JP2021136126A - Composite material, positive electrode for lithium sulfur battery, lithium sulfur battery, and method for manufacturing composite material - Google Patents

Composite material, positive electrode for lithium sulfur battery, lithium sulfur battery, and method for manufacturing composite material Download PDF

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正司 石川
Masaji Ishikawa
正司 石川
剛 殿納屋
Takeshi Tonoya
剛 殿納屋
由紀子 松井
Yukiko Matsui
由紀子 松井
英範 日名子
Hidenori Hinako
英範 日名子
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Abstract

To provide a composite material for a positive electrode of a lithium sulfur battery, by which a large discharge capacity per unit mass of sulfur and a superior cycle characteristic can be realized in a lithium sulfur battery.SOLUTION: A composite material for a positive electrode of a lithium sulfur battery comprises: a porous carbon material; sulfur; and a metal oxide. The porous carbon material is 0.3 mass% or more in nitrogen content, of which the specific surface area obtained by BET method of a nitrogen-adsorbing/desorbing method is 1000 m2/g or larger, and the pore volume obtained Quenched Solid Density Functional Theory Method (QSDFT) is 0.45 cm3/g or larger.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、複合材料、リチウム硫黄電池用の正極、リチウム硫黄電池、及び複合材料の製造方法に関する。 The present invention relates to composite materials, positive electrodes for lithium-sulfur batteries, lithium-sulfur batteries, and methods for producing composite materials.

リチウムイオン二次電池は、非水電解質としてリチウム塩の有機電解液を用いており、軽量でエネルギー密度が高く、携帯電話又はノートパソコンの電源として利用されており、今後はハイブリッド車に代表される電動自動車等の移動体用の電源としての利用も期待されている。
そのため、近年では、容量密度がより高く、しかも低コストである電池に対する要求がますます高まっている。
Lithium-ion secondary batteries use an organic electrolyte of lithium salt as a non-aqueous electrolyte, are lightweight and have high energy density, and are used as a power source for mobile phones or laptop computers. In the future, they will be represented by hybrid vehicles. It is also expected to be used as a power source for moving objects such as electric vehicles.
Therefore, in recent years, there has been an increasing demand for batteries having a higher capacity density and a lower cost.

一般に、リチウムイオン二次電池の正極活物質としては、Co、Ni、Mn、Fe等とLiとを含む金属酸化物が用いられているが、近年、これらの正極活物質に代えて、理論的な容量密度が極めて高く、しかも低コストである硫黄を正極活物質に用いるリチウム硫黄電池の開発が行われている。 Generally, as the positive electrode active material of a lithium ion secondary battery, a metal oxide containing Co, Ni, Mn, Fe and the like and Li is used, but in recent years, instead of these positive electrode active materials, theoretically A lithium-sulfur battery using sulfur as a positive electrode active material, which has an extremely high capacity density and is low in cost, is being developed.

リチウム硫黄電池は、硫黄系化合物を正極活物質として用い、リチウムのようなアルカリ金属又はリチウムイオン等の金属イオンの挿入脱離が起こる物質、例えばシリコンを負極活物質として用いる二次電池である。
硫黄の酸化還元反応は可逆的であり、反応電子数が多いことから、1672mAh/gという金属酸化物正極の約10倍の高い理論容量を持っている。
A lithium-sulfur battery is a secondary battery in which a sulfur-based compound is used as a positive electrode active material, and a substance in which an alkali metal such as lithium or a metal ion such as lithium ion is inserted and removed, for example, silicon is used as a negative electrode active material.
Since the redox reaction of sulfur is reversible and the number of reaction electrons is large, it has a theoretical capacity of 1672 mAh / g, which is about 10 times higher than that of a metal oxide positive electrode.

しかしながら、リチウムと硫黄から成る正極活物質には、下記の問題点が存在する。
まず、リチウムと硫黄から成る正極活物質は、電気伝導性に乏しいため、表面に近い部分のみでしか電子の授受を行えず、電気化学的酸化還元反応に関与する硫黄の利用率が低くなるため、電池容量が低くなってしまうという問題点を有している。
また、充放電中の反応によって、式;Li2x(式中、xは4〜8)で表されるリチウムポリスルフィドが電解液へ溶出してしまい、正極上に存在する硫黄を損失してしまう原因となり、これに伴い、リチウム硫黄電池の容量が低下する、という問題点を有している。かかるリチウム硫黄電池の容量低下を防ぐためには、Li2xの溶出を止めることが望ましい。
However, the positive electrode active material composed of lithium and sulfur has the following problems.
First, since the positive electrode active material consisting of lithium and sulfur has poor electrical conductivity, electrons can be transferred only to the part near the surface, and the utilization rate of sulfur involved in the electrochemical redox reaction is low. , There is a problem that the battery capacity becomes low.
Further, due to the reaction during charging and discharging, the lithium polysulfide represented by the formula; Li 2 S x (x is 4 to 8 in the formula) is eluted into the electrolytic solution, and the sulfur existing on the positive electrode is lost. This causes a problem that the capacity of the lithium-sulfur battery is reduced accordingly. To prevent degradation capacity of such lithium-sulfur batteries, it is desirable to stop the dissolution of Li 2 S x.

上述した問題点を解決する技術として、導電性材料である炭素材料と硫黄とを複合化する技術が提案されている。
炭素材料と硫黄を複合化した複合体を得、これを正極の活物質とする技術としては、例えば、粒子径75μm以下の硫黄及び/又は硫黄化合物の粒子、並びに、中空構造を有する所定の炭素微粒子を原料とし、これらをメカノフュージョンにより複合化して形成された、硫黄及び/又は硫黄化合物の粒子を核とし、かつその表面に炭素微粒子層を有する構成の複合体を得、これを正極の活物質として用いる技術が開示されている(特許文献1、2参照)。
As a technique for solving the above-mentioned problems, a technique for combining carbon material, which is a conductive material, and sulfur has been proposed.
As a technique for obtaining a composite of a carbon material and sulfur and using this as an active material for a positive electrode, for example, particles of sulfur and / or a sulfur compound having a particle diameter of 75 μm or less, and a predetermined carbon having a hollow structure are used. A composite having a structure in which fine particles are used as a raw material and these are composited by mechanofusion to form a sulfur and / or sulfur compound particles as a nucleus and a carbon fine particle layer is provided on the surface thereof is obtained, and this is used as the activity of the positive electrode. Techniques used as substances are disclosed (see Patent Documents 1 and 2).

また、チオ硫酸ナトリウムを水に溶解させ、これに無水酢酸を添加して水溶液とし、さらにカーボンブラックを添加して混合し、水溶液のままメカノケミカル法で混合し、遠心分離及び濾過を行い、上澄みを除去し、濾残をカーボンブラック−硫黄ナノ粒子複合体として得、当該複合体を、リチウム硫黄電池の正極の活物質として用いる技術が開示されている(特許文献3参照)。
かかる技術は、強力なずり応力及び遠心力を加えることで反応させて、炭素材料と硫黄を複合化し、複合体を得る技術である。
In addition, sodium thiosulfate is dissolved in water, anhydrous acetic acid is added to make an aqueous solution, carbon black is further added and mixed, and the aqueous solution is mixed by the mechanochemical method, centrifuged and filtered, and the supernatant is obtained. Is disclosed, and a technique is disclosed in which a filter residue is obtained as a carbon black-sulfur nanoparticle composite, and the composite is used as an active material for a positive electrode of a lithium-sulfur battery (see Patent Document 3).
Such a technique is a technique for obtaining a composite by compounding a carbon material and sulfur by reacting them by applying strong shear stress and centrifugal force.

一方、本発明者らは、硫黄と活性炭を155℃で5時間加熱することによって、炭素材料へ硫黄を融解拡散させることにより、硫黄を31%含む活性炭から成る複合体を作製する技術を見出している(非特許文献1参照)。 On the other hand, the present inventors have found a technique for producing a composite composed of activated carbon containing 31% sulfur by melting and diffusing sulfur into a carbon material by heating sulfur and activated carbon at 155 ° C. for 5 hours. (See Non-Patent Document 1).

さらに本発明者らは、窒素含有炭素材料を薬品賦活して、窒素含有の多孔質炭素材料を炭素材料として用い、得られた炭素材料へ硫黄を融解拡散させることにより、硫黄と複合化する技術を見出している(特許文献4参照)。 Furthermore, the present inventors have developed a technique in which a nitrogen-containing carbon material is chemically activated, a nitrogen-containing porous carbon material is used as a carbon material, and sulfur is melted and diffused in the obtained carbon material to be composited with sulfur. (See Patent Document 4).

前記特許文献4に開示されている技術において、窒素含有の多孔質炭素材料を用いて得られた「炭素材料と硫黄との複合体」は、硫黄の担持量が54〜62質量%と大きく、これをリチウム硫黄電池の正極活物質として用いた場合、硫黄質量当たりの容量、及び硫黄と炭素材料を含む複合体当たりの容量が大きく、かつサイクル特性に優れている、という利点を有している。 In the technique disclosed in Patent Document 4, the "composite of carbon material and sulfur" obtained by using the nitrogen-containing porous carbon material has a large sulfur carrying amount of 54 to 62% by mass. When this is used as the positive electrode active material of a lithium-sulfur battery, it has the advantages of having a large capacity per sulfur mass and a capacity per composite containing sulfur and a carbon material, and having excellent cycle characteristics. ..

一方、MnO2を中空カーボンナノファイバーに充填した複合体を、正極材料として用いる技術が開示されている(非特許文献2参照)。当該技術においては、MnO2を中空カーボンナノファイバーに充填した複合体に、融解した硫黄を充填することにより硫黄と複合化をさせている。非特許文献2中には、MnO2をLi2x(式中、xは4〜8)と化学結合させることにより、Li2xの溶出を抑制してサイクル特性を向上させる、との記載がなされている。 On the other hand, a technique of using a composite in which MnO 2 is filled in hollow carbon nanofibers as a positive electrode material is disclosed (see Non-Patent Document 2). In this technique, a composite in which MnO 2 is filled in hollow carbon nanofibers is filled with molten sulfur to be composited with sulfur. Non-Patent Document 2 states that by chemically bonding MnO 2 to Li 2 S x (x is 4 to 8 in the formula), the elution of Li 2 S x is suppressed and the cycle characteristics are improved. There is a description.

特開2006−92881号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-92881 特開2006−92883号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-92883 特開2012−204332号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-204332 特開2018−39685号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-39685

Progress in Natural Science: Materials International, 25, 612−621(2015)Progress in Natural Science: Materials International, 25, 612-621 (2015) Angew. Chem. Int. Ed., 54, 12886−12890(2015)Angew. Chem. Int. Ed., 54, 12886-12890 (2015)

しかしながら、特許文献1及び2に記載の、メカノフュージョンにより複合化して形成した硫黄及び/又は硫黄化合物の粒子を核とし、表面に炭素微粒子層を有する構成の複合体を正極の活物質として用いたリチウム硫黄電池は、硫黄のほとんどが、炭素材料の外表面に堆積するか、又は遊離の硫黄として存在するために、未だ従来技術の問題点を十分に解決できておらず、硫黄の利用率が低く、硫黄質量当たりの容量が小さい、という問題点を有しており、さらには硫黄がLi2xとして溶出するためにサイクル特性が著しく低いという問題点を有している。 However, a composite having a sulfur and / or sulfur compound particles formed by complexing with mechanofusion described in Patent Documents 1 and 2 as a nucleus and a carbon fine particle layer on the surface was used as an active material for a positive electrode. In lithium-sulfur batteries, most of the sulfur is deposited on the outer surface of the carbon material or exists as free sulfur, so the problems of the prior art have not yet been sufficiently solved, and the sulfur utilization rate is high. It has a problem that it is low and the capacity per sulfur mass is small, and further, it has a problem that the cycle characteristics are remarkably low because sulfur is eluted as Li 2 S x.

また、特許文献3に記載されている技術は、硫黄質量当たりの容量が小さく、また、硫黄含有量が22.9質量%と低いため、硫黄と炭素材料を含む複合体の質量当たりの容量が小さい、という問題点を有している。また、特許文献3に記載されている技術によって得られた複合体を正極の活物質として含むリチウム硫黄電池のサイクル特性も実用上不十分である、という問題点を有している(特許文献3の図10参照)。 Further, in the technique described in Patent Document 3, the capacity per mass of sulfur is small, and the sulfur content is as low as 22.9 mass%, so that the capacity per mass of the composite containing sulfur and the carbon material is high. It has the problem of being small. Further, there is a problem that the cycle characteristics of the lithium-sulfur battery containing the composite obtained by the technique described in Patent Document 3 as the active material of the positive electrode are also practically insufficient (Patent Document 3). See FIG. 10).

さらに非特許文献1に記載されている複合体を正極活物質として用いたリチウム硫黄電池は、硫黄質量当たりの容量は比較的大きいが、硫黄含有量が31質量%であるため、硫黄と炭素材料を含む複合体の質量当たりの容量が低いという問題点を有している。 Further, a lithium-sulfur battery using the composite described in Non-Patent Document 1 as a positive electrode active material has a relatively large capacity per sulfur mass, but has a sulfur content of 31% by mass, so that it is a sulfur and carbon material. It has a problem that the capacity per mass of the complex containing the above is low.

さらにまた、特許文献4に記載されている技術により得られる複合体は、特許文献1〜3や非特許文献1に記載されている技術により得られる複合体に比べて、硫黄の担持量が大きく、これをリチウム硫黄電池の正極活物質として用いた場合、硫黄質量当たりの容量、及び硫黄と炭素材料を含む複合体当たりの容量が大きい。しかしながら、サイクル特性は不十分である、という問題点を有している。 Furthermore, the complex obtained by the technique described in Patent Document 4 has a larger amount of sulfur carried than the complex obtained by the technique described in Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Document 1. When this is used as the positive electrode active material of a lithium-sulfur battery, the capacity per sulfur mass and the capacity per composite containing sulfur and a carbon material are large. However, it has a problem that the cycle characteristics are insufficient.

一方、非特許文献2に記載されている技術により得られる複合体は、中空カーボンナノファイバーを活物質に用いているが、一方において、リチウムイオン二次電池は前述のように携帯電話、ノートパソコン、電動自動車等の移動体用の電源として利用されるため、電池の体積当たりの放電容量が重視される。カーボンナノファイバーは、かさ密度が非常に低いために体積当たりの放電容量が著しく低くなり、電池の活物質としては実用的でない。特に中空カーボンナノファイバーを用いた場合には、より一層、体積当たりの放電容量が低くなる、という問題点を有している。
また、非特許文献2に記載されている技術により得られる複合体は、製造方法が複雑である、という問題点も有している。具体的には、まず平均直径約35nm均一なMnO2ナノワイヤを製造し、ついでシリカをコーティングし、その後、レゾルシノールホルムアルデヒド(RF)樹脂でコーティングした後に、窒素雰囲気で焼成する。次に、NaOH水溶液でシリカを除去することにより、MnO2を中空カーボンナノファイバーに充填した複合体を製造し、得られた複合体に融解した硫黄を充填して複合化をさせている。
On the other hand, the composite obtained by the technique described in Non-Patent Document 2 uses hollow carbon nanofibers as an active material, while the lithium ion secondary battery is a mobile phone or a notebook computer as described above. Since it is used as a power source for moving objects such as electric vehicles, the discharge capacity per volume of the battery is emphasized. Since carbon nanofibers have a very low bulk density, the discharge capacity per volume is significantly low, which makes them impractical as active materials for batteries. In particular, when hollow carbon nanofibers are used, there is a problem that the discharge capacity per volume is further lowered.
Further, the composite obtained by the technique described in Non-Patent Document 2 has a problem that the manufacturing method is complicated. Specifically, MnO 2 nanowires having a uniform average diameter of about 35 nm are first produced, then coated with silica, then coated with resorcinol formaldehyde (RF) resin, and then fired in a nitrogen atmosphere. Next, by removing silica with an aqueous NaOH solution, a composite in which MnO 2 is filled in hollow carbon nanofibers is produced, and the obtained composite is filled with molten sulfur to form a composite.

