解質二次電池の一種であるナトリウム二次電池、ナトリウムイオン二次電池は、リチウムに代えて入手容易なナトリウムを用いるため、安価に提供できる利点がある。ナトリウムは、リチウムに比べて標準酸化還元電位が0.33V低く、密度が約80%高いが、セル全体ではリチウムイオン二次電池の70〜80%の性能が発現できると考えられている。   A lithium secondary battery and a lithium ion secondary battery, which are types of non-aqueous electrolyte secondary batteries, are batteries having a large charge / discharge capacity, and are mainly used as batteries for portable electronic devices. Lithium ion secondary batteries are also expected as batteries for electric vehicles. A sodium secondary battery and a sodium ion secondary battery, which are a kind of non-aqueous electrolyte secondary battery, have an advantage that they can be provided at low cost because they use easily available sodium instead of lithium. Sodium has a standard oxidation-reduction potential of 0.33 V lower than lithium and a density of about 80%, but it is considered that the entire cell can develop 70 to 80% of the performance of a lithium ion secondary battery.

これらの非水電解質二次電池の正極活物質としては、コバルトやニッケル等のレアメタルを含有するものが一般的である。しかし、これらの金属は流通量が少なく高価であるため、近年では、これらのレアメタルにかわる物質を用いた正極活物質が求められている。   As the positive electrode active material of these non-aqueous electrolyte secondary batteries, those containing rare metals such as cobalt and nickel are generally used. However, since these metals have a small circulation amount and are expensive, in recent years, a positive electrode active material using a substance replacing these rare metals has been demanded.

リチウムイオン二次電池の正極活物質として、硫黄を用いる技術が知られている。硫黄を正極活物質として用いることで、リチウムイオン二次電池の充放電容量を大きくできる。しかし、正極活物質として単体硫黄を用いたリチウムイオン二次電池においては、放電時に硫黄とリチウムとの化合物が生成する。この硫黄とリチウムとの化合物は、リチウムイオン二次電池の非水系電解液(例えば、エチレンカーボネートやジメチルカーボネート等)に可溶である。このため、正極活物質として硫黄を用いたリチウムイオン二次電池は、充放電を繰り返すと、硫黄の電解液への溶出により次第に劣化し、電池容量が低下する問題がある。つまり、正極活物質として硫黄を用いたリチウムイオン二次電池はサイクル特性に劣る。   As a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery, a technique using sulfur is known. By using sulfur as the positive electrode active material, the charge / discharge capacity of the lithium ion secondary battery can be increased. However, in a lithium ion secondary battery using elemental sulfur as the positive electrode active material, a compound of sulfur and lithium is generated during discharge. This compound of sulfur and lithium is soluble in a non-aqueous electrolyte solution (for example, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, etc.) of a lithium ion secondary battery. For this reason, a lithium ion secondary battery using sulfur as a positive electrode active material has a problem that, when charging and discharging are repeated, it gradually deteriorates due to elution of sulfur into the electrolytic solution, and the battery capacity decreases. That is, a lithium ion secondary battery using sulfur as a positive electrode active material is inferior in cycle characteristics.

本発明の発明者等は、鋭意研究の結果、ポリアクリロニトリル(以下、PANと略する)と硫黄との混合物を熱処理して得られる正極活物質を発明した(特許文献1参照)。正極活物質として、PANおよび硫黄を材料とする硫黄系正極活物質(以下、硫黄変性PANと略する)を用いることで、リチウムイオン二次電池の充放電容量は大きくなり、かつ、サイクル特性も向上する。   As a result of intensive studies, the inventors of the present invention have invented a positive electrode active material obtained by heat-treating a mixture of polyacrylonitrile (hereinafter abbreviated as PAN) and sulfur (see Patent Document 1). By using a sulfur-based positive electrode active material (hereinafter abbreviated as sulfur-modified PAN) made of PAN and sulfur as the positive electrode active material, the charge / discharge capacity of the lithium ion secondary battery is increased and the cycle characteristics are also improved. improves.

国際公開第2010/044437号International Publication No. 2010/044437

ところで、上述した硫黄変性PANは、嵩高く取り扱い性に劣る。このため、硫黄変性PANを容易に大量生産できる製造方法が望まれている。   By the way, the above-mentioned sulfur-modified PAN is bulky and inferior in handleability. For this reason, the manufacturing method which can mass-produce sulfur modified PAN easily is desired.

また、近年、従来のものよりもさらに高容量の非水電解質二次電池が望まれている。そして、非水電解質二次電池の容量をさらに向上させ得る正極活物質もまた望まれている。   In recent years, a non-aqueous electrolyte secondary battery having a higher capacity than conventional ones has been desired. And the positive electrode active material which can further improve the capacity | capacitance of a nonaqueous electrolyte secondary battery is also desired.

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、非水電解質二次電池の容量を増大させることができる硫黄変性PANを容易に大量生産する方法、およびその装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a method for easily mass-producing sulfur-modified PAN capable of increasing the capacity of a nonaqueous electrolyte secondary battery, and an apparatus therefor. .

本発明の発明者等は、鋭意研究を重ねた結果、硫黄変性PANを製造する際に、硫黄を液体状でPANに付着させることで、電池特性に優れる硫黄変性PANを製造できることを見出した。また、シート状のPANすなわちPANシートを連続的に搬送しつつ、このPANシートに硫黄を付着させ加熱することで、硫黄変性PANを容易に大量生産できることを見出した。   As a result of intensive studies, the inventors of the present invention have found that sulfur-modified PAN having excellent battery characteristics can be produced by attaching sulfur to PAN in a liquid state when producing sulfur-modified PAN. Further, it has been found that sulfur-modified PAN can be easily mass-produced by continuously adhering sulfur to the PAN sheet and heating the sheet-like PAN, that is, the PAN sheet.

すなわち、上記課題を解決する本発明の硫黄系正極活物質の製造方法は、ポリアクリロニトリルと硫黄(S)とを原料とし、ポリアクリロニトリルに由来する炭素骨格と該炭素骨格と結合した硫黄(S)とからなる硫黄系正極活物質を製造する方法であって、
ポリアクリロニトリルシートを連続的に搬送しつつ該ポリアクリロニトリルシートに硫黄(S)を付着させ加熱する硫黄変性工程を含み、
該硫黄変性工程において、該硫黄(S)の少なくとも一部を液体状で該ポリアクリロニトリルシートに付着させることを特徴とする。
That is, the method for producing a sulfur-based positive electrode active material of the present invention that solves the above-mentioned problems uses polyacrylonitrile and sulfur (S) as raw materials, and a carbon skeleton derived from polyacrylonitrile and sulfur (S) bonded to the carbon skeleton. A sulfur-based positive electrode active material comprising:
Including a sulfur modification step of heating the polyacrylonitrile sheet with sulfur (S) attached thereto while continuously conveying the polyacrylonitrile sheet,
In the sulfur modification step, at least a part of the sulfur (S) is attached in liquid form to the polyacrylonitrile sheet.

また、上記課題を解決する本発明の硫黄系正極活物質の製造装置は、ポリアクリロニトリルと硫黄(S)とを原料とし、ポリアクリロニトリルに由来する炭素骨格と該炭素骨格と結合した硫黄(S)とからなる硫黄系正極活物質を製造する装置であって、
ポリアクリロニトリルシートを連続的に搬送する搬送手段と、
搬送されている該ポリアクリロニトリルシートに硫黄(S)を付着させる硫黄供給手段と、
硫黄に付着した該ポリアクリロニトリルシートを加熱する加熱手段と、を備え、
該硫黄供給手段は、該硫黄(S)の少なくとも一部を液体状で該ポリアクリロニトリルシートに付着させることを特徴とする。
The apparatus for producing a sulfur-based positive electrode active material of the present invention that solves the above-mentioned problems uses a polyacrylonitrile and sulfur (S) as raw materials, a carbon skeleton derived from polyacrylonitrile, and sulfur (S) bonded to the carbon skeleton. An apparatus for producing a sulfur-based positive electrode active material comprising:
Conveying means for continuously conveying the polyacrylonitrile sheet;
Sulfur supply means for attaching sulfur (S) to the polyacrylonitrile sheet being conveyed;
Heating means for heating the polyacrylonitrile sheet attached to sulfur,
The sulfur supply means is characterized in that at least a part of the sulfur (S) is adhered in liquid form to the polyacrylonitrile sheet.

以下、特に断りのない場合、本発明の硫黄系正極活物質の製造方法を、単に本発明の製造方法と略し、本発明の硫黄系正極活物質の製造装置を、単に本発明の製造装置と略する。   Hereinafter, unless otherwise specified, the production method of the sulfur-based positive electrode active material of the present invention is simply abbreviated as the production method of the present invention, and the production device of the sulfur-based positive electrode active material of the present invention is simply referred to as the production device of the present invention. Abbreviated.

PANを不織布、織布等のシート状にすることで、嵩高いPANを扱い易くできる。このようなPANシートに硫黄を付着させ、加熱することで、硫黄とPANとが結合し、硫黄変性PANを得ることができる。このとき、PANシートを連続的に搬送しつつ硫黄を付着させることで、硫黄変性PANを容易に大量生産できる。またこのとき、硫黄を液体状で用いることで、硫黄含量の多い硫黄変性PANを得ることができる。液体状の硫黄は、PANに対する接触面積が大きいため、PANと結合し易いためである。この方法で製造された硫黄変性PANを正極活物質として用いた非水電解質二次電池は高容量である。したがって、本発明の製造方法および装置によると、非水電解質二次電池の容量を増大させることができる硫黄変性PANを容易に大量生産できる。   By making the PAN into a sheet shape such as a nonwoven fabric or a woven fabric, the bulky PAN can be easily handled. By attaching sulfur to such a PAN sheet and heating it, sulfur and PAN are combined to obtain sulfur-modified PAN. At this time, sulfur-modified PAN can be easily mass-produced by attaching sulfur while continuously conveying the PAN sheet. At this time, sulfur-modified PAN having a high sulfur content can be obtained by using sulfur in a liquid state. This is because liquid sulfur has a large contact area with PAN, and is thus easily bonded to PAN. A non-aqueous electrolyte secondary battery using the sulfur-modified PAN produced by this method as a positive electrode active material has a high capacity. Therefore, according to the production method and apparatus of the present invention, it is possible to easily mass-produce sulfur-modified PAN that can increase the capacity of the nonaqueous electrolyte secondary battery.

