JP2018200827A - Method for manufacturing cathode of lithium sulfur battery, cathode of lithium sulfur battery, and lithium sulfur battery - Google Patents

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正義 渡邉
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和英 上野
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Abstract

To provide a method for manufacturing a cathode 11 of a high-performance lithium sulfur battery 10.SOLUTION: A method for manufacturing a cathode 11 of a lithium sulfur battery 10 includes: a ground layer formation process for chemically changing a metal on a surface of a collector 11A into a ground layer 11B made of metallic sulfide through sulfurization reaction; and an active material arrangement process for coating a sulfuric active material layer 11C on a surface of the ground layer 11B.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明の実施形態は、リチウム硫黄電池のカソードの製造方法、リチウム硫黄電池のカソード、およびリチウム硫黄電池に関する。   Embodiments described herein relate generally to a method for manufacturing a cathode of a lithium-sulfur battery, a cathode of a lithium-sulfur battery, and a lithium-sulfur battery.

携帯電話端末の普及および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。充放電できる二次電池としては、既にリチウムイオン二次電池が広く普及している。   With the widespread use of mobile phone terminals and research and development of electric vehicles, high-capacity secondary batteries have been demanded. As secondary batteries that can be charged and discharged, lithium ion secondary batteries are already widely used.

リチウムイオン二次電池よりさらに高容量の二次電池として、カソード活物質として硫黄を有するリチウム硫黄二次電池が着目されている。硫黄は理論容量が1670mAh/g程度であり、リチウムイオン電池の代表的なカソード活物質である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。 As a secondary battery having a higher capacity than a lithium ion secondary battery, a lithium-sulfur secondary battery having sulfur as a cathode active material has attracted attention. Sulfur has a theoretical capacity of about 1670 mAh / g, is about 10 times higher in theoretical capacity than LiCoO 2 (about 140 mAh / g), which is a typical cathode active material of a lithium ion battery, and is low in cost and rich in resources. There is an advantage.

リチウム硫黄電池においては、放電時にはカソードにおいて例えば、単体硫黄(S)が多硫化物アニオン、S −2(1)、S −2(2)、S 2−(3)、S 2−(4)へと順次、還元され、最終的にLiSが生成する。一方、アノードでは、アノード中のリチウムがリチウムイオンとして放出され、電解液を経由してカソードへと到達し、LiS生成のためのリチウム源となる。 In a lithium-sulfur battery, for example, single sulfur (S 8 ) is polysulfide anion, S 8 -2 (1), S 6 -2 (2), S 4 2- (3), S 2 at the cathode during discharge. 2- It reduces sequentially to (4), and finally Li 2 S is generated. On the other hand, in the anode, lithium in the anode is released as lithium ions, reaches the cathode via the electrolytic solution, and becomes a lithium source for generating Li 2 S.

ここで、硫黄の還元反応の中間生成物である多硫化物アニオンとリチウムとからなる多硫化リチウム(Li、Li、Li、Li)は、有機溶媒に溶解しやすく電池の電解液にも溶出する。多硫化リチウムの溶出によりカソード活物質が減少するため、電池の充放電容量が低下してしまう。 Here, lithium polysulfide (Li 2 S 8 , Li 2 S 6 , Li 2 S 4 , Li 2 S 2 ) composed of a polysulfide anion and lithium, which is an intermediate product of a sulfur reduction reaction, is an organic solvent. Easily dissolves in the electrolyte of the battery. Since the cathode active material is reduced by elution of lithium polysulfide, the charge / discharge capacity of the battery is lowered.

さらに、充電中に、電解液に溶出した多硫化アニオンは、アノード表面に到達すると還元され、カソード表面に到達すると酸化され、電解液中で物質移動による短絡が起こる。すると、充電電流を加え続けても充電されないという、いわゆるシャトル効果によって充放電クーロン効率が著しく低下してしまう。   Further, during charging, the polysulfide anion eluted in the electrolytic solution is reduced when it reaches the anode surface, is oxidized when it reaches the cathode surface, and a short circuit due to mass transfer occurs in the electrolytic solution. Then, even if charging current is continuously applied, charging / discharging coulomb efficiency is significantly lowered due to a so-called shuttle effect in which charging is not performed.

すなわち、リチウム硫黄二次電池において、多硫化リチウムの電解液への溶出防止は大きな課題であった。   That is, in the lithium-sulfur secondary battery, prevention of elution of lithium polysulfide into the electrolytic solution has been a big problem.

特開2012−109223号公報には、グライムとリチウム塩との錯体からなるイオン液体を電解液として用いたリチウム硫黄二次電池が開示されている。グライムとリチウム塩との錯体からなる溶媒和イオン液体は、多硫化リチウムの溶解度が低いため、充放電容量の低下等が防止されている。   Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2012-109223 discloses a lithium-sulfur secondary battery using an ionic liquid composed of a complex of glyme and a lithium salt as an electrolytic solution. Since a solvated ionic liquid composed of a complex of glyme and a lithium salt has low solubility of lithium polysulfide, a decrease in charge / discharge capacity is prevented.

一方、特開2015−201270号公報には、カソードと電解液との界面をリチウムイオンは通過するが多硫化物イオンは通過しない高分子膜で覆うことにより、充放電容量の低下が防止されたリチウム硫黄二次電池が開示されている。   On the other hand, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-201270, the interface between the cathode and the electrolytic solution is covered with a polymer film that allows lithium ions to pass but not polysulfide ions to prevent a decrease in charge / discharge capacity. A lithium sulfur secondary battery is disclosed.

そして、さらに高性能なチウム硫黄二次電池が求められていた。   Further, there has been a demand for a higher performance lithium-sulfur secondary battery.

特開2012−109223号公報JP 2012-109223 A 特開2015−201270号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-201270

本発明の実施形態は、高性能なリチウム硫黄電池のカソードの製造方法、高性能なリチウム硫黄電池のカソード、および高性能なリチウム硫黄電池を提供することを目的とする。   Embodiments of the present invention are intended to provide a method for producing a cathode for a high-performance lithium-sulfur battery, a cathode for a high-performance lithium-sulfur battery, and a high-performance lithium-sulfur battery.

実施形態のリチウム硫黄電池のカソードの製造方法は、集電体の表面の金属を、硫化反応により金属硫化物からなる下地層に化学変化する下地層形成工程と、前記下地層の表面に、硫黄系活物質層をコーティングする活物質配設工程と、を具備する。   The method for manufacturing a cathode of a lithium-sulfur battery according to the embodiment includes a base layer forming step of chemically changing the metal on the surface of the current collector to a base layer made of a metal sulfide by a sulfidation reaction; And an active material disposing step for coating the system active material layer.

別の実施形態のリチウム硫黄電池のカソードは、集電体の表面の金属を、硫化反応により金属硫化物からなる下地層に化学変化する下地層形成工程と、前記下地層の表面に、硫黄系活物質層をコーティングする活物質配設工程と、を具備することを特徴とするリチウム硫黄電池のカソードの製造方法により製造される。   In another embodiment, the cathode of the lithium-sulfur battery includes a base layer forming step in which the metal on the surface of the current collector is chemically changed to a base layer made of a metal sulfide by a sulfidation reaction. And an active material disposing step for coating the active material layer.

実施形態のリチウム硫黄電池のカソードは、多孔体である集電体と、前記集電体の表面を覆う、前記集電体と同じ金属の金属硫化物からなる下地層と、前記下地層を覆う硫黄系活物質層と、を具備する。   The cathode of the lithium-sulfur battery according to the embodiment covers a current collector that is a porous body, a base layer made of metal sulfide of the same metal as the current collector, covering the surface of the current collector, and the base layer A sulfur-based active material layer.

別の実施形態のリチウム硫黄電池は、集電体の表面の金属を、硫化反応により金属硫化物からなる下地層に化学変化する下地層形成工程と、前記下地層の表面に、硫黄系活物質層をコーティングする活物質配設工程と、を具備することを特徴とするリチウム硫黄電池のカソードの製造方法により製造されるカソードと、電解液と、リチウムを吸蔵脱離するアノード活物質を含むアノードと、を具備する。   In another embodiment, a lithium-sulfur battery includes a base layer forming step in which a metal on the surface of a current collector is chemically changed to a base layer made of a metal sulfide by a sulfidation reaction, and a sulfur-based active material on the surface of the base layer An anode comprising a cathode manufactured by a method for manufacturing a cathode of a lithium-sulfur battery, an electrolyte, and an anode active material that occludes and desorbs lithium And.

