JP2016115417A - Positive electrode used for lithium sulfur secondary battery, and lithium sulfur secondary battery - Google Patents

Positive electrode used for lithium sulfur secondary battery, and lithium sulfur secondary battery Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positive electrode used for a lithium sulfur secondary battery, which is high in energy density and excellent in cycle characteristics.SOLUTION: There are provided: (1) a positive electrode used for a lithium sulfur secondary battery, having a plurality of meso pores continuously arranged therein and including at least a binder and porous carbon in which meso pores adjacent to each other are communicated partly or entirely through micro pores and sulfur, serving as an active material, is contained in pores and around pores; (2) a positive electrode mentioned in (1), a phase of the porous carbon being amorphous; (3) a positive electrode mentioned in (1) or (2), vapor growth carbon fibers being added further thereto; and (4) a lithium sulfur secondary battery including one of the positive electrodes mentioned in (1)-(3) and a negative electrode using silicon monoxide (SiO) as an active material.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、リチウム硫黄2次電池に用いる正極、及び該正極を用いたリチウム硫黄2次電池に関する。   The present invention relates to a positive electrode used for a lithium-sulfur secondary battery, and a lithium-sulfur secondary battery using the positive electrode.

CO排出抑制、石炭、石油資源の枯渇問題などにより、太陽光、太陽熱、波力、地熱を利用した発電が注目されている。そして、これらエネルギーを効率よく使用するため、IT技術と融合させたスマートグリッド、ローカルグリッドといったエネルギーマネジメントシステムの実証実験が世界的に展開されている。そのような中、COの排出抑制の対象となる自動車は、ガソリンと2次電池を積んだハイブリッド車が注目され普及が加速している。また、スマートグリッドでは、例えば太陽電池で発電した余剰電力を蓄電するための2次電池が重要な役割を果たす。このように、今後、携帯電話用を含めて2次電池に対する需要が増えるとともに、より高いエネルギー密度、出力密度が要求されている。特に電気自動車は、現行のリチウムイオン電池、今後開発されていく高エネルギー密度リチウムイオン電池でさえも、要求される重量(体積)エネルギー密度を達成するのが困難と言われている。 Power generation using sunlight, solar heat, wave power, and geothermal heat has attracted attention due to CO 2 emission control, coal, and oil resource depletion problems. And in order to use these energy efficiently, the demonstration experiment of energy management systems, such as a smart grid and a local grid united with IT technology, is developed worldwide. Under such circumstances, a hybrid vehicle loaded with gasoline and a secondary battery is attracting attention as an automobile subject to CO 2 emission suppression, and its spread is accelerating. In the smart grid, for example, a secondary battery for storing surplus power generated by a solar battery plays an important role. Thus, in the future, demand for secondary batteries including those for mobile phones will increase, and higher energy density and output density will be required. In particular, it is said that electric vehicles are difficult to achieve the required weight (volume) energy density even with current lithium ion batteries and even high energy density lithium ion batteries that will be developed in the future.

電気自動車で要求される重量エネルギー密度は、500〜700Wh/kgとも言われている。そこで、空気中に存在する酸素を活物質として利用するため、非常に大きなエネルギー密度が期待できるリチウム金属空気2次電池や硫黄を活物質とした硫黄電池、マグネシウムやアルミニウムの多価カチオンを利用し、1電子でなく、一度に2電子、3電子の反応により容量を上げ、高エネルギー化する多価カチオン2次電池が次世代の2次電池として注目され、研究が行われている。更に、固体電解質を有機電解液の代わりに利用することができる全固体電池にすることにより、高エネルギー密度化が可能になれば、高い安全性をもった理想の2次電池が実現する。   The weight energy density required for electric vehicles is also said to be 500 to 700 Wh / kg. Therefore, in order to use oxygen present in the air as an active material, a lithium metal air secondary battery that can be expected to have a very large energy density, a sulfur battery that uses sulfur as an active material, a polyvalent cation of magnesium or aluminum is used. Multivalent cation secondary batteries that increase the capacity and increase the energy by reaction of two electrons or three electrons at a time instead of one electron are attracting attention as a next-generation secondary battery and are being studied. Furthermore, if a solid electrolyte can be used in place of the organic electrolyte and an all-solid battery can be used to achieve a high energy density, an ideal secondary battery with high safety can be realized.

金属空気電池、多価カチオン電池は、課題が多く、基礎研究段階と考えられている中、硫黄を活物質とした硫黄正極の研究が、ごく最近、進展を見せてきている。酸化還元反応の途中で生成される多硫化物の有機電解液への溶出抑制技術が進歩してきている。
例えば非特許文献1では、中空球殻構造をもったTiOナノ粒子に硫黄を閉じ込め、導電助剤、バインダーからなる合剤電極を正極とすることにより、1000回サイクル後の容量劣化を60%近くまで抑制している。また、メソポーラスカーボンのメソ孔に硫黄を担持させることによりサイクル数の向上を目指しているが、固体電解質を用いた全固体電池に対する効果のみで、有機電解液を用いた2次電池の具体的効果が示されていない。また、類似技術として特許文献1があるが、孔の容積の大きさには着目していない。
While metal-air batteries and multivalent cation batteries have many problems and are considered to be in the basic research stage, research on sulfur positive electrode using sulfur as an active material has been progressing very recently. Technology for suppressing elution of polysulfides produced during the oxidation-reduction reaction into organic electrolytes has been progressing.
For example, in Non-Patent Document 1, by confining sulfur in TiO 2 nanoparticles having a hollow spherical shell structure and using a mixture electrode composed of a conductive additive and a binder as a positive electrode, the capacity deterioration after 1000 cycles is reduced by 60%. Suppressed to near. In addition, it aims to improve the number of cycles by supporting sulfur in the mesopores of mesoporous carbon, but it is only effective for all solid state batteries using solid electrolyte, and specific effect of secondary battery using organic electrolyte. Is not shown. Moreover, although there exists patent document 1 as a similar technique, it is not paying attention to the magnitude | size of the volume of a hole.

また、非特許文献1の場合、中空球殻構造体が酸化物のTiOであり、電子伝導性がカーボンに比べて低いため、導電性向上用の導電助剤を多く添加する必要があり、電極全体に占める活物質の割合が低くなる。この場合、電流を一度に多く流すため、即ち充放電レートを高くするためには、電極を厚く塗る必要があるが、厚くすると導電性が下がりレート特性が悪くなる。また、正極に酸素を含み、負極がリチウム金属の構成では、リチウムイオン電池と同様、安全性(発火性)に課題を残す。従って、負極としては他の活物質を考える必要がある。
また、非特許文献2の中空球殻構造カーボンに硫黄を担持させた硫黄正極の場合、材料はカーボンであるが、カーボン球体が一個一個独立しており、これらの接触面積が小さくなる傾向にあるため、高い充放電レートに対しては容量が小さくなるという問題がある。
In the case of Non-Patent Document 1, since the hollow sphere shell structure is an oxide TiO 2 and the electronic conductivity is lower than that of carbon, it is necessary to add a large amount of conductive additive for improving the conductivity. The proportion of the active material in the entire electrode is reduced. In this case, in order to flow a large amount of current at a time, that is, to increase the charge / discharge rate, it is necessary to coat the electrode thickly. However, if the electrode is thickened, the conductivity decreases and the rate characteristics deteriorate. Further, when the positive electrode contains oxygen and the negative electrode is made of lithium metal, a problem remains in safety (ignitability) as in the case of the lithium ion battery. Therefore, it is necessary to consider other active materials as the negative electrode.
Further, in the case of the sulfur positive electrode in which sulfur is supported on the hollow sphere shell structure carbon of Non-Patent Document 2, the material is carbon, but the carbon spheres are independent one by one and their contact area tends to be small. Therefore, there is a problem that the capacity becomes small for a high charge / discharge rate.