そこで本発明においては、上述した従来技術の問題点に鑑み、中空カーボンナノファイバーを活物質として用いずに、硫黄質量当たりの放電容量が大きく、優れたサイクル特性を有するリチウム硫黄電池の正極用の複合材料、当該複合材料を用いた正極、及び当該正極を用いたリチウム硫黄電池、及び簡易な複合材料の製造方法、を提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, in view of the above-mentioned problems of the prior art, it is used for the positive electrode of a lithium-sulfur battery having a large discharge capacity per sulfur mass and excellent cycle characteristics without using hollow carbon nanofibers as an active material. It is an object of the present invention to provide a composite material, a positive electrode using the composite material, a lithium-sulfur battery using the positive electrode, and a simple method for producing the composite material.

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を行った結果、特定の窒素含有量を有し、かつ特定の構造を有する多孔質炭素材料、硫黄及び金属酸化物を含む複合材料をリチウム硫黄電池用の正極の活物質に用いることにより、上述した従来技術の問題点を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、下記のとおりである。
As a result of diligent studies to achieve the above object, the present inventors have obtained a porous carbon material having a specific nitrogen content and a specific structure, and a composite material containing sulfur and a metal oxide. It has been found that the above-mentioned problems of the prior art can be solved by using it as an active material for a positive electrode for a lithium-sulfur battery, and the present invention has been completed.
That is, the present invention is as follows.

〔1〕
リチウム硫黄電池の正極用の複合材料であって、
多孔質炭素材料、硫黄、及び金属酸化物を含み、
前記多孔質炭素材料は、窒素含有量が0.3質量%以上であり、窒素吸脱着法のBET法で得られる比表面積が1000m2/g以上であり、急冷固相密度関数法(QSDFT)により得られる細孔容積が0.45cm3/g以上である、
複合材料。
〔2〕
前記金属酸化物が、Mn及びTiからなる群より選択される1種類以上の酸化物である、前記〔1〕に記載の複合材料。
〔3〕
前記〔1〕又は〔2〕に記載の複合材料を含有するリチウム硫黄電池用の正極。
〔4〕
前記〔3〕に記載の正極を具備するリチウム硫黄電池。
〔5〕
前記〔1〕又は〔2〕に記載の複合材料の製造方法であって、
窒素含有量が0.3質量%以上、窒素吸脱着法のBET法で得られる比表面積が1000m2/g以上、かつ急冷固相密度関数法(QSDFT)により得られる細孔容積が0.45cm3/g以上である多孔質炭素材料と、硫黄と、金属酸化物と、を、混合する工程と、
前記硫黄を融解し、前記多孔質炭素材料に充填する工程と、
を、有する、
複合材料の製造方法。
〔6〕
窒素含有炭素材料を賦活することにより前記多孔質炭素材料を得る賦活工程を有し、
前記賦活工程において、
下記(I)式:
窒素含有量の減少率(質量%)=((B−A)/B)×100 (I)
(式(I)において、Aは前記多孔質炭素材料中のXPSで測定される窒素含有量(質量%)であり、Bは前記窒素含有炭素材料中のXPSで測定される窒素含有量(質量%)である。)
で定義される窒素含有量の減少率が、30〜99質量%である、
前記〔5〕に記載の複合材料の製造方法。
〔7〕
前記窒素含有炭素材料中の窒素含有量が2〜45質量%である、前記〔6〕に記載の複合材料の製造方法。
〔8〕
前記賦活が薬品賦活である、前記〔6〕又は〔7〕に記載の複合材料の製造方法。
〔9〕
前記金属酸化物が、Mn及びTiからなる群より選択される1種類以上の酸化物である、前記〔5〕乃至〔8〕のいずれか一に記載の複合材料の製造方法。
[1]
A composite material for the positive electrode of lithium-sulfur batteries
Contains porous carbon materials, sulfur, and metal oxides
The porous carbon material has a nitrogen content of 0.3% by mass or more, a specific surface area obtained by the BET method of the nitrogen adsorption / desorption method of 1000 m 2 / g or more, and a quenching solid phase density function method (QSDFT). The pore volume obtained by the above is 0.45 cm 3 / g or more.
Composite material.
[2]
The composite material according to the above [1], wherein the metal oxide is one or more kinds of oxides selected from the group consisting of Mn and Ti.
[3]
A positive electrode for a lithium-sulfur battery containing the composite material according to the above [1] or [2].
[4]
A lithium-sulfur battery comprising the positive electrode according to the above [3].
[5]
The method for producing a composite material according to the above [1] or [2].
The nitrogen content is 0.3% by mass or more, the specific surface area obtained by the BET method of the nitrogen adsorption / desorption method is 1000 m 2 / g or more, and the pore volume obtained by the quenching solid phase density function method (QSDFT) is 0.45 cm. A step of mixing a porous carbon material having a surface area of 3 / g or more, sulfur, and a metal oxide.
The step of melting the sulfur and filling the porous carbon material with
Have, have
Method for manufacturing composite materials.
[6]
It has an activation step of obtaining the porous carbon material by activating the nitrogen-containing carbon material.
In the activation step,
Equation (I) below:
Nitrogen content reduction rate (mass%) = ((BA) / B) x 100 (I)
(In the formula (I), A is the nitrogen content (mass%) measured by XPS in the porous carbon material, and B is the nitrogen content (mass) measured by XPS in the nitrogen-containing carbon material. %).)
The rate of decrease in nitrogen content as defined in is 30-99% by weight.
The method for producing a composite material according to the above [5].
[7]
The method for producing a composite material according to the above [6], wherein the nitrogen content in the nitrogen-containing carbon material is 2 to 45% by mass.
[8]
The method for producing a composite material according to the above [6] or [7], wherein the activation is a chemical activation.
[9]
The method for producing a composite material according to any one of [5] to [8] above, wherein the metal oxide is one or more kinds of oxides selected from the group consisting of Mn and Ti.

本発明によれば、リチウム硫黄電池において、硫黄質量当たりの放電容量が大きく、かつ優れたサイクル特性が実現できる、リチウム硫黄電池の正極用の複合材料、リチウム硫黄電池用の正極、リチウム硫黄電池、及びリチウム硫黄電池の正極に用いる複合材料の製造方法を提供できる。 According to the present invention, in a lithium-sulfur battery, a composite material for a positive electrode of a lithium-sulfur battery, a positive electrode for a lithium-sulfur battery, a lithium-sulfur battery, which has a large discharge capacity per sulfur mass and can realize excellent cycle characteristics, And a method for producing a composite material used for a positive electrode of a lithium-sulfur battery.

多孔質炭素材料のレーザーラマンスペクトル図から、ピークからの高さ(H1、H2)、最小値Mからの高さ(L)を算出する方法についての説明図である。It is explanatory drawing about the method of calculating the height from a peak (H1, H2) and the height (L) from a minimum value M from a laser Raman spectrum diagram of a porous carbon material. 実施例1の多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物から構成される複合材料、比較例1の多孔質炭素材料と硫黄から構成される複合体、及び硫黄のみ、の硫黄含有量を測定したときの熱重量分析(TG)のグラフである。When the sulfur content of the composite material composed of the porous carbon material of Example 1 and sulfur and metal oxide, the composite material composed of the porous carbon material and sulfur of Comparative Example 1, and sulfur only was measured. It is a graph of thermogravimetric analysis (TG) of. 実施例、比較例で用いた多孔質炭素材料のレーザーラマンスペクトル図である。It is a laser Raman spectrum diagram of the porous carbon material used in Examples and Comparative Examples. 実施例1、比較例1の1サイクル目と80サイクル目の充放電曲線である。It is a charge / discharge curve of the 1st cycle and the 80th cycle of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例1、比較例1の放電容量のサイクル特性を示すグラフである。It is a graph which shows the cycle characteristic of the discharge capacity of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例2、比較例2の放電容量のサイクル特性を示すグラフである。It is a graph which shows the cycle characteristic of the discharge capacity of Example 2 and Comparative Example 2.

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態(以下、単に「本実施形態」という。)について詳細に説明する。
本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明はその実施の形態のみに限定されるものではない。すなわち、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter, simply referred to as “the present embodiment”) will be described in detail with reference to the drawings as necessary.
The present embodiment is an example for explaining the present invention, and the present invention is not limited to the embodiment. That is, the present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.

〔複合材料〕
本実施形態の複合材料は、リチウム硫黄電池の正極用の複合材料であり、多孔質炭素材料、硫黄、及び金属酸化物を含む。
前記多孔質炭素材料は、窒素含有量が0.3質量%以上であり、窒素吸脱着法のBET法で得られる比表面積が1000m2/g以上であり、急冷固相密度関数法(QSDFT)により得られる細孔容積が0.45cm3/g以上である。
上述した構成を有することにより、リチウム硫黄電池において、硫黄質量当たりの放電容量が大きく、かつ優れたサイクル特性が実現できる。
[Composite material]
The composite material of the present embodiment is a composite material for the positive electrode of a lithium-sulfur battery, and includes a porous carbon material, sulfur, and a metal oxide.
The porous carbon material has a nitrogen content of 0.3% by mass or more, a specific surface area obtained by the BET method of the nitrogen adsorption / desorption method of 1000 m 2 / g or more, and a quenching solid phase density function method (QSDFT). The pore volume obtained by the above is 0.45 cm 3 / g or more.
By having the above-described configuration, in a lithium-sulfur battery, a large discharge capacity per sulfur mass and excellent cycle characteristics can be realized.

(多孔質炭素材料)
本実施形態の複合材料に用いる多孔質炭素材料は、窒素含有量が0.3質量%以上、窒素吸脱着法のBET法で得られる比表面積が1000m2/g以上、かつ急冷固相密度関数法(QSDFT)により得られる細孔容積が0.45cm3/g以上である。
多孔質炭素材料が、上述の構成を有していることにより、当該多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物とを含む複合材料を正極に用いたリチウム硫黄電池は、硫黄質量当たりの放電容量が大きく、かつ優れたサイクル特性が実現できる。
(Porous medium)
The porous carbon material used for the composite material of the present embodiment has a nitrogen content of 0.3% by mass or more, a specific surface area obtained by the BET method of the nitrogen adsorption / desorption method of 1000 m 2 / g or more, and a quenching solid phase density function. The pore volume obtained by the method (QSDFT) is 0.45 cm 3 / g or more.
Since the porous carbon material has the above-mentioned structure, a lithium-sulfur battery using a composite material containing the porous carbon material and sulfur and a metal oxide as a positive electrode has a discharge capacity per sulfur mass. Large and excellent cycle characteristics can be realized.

<多孔質炭素材料の製造方法>
本実施形態の複合材料に含まれる多孔質炭素材料の好ましい製造方法としては、窒素含有炭素材料を製造する工程、及び前記窒素含有炭素材料を賦活、例えば薬品賦活する工程を有する製造方法が挙げられる。
前記賦活、例えば薬品賦活後に、不活性ガス中で熱処理する工程を含んでもよい。
前記窒素含有炭素材料とは、CuKα線をX線源として得られるX線回折図(XRD)において、回折角(2θ)のピーク位置について、(002)面に由来する22.5〜26.8°の位置にメインピークを有する材料であることが好ましく、また43.0〜46.0°の位置、通常は44.0〜45.5°の位置に弱いピークが観察されるものであることが好ましい。
多孔質炭素材料の製造方法で用いる窒素含有炭素材料は、炭素及び窒素以外に、酸素・水素等の他の原子も含んでもよい。
<Manufacturing method of porous carbon material>
Preferred production methods for the porous carbon material contained in the composite material of the present embodiment include a production method including a step of producing a nitrogen-containing carbon material and a step of activating the nitrogen-containing carbon material, for example, activating a chemical. ..
The step of heat-treating in an inert gas after the activation, for example, the activation of a chemical, may be included.
The nitrogen-containing carbon material is 22.5 to 26.8 derived from the (002) plane at the peak position of the diffraction angle (2θ) in the X-ray diffraction diagram (XRD) obtained by using CuKα ray as an X-ray source. The material preferably has a main peak at the ° position, and a weak peak is observed at the 43.0 to 46.0 ° position, usually 44.0 to 45.5 °. Is preferable.
The nitrogen-containing carbon material used in the method for producing a porous carbon material may contain other atoms such as oxygen and hydrogen in addition to carbon and nitrogen.

本発明者らは、窒素含有炭素材料を賦活、例えば薬品賦活することによって、窒素含有量が0.3質量%以上、窒素吸脱着法のBET法で得られる比表面積が1000m2/g以上、かつ急冷固相密度関数法(QSDFT)により得られる細孔容積が0.45cm3/g以上である多孔質炭素材料が得られること、当該多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物を含む本実施形態の複合材料をリチウム硫黄電池用の正極に用いることで、リチウム硫黄電池において、硫黄質量当たりの放電容量が大きく、かつ優れたサイクル特性、及び簡易な複合材料の製造、が実現できることを見出した。
この理由は定かではないが、以下のように推測される。ただし、この推測により本発明は何ら限定されない。
By activating a nitrogen-containing carbon material, for example, by activating a chemical, the present inventors have a nitrogen content of 0.3% by mass or more, and a specific surface area obtained by the BET method of the nitrogen adsorption / desorption method is 1000 m 2 / g or more. In addition, a porous carbon material having a pore volume of 0.45 cm 3 / g or more obtained by the quenching solid phase density function method (QSDFT) can be obtained. It has been found that by using the composite material in the form as a positive electrode for a lithium-sulfur battery, it is possible to realize a lithium-sulfur battery having a large discharge capacity per sulfur mass, excellent cycle characteristics, and simple production of a composite material. ..
The reason for this is not clear, but it is presumed as follows. However, this speculation does not limit the present invention in any way.

窒素含有炭素材料に対して賦活、例えば薬品賦活、及び熱処理を行うことによって細孔を形成すると、窒素部分が優先して除去されるため、ミクロ孔が優先して形成される。
生成したミクロ孔への硫黄の固定化による溶出抑制並びに電子授受が可能な硫黄の量が増えること、残留した窒素官能基への硫黄の固定化、金属酸化物へLi2x(式中、xは4〜8)が化学的結合することによる充放電プロセス中のLi2x(式中、xは4〜8)溶出の抑制、これらが複合的に機能した結果、本実施形態の複合材料をリチウム硫黄電池用の正極の活物質として用いた場合に優れた効果を発現していると考えられる。
本明細書において、「細孔容積」の「細孔」とは、急冷固相密度関数法(QSDFT)により一義的に定まり、当該方法により得られる細孔分布図において、細孔径が2nm以下の細孔をミクロ孔といい、細孔径が2nm超50nm以下の細孔をメソ孔といい、細孔径が50nm超の細孔をマクロ孔というものとする。
When pores are formed by activating, for example, chemical activating, and heat-treating a nitrogen-containing carbon material, the nitrogen portion is preferentially removed, so that micropores are preferentially formed.
The amount of elution suppression and electron transfer is possible sulfur by immobilization of sulfur to the resulting micropores increases, immobilization of sulfur to residual nitrogen functionality, Li 2 in S x (wherein the metal oxide, x is 4-8) is Li 2 in S x (wherein in the charge-discharge process by chemically binding, x is 4-8) suppression of the elution, the results which they are functional in a composite manner, the composite of the present embodiment It is considered that an excellent effect is exhibited when the material is used as an active material for a positive electrode for a lithium-sulfur battery.
In the present specification, the "pore" of the "pore volume" is uniquely determined by the quenching solid phase density function method (QSDFT), and in the pore distribution diagram obtained by the method, the pore diameter is 2 nm or less. The pores are referred to as micropores, the pores having a pore diameter of more than 2 nm and 50 nm or less are referred to as mesopores, and the pores having a pore diameter of more than 50 nm are referred to as macropores.

なお、窒素含有炭素材料に対する賦活、例えば薬品賦活を実施することによって、下記式(I)で定義される窒素含有量の減少率は、30〜99質量%となることが好ましい。
窒素含有量の減少率(質量%)=((B−A)/B)×100 (I)
(式(I)において、Aは前記多孔質炭素材料中のXPSで測定される窒素含有量(質量%)であり、Bは前記窒素含有炭素材料中のXPSで測定される窒素含有量(質量%)である。)
By carrying out activation of the nitrogen-containing carbon material, for example, chemical activation, the reduction rate of the nitrogen content defined by the following formula (I) is preferably 30 to 99% by mass.
Nitrogen content reduction rate (mass%) = ((BA) / B) x 100 (I)
(In the formula (I), A is the nitrogen content (mass%) measured by XPS in the porous carbon material, and B is the nitrogen content (mass) measured by XPS in the nitrogen-containing carbon material. %).)