硫黄変性PAN硫黄変性PANをX線回折した結果を表すグラフである。It is a graph showing the result of having carried out X-ray diffraction of sulfur modified PAN sulfur modified PAN. 硫黄変性PANをラマンスペクトル分析した結果を表すグラフである。グラフである。It is a graph showing the result of the Raman spectrum analysis of sulfur-modified PAN. It is a graph. 実施例1の製造装置を模式的に表す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram schematically illustrating the manufacturing apparatus of Example 1. 実施例1の製造装置における硫黄変性手段を模式的に表す要部拡大図である。3 is an enlarged view of a main part schematically showing a sulfur modification means in the manufacturing apparatus of Example 1. FIG. 実施例2の製造装置を模式的に表す要部拡大図である。6 is an enlarged view of a main part schematically showing a manufacturing apparatus of Example 2. FIG. 実施例3の製造装置を模式的に表す要部拡大図である。10 is an enlarged view of a main part schematically showing a manufacturing apparatus of Example 3. FIG. 実施例1の硫黄変性PANを正極としたリチウム二次電池の充放電曲線である。2 is a charge / discharge curve of a lithium secondary battery using the sulfur-modified PAN of Example 1 as a positive electrode. 実施例1の硫黄変性PANを正極としたリチウム二次電池のサイクル特性である。2 is a cycle characteristic of a lithium secondary battery using the sulfur-modified PAN of Example 1 as a positive electrode. 比較例の硫黄変性PANを正極としたリチウム二次電池の充放電曲線である。It is a charging / discharging curve of the lithium secondary battery which made the sulfur modified PAN of the comparative example the positive electrode. 比較例の硫黄変性PANを正極としたリチウム二次電池のサイクル特性である。It is a cycle characteristic of the lithium secondary battery which made the sulfur modified PAN of the comparative example the positive electrode.

(硫黄系正極活物質)
本発明の製造方法及び製造装置で製造する硫黄系正極活物質は、上述した硫黄変性PANであり、PANに由来する炭素骨格と、この炭素骨格と結合した硫黄(S)とからなる。
(Sulfur-based positive electrode active material)
The sulfur-based positive electrode active material produced by the production method and production apparatus of the present invention is the above-described sulfur-modified PAN, and comprises a carbon skeleton derived from PAN and sulfur (S) bonded to the carbon skeleton.

硫黄変性PANは、上記の特許文献1に開示されたものと同様のものである。硫黄変性PAN用の材料としてのPANは、繊維状、粉末状等、種々の形状にできる。何れの場合にも質量平均分子量が10〜3×10程度のものを用いるのが好ましい。また、PANの粒径(繊維の場合は繊維径)は、電子顕微鏡によって観察した際に、0.1〜50μm程度であるのが好ましく、0.1〜10μm程度であるのがより好ましい。PANの分子量および粒径(または繊維径)がこれらの範囲内であれば、PANと硫黄との接触面積を大きくでき、PANと硫黄とを信頼性高く反応させ得る。このため、電解液への硫黄の溶出をより信頼性高く抑制できる。 The sulfur-modified PAN is the same as that disclosed in Patent Document 1 above. PAN as a material for sulfur-modified PAN can be made into various shapes such as a fiber and a powder. In any case, it is preferable to use those having a mass average molecular weight of about 10 4 to 3 × 10 5 . Further, the particle diameter of PAN (fiber diameter in the case of fibers) is preferably about 0.1 to 50 μm, more preferably about 0.1 to 10 μm, when observed with an electron microscope. If the molecular weight and particle diameter (or fiber diameter) of PAN are within these ranges, the contact area between PAN and sulfur can be increased, and PAN and sulfur can be reacted with high reliability. For this reason, the elution of sulfur to the electrolytic solution can be more reliably suppressed.

非水電解質二次電池の正極活物質として硫黄変性PANを用いることで、硫黄が本来有する高い容量を維持でき、かつ、硫黄の電解液への溶出が抑制されるため、サイクル特性が大きく向上する。これは、硫黄変性PAN中で硫黄が単体として存在するのでなくPANと結合した安定な状態で存在するためだと考えられる。特許文献1に開示されている製造方法において、硫黄はPANとともに加熱処理されている。PANを加熱すると、PANが3次元的に架橋して縮合環(主として六員環)を形成しつつ閉環すると考えられる。このため硫黄は、閉環の進行したPANと結合した状態で硫黄変性PAN中に存在していると考えられる。PANと硫黄とが結合することで、硫黄の電解液への溶出を抑制でき、サイクル特性を向上させ得る。   By using sulfur-modified PAN as the positive electrode active material of the non-aqueous electrolyte secondary battery, the high capacity inherent in sulfur can be maintained and the elution of sulfur into the electrolyte is suppressed, so that the cycle characteristics are greatly improved. . This is probably because sulfur does not exist as a simple substance in the sulfur-modified PAN, but exists in a stable state combined with PAN. In the production method disclosed in Patent Document 1, sulfur is heat-treated together with PAN. When PAN is heated, it is considered that PAN is three-dimensionally cross-linked and closed while forming a condensed ring (mainly a six-membered ring). For this reason, it is considered that sulfur is present in the sulfur-modified PAN in a state of being bonded to the PAN that has progressed in the ring closure. By combining PAN and sulfur, elution of sulfur into the electrolyte can be suppressed, and cycle characteristics can be improved.

硫黄変性PANに用いられる硫黄として粉末状のものを用いる場合、硫黄の粒径については特に限定しないが、篩いを用いて分級した際に、篩目開き40μmの篩を通過せず、かつ、150μmの篩を通過する大きさの範囲内にあるものが好ましく、篩目開き40μmの篩を通過せず、かつ、100μmの篩を通過する大きさの範囲内にあるものがより好ましい。   When powdery sulfur is used for sulfur-modified PAN, the particle size of sulfur is not particularly limited, but when classified using a sieve, it does not pass through a sieve having a sieve opening of 40 μm and 150 μm. Those having a size within a range of passing through a sieve of 10 μm are preferable, and those having a size of not passing through a sieve having a sieve opening of 40 μm and passing through a sieve of 100 μm are more preferable.

硫黄変性PANに用いるPANと硫黄との配合比については特に限定しないが、質量比で、1:0.5〜1:10であるのが好ましく、1:0.5〜1:7であるのがより好ましく、1:2〜1:5であるのがさらに好ましい。   The compounding ratio of PAN and sulfur used for the sulfur-modified PAN is not particularly limited, but is preferably 1: 0.5 to 1:10 by mass ratio and 1: 0.5 to 1: 7. Is more preferably 1: 2 to 1: 5.

硫黄変性PANは、元素分析の結果、炭素、窒素、及び硫黄を含み、更に、少量の酸素及び水素を含む場合もある。また、図1に示すように、硫黄変性PANをCuKα線によりX線回折した結果、回折角(2θ)20〜30°の範囲では、25°付近にピーク位置を有するブロードなピークのみが確認された。参考までに、X線回折は、粉末X線回折装置(MAC Science社製、型番:M06XCE)により、CuKα線を用いてX線回折測定を行った。測定条件は、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、測定範囲:回折角(2θ)10°〜60°であった。   As a result of elemental analysis, sulfur-modified PAN contains carbon, nitrogen, and sulfur, and may contain small amounts of oxygen and hydrogen. Further, as shown in FIG. 1, as a result of X-ray diffraction of sulfur-modified PAN with CuKα rays, only a broad peak having a peak position in the vicinity of 25 ° was confirmed in the diffraction angle (2θ) range of 20-30 °. It was. For reference, X-ray diffraction was measured by X-ray diffraction using CuKα rays with a powder X-ray diffractometer (manufactured by MAC Science, model number: M06XCE). The measurement conditions were voltage: 40 kV, current: 100 mA, scan speed: 4 ° / min, sampling: 0.02 °, number of integrations: 1, measurement range: diffraction angle (2θ) 10 ° -60 °.

さらに硫黄変性PANを、室温から900℃まで20℃/分の昇温速度で加熱した際の熱重量分析による質量減は400℃時点で10%以下である。これに対して、硫黄粉末とPAN粉末の混合物を同様の条件で加熱すると120℃付近から質量減少が認められ、200℃以上になると急激に硫黄の消失に基づく大きな質量減が認められる。   Furthermore, the mass loss by thermogravimetric analysis when sulfur-modified PAN is heated from room temperature to 900 ° C. at a rate of temperature increase of 20 ° C./min is 10% or less at 400 ° C. On the other hand, when a mixture of sulfur powder and PAN powder is heated under the same conditions, a mass decrease is observed from around 120 ° C., and when the temperature is 200 ° C. or higher, a large mass loss due to the disappearance of sulfur is recognized.

すなわち、硫黄変性PANにおいて、硫黄は単体としては存在せず、閉環の進行したPANと結合した状態で存在していると考えられる。   That is, in sulfur-modified PAN, it is considered that sulfur does not exist as a simple substance, but exists in a state of being combined with PAN that has advanced ring closure.

硫黄変性PANのラマンスペクトルの一例を図2に示す。図2に示すラマンスペクトルにおいて、ラマンシフトの1331cm−1付近に主ピークが存在し、かつ、200cm−1〜1800cm−1の範囲で1548cm−1、939cm−1、479cm−1、381cm−1、317cm−1付近にピークが存在する。上記したラマンシフトのピークは、PANに対する単体硫黄の比率を変更した場合にも同様の位置に観測される。このためこれらのピークは硫黄変性PANを特徴づけるものである。上記した各ピークは、上記したピーク位置を中心としては、ほぼ±8cm−1の範囲内に存在する。なお、本明細書において、「主ピーク」とは、ラマンスペクトルで現れた全てのピークのなかでピーク高さが最大となるピークを指す。尚、ラマンスペクトルは、入射光の波長や分解能の違いなどにより、ピークの数が変化することや、ピークトップの位置がずれることがある。例えば、上述した1548cm−1のピークが、1531cm−1を中心とするほぼ±8cm−1の範囲内にずれる場合もある。 An example of the Raman spectrum of sulfur-modified PAN is shown in FIG. In the Raman spectrum shown in FIG. 2, there are major peak near 1331cm -1 of Raman shift, and, 1548cm -1 in the range of 200cm -1 ~1800cm -1, 939cm -1, 479cm -1, 381cm -1, There is a peak near 317 cm −1 . The above-described Raman shift peak is observed at the same position even when the ratio of elemental sulfur to PAN is changed. Thus, these peaks characterize sulfur-modified PAN. Each of the above-described peaks exists in a range of approximately ± 8 cm −1 with the above-described peak position as the center. In the present specification, the “main peak” refers to a peak having the maximum peak height among all peaks appearing in the Raman spectrum. In the Raman spectrum, the number of peaks may change or the position of the peak top may be shifted due to the difference in the wavelength or resolution of incident light. For example, the peak of 1548cm -1, which was described above, in some cases deviate substantially within a range of ± 8 cm -1 centered at 1531cm -1.