リチウム硫黄電池は、リチウムイオン電池に比べて、重量エネルギー密度や体積エネルギー密度を飛躍的に向上させられる可能性がある。しかし、正極において、硫黄がリチウム硫黄化合物LiSを生成する過程でできる多硫化物が電解液中へ溶出するという課題がある。また、負極にリチウム金属を用いた場合、デンドライト成長、電解液の分解、溶出した多硫化イオンからリチウムの電子授受により起こる過充電現象などの課題がある。従って、これら課題を解決し、安全性と高エネルギー密度を両立させた2次電池の構成を創案する必要がある。
硫黄正極においては、硫黄が電解液に触れる面積が極力小さく、リチウムイオンが伝導されること、かつ、放電時に硫黄からリチウム硫黄化合物への変化に伴う体積膨張が起きても構造体が壊れないことが要求される。また、充電時にリチウム硫黄化合物から硫黄に戻る際に、硫黄が構造体から脱離しないような高い吸着力を有することも必要になる。
Lithium sulfur batteries have the potential to dramatically improve weight energy density and volumetric energy density compared to lithium ion batteries. However, in the positive electrode, there is a problem that the polysulfide formed in the process of sulfur producing the lithium sulfur compound Li 2 S elutes into the electrolytic solution. Further, when lithium metal is used for the negative electrode, there are problems such as dendrite growth, decomposition of the electrolytic solution, and an overcharge phenomenon caused by the exchange of lithium electrons from the eluted polysulfide ions. Therefore, it is necessary to create a secondary battery configuration that solves these problems and achieves both safety and high energy density.
In the sulfur positive electrode, the area where sulfur comes into contact with the electrolyte solution is as small as possible, lithium ions are conducted, and the structure does not break even if volume expansion occurs due to the change from sulfur to lithium sulfur compound during discharge. Is required. Moreover, when returning from a lithium sulfur compound to sulfur at the time of charge, it is also necessary to have a high adsorption power so that sulfur does not desorb from the structure.

負極においては、硫黄活物質の理論容量1675mAh/gに匹敵する理論容量をもつリチウム金属に替わる活物質が要求される。シリコンは理論容量が約3500mAh/gをもつため負極として魅力的であるが、Li化合物(Li4.4Si)を生成すると体積が約4倍に増えるため、体積膨張が非常に大きく、サイクル劣化が大きい。
高エネルギー密度を有する2次電池としての課題は、電気自動車に応用する場合には、充電時間である。そこで短時間に大電流を流し、より早く充電を完了させるため入力密度も高いことが要求される。また瞬間的に大きな電流を流す出力密度が大きいことも重要である。更に、リチウムイオン電池には、0℃以下では充電できないという課題があるが、高エネルギー密度電池にも同じ課題がある。
従って、本発明は、高エネルギー密度でサイクル特性が良好なリチウム硫黄2次電池に用いる正極の提供を目的とする。
In the negative electrode, an active material replacing lithium metal having a theoretical capacity comparable to the theoretical capacity of 1675 mAh / g of the sulfur active material is required. Silicon is attractive as a negative electrode because it has a theoretical capacity of about 3500 mAh / g. However, when Li compound (Li 4.4 Si) is produced, the volume increases by about 4 times, so the volume expansion is very large and cycle deterioration occurs. Is big.
A problem as a secondary battery having a high energy density is charging time when applied to an electric vehicle. Therefore, a high input density is required to allow a large current to flow in a short period of time and complete charging more quickly. It is also important that the power density at which a large current flows instantaneously is large. Furthermore, although the lithium ion battery has a problem that it cannot be charged at 0 ° C. or lower, the high energy density battery has the same problem.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a positive electrode used for a lithium-sulfur secondary battery having a high energy density and good cycle characteristics.

上記課題は、次の1)の発明によって解決される。
1) 複数のメソ孔が連続して配列されており、隣接するメソ孔同士の一部又は全部がミクロ孔により連通しており、かつ孔内及び孔周辺部に活物質である硫黄を含有する多孔カーボンと、バインダーとを少なくとも含むことを特徴とするリチウム硫黄2次電池に用いる正極。
The above problem is solved by the following invention 1).
1) A plurality of mesopores are continuously arranged, and some or all of the adjacent mesopores communicate with each other through micropores, and contain sulfur as an active material in and around the pores. A positive electrode used for a lithium-sulfur secondary battery comprising at least porous carbon and a binder.

本発明によれば、高エネルギー密度でサイクル特性が良好なリチウム硫黄2次電池に用いる正極を提供できる。更に、低温でも充電可能な2次電池、安全性の高いリチウム硫黄2次電池を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the positive electrode used for a lithium sulfur secondary battery with a high energy density and favorable cycling characteristics can be provided. Furthermore, it is possible to provide a secondary battery that can be charged even at a low temperature and a lithium sulfur secondary battery with high safety.

本発明における多孔カーボンの構造を模式的に示す図。(B)は(A)中の点線で囲んだ部分の拡大図。The figure which shows typically the structure of the porous carbon in this invention. (B) is an enlarged view of a portion surrounded by a dotted line in (A). 比較例1に用いた多孔カーボンの構造を模式的に示す図。The figure which shows typically the structure of the porous carbon used for the comparative example 1. FIG. 実施例5における多孔カーボンのTEM(透過電子顕微鏡)像を示す図。FIG. 6 shows a TEM (transmission electron microscope) image of porous carbon in Example 5. 前記多孔カーボンに硫黄を担持させた後のTEM像を示す図。The figure which shows the TEM image after making the said porous carbon carry | support sulfur. 実施例5のセルの放電容量のサイクル回数依存性を示す図。The figure which shows the cycle frequency dependence of the discharge capacity of the cell of Example 5. FIG. 実施例13のセルの放電容量のサイクル回数依存性を示す図。The figure which shows the cycle frequency dependence of the discharge capacity of the cell of Example 13. FIG.

以下、上記本発明1)について詳しく説明するが、本発明の実施の形態には次の2)〜5)も含まれるので、これらについても併せて説明する。
2) 前記多孔カーボンの相がアモルファスであることを特徴とする1)記載のリチウム硫黄2次電池に用いる正極。
3) 更に、気相成長炭素繊維を添加したことを特徴とする1)又は2)記載のリチウム硫黄2次電池に用いる正極。
4) 前記多孔カーボンの比表面積が1000〜2000m/g、細孔容積が3〜4cm/gであることを特徴とする1)〜3)のいずれかに記載のリチウム硫黄2次電池に用いる正極。
5) 1)〜4)のいずれかに記載の正極と、一酸化シリコン(SiO)を活物質とする負極を有するリチウム硫黄2次電池。
Hereinafter, the present invention 1) will be described in detail, but the following 2) to 5) are also included in the embodiment of the present invention, and these will also be described together.
2) The positive electrode used for the lithium-sulfur secondary battery according to 1), wherein the porous carbon phase is amorphous.
3) The positive electrode used for the lithium-sulfur secondary battery according to 1) or 2), further comprising a vapor-grown carbon fiber.
4) The lithium sulfur secondary battery according to any one of 1) to 3), wherein the porous carbon has a specific surface area of 1000 to 2000 m 2 / g and a pore volume of 3 to 4 cm 3 / g. The positive electrode used.
5) A lithium-sulfur secondary battery having the positive electrode according to any one of 1) to 4) and a negative electrode using silicon monoxide (SiO) as an active material.

