JP2015216124A - Alkali metal-sulfur based secondary battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an alkali metal-sulfur based secondary battery having a long battery life.SOLUTION: An alkali metal-sulfur based secondary battery comprises: a positive electrode and a negative electrode 2, one of which has a sulfur-based electrode active material; an electrolytic solution including a glyme other than tetraglyme, and an alkali metal salt; and a counter electrode 4 to the positive or negative electrode, which has an alkali metal, an alloy including an alkali metal, carbon. The mixing ratio of the alkali metal salt to the glyme is 0.50-2.0 on a molar basis. With the glyme and the alkali metal salt forms, at least a part thereof forms a complex. In a charge/discharge test (Current density=1/12 C; Charge/discharge voltage=1.5-3.3 V, Discharge condition=1/12 C, and 30°C), the discharge capacity-keeping ratio in the 10-th cycle is 85% or more.

Description

本発明は、リチウム−硫黄電池等の正極又は負極に硫黄を用いた二次電池に関する。   The present invention relates to a secondary battery using sulfur for a positive electrode or a negative electrode such as a lithium-sulfur battery.

近年、携帯電話端末の普及や、環境問題に対応した電気自動車やハイブリッド電気自動車の研究開発に伴い、高容量の二次電池が要望されている。このような二次電池としては、既にリチウムイオン二次電池が広く普及しているが、車載用に安全性を確保するため、電解液として難燃性のグライム類を用いる技術が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。又、リチウム二次電池の電解液として、グライムに対するLi塩の混合比をモル換算で0.70〜1.25に調製したものを用い、これらの一部に錯体を形成させて電気化学的安定性を向上させた技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In recent years, with the widespread use of mobile phone terminals and the research and development of electric vehicles and hybrid electric vehicles that respond to environmental problems, high-capacity secondary batteries have been demanded. As such a secondary battery, a lithium ion secondary battery has already been widely used. However, in order to ensure safety for in-vehicle use, a technique using a flame-retardant glyme as an electrolytic solution has been proposed. (For example, refer nonpatent literature 1). In addition, as an electrolyte for a lithium secondary battery, a lithium salt with a mixing ratio of Li salt to glyme adjusted to 0.70 to 1.25 in terms of mole is used. A technique with improved performance has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

一方、リチウム二次電池よりさらに高容量の二次電池として、リチウム−硫黄電池が着目されている(例えば、特許文献2,3参照)。硫黄は理論容量が1670mAh/g程度であり、リチウム電池の正極活物質であるLiCoO(約140mAh/g)より理論容量が10倍程度高いと共に、低コストで資源が豊富であるという利点がある。
そして、リチウム−硫黄電池において、テトラグライムに対するLi塩(LiCFSO)の混合比を、モル換算で約0.12〜0.25(LiCFSOが0.5〜1mol/L)に調製した電解液を用いる技術が提案されている(例えば、非特許文献2,3参照)。
On the other hand, lithium-sulfur batteries have attracted attention as secondary batteries having a higher capacity than lithium secondary batteries (see, for example, Patent Documents 2 and 3). Sulfur has a theoretical capacity of about 1670 mAh / g, and has an advantage that the theoretical capacity is about 10 times higher than LiCoO 2 (about 140 mAh / g), which is a positive electrode active material of a lithium battery, and is low in cost and rich in resources. .
And in the lithium-sulfur battery, the mixing ratio of Li salt (LiCF 3 SO 3 ) to tetraglyme was adjusted to about 0.12 to 0.25 (LiCF 3 SO 3 is 0.5 to 1 mol / L) in terms of mole. Techniques using an electrolytic solution have been proposed (see, for example, Non-Patent Documents 2 and 3).

特開2010−73489号公報JP 2010-73489 A 特表2008−527662号公報Special table 2008-52762 gazette 特許第3842275号公報Japanese Patent No. 3842275

数永ら、「グライムーLiTFSI溶融錯体を用いたリチウム二次電池の検討」、電池討論会講演要旨集、Vol.47、p496-497、2006年M. Naganaga et al., “Examination of Lithium Secondary Battery Using Grime-LiTFSI Molten Complex”, Proceedings of Battery Conference, Vol.47, p496-497, 2006 Jae-Won Choi et "Rechargeable lithium/sulfur battery with liquid electrolytes containing toluene as additive", Journal of Power Sources, 183, p441-445, 2008Jae-Won Choi et "Rechargeable lithium / sulfur battery with liquid electrolytes containing toluene as additive", Journal of Power Sources, 183, p441-445, 2008 Sang-Eun Cheon et "Rechargeable Lithium Sulfur Battery", Journal of the Electrochemical Society, 150(6), A796-799, 2003Sang-Eun Cheon et "Rechargeable Lithium Sulfur Battery", Journal of the Electrochemical Society, 150 (6), A796-799, 2003

しかしながら、本発明者が検討したところ、リチウム−硫黄電池において、テトラグライムとLi塩とを電解液として用いた場合、充放電時に副反応が生じてクーロン効率(放電容量/充電容量)が低下すると共に、充放電の繰り返しによって放電容量が大幅に低下し、電池寿命が短いことが判明した。この副反応は、充放電時に生成するリチウムポリスルフィド(Li2Sn; 2 < n < 8) の電解液への溶出であると考えられる。
従って、本発明の目的は、充放電時の副反応を抑制してクーロン効率を向上させると共に、充放電の繰り返しによる放電容量の低下を抑制し、電池寿命の長いアルカリ金属−硫黄系二次電池を提供することにある。
However, as a result of investigation by the present inventors, in a lithium-sulfur battery, when tetraglyme and Li salt are used as an electrolyte, a side reaction occurs during charge and discharge, and coulomb efficiency (discharge capacity / charge capacity) decreases. At the same time, it has been found that the discharge capacity is significantly reduced by repeated charging and discharging, and the battery life is short. This side reaction is considered to be the elution of lithium polysulfide (Li 2 S n ; 2 <n <8) generated during charging and discharging into the electrolyte.
Accordingly, an object of the present invention is to improve the coulomb efficiency by suppressing side reactions during charging / discharging, and to suppress a decrease in discharge capacity due to repeated charging / discharging, thereby providing a long battery life alkali metal-sulfur secondary battery. Is to provide.

本発明のアルカリ金属−硫黄系二次電池は、単体硫黄、金属硫化物、金属多硫化物、及び有機硫黄化合物からなる群から選択される少なくとも一つを含む硫黄系電極活物質を有する正極又は負極と、下記式
(ここで、Rは、炭素数1〜9のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、およびハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかであり、xは1〜6である)で表されるテトラグライムを除くグライムとアルカリ金属塩とを含む電解液と、前記正極又は負極の対極であって、前記アルカリ金属、前記アルカリ金属を含む合金、又は炭素を有する対極と、を備えるアルカリ金属−硫黄系二次電池であって、前記グライムに対する前記アルカリ金属塩の混合比が、モル換算で0.50以上、2.0以下であり、前記グライムと前記アルカリ金属塩との少なくとも一部が錯体を形成しており、充放電試験(電流密度=1/12C、充放電電圧=1.5−3.3V、放電条件=1/12C、30℃)における10サイクル目の放電容量維持率が85%以上である。
The alkali metal-sulfur secondary battery of the present invention includes a positive electrode having a sulfur-based electrode active material containing at least one selected from the group consisting of elemental sulfur, metal sulfides, metal polysulfides, and organic sulfur compounds. Negative electrode and the following formula
(Here, R is any one of an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms which may be substituted with a fluorine atom, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, and a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom. And x is 1 to 6). An electrolyte solution containing a glyme excluding tetraglyme and an alkali metal salt, and a counter electrode of the positive electrode or the negative electrode, wherein the alkali metal and the alkali metal are included. An alkali metal-sulfur secondary battery comprising an alloy or a counter electrode having carbon, wherein a mixing ratio of the alkali metal salt to the glyme is 0.50 or more and 2.0 or less in terms of mole, At least a part of the glyme and the alkali metal salt forms a complex, and a charge / discharge test (current density = 1/12 C, charge / discharge voltage = 1.5-3.3 V, discharge condition = 1) 12C, it is 30 ° C.) in the 10th cycle discharge capacity retention ratio of 85% or more.

