JP2017531284A - Li/s電池用硫化リチウム−グラフェン酸化物複合体材料 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2014年8月12日出願の米国仮特許出願第62/036,390号に基づく米国特許法第119条の優先権を主張し、その開示を参照として本明細書に組み込む。
本開示は、硫化リチウムグラフェン酸化物複合体材料の製造方法を提供する。
S+2Li++2e-⇔Li2S (式1)
S+2LiEt3BH→Li2S+2Et3B+H2 (式2)
材料調製
THF(CHEAP TUBE、2mg/mL)中に分散させた1mLの市販の単層グラフェン酸化物(SLGO)を、超音波処理器を用いて1時間超音波処理した。3.5mLのトルエン及び64mgのS(Alfa Aesar、約325メッシュ)をGO分散液中に添加し、1時間撹拌して溶解したS-GO混合物を調製した。次いでこの混合物を、テトラヒドロフラン中で1.0Mのリチウムトリエチルボロヒドリド(1M LiEt3BH THF中、Sigma-Aldrich)4.2mLに添加した。室温で2分間撹拌した後、その溶液を、安定なLi2S/GOナノ球体が形成されるまで、7〜8分間、連続的に撹拌しながら90℃に加熱した。遠心分離を使用してTHF及びヘキサンで洗浄した後、Li2SでコーティングされたGO粉末を得た。調製したままのLi2SでコーティングされたGO粉末を、Ar雰囲気下、500℃で約30分間加熱して有機残留物を除去し、乳鉢及び乳棒を使用して粉砕した。Li2S-GOを、遠心分離を使用してTHF及びヘキサンで洗浄した。Li2S/GOナノ球体を次いで、Ar雰囲気下、500℃で30分間熱処理し、乳鉢及び乳棒を使用して粉砕した。Li2S/GOナノ球体中のLi2SとGOとの間の重量比は、洗浄法により、約98:2と示された。Li2S-GO粉末を秤量し、蒸留水とエタノールとの混合物(1:2比v/v)中に投入し、その溶液を5000rpmで10分間遠心分離した。上澄みを収集し、上澄みのpHを確認した。この手順を上澄みのpHが7に到達するまで繰り返した(注:Li2SがH2Oと反応するとき、pH値を増加させるLiOHを形成する)。いったん上澄みのpHが7に到達したら、粉末を収集し、真空オーブン中、60℃で、一晩乾燥させた。Li2SとGOとの間の重量比は、初期のものと洗浄した粉末との重量を比較することにより評価した。コア-シェル構造のLi2S/GO@Cナノ球体を得るために、CVD炭素コーティング手順を、700℃で30分間、ラボ-設計の回転炉を使用した石英管を回転させて行った。Ar及びアセチレン(C2H2、炭素前駆体)の混合物を、それぞれ100SCCM(毎分標準立方センチメートル)及び10SCCMの流速で供給した。CVDコーティングプロセスの前後で試料を秤量して、CVDコーティングプロセスにより得られた炭素の量を評価した(約13%の炭素が得られた)。Li2Sが湿度に対して非常に敏感であるために、炉心管部品を含めてすべての合成プロセスを、アルゴンを満たしたグローブボックス内で、水分と酸素の含有量を0.1ppm未満にして実行した。比較のために、Li2S球体(1μm)を調製した。簡単に記述すると、64mgのイオウ(Alfa Aesar、イオウ粉末、約325メッシュ、99.5%)を3mlのトルエンに溶解し、次いでS-トルエン溶液をTHF中で1.0MのLiEt3BHの4.2mL中に添加した。室温で2分間撹拌した後、その溶液を90℃に7分間加熱した。Li2S粉末を収集し、遠心分離法により洗浄した。Li2S/GO@C-NR試料もまた、典型的なCVDコーティング方法を使用して、同一コーティング条件の下で、石英管の回転なしで調製した。得られた炭素量は、Li2S/GO@Cナノ球体の炭素量と同一であった(約13%)。