[窒素含有炭素材料、及び窒素含有炭素材料の製造方法]
多孔質炭素材料の製造方法で用いる窒素含有炭素材料とは、窒素を含む炭素材料である。
窒素含有炭素材料は、例えば、低分子の窒素含有有機化合物を原料として重合させ、得られたポリマーを炭化処理して製造する方法、低分子の窒素含有有機化合物を原料として化学気相蒸着(CVD)させて製造する方法、ポリマーに低分子の窒素含有有機化合物を含浸又は反応させた後に炭化処理して製造する方法、窒素を含む天然物を炭化処理して製造する方法、炭化物にアンモニア処理、アンモ酸化処理等の後処理を行うことによって製造する方法等によって製造することができる。
具体的には、ピロール、アセトニトリル、2,3,6,7−テトラシアノ−1,4,5,8−テトラアザナフタレン等の窒素含有有機化合物を化学気相蒸着させる方法、メラミン樹脂、尿素樹脂、アニリン樹脂、ポリアクリロニトリル、アズルミン酸、メレム(melem)重合体、ポリピロール、ポリイミド等、又はこれらを他のポリマーと混合して得られた前駆体を炭化させる方法、豆類等を炭化させる方法、活性炭等の炭素材料にアンモニアガスと酸素含有ガスを反応させる方法、等によって窒素含有炭素材料を製造することができる。
上記のように各種有機化合物を原料として熱履歴を与える場合、600℃以上の熱履歴を与えることが好ましい。
[Nitrogen-containing carbon material and method for producing nitrogen-containing carbon material]
The nitrogen-containing carbon material used in the method for producing a porous carbon material is a carbon material containing nitrogen.
The nitrogen-containing carbon material is produced, for example, by polymerizing a low-molecular-weight nitrogen-containing organic compound as a raw material and carbonizing the obtained polymer, or using a low-molecular-weight nitrogen-containing organic compound as a raw material for chemical vapor deposition (CVD). ), A method of impregnating a polymer with a low-molecular-weight nitrogen-containing organic compound and then carbonizing it to produce it, a method of carbonizing a natural product containing nitrogen, and treating the carbonized product with ammonia. It can be produced by a method or the like produced by performing a post-treatment such as an ammoxidation treatment.
Specifically, a method for chemically vapor-depositing a nitrogen-containing organic compound such as pyrrole, acetonitrile, 2,3,6,7-tetracyano-1,4,5,8-tetraazanaphthalene, melamine resin, urea resin, etc. Aniline resin, polyacrylonitrile, azulmic acid, melem polymer, polypyrrole, polyimide, etc., or a method of carbonizing a precursor obtained by mixing these with other polymers, a method of carbonizing beans, etc., activated charcoal, etc. A nitrogen-containing carbon material can be produced by a method of reacting an ammonia gas with an oxygen-containing gas with the carbon material of the above.
When giving a heat history using various organic compounds as raw materials as described above, it is preferable to give a heat history of 600 ° C. or higher.

窒素含有炭素材料としては、窒素含有量の多い窒素含有炭素材料であることが好ましい。
窒素含有炭素材料中の窒素含有量は、CHN分析によって測定される。
本実施形態においては、窒素含有炭素材料の窒素含有量は、2〜45質量%であることが好ましい。
窒素含有量の下限値は、3質量%以上がより好ましく、5質量%以上がさらに好ましく、10質量%以上がさらにより好ましい。
窒素含有量の上限値は、40質量%以下がより好ましく、35質量%以下がさらに好ましく、30質量%以下がさらにより好ましい。
窒素含有量が2質量%以上の窒素含有炭素材料を用いると、ミクロ孔が発達し易い。窒素含有量が45質量%以下の窒素含有炭素材料は炭素構造が発達し易い。
The nitrogen-containing carbon material is preferably a nitrogen-containing carbon material having a high nitrogen content.
The nitrogen content in the nitrogen-containing carbon material is measured by CHN analysis.
In the present embodiment, the nitrogen content of the nitrogen-containing carbon material is preferably 2 to 45% by mass.
The lower limit of the nitrogen content is more preferably 3% by mass or more, further preferably 5% by mass or more, and even more preferably 10% by mass or more.
The upper limit of the nitrogen content is more preferably 40% by mass or less, further preferably 35% by mass or less, and even more preferably 30% by mass or less.
When a nitrogen-containing carbon material having a nitrogen content of 2% by mass or more is used, micropores are likely to develop. A nitrogen-containing carbon material having a nitrogen content of 45% by mass or less tends to develop a carbon structure.

窒素含有炭素材料の窒素含有量は、原料として用いるポリマーの窒素含有量を適宜選択する方法により制御することができる。
例えば、窒素含有量の多い窒素含有炭素材料の製造する方法としては、窒素含有量の多いポリマーを炭化する方法を例示できる。
具体的には、アズルミン酸、メレム重合体、ポリアクリロニトリルを炭化して製造された窒素含有炭素材料等が挙げられ、好ましくはアズルミン酸を炭化して製造された窒素含有炭素材料である。
アズルミン酸とは青酸又は青酸オリゴマーを重合して得られるポリマーである。青酸オリゴマーとは青酸の2量体以上である。
ポリマーの炭化処理の条件は、例えば回転炉、トンネル炉、管状炉、ボックス炉、流動焼成炉等を用い、不活性ガス雰囲気下で加熱処理を施すことである。加熱処理の温度は、特に限定されないが、好ましくは600〜1200℃、より好ましくは700〜1000℃、さらに好ましくは750〜900℃である。
上記不活性ガスとしては、以下のガスに限定されないが、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン等の不活性ガスが挙げられる。また、不活性ガス雰囲気が減圧下、つまり大気圧よりも低い圧力環境であってもよい。これらの中では、不活性ガスとして窒素ガスを用いることが好ましい。不活性ガス雰囲気は、不活性ガスが静止していても流通していてもよいが、流通しているのが好ましい。その不活性ガス中の酸素濃度は、5%以下が好ましく、1%以下がより好ましく、1000ppm以下が特に好ましい。
炭化処理の時間としては、好ましくは10秒間〜100時間、より好ましくは5分間〜10時間、さらに好ましくは15分間〜5時間、さらにより好ましくは30分間〜2時間である。
また、炭化処理の際の圧力は、不活性ガスを用いる場合、好ましくは0.01〜5MPa、より好ましくは0.05〜1MPa、さらに好ましくは0.08〜0.3MPa、さらにより好ましくは0.09〜0.15MPaである。
The nitrogen content of the nitrogen-containing carbon material can be controlled by a method of appropriately selecting the nitrogen content of the polymer used as a raw material.
For example, as a method for producing a nitrogen-containing carbon material having a high nitrogen content, a method of carbonizing a polymer having a high nitrogen content can be exemplified.
Specific examples thereof include a nitrogen-containing carbon material produced by carbonizing azulmic acid, a melem polymer, and polyacrylonitrile, and a nitrogen-containing carbon material produced by carbonizing azulmic acid is preferable.
Azulmic acid is a polymer obtained by polymerizing hydrocyanic acid or hydrocyanic acid oligomer. The hydrocyanic acid oligomer is a dimer or more of hydrocyanic acid.
The condition for carbonization of the polymer is that the heat treatment is performed in an inert gas atmosphere using, for example, a rotary furnace, a tunnel furnace, a tube furnace, a box furnace, a flow firing furnace, or the like. The temperature of the heat treatment is not particularly limited, but is preferably 600 to 1200 ° C, more preferably 700 to 1000 ° C, and even more preferably 750 to 900 ° C.
The inert gas is not limited to the following gas, and examples thereof include an inert gas such as nitrogen, argon, helium, and neon. Further, the inert gas atmosphere may be under reduced pressure, that is, in a pressure environment lower than atmospheric pressure. Among these, it is preferable to use nitrogen gas as the inert gas. The inert gas atmosphere may be such that the inert gas is stationary or circulated, but it is preferable that the inert gas is circulated. The oxygen concentration in the inert gas is preferably 5% or less, more preferably 1% or less, and particularly preferably 1000 ppm or less.
The carbonization treatment time is preferably 10 seconds to 100 hours, more preferably 5 minutes to 10 hours, still more preferably 15 minutes to 5 hours, and even more preferably 30 minutes to 2 hours.
When an inert gas is used, the pressure during the carbonization treatment is preferably 0.01 to 5 MPa, more preferably 0.05 to 1 MPa, still more preferably 0.08 to 0.3 MPa, still more preferably 0. It is .09 to 0.15 MPa.

[窒素含有炭素材料を賦活する工程]
次に、窒素含有炭素材料を賦活する工程について説明する。
賦活とは、窒素含有炭素材料を多孔質化するための処理である。
窒素含有炭素材料の賦活工程においては、特に薬品賦活が、比表面積が大きく、ミクロ孔率が高く、細孔容積が大きい多孔質炭素材料を得易い、という観点から好ましい。
薬品賦活工程は、窒素含有炭素材料を薬品と混合して加熱処理することにより行われる。
薬品賦活に用いる薬品とは、25℃、大気圧において固体である薬品、及びその水和物、水溶液を指す。
薬品としては、以下に限定されるものではないが、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等のアルカリ金属水酸化物;炭酸カリウム、炭酸ナトリウム等のアルカリ金属炭酸塩;硫酸カリウム、硫酸ナトリウム等のアルカリ金属の硫酸塩;塩化亜鉛、塩化カルシウム、硫化カリウム、燐酸等であり、その水溶液又は水和物を挙げることができる。
これらの1種類を単独で用いてもよく、又は2種類以上を混合して使用してもよい。
[Step of activating nitrogen-containing carbon material]
Next, the step of activating the nitrogen-containing carbon material will be described.
Activation is a process for making a nitrogen-containing carbon material porous.
In the activation step of the nitrogen-containing carbon material, chemical activation is particularly preferable from the viewpoint that it is easy to obtain a porous carbon material having a large specific surface area, a high micropore ratio, and a large pore volume.
The chemical activation step is performed by mixing a nitrogen-containing carbon material with a chemical and heat-treating it.
The chemicals used for chemical activation refer to chemicals that are solid at 25 ° C. and atmospheric pressure, and their hydrates and aqueous solutions.
The chemicals are not limited to the following, but for example, alkali metal hydroxides such as potassium hydroxide and sodium hydroxide; alkali metal carbonates such as potassium carbonate and sodium carbonate; potassium sulfate, sodium sulfate and the like. Alkali metal sulfates; zinc chloride, calcium chloride, potassium sulfide, phosphoric acid and the like, and examples thereof include aqueous solutions or hydrates thereof.
One of these types may be used alone, or two or more types may be used in combination.

薬品賦活は、比表面積と細孔容積を所望の範囲に制御する観点から、好ましくは、アルカリ金属を含む薬品を用いたアルカリ賦活であり、具体的には水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム等による賦活である。 The chemical activation is preferably an alkali activation using a chemical containing an alkali metal from the viewpoint of controlling the specific surface area and the pore volume within a desired range, and specifically, potassium hydroxide, sodium hydroxide, potassium carbonate. , Sodium carbonate, etc.

薬品賦活工程における、窒素含有炭素材料に対する薬品の使用量は、特に限定されないが、薬品/窒素含有炭素材料(質量比)は0.1〜10が好ましい。
薬品/窒素含有炭素材料(質量比)の下限値は、0.3以上がより好ましく、0.5以上がさらに好ましい。
また、薬品/窒素含有炭素材料(質量比)の上限値は、5以下がより好ましく、3以下が特に好ましい。
薬品/窒素含有炭素材料(質量比)が0.1以上であると細孔の発達が十分に行われ、10以下であると過賦活を防止でき細孔壁の破壊を抑制できる。
The amount of the chemical used with respect to the nitrogen-containing carbon material in the chemical activation step is not particularly limited, but the chemical / nitrogen-containing carbon material (mass ratio) is preferably 0.1 to 10.
The lower limit of the chemical / nitrogen-containing carbon material (mass ratio) is more preferably 0.3 or more, and even more preferably 0.5 or more.
The upper limit of the chemical / nitrogen-containing carbon material (mass ratio) is more preferably 5 or less, and particularly preferably 3 or less.
When the chemical / nitrogen-containing carbon material (mass ratio) is 0.1 or more, the pores are sufficiently developed, and when it is 10 or less, overactivation can be prevented and the destruction of the pore wall can be suppressed.

薬品賦活の雰囲気は、不活性ガス雰囲気が好ましい。不活性ガスとしては、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン等のガスが挙げられる。
薬品賦活処理は、特に限定されるものではないが、例えば、500〜1100℃、より好ましくは600℃〜1000℃、さらに好ましくは700℃〜900℃の温度で行われる。
薬品賦活処理の温度が500℃以上であると、賦活の進行が十分なものとなり、1100℃以下であると、賦活の過度の進行を抑制でき、また賦活装置の腐食の発生を防止することができる。
薬品賦活処理の時間は、特に限定されるものではないが、10分〜50時間が好ましく、より好ましくは30分〜10時間、特に好ましくは1〜5時間である。
薬品賦活処理の圧力は、通常、常圧であるが、加圧下又は減圧下で行うことも可能である。
The atmosphere for activating the chemical is preferably an inert gas atmosphere. Examples of the inert gas include gases such as nitrogen, argon, helium, and neon.
The chemical activation treatment is not particularly limited, but is carried out, for example, at a temperature of 500 to 1100 ° C., more preferably 600 ° C. to 1000 ° C., and even more preferably 700 ° C. to 900 ° C.
When the temperature of the chemical activation treatment is 500 ° C. or higher, the progress of activation is sufficient, and when it is 1100 ° C. or lower, excessive progress of activation can be suppressed and corrosion of the activation device can be prevented. can.
The time of the chemical activation treatment is not particularly limited, but is preferably 10 minutes to 50 hours, more preferably 30 minutes to 10 hours, and particularly preferably 1 to 5 hours.
The pressure of the chemical activation treatment is usually normal pressure, but it can also be performed under pressure or reduced pressure.

賦活炉としては、回転炉、トンネル炉、管状炉、ボックス炉、流動焼成炉等を用いることができる。 As the activation furnace, a rotary furnace, a tunnel furnace, a tube furnace, a box furnace, a flow firing furnace, or the like can be used.

薬品賦活終了後は、賦活した窒素含有炭素材料を水洗して、薬品賦活に用いた金属成分等を洗浄し、塩酸、硫酸、硝酸等で中和して、再度水洗して酸を洗浄する洗浄工程を設けることが好ましい。
洗浄工程を行った後に、洗浄された生成物を濾過等の固液分離処理を行い、乾燥処理を行う。
After the chemical activation is completed, the activated nitrogen-containing carbon material is washed with water, the metal components used for the chemical activation are washed, neutralized with hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, etc., and then washed again with water to wash the acid. It is preferable to provide a step.
After performing the washing step, the washed product is subjected to a solid-liquid separation treatment such as filtration, and a drying treatment is performed.

前記薬品賦活後に、不活性ガス中で熱処理してもよい。
前記不活性ガスとしては、以下に限定されないが、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン等の不活性ガスが挙げられる。
また、不活性ガス雰囲気が減圧下、つまり大気圧よりも低い圧力環境であってもよい。これらの中では、不活性ガスとして窒素ガスを用いることが好ましい。
不活性ガス雰囲気は、不活性ガスが静止していても流通していてもよいが、流通していることが好ましい。
その不活性ガス中の酸素濃度は、5%以下が好ましく、1%以下がより好ましく、1000ppm以下がさらに好ましい。
After the chemical activation, the heat treatment may be performed in an inert gas.
The inert gas is not limited to the following, and examples thereof include an inert gas such as nitrogen, argon, helium, and neon.
Further, the inert gas atmosphere may be under reduced pressure, that is, in a pressure environment lower than atmospheric pressure. Among these, it is preferable to use nitrogen gas as the inert gas.
The inert gas atmosphere may be such that the inert gas is stationary or circulated, but it is preferable that the inert gas is circulated.
The oxygen concentration in the inert gas is preferably 5% or less, more preferably 1% or less, and even more preferably 1000 ppm or less.