本発明の実施形態によれば、高性能なリチウム硫黄電池のカソードの製造方法、高性能なリチウム硫黄電池のカソード、および高性能なリチウム硫黄電池を提供できる。   According to the embodiments of the present invention, it is possible to provide a method for producing a cathode for a high-performance lithium-sulfur battery, a cathode for a high-performance lithium-sulfur battery, and a high-performance lithium-sulfur battery.

実施形態のリチウム硫黄電池の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the lithium sulfur battery of embodiment. 実施形態のリチウム硫黄電池のカソード材料の製造方法のフローチャートである。It is a flowchart of the manufacturing method of the cathode material of the lithium sulfur battery of embodiment. 集電体(NF)の顕微鏡写真である。It is a microscope picture of a collector (NF). 集電体(NF)の顕微鏡写真である。It is a microscope picture of a collector (NF). 下地層で覆われている集電体(NSF)の顕微鏡写真である。It is a microscope picture of the electrical power collector (NSF) covered with the base layer. 下地層で覆われている集電体(NSF)の顕微鏡写真である。It is a microscope picture of the electrical power collector (NSF) covered with the base layer. 活物質層で覆われている集電体(NSF−S)の顕微鏡写真である。It is a microscope picture of the electrical power collector (NSF-S) covered with the active material layer. 活物質層で覆われている集電体(NSF−S)の顕微鏡写真である。It is a microscope picture of the electrical power collector (NSF-S) covered with the active material layer. X線回折パターンである。It is an X-ray diffraction pattern. 実施形態のリチウム硫黄電池のカソード材料の製造工程の模式図である。It is a schematic diagram of the manufacturing process of the cathode material of the lithium sulfur battery of embodiment. リチウム硫黄電池の充放電特性である。It is a charge / discharge characteristic of a lithium sulfur battery. リチウム硫黄電池のレート特性である。It is a rate characteristic of a lithium sulfur battery. リチウム硫黄電池のサイクル特性である。It is a cycle characteristic of a lithium sulfur battery. リチウム硫黄電池のナイキスプロットである。It is a Nyquist plot of a lithium sulfur battery.

<実施形態>
図1に示すように本実施形態のリチウム硫黄二次電池(以下「電池」という)10は、カソード(正極)11と、アノード(負極)12と、セパレータ13と、電解液14と、を具備する。
<Embodiment>
As shown in FIG. 1, a lithium-sulfur secondary battery (hereinafter referred to as “battery”) 10 of this embodiment includes a cathode (positive electrode) 11, an anode (negative electrode) 12, a separator 13, and an electrolyte solution 14. To do.

コイン型の電池10では、カソード11とアノード12とが電解液14が注入されたセパレータ13を介して積層されて、コインセルケース15に封入されている。すなわち、アノード12の上にスプリング16が配設され、蓋17でコインセルケース15は封止されている。コインセルケース15の側壁にはガスケット18が介装されている。   In the coin-type battery 10, a cathode 11 and an anode 12 are stacked via a separator 13 into which an electrolytic solution 14 is injected and sealed in a coin cell case 15. That is, the spring 16 is disposed on the anode 12, and the coin cell case 15 is sealed with the lid 17. A gasket 18 is interposed on the side wall of the coin cell case 15.

アノード12は、リチウムを吸蔵脱離するアノード活物質である金属リチウムからなる。電解液14の溶媒は、従来のリチウムイオン電池にも用いられている、50重量%−DOL(1、3−ジオキソラン)/50重量%−DME(ジメトキシエタン)である。電解液14は、溶媒に、リチウム塩として、0.2M−LiNOと、1.0M−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiTFSA)とが溶解されている。 The anode 12 is made of metallic lithium which is an anode active material that absorbs and desorbs lithium. The solvent of the electrolytic solution 14 is 50% by weight-DOL (1,3-dioxolane) / 50% by weight-DME (dimethoxyethane), which is also used in a conventional lithium ion battery. In the electrolytic solution 14, 0.2 M-LiNO 3 and 1.0 M-bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium (LiTFSA) are dissolved as a lithium salt in a solvent.

カソード11は、多孔体からなる集電体11Aと、集電体11Aの表面を覆っている下地層11Bと、下地層11Bの表面を覆っている硫黄系カソード活物質である単体硫黄を含む硫黄系の活物質層11Cと、を具備する。   The cathode 11 includes a current collector 11A made of a porous body, a base layer 11B covering the surface of the current collector 11A, and sulfur containing elemental sulfur, which is a sulfur-based cathode active material covering the surface of the base layer 11B. And an active material layer 11C of the system.

集電体11Aは、三次元網目構造を有する多孔体であり、その表面はニッケルからなる。下地層11Bは、集電体11Aの表面のニッケルの硫化処理により形成されたニッケル硫化物(Ni)である。なお、下地層11BのNiは、電池10の動作電圧範囲(1.7V以上3.5V以下)において電気化学的に安定で、酸化および還元されることがなく、さらに、多硫化アニオンを吸着し保持する。 The current collector 11A is a porous body having a three-dimensional network structure, and the surface thereof is made of nickel. The underlayer 11B is nickel sulfide (Ni 3 S 2 ) formed by nickel sulfide treatment on the surface of the current collector 11A. Note that Ni 3 S 2 of the base layer 11B is electrochemically stable in the operating voltage range (1.7 V or more and 3.5 V or less) of the battery 10, is not oxidized or reduced, and is further a polysulfide anion. Adsorb and hold.

カソード11が、多孔質で表面積が広い集電体11Aと、集電体11Aの表面の金属の硫化反応により形成された下地層11Bと、下地層11Bを覆う活物質層11Cと、を有する電池10は、後述するように、初期容量、レート特性およびサイクル特性に優れ高性能であり、さらに、容量(エネルギー密度)が大きい。   A battery in which the cathode 11 includes a porous current collector 11A having a large surface area, a base layer 11B formed by a metal sulfidation reaction on the surface of the current collector 11A, and an active material layer 11C covering the base layer 11B As will be described later, No. 10 is excellent in initial capacity, rate characteristics and cycle characteristics, has high performance, and has a large capacity (energy density).

<電池の製造方法>
図2に沿って電池10の製造方法を説明する。
<Battery manufacturing method>
A method for manufacturing the battery 10 will be described with reference to FIG.

<ステップS10>集電体作製工程
集電体11Aは、少なくとも表面が導電性金属の多孔体からなることが好ましい。多孔体としては、発泡金属、金属不織布、金属繊維集合体、または金属粒子集合体を用いることができる。
<Step S10> Current collector manufacturing step It is preferable that the current collector 11A is formed of a porous body having at least a surface of a conductive metal. As the porous body, a foam metal, a metal nonwoven fabric, a metal fiber aggregate, or a metal particle aggregate can be used.

発泡金属は、例えば、発泡樹脂の表面に金属層をコーティングした後、発泡樹脂を分解することで作製される。発泡樹脂としては、気孔率が高く、セル径の均一性が高く、熱分解性に優れている発泡ウレタンが好ましい。金属層がニッケルの場合には、発泡樹脂の表面にカーボン粉末等を塗布して導電化処理した後、電気めっき法によりニッケルがコーティングされる。水溶液を用いた電気めっき法により成膜困難な金属層、例えばチタン層は、溶融塩浴を用いた電気めっき法により行われる。   The foam metal is produced, for example, by coating the surface of the foam resin with a metal layer and then decomposing the foam resin. As the foamed resin, a urethane foam having a high porosity, a high cell diameter uniformity, and excellent thermal decomposability is preferable. When the metal layer is nickel, the surface of the foamed resin is coated with carbon powder or the like and subjected to a conductive treatment, and then nickel is coated by an electroplating method. A metal layer that is difficult to form by electroplating using an aqueous solution, such as a titanium layer, is performed by electroplating using a molten salt bath.