キャラクタリゼーションのための試料のすべての調製は、アルゴンを満たしたグローブボックス内で、0.1ppm未満の水分及び酸素の含有量で行った。結晶構造の検討は、X線回折計(XRD、Bruker AXS D8 Discover GADDS microdiffractometer)を使用して、Li2Sを水分から保護するために空気を含まないXRDホルダーを使用して行った。試料のラマンスペクトル(Labram、Horiba Jobin Yvon USA, Inc.)を、励起波長488nmで、共焦点後方散乱構成で収集した。不活性雰囲気中に試料を保つために、一定のアルゴン流動を伴うリンカムセルを適用した。粉末試料のモルフォロジーを、電界放射走査型電子顕微鏡(FESEM、JEOL JSM-7500F)を使用して観察し、エネルギー分散X線分光分析(EDS、Oxford)を使用した元素マッピングを併用した。高分解能透過型電子顕微鏡の画像をJEOLのTEM装置(HRTEM、JEOL 2100-F)で収集し、エネルギーフィルタ型TEM(EFTEM)を使用した元素マッピングを併用した。多硫化物溶解試験のために、1mgのLi2S、Li2S/GO@C-NR、Li2S/GO@Cの球体を、1.5mLのTHF/トルエン混合溶液(1:1、v/v)に7mgのSを溶解させたものを含む試験溶液に添加した。
電極の製作のために、Li2Sを60%、炭素材料を35%(GO、CVDにより得られた炭素、及び導電剤としてのカーボンブラック(Super P)を含む)、並びにポリビニルピロリドン(PVP、分子量約1,300K)を5%結合剤として混合し、次いでその懸濁液を、集電体として使用した炭素繊維紙(Hesen Electrical Ltd、HCP010N、0.1mm厚、気孔率75%)上にドロップキャストし、乾燥させた。電極中のLi2Sの質量負荷は、0.7から0.9mg cm-2であった。1重量%のLiNO3を含有する、N-メチル-N-ブチルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(PYR14TFSI)/ジオキソラン(DOL)/ジメトキシエタン(DME)(2:1:1、v/v)中の1Mのリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)を電解質として調製した。CR2325型コイン型電池を、対極/参照極としてのリチウム金属箔(99.98%、Cyprus Foote Mineral)及び多孔性のポリプロピレンセパレーター(2400、Celgard)を用いて、Arガスを満たしたグローブボックス内で製作した。コイン型電池の定電流サイクル試験を、Li2Sを活性化するために0.05Cで4.0Vに初期充電した後に、バッテリーサイクラー(Arbin BT2000)を使用して、1.5Vから2.8Vの間の異なるレートで行った。
Claims (28)
- グラフェン酸化物が埋め込まれた硫化リチウム(Li2S/GO)を有するナノ粒子球体を含む組成物。
- Li2S/GOを囲むコンフォーマル炭素コーティングをさらに含む、請求項1に記載の組成物。
- 硫化リチウムコアが、埋め込まれたグラフェン酸化物を含む、請求項1に記載の組成物。
- 硫化リチウムコアが、埋め込まれたグラフェン酸化物及びコンフォーマル炭素コーティングを含む、請求項2に記載の組成物。
- グラフェン酸化物及び硫化リチウムが不均一に分散している、請求項3又は4に記載の組成物。
- グラフェン酸化物及び硫化リチウムが実質的に均質に分散している、請求項3又は4に記載の組成物。
- 硫化リチウムグラフェン酸化物コアが約200nmから1400nmの幅又は直径を有する、請求項3に記載の組成物。
- 硫化リチウムグラフェン酸化物コアが約800nmの平均の幅又は直径を有する、請求項3に記載の組成物。
- コンフォーマル炭素コーティングが、硫化リチウムグラフェン酸化物コアの周囲にシェルを含む、請求項3に記載の組成物。
- コンフォーマル炭素コーティングが約5から45nmの厚さである、請求項2又は3に記載の組成物。
- コンフォーマル炭素コーティングの平均厚さが約25nmである、請求項10に記載の組成物。
- 請求項1の硫化リチウム-グラフェン酸化物複合体材料の合成方法であって、