前記熱処理の温度は、比表面積と細孔容積を所望の範囲に制御する観点から、900℃以上であることが好ましい。より好ましくは1000℃以上であり、さらに好ましくは1100℃以上であり、さらにより好ましくは1200℃以上であり、よりさらに好ましくは1300℃以上である。また1800℃以下が好ましく、1600℃以下がより好ましい。 The temperature of the heat treatment is preferably 900 ° C. or higher from the viewpoint of controlling the specific surface area and the pore volume within a desired range. It is more preferably 1000 ° C. or higher, still more preferably 1100 ° C. or higher, even more preferably 1200 ° C. or higher, and even more preferably 1300 ° C. or higher. Further, 1800 ° C. or lower is preferable, and 1600 ° C. or lower is more preferable.

熱処理の時間としては、好ましくは10秒間〜100時間、より好ましくは5分間〜10時間、さらに好ましくは15分間〜5時間、さらにより好ましくは30分間〜2時間である。
また、熱処理の際の圧力は、不活性ガスを用いる場合、好ましくは0.01〜5MPa、より好ましくは0.05〜1MPa、さらに好ましくは0.08〜0.3MPa、さらにより好ましくは0.09〜0.15MPaである。
熱処理は、上述した賦活炉で行うことができる。
The heat treatment time is preferably 10 seconds to 100 hours, more preferably 5 minutes to 10 hours, still more preferably 15 minutes to 5 hours, and even more preferably 30 minutes to 2 hours.
When an inert gas is used, the pressure during the heat treatment is preferably 0.01 to 5 MPa, more preferably 0.05 to 1 MPa, still more preferably 0.08 to 0.3 MPa, still more preferably 0. It is 09 to 0.15 MPa.
The heat treatment can be performed in the above-mentioned activation furnace.

賦活工程、例えば薬品賦活工程における下記式(I)で定義される窒素含有量の減少率は、好ましくは30〜99質量%である。
窒素含有量の減少率(質量%)=((B−A)/B)×100 (I)
(式(I)式において、Aは前記多孔質炭素材料中のXPSで測定される窒素含有量(質量%)であり、かつBは前記窒素含有炭素材料中のXPSで測定される窒素含有量(質量%)である。)
窒素含有量の減少率の下限値は、75質量%以上がより好ましく、80質量%以上であることがさらに好ましい。
上限は98質量%以下がより好ましく、95質量%以下がさらに好ましい。
窒素含有量の減少率が30質量%以上であればミクロ孔が発達するので好ましい。
窒素を残留させるという観点、および比表面積と細孔容積を所望範囲とする観点から窒素含有量の減少率は99質量%以下が好ましい。
前記式(I)で定義される窒素含有量の減少率は、窒素含有炭素材料の選択、窒素含有炭素材料に対する賦活工程での条件の選択により、上記数値範囲に制御することができる。
The reduction rate of the nitrogen content defined by the following formula (I) in the activation step, for example, the chemical activation step is preferably 30 to 99% by mass.
Nitrogen content reduction rate (mass%) = ((BA) / B) x 100 (I)
(In the formula (I), A is the nitrogen content (% by mass) measured by XPS in the porous carbon material, and B is the nitrogen content measured by XPS in the nitrogen-containing carbon material. (Mass%).)
The lower limit of the reduction rate of the nitrogen content is more preferably 75% by mass or more, and further preferably 80% by mass or more.
The upper limit is more preferably 98% by mass or less, further preferably 95% by mass or less.
When the reduction rate of the nitrogen content is 30% by mass or more, micropores develop, which is preferable.
The reduction rate of the nitrogen content is preferably 99% by mass or less from the viewpoint of retaining nitrogen and from the viewpoint of setting the specific surface area and the pore volume within the desired ranges.
The reduction rate of the nitrogen content defined by the formula (I) can be controlled within the above numerical range by selecting the nitrogen-containing carbon material and selecting the conditions in the activation step for the nitrogen-containing carbon material.

<多孔質炭素材料の形態>
本実施形態の複合材料に用いる多孔質炭素材料は、粉砕法によって製造される。
粉砕は窒素含有有機化合物、窒素含有炭素材料、多孔質炭素材料のいずれの製造工程においても実施してもよい。
多孔質炭素材料の平均粒子径は、SEM(走査型電子顕微鏡)で観察して0.1〜100μmが好ましく、0.5〜20μmがより好ましく、1〜5μmがさらに好ましい。アスペクト比は5以下が好ましく、2以下がより好ましく、さらに好ましくは1.5以下である。
<Form of porous carbon material>
The porous carbon material used for the composite material of the present embodiment is produced by a pulverization method.
The pulverization may be carried out in any of the production steps of the nitrogen-containing organic compound, the nitrogen-containing carbon material, and the porous carbon material.
The average particle size of the porous carbon material is preferably 0.1 to 100 μm, more preferably 0.5 to 20 μm, and even more preferably 1 to 5 μm when observed with an SEM (scanning electron microscope). The aspect ratio is preferably 5 or less, more preferably 2 or less, and even more preferably 1.5 or less.

<多孔質炭素材料の物性>
本実施形態の複合材料に用いる多孔質炭素材料は、窒素含有量が0.3質量%以上、窒素吸脱着法のBET法で得られる比表面積が1000m2/g以上、かつ急冷固相密度関数法(QSDFT)により得られる細孔容積が0.45cm3/g以上である。
本実施形態の複合材料に用いる多孔質炭素材料の窒素含有量は、X線光電子分光分析(XPS)によって下記の条件で測定される。
[測定条件]
X線源:Mg管球(Mg−Kα線)、管電圧:12kV、エミッション電流:50mA、分析面積:Φ600μm、取り込み領域:N1s、C1s、O1s Pass−Energy:10eV
<Physical characteristics of porous carbon material>
The porous carbon material used for the composite material of the present embodiment has a nitrogen content of 0.3% by mass or more, a specific surface area obtained by the BET method of the nitrogen adsorption / desorption method of 1000 m 2 / g or more, and a quenching solid phase density function. The pore volume obtained by the method (QSDFT) is 0.45 cm 3 / g or more.
The nitrogen content of the porous carbon material used in the composite material of the present embodiment is measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) under the following conditions.
[Measurement condition]
X-ray source: Mg tube (Mg-Kα line), tube voltage: 12 kV, emission current: 50 mA, analysis area: Φ600 μm, uptake area: N1s, C1s, O1s Pass-Energy: 10 eV

本実施形態の複合材料に用いる多孔質炭素材料中の窒素含有量は、後述する観点から0.3質量%以上とし、0.5質量%以上であることが好ましく、0.8質量%以上であることがより好ましく、1質量%以上であることがさらに好ましい。また、後述する窒素含有量は6質量%以下であることが好ましく、4質量%以下であることがより好ましく、3質量%以下であることがさらに好ましい。 The nitrogen content in the porous carbon material used for the composite material of the present embodiment is 0.3% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, and 0.8% by mass or more from the viewpoint described later. More preferably, it is more preferably 1% by mass or more. Further, the nitrogen content described later is preferably 6% by mass or less, more preferably 4% by mass or less, and further preferably 3% by mass or less.

本実施形態の複合材料に用いる多孔質炭素材料は、窒素含有炭素材料の賦活工程、例えば薬品賦活工程中に、窒素含有炭素材料から窒素原子を抜いて、窒素原子を特定の割合で残すことにより形成することができる。
窒素原子は、その不対電子効果によって、炭素原子と比較して、硫黄原子との親和性に優れるため、賦活工程、例えば薬品賦活工程後に得られた多孔質炭素材料中の窒素含有量が0.3質量%以上であると、多孔質炭素材料と硫黄との複合体を形成するときに、硫黄を細孔中に効果的に担持することができると考えられる。
また窒素含有量が6質量%以下であると、前述のように、多くの窒素原子が抜けたことにより生成した細孔を有する多孔質炭素材料が得られると考えられる。そのためリチウム硫黄電池用の正極の活物質として好適であると考えられる。
The porous carbon material used for the composite material of the present embodiment is obtained by removing nitrogen atoms from the nitrogen-containing carbon material and leaving nitrogen atoms in a specific ratio during the activation step of the nitrogen-containing carbon material, for example, the chemical activation step. Can be formed.
Due to its unpaired electron effect, the nitrogen atom has an excellent affinity with the sulfur atom as compared with the carbon atom. Therefore, the nitrogen content in the porous carbon material obtained after the activation step, for example, the chemical activation step is 0. When it is 3% by mass or more, it is considered that sulfur can be effectively supported in the pores when forming a complex of the porous carbon material and sulfur.
Further, when the nitrogen content is 6% by mass or less, it is considered that a porous carbon material having pores generated by the loss of many nitrogen atoms can be obtained as described above. Therefore, it is considered to be suitable as an active material for a positive electrode for a lithium-sulfur battery.

本実施形態の複合材料に用いる多孔質炭素材料の酸素含有量は、好ましくは2〜20質量%であり、より好ましくは5〜15質量%であり、さらに好ましくは9〜13質量%である。 The oxygen content of the porous carbon material used in the composite material of the present embodiment is preferably 2 to 20% by mass, more preferably 5 to 15% by mass, and further preferably 9 to 13% by mass.

本実施形態の多孔質炭素材料の比表面積は、1000m2/g以上であり、1100m2/g以上が好ましく、1300m2/g以上がより好ましく、1500m2/g以上がさらに好ましい。また比表面積は、3000m2/g以下が好ましく、2500m2/g以下がより好ましい。
硫黄質量当たりの放電容量を大きく、更には優れたサイクル特性を実現する観点から前記の範囲が好ましい。
多孔質炭素材料の比表面積は、窒素含有炭素材料の薬品賦活条件、及び不活性ガス中での熱処理条件を調整することにより、上記数値範囲に制御することができる。
The specific surface area of the porous carbon material of this embodiment is 1000 m 2 / g or more, preferably more than 1100 m 2 / g, more preferably at least 1300 m 2 / g, still more preferably at least 1500 m 2 / g. The specific surface area is preferably not more than 3000 m 2 / g, more preferably at most 2500 m 2 / g.
The above range is preferable from the viewpoint of increasing the discharge capacity per sulfur mass and realizing excellent cycle characteristics.
The specific surface area of the porous carbon material can be controlled within the above numerical range by adjusting the chemical activation conditions of the nitrogen-containing carbon material and the heat treatment conditions in the inert gas.

窒素吸脱着法の急冷固相密度関数法(QSDFT)により得られる細孔容積は、0.45cm3/g以上であり、0.5cm3/g以上が好ましく、0.6cm3/g以上がより好ましく、0.7cm3/g以上がさらに好ましく、0.8cm3/g以上がさらにより好ましい。
また細孔容積は、2cm3/g以下が好ましく、1.5cm3/g以下がより好ましい。
多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物から構成される本実施形態の複合材料を正極の活物質として用いるリチウム硫黄電池について、細孔容積が0.45cm3/g以上である多孔質炭素材料は、多くの硫黄を含有できるため、硫黄と炭素材料の合計の質量当たりの放電容量が大きくなる。そのため正極重量当たりの放電容量が大きくなる。
多孔質炭素材料の細孔容積は、窒素含有炭素材料の賦活条件、及び不活性ガス中での熱処理条件を調整することにより、上記数値範囲に制御することができる。
Pore volume obtained by quenching the solid phase density functional theory (QSDFT) nitrogen adsorption-desorption method is a 0.45 cm 3 / g or more, preferably 0.5 cm 3 / g or more, 0.6 cm 3 / g or more more preferably, 0.7 cm 3 / g or more, and even more preferably 0.8 cm 3 / g or more.
The pore volume is preferably from 2 cm 3 / g or less, more preferably 1.5 cm 3 / g.
Regarding a lithium-sulfur battery using the composite material of the present embodiment composed of the porous carbon material and sulfur and metal oxide as the active material of the positive electrode, the porous carbon material having a pore volume of 0.45 cm 3 / g or more is Since it can contain a large amount of sulfur, the total discharge capacity of sulfur and carbon material per mass increases. Therefore, the discharge capacity per weight of the positive electrode becomes large.
The pore volume of the porous carbon material can be controlled within the above numerical range by adjusting the activation conditions of the nitrogen-containing carbon material and the heat treatment conditions in the inert gas.

また、本実施形態の複合材料に用いる多孔質炭素材料は、窒素吸脱着法の急冷固相密度関数法(QSDFT)により得られる細孔分布図において、細孔径0.7〜3nmの細孔容積が0.40cm3/g以上であることが好ましく、0.60cm3/g以上であることがより好ましく、0.70cm3/g以上であることがさらに好ましい。
また、上記細孔分布図において、細孔径0.7〜2nmの細孔容積が0.35cm3/g以上であることが好ましく、0.50cm3/g以上であることがより好ましく、0.60cm3/g以上であることがさらに好ましい。
Further, the porous carbon material used for the composite material of the present embodiment has a pore volume of 0.7 to 3 nm in the pore distribution diagram obtained by the quenching solid phase density function method (QSDFT) of the nitrogen adsorption / desorption method. There is preferably 0.40cm 3 / g or more, more preferably 0.60 cm 3 / g or more, further preferably 0.70 cm 3 / g or more.
In the above pore distribution diagram, it is preferable that the pore volume of pore diameters 0.7~2nm is 0.35 cm 3 / g or more, more preferably 0.50 cm 3 / g or more, 0. It is more preferably 60 cm 3 / g or more.

図1は、本実施形態の多孔質炭素材料のレーザーラマンスペクトル図であり、かかるスペクトルからH1、H2、Lを算出する方法についての説明図である。
本実施形態の複合材料に用いる多孔質炭素材料は、図1に示す多孔質炭素材料のレーザーラマンスペクトル図に示すように、波数800〜1900cm-1のレーザーラマンスペクトルにおいて、1250〜1385cm-1の間にピークP1と、1550〜1620cm-1の間にピークP2という少なくとも2つの主要なピークを有し、前記P1とP2の間の最小点Mのベースラインからの高さLと、P1のベースラインからの高さH1の比(L/H1)が、硫黄質量当たりの放電容量を一層大きく、更には一層優れたサイクル特性を実現する観点から、0.40〜0.65であることが好ましい。
FIG. 1 is a laser Raman spectrum diagram of the porous carbon material of the present embodiment, and is an explanatory diagram of a method of calculating H1, H2, and L from such spectra.
As shown in the laser Raman spectrum diagram of the porous carbon material shown in FIG. 1, the porous carbon material used for the composite material of the present embodiment has a wave number of 800 to 1900 cm -1 in a laser Raman spectrum of 1.25 to 1385 cm -1 . It has at least two major peaks, a peak P1 in between and a peak P2 between 1550 and 1620 cm -1 , the height L from the baseline of the minimum point M between P1 and P2, and the base of P1. The ratio of height H1 from the line (L / H1) is preferably 0.40 to 0.65 from the viewpoint of further increasing the discharge capacity per sulfur mass and realizing even better cycle characteristics. ..

本実施形態では、レーザーラマンスペクトルは、以下の条件で測定される。
[測定条件]
LD励起固体レーザー λ:532nm 47mW測定条件 532nm 照射2.34mW 露光時間10秒 積算10回 グレーテング600G/mm
In this embodiment, the laser Raman spectrum is measured under the following conditions.
[Measurement condition]
LD-excited solid-state laser λ: 532 nm 47 mW Measurement conditions 532 nm Irradiation 2.34 mW Exposure time 10 seconds Total 10 times Greatening 600 G / mm

図1中、P1、P2は、レーザーラマンスペクトル図におけるラマンシフトが1200〜1700cm-1の間の主要な2つのピークである。P1は1250〜1385cm-1の間のピークであり、P2は1550〜1620cm-1の間のピークである。 In FIG. 1, P1 and P2 are two major peaks in which the Raman shift in the laser Raman spectrum diagram is between 1200 and 1700 cm -1. P1 is a peak between 1250 and 1385 cm -1 and P2 is a peak between 1550 and 1620 cm -1.

(L/H1)は、より好ましくは0.50〜0.60であり、さらに好ましくは0.55〜0.58である。
(L/H2)は、硫黄質量当たりの放電容量を一層大きく、更には一層優れたサイクル特性を実現する観点から、好ましくは0.40〜0.65であり、より好ましくは0.50〜0.60であり、さらに好ましくは0.55〜0.59である。
(L / H1) is more preferably 0.50 to 0.60, still more preferably 0.55 to 0.58.
(L / H2) is preferably 0.40 to 0.65, more preferably 0.50 to 0, from the viewpoint of further increasing the discharge capacity per sulfur mass and realizing more excellent cycle characteristics. It is .60, more preferably 0.55 to 0.59.