本発明におけるリチウム硫黄2次電池とは、リチウムイオンを用いた、正極の活物質として硫黄を含む2次電池を指し、負極にリチウム金属(箔)を用いた組み合わせの電池に限定されるものではない。
硫黄とリチウムの化合物の中間生成物であるLiSx(x=2、4、6、8)は、有機電解液に触れると多硫化イオンとなって電解液中に溶出することが分かっている。本発明では、その解決手段として、硫黄を担持するための複数の細孔を有する多孔カーボンを用いる。複数の細孔のサイズは同じではないが、硫黄を閉じ込め硫黄とリチウム硫黄化合物の可逆反応時に起こる体積変化を緩和することが可能なメソ孔と、リチウムイオンがイオン伝導するためのミクロ孔が主である。ここで、メソ孔とはサイズが2〜50nm、ミクロ孔とはサイズが2nm未満のものを指す。メソ孔の好ましいサイズは平均5〜30nmである。硫黄粒子はメソ孔とミクロ孔の両方に担持されている。硫黄粒子がメソ孔とミクロ孔に隙間なく担持されている場合もあるし、一部に硫黄粒子が担持されていない隙間がある場合もある。メソ孔には体積変化を緩和できるように隙間がある状態で硫黄粒子が担持されていることが好ましい。またメソ孔より大きい孔があっても構わないが、その割合は非常に小さいことが望ましい。
The lithium-sulfur secondary battery in the present invention refers to a secondary battery using lithium ions and containing sulfur as a positive electrode active material, and is not limited to a combination battery using lithium metal (foil) as a negative electrode. Absent.
It is known that Li 2 Sx (x = 2, 4, 6, 8), which is an intermediate product of a compound of sulfur and lithium, becomes polysulfide ions and elutes into the electrolyte when it comes into contact with the organic electrolyte. . In the present invention, porous carbon having a plurality of pores for supporting sulfur is used as the solution. Although the size of multiple pores is not the same, mesopores that can confine sulfur and mitigate volume changes that occur during the reversible reaction of sulfur and lithium-sulfur compounds, and micropores that allow lithium ions to conduct ions are mainly used. It is. Here, the mesopores are those having a size of 2 to 50 nm, and the micropores are those having a size of less than 2 nm. The preferred size of mesopores is 5-30 nm on average. Sulfur particles are supported in both mesopores and micropores. In some cases, the sulfur particles are supported between the mesopores and the micropores without any gap, and there are also some gaps where the sulfur particles are not supported. It is preferable that the mesopores carry sulfur particles in a state where there is a gap so that the volume change can be reduced. There may be holes larger than mesopores, but the ratio is preferably very small.

図1に、本発明に係る多孔カーボンの構造を模式的に示す。(B)は(A)中の点線で囲んだ部分の拡大図である。(A)中の白丸部分がメソ孔であり、(A)中の白丸部分同士を繋ぐ白い線状部分、及び(B)中の複数の白い線状部分がミクロ孔である。メソ孔とメソ孔の間にミクロ孔が存在しているのが特徴である。
隣接するメソ孔同士の一部又は全部がミクロ孔により連通している必要があり、出来るだけ多くのメソ孔同士が連通している方が好ましい。また、隣接する一組のメソ孔同士のミクロ孔の数は1個でも複数でもよいが、多孔カーボンの製法及び構造を考慮すると概ね複数となる。更に、微視的にみてミクロ孔が全体に均一に形成されることはないし、多孔カーボン中の連通しているメソ孔の割合及びミクロ孔の数を正確に測定するのは困難である。また、実際にプロセスで制御することも困難である。したがって、本発明の正極に適合するか否かは、後述する多孔カーボンの比表面積や細孔容積などを参考にして判断することになる。
FIG. 1 schematically shows the structure of a porous carbon according to the present invention. (B) is an enlarged view of a portion surrounded by a dotted line in (A). White circle portions in (A) are mesopores, white linear portions connecting the white circle portions in (A), and a plurality of white linear portions in (B) are micropores. It is characteristic that micropores exist between mesopores.
It is necessary that some or all of the adjacent meso holes communicate with each other through the micro holes, and it is preferable that as many meso holes as possible communicate with each other. In addition, the number of micropores between a pair of adjacent mesopores may be one or more, but in consideration of the production method and structure of porous carbon, the number is generally plural. Further, microscopically, the micropores are not uniformly formed as a whole, and it is difficult to accurately measure the proportion of mesopores in the porous carbon and the number of micropores. It is also difficult to actually control the process. Therefore, whether or not it is suitable for the positive electrode of the present invention is determined with reference to the specific surface area and pore volume of porous carbon described later.

上記多孔カーボンの比表面積は、1000m/g以上が好ましく、より好ましくは、1200m/g以上である。1000m/g以上であれば、硫黄を閉じ込める細孔を十分確保でき、サイクル特性の劣化も小さい。但し、比表面積が2500m/gを超えると、ミクロ孔が殆どを占めることになり、体積変化を緩和できずサイクル特性が劣化してしまう。好ましくは2000m/g以下である。
また、細孔の深さの指標となる細孔容積は、2cm/g以上が好ましく、より好ましくは3cm/g以上である。2cm/g以上であれば、硫黄を閉じ込めやすくなる。一方、4cm/gを超える多孔カーボンは作製するのが難しい。従って、好ましい細孔容積は2〜4cm/gであり、より好ましくは、3〜4cm/gである。
The specific surface area of the porous carbon is preferably 1000 m 2 / g or more, more preferably 1200 m 2 / g or more. If it is 1000 m 2 / g or more, sufficient pores for trapping sulfur can be secured, and the deterioration of cycle characteristics is small. However, if the specific surface area exceeds 2500 m 2 / g, the micropores occupy most, and the volume change cannot be relaxed, and the cycle characteristics deteriorate. Preferably it is 2000 m < 2 > / g or less.
Further, the pore volume serving as an index of the depth of the pore is preferably 2 cm 3 / g or more, more preferably 3 cm 3 / g or more. If it is 2 cm 3 / g or more, it becomes easy to confine sulfur. On the other hand, porous carbon exceeding 4 cm 3 / g is difficult to produce. Therefore, a preferable pore volume is 2 to 4 cm 3 / g, and more preferably 3 to 4 cm 3 / g.

硫黄のカーボンへの吸着性を高めることも重要である。硫黄は電気伝導率が非常に低いため、カーボンとの吸着力を高くし、伝導性を向上させる必要がある。多孔カーボン自体の電気伝導率がより高いことが好ましい。
比表面積が大きく、細孔容積が大きく、電気伝導率が高い多孔カーボンを作製する方法は幾つかあるが、作製が比較的容易で低コストの方法が好ましい。
例えば、フェノール、ホルマリンと微量の塩酸から樹脂化し、これを炭素前駆体とする方法がある。細孔の鋳型としてはシリカ(SiO)を用いる。サイズは市販されている平均粒径5〜50nmのものが好ましい。また、他の材料としてMgOを用いても良い。MgOは後の鋳型除去プロセスで用いる試薬としてフッ酸より安全な希硫酸を使用できるので、量産化を考慮すると好ましいが、フッ酸のように大量に使用するのは難しい。
水酸化ナトリウムを用いることも可能であるが溶けるのに長い時間を要する。シリカコロイドナノ粒子を遠心分離した後、乾燥してナノ粒子を得る。フェノールとホルマリンを所定の重量比で混合し、塩酸を微量添加した後、放置あるいは真空引きしながら放置し、溶液を粒子間に浸透させる。次いでアルゴンガス雰囲気中、500℃で1時間熱処理し、分解生成物を除去する。次いで、アルゴンガス雰囲気中、800℃〜1200℃の範囲で5時間程度熱処理して炭化させる。次いで、フッ酸を用いて鋳型を除去し、多孔カーボンとする。
It is also important to increase the adsorptivity of sulfur to carbon. Since sulfur has a very low electrical conductivity, it is necessary to increase the adsorption power with carbon and improve the conductivity. It is preferable that the electrical conductivity of the porous carbon itself is higher.
There are several methods for producing porous carbon having a large specific surface area, a large pore volume, and a high electrical conductivity, but a method that is relatively easy to produce and low cost is preferred.
For example, there is a method in which phenol, formalin and a small amount of hydrochloric acid are converted into a resin and used as a carbon precursor. Silica (SiO 2 ) is used as a template for the pores. The size is preferably a commercially available average particle diameter of 5 to 50 nm. Moreover, you may use MgO as another material. Since MgO can use dilute sulfuric acid that is safer than hydrofluoric acid as a reagent used in the subsequent template removal process, it is preferable in view of mass production, but it is difficult to use it in a large amount like hydrofluoric acid.
Although it is possible to use sodium hydroxide, it takes a long time to dissolve. The silica colloidal nanoparticles are centrifuged and then dried to obtain nanoparticles. Phenol and formalin are mixed at a predetermined weight ratio, and after adding a small amount of hydrochloric acid, the solution is allowed to stand while leaving or evacuating to allow the solution to penetrate between the particles. Next, heat treatment is performed at 500 ° C. for 1 hour in an argon gas atmosphere to remove decomposition products. Next, it is carbonized by heat treatment in an argon gas atmosphere in the range of 800 ° C. to 1200 ° C. for about 5 hours. Next, the template is removed using hydrofluoric acid to form porous carbon.