参考までに、上記したラマンシフトは、日本分光社製 RMP−320(励起波長λ=532nm、グレーチング:1800gr/mm、分解能:3cm−1)で測定したものである。 For reference, the Raman shift described above was measured with RMP-320 (excitation wavelength λ = 532 nm, grating: 1800 gr / mm, resolution: 3 cm −1 ) manufactured by JASCO Corporation.

(硫黄変性PANの製造方法)
本発明の製造方法は、上述した硫黄変性PANを製造する方法である。本発明の製造装置は、本発明の製造方法により上述した硫黄変性PANを製造する装置である。
(Method for producing sulfur-modified PAN)
The production method of the present invention is a method for producing the above-described sulfur-modified PAN. The production apparatus of the present invention is an apparatus for producing the above-described sulfur-modified PAN by the production method of the present invention.

本発明の製造方法においては、PANとして、シート状のもの(PANシート)を用いる。PANシートはシート状であれば良い。ここで言うシート状とは、厚さや硬さ、幅、長さ等を限定するものではない。例えば、PANシートの厚さについては、特に限定的ではないが、通常、20μm〜200μm程度とすれば良い。特に、電極にした際に単位面積当たりの電池容量が0.5mAh/cm〜10mAh/cm程度となるように、単位面積当たりの重さである目付量が6g/m〜110g/m程度の範囲となるPANシートが好ましく、電池容量が3mAh/cm〜7mAh/cm程度となるように、目付量が30g/m〜70g/m程度の範囲となるPANシートがより好ましい。 In the production method of the present invention, a sheet-like material (PAN sheet) is used as the PAN. The PAN sheet may be a sheet shape. The sheet form referred to here does not limit the thickness, hardness, width, length, or the like. For example, the thickness of the PAN sheet is not particularly limited, but is usually about 20 μm to 200 μm. In particular, as the battery capacity per unit area upon the electrode becomes 0.5mAh / cm 2 ~10mAh / cm 2 or so, and weighs a basis weight per unit area of 6g / m 2 ~110g / m PAN sheet is preferably a 2 in the range of about, as battery capacity is 3mAh / cm 2 ~7mAh / cm 2 or so, more is PAN sheet basis weight is 30g / m 2 ~70g / m 2 range of about preferable.

PANシートは、硫黄を均一に接触させるために、多孔性シートであることが好ましい。多孔性のPANシートとしては、不織布シート、織布シートなどがあるが、特に、多孔度、孔径等を容易に制御でき、その多孔度に対応する硫黄の充填量でポリアクリロニトリルと硫黄の反応割合を制御し電気容量を制御できるという点で、不織布シートが好ましい。なお、製造時の取り扱い性を考慮すると、PANシートは可撓性があるのが好ましい。この点においても、PANシートは不織布シートや織布シート等であることが好ましい。多孔性PANシートの多孔度は、40〜90体積%程度であることが好ましく、50〜90体積%程度であることがより好ましい。なお、ここで言う多孔度とは、多孔性PANシートの体積を100体積%としたときの、細孔(PAN繊維で区画された空隙部分)の容積の割合である。孔径は、平均細孔径1μm〜500μm程度であることが好ましく、1μm〜300μm程度であることがより好ましい。   The PAN sheet is preferably a porous sheet in order to contact sulfur uniformly. Porous PAN sheets include non-woven sheets and woven sheets. Especially, the porosity, pore diameter, etc. can be easily controlled, and the reaction rate of polyacrylonitrile and sulfur with the amount of sulfur filling corresponding to the porosity. The nonwoven fabric sheet is preferable in that it can control the electric capacity. In view of handling at the time of manufacture, the PAN sheet is preferably flexible. Also in this respect, the PAN sheet is preferably a non-woven sheet or a woven sheet. The porosity of the porous PAN sheet is preferably about 40 to 90% by volume, and more preferably about 50 to 90% by volume. In addition, the porosity said here is a ratio of the volume of pores (void portions partitioned by PAN fibers) when the volume of the porous PAN sheet is 100% by volume. The pore diameter is preferably about 1 μm to 500 μm, more preferably about 1 μm to 300 μm.

さらに、取り扱い性および嵩高さを考慮すると、PANシートとしては、ロール状に巻回したものを用いるのが好ましいが、他の形状であっても良い。例えばアコーディオンプリーツ状に折り返して重ねても良い。   Furthermore, in consideration of handleability and bulkiness, it is preferable to use a PAN sheet wound in a roll shape, but other shapes may be used. For example, the accordion pleats may be folded back and stacked.

PANシートは、その他、導電助剤や後述する伝導材を含んでも良い。また、PANシートは、後述する硫黄変性工程前にシート状の集電体すなわち集電体シートと一体化しても良い。例えば、集電体シートとPANシートとを積層して複合シートを形成しても良いし、PANを溶媒に溶かすかまたは分散させることにより液体状、スラリー状にしたもの、または固体状のPANを集電体シートに浸漬、滴下、噴霧、塗布、堆積等して付着させ、一体化しても良い。   In addition, the PAN sheet may contain a conductive additive and a conductive material described later. Further, the PAN sheet may be integrated with a sheet-like current collector, that is, a current collector sheet, before the sulfur modification step described later. For example, a current collector sheet and a PAN sheet may be laminated to form a composite sheet, or PAN may be dissolved or dispersed in a solvent to form a liquid, slurry, or solid PAN. It may be attached to the current collector sheet by dipping, dropping, spraying, applying, depositing, etc., and integrating.

なお、集電体シートの材料は特に限定せず、非水電解質二次電池用正極に一般に用いられているものを用いれば良い。具体的には、アルミニウム箔、アルミニウムメッシュ、パンチングアルミニウムシート、アルミニウムエキスパンドシート、ステンレススチール箔、ステンレススチールメッシュ、パンチングステンレススチールシート、ステンレススチールエキスパンドシート、発泡ニッケル、ニッケル不織布、銅箔、銅メッシュ、パンチング銅シート、銅エキスパンドシート、チタン箔、チタンメッシュ、カーボンペーパー(不織布/織布)等が例示される。このうち黒鉛化度の高いカーボンからなるカーボンペーパー集電体は、水素を含まず、硫黄との反応性が低いために、非水電解質二次電池における正極用の集電体として好適である。黒鉛化度の高い炭素繊維の原料としては、カーボン繊維の材料となる各種のピッチ(すなわち、石油、石炭、コールタールなどの副生成物)やPAN繊維等を用いることができる。   The material of the current collector sheet is not particularly limited, and a material generally used for a positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery may be used. Specifically, aluminum foil, aluminum mesh, punched aluminum sheet, aluminum expanded sheet, stainless steel foil, stainless steel mesh, punched stainless steel sheet, stainless steel expanded sheet, nickel foam, nickel nonwoven fabric, copper foil, copper mesh, punching Examples include a copper sheet, a copper expanded sheet, a titanium foil, a titanium mesh, and carbon paper (nonwoven fabric / woven fabric). Among these, a carbon paper current collector made of carbon having a high graphitization degree is suitable as a current collector for a positive electrode in a non-aqueous electrolyte secondary battery because it does not contain hydrogen and has low reactivity with sulfur. As a raw material for carbon fiber having a high degree of graphitization, various pitches (that is, by-products such as petroleum, coal, coal tar, etc.), PAN fibers, etc., which are carbon fiber materials can be used.

本発明の製造方法は硫黄変性工程を含む。硫黄変性工程は、PANシートを連続的に搬送しつつ硫黄PANシートに硫黄を付着させ加熱する工程である。硫黄変性工程は、PANシートに硫黄を付着させる工程(硫黄供給工程と呼ぶ)と、硫黄元素が付着したPANシートを加熱する工程(熱処理工程と呼ぶ)との少なくとも2工程を含む。熱処理工程は、硫黄供給工程の後に行っても良いし、硫黄供給工程と同時に行っても良い。   The production method of the present invention includes a sulfur modification step. The sulfur modification step is a step in which sulfur is attached to the sulfur PAN sheet while the PAN sheet is continuously conveyed and heated. The sulfur modification step includes at least two steps: a step of attaching sulfur to the PAN sheet (referred to as a sulfur supply step) and a step of heating the PAN sheet attached with the sulfur element (referred to as a heat treatment step). The heat treatment step may be performed after the sulfur supply step or may be performed simultaneously with the sulfur supply step.

硫黄供給工程は、少なくとも一部の硫黄を液体状でPANシートに付着させれば良く、例えば液体状の硫黄にPANシートを浸漬しても良いし、PANシートに液体状の硫黄を滴下、噴霧等しても良い。また、固体状の硫黄(固相)と液体状の硫黄(液相)とが混在する硫黄スラリーをPANシートに塗布しても良い。更には、液体状の硫黄(液相)と気体状の硫黄(気相)とが混在している混合雰囲気中にPANシートを曝しても良い。混合雰囲気中の液相は硫黄およびPANに不活性な液体を含んでも良い。気相もまた同様である。   In the sulfur supply step, at least a part of sulfur may be attached in liquid form to the PAN sheet. For example, the PAN sheet may be immersed in liquid sulfur, or liquid sulfur is dropped and sprayed on the PAN sheet. It may be equal. Further, a sulfur slurry in which solid sulfur (solid phase) and liquid sulfur (liquid phase) are mixed may be applied to the PAN sheet. Furthermore, the PAN sheet may be exposed to a mixed atmosphere in which liquid sulfur (liquid phase) and gaseous sulfur (gas phase) are mixed. The liquid phase in the mixed atmosphere may contain a liquid inert to sulfur and PAN. The same applies to the gas phase.