前記アルカリ金属塩がMXで表され、ここで、Mはアルカリ金属、Xは、Cl、Br、I、BF、PF、CFSO、ClO、CFCO、AsF、SbF、AlCl、N(CFSO、N(CFCFSO、PF(C、N(FSO、N(FSO)(CFSO)、N(CFCFSO、N(C)、N(C)、N(CN)、N(CFSO)(CFCO)、RFBF(但し、RF=n-C2m+1、m=1〜4の自然数)およびRBF(但し、R=n−C2p+1、p=1〜5の自然数)からなる群から選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。
前記正極又は負極は、前記硫黄系電極活物質と結着剤と導電剤とを含むことが好ましい。

また、本発明のアルカリ金属−硫黄系二次電池は、グライムが、トリグライム(G3)であり、
前記アルカリ金属塩が、リチウム塩であることが好ましい。
The alkali metal salt is represented by MX, where M is an alkali metal, X is Cl, Br, I, BF 4 , PF 6 , CF 3 SO 3 , ClO 4 , CF 3 CO 2 , AsF 6 , SbF. 6 , AlCl 4 , N (CF 3 SO 2 ) 2 , N (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , PF 3 (C 2 F 5 ) 3 , N (FSO 2 ) 2 , N (FSO 2 ) (CF 3 SO 2), N (CF 3 CF 2 SO 2) 2, N (C 2 F 4 S 2 O 4), N (C 3 F 6 S 2 O 4), N (CN) 2, N (CF 3 SO 2 ) (CF 3 CO), R 1 FBF 3 (where R 1 F = n-C m F 2m + 1 , m = 1 to 4 natural number) and R 2 BF 3 (where R 2 = n−C pH H 2p + 1, that p = is at least one selected from 1-5 of the group consisting of natural numbers) Preferred.
The positive electrode or the negative electrode preferably includes the sulfur-based electrode active material, a binder, and a conductive agent.

Further, in the alkali metal-sulfur secondary battery of the present invention, the glyme is triglyme (G3),
The alkali metal salt is preferably a lithium salt.

本発明によれば、充放電時の副反応を抑制してクーロン効率を向上させると共に、充放電の繰り返しによる放電容量の低下を抑制し、電池寿命の長いアルカリ金属−硫黄系二次電池を得ることができる。   According to the present invention, side reactions during charging and discharging are suppressed to improve coulomb efficiency, and a decrease in discharge capacity due to repeated charging and discharging is suppressed, thereby obtaining an alkali metal-sulfur secondary battery having a long battery life. be able to.

リチウム−硫黄電池50の構成例を示す断面図である。3 is a cross-sectional view showing a configuration example of a lithium-sulfur battery 50. FIG. G4を用い、混合比を1.00とした電解液を有する二次電池の2サイクル目の充放電曲線、及び充放電容量の充放電サイクル依存性を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging cycle dependence of the charging / discharging curve of the 2nd cycle of the secondary battery which has electrolyte solution which used G4, and made mixing ratio 1.00, and charging / discharging capacity | capacitance. G4を用い、混合比を0.25とした電解液を有する二次電池の2サイクル目の充放電曲線、及び充放電容量の充放電サイクル依存性を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging cycle dependence of the charging / discharging curve of the 2nd cycle of the secondary battery which has electrolyte solution which used G4, and made the mixture ratio 0.25, and charging / discharging capacity | capacitance. G4を用いた電解液を有する二次電池のクーロン効率の充放電サイクル依存性、及び10サイクル目のクーロン効率と混合比との関係を示す図である。It is a figure which shows the charge / discharge cycle dependence of the coulomb efficiency of the secondary battery which has the electrolyte solution using G4, and the relationship between the coulomb efficiency of 10th cycle, and a mixture ratio. G4を用いた電解液を有する二次電池の放電容量維持率の充放電サイクル依存性、及び10サイクル目の放電容量維持率と混合比との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the charge capacity / discharge cycle dependence of the discharge capacity maintenance factor of the secondary battery which has electrolyte solution using G4, and the discharge capacity maintenance factor of 10th cycle, and a mixture ratio. G3を用いた電解液を有する二次電池のクーロン効率の充放電サイクル依存性、及び10サイクル目のクーロン効率と混合比との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the charging / discharging cycle dependence of the Coulomb efficiency of the secondary battery which has electrolyte solution using G3, and the Coulomb efficiency of 10th cycle, and a mixture ratio. G3を用いた電解液を有する二次電池の放電容量維持率の充放電サイクル依存性、及び10サイクル目の放電容量維持率と混合比との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the charge-and-discharge cycle dependence of the discharge capacity maintenance factor of the secondary battery which has electrolyte solution using G3, and the discharge capacity maintenance factor of 10th cycle, and a mixture ratio. G4Etを用いた電解液を有する二次電池のクーロン効率の充放電サイクル依存性を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging cycle dependence of the coulomb efficiency of the secondary battery which has the electrolyte solution using G4Et. G4Etを用いた電解液(を有する二次電池の放電容量維持率の充放電サイクル依存性を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging cycle dependence of the discharge capacity maintenance factor of the secondary battery which has electrolyte solution using G4Et. トリグライムとアルカリ金属塩(LiTFSA)を含む電解液の熱重量測定の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the thermogravimetry of the electrolyte solution containing triglyme and an alkali metal salt (LiTFSA). テトラグライムとアルカリ金属塩(LiTFSA)を含む電解液の熱重量測定の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the thermogravimetry of the electrolyte solution containing a tetraglyme and an alkali metal salt (LiTFSA). グライムとしてG3を用い、混合物をLi2S8としたときの溶解度と、グライムに対するLiTFSAの混合比(モル換算)との関係を示す図である。Used G3 as glyme, and solubility when the mixture was Li 2 S 8, is a graph showing the relationship between the mixing ratio of LiTFSA for glyme (molar basis). グライムとしてG4を用い、混合物をLi2S8としたときの溶解度と、グライムに対するLiTFSAの混合比(モル換算)との関係を示す図である。Used G4 as glyme, and solubility when the mixture was Li 2 S 8, is a graph showing the relationship between the mixing ratio of LiTFSA for glyme (molar basis).

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明に係るアルカリ金属−硫黄系二次電池は、硫黄系電極活物質を有する正極又は負極と、下記のグライムとアルカリ金属塩とを含む電解液と、この正極又は負極の対極とを備える。
なお、本発明に係るアルカリ金属−硫黄系二次電池としては、正極が硫黄系電極活物質を有する電池であるリチウム−硫黄電池、ナトリウム−硫黄電池;負極が硫黄系電極活物質を有する電池である硫黄−LiCoO2電池、硫黄−LiMn2O4電池が例示されるがこれらに限らない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. The alkali metal-sulfur secondary battery according to the present invention includes a positive electrode or a negative electrode having a sulfur electrode active material, an electrolytic solution containing the following glyme and an alkali metal salt, and a counter electrode of the positive electrode or the negative electrode.
The alkali metal-sulfur secondary battery according to the present invention includes a lithium-sulfur battery, a sodium-sulfur battery in which the positive electrode has a sulfur-based electrode active material, and a battery in which the negative electrode has a sulfur-based electrode active material. Some sulfur-LiCoO 2 batteries and sulfur-LiMn 2 O 4 batteries are exemplified, but not limited thereto.

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

<硫黄系電極活物質を有する正極又は負極>
正極又は負極は、単体硫黄、金属硫化物、金属多硫化物、及び有機硫黄化合物からなる群から選択される少なくとも一つを含む硫黄系電極活物質を有する。硫黄系金属硫化物としては、リチウム多硫化物;Li2Sx(0<x≦8)が挙げられ、硫黄系金属多硫化物としては、MSx (M=Ni,Cu,Fe、0<x≦2) が挙げられる。又、有機硫黄化合物としては、有機ジスルフィド化合物、カーボンスルフィド化合物が挙げられる。
上記した正極又は負極は、上記した硫黄系電極活物質と結着剤と導電剤とを含んでもよい。そして、これら電極材料のスラリー(ペースト)を、導電性の担体(集電体)に塗布して乾燥することにより、電極材料を担体に担持させて正極又は負極を製造することができる。集電体としては、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレス鋼などの導電性の金属を、箔、メッシュ、エキスパンドグリッド(エキスパンドメタル)、パンチドメタルなどに形成したものが挙げられる。また、導電性を有する樹脂または導電性フィラーを含有させた樹脂を集電体として使用してもよい。集電体の厚さは、例えば5〜30μmであるが、この範囲に限定されない。
<Positive electrode or negative electrode having a sulfur-based electrode active material>
The positive electrode or the negative electrode has a sulfur-based electrode active material containing at least one selected from the group consisting of elemental sulfur, metal sulfides, metal polysulfides, and organic sulfur compounds. Examples of sulfur-based metal sulfides include lithium polysulfides; Li 2 S x (0 <x ≦ 8), and examples of sulfur-based metal polysulfides include MSx (M = Ni, Cu, Fe, 0 <x ≦ 2). Examples of organic sulfur compounds include organic disulfide compounds and carbon sulfide compounds.
The above-described positive electrode or negative electrode may include the above-described sulfur-based electrode active material, a binder, and a conductive agent. Then, a slurry (paste) of these electrode materials is applied to a conductive carrier (current collector) and dried, whereby the electrode material is supported on the carrier and a positive electrode or a negative electrode can be produced. Examples of the current collector include those in which a conductive metal such as aluminum, nickel, copper, and stainless steel is formed on a foil, a mesh, an expanded grid (expanded metal), a punched metal, or the like. Further, a resin having conductivity or a resin containing a conductive filler may be used as the current collector. The thickness of the current collector is, for example, 5 to 30 μm, but is not limited to this range.