多孔カーボンに硫黄を担持させるには、硫黄の低融点(約120℃)性を利用して、150℃程度の温度をかけながら、硫黄を溶かした状態で細孔に浸透させる方法を用いる。これにより、硫黄を効率よく孔に閉じ込め、カーボン全表面に吸着させることができる。また、この方法で作製した多孔カーボンは板状の粒子になっているので、スラリーを作製した後、電極集電体上に塗工する際に、より薄く塗布することができ、厚み方向の電気伝導性が低下しにくいため、エネルギー密度だけでなく出力密度も向上させることができる。また、多孔カーボンは基本的にアモルファス構造であるが、局所的にグラファイト相(結晶相)が存在する場合もある。グラファイト相の体積が増加すると細孔容積が低下してくる。   In order to support sulfur on the porous carbon, a method of infiltrating the pores in a dissolved state of sulfur while applying a temperature of about 150 ° C. using the low melting point (about 120 ° C.) of sulfur is used. Thereby, sulfur can be efficiently confined in the pores and adsorbed on the entire carbon surface. In addition, since the porous carbon produced by this method is in the form of plate-like particles, it can be applied thinner when coated on the electrode current collector after the slurry is produced. Since the conductivity is difficult to decrease, not only the energy density but also the output density can be improved. Moreover, although porous carbon is fundamentally an amorphous structure, a graphite phase (crystal phase) may exist locally. As the volume of the graphite phase increases, the pore volume decreases.

リチウムイオン電池の黒鉛負極活物質材料の導電助剤に用いられるカーボン材料として気相成長炭素繊維(VGCF)がある。VGCFは繊維径が150nm、長さが10μm以下で、しかも繊維の抵抗率が10−4Ω・cmオーダーと低いので硫黄正極に添加すると効果的である。即ち、硫黄正極は、硫黄と導電助剤、バインダーというリチウムイオン電池と同様の電極構成でなく、硫黄を閉じ込めるための多孔カーボンを用いており、これらカーボン間の導電性を向上させるためにVGCFが効果的である。より径の小さいカーボンナノチューブ(CNT)も効果的であるが、コストが高いことと、多孔カーボン粒子サイズがミクロンオーダーのため、VGCFの方が少量の添加でも効果が高い。 Vapor-grown carbon fiber (VGCF) is a carbon material used as a conductive aid for graphite negative electrode active material of lithium ion batteries. VGCF has a fiber diameter of 150 nm, a length of 10 μm or less, and has a low resistivity of the order of 10 −4 Ω · cm, so it is effective to add it to the sulfur positive electrode. That is, the sulfur positive electrode does not have the same electrode configuration as that of the lithium ion battery such as sulfur, a conductive additive, and a binder, but uses porous carbon for confining sulfur, and VGCF is used to improve the conductivity between these carbons. It is effective. Although carbon nanotubes (CNT) having a smaller diameter are also effective, VGCF is more effective even when added in a small amount because the cost is high and the size of the porous carbon particles is on the order of microns.

一方、負極材料には、硫黄の高エネルギー密度に見合った1000mAh/g以上の活物質材料を用いるのが良く、リチウム金属以外に、シリコン(Si)や一酸化シリコン(SiO)が挙げられる。シリコンは、リチウムと合金を生成する際に体積が約4倍に増えるため問題がある。ミクロンサイズの粒径のシリコンを使用すると、膨張、収縮を繰り返すうちに亀裂が発生し、微粒子化が進み、導電助剤から剥離するためサイクル劣化が起こるので、これを解決することが重要な課題である。
これに対し、体積膨張が小さくエネルギー密度が大きい活物質としてSiOが好ましい。黒鉛やハードカーボンを用いることも可能であるが、SiOを用いると、低温でのリチウムデンドライト析出が発生しにくいステンレス箔を用いることができる。従来の銅箔では膨張により箔が変形してしまう。
On the other hand, as the negative electrode material, an active material of 1000 mAh / g or more suitable for the high energy density of sulfur is preferably used, and silicon (Si) and silicon monoxide (SiO) can be used in addition to lithium metal. Silicon is problematic because its volume increases approximately four times when producing alloys with lithium. When silicon with a particle size of micron size is used, cracks occur during repeated expansion and contraction, fine particles progress, and cycle deterioration occurs due to peeling from the conductive additive. It is important to solve this problem It is.
On the other hand, SiO is preferable as an active material having a small volume expansion and a large energy density. Although graphite or hard carbon can be used, when SiO is used, a stainless steel foil that hardly causes lithium dendrite precipitation at a low temperature can be used. In the conventional copper foil, the foil is deformed by expansion.

硫黄正極とSiO負極を用い、2次電池として動作させるため、SiOに予めリチウムをプレドープする。プレドープ後は、正極が6.6S、負極が、17.2Li+4SiO→3(Li4.4Si)+LiSiOという変化で充電状態となる。放電後は正極及び負極が、それぞれ次のような状態となる。
負極:3(Li4.4Si)+LiSiO→3Si+LiSiO+13.2Li
26.4e
正極:13.2Li+26.4e+6.6S→6.6Li
In order to operate as a secondary battery using a sulfur positive electrode and a SiO negative electrode, lithium is pre-doped with SiO in advance. After pre-doping, the positive electrode becomes 6.6S, and the negative electrode becomes charged with a change of 17.2Li + 4SiO → 3 (Li 4.4 Si) + Li 4 SiO 4 . After the discharge, the positive electrode and the negative electrode are in the following states, respectively.
Negative electrode: 3 (Li 4.4 Si) + Li 4 SiO 4 → 3Si + Li 4 SiO 4 + 13.2Li + +
26.4e
Positive electrode: 13.2Li + + 26.4e + 6.6S → 6.6Li 2 S

以下、本発明の具体的な構成及び作用について述べる。
正極集電体としては、Al、Ni、ステンレスを用いることができる。形態としては、箔、メッシュ状、空孔を有する発泡体がある。加工しやすく安価であることから、Al箔が好ましい。
正極集電体に正極合剤を担持させる方法としては、正極集電体上で正極合剤を加圧成形する方法、正極合剤をペースト状にして正極集電体上に塗布し乾燥させた後、プレスするなどして固着する方法等がある。ペースト化する場合は、正極活物質、導電材、バインダー、有機溶媒からなるスラリーを作製する。有機溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等のアミド系溶媒等が挙げられる。また、溶媒として水を用いてもよい。有機溶媒を用いてスラリー化する場合のバインダーとしては、ポリビニリデンジフロライド(PVDF)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)等のポリエーテル系高分子化合物が挙げられる。水系溶媒に対しては、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)とカルボキシメチルセルロース(CMC)を混合したバインダーが使用できる。
The specific configuration and operation of the present invention will be described below.
As the positive electrode current collector, Al, Ni, or stainless steel can be used. Forms include foil, mesh, and foam having pores. Al foil is preferred because it is easy to process and inexpensive.
As a method of supporting the positive electrode mixture on the positive electrode current collector, a method of pressure forming the positive electrode mixture on the positive electrode current collector, the positive electrode mixture was applied in a paste form and dried on the positive electrode current collector Later, there is a method of fixing by pressing or the like. In the case of forming a paste, a slurry made of a positive electrode active material, a conductive material, a binder, and an organic solvent is prepared. Examples of the organic solvent include amide solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). Further, water may be used as a solvent. Examples of the binder when slurried using an organic solvent include polyether polymer compounds such as polyvinylidene difluoride (PVDF), polyethylene oxide (PEO), and polypropylene oxide (PPO). For an aqueous solvent, a binder in which styrene-butadiene rubber (SBR) and carboxymethyl cellulose (CMC) are mixed can be used.