熱処理工程においてPANシートおよびPANシートに付着している硫黄(以下、硫黄付着PANシートと呼ぶ)を加熱することで、硫黄とPANとが結合し硫黄変性PANが得られる。熱処理工程は、開放系でおこなっても良いが、硫黄蒸気の散逸を抑制するためには、PANシートの出入口のみが開放されている半密閉系で行うのが好ましい。また、熱処理工程を如何なる雰囲気で行うかについては特に問わないが、PANと硫黄との結合を妨げない雰囲気(例えば、水素を含有しない雰囲気、非酸化性雰囲気)下で行うのが好ましい。例えば、雰囲気中に水素が存在すると、反応系中の硫黄が水素と反応して硫化水素となるため、反応系中の硫黄が失われる場合がある。また、非酸化性雰囲気下で熱処理することで、PANの閉環反応と同時に、蒸気状態の硫黄がPANと反応して、硫黄によって変性されたPANが得られると考えられる。ここでいう非酸化性雰囲気とは、酸化反応が進行しない程度の低酸素濃度とした減圧状態、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気、硫黄ガス雰囲気等を含む。   By heating sulfur attached to the PAN sheet and the PAN sheet in the heat treatment step (hereinafter referred to as a sulfur-attached PAN sheet), sulfur and PAN are combined to obtain sulfur-modified PAN. The heat treatment step may be performed in an open system, but in order to suppress the dissipation of sulfur vapor, it is preferably performed in a semi-enclosed system in which only the entrance / exit of the PAN sheet is open. In addition, the atmosphere in which the heat treatment step is performed is not particularly limited, but it is preferably performed in an atmosphere that does not hinder the binding of PAN and sulfur (for example, an atmosphere containing no hydrogen or a non-oxidizing atmosphere). For example, when hydrogen is present in the atmosphere, sulfur in the reaction system reacts with hydrogen to form hydrogen sulfide, so that sulfur in the reaction system may be lost. Further, it is considered that by performing heat treatment in a non-oxidizing atmosphere, vapor-state sulfur reacts with PAN simultaneously with the PAN ring-closing reaction, and PAN modified with sulfur is obtained. The non-oxidizing atmosphere referred to here includes a reduced pressure state in which the oxygen concentration is low enough not to cause an oxidation reaction, an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, a sulfur gas atmosphere, and the like.

熱処理工程における硫黄付着PANシートの加熱時間は、加熱温度に応じて適宜設定すれば良く、特に限定しない。上述した好ましい加熱温度は、硫黄とPANとの結合が進行し、かつ、伝導材や集電体等の副材料が変質しないような温度であれば良い。具体的には、加熱温度は、250以上500℃以下とすることが好ましく、250以上450℃以下とすることがより好ましく、250以上400℃以下とすることがさらに好ましい。   What is necessary is just to set suitably the heating time of the sulfur adhesion PAN sheet | seat in a heat processing process according to heating temperature, and it does not specifically limit it. The preferable heating temperature described above may be a temperature at which the coupling between sulfur and PAN proceeds and the auxiliary material such as the conductive material and the current collector does not deteriorate. Specifically, the heating temperature is preferably 250 to 500 ° C, more preferably 250 to 450 ° C, and further preferably 250 to 400 ° C.

熱処理工程においては、硫黄を還流するのが好ましい。この場合、硫黄の一部が気体となり、一部が液体となるように硫黄付着PANシートを加熱すれば良い。換言すると、硫黄付着PANシートの温度は、硫黄が気化する温度以上の温度であれば良い。ここで言う気化とは、硫黄が液体または固体から気体に相変化することを指し、沸騰、蒸発、昇華の何れによっても良い。参考までに、α硫黄(斜方硫黄、常温付近で最も安定な構造である)の融点は112.8℃、β硫黄(単斜硫黄)の融点は119.6℃、γ硫黄(単斜硫黄)の融点は106.8℃である。硫黄の沸点は444.7℃である。ところで、硫黄の蒸気圧は高いため、硫黄付着PANシートの温度が150℃以上になると、硫黄の蒸気の発生が目視でも確認できる。したがって、硫黄付着PANシートの温度が150℃以上であれば硫黄の還流は可能である。なお、熱処理工程において硫黄を還流する場合には、既知構造の還流装置を用いて硫黄を還流すれば良い。   In the heat treatment step, sulfur is preferably refluxed. In this case, what is necessary is just to heat a sulfur adhesion PAN sheet so that a part of sulfur turns into gas and a part turns into liquid. In other words, the temperature of the sulfur-attached PAN sheet may be a temperature equal to or higher than the temperature at which sulfur vaporizes. Vaporization here refers to the phase change of sulfur from a liquid or solid to a gas, and may be any of boiling, evaporation, and sublimation. For reference, the melting point of α sulfur (orthogonal sulfur, which is the most stable structure near room temperature) is 112.8 ° C, the melting point of β sulfur (monoclinic sulfur) is 119.6 ° C, and γ sulfur (monoclinic sulfur). ) Has a melting point of 106.8 ° C. The boiling point of sulfur is 444.7 ° C. By the way, since the vapor pressure of sulfur is high, generation | occurrence | production of sulfur vapor | steam can also be confirmed visually when the temperature of a sulfur adhesion PAN sheet will be 150 degreeC or more. Therefore, if the temperature of the sulfur-attached PAN sheet is 150 ° C. or higher, sulfur can be refluxed. In addition, what is necessary is just to recirculate | reflux sulfur using the recirculation | reflux apparatus of a known structure when recirculating | refluxing sulfur in a heat treatment process.

硫黄を接触させた状態のPANシートをテフロン(登録商標)シート、アルミシート、ポリイミドシート、ステンレスシート、プラチナシートなどの硫黄蒸気と反応を生じ難く、かつ、耐熱性を有する柔軟なシート(以下、「密閉用シート」ということがある)で両側から挟んだ状態でホットプレス法によって加圧と同時に加熱する方法も採用できる。この場合、PANシートに液体状の硫黄を付着させ、その後に硫黄が付着したPANシートを密閉用シートで挟んでPANシートと密閉用シートとの積層シートを、加熱すれば良い。   A PAN sheet in contact with sulfur is a flexible sheet (hereinafter, referred to as Teflon (registered trademark) sheet, aluminum sheet, polyimide sheet, stainless steel sheet, platinum sheet, etc.) A method of heating at the same time as pressing by a hot press method in a state of being sandwiched from both sides with a “sealing sheet”) may be employed. In this case, liquid sulfur is attached to the PAN sheet, and then the laminated sheet of the PAN sheet and the sealing sheet is heated by sandwiching the PAN sheet to which sulfur has been attached between the sealing sheets.

ホットプレス法における加熱時間は、5分〜2時間程度とすることが好ましく、10分〜1時間程度とすることがより好ましい。この方法では、硫黄を接触させた状態のPANシートを密閉用シートで挟んで加圧することによって、密閉用シートで挟まれた空間の空気が除去されて実質的に密閉された非酸化性雰囲気となる。また、プレスされることによって、PANシートと硫黄とが充分に密着する。この状態で加熱することによって、目的とするシート状の硫黄変性PANを得ることができる。ホットプレス法は、簡便な方法で、しかも短時間にシート状の硫黄変性PANを作製できるので、量産に適した方法である。   The heating time in the hot press method is preferably about 5 minutes to 2 hours, more preferably about 10 minutes to 1 hour. In this method, by pressing a PAN sheet in contact with sulfur between the sealing sheets and pressurizing, the air in the space sandwiched between the sealing sheets is removed, and a substantially sealed non-oxidizing atmosphere and Become. In addition, the PAN sheet and sulfur are sufficiently adhered by being pressed. By heating in this state, the target sheet-like sulfur-modified PAN can be obtained. The hot press method is a simple method and is suitable for mass production because a sheet-like sulfur-modified PAN can be produced in a short time.

ホットプレス法におけるプレス圧は特に限定的ではないが、両側を挟んだシートによって、硫黄を接触させた状態のPANシートを十分に密閉できる様に、100kgf/cm〜1500kgf/cm程度のプレス圧とすることが好ましく、200kgf/cm〜1000kgf/cm程度のプレス圧とすることがより好ましい。ホットプレス法によれば、5分〜2時間という非常に短時間で目的とするシート状の硫黄変性PANを得ることができるので、非常に効率良く目的物を得ることができる。 There is no limitation in pressing pressure in the hot press method, by sandwiching the both sides sheet, as the PAN sheet being in contact with sulfur can be sufficiently sealed, 100kgf / cm 2 ~1500kgf / cm 2 about the press preferably to pressure, and more preferably to 200kgf / cm 2 ~1000kgf / cm 2 about the press pressure. According to the hot press method, since the target sheet-like sulfur-modified PAN can be obtained in a very short time of 5 minutes to 2 hours, the target product can be obtained very efficiently.

なお、PANシートを硫黄変性するのに用いる装置によっては、上述した密閉用シートが不要になる場合もある。例えば、硫黄変性工程における熱処理工程を非酸化性雰囲気で行うことができれば、硫黄が付着したPANシートをプレスしつつ加熱するだけで、上記のホットプレス法で得られるものと同様のシート状の硫黄変性PANを得ることができる。   In addition, depending on the apparatus used for sulfur-modifying the PAN sheet, the above-described sealing sheet may be unnecessary. For example, if the heat treatment step in the sulfur modification step can be performed in a non-oxidizing atmosphere, the sheet-like sulfur similar to that obtained by the above hot press method can be obtained simply by heating while pressing the PAN sheet to which sulfur has adhered. Modified PAN can be obtained.

硫黄付着PANシート中の硫黄の配合量が過大である場合にも、熱処理工程においてPANに充分な量の硫黄を取り込むことができる。このため、PANに対して硫黄を過大に配合する場合には、熱処理工程後の被処理体から単体硫黄を除去することで、上述した単体硫黄による悪影響を抑制できる。詳しくは、硫黄付着PANシート中のPANと硫黄との配合比を、質量比で1:2〜1:10とする場合、熱処理工程後の被処理体を、減圧しつつ200℃〜250℃で加熱する(単体硫黄除去工程)ことで、PANに充分な量の硫黄を取り込みつつ、残存する単体硫黄による悪影響を抑制できる。熱処理工程後の被処理体に単体硫黄除去工程を施さない場合には、この被処理体をそのまま硫黄変性PANとして用いれば良い。また、熱処理工程後の被処理体に単体硫黄除去工程を施す場合には、単体硫黄除去工程後の被処理体を硫黄変性PANとして用いれば良い。単体硫黄除去工程の時間は特に限定しないが、1〜6時間程度であるのが好ましい。   Even when the amount of sulfur in the sulfur-attached PAN sheet is excessive, a sufficient amount of sulfur can be taken into the PAN in the heat treatment step. For this reason, when adding sulfur excessively with respect to PAN, the bad influence by the elemental sulfur mentioned above can be suppressed by removing elemental sulfur from the to-be-processed body after a heat treatment process. Specifically, when the mixing ratio of PAN and sulfur in the sulfur-attached PAN sheet is 1: 2 to 1:10 by mass ratio, the object to be treated after the heat treatment step is at 200 ° C. to 250 ° C. while reducing the pressure. By heating (single sulfur removal step), it is possible to suppress an adverse effect due to the remaining single sulfur while taking a sufficient amount of sulfur into the PAN. When the single sulfur removal step is not performed on the target object after the heat treatment step, this target object may be used as it is as the sulfur-modified PAN. Moreover, what is necessary is just to use the to-be-processed body after a single sulfur removal process as sulfur modified PAN, when performing the single-piece | unit sulfur removal process to the to-be-processed body after a heat treatment process. The time for the elemental sulfur removal step is not particularly limited, but is preferably about 1 to 6 hours.

