JP2017027657A - Electrolytic solution for secondary battery and secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウム硫黄二次電池における電解液、及び該電解液を用いたリチウム硫黄二次電池に関するものである。 The present invention relates to an electrolytic solution in a lithium sulfur secondary battery and a lithium sulfur secondary battery using the electrolytic solution.
次世代の高容量二次電池の1つとしてリチウム硫黄二次電池が提案されている。これは、一般的なリチウムイオン二次電池の正極活物質の理論容量は180mAh/g程度であるのに対し、硫黄活物質の理論容量は1675mAh/gと極めて大きいことによる。このため、リチウム硫黄二次電池用の正極材料等の開発が盛んに行われ、種々の報告がなされている(例えば、特許文献1,2参照)。
A lithium-sulfur secondary battery has been proposed as one of the next generation high capacity secondary batteries. This is because the theoretical capacity of the positive electrode active material of a general lithium ion secondary battery is about 180 mAh / g, whereas the theoretical capacity of the sulfur active material is as extremely large as 1675 mAh / g. For this reason, positive electrode materials for lithium-sulfur secondary batteries have been actively developed, and various reports have been made (for example, see
ところで、このようなリチウム硫黄二次電池においては、十分な電池特性が得られる電解液についても、さらなる改良が求められている。 By the way, in such a lithium-sulfur secondary battery, further improvement is demanded for an electrolytic solution capable of obtaining sufficient battery characteristics.
すなわち、本発明は、十分なリチウムイオン伝導性が得られるとともに、電気化学的な安定性が高く、優れた電池性能をもたらす二次電池用の電解液を提供することを目的とする。また、このような電解液を用いたリチウム硫黄二次電池を提供することを目的とする。 That is, an object of the present invention is to provide an electrolytic solution for a secondary battery that can provide sufficient lithium ion conductivity, has high electrochemical stability, and provides excellent battery performance. It is another object of the present invention to provide a lithium-sulfur secondary battery using such an electrolytic solution.
上記の目的を達成するために、本発明では、リチウムイオン伝導性を示す硫化物系固体電解質のうち高濃度で有機溶媒に溶解し得るものを見出し、このようなリチウムイオン伝導性を示す硫化物系固体電解質の有機溶液を二次電池用電解液として適用するようにした。 In order to achieve the above object, the present invention finds a sulfide-based solid electrolyte exhibiting lithium ion conductivity that can be dissolved in an organic solvent at a high concentration, and sulfide exhibiting such lithium ion conductivity. An organic solution of a system solid electrolyte was applied as an electrolyte for a secondary battery.
すなわち、ここに開示する二次電池用電解液は、有機溶媒に、リチウムイオン伝導性を示し、且つ、一般式LiaPbScで表される固体電解質の少なくとも一部が溶解した二次電池用電解液(式中、aは3<a<5であり、bは1<b<3であり、且つcは6<c<8である。)であることを特徴とする。 That is, the electrolytic solution for a secondary battery disclosed herein, the organic solvent, shows the lithium ion conductivity, and the secondary of the general formula Li a P b at least a portion of the solid electrolyte represented by S c was dissolved The battery electrolyte is characterized in that a is 3 <a <5, b is 1 <b <3, and c is 6 <c <8.
一般に、リチウムイオン伝導性を示す無機固体電解質は、全固体リチウム二次電池の電解質層等として用いられる。これは、このような無機固体電解質が、固体状態においてリチウムイオンの高い伝導性を示す性質を有するとともに、耐熱性や電気化学的な安定性が高い等の理由による。そして、このようなリチウムイオン伝導性を示す固体電解質は、一般に有機溶媒には殆ど溶解しないことが知られている。 In general, an inorganic solid electrolyte exhibiting lithium ion conductivity is used as an electrolyte layer or the like of an all-solid lithium secondary battery. This is because such an inorganic solid electrolyte has the property of showing high conductivity of lithium ions in the solid state and has high heat resistance and high electrochemical stability. It is known that such a solid electrolyte exhibiting lithium ion conductivity is generally hardly dissolved in an organic solvent.