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

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

<対極>
正極が上記した硫黄系電極活物質を有する場合、その対極となる負極としては、リチウム、ナトリウム、リチウム合金、ナトリウム合金、リチウム/ 不活性硫黄の複合物からなる群から選択される1又は2以上の負極活物質を含む。負極に含まれる負極活物質は、アルカリ金属イオンを吸蔵脱離するよう作用する。負極活物質としては、リチウム、ナトリウム、炭素、ケイ素、アルミニウム、スズ、アンチモンおよびマグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種が好ましい。より具体的には、チタン酸リチウム、リチウム金属、ナトリウム金属、リチウムアルミ合金、ナトリウムアルミ合金、リチウムスズ合金、ナトリウムスズ合金、リチウムケイ素合金、ナトリウムケイ素合金、リチウムアンチモン合金、ナトリウムアンチモン合金等の金属材料、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボンなどの結晶性炭素材や非結晶性炭素材等の炭素材料といった従来公知の負極材料を用いることができる。このうち、容量、出力特性に優れた電池を構成できることから、炭素材料もしくはリチウム、リチウム遷移金属複合酸化物を用いるのが望ましい。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。
<Counter electrode>
When the positive electrode has the above-described sulfur-based electrode active material, the negative electrode serving as the counter electrode is one or more selected from the group consisting of lithium, sodium, lithium alloys, sodium alloys, and lithium / inert sulfur composites. Negative electrode active material. The negative electrode active material contained in the negative electrode acts to occlude and desorb alkali metal ions. The negative electrode active material is preferably at least one selected from the group consisting of lithium, sodium, carbon, silicon, aluminum, tin, antimony and magnesium. More specifically, metals such as lithium titanate, lithium metal, sodium metal, lithium aluminum alloy, sodium aluminum alloy, lithium tin alloy, sodium tin alloy, lithium silicon alloy, sodium silicon alloy, lithium antimony alloy, sodium antimony alloy, etc. Conventionally known negative electrode materials such as crystalline carbon materials such as materials, natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, graphite, activated carbon, carbon fiber, coke, soft carbon, hard carbon, and amorphous carbon materials Can be used. Among these, it is desirable to use a carbon material or lithium or a lithium transition metal composite oxide because a battery excellent in capacity and output characteristics can be constituted. In some cases, two or more negative electrode active materials may be used in combination.

負極が上記した硫黄系電極活物質を有する場合、その対極となる正極としては、アルカリ金属イオンを吸蔵脱離する正極活物質を含むものを用いることができる。正極活物質としては、リチウム遷移金属複合酸化物が好ましく、例えば、LiMnなどのLi−Mn系複合酸化物やLiNiOなどのLi−Ni系複合酸化物が挙げられる。より具体的には、LiMn、LiCoO、LiNiO、LiFePO、LiCo0.5Ni0.5、LiNi0.7Co0.2Mn0.1が好ましく挙げられる。またリチウム以外にも、アルカリ金属イオンを電気化学的に挿入、脱離する物質であれば、制限なく用いることができ、例えば、ナトリウムなどが挙げられる。2種以上の正極活物質が併用されてもよい。
対極も、上記した活物質と結着剤と導電剤とを含んでもよい。そして、これら電極材料を、導電性の担体(集電体)に担持して対極を製造することができる。集電体としては上記と同様のものを使用できる。
When the negative electrode has the above-described sulfur-based electrode active material, as the positive electrode serving as the counter electrode, a material containing a positive electrode active material that occludes and desorbs alkali metal ions can be used. As the positive electrode active material, a lithium transition metal composite oxide is preferable, and examples thereof include a Li—Mn composite oxide such as LiMn 2 O 4 and a Li—Ni composite oxide such as LiNiO 2 . More specifically, LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiFePO 4 , LiCo 0.5 Ni 0.5 O 2 , LiNi 0.7 Co 0.2 Mn 0.1 O 2 are preferably mentioned. In addition to lithium, any substance that electrochemically inserts and desorbs alkali metal ions can be used without limitation, and examples thereof include sodium. Two or more positive electrode active materials may be used in combination.
The counter electrode may also contain the above-described active material, binder, and conductive agent. These electrode materials can be carried on a conductive carrier (current collector) to produce a counter electrode. A current collector similar to the above can be used.

正極と負極の間にはセパレータが配置されている。セパレータとしては、例えば、後述する電解液を吸収保持するガラス製セパレータ、ポリマーからなる多孔性シートおよび不織布を挙げることができる。多孔性シートは、例えば、微多孔質のポリマーで構成される。このような多孔性シートを構成するポリマーとしては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン;PP/PE/PPの3層構造をした積層体、ポリイミド、アラミドが挙げられる。特にポリオレフィン系微多孔質セパレータは、有機溶媒に対して化学的に安定であるという性質があり、電解液との反応性を低く抑えることができることから好ましい。多孔性シートからなるセパレータの厚みは限定されないが、車両のモータ駆動用二次電池の用途においては、単層又は多層で全体の厚み4〜60μmであることが好ましい。また、多孔性シートからなるセパレータの微細孔径は、最大で1μm以下(通常、10nm程度)、空孔率は20〜80%であることが好ましい。
不織布としては、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン(登録商標)、ポリエステル;PP、PEなどのポリオレフィン;ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを、単独または混合して用いる。不織布セパレータの空孔率は50〜90%であることが好ましい。さらに、不織布セパレータの厚さは、好ましくは5〜200μmであり、特に好ましくは10〜100μmである。厚さが5μm未満では電解質の保持性が悪化し、200μmを超える場合には抵抗が増大する場合がある。
A separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode. Examples of the separator include a glass separator that absorbs and holds an electrolyte solution described later, a porous sheet made of a polymer, and a nonwoven fabric. The porous sheet is composed of, for example, a microporous polymer. Examples of the polymer constituting such a porous sheet include polyolefins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP); laminates having a three-layer structure of PP / PE / PP, polyimide, and aramid. In particular, a polyolefin-based microporous separator is preferable because it has a property of being chemically stable with respect to an organic solvent and can keep the reactivity with the electrolyte solution low. The thickness of the separator made of a porous sheet is not limited, but in the use of a secondary battery for driving a motor of a vehicle, the total thickness is preferably 4 to 60 μm with a single layer or multiple layers. The fine pore diameter of the separator made of a porous sheet is preferably 1 μm or less (usually about 10 nm) and the porosity is preferably 20 to 80%.
As the nonwoven fabric, cotton, rayon, acetate, nylon (registered trademark), polyester; polyolefins such as PP and PE; conventionally known materials such as polyimide and aramid are used alone or in combination. The porosity of the nonwoven fabric separator is preferably 50 to 90%. Furthermore, the thickness of the nonwoven fabric separator is preferably 5 to 200 μm, particularly preferably 10 to 100 μm. When the thickness is less than 5 μm, the electrolyte retainability deteriorates, and when it exceeds 200 μm, the resistance may increase.

<電解液>
電解液は、下記式
(ここで、Rは、炭素数1〜9のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、およびハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかであり、xは1〜6である)で表されるグライムと、アルカリ金属塩とを含み、グライムとアルカリ金属塩との少なくとも一部が錯体を形成している。
<Electrolyte>
The electrolyte is the following formula
(Here, R is any one of an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms which may be substituted with a fluorine atom, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, and a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom. Wherein x is 1 to 6) and an alkali metal salt, and at least a part of the glyme and the alkali metal salt forms a complex.