セパレータは、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂、含窒素芳香族重合体等からなる、多孔質膜、不織布、織布などを用いることができる。また異なる材質からなる2層以上の層を積層した積層セパレータとしてもよい。厚みは、電池の体積エネルギー密度が上がり、内部抵抗が小さくなるため薄くした方がよく、通常10〜200μm程度、好ましくは10〜30μm程度である。   As the separator, a porous film, a nonwoven fabric, a woven fabric, or the like made of a polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene, a fluororesin, a nitrogen-containing aromatic polymer, or the like can be used. Moreover, it is good also as a laminated separator which laminated | stacked two or more layers which consist of different materials. The thickness is preferably reduced because the volume energy density of the battery is increased and the internal resistance is reduced, and is usually about 10 to 200 μm, preferably about 10 to 30 μm.

負極集電体としては、Cu、Ni、ステンレスなどが挙げられるが、リチウムと合金を作り難く薄膜に加工しやすいCuが好ましい。
負極集電体に負極合剤を担持させる方法は、正極の場合と同様であり、負極集電体上で負極合剤を加圧成形する方法、負極合剤をペースト状にして負極集電体上に塗布し乾燥させた後、プレスするなどして固着する方法などがある。
Examples of the negative electrode current collector include Cu, Ni, and stainless steel, and Cu that is difficult to form an alloy with lithium and is easy to process into a thin film is preferable.
The method of supporting the negative electrode mixture on the negative electrode current collector is the same as in the case of the positive electrode. The method of pressure forming the negative electrode mixture on the negative electrode current collector; There is a method of fixing by applying, drying and then pressing.

用いる有機電解液の電解質としては、LiClO、LiPF、LiSbF、LiBF、LiCFSO、LiCFSO、LiN(SOCF、LiC(SOCF、Li10Cl10、低級脂肪族カルボン酸リチウム塩、LiAlClなどのリチウム塩が挙げられる。中でも、LiN(SOCFが好ましい。これらの2種以上の混合物を使用してもよい。
また前記電解液の有機溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、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、1,3−ジオキソラン、エチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテルなどが用いられるが、2種以上の混合物を用いても良い。好ましくは、トリエチレングリコールジメチルエーテル、又はテトラエチレングリコールジメチルエーテルと1,3−ジオキソランの混合溶媒である。
電解液の濃度は、1M以上、高くて3Mである。
As the electrolyte of the organic electrolyte used, LiClO 4 , LiPF 6 , LiSbF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , Li Examples thereof include lithium salts such as 2 B 10 Cl 10 , a lower aliphatic carboxylic acid lithium salt, and LiAlCl 4 . Among these, LiN (SO 2 CF 3 ) 2 is preferable. A mixture of two or more of these may be used.
Examples of the organic solvent for the electrolyte include propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, 1,3-dioxolane, ethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, and tetraethylene glycol dimethyl ether. A mixture of two or more kinds may be used. Preferred is triethylene glycol dimethyl ether or a mixed solvent of tetraethylene glycol dimethyl ether and 1,3-dioxolane.
The concentration of the electrolytic solution is 1M or higher and 3M at the highest.

本発明における硫黄正極を用いると、多硫化イオンの有機電解液への溶け出し抑制効果は高いが、100%溶け出しをなくすことは難しいと考えられる。従って、多硫化イオンが発生し、負極に向かって移動し、オーバーチャージ現象が起こる可能性はある。そのため、この現象を起こさないように、LiNOを添加することが好ましい。添加量としては、例えば、1M LiN(SOCFに、0.1〜0.5Mが良い。 When the sulfur positive electrode in the present invention is used, the effect of suppressing the dissolution of polysulfide ions into the organic electrolyte is high, but it is considered difficult to eliminate the 100% dissolution. Therefore, polysulfide ions are generated, move toward the negative electrode, and an overcharge phenomenon may occur. Therefore, it is preferable to add LiNO 3 so as not to cause this phenomenon. The amount, for example, 1M LiN (SO 2 CF 3 ) to 2, 0.1-0.5 M is preferred.

他の電解液として、イオン液体、あるいは有機電解液とイオン液体の混合物を用いても良い。高分子に有機電解質溶液を保持させた、いわゆるゲルタイプのものを用いることもできる。イオン液体は、有機電解液に比べて不揮発性であり、安全性向上が期待できる。イオン液体は、低温から高温まで液体状態であるものが良い。
イオン液体のうち、カチオンとしては、有機窒素(アンモニウム)系、有機燐(ホスホニウム)系、有機硫黄(スルホニウム)系のものがある。イミダゾリウムカチオン系が多く、これらとAlCl 、NO 、NO 、I、BF 、PF 、AsF 、SbF 、NbF 、TaF 、F(HF)2.3 、p−CHPhSO 、CHCO 、CFCO 、CHSO 、CFSO 、(CFSO、CCO 、CSO 、(CFSO、(CSO、(CFSO)(CFCO)N、(CN)で表されるアニオンを組み合わせたものを用いる。
As another electrolytic solution, an ionic liquid or a mixture of an organic electrolytic solution and an ionic liquid may be used. A so-called gel type in which an organic electrolyte solution is held in a polymer can also be used. The ionic liquid is non-volatile compared to the organic electrolyte, and can be expected to improve safety. The ionic liquid is preferably in a liquid state from a low temperature to a high temperature.
Among the ionic liquids, cations include organic nitrogen (ammonium), organic phosphorus (phosphonium), and organic sulfur (sulfonium). There are many imidazolium cation systems, and AlCl 4 , NO 2 , NO 3 , I , BF 4 , PF 6 , AsF 6 , SbF 6 , NbF 6 , TaF 6 , F ( HF) 2.3 , p-CH 3 PhSO 3 , CH 3 CO 2 , CF 3 CO 2 , CH 3 SO 3 , CF 3 SO 3 , (CF 3 SO 2 ) 3 C , C 3 F 7 CO 2 -, C 4 F 9 SO 3 -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (C 2 F 5 SO 2) 2 N -, (CF 3 SO 2) (CF 3 CO) N - , (CN) 2 N An anion represented by a combination is used.

上記の他に、多硫化イオンの溶出がなく、安全性が最も高いと考えられる固体電解質を用いてもよい。固体電解質としては、例えばポリエチレンオキサイド系の高分子化合物、ポリオルガノシロキサン鎖もしくはポリオキシアルキレン鎖の少なくとも一種を含む高分子化合物などの高分子電解質を用いることができる。また、LiS−SiS、LiS−GeS、LiS−P、LiS−B、LiS−P−GeSのような硫化物系電解質、Li―P―O―N、Li―La―Ti―O、Li―La―Zr―O、Li―Al―Ge―P―Oのような酸化物系固体電解質を用いることもできる。 In addition to the above, a solid electrolyte that does not elute polysulfide ions and is considered to have the highest safety may be used. As the solid electrolyte, for example, a polymer electrolyte such as a polyethylene oxide polymer compound, a polymer compound containing at least one of a polyorganosiloxane chain or a polyoxyalkylene chain can be used. Also, sulfides such as Li 2 S—SiS 2 , Li 2 S—GeS 2 , Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—B 2 S 3 , Li 2 S—P 2 S 5 —GeS 2 . An oxide-based solid electrolyte such as Li-P—O—N, Li—La—Ti—O, Li—La—Zr—O, or Li—Al—Ge—P—O can also be used.