ここで、本発明者らは、鋭意研究の結果、リチウムイオン伝導性を示す固体電解質のうちの一部のものは、有機溶媒に対して十分な溶解性を示すことを見出した。そして、このようなリチウムイオン伝導性を示す固体電解質を有機溶媒に溶解させた有機溶液が、リチウムイオン二次電池用の電解質として用いられる一般的なリチウム塩に匹敵する、高いリチウムイオン伝導性を示すことをさらに見出した。 Here, as a result of intensive studies, the present inventors have found that some of the solid electrolytes exhibiting lithium ion conductivity exhibit sufficient solubility in organic solvents. An organic solution obtained by dissolving a solid electrolyte exhibiting lithium ion conductivity in an organic solvent has high lithium ion conductivity comparable to a general lithium salt used as an electrolyte for a lithium ion secondary battery. I found more to show.
従って、本発明によれば、十分なリチウムイオン伝導性を有するとともに、電気化学的な安定性が高く、優れた電池性能をもたらす二次電池用の電解液を提供することができる。 Therefore, according to the present invention, it is possible to provide an electrolytic solution for a secondary battery that has sufficient lithium ion conductivity, high electrochemical stability, and excellent battery performance.
このようなリチウムイオン伝導性を示す固体電解質は、一般式LiaPbScで表されるものであり、前記aは3<a<5であり、前記bは1<b<3であり、且つ前記cは6<c<8である。そして、好ましい態様では、前記リチウムイオン伝導性を示す固体電解質の少なくとも一部は、Li4P2S7の組成を有する。これにより、有機溶媒への十分な溶解性が得られ、電池性能が向上する。 Such a solid electrolyte exhibiting lithium ion conductivity is represented by the general formula Li a P b S c, where a is 3 <a <5 and b is 1 <b <3. And c is 6 <c <8. In a preferred embodiment, at least a part of the solid electrolyte exhibiting lithium ion conductivity has a composition of Li 4 P 2 S 7 . Thereby, sufficient solubility in an organic solvent is obtained, and battery performance is improved.
また、好ましい態様では、本発明に係る二次電池用電解液のリチウムイオン伝導率は1×10−6S/cm以上である。これにより、電池性能が向上する。 In a preferred embodiment, the lithium ion conductivity of the secondary battery electrolyte according to the present invention is 1 × 10 −6 S / cm or more. Thereby, battery performance improves.
また、このような二次電池用電解液は、ポリマー等を含んだゲル状であってもよい。これにより、ハンドリング性が向上する。 Further, such a secondary battery electrolyte may be in the form of a gel containing a polymer or the like. Thereby, handling property improves.
好ましい態様では、前記二次電池用電解液は、リチウムイオンを吸蔵及び放出する材料を含む負極と、硫黄を正極活物質とする正極と、前記負極と前記正極との間に配置されたセパレータと、前記負極と前記正極との間に満たされた電解液とを備えたリチウム硫黄二次電池の前記電解液として好適に用いることができる。これにより、優れた電池性能を有するリチウム硫黄二次電池をもたらすことができる。 In a preferred embodiment, the secondary battery electrolyte includes a negative electrode including a material that absorbs and releases lithium ions, a positive electrode that uses sulfur as a positive electrode active material, and a separator that is disposed between the negative electrode and the positive electrode. It can be suitably used as the electrolytic solution of a lithium-sulfur secondary battery comprising an electrolytic solution filled between the negative electrode and the positive electrode. Thereby, the lithium sulfur secondary battery which has the outstanding battery performance can be brought about.
なお、特に好ましい態様では、前記有機溶媒はテトラヒドロフランである。これにより、リチウムイオン伝導性を示す固体電解質の十分な溶解性が得られる。 In a particularly preferred embodiment, the organic solvent is tetrahydrofuran. Thereby, sufficient solubility of the solid electrolyte which shows lithium ion conductivity is obtained.