(硫黄変性PANの製造装置)
上述した本発明の製造方法によりシート状の硫黄変性PANを製造するための製造装置は、少なくとも、PANシートを搬送するための搬送手段と、硫黄供給工程を行うための硫黄供給手段と、熱処理工程を行うための加熱手段と、を備える。
(Sulfur modified PAN production equipment)
A manufacturing apparatus for manufacturing a sheet-like sulfur-modified PAN by the manufacturing method of the present invention described above includes at least a conveying means for conveying a PAN sheet, a sulfur supplying means for performing a sulfur supplying process, and a heat treatment process. Heating means for performing the above.

PANシートを搬送する搬送手段は、PANシートを連続的に搬送できれば良く、特に限定しない。例えば、PANシートを挟みつつ回転する複数対のローラーであっても良い。PANシートがロール状である場合には、ロール状PANシートの芯を保持しつつ回転する回転軸または回転軸用の軸受けによってPANシートを送り出すことで、PANシートを押し出しつつ搬送しても良い。或いは、熱処理工程後のPANシート(シート状の硫黄変性PAN)を回転軸にロール状に巻き取り、このロール用の回転軸または軸受けによってシート状の硫黄変性PANを巻き取ることで、PANシートを引っ張りつつ搬送しても良い。これに限らず、既知の種々の搬送手段を用いても良い。   The conveying means for conveying the PAN sheet is not particularly limited as long as the PAN sheet can be continuously conveyed. For example, a plurality of pairs of rollers that rotate while sandwiching the PAN sheet may be used. When the PAN sheet is in the form of a roll, the PAN sheet may be conveyed while being pushed out by feeding the PAN sheet with a rotating shaft or a bearing for the rotating shaft that rotates while holding the core of the rolled PAN sheet. Alternatively, the PAN sheet (sheet-like sulfur-modified PAN) after the heat treatment step is wound around a rotating shaft in a roll shape, and the sheet-like sulfur-modified PAN is wound around the rotating shaft or bearing for the roll, thereby You may convey while pulling. However, the present invention is not limited to this, and various known conveying means may be used.

硫黄供給手段は、少なくとも一部が液体状になっている硫黄をPANシートに付着させることができれば良く、例えば液体状の硫黄を噴霧するスプレーや、液体状の硫黄を収容する液槽等、種々のものを用いることができる。硫黄供給工程と熱処理工程とを同時に行う場合、例えば、液体状の硫黄を収容する液槽を加熱し、PANシートを液槽中で液体状の硫黄と共に加熱しても良い。なお、硫黄変性工程においては、PANシートに付着した硫黄の少なくとも一部が液体状であれば良い。このため、硫黄供給手段は液状の硫黄と共に、固体状の硫黄および/または気体状の硫黄をPANシートに付着させても良い。   The sulfur supply means only needs to allow at least a part of the liquid sulfur to adhere to the PAN sheet. For example, various types of spray such as a spray for spraying liquid sulfur and a liquid tank for storing liquid sulfur. Can be used. When performing a sulfur supply process and a heat treatment process simultaneously, for example, a liquid tank containing liquid sulfur may be heated and the PAN sheet may be heated together with liquid sulfur in the liquid tank. In the sulfur modification step, at least a part of sulfur attached to the PAN sheet may be liquid. For this reason, the sulfur supply means may attach solid sulfur and / or gaseous sulfur to the PAN sheet together with liquid sulfur.

加熱手段としてはPANシートを400℃程度にまで加熱できる公知のものを用いることができる。   As the heating means, a known means capable of heating the PAN sheet to about 400 ° C. can be used.

(非水電解質二次電池)
以下、上述した本発明の製造方法で製造した硫黄変性PANを正極活物質として用いた非水電解質二次電池の構成について説明する。
(Non-aqueous electrolyte secondary battery)
Hereinafter, the structure of the nonaqueous electrolyte secondary battery using the sulfur-modified PAN manufactured by the above-described manufacturing method of the present invention as a positive electrode active material will be described.

〔正極〕
非水電解質二次電池における正極は、正極活物質としての硫黄変性PAN以外にも、バインダや導電助剤等を含み得る。例えば、上述したようにPANシートを集電体シートと一体化して硫黄変性工程に供する場合には、シート状をなす硫黄変性PANと集電体との複合体が得られる。この複合体は、そのまま正極として使用できる。この場合には、後述するバインダ等が不要になるため、非水電解質二次電池のエネルギー密度が向上する。
[Positive electrode]
The positive electrode in the nonaqueous electrolyte secondary battery may contain a binder, a conductive auxiliary agent, and the like in addition to the sulfur-modified PAN as the positive electrode active material. For example, as described above, when the PAN sheet is integrated with the current collector sheet and subjected to the sulfur modification step, a composite of the sulfur modified PAN and the current collector in the form of a sheet is obtained. This composite can be used as a positive electrode as it is. In this case, since the binder etc. which are mentioned later become unnecessary, the energy density of a nonaqueous electrolyte secondary battery improves.

なお、シート状の硫黄変性PANを破砕したものに、導電助剤、バインダ、および溶媒を混合した正極合剤を集電体に塗布することによって正極を作製しても良い。また、その他の方法として、上述した正極合剤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、正極を製造することもできる。なお集電体に関しては上述した。   In addition, you may produce a positive electrode by apply | coating the positive electrode mixture which mixed the conductive support agent, the binder, and the solvent to what crushed sheet-like sulfur-modified PAN to a collector. In addition, as another method, the positive electrode mixture described above may be kneaded with a mortar or a press and formed into a film shape, and the positive electrode may be manufactured by pressing the film-like mixture onto a current collector with a press machine or the like. it can. The current collector has been described above.

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。   Examples of the conductive assistant include vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon powder, carbon black (CB), acetylene black (AB), ketjen black (KB), graphite, positive electrodes such as aluminum and titanium. Examples thereof include fine metal powders stable in potential.

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。   As the binder, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), carboxymethylcellulose (CMC), polychlorinated Examples include vinyl (PVC), methacrylic resin (PMA), polyacrylonitrile (PAN), modified polyphenylene oxide (PPO), polyethylene oxide (PEO), polyethylene (PE), and polypropylene (PP).

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、硫黄変性PAN100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。   Examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformaldehyde, alcohol, water and the like. These conductive assistants, binders and solvents may be used as a mixture of plural kinds. The blending amount of these materials is not particularly limited. For example, it is preferable to blend about 20 to 100 parts by mass of the conductive additive and about 10 to 20 parts by mass of the binder with respect to 100 parts by mass of the sulfur-modified PAN.

その他、正極合剤に導電助剤以外の伝導材を配合しても良い。伝導材とは、自身が高い電気伝導性を示すか、あるいは、正極のイオン伝導性を大きく向上させ得る材料を指す。正極に伝導材を含むことで、正極全体の電気伝導度および/またはイオン伝導性を向上させることができ、非水電解質二次電池の放電レート特性を向上させ得る。伝導材の材料(伝導材材料)としては、硫化物の状態で上記の機能を示すものを用いるのが好ましい。硫黄変性PANの原料たる硫黄によって硫化されても、伝導材の機能を損なわないためである。この場合、伝導材はPANとともにPANシートに混入させれば良い。   In addition, you may mix | blend conductive materials other than a conductive support agent with a positive mix. The conductive material refers to a material that exhibits high electrical conductivity or that can greatly improve the ionic conductivity of the positive electrode. By including a conductive material in the positive electrode, the electrical conductivity and / or ionic conductivity of the entire positive electrode can be improved, and the discharge rate characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be improved. As the material for the conductive material (conductive material), it is preferable to use a material that exhibits the above function in the state of sulfide. This is because the function of the conductive material is not impaired even if it is sulfurized by sulfur, which is a raw material of sulfur-modified PAN. In this case, the conductive material may be mixed into the PAN sheet together with PAN.

伝導材材料としては、第4周期金属、第5周期金属、第6周期金属および希土類元素からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属、またはその硫化物を用いることができる。なお、本明細書でいう第4周期金属、第5周期金属および第6周期金属とは、周期律表によるものである。例えば第4周期金属とは、周期律表における第4周期元素に含まれる金属を指す。伝導材材料としては、硫化物の状態で自身が高い電気伝導性を示すか、あるいは、正極のイオン伝導性を大きく向上させ得るものが好ましく、例えば、Ti、Fe、La、Ce、Pr、Nd、Sm、V、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ta、W、Pbからなる群から選ばれる少なくとも一種、またはその硫化物であるのが好ましい。なお伝導材は、正極中においては、上記金属とその硫化物との両方からなるか、或いは、上記金属の硫化物のみからなる。これらの伝導材材料は硫化物を多く含むのが好ましく、硫化物のみからなるのがより好ましい。上記金属を硫化物の状態で正極に配合することで、伝導材と硫黄変性PANとがなじみ易くなり、伝導材と正極活物質とが略均一に分散するためである。また、伝導材材料として硫化物を用いることで、伝導材における上記金属と硫黄との比率を所望する範囲に容易に制御できる利点もある。   As the conductive material, at least one metal selected from the group consisting of a fourth periodic metal, a fifth periodic metal, a sixth periodic metal, and a rare earth element, or a sulfide thereof can be used. In addition, the 4th periodic metal, the 5th periodic metal, and the 6th periodic metal as used in this specification are based on a periodic table. For example, the fourth periodic metal refers to a metal included in the fourth periodic element in the periodic table. The conductive material is preferably one that exhibits high electrical conductivity in the state of sulfide or that can greatly improve the ionic conductivity of the positive electrode. For example, Ti, Fe, La, Ce, Pr, Nd Sm, V, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Ta, W, Pb, or a sulfide thereof is preferable. . In the positive electrode, the conductive material consists of both the metal and its sulfide, or consists only of the metal sulfide. These conductive material materials preferably contain a large amount of sulfide, and more preferably consist only of sulfide. This is because the conductive material and the sulfur-modified PAN are easily blended by blending the metal into the positive electrode in a sulfide state, and the conductive material and the positive electrode active material are dispersed substantially uniformly. Further, by using sulfide as the conductive material, there is an advantage that the ratio of the metal and sulfur in the conductive material can be easily controlled within a desired range.