ピークP1の半値幅としては、30〜130cm-1が好ましく、50〜120cm-1がより好ましく、さらに好ましくは100〜110cm-1である。
ピークP2の半値幅としては、20〜90cm-1が好ましく、40〜80cm-1がより好ましく、さらに好ましくは65〜70cm-1である。
The half-value width of the peak P1, preferably 30~130cm -1, more preferably 50~120cm -1, more preferably from 100~110cm -1.
The half-value width of the peak P2, preferably 20~90cm -1, more preferably 40~80cm -1, more preferably from 65~70cm -1.

なお、図1は、本実施形態の多孔質炭素材料から得られるレーザーラマンスペクトル図を何ら限定するものではない。
図1中、B1は、800〜1250cm-1の最小の強度値であり、B2は1700〜1900cm-1の間の最小の強度値である。
本実施形態で用いるレーザーラマンスペクトル図におけるベースラインは、B1、B2を結んだ直線である。
次に、図1に示すC1、C2は、それぞれ、ピークP1及びP2からラマンシフト軸(横軸)に下ろした垂線とベースラインの交点である。
Dは、ピークP1及びP2との間における最小の強度値Mからラマンシフト軸(横軸)に下ろした垂線とベースラインの交点であり、高さLは、前記Mからラマンシフト軸に下ろした垂線とベースラインの交点までの長さである。具体的には、図1に例示するレーザーラマンスペクトル図では線分MDの長さである。
一方、高さH1は、P1からラマンシフト軸に下ろした垂線とベースラインの交点までの長さである。図1に例示するレーザーラマンスペクトル図では、線分P1C1の長さが高さH1に相当する。
高さH2は、P2からラマンシフト軸に下ろした垂線とベースラインの交点までの長さである。図1に例示するレーザーラマンスペクトル図では線分P2C2の長さが高さH2に相当する。
Note that FIG. 1 does not limit the laser Raman spectral diagram obtained from the porous carbon material of the present embodiment.
In Figure 1, B1 is the minimum intensity value of 800~1250cm -1, B2 is the minimum of the intensity value between 1700~1900cm -1.
The baseline in the laser Raman spectrum diagram used in this embodiment is a straight line connecting B1 and B2.
Next, C1 and C2 shown in FIG. 1 are intersections of a perpendicular line and a baseline drawn from peaks P1 and P2 to the Raman shift axis (horizontal axis), respectively.
D is the intersection of the perpendicular line and the baseline drawn from the minimum intensity value M between the peaks P1 and P2 to the Raman shift axis (horizontal axis), and the height L is lowered from the M to the Raman shift axis. The length to the intersection of the perpendicular and the baseline. Specifically, in the laser Raman spectrum diagram illustrated in FIG. 1, it is the length of the line segment MD.
On the other hand, the height H1 is the length from P1 to the intersection of the perpendicular line and the baseline drawn on the Raman shift axis. In the laser Raman spectrum diagram illustrated in FIG. 1, the length of the line segment P1C1 corresponds to the height H1.
The height H2 is the length from P2 to the intersection of the perpendicular line and the baseline drawn on the Raman shift axis. In the laser Raman spectrum diagram illustrated in FIG. 1, the length of the line segment P2C2 corresponds to the height H2.

(金属酸化物)
本実施形態の複合材料は、上述した多孔質炭素材料、硫黄及び金属酸化物を含む。
金属酸化物の金属成分は、Mn、Ti、V、Fe、Co、Ni、Zn、Mg、Al、Ca、Zr、Nb、Mo、Ag、Ba、Ta、W、La、Ceが好ましく、より好ましくは、Mn、Tiであり、さらに好ましくはMnである。
Mnの酸化物としてはMnO2が好ましい。Tiの酸化物としてはTiO2が好ましい。前記の金属酸化物は優れたサイクル特性が実現できる観点から好ましい。
前記の金属酸化物が優れたサイクル特性を実現できる理由は定かでではないが、前記の金属酸化物がLi2x(式中、xは4〜8)で表されるリチウムポリスルフィドを吸着する効果があり、この現象がサイクル特性の向上に寄与しているとも考えられる。
本実施形態の複合材料において、多孔質炭素材料と金属酸化物の質量比率は、サイクル特性を向上させる観点から、多孔質炭素材料1質量部に対して、金属酸化物は0.05質量部以上が好ましく、0.1質量部以上がより好ましく、0.3質量部以上がさらに好ましい。また、複合材料あたりの放電容量を向上させる観点から、多孔質炭素材料1質量部に対して、金属酸化物は3質量部以下が好ましく、1質量部以下がより好ましく、0.7質量部以下がさらに好ましい。
(Metal oxide)
The composite material of this embodiment includes the above-mentioned porous carbon material, sulfur and metal oxide.
The metal component of the metal oxide is preferably Mn, Ti, V, Fe, Co, Ni, Zn, Mg, Al, Ca, Zr, Nb, Mo, Ag, Ba, Ta, W, La, Ce, more preferably. Is Mn, Ti, and more preferably Mn.
MnO 2 is preferable as the oxide of Mn. TiO 2 is preferable as the oxide of Ti. The metal oxide is preferable from the viewpoint of realizing excellent cycle characteristics.
For reasons not clear which can realize the cycle characteristics of the metal oxide of the excellent, the metal oxide is Li 2 S x (wherein, x is 4-8) adsorbs lithium polysulfide represented by It is effective, and it is considered that this phenomenon contributes to the improvement of cycle characteristics.
In the composite material of the present embodiment, the mass ratio of the porous carbon material and the metal oxide is 0.05 parts by mass or more with respect to 1 part by mass of the porous carbon material from the viewpoint of improving the cycle characteristics. Is preferable, 0.1 part by mass or more is more preferable, and 0.3 part by mass or more is further preferable. Further, from the viewpoint of improving the discharge capacity per composite material, the metal oxide is preferably 3 parts by mass or less, more preferably 1 part by mass or less, and 0.7 parts by mass or less with respect to 1 part by mass of the porous carbon material. Is even more preferable.

(硫黄)
本実施形態の複合材料は硫黄を含有する。
当該硫黄としては、硫黄が含まれている単体、化合物であれば特に限定されないが、例えば単体の硫黄(S)、化合物の硫化リチウム(Li2S)等が挙げることができる。好ましくは単体の硫黄(S)である。本明細書に於いては単体の硫黄(S)を硫黄と表記する。
(sulfur)
The composite material of this embodiment contains sulfur.
As the sulfur, alone that contains sulfur is not particularly limited as long as it is a compound, e.g., elemental sulfur (S), can be such as lithium sulfide compound (Li 2 S) is given. It is preferably elemental sulfur (S). In this specification, elemental sulfur (S) is referred to as sulfur.

〔複合材料の製造方法〕
本実施形態の複合材料の製造方法は、多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物の原料を混合する工程を含む。
なお、本実施形態の複合材料の製造工程においては、その他の添加剤が、本発明の効果を妨げない範囲において含有されていてもよい。
混合する方法について説明する。
乾式雰囲気において多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物を混合する方法、溶媒存在下の湿式雰囲気で多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物を混合し溶媒を除去する方法、多孔質炭素材料と金属酸化物のプレカーサーを溶媒存在下で混合したのちに、金属酸化物のプレカーサーを金属酸化物に変換し、溶媒を除去し、硫黄を添加して混合する方法等を例示することができる。
乾式又は湿式雰囲気での多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物を混合する方法としては、多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物を混合器に入れ、混合器中で混合する方法を例示できる。混合器としては乳鉢やボールミル等を例示できる。
金属酸化物のプレカーサーを金属酸化物に変換する方法としては、水や有機溶媒等の溶媒に金属酸化物のプレカーサーを溶解させて多孔質炭素材料と混合、溶媒を除去したのちに、不活性ガス雰囲気中で焼成する方法や、水溶性の過酸化物を水に溶解させて多孔質炭素材料と混合、水溶性過酸化物を多孔質炭素材料等によって還元析出させ酸化物に変換、副生の塩を水洗等によって除去、必要に応じて更に不活性ガス雰囲気中において焼成する方法を例示することができる。水溶性の過酸化物としてはKMnO4等を例示できる。
[Manufacturing method of composite material]
The method for producing a composite material of the present embodiment includes a step of mixing a porous carbon material with a raw material of sulfur and a metal oxide.
In the process of manufacturing the composite material of the present embodiment, other additives may be contained within a range that does not interfere with the effects of the present invention.
The method of mixing will be described.
A method of mixing a porous carbon material with sulfur and a metal oxide in a dry atmosphere, a method of mixing a porous carbon material with a sulfur and a metal oxide in a wet atmosphere in the presence of a solvent to remove the solvent, a method of mixing the porous carbon material and a metal Examples thereof include a method in which an oxide precursor is mixed in the presence of a solvent, the metal oxide precursor is converted into a metal oxide, the solvent is removed, and sulfur is added and mixed.
As a method of mixing the porous carbon material and sulfur and metal oxide in a dry or wet atmosphere, a method of putting the porous carbon material and sulfur and metal oxide in a mixer and mixing them in the mixer can be exemplified. Examples of the mixer include a mortar and a ball mill.
As a method for converting a metal oxide precursor into a metal oxide, the metal oxide precursor is dissolved in a solvent such as water or an organic solvent, mixed with a porous carbon material, the solvent is removed, and then an inert gas is used. A method of firing in an atmosphere, dissolving a water-soluble peroxide in water and mixing it with a porous carbon material, reducing and precipitating the water-soluble peroxide with a porous carbon material, etc., and converting it into an oxide, as a by-product Examples of a method of removing the salt by washing with water or the like and, if necessary, further firing in an inert gas atmosphere can be exemplified. Examples of the water-soluble peroxide include KMnO 4 and the like.

前記不活性ガスとしては、以下に限定されないが、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン等の不活性ガスが挙げられる。これらの中では、不活性ガスとして窒素ガスを用いることが好ましい。
不活性ガス中での処理は、例えば回転炉、トンネル炉、管状炉、ボックス炉、流動焼成炉等を用い、不活性ガス雰囲気下で加熱処理を施すことによって行われる。加熱処理の温度は、特に限定されないが、好ましくは300〜1000℃、より好ましくは400〜800℃、さらに好ましくは500〜700℃である。
加熱処理の時間としては、好ましくは10秒間〜100時間、より好ましくは5分間〜10時間、さらに好ましくは15分間〜5時間、さらにより好ましくは30分間〜2時間である。
また、加熱処理の際の圧力は、不活性ガスを用いる場合、好ましくは0.01〜5MPa、より好ましくは0.05〜1MPa、さらに好ましくは0.08〜0.3MPa、さらにより好ましくは0.09〜0.15MPaである。
The inert gas is not limited to the following, and examples thereof include an inert gas such as nitrogen, argon, helium, and neon. Among these, it is preferable to use nitrogen gas as the inert gas.
The treatment in the inert gas is carried out by performing the heat treatment in an atmosphere of the inert gas using, for example, a rotary furnace, a tunnel furnace, a tube furnace, a box furnace, a fluidized firing furnace and the like. The temperature of the heat treatment is not particularly limited, but is preferably 300 to 1000 ° C, more preferably 400 to 800 ° C, and even more preferably 500 to 700 ° C.
The heat treatment time is preferably 10 seconds to 100 hours, more preferably 5 minutes to 10 hours, still more preferably 15 minutes to 5 hours, and even more preferably 30 minutes to 2 hours.
When an inert gas is used, the pressure during the heat treatment is preferably 0.01 to 5 MPa, more preferably 0.05 to 1 MPa, still more preferably 0.08 to 0.3 MPa, still more preferably 0. It is .09 to 0.15 MPa.

前記複合材料の製造方法は、硫黄を融解し多孔質炭素材料に充填する工程を含む。
多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物の原料を混合する工程の後に、硫黄の融点以上に加熱して硫黄を融解させて毛細管現象によって多孔質炭素材料の細孔内へ硫黄を含浸させる。融解した硫黄に多孔質炭素材料と金属酸化物が同時に晒される工程を経由することが好ましい。
加熱温度は、硫黄の融点である107℃以上であればよいが、好ましくは130℃以上であり、より好ましくは150℃以上である。また、加熱温度は、好ましくは200℃以下であり、より好ましくは180℃以下であり、さらに好ましくは170℃以下である。
硫黄の揮発を抑制する観点から、細孔内への硫黄の含浸は密閉容器中で行うことが好ましい。反応時間は0.1〜100時間が好ましく、より好ましくは0.5〜20時間であり、さらに好ましくは1〜10時間である。
雰囲気は空気でもよいし、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン等の不活性ガスでもよい。
The method for producing the composite material includes a step of melting sulfur and filling the porous carbon material.
After the step of mixing the porous carbon material with the raw materials of sulfur and the metal oxide, the sulfur is heated above the melting point of sulfur to melt the sulfur, and the pores of the porous carbon material are impregnated with sulfur by capillarity. It is preferable to go through a process in which the porous carbon material and the metal oxide are simultaneously exposed to the molten sulfur.
The heating temperature may be 107 ° C. or higher, which is the melting point of sulfur, but is preferably 130 ° C. or higher, and more preferably 150 ° C. or higher. The heating temperature is preferably 200 ° C. or lower, more preferably 180 ° C. or lower, and even more preferably 170 ° C. or lower.
From the viewpoint of suppressing the volatilization of sulfur, it is preferable to impregnate the pores with sulfur in a closed container. The reaction time is preferably 0.1 to 100 hours, more preferably 0.5 to 20 hours, still more preferably 1 to 10 hours.
The atmosphere may be air or an inert gas such as nitrogen, argon, helium or neon.

次いで、細孔に充填されなかった硫黄を除去するために、硫黄の含浸処理をした多孔質炭素材料を加熱する。加熱温度は250℃以上が好ましく、270℃以上がより好ましく、290℃以上がさらに好ましい。
加熱温度は500℃以下が好ましく、400℃以下が好ましく、330℃以下がさらに好ましい。
加熱時間は0.5時間以上が好ましく、1時間以上がより好ましく、2時間以上がさらに好ましい。
容器は密閉容器でも開放容器でもよい。密閉容器の場合は、容器の上部は加熱部よりも温度が低いことが好ましい。雰囲気は空気でもよいし、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン等の不活性ガスでもよいが、操作の容易さという観点から空気が好ましい。
Next, the porous carbon material impregnated with sulfur is heated in order to remove the sulfur that has not been filled in the pores. The heating temperature is preferably 250 ° C. or higher, more preferably 270 ° C. or higher, and even more preferably 290 ° C. or higher.
The heating temperature is preferably 500 ° C. or lower, preferably 400 ° C. or lower, and even more preferably 330 ° C. or lower.
The heating time is preferably 0.5 hours or more, more preferably 1 hour or more, and even more preferably 2 hours or more.
The container may be a closed container or an open container. In the case of a closed container, it is preferable that the temperature of the upper part of the container is lower than that of the heating part. The atmosphere may be air or an inert gas such as nitrogen, argon, helium, or neon, but air is preferable from the viewpoint of ease of operation.

複合材料と硫黄を混合するときの質量比率は、多孔質炭素材料の細孔に硫黄を不足なく充填するという観点から、多孔質炭素材料1質量部に対して、硫黄は0.3質量部以上が好ましく、0.9質量部以上がより好ましく、1.1質量部以上がさらに好ましい。質量比率については、多孔質炭素材料の細孔に充填されず表面に残留した硫黄は、蒸発させて除去するが、蒸発物を少なくし蒸発に必要なエネルギーを削減するという観点から、多孔質炭素材料1質量部に対して、硫黄は20質量部以下が好ましく、8質量部以下がより好ましく、5質量部以下がさらに好ましい。 The mass ratio when mixing the composite material and sulfur is 0.3 parts by mass or more of sulfur with respect to 1 part by mass of the porous carbon material from the viewpoint of filling the pores of the porous carbon material without lack of sulfur. Is preferable, 0.9 parts by mass or more is more preferable, and 1.1 parts by mass or more is further preferable. Regarding the mass ratio, sulfur that is not filled in the pores of the porous carbon material and remains on the surface is removed by evaporation, but from the viewpoint of reducing the amount of evaporation and the energy required for evaporation, the porous carbon The amount of sulfur is preferably 20 parts by mass or less, more preferably 8 parts by mass or less, and further preferably 5 parts by mass or less with respect to 1 part by mass of the material.