また、特に好ましい態様では、前記二次電池用電解液は添加剤を含む。これにより、電池性能を効果的に向上させることができる。 In a particularly preferred embodiment, the secondary battery electrolyte contains an additive. Thereby, battery performance can be improved effectively.
以上述べたように、本発明によると、十分なリチウムイオン伝導性を有するとともに、電気化学的な安定性が高く、優れた電池性能をもたらす二次電池用の電解液を提供することができる。また、このような電解液を用いることにより、優れた電池性能を有するリチウム硫黄二次電池をもたらすことができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide an electrolytic solution for a secondary battery that has sufficient lithium ion conductivity, high electrochemical stability, and excellent battery performance. Moreover, the use of such an electrolytic solution can provide a lithium-sulfur secondary battery having excellent battery performance.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following description of the preferred embodiments is merely exemplary in nature and is in no way intended to limit the invention, its application, or its application.
<リチウム硫黄二次電池の構成>
図1に示すように、一実施形態に係るリチウム硫黄二次電池1は、硫黄を正極活物質とする正極2と、リチウムイオンを吸蔵及び放出する材料を含む負極3と、正極2と負極3との間に配置されたセパレータ4と、正極2と負極3との間に満たされ、リチウムイオン伝導性を持つ電解液5とを備える。
<Configuration of lithium-sulfur secondary battery>
As shown in FIG. 1, a lithium-sulfur
正極2は、例えば正極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。正極活物質は、硫黄を含むものである。硫黄はどのような形態で含まれていてもよいが、単体硫黄及び金属硫化物の少なくともいずれか一方であることが好ましい。なお、金属硫化物は金属多硫化物を含む。正極活物質として単体硫黄を用いる場合は、硫黄の少なくとも一部は、上述の正極材への硫黄の分散性向上の観点から、界面活性剤、高分子系顔料、シリコーン系樹脂等の表面処理剤を含む有機成分で修飾されていてもよい。この場合、硫黄中の有機成分の濃度は0.01質量%以上10質量%以下であることが好ましい。
The
負極3は、例えばリチウムイオン二次電池やリチウム硫黄二次電池の負極として一般的なものを用いることができる。具体的には、負極3の材料として、例えば、Li、LiとAlもしくはIn等との合金、又は、リチウムイオンをドープしたSi、SiO、Sn、SnO2もしくはカーボン材等を用いることができる。
As the
セパレータ4は、電解液5中において正極2と負極3との間を絶縁させるものであり、リチウムイオン二次電池やリチウム硫黄二次電池のセパレータとして公知のものを用いることができる。例えば、セパレータ4は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの合成樹脂製の多孔質膜、あるいは、セラミック製の多孔質膜により構成され、これらの2種以上の多孔質膜を積層した構造を有するものであってもよい。これらの中で、ポリオレフィン製の多孔質膜は短絡防止効果に優れているだけでなく、シャットダウン効果(過大電流が流れた時に空孔が閉鎖し、電流を閉鎖する効果)による電池の安全性向上を図ることができるので好ましい。
The
電解液5は、図1に示すように、正極2とセパレータ4との間、セパレータ4内部、及びセパレータ4と負極3との間に満たされており、有機溶媒にリチウムイオン伝導性を示す固体電解質の少なくとも一部が溶解したものである。
As shown in FIG. 1, the
リチウムイオン伝導性を示す固体電解質としては、有機溶媒への溶解性及び電池性能向上の観点から、一般式LiaPbScで表されるものである。ここで、前記aは3<a<5であり、前記bは1<b<3であり、且つ前記cは6<c<8である。また、リチウムイオン伝導性を示す固体電解質の少なくとも一部が、Li4P2S7の組成を有することが特に好ましい。 As the solid electrolytes having lithium ion conductivity, in which from the viewpoint of solubility and battery performance improvement in an organic solvent, represented by the general formula Li a P b S c. Here, a is 3 <a <5, b is 1 <b <3, and c is 6 <c <8. Moreover, it is particularly preferable that at least a part of the solid electrolyte exhibiting lithium ion conductivity has a composition of Li 4 P 2 S 7 .