〔負極〕
正極活物質として硫黄変性PANを用いた非水電解質二次電池用における負極活物質としては、公知の金属リチウム、金属ナトリウム、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。なお、金属リチウムを負極活物質に用いる場合の非水電解質二次電池はリチウム二次電池である。金属ナトリウムを負極活物質に用いる場合の非水電解質二次電池はナトリウム二次電池(所謂ナトリウム硫黄電池)である。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なかで、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、リチウム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硫黄変性PANと組み合わせて用いる場合、リチウムイオン二次電池であれば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。ナトリウムに関しても同様である。
[Negative electrode]
Examples of the negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery using sulfur-modified PAN as the positive electrode active material include known carbon-based materials such as metallic lithium, metallic sodium, and graphite, silicon-based materials such as silicon thin films, and copper-tin. And alloy materials such as cobalt-tin can be used. Note that the non-aqueous electrolyte secondary battery in the case of using metallic lithium as the negative electrode active material is a lithium secondary battery. The non-aqueous electrolyte secondary battery in the case of using metallic sodium as the negative electrode active material is a sodium secondary battery (so-called sodium sulfur battery). When a negative electrode material that does not contain lithium, for example, a carbon-based material, a silicon-based material, an alloy-based material, etc., among the negative electrode materials described above, a short circuit between the positive and negative electrodes due to the generation of lithium dendrites is required It is advantageous in that it does not easily occur. However, when these negative electrode materials not containing lithium are used in combination with sulfur-modified PAN, if the lithium ion secondary battery is used, neither the positive electrode nor the negative electrode contains lithium. For this reason, a lithium pre-doping process in which lithium is inserted in advance into either one or both of the negative electrode and the positive electrode is necessary. The lithium pre-doping method may be a known method. For example, when lithium is doped into the negative electrode, a half-cell is assembled using metallic lithium as the counter electrode, and lithium is inserted by an electrolytic doping method in which lithium is electrochemically doped, or a metallic lithium foil is attached to the electrode After that, there is a method in which lithium is inserted by a pasting pre-doping method in which it is left in an electrolytic solution and doped using diffusion of lithium to the electrode. Also, when the positive electrode is predoped with lithium, the above-described electrolytic doping method can be used. The same applies to sodium.

リチウムを含まない負極材料としては、特に、高容量の負極材料であるシリコン系材料が好ましく、その中でも電極厚さが薄くて体積あたりの容量で有利となる薄膜シリコンや、高容量でサイクル特性に優れた一酸化シリコン(SiO)がより好ましい。   As a negative electrode material that does not contain lithium, a silicon-based material that is a negative electrode material having a high capacity is particularly preferable. Among them, thin-film silicon that is advantageous in terms of capacity per unit volume due to thin electrode thickness, and high capacity and cycle characteristics. Excellent silicon monoxide (SiO) is more preferred.

負極用の集電体としては、アルミニウム箔、アルミニウムメッシュ、パンチングアルミニウムシート、アルミニウムエキスパンドシート、ステンレススチール箔、ステンレススチールメッシュ、パンチングステンレススチールシート、ステンレススチールエキスパンドシート、発泡ニッケル、ニッケル不織布、銅箔、銅メッシュ、パンチング銅シート、銅エキスパンドシート、チタン箔、チタンメッシュ、カーボンペーパー(不織布/織布)等が例示される。   As the current collector for the negative electrode, aluminum foil, aluminum mesh, punched aluminum sheet, aluminum expanded sheet, stainless steel foil, stainless steel mesh, punched stainless steel sheet, stainless steel expanded sheet, nickel foam, nickel non-woven fabric, copper foil, Examples include copper mesh, punched copper sheet, copper expanded sheet, titanium foil, titanium mesh, carbon paper (nonwoven fabric / woven fabric) and the like.

〔電解質〕
非水電解質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、イソプロピルメチルカーボネート、ビニレンカーボネート、γ−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、負極活物質としてリチウムを用いる場合には、LiPF、LiBF、LiAsF、LiCFSO、LiI、LiClO等を用いることができる。負極活物質としてナトリウムを用いる場合には、NaPF、NaBF、NaClO、NaAsF、NaSbF、NaCFSO、NaN(SOCF、低級脂肪酸ナトリウム塩、NaAlCl等から選ばれる一種又は複数種を用いることができる。なかでもLiPF、LiBF、LiAsF、LiCFSO、NaPF、NaBF、NaAsF、NaSbF、NaCFSO、NaN(SOCF等は、フッ素(F)を含むために好ましく用いられる。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ず、固体状(例えば高分子ゲル状)であっても良い。
〔Electrolytes〕
As the electrolyte used for the nonaqueous electrolyte secondary battery, an electrolyte obtained by dissolving an alkali metal salt as an electrolyte in an organic solvent can be used. As the organic solvent, it is preferable to use at least one selected from non-aqueous solvents such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dimethyl ether, isopropyl methyl carbonate, vinylene carbonate, γ-butyrolactone, and acetonitrile. . As the electrolyte, LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiI, LiClO 4 or the like can be used when lithium is used as the negative electrode active material. When sodium is used as the negative electrode active material, it is selected from NaPF 6 , NaBF 4 , NaClO 4 , NaAsF 6 , NaSbF 6 , NaCF 3 SO 3 , NaN (SO 2 CF 3 ) 2 , lower fatty acid sodium salt, NaAlCl 4 and the like. One kind or a plurality of kinds can be used. Among them, LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , NaPF 6 , NaBF 4 , NaAsF 6 , NaSbF 6 , NaCF 3 SO 3 , NaN (SO 2 CF 3 ) 2 and the like contain fluorine (F). Therefore, it is preferably used. The concentration of the electrolyte may be about 0.5 mol / L to 1.7 mol / L. Note that the electrolyte is not limited to liquid, and may be solid (for example, a polymer gel).

〔その他〕
非水電解質二次電池は、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。非水電解質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、PAN、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。非水電解質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。
[Others]
The nonaqueous electrolyte secondary battery may include a member such as a separator in addition to the above-described negative electrode, positive electrode, and electrolyte. The separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode, allows ions to move between the positive electrode and the negative electrode, and prevents an internal short circuit between the positive electrode and the negative electrode. If the non-aqueous electrolyte secondary battery is a sealed type, the separator is also required to have a function of holding an electrolytic solution. As the separator, it is preferable to use a thin, microporous or non-woven membrane made of polyethylene, polypropylene, PAN, aramid, polyimide, cellulose, glass or the like. The shape of the nonaqueous electrolyte secondary battery is not particularly limited, and can be various shapes such as a cylindrical shape, a stacked shape, and a coin shape.

以下、本発明の製造方法および製造装置を具体的に説明する。   Hereafter, the manufacturing method and manufacturing apparatus of this invention are demonstrated concretely.

(実施例1)
<硫黄変性PANの製造>
〔1〕PANシート
目付量9.2g/m、厚さ22μmのPANシートを準備した。このPANシートは、PAN繊維を材料とした不織布シートであり、厚さ22μm、幅300mm、長さ100mであり、ロール芯に巻回されている。
Example 1
<Production of sulfur-modified PAN>
[1] PAN Sheet A PAN sheet having a basis weight of 9.2 g / m 2 and a thickness of 22 μm was prepared. This PAN sheet is a non-woven sheet made of PAN fibers, has a thickness of 22 μm, a width of 300 mm, and a length of 100 m, and is wound around a roll core.

〔2〕装置
実施例1の製造装置を模式的に表す説明図を図3に示す。図3の硫黄変性手段を模式的に表す要部拡大図を図4に示す。
[2] Apparatus FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing the manufacturing apparatus of the first embodiment. FIG. 4 is an enlarged view of a main part schematically showing the sulfur modification means of FIG.

図3に示すように、実施例1の製造装置は、第1搬送手段11、第2搬送手段12、第3搬送手段13、プレス手段2、硫黄変性手段3および複数の補助ローラー4を備える。第1搬送手段11は図2中反時計回りに回転する回転軸である。第2搬送手段12は図2中時計回りに回転する回転軸である。第3搬送手段13は図2中反時計回りに回転する回転軸である。第1搬送手段11には、ロール状に巻回されたPANシート5が固定される。第1搬送手段11の回転により、PANシート5は図2中右方向に送り出される。第2搬送手段12には、ロール状に巻回された集電体シート6が固定される。集電体シート6は、東レ株式会社製の(型番:TGP-H-030、厚さ0.11mm、幅300mm、長さ800mm)のカーボンペーパーである。第2搬送手段12の回転により、集電体シート6は図2中右方向に送り出される。第1搬送手段11、第2搬送手段12および第3搬送手段13は同期して回転する。第1搬送手段11、第2搬送手段12および第3搬送手段13は本発明における搬送手段に相当する。なお、本発明の製造方法および製造装置は少なくとも一つの搬送手段を備えれば良い。本発明の製造方法および製造装置に一つのみの搬送手段を設ける場合、例えば第3搬送手段13のみを設ければ良い。   As shown in FIG. 3, the manufacturing apparatus of Example 1 includes a first transport unit 11, a second transport unit 12, a third transport unit 13, a press unit 2, a sulfur modification unit 3, and a plurality of auxiliary rollers 4. The first transport means 11 is a rotating shaft that rotates counterclockwise in FIG. The second conveying means 12 is a rotating shaft that rotates clockwise in FIG. The third transport means 13 is a rotating shaft that rotates counterclockwise in FIG. A PAN sheet 5 wound in a roll shape is fixed to the first transport unit 11. Due to the rotation of the first conveying means 11, the PAN sheet 5 is sent out in the right direction in FIG. A current collector sheet 6 wound in a roll shape is fixed to the second conveying means 12. The current collector sheet 6 is carbon paper (model number: TGP-H-030, thickness 0.11 mm, width 300 mm, length 800 mm) manufactured by Toray Industries, Inc. The current collector sheet 6 is sent out in the right direction in FIG. 2 by the rotation of the second conveying means 12. The 1st conveyance means 11, the 2nd conveyance means 12, and the 3rd conveyance means 13 rotate in synchronization. The 1st conveyance means 11, the 2nd conveyance means 12, and the 3rd conveyance means 13 are equivalent to the conveyance means in this invention. In addition, the manufacturing method and manufacturing apparatus of this invention should just provide at least 1 conveyance means. When the manufacturing method and the manufacturing apparatus of the present invention are provided with only one conveying means, for example, only the third conveying means 13 may be provided.