多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物を含む本実施形態の複合材料の硫黄含有量は、40〜70質量%が好ましい。
硫黄含有量の下限値は、複合材料当たりの放電容量を一層大きくする観点から40質量%以上が好ましく、より好ましくは43質量%以上であり、さらに好ましくは45質量%以上である。
硫黄含有量の上限値は多孔質炭素材料の製造の観点から70質量%以下であり、67質量%以下がより好ましく、65質量%以下がさらに好ましい。
ここで硫黄含有量とは、下記式:
硫黄含有量=(硫黄の質量)/(多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物を含む複合材料の質量)×100
により算出される値である。
The sulfur content of the composite material of the present embodiment containing the porous carbon material and sulfur and metal oxide is preferably 40 to 70% by mass.
The lower limit of the sulfur content is preferably 40% by mass or more, more preferably 43% by mass or more, and further preferably 45% by mass or more from the viewpoint of further increasing the discharge capacity per composite material.
The upper limit of the sulfur content is 70% by mass or less, more preferably 67% by mass or less, and further preferably 65% by mass or less from the viewpoint of producing a porous carbon material.
Here, the sulfur content is the following formula:
Sulfur content = (mass of sulfur) / (mass of porous carbon material and composite material containing sulfur and metal oxides) x 100
It is a value calculated by.

本実施形態の複合材料中の硫黄の含有量は、多孔質炭素材料の微細孔に取り込まれた硫黄は蒸発し難く、微細孔外の硫黄は蒸発し易いことを利用して、サンプルを以下の方法で調製し、熱重量分析(TG)により測定することができる。
多孔質炭素材料と硫黄を混合した後、密閉容器中で、155℃で5時間保持し、硫黄を融解させ、毛細管現象によって多孔質炭素材料の細孔内へ充填させる。その後、そのまま300℃まで昇温し、2時間保持し、多孔質炭素材料の表面に残留した硫黄を蒸発させて除去し、室温まで空冷し、容器を開放して多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物から構成される複合材料を取り出しサンプルとする。
続いて、熱重量分析(TG)を用いて、多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物から構成される複合材料中の硫黄含有量を測定する。具体的には、島津製作所社製、DTG−60AHを用い、セルに試料を10mg入れ、測定ガスAr、流量50ml/min、開始温度30℃、昇温速度5℃/min.、及び上限温度600℃の条件下で測定を行う。
As for the sulfur content in the composite material of the present embodiment, the sulfur taken into the micropores of the porous carbon material is hard to evaporate, and the sulfur outside the micropores is easy to evaporate. It can be prepared by the method and measured by thermogravimetric analysis (TG).
After mixing the porous carbon material and sulfur, the mixture is kept at 155 ° C. for 5 hours in a closed container to melt the sulfur and fill the pores of the porous carbon material by capillary action. After that, the temperature is raised to 300 ° C. as it is, and the temperature is maintained for 2 hours to evaporate and remove sulfur remaining on the surface of the porous carbon material, air-cooled to room temperature, and the container is opened to open the porous carbon material, sulfur and metal. A composite material composed of oxides is taken out and used as a sample.
Subsequently, thermogravimetric analysis (TG) is used to measure the sulfur content in the composite material composed of the porous carbon material and sulfur and metal oxides. Specifically, using a DTG-60AH manufactured by Shimadzu Corporation, 10 mg of a sample was placed in a cell, a measurement gas Ar, a flow rate of 50 ml / min, a starting temperature of 30 ° C., and a heating rate of 5 ° C./min. , And the measurement is performed under the condition of the upper limit temperature of 600 ° C.

便宜上、後述する実施例中の実施例1で製造した多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物から構成される複合材料について、上記条件下に測定して得た熱重量分析(TG)のグラフである図2を用いて、硫黄含有量の算出方法を説明する。
図2に示す熱重量分析(TG)のグラフにおいて、昇温とともに質量が減少していくが、これは、細孔に充填した硫黄の昇華に対応している。300℃〜500℃の領域に、グラフの接線の傾きが不連続に変化する点が出現する。これは、この時点で多孔質炭素材料と金属酸化物のみが残った状態となっていることに対応している。
初期値の質量%を100、グラフの接線の傾きが不連続に変化する点の質量%がXであるとすると、複合材料の硫黄含有量Yは、初期値(100)から多孔質炭素材料と金属酸化物の合計値の割合を引いた値であるため、Y=100−X、と定義される。
実施例1ではX=52であり、Y=48であるため、硫黄含有量Yは48質量%である。
For convenience, the graph of thermogravimetric analysis (TG) obtained by measuring the porous carbon material produced in Example 1 in Examples described later and the composite material composed of sulfur and metal oxide under the above conditions. A method of calculating the sulfur content will be described with reference to FIG.
In the graph of thermogravimetric analysis (TG) shown in FIG. 2, the mass decreases with increasing temperature, which corresponds to the sublimation of sulfur filled in the pores. In the region of 300 ° C. to 500 ° C., a point where the slope of the tangent line of the graph changes discontinuously appears. This corresponds to the fact that only the porous carbon material and the metal oxide remain at this point.
Assuming that the mass% of the initial value is 100 and the mass% of the point where the slope of the tangent line of the graph changes discontinuously is X, the sulfur content Y of the composite material is the porous carbon material from the initial value (100). Since it is the value obtained by subtracting the ratio of the total value of the metal oxides, it is defined as Y = 100-X.
In Example 1, since X = 52 and Y = 48, the sulfur content Y is 48% by mass.

参考として本測定方法では、硫黄のみをTG測定にかけると、図2のように、300℃までに硫黄は昇華して硫黄は残留しないことがわかる。X=0であり、Y=100であり、硫黄含有量Yは100質量%である。
本実施形態の多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物を含む複合材料は、CuKα線をX線源として得られるX線回折図(XRD)において、硫黄に特徴的なピークを実質的に有さないことが好ましい。
硫黄の特徴的なピークは、23.0°±0.3°の位置に強いピーク(P2)を有し、その他に、15.3°±0.3°、25.8°±0.3°、26.7°±0.3°、及び27.7°±0.3°の位置にピークを有する。
As a reference, in this measurement method, when only sulfur is subjected to TG measurement, it can be seen that sulfur is sublimated by 300 ° C. and no sulfur remains, as shown in FIG. X = 0, Y = 100, and the sulfur content Y is 100% by mass.
The composite material containing the porous carbon material of the present embodiment and sulfur and a metal oxide substantially has a peak characteristic of sulfur in an X-ray diffraction diagram (XRD) obtained by using CuKα ray as an X-ray source. It is preferable that there is no such thing.
The characteristic peak of sulfur has a strong peak (P2) at the position of 23.0 ° ± 0.3 °, and also 15.3 ° ± 0.3 ° and 25.8 ° ± 0.3. It has peaks at °, 26.7 ° ± 0.3 °, and 27.7 ° ± 0.3 °.

〔リチウム硫黄電池用の正極〕
本実施形態のリチウム硫黄電池用の正極は、以上のようにして得られた多孔質炭素材料と金属酸化物と硫黄を含む複合材料を含有する。
本実施形態のリチウム硫黄電池用の正極は、本実施形態の複合材料と、必要に応じて、結着材と、導電助剤と、集電体とを備える。
複合材料は、活物質として機能するが、本実施形態のリチウム硫黄電池の正極は、多孔質炭素材料と金属酸化物と硫黄から構成される複合材料以外の活物質を含んでもよい。
[Positive electrode for lithium-sulfur batteries]
The positive electrode for the lithium-sulfur battery of the present embodiment contains the porous carbon material obtained as described above, and a composite material containing a metal oxide and sulfur.
The positive electrode for the lithium-sulfur battery of the present embodiment includes the composite material of the present embodiment,, if necessary, a binder, a conductive auxiliary agent, and a current collector.
Although the composite material functions as an active material, the positive electrode of the lithium-sulfur battery of the present embodiment may contain an active material other than the composite material composed of the porous carbon material, the metal oxide and sulfur.

本実施形態の正極に用いられる結着材としては、以下に限定されるものではないが、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、ポリフッ化ビニル、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴムなどのビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、テトラフルオロエチレン−プロピレン系フッ素ゴム、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル系フッ素ゴム、熱可塑性フッ素ゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン−アクリル酸共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、水系バインダー、ポリアクリロニトリル等が挙げられる。
なお、これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
結着材の含有割合は、活物質に対して1〜20質量%であることが好ましく、2〜10質量%であることがより好ましい。結着材の含有割合が1質量%以上であると正極の強度が十分になり、結着材の含有割合が20質量%以下であると電気抵抗の増大又は容量の低下を更に抑制できる。
The binder used for the positive electrode of the present embodiment is not limited to the following, but is, for example, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-. Perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, polyvinyl fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluororubber, vinylidenefluo Ride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber, vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-based fluororubber, vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber, vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoro Vinylidene fluoride-based fluororubbers such as ethylene-based fluororubbers and vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene-based fluororubbers, tetrafluoroethylene-propylene-based fluororubbers, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether-based fluororubbers, thermoplastic fluororubbers , Polyethylene, polypropylene, styrene butadiene rubber (SBR), isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene-acrylic acid copolymer, ethylene-methacrylic acid copolymer, aqueous binder, polyacrylonitrile and the like.
It should be noted that one of these may be used alone, or two or more thereof may be used in any combination and ratio.
The content ratio of the binder is preferably 1 to 20% by mass and more preferably 2 to 10% by mass with respect to the active material. When the content ratio of the binder is 1% by mass or more, the strength of the positive electrode is sufficient, and when the content ratio of the binder is 20% by mass or less, an increase in electrical resistance or a decrease in capacity can be further suppressed.

本実施形態の正極に用いられる導電助剤としては、以下に限定されるものではないが、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、及びカーボンナノチューブが挙げられる。
なお、これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。導電助剤の含有割合は、活物質に対して1〜20質量%であることが好ましく、2〜10質量%であることがより好ましい。
Examples of the conductive auxiliary agent used for the positive electrode of the present embodiment include, but are not limited to, carbon black, acetylene black, and carbon nanotubes.
It should be noted that one of these may be used alone, or two or more thereof may be used in any combination and ratio. The content ratio of the conductive auxiliary agent is preferably 1 to 20% by mass, more preferably 2 to 10% by mass with respect to the active material.

本実施形態の正極に用いられる集電体としては、電極の電気的接続を可能にするものであれば特に限定されず、その材質として、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、及びこれらの金属を含む合金等が挙げられる。これらの中で、アルミニウム、チタン、タンタル、及びこれらの金属を含む合金から成る群より選ばれるものが好ましく、特にアルミニウムが好ましい。これらの金属又は合金を、箔状、穴開け箔状、メッシュ状等にしたものを正極の集電体として用いることができる。 The current collector used for the positive electrode of the present embodiment is not particularly limited as long as it enables electrical connection of the electrodes, and the materials thereof include aluminum, titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, and the like. Examples include alloys containing the above metals. Among these, those selected from the group consisting of aluminum, titanium, tantalum, and alloys containing these metals are preferable, and aluminum is particularly preferable. A foil-shaped, perforated foil-shaped, mesh-shaped or the like obtained from these metals or alloys can be used as a current collector for the positive electrode.

次に、本実施形態のリチウム硫黄電池用の正極の製造方法を説明する。
本実施形態のリチウム硫黄電池用の正極の製造方法は、活物質として多孔質炭素材料と金属酸化物と硫黄を含む本実施形態の複合材料を用いる以外は、公知の方法であれば特に限定されない。
例えば、多孔質炭素材料と金属酸化物と硫黄を含む複合材料に、結着材、導電助材及び溶媒を加えてスラリーとし、そのスラリーを集電体に塗布や充填し、乾燥した後にプレスして高密度化することにより、リチウム硫黄電池用の正極を製造する方法が挙げられる。
集電体に積層する正極層の厚みは、20〜400μm程度が好ましい。正極層の厚みが20μm以上であると、電池全体に対する活物質量の割合が多くなり、エネルギー密度も多くなる傾向があるため好ましい。一方で、正極層の厚みが400μm以下であると、電極内部の抵抗が小さくなり、出力密度が上がる傾向があるため好ましい。
Next, a method for manufacturing a positive electrode for a lithium-sulfur battery according to this embodiment will be described.
The method for producing a positive electrode for a lithium-sulfur battery of the present embodiment is not particularly limited as long as it is a known method, except that the composite material of the present embodiment containing a porous carbon material, a metal oxide and sulfur is used as an active material. ..
For example, a binder, a conductive auxiliary material, and a solvent are added to a composite material containing a porous carbon material, a metal oxide, and sulfur to form a slurry, and the slurry is applied or filled in a current collector, dried, and then pressed. There is a method of manufacturing a positive electrode for a lithium-sulfur battery by increasing the density.
The thickness of the positive electrode layer laminated on the current collector is preferably about 20 to 400 μm. When the thickness of the positive electrode layer is 20 μm or more, the ratio of the amount of active material to the entire battery tends to increase, and the energy density tends to increase, which is preferable. On the other hand, when the thickness of the positive electrode layer is 400 μm or less, the resistance inside the electrode tends to decrease and the output density tends to increase, which is preferable.

本実施形態のリチウム硫黄電池の正極の製造に用いる溶媒は、水系、非水系のいずれでもよい。
非水系の溶媒としては、以下に限定されるものではないが、例えば、N−メチルピロリドン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、イソホロン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチル等が挙げられる。
上記スラリーは、撹拌機、加圧ニーダー、ボールミル及びスーパーサンドミル等の分散装置により混練して調製される。
また、上記スラリーに、粘度を調整するための増粘剤を添加してもよい。増粘剤としては、以下に限定されるものではないが、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸(塩)、酸化スターチ、リン酸化スターチ及びカゼインが挙げられる。これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
The solvent used for producing the positive electrode of the lithium-sulfur battery of the present embodiment may be either aqueous or non-aqueous.
Non-aqueous solvents include, but are not limited to, N-methylpyrrolidone, methylethylketone, cyclohexanone, isophorone, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethyl and the like.
The slurry is prepared by kneading with a disperser such as a stirrer, a pressurized kneader, a ball mill and a super sand mill.
Further, a thickener for adjusting the viscosity may be added to the slurry. Thickeners include, but are not limited to, carboxymethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid (salt), oxidized starch, phosphorylated starch and casein. One of these may be used alone, or two or more thereof may be used in any combination and ratio.

〔リチウム硫黄電池〕
以下、本実施形態のリチウム硫黄電池用の正極を備えるリチウム硫黄電池について説明する。
なお、本実施形態のリチウム硫黄電池に用いられ得る材料、リチウム硫黄電池の製造方法等は、下記の具体例に限定されるものではない。
本実施形態のリチウム硫黄電池は、正極として、本実施形態のリチウム硫黄電池用の正極を備え、その他の構成については特に限定されず、リチウム硫黄電池用の正極以外は公知のものであってもよい。
例えば、本実施形態のリチウム硫黄電池は、セパレータと、そのセパレータを介して対向して配置された本実施形態のリチウム硫黄電池用の正極と、負極と、それらに接触した電解液と外装体とを備える。
本実施形態のリチウム硫黄電池は、上述のように配置された負極及び正極を含む電極体と、当該電極体を収納する外装体とを有し、外装体内の空間に電解液を注入し、シールすることにより得ることができる。
[Lithium-sulfur battery]
Hereinafter, the lithium-sulfur battery including the positive electrode for the lithium-sulfur battery of the present embodiment will be described.
The materials that can be used for the lithium-sulfur battery of the present embodiment, the method for manufacturing the lithium-sulfur battery, and the like are not limited to the following specific examples.
The lithium-sulfur battery of the present embodiment includes a positive electrode for the lithium-sulfur battery of the present embodiment as a positive electrode, and the other configurations are not particularly limited, and any known device other than the positive electrode for the lithium-sulfur battery may be known. good.
For example, the lithium-sulfur battery of the present embodiment includes a separator, a positive electrode for the lithium-sulfur battery of the present embodiment arranged to face each other via the separator, a negative electrode, an electrolytic solution in contact with them, and an exterior body. To be equipped.
The lithium-sulfur battery of the present embodiment has an electrode body including a negative electrode and a positive electrode arranged as described above, and an exterior body for accommodating the electrode body, and an electrolytic solution is injected into a space inside the exterior body to seal the battery. Can be obtained by doing.