金属不織布も発泡金属と同様に不織布から作製される。金属繊維集合体は、少なくとも表面が金属の繊維を、ロールプレス等を用いた圧縮成形により圧密化したり、さらに焼結したりすることで作製される。金属繊維に替えて炭素繊維またはカーボンナノチューブを用いてもよい。金属粒子集合体も金属繊維集合体と同じように少なくとも表面が金属の粒子から作製される。すなわち、集電体11Aは内部が樹脂等でもよいし、全体が金属により構成されていてもよい。   A metal nonwoven fabric is also produced from a nonwoven fabric like a foam metal. The metal fiber aggregate is produced by compacting or further sintering a fiber having at least a metal surface by compression molding using a roll press or the like. Carbon fibers or carbon nanotubes may be used instead of metal fibers. Similar to the metal fiber aggregate, the metal particle aggregate is made of particles having at least a surface. That is, the current collector 11A may be made of resin or the like, or may be entirely made of metal.

なお、集電体11Aは、二次元表面を有する金属箔(金属層)でもよいが、電池の容量(エネルギー密度)を増加するためには、多くのカソード活物質を担持できる、表面積が広い多孔体が好ましい。例えば、金属箔からなる集電体は、0.3mg/cm程度の硫黄しか担持できない。これに対して、後述するように、実施形態の多孔体の集電体11Aは、2.0mg/cm以上の硫黄が担持できる。このため、電池10は、硫黄担持量で規定した容量が同じであっても、電池の容量(エネルギー密度)が大きい。 The current collector 11A may be a metal foil (metal layer) having a two-dimensional surface. However, in order to increase the capacity (energy density) of the battery, the current collector 11A is a porous material having a large surface area that can support a large number of cathode active materials. The body is preferred. For example, a current collector made of a metal foil can carry only about 0.3 mg / cm 2 of sulfur. On the other hand, as described later, the porous current collector 11A of the embodiment can carry 2.0 mg / cm 2 or more of sulfur. For this reason, even if the capacity | capacitance prescribed | regulated by the sulfur carrying amount is the same, the capacity | capacitance (energy density) of the battery 10 is large.

集電体11Aの比表面積は、1500m/m以上が好ましく、3000m/m以上が特に好ましい。広い表面積を得るために、集電体11Aは、気孔率が50%以上で、連続気孔を有し、さらに、閉気孔をほとんど含まないことが好ましい。 The specific surface area of the current collector 11A is preferably 1500 m 2 / m 3 or more, 3000 m 2 / m 3 or more is particularly preferable. In order to obtain a large surface area, the current collector 11A preferably has a porosity of 50% or more, has continuous pores, and further contains almost no closed pores.

二次元表面を有する平板状の集電体の表面積は平面視寸法に比例する。これに対して三次元網目構造を有する集電体11Aの表面積は、平面視寸法(外面面積)および厚さに比例する。集電体11Aの表面積は、同じ平面視寸法の二次元表面を有する集電体の表面積の2倍以上が好ましく、5倍以上が特に好ましい。なお、技術的な観点から集電体11Aの表面積は、同じ平面視寸法の二次元表面を有する集電体の表面積の100倍以下である。なお、カソードの表面積は集電体の表面積と略同じである。   The surface area of a flat plate current collector having a two-dimensional surface is proportional to the size in plan view. On the other hand, the surface area of the current collector 11A having a three-dimensional network structure is proportional to the planar view size (outer surface area) and thickness. The surface area of the current collector 11A is preferably at least twice as large as the surface area of the current collector having a two-dimensional surface having the same planar view dimensions, and particularly preferably at least 5 times. From the technical viewpoint, the surface area of the current collector 11A is 100 times or less the surface area of the current collector having a two-dimensional surface having the same planar view size. The surface area of the cathode is substantially the same as the surface area of the current collector.

なお、比表面積は、例えば、静電容量法によって測定される。静電容量法は、試料の静電容量が表面積に比例することを利用する測定方法である。表面積が既知の金属板等を複数枚用意し、それぞれの静電容量を測定する。そして、「静電容量」対「面積」の検量線を作成することで、試料の表面積が検量法により算出される。一方、気孔率は、試料の比重と体積とから算出される。   The specific surface area is measured by, for example, a capacitance method. The capacitance method is a measurement method that utilizes the fact that the capacitance of a sample is proportional to the surface area. A plurality of metal plates or the like having a known surface area are prepared, and their capacitances are measured. Then, by creating a calibration curve of “capacitance” versus “area”, the surface area of the sample is calculated by the calibration method. On the other hand, the porosity is calculated from the specific gravity and volume of the sample.

なお、本実施形態の集電体11Aは、後述するように、表面または全体が、硫化反応により硫化物となる金属または合金、例えば、ニッケル、アルミニウム、チタン、銅、コバルト、鉄、銀、または、それらの合金から構成されている。表面が硫化物となる金属層で覆われていれば、その下(内部)に別の導電体、例えば、カーボンブラック、アルミニウム、銅、金または白金が存在していてもよい。   In addition, as will be described later, the current collector 11A of the present embodiment has a metal or alloy whose surface or the whole becomes a sulfide by a sulfidation reaction, for example, nickel, aluminum, titanium, copper, cobalt, iron, silver, or , And their alloys. If the surface is covered with a metal layer that becomes sulfide, another conductor, for example, carbon black, aluminum, copper, gold, or platinum may be present thereunder (inside).

本実施形態では、ニッケルからなる発泡金属であるセルメット(登録商標)を集電体11Aとした。セルメットは、気孔率98%、比表面積8500m/m、孔径0.45mm、厚さ1.4mmである。強度を改善するとともに、所定の大きさのコインセルケース15に収納するために、セルメットは、切断され、厚さ0.3mm程度に圧縮されて、集電体11Aとして用いられた。圧縮処理されている集電体11Aは、気孔率85%であった。 In the present embodiment, Celmet (registered trademark), which is a foam metal made of nickel, is used as the current collector 11A. Celmet has a porosity of 98%, a specific surface area of 8500 m 2 / m 3 , a pore diameter of 0.45 mm, and a thickness of 1.4 mm. In order to improve the strength and accommodate the coin cell case 15 of a predetermined size, the cermet was cut, compressed to a thickness of about 0.3 mm, and used as the current collector 11A. The current collector 11A subjected to the compression treatment had a porosity of 85%.

図3Aおよび図3Bに、三次元網目構造を有する多孔体である集電体11Aの表面写真を示す。なお、以下、Niからなる泡のような集電体11Aを、ニッケルフォーム(NF)と表記することがある。   3A and 3B show photographs of the surface of the current collector 11A, which is a porous body having a three-dimensional network structure. Hereinafter, the current collector 11A such as bubbles made of Ni may be referred to as nickel foam (NF).

<ステップS11> 下地層形成工程
下地層形成工程では、集電体11Aの表面の金属が、硫化反応により金属硫化物からなる下地層11Bに変化する。すなわち、本実施形態の製造方法では、下地層11Bは、集電体11Aの上に金属硫化物が物理的に配設(コーティング)されるのではなく、集電体11Aの金属が化学反応により金属硫化物に変化することで形成される。また、下地層11Bは、カソード11が電池10に組み込まれる前に形成される。
<Step S11> Underlayer Formation Step In the underlayer formation step, the metal on the surface of current collector 11A is changed to underlayer 11B made of a metal sulfide by a sulfurization reaction. That is, in the manufacturing method of the present embodiment, the base layer 11B is not physically disposed (coated) with the metal sulfide on the current collector 11A, but the metal of the current collector 11A is caused by a chemical reaction. It is formed by changing to metal sulfide. Further, the base layer 11 </ b> B is formed before the cathode 11 is incorporated into the battery 10.

本実施形態の製造方法では、下地層形成工程は、硫黄を含む水溶液を用いて、100℃超1気圧超で行われる水熱処理工程である。例えば、集電体11A(3.4cm角のNF)を、6.1mgの硫黄を溶解した5体積%ヒドラジン水溶液に浸漬し、オートクレーブ装置を用いて、160℃で18時間の硫化処理を行った。集電体(NF)11Aは表面が灰色であったが、下地層形成工程により茶色となった。   In the manufacturing method of the present embodiment, the underlayer forming step is a hydrothermal treatment step that is performed at a temperature higher than 100 ° C. and higher than 1 atm using an aqueous solution containing sulfur. For example, the current collector 11A (3.4 cm square NF) was immersed in a 5 volume% hydrazine aqueous solution in which 6.1 mg of sulfur was dissolved, and subjected to sulfurization treatment at 160 ° C. for 18 hours using an autoclave apparatus. . The current collector (NF) 11A had a gray surface, but became brown in the base layer formation step.