プレス手段2は、一対のローラー20、21からなる。この一対のローラー20、21は互いに近接する方向に付勢されている。第1搬送手段11から送り出されたPANシート5と、第2搬送手段12から送り出された集電体シート6とは、積層されてプレス手段2を通過する。そしてプレス手段2を通過する際に、プレスされて一体化する。   The pressing means 2 includes a pair of rollers 20 and 21. The pair of rollers 20 and 21 are urged in a direction approaching each other. The PAN sheet 5 sent out from the first transport unit 11 and the current collector sheet 6 sent out from the second transport unit 12 are stacked and pass through the press unit 2. And when passing the press means 2, it is pressed and integrated.

プレス手段2を通過したPANシート5と集電体シート6との積層体(複合シート50)は、図2中プレス手段2よりも右側に位置する硫黄変性手段3に搬送される。   The laminate (composite sheet 50) of the PAN sheet 5 and the current collector sheet 6 that has passed through the pressing means 2 is conveyed to the sulfur modification means 3 located on the right side of the pressing means 2 in FIG.

硫黄変性手段3は、図3に示すように、加熱炉30と、加熱炉30に取り付けられている硫黄供給手段31と、を備えている。加熱炉30の側壁には加熱手段32が埋設されている。加熱手段32は、加熱炉30の内部(特に液槽33)を400℃に加熱する。加熱炉30は搬入口34と搬出口35とが開口する略箱状をなす。加熱炉30の底部は液槽33を構成している。硫黄供給手段31は加熱炉30の上部に取り付けられ、硫黄ガスを加熱炉30内に噴射する。加熱炉30内部の硫黄蒸気圧は徐々に高まるため、加熱炉30の底部の液槽33には液体状の硫黄が溜まる。一部の硫黄は、加熱手段32により加熱されることで再度気化し、気化した硫黄は加熱炉30の上部に移動する。このため後述する複合シート50は加熱炉30内で還流される。さらに加熱炉30には、図略の不活性ガス供給手段により不活性ガス(アルゴンガス)が供給されている。このため、加熱炉30の底部(つまり液槽33)には硫黄の液相90が形成され、加熱炉30の上部には硫黄とアルゴンガスとの混合気相91が形成されている。   As shown in FIG. 3, the sulfur modification unit 3 includes a heating furnace 30 and a sulfur supply unit 31 attached to the heating furnace 30. A heating means 32 is embedded in the side wall of the heating furnace 30. The heating means 32 heats the inside of the heating furnace 30 (particularly the liquid tank 33) to 400 ° C. The heating furnace 30 has a substantially box shape in which a carry-in port 34 and a carry-out port 35 are opened. The bottom of the heating furnace 30 constitutes a liquid tank 33. The sulfur supply means 31 is attached to the upper part of the heating furnace 30 and injects sulfur gas into the heating furnace 30. Since the sulfur vapor pressure inside the heating furnace 30 gradually increases, liquid sulfur accumulates in the liquid tank 33 at the bottom of the heating furnace 30. Part of the sulfur is vaporized again by being heated by the heating means 32, and the vaporized sulfur moves to the upper part of the heating furnace 30. For this reason, the composite sheet 50 described later is refluxed in the heating furnace 30. Further, an inert gas (argon gas) is supplied to the heating furnace 30 by an inert gas supply means (not shown). For this reason, a sulfur liquid phase 90 is formed at the bottom of the heating furnace 30 (that is, the liquid tank 33), and a mixed gas phase 91 of sulfur and argon gas is formed at the top of the heating furnace 30.

プレス手段2を通過し搬入口34を経て加熱炉30に搬送された複合シート50は、加熱炉30の液槽33に搬送され、液槽33中に溜まっている液体状の硫黄に浸漬される。複合シート50が加熱炉30に滞在する時間は約10〜20分である。   The composite sheet 50 passed through the pressing means 2 and conveyed to the heating furnace 30 through the carry-in port 34 is conveyed to the liquid tank 33 of the heating furnace 30 and immersed in liquid sulfur accumulated in the liquid tank 33. . The time for which the composite sheet 50 stays in the heating furnace 30 is about 10 to 20 minutes.

搬出口35を経て加熱炉30外部に搬送されたPANシート5は、第3搬送手段13に固定され巻き取られる。なお、各段階のPANシート5および集電体シート6には、補助ローラー4により所定の張力が加えられている。   The PAN sheet 5 conveyed to the outside of the heating furnace 30 through the carry-out port 35 is fixed to the third conveying means 13 and wound up. A predetermined tension is applied to the PAN sheet 5 and the current collector sheet 6 at each stage by the auxiliary roller 4.

〔3〕硫黄変性工程
プレス手段2によって一体化された複合シート50は、加熱炉30に搬送され、加熱炉30内で硫黄供給工程および熱処理工程に供される。実施例1では硫黄供給工程と熱処理工程とを同時に行った。搬送直後、液槽33よりも上側に位置する複合シート50には、混合気相91に存在する硫黄ガスが付着する。液槽33中に存在する硫黄の液相90に浸漬されている複合シート50には、液体状の硫黄が付着する。硫黄が付着した状態で、複合シート50は加熱されるため、複合シート50に含まれるPANと硫黄とが結合し、シート状の硫黄変性PANが得られる。
[3] Sulfur modification step The composite sheet 50 integrated by the pressing means 2 is conveyed to the heating furnace 30 and is subjected to a sulfur supply step and a heat treatment step in the heating furnace 30. In Example 1, the sulfur supply step and the heat treatment step were performed simultaneously. Immediately after conveyance, sulfur gas present in the mixed gas phase 91 adheres to the composite sheet 50 located above the liquid tank 33. Liquid sulfur adheres to the composite sheet 50 immersed in the sulfur liquid phase 90 existing in the liquid tank 33. Since the composite sheet 50 is heated in a state where sulfur is adhered, PAN and sulfur contained in the composite sheet 50 are combined to obtain a sheet-like sulfur-modified PAN.

〔4〕単体硫黄除去工程
熱処理工程後の硫黄変性PAN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。
[4] Elemental sulfur removal step In order to remove elemental sulfur (free sulfur) remaining in the sulfur-modified PAN after the heat treatment step, the following steps were performed.

熱処理工程後のシート状の硫黄変性PANを打ち抜き、ガラスチューブオーブンに入れ、真空吸引しつつ200℃で3時間加熱した。このときの昇温温度は10℃/分であった。この工程により、熱処理工程後の被処理体に残存する単体硫黄が蒸発・除去され、単体硫黄を含まない(または、ほぼ含まない)実施例1のシート状の硫黄変性PANを得た。   The sheet-like sulfur-modified PAN after the heat treatment step was punched out, placed in a glass tube oven, and heated at 200 ° C. for 3 hours while being vacuumed. The temperature elevation temperature at this time was 10 ° C./min. By this process, the elemental sulfur remaining in the object to be treated after the heat treatment process was evaporated and removed, and the sheet-like sulfur-modified PAN of Example 1 not including (or substantially not including) elemental sulfur was obtained.

(実施例2)
実施例2の製造方法は、集電体シート6上にPANシート5を形成しつつ搬送すること以外は、実施例1の製造方法とほぼ同じである。実施例2の製造装置は、繊維状PAN供給手段70を持ち、第1搬送手段11を持たないこと以外は実施例1の製造装置と同じものである。実施例2の製造装置を模式的に表す要部拡大図を図5に示す。
(Example 2)
The manufacturing method of Example 2 is substantially the same as the manufacturing method of Example 1 except that the PAN sheet 5 is conveyed while being formed on the current collector sheet 6. The manufacturing apparatus according to the second embodiment is the same as the manufacturing apparatus according to the first embodiment except that the manufacturing apparatus includes a fibrous PAN supply unit 70 and does not include the first conveying unit 11. The principal part enlarged view which represents typically the manufacturing apparatus of Example 2 is shown in FIG.

図5に示すように、実施例2の製造装置における繊維状PAN供給手段70は、図略のエレクトロスピニング手段により得られた電解紡糸51を、集電体シート6上に吹き出す。このため、集電体シート6上に直接PANシート5が形成される。集電体シート6上にPANシート5が形成されてなる複合シート50は、実施例1と同様にプレス手段に搬送され、その後硫黄変性手段に搬送される。   As shown in FIG. 5, the fibrous PAN supply means 70 in the manufacturing apparatus of Example 2 blows out the electrospun 51 obtained by the electrospinning means (not shown) onto the current collector sheet 6. For this reason, the PAN sheet 5 is formed directly on the current collector sheet 6. The composite sheet 50 in which the PAN sheet 5 is formed on the current collector sheet 6 is transported to the press means in the same manner as in Example 1, and then transported to the sulfur modification means.

(実施例3)
実施例3の製造方法は、集電体シート6上にPANシート5を形成しつつ搬送すること以外は、実施例1の製造方法とほぼ同じである。実施例3の製造装置は、液状PAN供給手段71を持ち、第1搬送手段11を持たないこと以外は実施例1の製造装置と同じものである。実施例3の製造装置を模式的に表す要部拡大図を図6に示す。上記した液状PANは、ここではN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)溶媒にPAN粉末を溶かしたものを用いた。
(Example 3)
The manufacturing method of Example 3 is substantially the same as the manufacturing method of Example 1 except that the PAN sheet 5 is conveyed while being formed on the current collector sheet 6. The manufacturing apparatus of the third embodiment is the same as the manufacturing apparatus of the first embodiment except that the liquid PAN supply unit 71 is provided and the first transport unit 11 is not provided. The principal part enlarged view which represents typically the manufacturing apparatus of Example 3 is shown in FIG. The liquid PAN described above was prepared by dissolving PAN powder in an N, N-dimethylformamide (DMF) solvent.

図6に示すように、実施例3の製造装置における液状PAN供給手段71は、PAN溶液52を直接集電体シート6上に噴霧する。このため、集電体シート6上(または集電体シート6と一体に)PANシート5が形成される。得られた複合シート50は、実施例1と同様にプレス手段に搬送され、その後硫黄変性手段に搬送される。   As shown in FIG. 6, the liquid PAN supply means 71 in the manufacturing apparatus of Example 3 sprays the PAN solution 52 directly on the current collector sheet 6. For this reason, the PAN sheet 5 is formed on the current collector sheet 6 (or integrally with the current collector sheet 6). The obtained composite sheet 50 is conveyed to the press means in the same manner as in Example 1, and then conveyed to the sulfur modification means.