負極には、バインダーや導電助剤を含有させてもよい。
バインダーとしては熱可塑性樹脂を用いることができ、具体的には、PVDF、熱可塑性ポリイミド、カルボキシメチルセルロース、ポリエチレン、ポリプロピレンなどが挙げられる。CMCとSBRの混合バインダーは、変形などに対しても接着性が強く、負極には適している。また、ポリイミドなどの熱硬化性樹脂を用いてもよい。
導電助剤としては、カーボンブラック及び/又はVGCFが挙げられる。
硫黄を正極に、シリコンを負極にした場合、予め、シリコン負極にリチウムをプレドープする必要がある。プレドープの方法としては、例えば、シリコン負極とリチウム箔をセパレータを介して短絡させ、電解液を注入した後、放置する方法が挙げられる。
You may make a negative electrode contain a binder and a conductive support agent.
A thermoplastic resin can be used as the binder, and specific examples include PVDF, thermoplastic polyimide, carboxymethyl cellulose, polyethylene, and polypropylene. The mixed binder of CMC and SBR has high adhesiveness against deformation and is suitable for the negative electrode. Moreover, you may use thermosetting resins, such as a polyimide.
Examples of the conductive aid include carbon black and / or VGCF.
When sulfur is used as the positive electrode and silicon is used as the negative electrode, it is necessary to pre-dope lithium into the silicon negative electrode in advance. Examples of the pre-doping method include a method in which a silicon negative electrode and a lithium foil are short-circuited via a separator, an electrolyte is injected, and then left standing.

以下、実施例及び比較例を示して、本発明の正極及びリチウム硫黄2次電池について、更に詳しく説明するが、本発明は、これらの実施例により限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are shown and the positive electrode and lithium sulfur secondary battery of this invention are demonstrated in more detail, this invention is not limited by these Examples.

<実施例1〜10の正極に用いる多孔カーボンの作製>
平均粒径が5nm、12.5nm、22.5nm、45nm、85nmの各シリカナノ粒子を、シリカコロイド分散液(日産化学社製、スノーテックス)から、超遠心分離機(日立工機社製)を用い、30000rpmで8時間かけて分離した。
次いでフェノール(和光純薬社製)、ホルマリン(和光純薬社製)、上記各シリカナノ粒子を重量比0.8:0.2:1.0で混合した。詳しくは、フェノールとホルマリンを十分混合し、0.1mLの塩酸を加えた後、混合液に各シリカナノ粒子を加えて12時間放置した。液が粒子間に十分浸透した後、粒子を含まない上面の液を除き、残りをテフロン(登録商標)容器に移し、130℃で22時間加熱して樹脂化した。得られた樹脂をアルミナ坩堝に入れ、電気炉を用いて、アルゴン雰囲気中、500℃で1時間熱処理し有機分解物を除去した。さらに、アルゴン雰囲気下、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1300℃(昇温速度5℃/min)の各温度で5時間熱処理して炭化させ、シリカナノ粒子を含むカーボンを得た。次いで、該カーボンをテフロン(登録商標)容器に入れ、フッ酸溶液(48重量%、和光純薬社製)中に3時間放置してナノ粒子を溶出させ、多孔カーボンを得た。
得られた各多孔カーボンについて、トライスターII3020(島津製作所製)を用いて、BET法により、比表面積と細孔容積を測定した。
<Preparation of porous carbon used for positive electrodes of Examples 1 to 10>
Each silica nanoparticle with an average particle size of 5 nm, 12.5 nm, 22.5 nm, 45 nm, and 85 nm is obtained from a silica colloid dispersion (manufactured by Nissan Chemical Co., Snowtex), and an ultracentrifuge (manufactured by Hitachi Koki Co., Ltd.). Used and separated at 30000 rpm for 8 hours.
Subsequently, phenol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), formalin (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and each of the above silica nanoparticles were mixed at a weight ratio of 0.8: 0.2: 1.0. Specifically, phenol and formalin were sufficiently mixed, 0.1 mL of hydrochloric acid was added, each silica nanoparticle was added to the mixed solution, and the mixture was allowed to stand for 12 hours. After the liquid sufficiently permeated between the particles, the liquid on the upper surface not containing the particles was removed, and the rest was transferred to a Teflon (registered trademark) container and heated at 130 ° C. for 22 hours to be resinized. The obtained resin was put into an alumina crucible and heat-treated at 500 ° C. for 1 hour in an argon atmosphere using an electric furnace to remove organic decomposition products. Furthermore, carbon containing silica nanoparticles was obtained by heat treatment at 800 ° C., 900 ° C., 1000 ° C., 1100 ° C., 1300 ° C. (heating rate 5 ° C./min) for 5 hours for carbonization. Next, the carbon was put in a Teflon (registered trademark) container and left in a hydrofluoric acid solution (48 wt%, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) for 3 hours to elute the nanoparticles to obtain porous carbon.
About each obtained porous carbon, the specific surface area and pore volume were measured by BET method using Tristar II3020 (made by Shimadzu Corporation).

表1の実施例1〜10の各欄に、多孔カーボンの作製に用いたシリカナノ粒子の平均粒径と熱処理温度、得られた多孔カーボンの比表面積、細孔容積及び相(アモルファス、グラファイト)を纏めて示す。
なお、熱処理温度が1300℃を超えると、グラファイト相(結晶相)が成長し、ミクロ孔が消失し始めるため、細孔容積が小さくなってくる。1100℃以下ならばアモルファス相となる。
図3に、実施例5における多孔カーボンのTEM(透過電子顕微鏡)像を示す。
図4に、前記多孔カーボンに硫黄を担持させた後のTEM像を示す。硫黄は、多孔カーボンの細孔に均一に担持されていることが分かる。しかし細孔に明確な規則的配列構造はみられない。この結果から、規則的配列構造は重要でなく、細孔容積、メソ孔、ミクロ孔の比表面積が特性に影響することが分かる。
In each column of Examples 1 to 10 in Table 1, the average particle diameter and heat treatment temperature of the silica nanoparticles used for the production of the porous carbon, the specific surface area of the obtained porous carbon, the pore volume and the phase (amorphous, graphite) are shown. Shown together.
When the heat treatment temperature exceeds 1300 ° C., the graphite phase (crystal phase) grows and the micropores begin to disappear, so the pore volume becomes small. If it is 1100 degrees C or less, it will become an amorphous phase.
In FIG. 3, the TEM (transmission electron microscope) image of the porous carbon in Example 5 is shown.
FIG. 4 shows a TEM image after sulfur is supported on the porous carbon. It turns out that sulfur is carry | supported uniformly by the pore of porous carbon. However, there is no clear regular arrangement structure in the pores. From this result, it can be seen that the regular arrangement structure is not important, and the specific surface area of the pore volume, mesopores, and micropores affects the characteristics.