電解液に用いるグライムは、一種が単独で使用されても、二種以上の混合物の形態で使用されてもよい。式中のxは、エチレンオキシド単位の繰り返し数を表わす。xが1〜6であるグライムを使用することにより、電解液の熱安定性、イオン伝導性、電気化学的安定性をより向上でき、高電圧に耐え得る電解液となる。xは1〜5が好ましく、より好ましくは2〜5、最も好ましくは3または4である。
グライムの種類によっても電解液の酸化電位は変化する。そのため、二次電池に適用することを考慮すると、酸化電位が3.5〜5.3V vs Li/Li+になるように混合比等を調整することが好ましい。酸化電位はより好ましくは4.0〜5.3Vvs Li/Li+である。
The glyme used for the electrolyte may be used alone or in the form of a mixture of two or more. X in the formula represents the number of repeating ethylene oxide units. By using the glyme in which x is 1 to 6, the thermal stability, ion conductivity, and electrochemical stability of the electrolytic solution can be further improved, and the electrolytic solution can withstand high voltage. x is preferably 1 to 5, more preferably 2 to 5, and most preferably 3 or 4.
The oxidation potential of the electrolyte also changes depending on the type of glyme. Therefore, considering application to a secondary battery, it is preferable to adjust the mixing ratio and the like so that the oxidation potential becomes 3.5 to 5.3 V vs. Li / Li + . The oxidation potential is more preferably 4.0 to 5.3 V vs Li / Li + .

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

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

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

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

電解液には、上記のグライムおよびアルカリ金属塩の他に、有機溶媒等の任意の添加剤を含んでもよい。添加剤としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、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などのカーボネート類、およびこれらのフッ素化物、イオン液体などのオニウム塩が例示される。しかしながら、添加剤は、グライムとアルカリ金属塩との錯体形成を妨げないようにするため、電解液全体に対して50質量%以下であることが好ましい。また、添加剤の種類としては、錯体形成に過度の影響を与えることのないように、グライムよりもドナー数の低いものを加えることが好ましい。   The electrolyte solution may contain an optional additive such as an organic solvent in addition to the above-mentioned glyme and alkali metal salt. Examples of the additive include carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate, vinylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate, and onium salts such as fluorides and ionic liquids thereof. However, the additive is preferably 50% by mass or less based on the entire electrolytic solution so as not to prevent complex formation between glyme and the alkali metal salt. Moreover, as a kind of additive, it is preferable to add an additive having a lower donor number than glyme so as not to excessively affect the complex formation.

上記したグライムとアルカリ金属塩との少なくとも一部が錯体を形成していることは、これらを混合した電解液の熱重量測定で判定することができる。つまり、錯形成しているグライムは、錯形成していないグライムに比べて揮発しにくい。このため、グライムのみからなる電解液の熱重量測定による重量減少をベースとし、温度による重量減少がこのベースより少ない電解液は、グライムとアルカリ金属塩との少なくとも一部が錯体を形成しているとみなす。
図10、図11は、それぞれグライムとしてトリグライム(G3)及びテトラグライム(G4)を用い、アルカリ金属塩として後述するLiTFSAを用いた電解液の熱重量測定の結果(温度上昇と重量減少の関係)のグラフを示す。なお、各グライムとLiTFSAの混合比(モル換算)を変えた電解液を調製し、電解液の温度を室温から550℃まで、10 ℃ min-1の昇温速度で上昇させて熱重量測定を行った。又、測定装置として、示唆熱熱重量同時測定装置(セイコーインスツル社製のTG/DTA 6200)を用いた。
なお、図10のLiTFSA/G3=1は、グライムに対するLiTFSAの混合比(モル換算)が1であることを示す。又、図10のG3の示す曲線は、トリグライムのみからなる電解液の熱重量測定を示す。
Whether at least a part of the above-mentioned glyme and alkali metal salt forms a complex can be determined by thermogravimetric measurement of an electrolytic solution in which these are mixed. That is, complexed glyme is less volatile than non-complexed glyme. Therefore, based on the weight reduction by thermogravimetric measurement of the electrolyte solution consisting only of glyme, the electrolyte solution whose weight loss by temperature is less than this base is that at least a part of glyme and alkali metal salt forms a complex It is considered.
FIGS. 10 and 11 show the results of thermogravimetric measurement of the electrolyte using triglyme (G3) and tetraglyme (G4) as the glyme and LiTFSA described later as the alkali metal salt (relationship between temperature increase and weight decrease), respectively. The graph of is shown. In addition, we prepared electrolytes with different mixing ratios (molar conversion) of each glyme and LiTFSA, and raised the temperature of the electrolyte from room temperature to 550 ° C at a rate of 10 ° C min -1 for thermogravimetry. went. In addition, as a measuring device, a suggested thermothermogravimetric simultaneous measuring device (TG / DTA 6200 manufactured by Seiko Instruments Inc.) was used.
Note that LiTFSA / G3 = 1 in FIG. 10 indicates that the mixing ratio of LiTFSA to glyme (in terms of mole) is 1. Further, the curve indicated by G3 in FIG. 10 shows the thermogravimetric measurement of the electrolytic solution composed only of triglyme.

図11のように、重量減少の過程は、以下の(1)-(3)の3段階で進行することがわかる。
(1)100〜200℃までの重量減少は、錯形成していないグライムの蒸発に由来する
(2)200〜400℃までの重量減少は、錯形成しているグライムの蒸発に由来する
(3)400℃以上での重量減少は、アルカリ金属塩(LiTFSA)の熱分解に由来する
従って、上記 (2)のプロセスが熱重量測定の結果から確認できる場合、グライムが錯形成していると考えることができる。
なお、グライムに対するLiTFSAの混合比(モル換算)が1より大きい系では、すべてのグライムが錯体を形成しているため、(1)のプロセスがなく、200℃以上から重量減少が始まることがわかる。
As shown in FIG. 11, it can be seen that the process of weight reduction proceeds in the following three stages (1) to (3).
(1) The weight loss from 100 to 200 ° C is due to the evaporation of uncomplexed glyme
(2) Weight loss from 200 to 400 ° C is due to the evaporation of complexed glyme
(3) The weight loss at 400 ° C or higher is derived from the thermal decomposition of alkali metal salt (LiTFSA) .Therefore, when the process of (2) above can be confirmed from the results of thermogravimetry, glyme is complexed. Can be considered.
In addition, in the system where the mixing ratio of LiTFSA to glyme (molar conversion) is larger than 1, since all glyme forms a complex, there is no process of (1), and weight loss starts from 200 ° C or higher. .

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

本発明において、上記グライムに対する上記アルカリ金属塩の混合比が、モル換算で0.50以上、上記グライム中の上記アルカリ金属塩の飽和濃度で決まる値以下であることが必要である。
上記した非特許文献2,3に記載されているように、従来、リチウム−硫黄電池において、テトラグライムに対するLi塩(LiCFSO)の混合比を、モル換算で0.25以下(LiCFSOが1mol/ L以下)に調製した電解液を用いることが知られている。ところが、本発明者が検討したところ、このようなリチウム−硫黄電池の充放電を繰り返すと、充電時に副反応が生じてクーロン効率(放電容量/充電容量)が低下すると共に、充放電の繰り返しによって放電容量が大幅に低下し、電池寿命が短いことが判明した。
In the present invention, it is necessary that the mixing ratio of the alkali metal salt to the glyme is 0.50 or more in terms of mole and not more than a value determined by the saturation concentration of the alkali metal salt in the glyme.
As described in Non-Patent Documents 2 and 3 described above, conventionally, in a lithium-sulfur battery, the mixing ratio of Li salt (LiCF 3 SO 3 ) to tetraglyme is 0.25 or less (LiCF 3 in terms of mole). It is known to use an electrolytic solution prepared so that SO 3 is 1 mol / L or less. However, when the present inventor examined, when charging / discharging of such a lithium-sulfur battery was repeated, a side reaction occurred during charging, and the coulomb efficiency (discharge capacity / charge capacity) was lowered. It was found that the discharge capacity was significantly reduced and the battery life was short.