(比較例)
比較例の製造方法は、硫黄ガス中(つまり加熱炉30における混合気相91中)で複合シート50を硫黄変性させ、液槽33中の液体状硫黄に浸漬しなかったこと以外は、実施例1の製造方法と同じ方法である。
(Comparative example)
The manufacturing method of the comparative example is an example except that the composite sheet 50 was sulfur-modified in sulfur gas (that is, in the mixed gas phase 91 in the heating furnace 30) and was not immersed in liquid sulfur in the liquid tank 33. This is the same method as the first manufacturing method.

<試験用リチウム二次電池>
実施例1の硫黄変性PANを正極とした評価用のリチウム二次電池、および比較例の硫黄変性PANを正極とした評価用のリチウム二次電池をそれぞれ作製し、そのサイクル特性を評価した。正極はシート状の各硫黄変性PANを直径11mmに打ち抜いたものを用いた。負極は、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(質量比1:1)に、LiPFを1.0mol/L溶解した溶液を用いた。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)を用い、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、Celgard社製)と厚さ440μmのガラス不織布フィルタ(GA−100、ADVANTEC社製)とを介して上記の正極と負極とをドライルーム内で積層した。その後、電解液を注入し、カシメ機で密閉してリチウム二次電池を作製した。
<Test lithium secondary battery>
A lithium secondary battery for evaluation using the sulfur-modified PAN of Example 1 as a positive electrode and a lithium secondary battery for evaluation using the sulfur-modified PAN of Comparative Example as a positive electrode were prepared, and the cycle characteristics were evaluated. The positive electrode used was a sheet-shaped sulfur-modified PAN punched out to a diameter of 11 mm. The negative electrode used was a metal lithium foil having a thickness of 500 μm punched to a diameter of 14 mm. As the electrolytic solution, a solution in which LiPF 6 was dissolved at 1.0 mol / L in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate (mass ratio 1: 1) was used. Separator (Celgard 2400, manufactured by Celgard) made of a polypropylene microporous film with a thickness of 25 μm and a glass nonwoven fabric filter with a thickness of 440 μm using a battery case made of a stainless steel container (CR 2032 type coin battery member, manufactured by Hosen Co., Ltd.) The positive electrode and the negative electrode were laminated in a dry room through (GA-100, manufactured by ADVANTEC). Thereafter, an electrolytic solution was injected and sealed with a caulking machine to produce a lithium secondary battery.

<硫黄変性PANの組成分析>
実施例1の硫黄変性PANおよび比較例の硫黄変性PANについて、炭素・硫黄ガス分析装置(EMIA−720、堀場製作所製)および酸素・窒素ガス分析装置(EMGA−550FA、堀場製作所製)を用いて組成分析した。組成分析の結果を表1に示す。
<Composition analysis of sulfur-modified PAN>
About the sulfur-modified PAN of Example 1 and the sulfur-modified PAN of the comparative example, using a carbon / sulfur gas analyzer (EMIA-720, manufactured by HORIBA, Ltd.) and an oxygen / nitrogen gas analyzer (EMGA-550FA, manufactured by HORIBA, Ltd.) The composition was analyzed. The results of the composition analysis are shown in Table 1.

Figure 2013037960
Figure 2013037960

表1に示すように、実施例1の硫黄変性PANは、比較例の硫黄変性PANに比べて硫黄の含有量が遙かに多かった。これは、PANに液体状の硫黄を付着させることで、PANに気体状の硫黄を付着させる場合に比べて、PANと硫黄元素との接触面積が大きくなり、その結果多くの硫黄元素がPANと結合したためと考えられる。この結果から、本発明の方法により製造された硫黄変性PANは多くの硫黄を含有すること、水素、炭素、硫黄、酸素、窒素の合計を100モル%としたときの硫黄の量が10モル%を超えれば本発明の製造方法で製造した硫黄変性PANと判断できること、がわかる。   As shown in Table 1, the sulfur-modified PAN of Example 1 had a much higher sulfur content than the sulfur-modified PAN of the comparative example. This is because by attaching liquid sulfur to PAN, the contact area between PAN and sulfur element becomes larger than when gaseous sulfur is attached to PAN. This is thought to be due to the combination. From this result, the sulfur-modified PAN produced by the method of the present invention contains a large amount of sulfur, and when the total amount of hydrogen, carbon, sulfur, oxygen and nitrogen is 100 mol%, the amount of sulfur is 10 mol%. It can be seen that it can be determined that the sulfur-modified PAN produced by the production method of the present invention exceeds.

<サイクル特性>
この電池に、正極活物質1gあたり50mAに相当する電流値で充放電を行った。その
際の放電終止電圧は1.0V、充電終止電圧は3.0Vであった。実施例1の硫黄変性PANを正極としたリチウム二次電池の充放電曲線を図7に示し、サイクル特性を図8に示す。また、比較例の硫黄変性PANを正極としたリチウム二次電池の充放電曲線を図9に示し、サイクル特性を図10に示す。
<Cycle characteristics>
This battery was charged and discharged at a current value corresponding to 50 mA per 1 g of the positive electrode active material. At that time, the final discharge voltage was 1.0V, and the final charge voltage was 3.0V. FIG. 7 shows a charge / discharge curve of the lithium secondary battery using the sulfur-modified PAN of Example 1 as a positive electrode, and FIG. 8 shows the cycle characteristics. Further, FIG. 9 shows a charge / discharge curve of a lithium secondary battery using the sulfur-modified PAN of the comparative example as a positive electrode, and FIG. 10 shows the cycle characteristics.

図7〜10に示すように、実施例の硫黄変性PANを用いたリチウム二次電池は、比較例の硫黄変性PANを用いたリチウム二次電池に比べて遙かに優れた充放電容量およびサイクル特性を示した。この結果から、本発明の製造方法および製造装置によると非水電解質二次電池の容量を増大させ得る硫黄変性PANを容易に大量生産できることがわかる。   As shown in FIGS. 7 to 10, the lithium secondary battery using the sulfur-modified PAN of the example is far superior in charge / discharge capacity and cycle compared to the lithium secondary battery using the sulfur-modified PAN of the comparative example. The characteristics are shown. From this result, it can be seen that according to the production method and production apparatus of the present invention, sulfur-modified PAN capable of increasing the capacity of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be easily mass-produced.

2:プレス手段 3:硫黄変性手段 4:補助ローラー
5:PANシート 6:集電体シート 11:第1搬送手段
12:第2搬送手段 13:第3搬送手段 30:加熱炉
31:硫黄供給手段 32:加熱手段 33:液槽
34:搬入口 35:搬出口 50:複合シート
70:繊維状PAN供給手段 71:液状PAN供給手段
2: Pressing means 3: Sulfur modifying means 4: Auxiliary roller 5: PAN sheet 6: Current collector sheet 11: First conveying means 12: Second conveying means 13: Third conveying means 30: Heating furnace 31: Sulfur supply means 32: Heating means 33: Liquid tank 34: Carry-in port 35: Carry-out port 50: Composite sheet 70: Fibrous PAN supply means 71: Liquid PAN supply means

Claims (5)

ポリアクリロニトリルと硫黄(S)とを原料とし、ポリアクリロニトリルに由来する炭素骨格と該炭素骨格と結合した硫黄(S)とからなる硫黄系正極活物質を製造する方法であって、
ポリアクリロニトリルシートを連続的に搬送しつつ該ポリアクリロニトリルシートに硫黄(S)を付着させ加熱する硫黄変性工程を含み、
該硫黄変性工程において、該硫黄(S)の少なくとも一部を液体状で該ポリアクリロニトリルシートに付着させることを特徴とする硫黄系正極活物質の製造方法。
A method for producing a sulfur-based positive electrode active material comprising polyacrylonitrile and sulfur (S) as raw materials and comprising a carbon skeleton derived from polyacrylonitrile and sulfur (S) bonded to the carbon skeleton,
Including a sulfur modification step of heating the polyacrylonitrile sheet with sulfur (S) attached thereto while continuously conveying the polyacrylonitrile sheet,
In the sulfur modification step, at least a part of the sulfur (S) is attached in liquid form to the polyacrylonitrile sheet.
前記硫黄変性工程において、液体状の硫黄(S)を収容した液槽中に前記ポリアクリロニトリルシートを通過させる請求項1に記載の硫黄系正極活物質の製造方法。   The method for producing a sulfur-based positive electrode active material according to claim 1, wherein in the sulfur modification step, the polyacrylonitrile sheet is passed through a liquid tank containing liquid sulfur (S). 前記ポリアクリロニトリルシートと集電体シートとを一体化した複合シートに前記硫黄変性工程を行う請求項1または2に記載の硫黄系正極活物質の製造方法。   The manufacturing method of the sulfur type positive electrode active material of Claim 1 or 2 which performs the said sulfur modification | denaturation process to the composite sheet which integrated the said polyacrylonitrile sheet | seat and the collector sheet. ポリアクリロニトリルと硫黄(S)とを原料とし、ポリアクリロニトリルに由来する炭素骨格と該炭素骨格と結合した硫黄(S)とからなる硫黄系正極活物質を製造する装置であって、
ポリアクリロニトリルシートを連続的に搬送する搬送手段と、
搬送されている該ポリアクリロニトリルシートに硫黄(S)を付着させる硫黄供給手段と、
硫黄に付着した該ポリアクリロニトリルシートを加熱する加熱する加熱手段と、を備え、
該硫黄供給手段は、該硫黄(S)の少なくとも一部を液体状で該ポリアクリロニトリルシートに付着させることを特徴とする硫黄系正極活物質の製造装置。
An apparatus for producing a sulfur-based positive electrode active material comprising polyacrylonitrile and sulfur (S) as raw materials and comprising a carbon skeleton derived from polyacrylonitrile and sulfur (S) bonded to the carbon skeleton,
Conveying means for continuously conveying the polyacrylonitrile sheet;
Sulfur supply means for attaching sulfur (S) to the polyacrylonitrile sheet being conveyed;
Heating means for heating the polyacrylonitrile sheet adhered to sulfur, and
The sulfur supply means is an apparatus for producing a sulfur-based positive electrode active material, characterized in that at least a part of the sulfur (S) is attached in liquid form to the polyacrylonitrile sheet.
前記硫黄供給手段は、液体状の硫黄(S)を収容する液槽を備え、
前記搬送手段は、該液槽中に前記ポリアクリロニトリルシートを通過させる請求項4に記載の硫黄系正極活物質の製造装置。
The sulfur supply means includes a liquid tank containing liquid sulfur (S),
The apparatus for producing a sulfur-based positive electrode active material according to claim 4, wherein the transport unit allows the polyacrylonitrile sheet to pass through the liquid tank.
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