負極は、正極と同様にして、集電体上に負極活物質を含有する負極層を形成することにより、製造することができる。
負極の集電体としては、電極の電気的接続を可能にするものであれば特に限定されず、その材質としては、以下に限定されるものではないが、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン及びステンレスが挙げられる。これらの内、薄膜に加工し易いという観点及びコストの観点から、銅が好ましい。集電体の形状としては、例えば、箔状、穴開け箔状及びメッシュ状が挙げられる。また、集電体として、多孔性材料、例えばポーラスメタル(発泡メタル)及びカーボンペーパー等も用いることができる。
負極活物質としては、リチウムを含む材料であればよく、金属リチウム又はリチウム合金の他に、リチウム酸化物、リチウム複合酸化物、リチウム硫化物、リチウム複合硫化物などが挙げられる。リチウム合金としては、例えば、アルミニウム又はシリコン、スズ、マグネシウム、インジウム、カルシウム等とリチウムとの合金が挙げられる。負極活物質は、金属リチウム、又はシリコンとリチウムとの合金であることが好ましい。
負極としては、金属リチウム又はリチウム合金そのものでもよいし、例えば、負極活物質とグラファイト、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等の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負極材としたものを、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。
The negative electrode can be manufactured by forming a negative electrode layer containing a negative electrode active material on a current collector in the same manner as the positive electrode.
The current collector of the negative electrode is not particularly limited as long as it enables electrical connection of the electrodes, and the material thereof is not limited to the following, but for example, copper, aluminum, nickel, and titanium. And stainless steel. Of these, copper is preferable from the viewpoint of easy processing into a thin film and from the viewpoint of cost. Examples of the shape of the current collector include a foil shape, a perforated foil shape, and a mesh shape. Further, as the current collector, a porous material such as porous metal (foamed metal) and carbon paper can also be used.
The negative electrode active material may be any material containing lithium, and examples thereof include lithium oxide, lithium composite oxide, lithium sulfide, and lithium composite sulfide, in addition to metallic lithium or lithium alloy. Examples of the lithium alloy include an alloy of aluminum or silicon, tin, magnesium, indium, calcium and the like with lithium. The negative electrode active material is preferably metallic lithium or an alloy of silicon and lithium.
The negative electrode may be metallic lithium or a lithium alloy itself. For example, a negative electrode active material is mixed with a conductive material such as graphite, acetylene black, or Ketjen black and a binder, and an appropriate solvent is added to form a paste. The negative electrode material may be applied and dried on the surface of the current collector, and if necessary, compressed to increase the electrode density.

電解液は、リチウム含有電解質を非水溶媒に溶解して調製することができる。
リチウム含有電解質としては、例えば、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiCF(CF35、LiCF2(CF34、LiCF3(CF33、LiCF4(CF32、LiCF5(CF3)、LiCF3(C253、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiN(C25SO22、LiN(C25CO)2、LiI、LiAlCl4、LiBC48、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)が挙げられる。
これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。中でも、LiPF6、LiFSI、LiTFSIが好ましく、LiTFSIがより好ましい。
さらに、これらのリチウム塩濃度は、好ましくは0.1〜3.0mol/L、より好ましくは0.5〜2.0mol/Lである。
The electrolytic solution can be prepared by dissolving a lithium-containing electrolyte in a non-aqueous solvent.
Examples of the lithium-containing electrolyte include LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF (CF 3 ) 5 , LiCF 2 (CF 3 ) 4 , LiCF 3 (CF 3 ) 3 , LiCF 4 (CF 3 ) 2. , LiCF 5 (CF 3 ), LiCF 3 (C 2 F 5 ) 3 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 CO ) 2 , LiI, LiAlCl 4 , LiBC 4 O 8 , lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI).
One of these may be used alone, or two or more thereof may be mixed and used. Among them, LiPF 6 , LiFSI, and LiTFSI are preferable, and LiTFSI is more preferable.
Further, the concentration of these lithium salts is preferably 0.1 to 3.0 mol / L, more preferably 0.5 to 2.0 mol / L.

前記非水溶媒としては、例えば、カーボネート類、エーテル類、ケトン類、ラクトン類、ニトリル類、アミン類、アミド類、硫黄化合物、ハロゲン化炭化水素類、エステル類、ニトロ化合物、リン酸エステル系化合物、スルホラン系炭化水素類、及びイオン性液体から適宜選択することができる。
特に、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)等のカーボネート類;ジメトキシエタン(DME)、トリグライム(G3)及びテトラグライム(G4)等のエーテル類;ジオキソラン(DOL)、テトラヒドロフラン等の環状エーテル;1,1,2,2−テトラフルオロ−3−(1,1,2,2−テトラフルオロエトキシ)−プロパン(HFE)、及びそれらの混合物が好適である。より好ましくはカーボネート類を含む溶媒であり、さらに好ましくは(FEC)と(HFE)との混合物である。
Examples of the non-aqueous solvent include carbonates, ethers, ketones, lactones, nitriles, amines, amides, sulfur compounds, halogenated hydrocarbons, esters, nitro compounds, and phosphate ester compounds. , Sulfolane-based hydrocarbons, and ionic liquids can be appropriately selected.
In particular, carbonates such as ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), propylene carbonate (PC), fluoroethylene carbonate (FEC); dimethoxyethane (DME), triglime (G3) and tetraglime. Ethers such as (G4); cyclic ethers such as dioxolane (DOL) and tetrahydrofuran; 1,1,2,2-tetrafluoro-3- (1,1,2,2-tetrafluoroethoxy) -propane (HFE) , And a mixture thereof are suitable. A solvent containing carbonates is more preferable, and a mixture of (FEC) and (HFE) is more preferable.

セパレータは、通常のリチウム硫黄電池に用いられるものであれば、材質又は形状は特に制限されない。このセパレータは、正極と負極とが物理的に接触しないように分離するものであり、イオン透過性が高いものであることが好ましい。
セパレータとしては、例えば、合成樹脂微多孔膜、織布、不織布等が挙げられ、合成樹脂微多孔膜が好ましい。合成樹脂微多孔膜の材質としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン等のポリオレフィン;さらにはポリアミド、セルロースアセテート、ニトロセルロース、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンが挙げられる。
これらの中ではポリエチレン及びポリプロピレンが好ましい。なお、作製するリチウム硫黄電池の正極と負極とを直接接触させない構造にした場合は、セパレータを用いる必要はない。
The material or shape of the separator is not particularly limited as long as it is used for a normal lithium-sulfur battery. This separator separates the positive electrode and the negative electrode so that they do not physically contact each other, and preferably has high ion permeability.
Examples of the separator include a synthetic resin microporous membrane, a woven fabric, a non-woven fabric, and the like, and a synthetic resin microporous membrane is preferable. Examples of the material of the synthetic resin microporous film include polyolefins such as polyethylene, polypropylene, and polybutene; and further, polyamide, cellulose acetate, nitrocellulose, polysulfone, polyacrylonitrile, and polyvinylidene fluoride.
Of these, polyethylene and polypropylene are preferred. If the structure is such that the positive electrode and the negative electrode of the lithium-sulfur battery to be manufactured are not in direct contact with each other, it is not necessary to use a separator.

本実施形態のリチウム硫黄電池の電極体の構造は、特に限定されないが、通常、正極及び負極と、必要に応じて設けられるセパレータとを、扁平渦巻状に巻回して巻回式極板群としたり、これらを平板状として積層して積層式極板群としたりすることによって、これら極板群を外装体中に封入した構造とすることが一般的である。 The structure of the electrode body of the lithium-sulfur battery of the present embodiment is not particularly limited, but usually, the positive electrode and the negative electrode and the separator provided as needed are wound in a flat spiral shape to form a wound electrode group. Alternatively, it is common to form a structure in which these electrode plates are enclosed in an exterior body by laminating them in a flat plate shape to form a laminated electrode plate group.

外装体としては、金属缶、ラミネートフィルム等を使用できる。
金属缶としては、アルミニウム製のものが好ましい。この場合は、例えば、当該金属缶を負極端子とし、絶縁体を挟んで当該金属缶にかしめられた金属蓋を正極端子とする。電極タブによって電極体と端子とを電気的に接続する。
また、前記ラミネートフィルムとしては、金属箔と樹脂フィルムとを積層したフィルムが好ましく、外層樹脂フィルム/金属箔/内層樹脂フィルムから成る3層構成のものが例示される。外層樹脂フィルムは接触等により金属箔が損傷を受けることを防止するためのものであり、ナイロン又はポリエステル等の樹脂が好適に使用できる。
金属箔は水分及びガスの透過を防ぐためのものであり、銅、アルミニウム、ステンレス等の箔が好適に使用できる。また、内層樹脂フィルムは、内部に収納する電解液から金属箔を保護するとともに、ヒートシール時に溶融封口させるためのものであり、ポリオレフィン、酸変成ポリオレフィン等が好適に使用できる。
ラミネートフィルム外装体を使用する場合は、電極端子の端部を外装体の外部空間に引き出した状態でラミネートフィルムの周縁部をシールする。シール方法はヒートシールが好ましい。
As the exterior body, a metal can, a laminated film, or the like can be used.
The metal can is preferably made of aluminum. In this case, for example, the metal can is used as the negative electrode terminal, and the metal lid crimped on the metal can with the insulator sandwiched therein is used as the positive electrode terminal. The electrode body and the terminal are electrically connected by the electrode tab.
Further, as the laminated film, a film in which a metal foil and a resin film are laminated is preferable, and a three-layer structure composed of an outer layer resin film / metal foil / inner layer resin film is exemplified. The outer layer resin film is for preventing the metal foil from being damaged by contact or the like, and a resin such as nylon or polyester can be preferably used.
The metal foil is for preventing the permeation of moisture and gas, and a foil of copper, aluminum, stainless steel or the like can be preferably used. Further, the inner layer resin film is for protecting the metal foil from the electrolytic solution stored inside and for melting and sealing at the time of heat sealing, and polyolefins, acid-modified polyolefins and the like can be preferably used.
When a laminated film exterior body is used, the peripheral edge portion of the laminated film is sealed with the end portions of the electrode terminals pulled out into the external space of the exterior body. The sealing method is preferably heat sealing.

本実施形態のリチウム硫黄電池は、ペーパー型電池、ボタン型電池、コイン型電池、積層型電池、円筒型電池等の形態を有するものとすることができる。 The lithium-sulfur battery of the present embodiment may have a form such as a paper type battery, a button type battery, a coin type battery, a laminated type battery, or a cylindrical type battery.

以下、具体的な実施例及び比較例を挙げて、本実施形態を更に詳細に説明するが、これらは例示的なものであり、本実施形態は、以下の実施例及び比較例により何ら限定されるものではない。
したがって、当業者は以下に示す実施例に様々な変更を加えて本発明を実施することができ、かかる変更は本発明に包含される。
Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail with reference to specific examples and comparative examples, but these are exemplary, and the present embodiment is limited by the following examples and comparative examples. It's not something.
Therefore, those skilled in the art can implement the present invention by making various modifications to the examples shown below, and such modifications are included in the present invention.

〔分析方法〕
(CHN分析法)
窒素含有炭素材料を測定用試料とした。
ジェイサイエンスラボ社製の元素分析装置(商品名「MICRO CORDER JM10」)を用い、2500μgの試料を試料台に充填してCHN分析を行った。
試料炉の温度を950℃、燃焼炉(酸化銅触媒)の温度を850℃、還元炉(銀粒+酸化銅のゾーン、還元銅のゾーンと酸化銅のゾーンとから成る)の温度を550℃に設定した。
また、酸素流量を15mL/分、He流量を150mL/分に設定した。
検出器として熱伝導度検出器(TCD)を用いた。
アンチピリン(Antipyrine)を用いてマニュアルに記載の方法でキャリブレーションを行った。
酸素元素の含有量(質量%)は、100質量%から炭素元素、窒素元素、水素元素の含有量(質量%)を差し引くことによって算出した。
[Analysis method]
(CHN analysis method)
A nitrogen-containing carbon material was used as a measurement sample.
CHN analysis was performed by filling a sample table with 2500 μg of a sample using an elemental analyzer (trade name “MICRO CORDER JM10”) manufactured by J-Science Lab.
The temperature of the sample furnace is 950 ° C, the temperature of the combustion furnace (copper oxide catalyst) is 850 ° C, and the temperature of the reduction furnace (consisting of silver grains + copper oxide zone, reduced copper zone and copper oxide zone) is 550 ° C. Set to.
The oxygen flow rate was set to 15 mL / min and the He flow rate was set to 150 mL / min.
A thermal conductivity detector (TCD) was used as the detector.
Calibration was performed using Antipyrine by the method described in the manual.
The content of oxygen element (mass%) was calculated by subtracting the content (mass%) of carbon element, nitrogen element, and hydrogen element from 100% by mass.

(比表面積・細孔容積の測定法)
多孔質炭素材料を測定用試料とした。
Quantachrome社のAUTOSORB iQを用い、BET法により比表面積を、急冷固相密度関数法(QSDFT)により細孔分布及び細孔容積を測定した。
具体的には、試料を100℃で3時間真空脱気して、測定した。
液体窒素温度で窒素の吸着等温線を測定し、比表面積、細孔容積、及び細孔分布の測定を行った。
(Measurement method of specific surface area / pore volume)
A porous carbon material was used as a measurement sample.
Using AUTOSORB iQ manufactured by Quantachrome, the specific surface area was measured by the BET method, and the pore distribution and pore volume were measured by the quenching solid phase density function method (QSDFT).
Specifically, the sample was evacuated at 100 ° C. for 3 hours for measurement.
The adsorption isotherm of nitrogen was measured at the temperature of liquid nitrogen, and the specific surface area, pore volume, and pore distribution were measured.

(X線光電子分光分析(XPS)の測定法)
窒素含有炭素材料、及び多孔質炭素材料を測定用試料とした。
JEOL社製JPS−9010MCを用い、粉末用セルに充填して下記の条件で測定した。
X線源:Mg管球(Mg−Kα線)、管電圧:12kV、エミッション電流:50mA、分析面積:Φ600μm、取り込み領域:N1s、C1s、O1s Pass−Energy:10eVとした。
得られたスペクトルは、C1sのピーク位置でエネルギー補正を行った。
炭素元素、窒素元素、酸素元素の含有量(質量%)の合計を100質量%とした。
(Measurement method of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS))
Nitrogen-containing carbon material and porous carbon material were used as measurement samples.
Using JEOL's JPS-9010MC, the powder cell was filled and measured under the following conditions.
X-ray source: Mg tube (Mg-Kα ray), tube voltage: 12 kV, emission current: 50 mA, analysis area: Φ600 μm, uptake area: N1s, C1s, O1s Pass-Energy: 10 eV.
The obtained spectrum was energy-corrected at the peak position of C1s.
The total content (mass%) of carbon element, nitrogen element, and oxygen element was set to 100% by mass.

(レーザーラマンスペクトルの測定法)
多孔質炭素材料を測定用試料とした。
Tokyo Instruments Inc.社製の3D顕微レーザーラマン分光装置 Nanofinder30を用い、粉末用セルに充填して下記の条件で測定した。
LD励起固体レーザー λ:532nm 47mW測定条件 532nm、照射2.34mW、露光時間10秒、積算10回、グレーテング600G/mmとした。
1250〜1385cm-1の間のピークをP1とする。
1550〜1620cm-1の間のピークをP2とする。
P1とP2の間の、最小点Mのベースラインからの高さをLとする。
P1のベースラインからの高さをH1とする。
P2のベースラインからの高さをH2とする。
(Measurement method of laser Raman spectrum)
A porous carbon material was used as a measurement sample.
Tokyo Instruments Inc. Using a 3D microlaser Raman spectroscope Nanofinder30 manufactured by the same company, the cells were filled in a powder cell and measured under the following conditions.
LD-excited solid-state laser λ: 532 nm 47 mW Measurement conditions 532 nm, irradiation 2.34 mW, exposure time 10 seconds, integration 10 times, Greating 600 G / mm.
Let P1 be the peak between 1250 to 1385 cm -1.
Let P2 be the peak between 1550 and 1620 cm -1.
Let L be the height from the baseline of the minimum point M between P1 and P2.
Let the height of P1 from the baseline be H1.
Let the height of P2 from the baseline be H2.