図4Aおよび図4Bに、下地層11Bが形成された集電体(NF)11Aの表面写真を示す。なお、以下、集電体11Aの表面がNi硫化物からなる下地層11Bで覆われた構成を、「NSF」と表記することがある。   4A and 4B show photographs of the surface of the current collector (NF) 11A on which the base layer 11B is formed. Hereinafter, the configuration in which the surface of the current collector 11A is covered with the base layer 11B made of Ni sulfide may be referred to as “NSF”.

集電体が金属箔の場合には、例えば、電子ビーム蒸着法を用いて下地層11Bをコーティングできる。しかし、集電体が多孔体の場合には蒸着法等では集電体の孔の内面、特に上面からは見えない内面にまで均一に下地層をコーティングすることはできない。このため、本実施形態では、金属硫化物をコーティングするのではなく、集電体11Aの表面の金属の硫化反応により、下地層11Bを形成している。   When the current collector is a metal foil, the base layer 11B can be coated using, for example, an electron beam evaporation method. However, when the current collector is a porous body, it is not possible to uniformly coat the underlayer to the inner surfaces of the holes of the current collector, particularly the inner surface that cannot be seen from the upper surface, by vapor deposition. For this reason, in the present embodiment, the base layer 11B is formed not by coating the metal sulfide but by the metal sulfidation reaction on the surface of the current collector 11A.

硫化反応として、本実施形態では、液相の水熱処理工程を用いたが、例えば、硫黄を含む気体、例えば、硫化水素を用いた気相反応でもよい。なお、気相反応でも、反応を促進するために、加熱したり、水(水蒸気)を供給したりしながら行うことが好ましい。   In this embodiment, a liquid-phase hydrothermal treatment process is used as the sulfidation reaction. However, for example, a gas phase reaction using a gas containing sulfur, for example, hydrogen sulfide may be used. Note that the gas phase reaction is preferably performed while heating or supplying water (water vapor) in order to promote the reaction.

また、本実施形態では、集電体は表面がニッケルであったため、硫化反応により、ニッケル硫化物として、Ni(二硫化三ニッケル)が形成された。ニッケルの硫化反応では、NiS、NiS、Ni等が形成されることもあるが、硫化条件を検討することにより、特に、Niからなる下地層11Bを形成することが好ましい。 In this embodiment, since the surface of the current collector was nickel, Ni 3 S 2 (trinickel disulfide) was formed as the nickel sulfide by the sulfurization reaction. In the nickel sulfidation reaction, NiS, NiS 2 , Ni 7 S 6, etc. may be formed, but it is particularly preferable to form the underlayer 11 B made of Ni 3 S 2 by examining the sulfidation conditions. .

なお、硫化反応の中でも、120℃以上300℃以下のオートクレーブによる水熱処理は、安定してNiからなる下地層11Bを形成できる。 It should be noted that hydrothermal treatment with an autoclave at 120 ° C. or higher and 300 ° C. or lower during the sulfurization reaction can stably form the base layer 11B made of Ni 3 S 2 .

下地層形成工程の前後における重量の差、すなわち、集電体(NF)11Aの重量と、NSFの重量との差から、算出した下地層11Bの単位面積当たりの重量は、1.5mg/cmであった。 The weight per unit area of the underlayer 11B calculated from the difference in weight before and after the underlayer forming process, that is, the difference between the weight of the current collector (NF) 11A and the weight of NSF is 1.5 mg / cm. 2 .

ここで、硫化反応により形成された下地層11Bの、コーティングにより配設された下地層との相違に係る構造、または、特性を特定する文言を見出すことはできなかった。さらに、下地層が硫化反応による金属硫化物からなることを解析により特定することは不可能又は非実際的であった。例えば、集電体11Aと下地層11Bとの界面構造を、顕微鏡等を用いて観察しても、相違に係る構造を明瞭に特定することはできなかった。   Here, it was not possible to find a word specifying the structure or characteristics relating to the difference between the underlayer 11B formed by the sulfurization reaction and the underlayer disposed by coating. Furthermore, it has been impossible or impractical to specify by analysis that the underlayer is made of a metal sulfide resulting from a sulfurization reaction. For example, even when the interface structure between the current collector 11A and the base layer 11B is observed using a microscope or the like, the structure related to the difference cannot be clearly identified.

<ステップS12>カソード活物質配設工程
硫黄系活物質層11Cは、活物質スラリーと溶剤とを含むスラリーを用いて、下地層11Bの上に配設された。すなわち、79重量%の単体硫黄(S)と29重量%のカーボンブラック(Timcal社製、SuperP)とを、混合し、155℃にて6時間処理し複合化し、溶剤であるN−メチルピロリドン(NMP)を加えて低粘性の活物質スラリーを作製した。すなわち、活物質スラリーに樹脂成分は含まれていない。
<Step S12> Cathode Active Material Disposition Process The sulfur-based active material layer 11C was disposed on the base layer 11B using a slurry containing an active material slurry and a solvent. That is, 79% by weight of elemental sulfur (S 8 ) and 29% by weight of carbon black (manufactured by Timcal, SuperP) were mixed, treated at 155 ° C. for 6 hours to be combined, and N-methylpyrrolidone as a solvent. (NMP) was added to prepare a low-viscosity active material slurry. That is, the active material slurry does not contain a resin component.

まず、NSF(表面が下地層11Bで覆われている集電体11A)の表面に活物質スラリーが配設された(スラリー配設工程)。すなわち、NSFの外面に活物質スラリーを滴下すると、活物質スラリーは多孔体であるNSFの内部に吸い込まれていった。適量のスラリーを滴下後に、60℃にて24時間の乾燥処理を行い、NSFの表面に活物質層11Cを配設した(乾燥工程)。   First, the active material slurry was disposed on the surface of NSF (current collector 11A whose surface is covered with base layer 11B) (slurry disposing step). That is, when the active material slurry was dropped onto the outer surface of the NSF, the active material slurry was sucked into the NSF that was a porous body. After dropping an appropriate amount of slurry, a drying process was performed at 60 ° C. for 24 hours, and the active material layer 11C was disposed on the surface of the NSF (drying step).

すなわち、低粘性の活物質スラリーは界面張力により、多孔質のNSFの孔の内部に隙間無く浸透する。このため、多孔質のNSFの孔の内面、すなわち、下地層11Bの表面を活物質層11Cで覆うことが容易である。   That is, the low-viscosity active material slurry penetrates into the pores of the porous NSF without any gap due to the interfacial tension. For this reason, it is easy to cover the inner surface of the porous NSF hole, that is, the surface of the base layer 11B with the active material layer 11C.

なお、乾燥温度は溶剤である、N−メチルピロリドンの沸点(202℃)よりも、低く設定されているため、溶剤は急激に蒸発することなく、緻密な活物質層11Cが配設された。もちろん、乾燥工程において、徐々に温度を上昇し、最終的に溶剤の沸点以上にまで加熱されてもよい。しかし、少なくとも溶剤の90重量%以上が蒸発するまでは乾燥温度は沸点以下に保持されることが好ましい。   Since the drying temperature was set lower than the boiling point (202 ° C.) of N-methylpyrrolidone, which is a solvent, the solvent was not rapidly evaporated, and the dense active material layer 11C was disposed. Of course, in the drying step, the temperature may be gradually increased and finally heated to the boiling point of the solvent or higher. However, it is preferred that the drying temperature be kept below the boiling point until at least 90% by weight of the solvent has evaporated.