有機溶媒としては、例えば、テトラヒドロフラン、グライム、ジグライム、トリグライム、テトラグライムなどのエーテル系有機溶媒、ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネートなどのエステル系溶媒のうちから選択された少なくとも1種、又は、これらのうちから選択された少なくとも1種(例えばグライム、ジグライムもしくはテトラグライム)に粘度調整のためのジオキソランを混合したものを用いることができる。特に好ましくは、有機溶媒はテトラヒドロフランである。 As the organic solvent, for example, at least one selected from ether organic solvents such as tetrahydrofuran, glyme, diglyme, triglyme and tetraglyme, and ester solvents such as diethyl carbonate and propylene carbonate, or from these A mixture of dioxolane for viscosity adjustment with at least one selected (for example, glyme, diglyme or tetraglyme) can be used. Particularly preferably, the organic solvent is tetrahydrofuran.
電解液5中の固体電解質の濃度は、電池性能向上の観点から、好ましくは0.005M以上、より好ましくは0.01M以上、特に好ましくは0.03M以上である。
The concentration of the solid electrolyte in the
また、電解液5のリチウムイオン伝導率は、電池性能向上の観点から、好ましくは1×10−7S/cm以上、より好ましくは5×10−7S/cm以上、特に好ましくは1×10−6S/cm以上である。
Further, the lithium ion conductivity of the
また、このような電解液5は、液状であってもよいし、ポリマー等を含んだゲル状であってもよい。ゲル状の電解液を用いる場合に含有させるポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリフッ化ビリニデン(PVDF)、およびポリメチルメタクリレート(PMMA)等が挙げられる。
Further, such an
また、電解液5は、二次電池の充放電特性や安全性向上の観点から、追加の添加剤を含んでもよい。添加剤としては、金属Li負極表面に被覆膜を形成しシャトル現象を防止する、LiNO3等の添加剤や、覆膜形成、安全性向上、耐久性向上といった目的で、例えば、フッ化物イオン(F−)、塩化物イオン(Cl−)、臭化物イオン(Br−)、及びヨウ化物イオン(I−)のうち少なくとも一種以上のハロゲン化物イオンを含有するアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アンモニウム塩等の無機系添加剤が挙げられる。また、同様の目的の有機系添加剤も挙げられる。これらの添加剤は、単独で用いても複数を組み合わせて用いてもよい。添加剤の濃度は、好ましくは0.01wt%以上である。
Moreover, the
このような電解液5は、十分なリチウムイオン伝導性を有するとともに、電気化学的な安定性が高い。従って、このような電解液5を用いることにより、優れた電池性能を有するリチウム硫黄二次電池を提供することができる。
Such an
<リチウム硫黄二次電池の作動機構>
以上の構成を有するリチウム硫黄二次電池1は、負極3を金属リチウムで構成した場合、以下の機構により作動する。すなわち、放電時には、負極3の金属リチウムが下記式(1)により酸化され、Li+が電解液5中に放出される。
Li → Li+ + e−・・・(1)
放出されたLi+は、セパレータ4を介して正極2側に移動し、下記式(2)に示す還元反応により、正極2のS8等の硫黄活物質と反応して、放電生成物Li2Sを生じる。そして、リチウム硫黄二次電池1の外部へと電流を取り出すことができる。
16Li+ + S8 + 16e− → 8Li2S・・・(2)
一方、充電時には、正極2において放電生成物であるLi2S等が、上記式(2)の逆反応により酸化され、電解液5中にLi+が放出される。Li+はセパレータ4を介して負極3側に移動し、負極界面でLi+が上記式(1)の逆反応により還元される。
<Operating mechanism of lithium-sulfur secondary battery>
The lithium-sulfur
Li → Li + + e − (1)
The released Li + moves to the
16Li ++ S 8 + 16e − → 8Li 2 S (2)
On the other hand, at the time of charging, Li 2 S or the like that is a discharge product in the
次に、具体的に実施した実施例について説明する。 Next, specific examples will be described.