(実施例1〜10)
上記実施例5に係る多孔カーボンを用いて、評価用のハーフセルを作製した。
多孔カーボンと硫黄粉末(高純度化学社製)を、重量比30:70で混合し、155℃で6時間、大気中で熱処理し、硫黄を多孔カーボンの細孔内及び細孔周辺に担持させた。硫黄を多孔カーボンの細孔内のみに担持させるのが理想であるが、細孔の中以外に硫黄が付かないように制御することは難しく、また、図4からは硫黄が付いているかどうか明確でない。その後、導電助剤(TIMCAL社製superC65)を5重量%、バインダー(クレハ社製KFポリマー)を5重量%添加し、(硫黄/多孔カーボン):導電助剤:バインダー=90:5:5の重量比のスラリーを作製した。バインダーは予めNMP溶媒に溶かして使用した。スラリーの粘度調整はNMPを適量添加して行った。次いで、スラリーを、厚さ20μmのアルミニウム箔上に、200μmの厚さ(アプリケータ設定値)で塗工した後、大気中、80℃で3時間乾燥させた。乾燥後の厚さは、アルミニウム箔を含めて、100μmであった。これを直径16mmの大きさに打ち抜き、正極を得た。硫黄の単位面積当たりの重量は、3.7mg/cmであった。
セパレータは、ガラス繊維フィルター(アドバンテスト社製GA−55)とポリテトラフルオロエチレン製メンブレンフィルター(ミリポア社製JGWP−25)を使用した。
電解液は、電解質としてLiTFSI(リチウムトリフルオロスルホニドイミド:キシダ化学社製)を使用し、溶媒としてDOL(1,3−ジオキソラン、和光純薬社製)とTEGDME(トリエチレングリコールジメチルエーテル、キシダ化学社製)の体積比50:50の混合溶媒を使用し、更にLiNO(キシダ化学社製)を0.25M添加して、1M濃度の電解液とした。電解液量は、50μLとした。
負極は直径16mmのリチウム箔(本庄ケミカル社製、厚さ0.1mm)を使用した。
セルは、CR2032タイプのコインセルを用いた。
以上のようにして実施例5のセルを作製した。
また、多孔カーボンを前記表1の実施例1〜4、6〜10の各欄に示す多孔カーボンに変えた点以外は、実施例5と同様にして各実施例のセルを作製した。
(Examples 1 to 10)
A half cell for evaluation was produced using the porous carbon according to Example 5 described above.
Porous carbon and sulfur powder (manufactured by High Purity Chemical Co., Ltd.) are mixed at a weight ratio of 30:70 and heat treated in the atmosphere at 155 ° C. for 6 hours to support sulfur in and around the pores of the porous carbon. It was. Ideally, the sulfur should be supported only in the pores of the porous carbon, but it is difficult to control the sulfur so that it is not in the pores, and it is clear from Fig. 4 whether sulfur is attached. Not. Thereafter, 5% by weight of a conductive assistant (supercal 65 made by TIMCAL) and 5% by weight of a binder (Kureha KF polymer) were added, and (sulfur / porous carbon): conductive assistant: binder = 90: 5: 5. A slurry by weight ratio was prepared. The binder was previously dissolved in an NMP solvent. The viscosity of the slurry was adjusted by adding an appropriate amount of NMP. Next, the slurry was coated on an aluminum foil having a thickness of 20 μm at a thickness of 200 μm (applicator setting value), and then dried in the air at 80 ° C. for 3 hours. The thickness after drying was 100 μm including the aluminum foil. This was punched to a size of 16 mm in diameter to obtain a positive electrode. The weight per unit area of sulfur was 3.7 mg / cm 2 .
As the separator, a glass fiber filter (Advantest GA-55) and a polytetrafluoroethylene membrane filter (Millipore JGWP-25) were used.
The electrolyte uses LiTFSI (lithium trifluorosulfonimide: manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) as the electrolyte, and DOL (1,3-dioxolane, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and TEGDME (triethylene glycol dimethyl ether, Kishida Chemical Co., Ltd.) as the solvent. A mixed solvent having a volume ratio of 50:50 (manufactured by Kogyo Co., Ltd.) and 0.25 M of LiNO 3 (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was further added to obtain a 1 M electrolytic solution. The amount of the electrolytic solution was 50 μL.
As the negative electrode, a 16 mm diameter lithium foil (Honjo Chemical Co., Ltd., thickness: 0.1 mm) was used.
As the cell, a CR2032-type coin cell was used.
A cell of Example 5 was produced as described above.
Moreover, the cell of each Example was produced like Example 5 except having changed the porous carbon into the porous carbon shown in each column of Examples 1-4 of Table 1 and 6-10.

上記実施例1〜10の各セルについて、充放電測定装置(北斗電工社製)を用い、カットオフ電圧1.8V、2.6Vで容量測定を行った。電流値は0.8mAとした。これは充放電レートとして0.2Cに相当する。
表1に初回及び100回(サイクル)後の放電容量を示す。数値は硫黄重量当たりの放電容量である。100回後のクーロン効率は全て95%以上であった。
表1から分かるように、比表面積が1000m/g以上で、細孔容積が2cm/g以上の場合は、100回後の放電容量が初回放電容量の75%以上となった。
従って、100回後に容量比75%以上を維持するには、比表面積1000m/g以上、細孔容積2cm/g以上が好ましいことが分かる。

更に、表1に充放電レート2C(8mA)の場合の100回後の放電容量を示す。
いずれのレートにおいても、2回後から100回後まで、(充電容量/放電容量)比は99%であった。
また、図5に実施例5のセルの放電容量のサイクル回数依存性を示す。
About each cell of the said Examples 1-10, the capacity | capacitance measurement was performed by the cut-off voltage 1.8V and 2.6V using the charge / discharge measuring apparatus (made by Hokuto Denko). The current value was 0.8 mA. This corresponds to a charge / discharge rate of 0.2C.
Table 1 shows the discharge capacity after the first time and after 100 times (cycle). The numerical value is the discharge capacity per sulfur weight. Coulomb efficiency after 100 times was 95% or more.
As can be seen from Table 1, when the specific surface area was 1000 m 2 / g or more and the pore volume was 2 cm 3 / g or more, the discharge capacity after 100 times became 75% or more of the initial discharge capacity.
Therefore, it can be seen that a specific surface area of 1000 m 2 / g or more and a pore volume of 2 cm 3 / g or more are preferable to maintain a volume ratio of 75% or more after 100 times.

Furthermore, Table 1 shows the discharge capacity after 100 times in the case of a charge / discharge rate of 2 C (8 mA).
At any rate, the ratio (charge capacity / discharge capacity) was 99% from 2 times to 100 times later.
FIG. 5 shows the cycle number dependence of the discharge capacity of the cell of Example 5.

<比較例1の正極に用いる多孔カーボンの作製>
粒径40nmのシリカナノ粒子(日本エアロジル社製 Aerosil OX 50)を鋳型に使用し、該粒子表面にメタンスルホン酸を吸着させた。次いで、テトラフルフリロキシシラン(テトラエトキシシラン0.4モルと、フルフリルアルコール1.6モルの混合物に対して、KOHを0.3重量%添加して合成したカチオン性ポリマー)とメタンスルホン酸モノマーを添加した後、ツインポリマー化させた。メタンスルホン酸モノマーの割合は35重量%とした。その後、アルゴンを流しながら、電気炉内をアルゴン雰囲気にし、800℃で5時間熱処理し炭化してシリカナノ粒子を含むカーボンを得た。
次いで、上記シリカナノ粒子を含むカーボンをフッ酸溶液に浸してシリカナノ粒子を溶かし、多孔カーボンを得た。この多孔カーボンの比表面積と細孔容積を、BET法による比表面積/細孔分布測定装置(micrometrics社製 TriStarII3020)により調べたところ、12nmのメソ孔と複数の2nm未満のミクロ孔を有する、図2に示す構造の多孔カーボンとなっていた。即ち、中空型の球殻構造カーボンが別々に形成され、それが凝集した構造体であった。また、比表面積1290m/g、細孔容積1.90cm/gであった。
<Preparation of porous carbon used for positive electrode of Comparative Example 1>
Silica nanoparticles having a particle size of 40 nm (Aerosil OX 50, manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.) were used as a template, and methanesulfonic acid was adsorbed on the surface of the particles. Next, tetrafurfuryloxysilane (cationic polymer synthesized by adding 0.3% by weight of KOH to a mixture of 0.4 mol of tetraethoxysilane and 1.6 mol of furfuryl alcohol) and methanesulfonic acid monomer Was added to form a twin polymer. The proportion of methanesulfonic acid monomer was 35% by weight. Then, while flowing argon, the inside of the electric furnace was put into an argon atmosphere, heat-treated at 800 ° C. for 5 hours, and carbonized to obtain carbon containing silica nanoparticles.
Next, carbon containing the silica nanoparticles was immersed in a hydrofluoric acid solution to dissolve the silica nanoparticles, thereby obtaining porous carbon. When the specific surface area and pore volume of this porous carbon were examined with a BET specific surface area / pore distribution measuring device (TriStarII3020 manufactured by micrometrics), it had 12 nm mesopores and a plurality of micropores less than 2 nm. The porous carbon had the structure shown in FIG. That is, it was a structure in which hollow-type spherical shell-structured carbon was separately formed and aggregated. The specific surface area was 1290 m 2 / g and the pore volume was 1.90 cm 3 / g.

(比較例1)
上記多孔カーボンを用いた点以外は、実施例と同様にしてハーフセルを作製し、充放電測定を行った。結果を表1に示す。
表1から分かるように、放電容量は、0.2Cでは、初回が400mAh/gと低く、2回目は1200mAh/gであったが、100回後は2回目の約半分の670mAh/gであった。また、2Cの場合は、100回後が、実施例の約50%であった。
100回後の(充電容量/放電容量)比は、95%であった。
(Comparative Example 1)
Except for the use of the porous carbon, a half cell was prepared in the same manner as in the example, and charge / discharge measurement was performed. The results are shown in Table 1.
As can be seen from Table 1, the discharge capacity was as low as 400 mAh / g at 0.2 C for the first time and was 1200 mAh / g for the second time, but after 100 times it was 670 mAh / g, which was about half of the second time. It was. In the case of 2C, the number after 100 times was about 50% of the example.
The ratio (charge capacity / discharge capacity) after 100 times was 95%.