なお、硫黄系活物質層11Cの硫黄量(担持量)は、活物質層配設工程の前後の重量測定から算出される。表面積が広い多孔体であるNSFの表面に配設された活物質層11Cの硫黄量は、2.0mg/cm以上の4.0mg/cmであった。 Note that the sulfur amount (supported amount) of the sulfur-based active material layer 11C is calculated from the weight measurement before and after the active material layer disposing step. The amount of sulfur in the active material layer 11C disposed on the surface of the NSF, which is a porous body having a large surface area, was 4.0 mg / cm 2 , which is 2.0 mg / cm 2 or more.

硫黄系カソード活物質は、電池10の動作電圧範囲で酸化/還元される、単体硫黄、硫化物、および、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。硫化物としては、MSx(M=Li、Ni、Cu、Fe、Ti、0<x≦2)が挙げられる。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。   The sulfur-based cathode active material includes at least one selected from the group consisting of elemental sulfur, sulfides, and organic sulfur compounds that are oxidized / reduced in the operating voltage range of the battery 10. Examples of the sulfide include MSx (M = Li, Ni, Cu, Fe, Ti, 0 <x ≦ 2). Organic sulfur compounds include organic disulfide compounds and carbon sulfide compounds.

図5Aおよび図5Bに、下地層11Bが活物質層11Cで覆われた集電体11Aの表面写真を示す。なお、以下、下地層11Bが活物質層11Cで覆われているNiフォームである集電体11Aを、「NSF−S」と表記することがある。   5A and 5B show surface photographs of the current collector 11A in which the base layer 11B is covered with the active material layer 11C. Hereinafter, the current collector 11A that is Ni foam in which the base layer 11B is covered with the active material layer 11C may be referred to as “NSF-S”.

図6に、「NF」、「NSF」および「NSF−S」の、X線回折結果を示す。「NF」では、Niピーク(44.4度、51.7度、76.3度)だけが確認された。「NSF」では、Niピークとニッケル硫化物(Ni)ピークが確認された。「NSF−S」では、さらに硫黄ピークが確認された。 FIG. 6 shows X-ray diffraction results of “NF”, “NSF”, and “NSF-S”. In “NF”, only Ni peaks (44.4 degrees, 51.7 degrees, 76.3 degrees) were confirmed. In “NSF”, a Ni peak and a nickel sulfide (Ni 3 S 2 ) peak were confirmed. In “NSF-S”, a sulfur peak was further confirmed.

なお、別途、行った、「NSF」のX線分光分析(XPS)では、ニッケル硫化物(Ni)のNi 2p(256.1eVおよび8737eV)のピークと、ニッケル硫化物(Ni)のS 2p(162.7eVおよび163.9eV)のピークが確認された。 In addition, in the X-ray spectroscopic analysis (XPS) of “NSF” performed separately, the peak of Ni 2p (256.1 eV and 8737 eV) of nickel sulfide (Ni 3 S 2 ) and nickel sulfide (Ni 3 S 2 ) S 2p (162.7 eV and 163.9 eV) peaks were confirmed.

また、エネルギー分散型X線分析(EDX)では、「NSF」の表面には、ニッケルおよび硫黄が均一に存在していた。   Further, in energy dispersive X-ray analysis (EDX), nickel and sulfur were uniformly present on the surface of “NSF”.

以上の解析結果から図7に示す構造が確認された。すなわち、ステップS11(下地層形成工程)において、NF(ニッケルフォーム)である集電体11Aの表面に、ニッケル硫化物層(下地層)11Bが形成され、ステップS12(カソード活物質配設工程)において、ニッケル硫化物層(Ni)11Bの表面が活物質層11Cで覆われる。 From the above analysis results, the structure shown in FIG. 7 was confirmed. That is, in step S11 (underlayer forming process), a nickel sulfide layer (underlayer) 11B is formed on the surface of the current collector 11A, which is NF (nickel foam), and step S12 (cathode active material disposing process). , The surface of the nickel sulfide layer (Ni 3 S 2 ) 11B is covered with the active material layer 11C.

すなわち、カソード11(NSF−S)は、集電体11Aの三次元表面に、下地層11Bと活物質層11Cとが積層された、三次元の階層構造を有する多孔性カソードである。なお、図7のNSFでは、一部の集電体11A:Ni(NF)が表面に露出し、NSF−Sでも一部のNi(NF)および下地層11Bが表面に露出しているが、実際には、例えば集電体11Aの全表面は下地層11B等により覆われている。   That is, the cathode 11 (NSF-S) is a porous cathode having a three-dimensional hierarchical structure in which the base layer 11B and the active material layer 11C are stacked on the three-dimensional surface of the current collector 11A. In the NSF of FIG. 7, a part of the current collector 11A: Ni (NF) is exposed on the surface, and a part of the Ni (NF) and the base layer 11B are exposed on the surface even in NSF-S. Actually, for example, the entire surface of the current collector 11A is covered with the base layer 11B and the like.

<ステップS13>電池作製工程
すでに説明したように、電解液14は、0.2M−LiNOを含むDOL/DMEに、1.0M−LiTFSAを溶解し作製した。電解液14としては、リチウム電池の電解液として知られている、リチウム塩を含む溶媒を用いることができる。
<Step S13> Battery Production Process As already described, the electrolyte solution 14 was produced by dissolving 1.0M-LiTFSA in DOL / DME containing 0.2M-LiNO 3 . As the electrolytic solution 14, a solvent containing a lithium salt, which is known as an electrolytic solution for a lithium battery, can be used.

アノード12には、リチウムを吸蔵脱離するリチウム金属箔を用いた。アノードは、リチウムに限られるものではなく、リチウムイオンを吸蔵放出可能なアノード活物質、例えば、炭素を有していてもよい。セパレータ13には、Celgard社製のCelgard(登録商標)2400(厚さ25μmのポリプロピレン微孔質膜)を用いた。セパレータとしては、例えば、ガラス繊維製セパレータ、ポリマーからなる多孔性シートまたは不織布を用いてもよい。   A lithium metal foil that occludes and desorbs lithium is used for the anode 12. The anode is not limited to lithium, and may have an anode active material capable of occluding and releasing lithium ions, for example, carbon. The separator 13 was Celgard (registered trademark) 2400 (a polypropylene microporous membrane having a thickness of 25 μm) manufactured by Celgard. As the separator, for example, a glass fiber separator, a porous sheet made of a polymer, or a nonwoven fabric may be used.

アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、NSF−Sからなるカソード11に電解液14を適量加え、60℃で60分間、電解液14をカソード11に浸漬させた。カソード11とアノード(負極)12とを、セパレータ13を介して積層し、さらに電解液14を注入した後、2032型のコインセルケース15(SUS304製、厚さ3.2mm)に封入し、アノード(対極)12の上にスプリング16を配置した。スプリング16の上から蓋17でコインセルケース15を封止し、図1に示す構造のリチウム硫黄電池10を作製した。   In a glove box under an argon atmosphere, an appropriate amount of the electrolyte solution 14 was added to the cathode 11 made of NSF-S, and the electrolyte solution 14 was immersed in the cathode 11 at 60 ° C. for 60 minutes. The cathode 11 and the anode (negative electrode) 12 are laminated via the separator 13, and after the electrolyte solution 14 is injected, the cathode 11 and the anode (negative electrode) 12 are sealed in a 2032 type coin cell case 15 (made of SUS304, thickness 3.2 mm). A spring 16 is disposed on the counter electrode 12. The coin cell case 15 was sealed with a lid 17 from above the spring 16 to produce the lithium-sulfur battery 10 having the structure shown in FIG.

電池10は、コイン型に限られるものではなく、公知の各種の構造、例えば、巻回型、またはラミネート型等でもよい。また電池10は複数の単位セル(カソード/電解液/アノード)を有していてもよいし、複数の単位セルからなるユニットを複数個有していてもよい。   The battery 10 is not limited to the coin type, and may be various known structures such as a wound type or a laminate type. The battery 10 may have a plurality of unit cells (cathode / electrolyte / anode), or may have a plurality of units composed of a plurality of unit cells.

なお、比較のため、電池10と同じような方法で、下地層11Bを形成しない集電体(NF)11Aの表面に活物質層11Cをコーティングしたカソードを有する電池110および下地層(Ni)11Bだけを形成した集電体をカソードとする電池210を作製した。 For comparison, a battery 110 having a cathode in which an active material layer 11C is coated on the surface of a current collector (NF) 11A on which a base layer 11B is not formed and a base layer (Ni 3 S) are formed in the same manner as the battery 10. 2 ) A battery 210 having a current collector on which only 11B was formed as a cathode was produced.