[実施例1]
<Li4P2S7の調製>
実施例1において、リチウムイオン伝導性を示す固体電解質としてLi4P2S7を使用した。Li4P2S7は、次の手法で合成した。原料であるLi2S(Alfa製 99.9%)を0.439gとP2S5(Aldrich製 99.9%)1.061gを秤量し、66.6mol%と33.4mol%となるようにした。Li2SとP2S5をAr雰囲気下で45mlのジルコニア容器に入れ、直径10mmのジルコニアビーズを7個、直径3mmのジルコニアビーズを10個加え密閉し、380rpmで40時間、ボールミリング処理(Frich P−7)を行い、Li4P2S7を1.5g得た。図2に示すように、得られた試料はラマン分光測定を行い、波数403cm−1にP2S7 4−の構造に由来するピークがあることから、Li4P2S7が得られたことを確認した。
[Example 1]
<Preparation of Li 4 P 2 S 7 >
In Example 1, Li 4 P 2 S 7 was used as a solid electrolyte exhibiting lithium ion conductivity. Li 4 P 2 S 7 was synthesized by the following method. 0.439 g of Li 2 S (Alfa 99.9%) and 1.061 g of P 2 S 5 (99.9% Aldrich), which are raw materials, are weighed to be 66.6 mol% and 33.4 mol%. I made it. Li 2 S and P 2 S 5 were placed in a 45 ml zirconia container under an Ar atmosphere, and 7 zirconia beads having a diameter of 10 mm and 10 zirconia beads having a diameter of 3 mm were added and sealed, followed by ball milling at 380 rpm for 40 hours ( Frich P-7) was performed to obtain 1.5 g of Li 4 P 2 S 7 . As shown in FIG. 2, the obtained sample was subjected to Raman spectroscopic measurement, and there was a peak derived from the structure of P 2 S 7 4- at a wave number of 403 cm −1, and thus Li 4 P 2 S 7 was obtained. It was confirmed.
<Li4P2S7のイオン伝導率について>
Li4P2S7の固体状態でのイオン伝導率をテフロン(登録商標)セル方式(グローブボックス内)の電気化学インピーダンス測定により測定した。すなわち、固体電解質(Li4P2S7)200mgを4t荷重で1分間プレスして直径13mmのペレットに成型した。次に、厚み0.1mmのインジウム(In)箔を直径13mmで打ち抜き上記電解質ペレットの両面に張り付けた。そして、バネで一定の圧力を付与できるテフロン(登録商標)製のセル(両面から金属板を介して電極を取り出せる)にセットした。その後、テフロン(登録商標)セルの外部をラミネートフィルムで包み真空パック状態とし、電気化学インピーダンス測定を行った。得られたLi4P2S7のイオン伝導率は、25℃において、6.47×10−5S/cmであった。
<Ion conductivity of Li 4 P 2 S 7 >
The ionic conductivity of Li 4 P 2 S 7 in the solid state was measured by electrochemical impedance measurement using a Teflon (registered trademark) cell system (in a glove box). That is, 200 mg of a solid electrolyte (Li 4 P 2 S 7 ) was pressed for 1 minute at a load of 4 t and molded into a pellet having a diameter of 13 mm. Next, an indium (In) foil having a thickness of 0.1 mm was punched out with a diameter of 13 mm and attached to both surfaces of the electrolyte pellet. And it set to the cell made from Teflon (trademark) which can provide a fixed pressure with a spring (The electrode can be taken out via a metal plate from both surfaces). Thereafter, the outside of the Teflon (registered trademark) cell was wrapped with a laminate film to form a vacuum pack, and electrochemical impedance measurement was performed. The ionic conductivity of the obtained Li 4 P 2 S 7 was 6.47 × 10 −5 S / cm at 25 ° C.