図4は、グライム(G4)に対するLi塩(LiCFSO)の混合比とクーロン効率との関係を示し、図5は、グライム(G4)に対するLi塩(LiCFSO)の混合比と放電容量維持率との関係を示す実験結果(後述)である。
上記混合比が0.50以上であると、充電時の副反応が抑制されクーロン効率が95%以上に向上すると共に、充放電の繰り返しによる放電容量の低下が抑制され放電容量維持率が向上し、電池寿命が長くなる。なお、上記混合比が高いほど、クーロン効率及び放電容量維持率が向上するが、混合比が上記グライム中の上記アルカリ金属塩の飽和濃度で決まる値を超えて高くなるとアルカリ金属塩がグライムに溶解しなくなる。
以上のことより、上記混合比をモル換算で0.50以上、上記グライム中の上記アルカリ金属塩の飽和濃度で決まる値以下に規定する。
FIG. 4 shows the relationship between the mixing ratio of Li salt (LiCF 3 SO 3 ) to glyme (G4) and Coulomb efficiency, and FIG. 5 shows the mixing ratio of Li salt (LiCF 3 SO 3 ) to glyme (G4). It is an experimental result (after-mentioned) which shows the relationship with discharge capacity maintenance factor.
When the mixing ratio is 0.50 or more, side reactions during charging are suppressed and coulomb efficiency is improved to 95% or more, and a decrease in discharge capacity due to repeated charge and discharge is suppressed, and a discharge capacity maintenance ratio is improved. Battery life will be longer. The higher the mixing ratio, the better the coulomb efficiency and the discharge capacity maintenance ratio. However, when the mixing ratio exceeds a value determined by the saturation concentration of the alkali metal salt in the glyme, the alkali metal salt dissolves in the glyme. No longer.
From the above, the mixing ratio is specified to be 0.50 or more in terms of mole, and below a value determined by the saturated concentration of the alkali metal salt in the glyme.

なお、グライム中のアルカリ金属塩の飽和濃度は、30℃のグライムにアルカリ金属塩を溶解させたとき、アルカリ金属塩の固形分が目視で確認できたときの濃度とする。
グライムとしてG3(トリエチレングリコールジメチルエーテル(トリグライムともいう)を用い、アルカリ金属塩をLi塩とした場合、G3中のLi塩の飽和濃度によって決まる上記混合比は、モル換算で1.67である。
グライムとしてG4を用い、アルカリ金属塩をLi塩とした場合、G4中のLi塩の飽和濃度によって決まる上記混合比は、モル換算で2.00である。
The saturated concentration of the alkali metal salt in glyme is the concentration at which the solid content of the alkali metal salt can be visually confirmed when the alkali metal salt is dissolved in glyme at 30 ° C.
When G3 (triethylene glycol dimethyl ether (also referred to as triglyme) is used as a glyme and the alkali metal salt is a Li salt, the mixing ratio determined by the saturation concentration of the Li salt in G3 is 1.67 in terms of mole.
When G4 is used as the glyme and the alkali metal salt is Li salt, the mixing ratio determined by the saturated concentration of Li salt in G4 is 2.00 in terms of mole.

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

<電解液の調製>
グライムとして、トリエチレングリコールジメチルエーテル(トリグライムともいう、以下「G3」と称する)(キシダ化学社製)、及びテトラグライム(以下「G4」と称する)(キシダ化学社製)をそれぞれ用いた。なお、以下の式2に示すG4Et(G4の側鎖の1つをエチル基に変えたグライム)(日本乳化剤社製)も一部に用いた。
<Preparation of electrolyte>
As the glyme, triethylene glycol dimethyl ether (also referred to as “triglyme”, hereinafter referred to as “G3”) (made by Kishida Chemical Co., Ltd.) and tetraglyme (hereinafter referred to as “G4”) (made by Kishida Chemical Co., Ltd.) were used. In addition, G4Et (glyme in which one of the side chains of G4 was changed to an ethyl group) (manufactured by Nippon Emulsifier Co., Ltd.) shown in the following formula 2 was also used in part.

又、アルカリ金属塩として、以下の式3で示すリチウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)アミド (以下「LiTFSA」と称する) (森田化学工業社製)を用いた。
Further, lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) amide (hereinafter referred to as “LiTFSA”) represented by the following formula 3 (manufactured by Morita Chemical Co., Ltd.) was used as the alkali metal salt.

G3又はG4(G4Et含む)と、LiTFSAとをアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で所定の混合比(モル換算;図2〜図9、及び表1に示すように、混合比(LiTFSA)/(G3又はG4)=0.125、0.250、0.500、0.670、0.830、1.00、1.20、2.00、2.50、3.33(モル換算)で混合し、電解液を調製した。   G3 or G4 (including G4Et) and LiTFSA in a glove box under an argon atmosphere in a predetermined mixing ratio (molar conversion; as shown in FIGS. 2 to 9 and Table 1, the mixing ratio (LiTFSA) / (G3 Or G4) = 0.125, 0.250, 0.500, 0.670, 0.830, 1.00, 1.20, 2.00, 2.50, 3.33 (molar conversion) to prepare an electrolytic solution.

<リチウム−硫黄電池の作製>
単体硫黄(S)を硫黄系電極活物質とし、単体硫黄を60 wt%、導電剤としてケッチェンブラックを30 wt%、結着剤としてPVDF (ポリフッ化ビニリデン)を10 wt%の割合で混合し、正極の電極材料2a(図1参照)を調製した。まず、単体硫黄とケッチェンブラックを混合後、155 ℃で加熱することで単体硫黄とケッチェンブラックを複合化した。この混合物にPVDFを加え、さらに適量のNMP (N-メチルピロリドン)を加えスラリー状に混錬した。得られたスラリーを厚さ10μmのアルミニウム箔(集電体)2bに塗布した後、80℃で12時間乾燥してNMPを蒸発させた後、プレスして正極2(図1参照)を得た。厚さ200μmのリチウム金属板を厚さ7mmのステンレスディスクに貼り付けて負極を作製した。
<Production of lithium-sulfur battery>
Single sulfur (S 8 ) is a sulfur-based electrode active material, single sulfur is 60 wt%, ketjen black is 30 wt% as a conductive agent, and PVDF (polyvinylidene fluoride) is mixed as a binder at a rate of 10 wt%. Thus, a positive electrode material 2a (see FIG. 1) was prepared. First, simple sulfur and ketjen black were mixed, and then heated at 155 ° C. to compound simple sulfur and ketjen black. PVDF was added to this mixture, and an appropriate amount of NMP (N-methylpyrrolidone) was further added and kneaded into a slurry. The obtained slurry was applied to an aluminum foil (current collector) 2b having a thickness of 10 μm, dried at 80 ° C. for 12 hours to evaporate NMP, and then pressed to obtain a positive electrode 2 (see FIG. 1). . A lithium metal plate having a thickness of 200 μm was attached to a stainless disk having a thickness of 7 mm to produce a negative electrode.

アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、正極2に上記電解液を適量加え、60℃で60分間、電解液を正極2に浸漬させた。正極2と負極(対極)4とを、セパレータ6(厚さ200μmの東洋濾紙社製のガラス製セパレータ(商品名GA-55))を介して積層し、さらに上記電解液を注入した後、2032型のコインセルケース20(SUS304製の厚さ7mm)に封入し、負極(対極)4の上にスペーサ12を載置した。スペーサ12の上にスプリング14を配置した。スプリング14の上から蓋22でコインセルケース20を封止し、図1に示す構造のリチウム−硫黄電池50を作製した。なお、コインセルケース20の側壁にはガスケット10が介装されている。   An appropriate amount of the electrolyte solution was added to the positive electrode 2 in a glove box under an argon atmosphere, and the electrolyte solution was immersed in the positive electrode 2 at 60 ° C. for 60 minutes. The positive electrode 2 and the negative electrode (counter electrode) 4 were laminated through a separator 6 (a glass separator manufactured by Toyo Roshi Kaisha Co., Ltd. having a thickness of 200 μm (trade name: GA-55)), and the electrolyte was further injected. A coin cell case 20 (thickness 7 mm made of SUS304) was enclosed, and a spacer 12 was placed on the negative electrode (counter electrode) 4. A spring 14 is disposed on the spacer 12. The coin cell case 20 was sealed from above the spring 14 with a lid 22 to produce a lithium-sulfur battery 50 having the structure shown in FIG. A gasket 10 is interposed on the side wall of the coin cell case 20.