<電池の特性評価>
充放電試験は、温度は30℃、電流密度は1mA/cm、電圧範囲は、1.7V〜3.5V(vs.Li/Li)にて行った。
<Evaluation of battery characteristics>
The charge / discharge test was performed at a temperature of 30 ° C., a current density of 1 mA / cm 2 , and a voltage range of 1.7 V to 3.5 V (vs. Li / Li + ).

図8に、2回目の充放電結果を示す。下地層(Ni)11Bだけを形成した集電体(NF)11Aをカソードとする電池210は充放電できなかった。すなわち、電池10の動作電圧範囲(1.7V以上3.5V以下)においては、Niは電気化学的に安定で、酸化および還元されることがなかった。 FIG. 8 shows the second charge / discharge result. The battery 210 using the current collector (NF) 11A formed only with the base layer (Ni 3 S 2 ) 11B as a cathode could not be charged / discharged. That is, in the operating voltage range of the battery 10 (1.7 V to 3.5 V), Ni 3 S 2 was electrochemically stable and was not oxidized or reduced.

Niは、1.7V未満の電圧では還元されるため、正極活物質として使用されることがある。しかし、電池10は動作電圧範囲が、1.7V以上であるため、Niは、充放電が行われても、正極活物質としては機能せず、活物質層11Cの下地層11Bとしての機能を維持する。すなわち、下地層11Bは電気化学的に安定であり、充放電反応に直接には寄与しない。 Since Ni 3 S 2 is reduced at a voltage lower than 1.7 V, it may be used as a positive electrode active material. However, since the operating voltage range of the battery 10 is 1.7 V or more, Ni 3 S 2 does not function as a positive electrode active material even when charging / discharging is performed, and as the base layer 11B of the active material layer 11C. Maintain the function of. That is, the base layer 11B is electrochemically stable and does not directly contribute to the charge / discharge reaction.

一方、下地層11Bを形成しない集電体(NF)11Aに下地層11Bを形成しないで、活物質層11Cをコーティングしたカソード11を有する電池110の容量は、554mAh/g−Sであった。これに対して、電池10の容量は、664mAh/g−Sであった。   On the other hand, the capacity of the battery 110 having the cathode 11 coated with the active material layer 11C without forming the base layer 11B on the current collector (NF) 11A without forming the base layer 11B was 554 mAh / g-S. On the other hand, the capacity of the battery 10 was 664 mAh / g-S.

なお、上記容量は、硫黄担持量で規定した容量である。電池10の容量(エネルギー密度)は、担持している硫黄量に比例し、担持している硫黄量は、カソード11の表面積に略比例する。すでに説明したように、多孔体で三次元表面を有するカソード11は比表面積が広い。このため、カソード11は担持できる硫黄量が、4mg/cmであり、同じ平面視寸法の平板カソード(担持量0.3mg/cm)の10倍以上である。このため、電池10の容量(エネルギー密度)は、平板カソードを有する電池の10倍以上である。 In addition, the said capacity | capacitance is a capacity | capacitance prescribed | regulated with the amount of sulfur carrying. The capacity (energy density) of the battery 10 is proportional to the amount of sulfur carried, and the amount of sulfur carried is substantially proportional to the surface area of the cathode 11. As already described, the cathode 11 having a porous body and a three-dimensional surface has a large specific surface area. Therefore, the amount of sulfur that can be supported by the cathode 11 is 4 mg / cm 2, which is 10 times or more that of a flat cathode (supported amount 0.3 mg / cm 2 ) having the same planar view size. For this reason, the capacity | capacitance (energy density) of the battery 10 is 10 times or more of the battery which has a flat cathode.

図9は、充放電レート特性およびサイクル特性を示す。電池10は、1mA/cm〜5mA/cmの全ての電流密度で、電池110よりも高容量である。すなわち、電池10は、電池110よりも高速充電が可能で、大出力である。さらに、150サイクル試験後の容量も、電池10は441mAh/g−Sであり、電池110の309mAh/g−Sよりも大きい。 FIG. 9 shows charge / discharge rate characteristics and cycle characteristics. Battery 10 at all current densities of 1mA / cm 2 ~5mA / cm 2 , a higher capacity than the battery 110. That is, the battery 10 can be charged faster than the battery 110 and has a large output. Further, the capacity after the 150-cycle test is 441 mAh / g-S for the battery 10, which is larger than 309 mAh / g-S for the battery 110.

図10は、充放電サイクル特性を示す。電池10は、初期容量655mAh/g−Sであり、80サイクル後でも容量654mAh/g−Sと、殆ど容量変化がなく、クーロン効率も95%以上を維持した。これに対して、電池110は初期容量518mAh/g−Sに対して80サイクル後は容量480mAh/g−Sと容量が減少し、クーロン効率も91%であった。   FIG. 10 shows the charge / discharge cycle characteristics. The battery 10 had an initial capacity of 655 mAh / g-S, a capacity of 654 mAh / g-S even after 80 cycles, almost no change in capacity, and the Coulomb efficiency maintained at 95% or more. On the other hand, the capacity of the battery 110 decreased to 480 mAh / g-S after 80 cycles with respect to the initial capacity of 518 mAh / g-S, and the coulomb efficiency was 91%.

図11は、電池の交流インピーダンス測定により得られたナイキスプロットを示す。ナイキスプロットは、測定周波数を変化しながら測定した電池のインピーダンスZ‘、Z’‘を複素平面にプロットしたものである。ナイキスプロットの半円の直径は、電荷移動抵抗RCに相当する。   FIG. 11 shows a Nyquist plot obtained by measuring the AC impedance of the battery. The Nyquist plot is obtained by plotting the battery impedances Z ′ and Z ″ measured on the complex plane while changing the measurement frequency. The diameter of the semicircle of the Nyquist plot corresponds to the charge transfer resistance RC.

抵抗RCは、(電池110>電池10>電池210)である。すなわち、下地層11Bは、集電体11Aと活物質層11Cとの間の抵抗を低下する効果を有していた。   The resistance RC is (battery 110> battery 10> battery 210). That is, the base layer 11B has an effect of reducing the resistance between the current collector 11A and the active material layer 11C.

これは、下地層11Bを構成しているNiの比抵抗は、1.8×10−5Ωcmと低く、かつ、下地層11Bが、集電体11Aおよび活物質層11Cとの間の界面抵抗が低いためである。すなわち、下地層11Bは集電体11Aの表面の硫化反応により形成されているため、集電体11Aと完全に一体化している。さらに、樹脂成分を含まない活物質層11Cは、下地層11Bの表面に吸着され保持されている。 This is because the resistivity of Ni 3 S 2 constituting the underlayer 11B is as low as 1.8 × 10 −5 Ωcm, and the underlayer 11B is between the current collector 11A and the active material layer 11C. This is because the interface resistance is low. That is, since the base layer 11B is formed by the sulfurization reaction on the surface of the current collector 11A, it is completely integrated with the current collector 11A. Further, the active material layer 11C not containing the resin component is adsorbed and held on the surface of the base layer 11B.

ここで、多硫化リチウム溶液(1mM−Li/THF)は、黄色である。しかし、下地層11Bが形成された集電体(NSF)を、25℃、12時間浸漬すると、多硫化リチウム溶液は無色となった。すなわち、多硫化リチウムはNiからなる下地層11Bに吸着された。これに対して、下地層11Bが形成されていない集電体(NF)を多硫化リチウム溶液に浸漬しても、その色はほとんど変化しなかった。すなわち、Niからなる下地層11Bは、多硫化リチウムに対して強い吸着能力を有する。 Here, the lithium polysulfide solution (1 mM-Li 2 S 4 / THF) is yellow. However, when the current collector (NSF) on which the base layer 11B was formed was immersed for 12 hours at 25 ° C., the lithium polysulfide solution became colorless. That is, lithium polysulfide was adsorbed on the base layer 11B made of Ni 3 S 2 . On the other hand, even when the current collector (NF) on which the base layer 11B was not formed was immersed in the lithium polysulfide solution, the color hardly changed. That is, the foundation layer 11B made of Ni 3 S 2 has a strong adsorption capability for lithium polysulfide.