<Li4P2S7の溶解性について>
有機溶媒としてのテトラヒドロフラン(THF)へのLi4P2S7の溶解性について、他のリチウムイオン伝導性固体電解質、すなわちLi3PS4及びLi4P2S6の溶解性と比較した。結果を表1に示す。
<Solubility of Li 4 P 2 S 7 >
The solubility of Li 4 P 2 S 7 in tetrahydrofuran (THF) as an organic solvent was compared with the solubility of other lithium ion conductive solid electrolytes, namely Li 3 PS 4 and Li 4 P 2 S 6 . The results are shown in Table 1.
表1に示すように、Li3PS4及びLi4P2S6については、THFに対する溶解性をほとんど示さないことが判った。一方、Li4P2S7については、THFへの溶解性を示すことが判った。 As shown in Table 1, it was found that Li 3 PS 4 and Li 4 P 2 S 6 showed almost no solubility in THF. On the other hand, it was found that Li 4 P 2 S 7 exhibits solubility in THF.
<コイン電池サンプルの作製>
1%有機成分を修飾した硫黄(Sulfax PS 鶴見化学工業製)を5.0g、分子量300万のポリエチレンオキシド(PEO)を0.56g、直径2mmのジルコニアビーズ30gを秤量しポリ容器に入れ撹拌し、アセトニトリル20gを加えてさらに撹拌した後、90rpmで12時間ボールミリングし、黄色の粘調なスラリーを作製した。ジルコニアビーズをメッシュで除去し、スラリーを離型剤の塗布されたPETフィルム上で製膜し、乾燥することで硫黄の自立シートを作製した。作製したシートを直径14mmの円形としたカーボン電極と同型に成形し、硫黄フィルムを電極表面に圧着し、加熱することで硫黄/カーボン正極を作製した。硫黄導入後のPEOフィルムは電極表面から剥離し、硫黄が8〜10mg/cm2導入された正極を用いて電池実験に供した。負極として直径15mm、厚さ400μmのLi−Al合金箔(Alの濃度が20vol%)を用い、セパレータとしてセルガード♯2400(セルガード社製)を用いた。電解液としては、0.08Mとなるように調整したLi4P2S7/THF電解液を150μL使用した。公知の方法によりこれらの材料を用いてCR2032型のコイン電池サンプルを作製した。
<Production of coin battery sample>
5.0 g of sulfur (Sulfax PS Tsurumi Chemical Co., Ltd.) modified with 1% organic components, 0.56 g of polyethylene oxide (PEO) with a molecular weight of 3 million, and 30 g of zirconia beads with a diameter of 2 mm are weighed in a plastic container and stirred. Then, 20 g of acetonitrile was added and further stirred, and then ball milled at 90 rpm for 12 hours to prepare a yellow viscous slurry. Zirconia beads were removed with a mesh, a slurry was formed on a PET film coated with a release agent, and dried to prepare a self-supporting sheet of sulfur. The produced sheet was formed into the same shape as a circular carbon electrode having a diameter of 14 mm, a sulfur film was pressure-bonded to the electrode surface, and heated to produce a sulfur / carbon positive electrode. The PEO film after the introduction of sulfur was peeled off from the electrode surface and subjected to a battery experiment using a positive electrode into which 8 to 10 mg / cm 2 of sulfur was introduced. A Li—Al alloy foil (Al concentration of 20 vol%) having a diameter of 15 mm and a thickness of 400 μm was used as the negative electrode, and Celgard # 2400 (manufactured by Celgard) was used as the separator. As the electrolytic solution, 150 μL of Li 4 P 2 S 7 / THF electrolytic solution adjusted to be 0.08M was used. A CR2032-type coin battery sample was prepared using these materials by a known method.