<評価>
(1)充放電試験
上記のようにして得られた二次電池について、充放電試験を行い、放電容量を求めた。充放電評価は、電流密度を1/12 C (12 時間率、電極活物質の理論容量をn (時間) で放電または充電する電流値を1/n のC レートと表す)として定電流充電し、充放電電圧は1.5−3.3Vの範囲として実施した。同様に、放電条件を1/12 Cとした。評価は、30℃一定に保持された恒温槽中で実施した。
なお、正極(硫黄電極)は充電状態で作製されるため、充放電サイクルの第1サイクルは放電過程のみ進行し、第2サイクル目以降は充電と放電過程が進行する。したがって、充放電の順序は、第1サイクルの放電→第2サイクルの充電→第2サイクルの放電→第3サイクルの充電→第3サイクルの放電となる。充放電サイクルは20サイクル行った。
<Evaluation>
(1) Charging / discharging test About the secondary battery obtained as mentioned above, the charging / discharging test was done and discharge capacity was calculated | required. In charge / discharge evaluation, the current density is 1/12 C (12 hours rate, the theoretical capacity of the electrode active material is expressed as n (hours), or the current value for discharging or charging is expressed as 1 / n C rate). The charging / discharging voltage was implemented as the range of 1.5-3.3V. Similarly, the discharge condition was 1/12 C. The evaluation was performed in a thermostatic bath maintained at a constant temperature of 30 ° C.
In addition, since the positive electrode (sulfur electrode) is manufactured in a charged state, the first cycle of the charge / discharge cycle proceeds only in the discharge process, and the charge and discharge processes proceed in the second and subsequent cycles. Therefore, the order of charge / discharge is as follows: first cycle discharge → second cycle charge → second cycle discharge → third cycle charge → third cycle discharge. The charge / discharge cycle was 20 cycles.

得られた充電容量と放電容量(mAh/g:gは単体硫黄の質量当り)から、充放電サイクルの各サイクルで、クーロン効率(%)=放電容量/充電容量を求めた。クーロン効率は、充電した電気量を放電でどれだけ取りだせるかを示す値であり、値が100(%)に近いほど良い。
又、放電容量維持率(%)=nサイクル目の放電容量/2サイクル目の放電容量を求めた。放電容量維持率は、充放電の繰り返しの安定性を示す値であり、値が100(%)に近いほど良い。
From the obtained charge capacity and discharge capacity (mAh / g: g is per mass of elemental sulfur), Coulomb efficiency (%) = discharge capacity / charge capacity was determined in each charge / discharge cycle. The coulomb efficiency is a value indicating how much the charged amount of electricity can be taken out by discharging, and the closer the value is to 100 (%), the better.
Further, discharge capacity retention ratio (%) = discharge capacity at the nth cycle / discharge capacity at the second cycle was determined. The discharge capacity retention ratio is a value indicating the stability of repeated charge and discharge, and the value is preferably closer to 100 (%).

(2)G3又はG4へのLiTFSAの溶解試験
G3につき混合比1.43,1.67、2.00(モル換算)とし、G4につき混合比2.00、2.50、3.33(モル換算)として電解液を調製し、LiTFSAの30℃での溶解性を目視した。LiTFSAの固形分が目視された場合、LiTFSAが不溶であり、実用に適さないと判定した。
(2) Dissolution test of LiTFSA in G3 or G4 Prepare an electrolyte solution with mixing ratios of 1.43, 1.67, and 2.00 (molar conversion) for G3, and mixing ratios of 2.00, 2.50, and 3.33 (molar conversion) for G3. The solubility at 0 ° C. was visually observed. When the solid content of LiTFSA was visually observed, it was determined that LiTFSA was insoluble and not suitable for practical use.

得られた結果を表1、表2及び図2〜図9に示す。   The obtained results are shown in Tables 1 and 2 and FIGS.

表1、表2に示すように、G3の場合は電解液の混合比が1.67を超え、G4の場合は電解液の混合比が2.00を超えると、LiTFSAがグライムに不溶となり、電池を作製することができなかった。   As shown in Tables 1 and 2, in the case of G3, when the mixing ratio of the electrolytic solution exceeds 1.67, and in the case of G4, the mixing ratio of the electrolytic solution exceeds 2.00, LiTFSA becomes insoluble in glyme and a battery is manufactured. I couldn't.

図2は、G4を用い、混合比を1.00とした電解液を有する二次電池の2サイクル目の充放電曲線(充放電容量とセル電圧との関係)(図2(a))、及び充放電容量の充放電サイクル依存性(図2(b))を示す。又、図3は、G4を用い、混合比を0.25とした電解液を有する二次電池の2サイクル目の充放電曲線(図3(a))、充放電容量の充放電サイクル依存性(図3(b))を示す。
図2、図3から、混合比が0.50未満になると、充電時の副反応が生じると共に、充放電の繰り返しにより放電容量が低下することがわかる。
FIG. 2 shows a charge / discharge curve (relationship between charge / discharge capacity and cell voltage) for the second cycle of a secondary battery having an electrolyte solution with a mixing ratio of 1.00 using G4 (FIG. 2 (a)), and The charge / discharge cycle dependency of the discharge capacity (FIG. 2B) is shown. 3 is a charge / discharge curve (FIG. 3 (a)) of the second cycle of a secondary battery having an electrolyte solution using G4 and a mixing ratio of 0.25, and the charge / discharge cycle dependency of the charge / discharge capacity (FIG. 3). 3 (b)).
2 and 3, it can be seen that when the mixing ratio is less than 0.50, side reactions occur during charging, and the discharge capacity decreases due to repeated charge and discharge.

図4は、G4を用いた電解液を有する二次電池のクーロン効率の充放電サイクル依存性(図4(a))、及び10サイクル目のクーロン効率と混合比との関係(図4(b))を示す。図4より、混合比が0.50未満になるとクーロン効率が95%未満に低下し、さらにサイクル数の増加によりクーロン効率が大きく低下することがわかる。
一方、混合比が0.50以上になると、充電時の副反応を抑制してクーロン効率が向上する。
FIG. 4 shows the charge / discharge cycle dependency of the Coulomb efficiency of a secondary battery having an electrolyte solution using G4 (FIG. 4A), and the relationship between the Coulomb efficiency of the 10th cycle and the mixing ratio (FIG. 4B). )). FIG. 4 shows that when the mixing ratio is less than 0.50, the Coulomb efficiency is reduced to less than 95%, and further, the Coulomb efficiency is greatly reduced by increasing the number of cycles.
On the other hand, when the mixing ratio is 0.50 or more, the side reaction during charging is suppressed and the coulomb efficiency is improved.

図5は、G4を用いた電解液を有する二次電池の放電容量維持率の充放電サイクル依存性(図5(a))、及び10サイクル目の放電容量維持率と混合比との関係(図5(b))を示す。図5(a)より、混合比が0.50未満になると放電容量維持率が低下し、さらにサイクル数の増加により放電容量維持率が大きく低下することがわかる。
一方、混合比が0.50以上になると、充放電の繰り返しによる放電容量の低下を抑制して放電容量維持率が向上し、電池寿命が長くなることがわかった。特に、混合比が0.50以上になると、10サイクル目の放電容量維持率が85%以上となった。
なお、図4、図5より、混合比が高いほど、クーロン効率及び放電容量維持率が向上する。従って、混合比の上限は、上記した表1、表2の溶解性によって決められることになる。
FIG. 5 shows the charge / discharge cycle dependency of the discharge capacity maintenance rate of the secondary battery having an electrolyte solution using G4 (FIG. 5 (a)), and the relationship between the discharge capacity maintenance rate of the 10th cycle and the mixing ratio ( FIG. 5 (b)) is shown. FIG. 5 (a) shows that when the mixing ratio is less than 0.50, the discharge capacity retention ratio decreases, and further, the discharge capacity retention ratio significantly decreases as the number of cycles increases.
On the other hand, it was found that when the mixing ratio was 0.50 or more, the reduction in discharge capacity due to repeated charge and discharge was suppressed, the discharge capacity retention rate was improved, and the battery life was prolonged. In particular, when the mixing ratio was 0.50 or more, the discharge capacity retention rate at the 10th cycle was 85% or more.
4 and 5, the higher the mixing ratio, the more the Coulomb efficiency and the discharge capacity retention rate are improved. Therefore, the upper limit of the mixing ratio is determined by the solubility shown in Tables 1 and 2 above.