以上の結果から、本実施形態のカソード11を具備する電池10が、初期容量およびレート特性に優れている一因は、集電体11Aの表面の硫化反応により形成されている下地層11Bと、溶剤の乾燥工程により配設された樹脂成分を含まない活物質層11Cと、を有し、電荷移動抵抗RCが低いためである。   From the above results, the reason why the battery 10 including the cathode 11 of the present embodiment is excellent in initial capacity and rate characteristics is that the base layer 11B formed by the sulfurization reaction on the surface of the current collector 11A, This is because it has an active material layer 11C that does not contain a resin component and is disposed in the solvent drying step, and has a low charge transfer resistance RC.

そして、電池10が、サイクル特性に優れているのは、カソード11の下地層11BのNiが多硫化リチウムを吸着するアンカー効果を有するため、溶媒に溶解しにくいためである。 The reason why the battery 10 is excellent in cycle characteristics is that Ni 3 S 2 of the base layer 11B of the cathode 11 has an anchor effect of adsorbing lithium polysulfide and is therefore difficult to dissolve in a solvent.

すなわち、リチウム硫黄電池10のカソード11の下地層11Bは、活物質層11Cが集電体11Aから剥離するのを防止する密着性改善効果だけでなく、電気的な抵抗減少効果および多硫化リチウムの吸着効果を有する。言い替えれば、下地層11BがNiからなる実施形態のカソードは、多孔体ではなく、平板状であっても、電池の初期容量、レート特性およびサイクル特性は優れている。 That is, the base layer 11B of the cathode 11 of the lithium-sulfur battery 10 has not only an adhesive improvement effect that prevents the active material layer 11C from peeling from the current collector 11A, but also an electrical resistance reduction effect and lithium polysulfide effect. Has an adsorption effect. In other words, even if the cathode of the embodiment in which the base layer 11B is made of Ni 3 S 2 is not a porous body but is flat, the initial capacity, rate characteristics, and cycle characteristics of the battery are excellent.

以上の説明のように、本実施形態のリチウム硫黄電池のカソードの製造方法によれば、高性能なリチウム硫黄電池のカソードを提供できる。   As described above, according to the method for manufacturing the cathode of the lithium-sulfur battery of the present embodiment, a cathode of a high-performance lithium-sulfur battery can be provided.

そして、電池10はカソード11が表面積の広い多孔体であるため、電池の容量(エネルギー密度)が大きい。   The battery 10 has a large capacity (energy density) because the cathode 11 is a porous body having a large surface area.

なお、高エネルギー密度(大容量)の実施形態のリチウム硫黄電池のカソードは、表面積の広い多孔体からなる集電体11Aの表面の金属から硫化反応により下地層を形成する工程と、下地層の全面を覆う活物質層11Cをコーティングする工程と、を具備する製造方法により得られる。例えば、表面がチタンからなる三次元網目構造を有する集電体にも、硫黄を含む水溶液を用いた、100℃超1気圧超で行われる水熱硫化処理により、硫化チタン(TiS)からなる下地層を形成できる。なお、TiSからなる下地層を有する電池では、動作電圧範囲はTiSが電気化学的に安定な範囲に設定される。 The cathode of the lithium-sulfur battery according to the embodiment having a high energy density (large capacity) includes a step of forming a base layer by a sulfurization reaction from a metal on the surface of the current collector 11A made of a porous body having a large surface area, And a step of coating the active material layer 11C covering the entire surface. For example, a current collector having a three-dimensional network structure whose surface is made of titanium is also made of titanium sulfide (TiS 2 ) by hydrothermal sulfidation treatment using an aqueous solution containing sulfur and exceeding 100 ° C. and exceeding 1 atm. An underlayer can be formed. In the battery having the underlayer made of TiS 2, operating voltage range TiS 2 is set to the electrochemically stable range.

<変形例>
実施形態の変形例のリチウム硫黄電池10A、リチウム硫黄電池のカソード、およびリチウム硫黄電池のカソードの製造方法(電池等)は、実施形態の電池10等と類似し同じ効果を有しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
<Modification>
Since the lithium-sulfur battery 10A of the modification of the embodiment, the cathode of the lithium-sulfur battery, and the method for manufacturing the cathode of the lithium-sulfur battery (battery etc.) are similar to the battery 10 etc. of the embodiment and have the same effects, Components having the same function are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

変形例の電池10Aは、電解液14Aが、多硫化リチウムLiの溶解度(25℃)が、硫黄として1000mM以下の溶媒和イオン液体である。 In the battery 10A of the modification, the electrolytic solution 14A is a solvated ionic liquid having a solubility (25 ° C.) of lithium polysulfide Li 2 S 8 of 1000 mM or less as sulfur.

溶媒和イオン液体は、エーテルとリチウム塩とが錯体を形成しており、難揮発性、低粘性、高リチウムイオン濃度、高いリチウムイオン導電性を有する。   In the solvated ionic liquid, ether and lithium salt form a complex, and have low volatility, low viscosity, high lithium ion concentration, and high lithium ion conductivity.

溶媒和イオン液体のエーテルには、テトラヒドロフラン(THF)、モノグライム(G1:1,2‐ジメトキシエタン)、ジグライム(G2:ジエチレングリコールジメチルエーテル)、トリグライム(G3:トリエチレングリコールジメチルエーテル)、または、テトラグライム(G4:テトラエチレングリコールジメチルエーテル)等を用いる。リチウム金属塩としては、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド (LiTFSA)等を用いる。   Solvated ionic liquid ethers include tetrahydrofuran (THF), monoglyme (G1: 1,2-dimethoxyethane), diglyme (G2: diethylene glycol dimethyl ether), triglyme (G3: triethylene glycol dimethyl ether), or tetraglyme (G4). : Tetraethylene glycol dimethyl ether) or the like. As the lithium metal salt, lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (LiTFSA) or the like is used.

溶媒和イオン液体に、さらに溶媒を添加してもよい。添加溶媒には、フッ素系溶媒である、HFCFCHC−O−CFCFH、及び、FCHC−O−CFCFHなどのハイドロフルオロエーテル(HFE)が例示される。溶媒の添加量は、例えば、イオン伝導率(30℃)が、0.1mS/cm以上、粘度(30℃)が、10mPa・s以下となるように設定される。 A solvent may be further added to the solvated ionic liquid. Examples of the additive solvent include hydrofluoroethers (HFE) such as HF 2 CF 2 CH 2 C—O—CF 2 CF 2 H and F 3 CH 2 C—O—CF 2 CF 2 H, which are fluorine-based solvents. Is exemplified. The amount of the solvent added is set so that, for example, the ionic conductivity (30 ° C.) is 0.1 mS / cm or more and the viscosity (30 ° C.) is 10 mPa · s or less.

例えば、電解液14Aは、エーテルとしてテトラグライム(G4)を、金属塩として、G4と等モルのLiTFSAを、添加溶媒としてリチウムの4倍モルのハイドロフルオロエーテル(HFE)を用いた。すなわち、電解液14Aは、化学式で示すと、[Li(G4)][TFSA]−4HFEで示される。   For example, in the electrolyte solution 14A, tetraglyme (G4) was used as an ether, LiTFSA equimolar to G4 as a metal salt, and hydrofluorether (HFE) 4 times as much as lithium as an additive solvent. That is, the electrolyte solution 14A is represented by [Li (G4)] [TFSA] -4HFE in chemical formula.

電解液への多硫化リチウムの溶解度測定には、まず、過剰量の多硫化リチウムLiを添加した電解液を、遠心分離し、多硫化リチウム飽和溶液を採取した。なお、Liは、多硫化リチウムの中でも有機溶媒への溶解度が最も大きいことが知られている。そして、この飽和溶液中の多硫化リチウムを硫黄に酸化し、硫黄の可視吸収スペクトルから、硫黄としての溶解度を算出した。 To measure the solubility of lithium polysulfide in the electrolytic solution, first, the electrolytic solution to which an excess amount of lithium polysulfide Li 2 S 8 was added was centrifuged to collect a saturated lithium polysulfide solution. Li 2 S 8 is known to have the highest solubility in organic solvents among lithium polysulfides. And the lithium polysulfide in this saturated solution was oxidized to sulfur, and the solubility as sulfur was calculated from the visible absorption spectrum of sulfur.