[比較例1]
実施例1のLi4P2S7をLiBF4に変更した以外は同様の手法でコイン電池サンプルを作製した。
[Comparative Example 1]
A coin battery sample was produced in the same manner except that Li 4 P 2 S 7 in Example 1 was changed to LiBF 4 .
[比較例2]
実施例1のLi4P2S7をLiPF6に変更した以外は同様の手法でコイン電池サンプルを作製した。
[Comparative Example 2]
A coin battery sample was produced in the same manner except that Li 4 P 2 S 7 of Example 1 was changed to LiPF 6 .
[比較例3]
実施例1のLi4P2S7をリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)に変更した以外は同様の手法でコイン電池サンプルを作製した。
[Comparative Example 3]
A coin battery sample was prepared in the same manner except that Li 4 P 2 S 7 of Example 1 was changed to lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI).
<リチウム硫黄二次電池の充放電特性評価>
実施例1及び比較例1〜3のコイン電池サンプルについて、リチウム硫黄二次電池の特性を評価した。結果を図3、図4及び表2に示す。
<Evaluation of charge / discharge characteristics of lithium-sulfur secondary battery>
About the coin battery sample of Example 1 and Comparative Examples 1-3, the characteristic of the lithium sulfur secondary battery was evaluated. The results are shown in FIGS. 3 and 4 and Table 2.
測定は、0.77mA(0.50mA/cm2)の定電流で充放電を行い、カット電圧は放電1.5Vと充電2.37Vとした。 The measurement was performed by charging and discharging at a constant current of 0.77 mA (0.50 mA / cm 2 ), and the cut voltage was set to discharge 1.5V and charge 2.37V.
図3に示すように、実施例1のコイン電池サンプルは、充放電容量が700mAh/gを超える高い容量での充放電が可能であった。 As shown in FIG. 3, the coin battery sample of Example 1 was able to be charged / discharged at a high capacity with a charge / discharge capacity exceeding 700 mAh / g.
また、図4及び表2に示すように、比較例1〜3は実施例1での初回放電容量に比べ明らかに低い容量となっており、リチウム硫黄二次電池におけるLi4P2S7電解液の優位性が示された。 Further, as shown in FIG. 4 and Table 2, Comparative Examples 1 to 3 have clearly lower capacities than the initial discharge capacity in Example 1, and Li 4 P 2 S 7 electrolysis in a lithium sulfur secondary battery. The superiority of the liquid was shown.
<電解液のイオン伝導率測定>
実施例1で用いたLi4P2S7/THF電解液および比較例1〜3で用いたLi電解質塩/THF電解液のイオン伝導率を測定し比較した。内部にSUS電極が両極に備えられたガラスセルを使用し、そこに0.08Mとなるよう調整したそれぞれの電解液を約5ml加え、交流インピーダンス測定をすることでイオン伝導率を測定した。なお、イオン伝導率は0.1規定のKCl水溶液で同様の実験でセル定数を求めて算出した。結果を図5及び表2に示す。
<Measurement of ionic conductivity of electrolyte>
The ionic conductivity of the Li 4 P 2 S 7 / THF electrolyte used in Example 1 and the Li electrolyte salt / THF electrolyte used in Comparative Examples 1 to 3 were measured and compared. Using a glass cell having SUS electrodes on both electrodes inside, about 5 ml of each electrolyte adjusted to 0.08 M was added thereto, and the ionic conductivity was measured by measuring the AC impedance. The ionic conductivity was calculated by obtaining the cell constant in the same experiment with a 0.1 N KCl aqueous solution. The results are shown in FIG.
図5及び表2に示すように、実施例1で用いたLi4P2S7/THF電解液は、比較例1,2のLiBF4,LiPF6を含む電解液と比較して、より高いイオン伝導率を示すとともに、比較例3のLiTFSIを含む電解液と比較して、低いイオン伝導率を示すことが判った。 As shown in FIG. 5 and Table 2, the Li 4 P 2 S 7 / THF electrolyte used in Example 1 is higher than the electrolyte containing LiBF 4 and LiPF 6 in Comparative Examples 1 and 2. It was found that the ionic conductivity was exhibited and a low ionic conductivity was exhibited as compared with the electrolytic solution containing LiTFSI of Comparative Example 3.