非極性有機溶媒中にイオウ元素を含む第1の溶液を、分散溶媒中に分散したグラフェン酸化物を含む第2の溶液に添加し、強力なリチウム系還元剤を加えて反応混合物を作製し、
反応混合物を2から30分間、高温で加熱することにより、反応混合物からLi2S-GO材料を析出させることを含む、方法。 - 反応混合物から、析出したLi2S-GO材料を収集すること、
Li2S-GO材料を洗浄すること、及び
Li2S-GO材料を乾燥させること
をさらに含む、請求項12に記載の方法。 - 非極性有機溶媒が、ペンタン、シクロペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、オクタン、ベンゼン、トルエン、クロロホルム、テトラクロロエチレン、キシレン、1,2-ジクロロベンゼン、1,4-ジオキサン、二硫化炭素及びジエチルエーテルから選択される、請求項12又は13に記載の方法。
- 非極性有機溶媒がトルエンである、請求項14に記載の方法。
- 強力なリチウム系還元剤が、リチウムトリエチルボロヒドリド、n-ブチル-リチウム、及び水素化アルミニウムリチウムからなる群から選択される、請求項12から15のいずれか1項に記載の方法。
- 分散溶媒が、酢酸、アセトン、アセトニトリル、ベンゼン、1-ブタノール、2-ブタノール、2-ブタノン、t-ブチルアルコール、四塩化炭素、クロロベンゼン、クロロホルム、シクロヘキサン、1,2-ジクロロエタン、ジクロロベンゼン、ジクロロメタン、ジエチルエーテル、ジエチレングリコール、ジグリム(ジエチレングリコールジメチルエーテル)、1,2-ジメトキシエタン(DME、グリム)、ジメチルエーテル、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジオキサン、エタノール、酢酸エチル、エチレングリコール、グリセリン、ヘプタン、ヘキサメチルホスホラミド(HMPA)、ヘキサメチルリン酸トリアミド(HMPT)、ヘキサン、メタノール、メチル-t-ブチルエーテル(MTBE)、塩化メチレン、N-メチル-2-ピロリジノン(NMP)、ニトロメタン、ペンタン、石油エーテル(リグロイン)、1-プロパノール、2-プロパノール、ピリジン、テトラヒドロフラン(THF)、トルエン、トリエチルアミン、o-キシレン、m-キシレン及びp-キシレンからなる群から選択される、請求項12から16のいずれか1項に記載の方法。
- Li2S/GO球体を炭素でコーティングして、コンフォーマル炭素層でコーティングされたLi2S/GO粒子(Li2S/GO@C)を形成することをさらに含む、請求項12から17のいずれか1項に記載の方法。
- コーティングが化学気相成長(CVD)によって実行される、請求項18に記載の方法。
- 熱分解性炭素系コーティングを形成するように、コーティングが、不活性雰囲気下において前記球体上で炭素系ポリマーを熱分解することにより、実行される、請求項18に記載の方法。
- 炭素系ポリマーが、ポリスチレン(PS)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、又はそれらの組合せから選択される、請求項20に記載の方法。
- ポリマーでコーティングされたLi2S/GO球体が、400℃から700℃の間の温度で、最長で48時間まで前記材料を加熱することにより熱分解される、請求項21に記載の方法。
- 請求項12から17のいずれか1項に記載の方法により作製されたLi2S/GO材料。
- 請求項18から22のいずれか1項に記載の方法により作製されたLi2S/GO@C材料。
- 請求項1又は23に記載のLi2S/GO材料を含む電極。
- 請求項25に記載の電極を含むリチウム/イオウバッテリー。
- 請求項3又は24に記載のLi2S/GO@C材料を含む電極。
- 請求項27に記載の電極を含むリチウム/イオウバッテリー。
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