電解液14Aの多硫化リチウムLiの溶解度(25℃)は、硫黄として61.7mMであった。なお、[Li(G4)]/[TFSA]系電解液において、Li/G4=1.5では、前記溶解度は5.7mMであった。これに対して、Li/G4=0.8の電解液では溶解度は1659mMであり、Li/G4=0.25では、溶解度は6046mMであった。すなわち、溶媒和イオン液体においても組成により、多硫化リチウムの溶解度は増減する。電解液14Aは、多硫化リチウムの溶解度(25℃)が硫黄として1000mM以下の溶媒和イオン液体から選択される。 The solubility of lithium polysulphides Li 2 S 8 of electrolyte 14A (25 ° C.) was 61.7mM as sulfur. In the [Li (G4)] / [TFSA] electrolyte solution, when Li / G4 = 1.5, the solubility was 5.7 mM. On the other hand, the solubility of Li / G4 = 0.8 was 1659 mM, and that of Li / G4 = 0.25 was 6046 mM. That is, the solubility of lithium polysulfide also increases or decreases depending on the composition of the solvated ionic liquid. The electrolytic solution 14A is selected from solvated ionic liquids having a lithium polysulfide solubility (25 ° C.) of 1000 mM or less as sulfur.

電池10Aは、電解液14Aが多硫化リチウムの溶解度が小さいため、電池10よりも更にサイクル特性がよい。   Battery 10A has better cycle characteristics than battery 10 because electrolyte solution 14A has a low solubility of lithium polysulfide.

本発明は、上述した各実施例等に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、組み合わせ、および応用が可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications, combinations, and applications are possible without departing from the spirit of the invention.

10、10A・・・リチウム硫黄電池
11・・・カソード
11A・・・集電体
11B・・・下地層
11C・・・硫黄系活物質層
12・・・アノード
13・・・セパレータ
14、14A・・・電解液
14A・・・電解液
15・・・コインセルケース
16・・・スプリング
17・・・蓋
18・・・ガスケット
10, 10A ... Lithium sulfur battery 11 ... Cathode 11A ... Current collector 11B ... Underlayer 11C ... Sulfur-based active material layer 12 ... Anode 13 ... Separator 14, 14A .... Electrolyte 14A ... Electrolyte 15 ... Coin cell case 16 ... Spring 17 ... Lid 18 ... Gasket

Claims (16)

集電体の表面の金属を、硫化反応により金属硫化物からなる下地層に化学変化する下地層形成工程と、
前記下地層の表面に、硫黄系活物質層をコーティングする活物質配設工程と、を具備することを特徴とするリチウム硫黄電池のカソードの製造方法。
A base layer forming step in which the metal on the surface of the current collector is chemically changed to a base layer made of metal sulfide by a sulfurization reaction;
An active material disposing step of coating a surface of the underlayer with a sulfur-based active material layer. A method for producing a cathode of a lithium-sulfur battery, comprising:
前記下地層形成工程が、硫黄を含む水溶液を用いて、100℃超1気圧超で行われる水熱処理工程であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム硫黄電池のカソードの製造方法。   The method for producing a cathode of a lithium-sulfur battery according to claim 1, wherein the underlayer forming step is a hydrothermal treatment step using an aqueous solution containing sulfur and exceeding 100 ° C and exceeding 1 atm. 前記集電体が、多孔体であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のリチウム硫黄電池のカソードの製造方法。   The method for producing a cathode of a lithium-sulfur battery according to claim 1 or 2, wherein the current collector is a porous body. 前記活物質配設工程が、硫黄系カソード活物質と溶剤とを含むスラリーを前記下地層に配設するスラリー配設工程と、前記溶剤を蒸発する乾燥工程と、を含むことを特徴とする請求項3に記載のリチウム硫黄電池のカソードの製造方法。   The active material disposing step includes a slurry disposing step of disposing a slurry containing a sulfur-based cathode active material and a solvent on the underlayer, and a drying step of evaporating the solvent. Item 4. A method for producing a cathode of a lithium-sulfur battery according to Item 3. 前記硫黄系活物質層が、樹脂成分を含んでいないことを特徴とする請求項4に記載のリチウム硫黄電池のカソードの製造方法。   The method for producing a cathode of a lithium-sulfur battery according to claim 4, wherein the sulfur-based active material layer does not contain a resin component. 前記金属硫化物が、動作電圧範囲で電気化学的に安定であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のリチウム硫黄電池のカソードの製造方法。   The method for producing a cathode of a lithium-sulfur battery according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal sulfide is electrochemically stable in an operating voltage range. 前記動作電圧範囲が、1.7V以上3.5V以下であることを特徴とする請求項6に記載のリチウム硫黄電池のカソードの製造方法。   The method for producing a cathode of a lithium-sulfur battery according to claim 6, wherein the operating voltage range is 1.7 V or more and 3.5 V or less. 前記集電体の表面の金属が、Niであり、
前記金属硫化物が、Niであることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のリチウム硫黄電池のカソードの製造方法。
The metal on the surface of the current collector is Ni,
The metal sulfide, Ni 3 cathodes of the method for manufacturing a lithium sulfur battery claimed in any one of claims 7, characterized in that the S 2.
請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のリチウム硫黄電池のカソードの製造方法により製造されたことを特徴とするリチウム硫黄電池のカソード。   A cathode for a lithium-sulfur battery manufactured by the method for manufacturing a cathode for a lithium-sulfur battery according to any one of claims 1 to 8. 多孔体である集電体と、前記集電体の表面を覆う、前記集電体と同じ金属の金属硫化物からなる下地層と、前記下地層を覆う硫黄系活物質層と、を具備することを特徴とするリチウム硫黄電池のカソード。   A current collector that is a porous body; a base layer made of a metal sulfide of the same metal as the current collector that covers a surface of the current collector; and a sulfur-based active material layer that covers the base layer. A cathode of a lithium-sulfur battery characterized by that. 前記硫黄系活物質層が、樹脂成分を含んでいないことを特徴とする請求項10に記載のリチウム硫黄電池のカソード。   The cathode of a lithium sulfur battery according to claim 10, wherein the sulfur-based active material layer does not contain a resin component. 前記金属硫化物が、動作電圧範囲で電気化学的に安定であることを特徴とする請求項10または請求項11に記載のリチウム硫黄電池のカソード。   The cathode of a lithium-sulfur battery according to claim 10 or 11, wherein the metal sulfide is electrochemically stable in an operating voltage range. 前記動作電圧範囲が、1.7V以上3.5V以下であることを特徴とする請求項12に記載のリチウム硫黄電池のカソード。   The cathode of the lithium sulfur battery according to claim 12, wherein the operating voltage range is 1.7V or more and 3.5V or less. 前記集電体の表面の金属が、Niであり、
前記金属硫化物が、Niであることを特徴とする請求項10から請求項13のいずれか1項に記載のリチウム硫黄電池のカソード。
The metal on the surface of the current collector is Ni,
14. The cathode of a lithium sulfur battery according to claim 10, wherein the metal sulfide is Ni 3 S 2 .
請求項9から請求項14のいずれか1項に記載のリチウム硫黄電池のカソードと、電解液と、リチウムを吸蔵脱離するアノード活物質を含むアノードと、を具備することを特徴とするリチウム硫黄電池。   A lithium-sulfur battery comprising: the cathode of the lithium-sulfur battery according to any one of claims 9 to 14; an electrolyte; and an anode containing an anode active material that absorbs and desorbs lithium. battery. 前記電解液が、多硫化リチウムLiの溶解度(25℃)が、硫黄として1000mM以下の溶媒和イオン液体であることを特徴とする請求項15に記載のリチウム硫黄電池。 The lithium-sulfur battery according to claim 15, wherein the electrolyte is a solvated ionic liquid having a solubility (25 ° C.) of lithium polysulfide Li 2 S 8 of 1000 mM or less as sulfur.
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