図6は、G3を用いた電解液を有する二次電池のクーロン効率の充放電サイクル依存性(図6(a))、及び10サイクル目のクーロン効率と混合比との関係(図6(b))を示す。図6より、混合比が0.50未満になるとクーロン効率が70%未満に低下し、さらにサイクル数の増加によりクーロン効率が大きく低下することがわかる。
一方、混合比が0.50以上になると、充電時の副反応を抑制してクーロン効率が70%以上に向上する。
FIG. 6 shows the charge / discharge cycle dependency of the Coulomb efficiency of a secondary battery having an electrolyte using G3 (FIG. 6A), and the relationship between the Coulomb efficiency of the 10th cycle and the mixing ratio (FIG. 6B). )). From FIG. 6, it can be seen that when the mixing ratio is less than 0.50, the Coulomb efficiency is reduced to less than 70%, and further, the Coulomb efficiency is greatly reduced by increasing the number of cycles.
On the other hand, when the mixing ratio is 0.50 or more, side reactions during charging are suppressed, and the coulomb efficiency is improved to 70% or more.

図7は、G3を用いた電解液を有する二次電池の放電容量維持率の充放電サイクル依存性(図7(a))、及び10サイクル目の放電容量維持率と混合比との関係(図7(b))を示す。図7(a)より、混合比が0.50未満になると放電容量維持率が低下し、さらにサイクル数の増加により放電容量維持率が大きく低下する(10サイクルの手前で放電容量維持率が50%以下)ことがわかる。
一方、混合比が0.50以上になると、充放電の繰り返しによる放電容量の低下を抑制して放電容量維持率が向上し、電池寿命が長くなることがわかった。特に、混合比が0.50以上になると、10サイクル目の放電容量維持率が80%以上となった。
FIG. 7 shows the charge / discharge cycle dependency of the discharge capacity retention rate of the secondary battery having an electrolyte solution using G3 (FIG. 7A), and the relationship between the discharge capacity retention rate and the mixing ratio at the 10th cycle ( FIG. 7 (b)) is shown. As shown in FIG. 7A, when the mixing ratio is less than 0.50, the discharge capacity retention rate decreases, and further, the discharge capacity retention rate decreases significantly as the number of cycles increases (the discharge capacity retention rate is 50% or less before 10 cycles). )
On the other hand, it was found that when the mixing ratio was 0.50 or more, the reduction in discharge capacity due to repeated charge and discharge was suppressed, the discharge capacity retention rate was improved, and the battery life was prolonged. In particular, when the mixing ratio was 0.50 or more, the discharge capacity retention rate at the 10th cycle was 80% or more.

図8は、G4Etを用いた電解液(混合比が1.00)を有する二次電池のクーロン効率の充放電サイクル依存性を示す。図8より、G4Etを用いても、充電時の副反応を抑制してクーロン効率が90%以上に向上する。   FIG. 8 shows the charge / discharge cycle dependency of the Coulomb efficiency of a secondary battery having an electrolyte solution (mixing ratio is 1.00) using G4Et. From FIG. 8, even if G4Et is used, the side reaction at the time of charge is suppressed and the coulomb efficiency is improved to 90% or more.

図9は、G4Etを用いた電解液(混合比が1.00)を有する二次電池の放電容量維持率の充放電サイクル依存性を示す。図9より、G4Etを用いても、充放電の繰り返しによる放電容量の低下を抑制して放電容量維持率が向上し、電池寿命が長くなることがわかった。特に、10サイクル目の放電容量維持率が90%以上となった。   FIG. 9 shows the charge / discharge cycle dependency of the discharge capacity retention rate of a secondary battery having an electrolyte solution (mixing ratio is 1.00) using G4Et. From FIG. 9, it was found that even when G4Et was used, the discharge capacity retention rate was improved by suppressing the decrease in discharge capacity due to repeated charge and discharge, and the battery life was prolonged. In particular, the discharge capacity retention rate at the 10th cycle was 90% or more.

<副反応(リチウムポリスルフィドの電解液への溶出)の評価試験>
次に、充放電時の副反応として生成する、リチウムポリスルフィド(Li2Sn; 2 < n < 8) の電解液への溶出を評価した。硫黄系電極活物質を用いた場合の放電反応は、S8がLi2Sまで還元され、その還元反応過程は多段階となっていて、リチウムポリスルフィド(Li2Sn; 2 < n < 8,nは自然数)と呼ばれるLi2S8, Li2S4, Li2S2 の化学種を経由する。これらの化学種のうち、いずれかの化学種の電解液への溶解度が高いと、電極からLi2Snが溶出し、Li2Sn が電池反応に関与できなくなるために放電容量の低下につながる。これは、電池反応は電極上でしか起こらないためである。
そこで、Li2Snを人工的に作製して過剰量を電解液に加え、所定時間経過後のLi2Snの溶解度を算出した。具体的には、S8とLi2S(いずれも粉末)を様々なモル比で混合したものを電解液に添加すると、次式:
Li2S+(n-1)/8 S8= Li2Sn
の反応によりLi2Snが生成する。
<Evaluation test of side reaction (elution of lithium polysulfide into electrolyte)>
Then, it produced as a by-reactions during charging and discharging, lithium polysulphides; were evaluated elution into the electrolytic solution of (Li 2 S n 2 <n <8). In the discharge reaction using a sulfur-based electrode active material, S 8 is reduced to Li 2 S, and the reduction reaction process is a multi-step process. Lithium polysulfide (Li 2 S n ; 2 <n <8, It passes through the chemical species of Li 2 S 8 , Li 2 S 4 , and Li 2 S 2 , where n is a natural number. Of these species, the high solubility of any species of the electrolyte, Li 2 S n is eluted from the electrode, the reduction of the discharge capacity to Li 2 S n can not be involved in the cell reaction Connected. This is because the battery reaction only occurs on the electrode.
Therefore, to prepare a Li 2 S n artificially added an excess amount of the electrolytic solution, was calculated solubility of Li 2 S n after a predetermined time. Specifically, when a mixture of S 8 and Li 2 S (both powders) in various molar ratios is added to the electrolyte, the following formula:
Li 2 S + (n-1) / 8 S 8 = Li 2 S n
Li 2 S n is formed by the reaction of

実験方法は以下の通りである。
まず、S8(和光純薬工業社製の粉末)と、Li2S (Aldrich社製の粉末)を表3に示すモル比で乳鉢で混合し、その過剰量を電解液に添加した。電解液は、それぞれグライムとしてG3及びG4を用い、アルカリ金属塩としてLiTFSAを用い、グライムとアルカリ金属塩の混合比(モル換算)を表3に示すとおりとした。
次に、混合物を添加した電解液を60℃、100時間撹拌し、さらに室温で48時間静置した後に遠心分離し、上澄み溶液を飽和Li2Sn溶液として採取した。この飽和Li2Sn溶液を電気化学的にすべてS8に酸化させ、S8の紫外可視吸収スペクトルから、全S濃度として溶解度を算出した。
飽和Li2Sn溶液の電気化学的酸化は、作用極室と対極室をガラスフィルターで仕切った2室のH型セルを用い、作用極にはカーボンフェルトを用い、参照極/対極にはリチウム金属を用いた。測定溶液としては、飽和Li2Sn溶液に適量のグライムとLiTFSAを加えたものを用いた。そして、作用極室を撹拌しながら、3.0Vの定電圧で12時間保持し、Li2SnをS8に酸化した。
表3、表4にG3,G4についてそれぞれ得られた結果を示す。なお、例えば、S8とLi2Sを3:8の比で混合した混合物は、主にLi2S4を生成すると想定されるが、この他にLi2S8やLi2S2なども含むと考えられる。しかしながら、本実験では、(LiTFSA/グライム)の混合比に対する、各種のLi2Snの溶解度の相対的な挙動を把握することを目的としており、リチウムポリスルフィドの各化学種単体の詳細なデータを求めるものではないので、主に生成される化学種を「想定されるリチウムポリスルフィド」とした。
The experimental method is as follows.
First, S 8 (powder made by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and Li 2 S (powder made by Aldrich) were mixed in a mortar at a molar ratio shown in Table 3, and the excess amount was added to the electrolytic solution. The electrolytic solutions used G3 and G4 as the glyme, LiTFSA as the alkali metal salt, and the mixing ratio (molar conversion) of glyme and alkali metal salt was as shown in Table 3.
Then, the mixture electrolytic solution 60 ° C. was added, and stirred for 100 hours, further centrifuged after standing at room temperature for 48 hours, was collected supernatant solution as the saturated Li 2 S n solution. The saturated Li 2 S n solution electrochemically was all oxidized to S 8 were calculated from the ultraviolet-visible absorption spectrum of S 8, the solubility as total S concentration.
The electrochemical oxidation of the saturated Li 2 Sn solution uses a two-chamber H-type cell in which the working electrode chamber and the counter electrode chamber are separated by a glass filter, using carbon felt for the working electrode and lithium for the reference / counter electrode. Metal was used. The measurement solution was used plus the appropriate amount of glyme and LiTFSA saturated Li 2 S n solution. Then, while stirring the working electrode chamber, a constant voltage of 3.0 V was maintained for 12 hours to oxidize Li 2 Sn to S 8 .
Tables 3 and 4 show the results obtained for G3 and G4, respectively. For example, it is assumed that a mixture of S 8 and Li 2 S in a ratio of 3: 8 mainly produces Li 2 S 4 , but in addition to this, Li 2 S 8 and Li 2 S 2 etc. It is thought to include. However, in this experiment, for the (LiTFSA / glyme) mixing ratio, are intended to grasp the relative behavior of solubility of various Li 2 S n, the detailed data of each chemical species single lithium polysulphides Since it is not required, the chemical species mainly generated is assumed to be “assumed lithium polysulfide”.