(実施例11〜12)…VGCF添加正極
実施例5と同じ多孔カーボンを用いてVGCF添加正極を作製し、これを用いてコインセルを作製した。導電助剤にVGCF(昭和電工社製VGCF−H、繊維径150nm、長さ6μm)を用い、添加量を5重量%(実施例11)及び10重量%(実施例12)とした。10重量%の実施例12では、硫黄と多孔カーボンの量を85重量%とした。他の作製条件は先の実施例と同じである。
上記各コインセルの充放電測定結果を表2に示す。
表2から分かるように、0.2Cの場合には、100回後の放電容量が、表1の最高値(実施例5の960mAh/g)に比べて若干増加し、2Cの場合には、100回後の放電容量が、表1の最高値(実施例4の605mAh/g)に比べて明らかに増加した。
(充電容量/放電容量)比は2回目から100回後まで99%であった。
Examples 11 to 12 VGCF-added positive electrode A VGCF-added positive electrode was produced using the same porous carbon as in Example 5, and a coin cell was produced using this. VGCF (VGCF-H manufactured by Showa Denko KK, fiber diameter 150 nm, length 6 μm) was used as the conductive additive, and the addition amount was 5 wt% (Example 11) and 10 wt% (Example 12). In Example 12 of 10% by weight, the amount of sulfur and porous carbon was 85% by weight. Other manufacturing conditions are the same as in the previous embodiment.
Table 2 shows the charge / discharge measurement results of the coin cells.
As can be seen from Table 2, in the case of 0.2C, the discharge capacity after 100 times increased slightly compared to the maximum value in Table 1 (960 mAh / g of Example 5), and in the case of 2C, The discharge capacity after 100 times was clearly increased compared to the maximum value in Table 1 (605 mAh / g in Example 4).
The (charge capacity / discharge capacity) ratio was 99% from the second time to 100th time.

(実施例13)…フルセル作製
一酸化珪素(SiO、大阪チタンテクノロジーズ社製、粒径45μm、純度3Nup)と、導電助剤のケッチェンブラック(ライオン社製、EC300J)と、ポリイミドバインダー(アイ.エス.テイ社製、ドリームボンド)を、重量比85:5:10で混合してスラリーを得た。これを銅箔上に塗工し、100℃で1時間乾燥させた後、直径16mmに打ち抜いた。活物質の量は、4.5mg/cmとした。その後、リチウム箔を電極上にのせ、実施例1と同じ電解液を入れ、24時間かけてリチウムをドープし負極とした。硫黄正極は、実施例12の条件で作製したものを使用した。正極、負極共に、150℃で4時間真空乾燥させた。セパレータにはポリプロピレン微多孔膜(Cellguard 2500)を用い、実施例1と同じ電解液を用いてコインセルを作製した。
(Example 13) ... full cell production Silicon monoxide (SiO, manufactured by Osaka Titanium Technologies, Inc., particle size 45 μm, purity 3 Nup), conductive aid Ketjen Black (made by Lion, EC300J), and polyimide binder (I. ST Bond, Dream Bond) was mixed at a weight ratio of 85: 5: 10 to obtain a slurry. This was coated on a copper foil, dried at 100 ° C. for 1 hour, and then punched out to a diameter of 16 mm. The amount of the active material was 4.5 mg / cm 2 . Thereafter, a lithium foil was placed on the electrode, the same electrolytic solution as in Example 1 was added, and lithium was doped for 24 hours to form a negative electrode. The sulfur positive electrode produced under the conditions of Example 12 was used. Both the positive electrode and the negative electrode were vacuum dried at 150 ° C. for 4 hours. A polypropylene microporous membrane (Cellguard 2500) was used as a separator, and a coin cell was produced using the same electrolytic solution as in Example 1.

上記コインセルに0.8mAの定電流を流し、カットオフ電圧1V、2.6Vで充放電測定を行った。放電容量は初回が1360mA/g、500回後が742mAh/gで、容量維持率は55%であった。図6に放電容量のサイクル回数依存性を示す。
次いで、−10℃で充放電測定を行ったところ、充電容量は初回が550mAh/g、100回後が350mAh/gであり、充電容量は低いが、充電を確認できた。
更に、大きさ5cm×2cmのラミネート型電池を作製し、釘さし試験を行ったところ、発火、煙は発生しなかった。これは、硫黄活物質、負極のSiO活物質自体の導電率が低いため、短絡が起きても大きな電流が集中して流れにくいためであると考えられる。
A constant current of 0.8 mA was passed through the coin cell, and charge / discharge measurement was performed at a cut-off voltage of 1V and 2.6V. The discharge capacity was 1360 mA / g for the first time, 742 mAh / g after 500 times, and the capacity retention rate was 55%. FIG. 6 shows the cycle number dependency of the discharge capacity.
Subsequently, when charge / discharge measurement was performed at −10 ° C., the charge capacity was 550 mAh / g for the first time and 350 mAh / g after 100 times, and the charge capacity was low, but charging could be confirmed.
Furthermore, when a laminate type battery having a size of 5 cm × 2 cm was produced and a nail test was performed, ignition and smoke were not generated. This is presumably because the sulfur active material and the SiO active material itself of the negative electrode are low in electrical conductivity, so that even if a short circuit occurs, a large current is difficult to flow.

特開2010−95390号公報JP 2010-95390 A

Z.W.Seh,W.L,Judy J.Cha,G.Zheng,Y.Yang,M.T.McDowell,Po−Chun Hsu and Y.Cui.,Nature Communications,Vol.4,No.1331(2013)Z. W. Seh, W .; L, Judy J. et al. Cha, G .; Zheng, Y. et al. Yang, M .; T.A. McDowell, Po-Chun Hsu and Y.M. Cui. , Nature Communications, Vol. 4, no. 1331 (2013) Falko Bottger−Hiller他,Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,6088−6091Falko Bottger-Hiller et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 6088-6091

Claims (5)

複数のメソ孔が連続して配列されており、隣接するメソ孔同士の一部又は全部がミクロ孔により連通しており、かつ、孔内及び孔周辺部に活物質である硫黄を含有する多孔カーボンと、バインダーとを少なくとも含むことを特徴とするリチウム硫黄2次電池に用いる正極。   A plurality of mesopores are continuously arranged, a part or all of adjacent mesopores communicate with each other through micropores, and a porous material containing sulfur as an active material in and around the pores A positive electrode used for a lithium-sulfur secondary battery, comprising at least carbon and a binder. 前記多孔カーボンの相がアモルファスであることを特徴とする請求項1記載のリチウム硫黄2次電池に用いる正極。   The positive electrode used for a lithium-sulfur secondary battery according to claim 1, wherein the porous carbon phase is amorphous. 更に、気相成長炭素繊維を添加したことを特徴とする請求項1又は2記載のリチウム硫黄2次電池に用いる正極。   Furthermore, the vapor growth carbon fiber was added, The positive electrode used for the lithium sulfur secondary battery of Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned. 前記多孔カーボンの比表面積が1000〜2000m/g、細孔容積が3〜4cm/gであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のリチウム硫黄2次電池に用いる正極。 4. The positive electrode used for a lithium-sulfur secondary battery according to claim 1, wherein the porous carbon has a specific surface area of 1000 to 2000 m 2 / g and a pore volume of 3 to 4 cm 3 / g. . 請求項1〜4のいずれかに記載の正極と、一酸化シリコン(SiO)を活物質とする負極を有するリチウム硫黄2次電池。   A lithium-sulfur secondary battery comprising the positive electrode according to claim 1 and a negative electrode using silicon monoxide (SiO) as an active material.
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