<まとめ>
以上の結果より、実施例1におけるLi4P2S7/THF電解液は、リチウムイオン二次電池用の電解質として用いられる一般的なリチウム塩に匹敵する、高いイオン伝導率を示すとともに、優れた電池性能をもたらすことが判った。なお、比較例3のLiTFSIを含む電解液は、実施例1におけるLi4P2S7/THF電解液に比べ、イオン伝導率では優れているものの、リチウム硫黄二次電池の初回放電容量という点では劣っており、実施例1のLi4P2S7/THF電解液が二次電池用電解液として有用であることが示された。
<Summary>
From the above results, the Li 4 P 2 S 7 / THF electrolyte in Example 1 exhibits high ionic conductivity comparable to a general lithium salt used as an electrolyte for a lithium ion secondary battery, and is excellent. It has been found to bring about battery performance. In addition, although the electrolyte solution containing LiTFSI of Comparative Example 3 is superior in ionic conductivity to the Li 4 P 2 S 7 / THF electrolyte solution in Example 1, it is the initial discharge capacity of the lithium-sulfur secondary battery. It was shown that the Li 4 P 2 S 7 / THF electrolyte of Example 1 is useful as an electrolyte for a secondary battery.
本発明は、十分なリチウムイオン伝導性を有するとともに、電気化学的な安定性が高く、優れた電池性能をもたらす二次電池用の電解液、及びこのような電解液を用いたリチウム硫黄二次電池を提供することができるので、極めて有用である。 The present invention provides an electrolyte solution for a secondary battery having sufficient lithium ion conductivity, high electrochemical stability, and excellent battery performance, and a lithium-sulfur secondary battery using such an electrolyte solution. Since a battery can be provided, it is extremely useful.
1 リチウム硫黄二次電池
2 正極
3 負極
4 セパレータ
5 電解液(二次電池用電解液)
DESCRIPTION OF
Claims (7)
(式中、aは3<a<5であり、bは1<b<3であり、且つcは6<c<8である。) In an organic solvent, it shows the lithium ion conductivity, and the general formula Li a P b S solid electrolyte at least partially dissolved liquid electrolyte for a secondary battery represented c. In
(Wherein a is 3 <a <5, b is 1 <b <3, and c is 6 <c <8).
ことを特徴とする、請求項1に記載の二次電池用電解液。 2. The electrolyte for a secondary battery according to claim 1, wherein at least a part of the solid electrolyte has a composition of Li 4 P 2 S 7 .
ことを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の二次電池用電解液。 The electrolyte solution for a secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the lithium ion conductivity is 1 x 10-6 S / cm or more.
前記電解液は、請求項1〜4のいずれか1項に記載された二次電池用電解液である
ことを特徴とするリチウム硫黄二次電池。 Filled between the negative electrode containing a material that absorbs and releases lithium ions, a positive electrode using sulfur as a positive electrode active material, a separator disposed between the negative electrode and the positive electrode, and the negative electrode and the positive electrode A lithium-sulfur secondary battery comprising an electrolyte solution,
The said electrolyte solution is the electrolyte solution for secondary batteries described in any one of Claims 1-4, The lithium sulfur secondary battery characterized by the above-mentioned.
ことを特徴とする、請求項5に記載のリチウム硫黄二次電池。 The lithium-sulfur secondary battery according to claim 5, wherein the organic solvent is tetrahydrofuran.
ことを特徴とする、請求項5又は請求項6に記載のリチウム硫黄二次電池。 The lithium-sulfur secondary battery according to claim 5, wherein the electrolyte for a secondary battery includes an additive.
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