表3、表4から明らかなように、グライムとしてG3及びG4のいずれを用いた場合でも、グライムに対するLiTFSAの混合比(モル換算)が0.25から0.5に増えるにつれてLi2S8の溶解度は約1/2に低下し、混合比が1になるとさらに顕著に低下していることがわかる。このことから、グライムに対するLiTFSAの混合比(モル換算)を0.5以上にすると、充電時の副反応であるリチウムポリスルフィドの溶解が抑制され、充放電の繰り返しによるクーロン効率及び放電容量の低下を防止することが判明した。
なお、リチウムポリスルフィドのうちS8、Li2S4、Li2S2及びLi2Sの溶解度の値自体がそもそも小さく、上記混合比の変化による影響も小さい。すなわち、充電時の副反応としてはLi2S8の溶解の影響が極めて支配的であると考えられ、Li2S8の溶解度を低下させることが最も重要である。
As is apparent from Tables 3 and 4, regardless of whether G3 or G4 is used as the glyme, the solubility of Li 2 S 8 is about 1 as the mixing ratio (in mol) of LiTFSA to glyme increases from 0.25 to 0.5. It can be seen that when the mixing ratio is 1, it is further reduced significantly. Therefore, when the mixing ratio of LiTFSA to glyme (molar conversion) is 0.5 or more, dissolution of lithium polysulfide, which is a side reaction at the time of charging, is suppressed, and a decrease in coulomb efficiency and discharge capacity due to repeated charging and discharging is prevented. It has been found.
Of the lithium polysulfides, the solubility values of S 8 , Li 2 S 4 , Li 2 S 2 and Li 2 S are small in the first place, and the influence of the change in the mixing ratio is small. That is, it is considered that the influence of dissolution of Li 2 S 8 is extremely dominant as a side reaction during charging, and it is most important to reduce the solubility of Li 2 S 8 .

又、図12、図13は、それぞれグライムとしてG3及びG4を用い、混合物をLi2S8としたときの溶解度と、グライムに対するLiTFSAの混合比(モル換算)との関係を示す。混合比が0.5を超えて増えるにつれ、Li2S8の溶解度が大幅に低下することがわかる。 FIG. 12 and FIG. 13 show the relationship between the solubility when G3 and G4 are used as the glyme and the mixture is Li 2 S 8 and the mixing ratio of LiTFSA to glyme (in terms of mole). It can be seen that the solubility of Li 2 S 8 decreases significantly as the mixing ratio increases beyond 0.5.

2 正極
4 負極(対極)
50 リチウム−硫黄電池
2 Positive electrode 4 Negative electrode (counter electrode)
50 Lithium-sulfur battery

Claims (4)

単体硫黄、金属硫化物、金属多硫化物、及び有機硫黄化合物からなる群から選択される少なくとも一つを含む硫黄系電極活物質を有する正極又は負極と、
下記式
(ここで、Rは、炭素数1〜9のフッ素置換されていてもよいアルキル基、ハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、およびハロゲン原子で置換されていてもよいシクロヘキシル基のいずれかであり、xは1〜6である)で表されるテトラグライムを除くグライムとアルカリ金属塩とを含む電解液と、
前記正極又は負極の対極であって、前記アルカリ金属、前記アルカリ金属を含む合金、又は炭素を有する対極と、を備えるアルカリ金属−硫黄系二次電池であって、
前記グライムに対する前記アルカリ金属塩の混合比が、モル換算で0.50以上、2.0以下であり、前記グライムと前記アルカリ金属塩との少なくとも一部が錯体を形成しており、充放電試験(電流密度=1/12C、充放電電圧=1.5−3.3V、放電条件=1/12C、30℃)における10サイクル目の放電容量維持率が85%以上であることを特徴とするアルカリ金属−硫黄系二次電池。
A positive electrode or a negative electrode having a sulfur-based electrode active material comprising at least one selected from the group consisting of elemental sulfur, metal sulfides, metal polysulfides, and organic sulfur compounds;
Following formula
(Here, R is any one of an alkyl group having 1 to 9 carbon atoms which may be substituted with a fluorine atom, a phenyl group which may be substituted with a halogen atom, and a cyclohexyl group which may be substituted with a halogen atom. And x is 1 to 6), an electrolyte solution containing glyme excluding tetraglyme and an alkali metal salt,
A counter electrode of the positive electrode or the negative electrode, the alkali metal, an alloy containing the alkali metal, or a counter electrode having carbon, and an alkali metal-sulfur secondary battery,
The mixing ratio of the alkali metal salt to the glyme is 0.50 or more and 2.0 or less in terms of mole, and at least a part of the glyme and the alkali metal salt forms a complex, and a charge / discharge test The discharge capacity retention rate at the 10th cycle at (current density = 1 / 12C, charge / discharge voltage = 1.5-3.3V, discharge condition = 1 / 12C, 30 ° C.) is 85% or more. Alkali metal-sulfur secondary battery.
前記アルカリ金属塩がMXで表され、ここで、Mはアルカリ金属、Xは、Cl、Br、I、BF、PF、CFSO、ClO、CFCO、AsF、SbF、AlCl、N(CFSO、N(CFCFSO、PF(C、N(FSO、N(FSO)(CFSO)、N(CFCFSO、N(C)、N(C)、N(CN)、N(CFSO)(CFCO)、RFBF(但し、RF=n-C2m+1、m=1〜4の自然数)およびRBF(但し、R=n−C2p+1、p=1〜5の自然数)からなる群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項1に記載のアルカリ金属−硫黄系二次電池。 The alkali metal salt is represented by MX, where M is an alkali metal, X is Cl, Br, I, BF 4 , PF 6 , CF 3 SO 3 , ClO 4 , CF 3 CO 2 , AsF 6 , SbF. 6 , AlCl 4 , N (CF 3 SO 2 ) 2 , N (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , PF 3 (C 2 F 5 ) 3 , N (FSO 2 ) 2 , N (FSO 2 ) (CF 3 SO 2), N (CF 3 CF 2 SO 2) 2, N (C 2 F 4 S 2 O 4), N (C 3 F 6 S 2 O 4), N (CN) 2, N (CF 3 SO 2 ) (CF 3 CO), R 1 FBF 3 (where R 1 F = n-C m F 2m + 1 , m = 1 to 4 natural number) and R 2 BF 3 (where R 2 = n−C pH H 2p + 1, that p = is at least one selected from 1-5 of the group consisting of natural numbers) Sulfur-based secondary battery - alkali metal according to claim 1, wherein. 前記正極又は負極は、前記硫黄系電極活物質と結着剤と導電剤とを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のアルカリ金属−硫黄系二次電池。   The alkali metal-sulfur secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode or the negative electrode contains the sulfur electrode active material, a binder, and a conductive agent. 前記グライムが、トリグライム(G3)であり、
前記アルカリ金属塩が、リチウム塩であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のアルカリ金属−硫黄系二次電池。
The glyme is triglyme (G3),
The alkali metal-sulfur secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the alkali metal salt is a lithium salt.
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