(SEMの測定方法)
多孔質炭素材料、複合材料を測定対象とした。
走査型顕微鏡(日立製 SU−1500、Hitachi High−Tech Solutions)を用いた。
アルミ製の試料台に導電性カーボンテープを用い、各粉末試料を貼り付け、チャンバー内に取り付けた。
チャンバー内を真空にした後、Working distanceを15mm、加速電圧15kVで試料を観察した。多孔質炭素材料の平均粒子径、アスペクト比の測定を行った。複合材料の観察においてMnO2の凝集は見られなかった。
(SEM measurement method)
Porous carbon materials and composite materials were measured.
A scanning microscope (Su-1500 manufactured by Hitachi, Hitachi High-Tech Solutions) was used.
Conductive carbon tape was used on an aluminum sample table, and each powder sample was attached and installed in the chamber.
After evacuating the inside of the chamber, the sample was observed at a working distance of 15 mm and an acceleration voltage of 15 kV. The average particle size and aspect ratio of the porous carbon material were measured. No aggregation of MnO 2 was observed in the observation of the composite material.

(硫黄含有量の測定方法)
多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物から構成される複合材料、及び多孔質炭素材料と硫黄から構成される複合体中の硫黄の含有量の測定を、熱重量分析(TG)を用いて以下の方法で行った。
島津製作所社製、DTG−60AHを用い、セルに試料を10mg入れ、測定ガスAr、流量50mL/min、開始温度30℃、昇温速度5℃/min.、及び上限温度600℃の条件下で測定を行った。
得られた熱重量分析(TG)から硫黄含有量の算出方法を、図2中の〔実施例1〕を用いて説明する。
熱重量分析(TG)のグラフにおいて、昇温とともに質量が減少していくが、これは、細孔に充填した硫黄の昇華に対応している。300℃〜500℃の領域に、グラフの接線の傾きが不連続に変化する点が出現する。これは、この時点で多孔質炭素材料と金属酸化物のみが残った状態となっていることに対応している。
初期値の質量%を100、グラフの接線の傾きが不連続に変化する点の質量%がXであるとすると、硫黄含有量Yは、初期値(100)から多孔質炭素材料と金属酸化物の合計値の割合を引いた値であるため、Y=100−X、と定義される。
実施例1ではX=52であり、Y=48であり、硫黄含有量Yは48質量%である。
実施例2、比較例1、2においても同様の方法で、硫黄含有量の算出を行った。
(Measuring method of sulfur content)
Measurement of the sulfur content in a composite material composed of a porous carbon material and sulfur and a metal oxide, and a composite composed of a porous carbon material and sulfur is performed using thermogravimetric analysis (TG) as follows. I went by the method of.
Using DTG-60AH manufactured by Shimadzu Corporation, 10 mg of the sample was placed in the cell, and the measurement gas Ar, the flow rate 50 mL / min, the starting temperature 30 ° C., and the heating rate 5 ° C./min. , And the measurement was carried out under the condition of the upper limit temperature of 600 ° C.
A method for calculating the sulfur content from the obtained thermogravimetric analysis (TG) will be described with reference to [Example 1] in FIG.
In the graph of thermogravimetric analysis (TG), the mass decreases with increasing temperature, which corresponds to the sublimation of sulfur filled in the pores. In the region of 300 ° C. to 500 ° C., a point where the slope of the tangent line of the graph changes discontinuously appears. This corresponds to the fact that only the porous carbon material and the metal oxide remain at this point.
Assuming that the mass% of the initial value is 100 and the mass% of the point where the slope of the tangent line of the graph changes discontinuously is X, the sulfur content Y is the porous carbon material and the metal oxide from the initial value (100). Since it is a value obtained by subtracting the ratio of the total values of, it is defined as Y = 100-X.
In Example 1, X = 52, Y = 48, and the sulfur content Y is 48% by mass.
The sulfur content was calculated in the same manner in Example 2 and Comparative Examples 1 and 2.

〔リチウム硫黄電池の作製〕
(リチウム硫黄電池の正極の作製)
カルボキシメチルセルロース(CMC)(分散材)を純水に溶解させて2質量%溶液を調製した。
これにアセチレンブラック(導電助剤)を添加し、次いで、活物質(後述する実施例1〜2で製造した多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物から構成される複合材料、比較例1〜2で製造した多孔質炭素材料と硫黄との複合体)、スチレンブタジエンゴム(SBR)(結着材)を添加し、正極スラリーを調製した。
活物質と導電助剤と分散材と結着材との質量比は、活物質:導電助剤:分散材:結着材=84:10:3:3になるようにした。
得られた正極スラリーを、Al集電箔に活物質量として約2.0mg/cm2となるように充填した。
その後、大気圧下で40℃のオーブンで1時間乾燥した。
乾燥後、乾燥物をロールプレスに通して加圧成形し、ポンチにてΦ12mmのサイズに打ち抜き、真空下50度のオーブンで乾燥させて、リチウム硫黄電池用の正極を得た。正極層の厚みは約75μmであった。
[Manufacturing of lithium-sulfur batteries]
(Making a positive electrode for a lithium-sulfur battery)
Carboxymethyl cellulose (CMC) (dispersant) was dissolved in pure water to prepare a 2% by mass solution.
Acetylene black (conductive auxiliary agent) is added thereto, and then the active material (composite material composed of the porous carbon material produced in Examples 1 and 2 described later and sulfur and metal oxide, Comparative Examples 1 and 2) is added. A composite of the porous carbon material produced in 1 and sulfur) and styrene-butadiene rubber (SBR) (binding material) were added to prepare a positive electrode slurry.
The mass ratio of the active material, the conductive auxiliary agent, the dispersant, and the binder was set to be active material: conductive auxiliary agent: dispersant: binder = 84:10: 3: 3.
The obtained positive electrode slurry was filled in an Al current collector foil so that the amount of active material was about 2.0 mg / cm 2.
Then, it was dried under atmospheric pressure in an oven at 40 ° C. for 1 hour.
After drying, the dried product was pressure-molded through a roll press, punched to a size of Φ12 mm with a punch, and dried in an oven at 50 degrees under vacuum to obtain a positive electrode for a lithium-sulfur battery. The thickness of the positive electrode layer was about 75 μm.

(リチウム硫黄電池用の負極の作製)
露点−40℃以下の大気雰囲気中において、厚さ200μmのLi箔を、Φ13mmのポンチにて打ち抜き、リチウム硫黄電池用の負極とした。
(Manufacture of negative electrode for lithium-sulfur battery)
In an air atmosphere with a dew point of −40 ° C. or lower, a Li foil having a thickness of 200 μm was punched out with a punch having a thickness of Φ13 mm to obtain a negative electrode for a lithium-sulfur battery.

(リチウム硫黄電池の作製)
露点−40℃以下の大気雰囲気中において以下の手順でリチウム硫黄電池を作製した。
上記項目(リチウム硫黄電池の正極の作製)により作製した正極、上記項目(リチウム硫黄電池用の負極の作製)により作製した負極、リチウム含有電解質としてビス(トリフルオロスルホニル)イミド(LiTFSI)、非水溶媒としてテトラグライム(G4)/1,1,2,2−テトラフルオロ−3−(1,1,2,2−テトラフルオロエトキシ)−プロパン(HFE)の混合溶媒を用いた。
電解液の調製に関しては、G4:HFEを8:40の物質量で混合し、LiTFSIをG4とHFEの混合溶媒に溶かして、1.0mol/Lになるようにして電解液を調製した。
セパレータとしてポリプロピレン系微多孔膜を用いた。
セルとして2極式フラットセルを用い、そのセル内に、正極とセパレータと負極とを順に積層するように収容し、さらに電解液を注入し、リチウム硫黄電池を作製した。
(Making a lithium-sulfur battery)
A lithium-sulfur battery was produced by the following procedure in an air atmosphere with a dew point of −40 ° C. or lower.
Positive electrode prepared by the above item (preparation of positive electrode for lithium-sulfur battery), negative electrode prepared by the above item (preparation of negative electrode for lithium-sulfur battery), bis (trifluorosulfonyl) imide (LiTFSI) as lithium-containing electrolyte, non-water As a solvent, a mixed solvent of tetraglime (G4) / 1,1,2,2-tetrafluoro-3- (1,1,2,2-tetrafluoroethoxy) -propane (HFE) was used.
Regarding the preparation of the electrolytic solution, G4: HFE was mixed at a substance amount of 8:40, LiTFSI was dissolved in a mixed solvent of G4 and HFE, and the electrolytic solution was prepared so as to have a concentration of 1.0 mol / L.
A polypropylene-based microporous membrane was used as the separator.
A two-pole flat cell was used as a cell, and a positive electrode, a separator, and a negative electrode were housed in the cell so as to be laminated in this order, and an electrolytic solution was further injected to prepare a lithium-sulfur battery.

〔充放電試験〕
活物質(正極)を作用極とし、定電流充放電試験を行った。
充電時のモードは、C.C.法(C.C.はconstant currentの略称である。)とし、放電時はC.C.モードとした。
設定電流密度は167.2mA/gとした(電流密度1672mA/gを1Cと定義する。以下、167.2mA/gを0.1Cと示す。)。
カットオフ電圧については、下限を1.0V、上限を3.0Vとした。
なお、充放電試験は25℃の環境にて行った。
充電容量、及び放電容量は、硫黄の質量当たりで定義した。
なお、サイクル効率は下記式によって算出した。
サイクル効率(%)=((充電容量(mAh/g−sulfur))/(放電容量(mAh/g−sulfur)))×100
[Charge / discharge test]
A constant current charge / discharge test was performed using the active material (positive electrode) as the working electrode.
The charging mode is C.I. C. According to the method (CC is an abbreviation for constant curent), C.C. is used at the time of discharge. C. It was set to the mode.
The set current density was 167.2 mA / g (current density 1672 mA / g is defined as 1C. Hereinafter, 167.2 mA / g is referred to as 0.1C).
Regarding the cutoff voltage, the lower limit was 1.0 V and the upper limit was 3.0 V.
The charge / discharge test was performed in an environment of 25 ° C.
Charge capacity and discharge capacity were defined per mass of sulfur.
The cycle efficiency was calculated by the following formula.
Cycle efficiency (%) = ((charge capacity (mAh / g-sulfur)) / (discharge capacity (mAh / g-sulfur))) × 100

〔窒素含有炭素材料の製造例〕
(アズルミン酸の製造)
水350gに青酸150gを溶解させた水溶液を容器中で調製し、この水溶液を攪拌しながら、25%アンモニア水溶液120gを10分かけて添加し、得られた混合液を35℃に加熱した。すると、青酸の重合が始まり黒褐色の重合物が析出し始め、温度は徐々に上昇し45℃となった。
重合が始まってから2時間後、30質量%青酸水溶液を200g/時間の速度で添加し始め、4時間かけて800g添加した。
青酸水溶液の添加中は容器を冷却して反応温度が50℃を維持するように制御した。この温度で重合反応液を100時間攪拌した。
得られた黒色沈殿物をろ過によって分離した。このときの沈殿物の収率は、用いた青酸の全量に対して96質量%であった。分離後の沈殿物を水洗した後、乾燥器にて120℃で4時間乾燥させて、アズルミン酸を得た。
得られたアズルミン酸について、ジェイサイエンスラボ社製の元素分析装置(商品名「MICRO CORDER JM10」)を用い、2500μgのアズルミン酸試料を試料台に充填してCHN分析を行った。
試料炉の温度を950℃、燃焼炉(酸化銅触媒)の温度を850℃、還元炉(銀粒+酸化銅のゾーン、還元銅のゾーンと酸化銅のゾーンとから成る)の温度を550℃に設定した。また、酸素流量を15mL/分、He流量を150mL/分に設定した。検出器として熱伝導度検出器(TCD)を用いた。
アンチピリン(Antipyrine)を用いてマニュアルに記載の方法でキャリブレーションを行った。
その結果、上記のようにして得られたアズルミン酸の組成は、炭素元素40.0質量%、窒素元素29.8質量%、水素元素4.1質量%であった。
ここで、上述の乾燥条件では吸着水が残存するため、差分は主に吸着水中の酸素元素と水素元素とに由来するものと考えられる。
[Production example of nitrogen-containing carbon material]
(Manufacturing of azulmic acid)
An aqueous solution prepared by dissolving 150 g of hydrocyanic acid in 350 g of water was prepared in a container, 120 g of a 25% aqueous ammonia solution was added over 10 minutes while stirring the aqueous solution, and the obtained mixed solution was heated to 35 ° C. Then, the polymerization of hydrocyanic acid started, the blackish brown polymer started to precipitate, and the temperature gradually increased to 45 ° C.
Two hours after the start of the polymerization, a 30 mass% hydrocyanic acid aqueous solution was started to be added at a rate of 200 g / hour, and 800 g was added over 4 hours.
During the addition of the hydrocyanic acid aqueous solution, the container was cooled and controlled so that the reaction temperature was maintained at 50 ° C. The polymerization reaction solution was stirred at this temperature for 100 hours.
The obtained black precipitate was separated by filtration. The yield of the precipitate at this time was 96% by mass with respect to the total amount of hydrocyanic acid used. The precipitate after separation was washed with water and then dried in a dryer at 120 ° C. for 4 hours to obtain azulmic acid.
The obtained azulmic acid was subjected to CHN analysis by filling a sample table with 2500 μg of the azulmic acid sample using an elemental analyzer (trade name “MICRO CORDER JM10”) manufactured by J-Science Lab.
The temperature of the sample furnace is 950 ° C, the temperature of the combustion furnace (copper oxide catalyst) is 850 ° C, and the temperature of the reduction furnace (consisting of silver grains + copper oxide zone, reduced copper zone and copper oxide zone) is 550 ° C. Set to. The oxygen flow rate was set to 15 mL / min and the He flow rate was set to 150 mL / min. A thermal conductivity detector (TCD) was used as the detector.
Calibration was performed using Antipyrine by the method described in the manual.
As a result, the composition of the azulmic acid obtained as described above was 40.0% by mass of the carbon element, 29.8% by mass of the nitrogen element, and 4.1% by mass of the hydrogen element.
Here, since the adsorbed water remains under the above-mentioned drying conditions, it is considered that the difference is mainly derived from the oxygen element and the hydrogen element in the adsorbed water.

〔窒素含有炭素材料の製造〕
上述のようにして得られたアズルミン酸6.7gを内径25mmの石英管に充填し、大気圧下、500Ncc/min.の窒素気流中で1時間20分かけて800℃まで昇温し、800℃で1時間ホールドして炭化処理をして、続いて遊星ボールミルにて粉砕して、窒素含有炭素材料を得た。
<CHN分析法>
窒素含有炭素材料のCHN分析結果を下記表1に示す。
<XPS分析法>
窒素含有炭素材料のXPS分析結果を下記表1に示す。
[Manufacturing of nitrogen-containing carbon materials]
6.7 g of azulmic acid obtained as described above was filled in a quartz tube having an inner diameter of 25 mm, and 500 Ncc / min. The temperature was raised to 800 ° C. over 1 hour and 20 minutes in the nitrogen stream of the above, held at 800 ° C. for 1 hour for carbonization, and then pulverized with a planetary ball mill to obtain a nitrogen-containing carbon material.
<CHN analysis method>
The CHN analysis results of the nitrogen-containing carbon material are shown in Table 1 below.
<XPS analysis method>
The XPS analysis results of the nitrogen-containing carbon material are shown in Table 1 below.

〔多孔質炭素材料の製造〕
上述した〔窒素含有炭素材料の製造〕で得られた窒素含有炭素材料2gを、水酸化カリウム4gと純水の混合溶液20mLに加え、沈殿を防ぐために撹拌させながら、100℃で水を除去した。
その後、石英ボートに試料を移し、横型管状炉の石英管に入れ、アルゴンガスを流量500Ncc/minで流し、5分間放置することでガス交換を行った。交換後、15分かけて150℃まで昇温し、150℃で1時間加熱処理することで、内容物を乾燥させた。
その後、800℃まで1時間かけて昇温し、1時間加熱処理を行い、その後に降温して内容物を回収した。
内容物を0.3Lの水で水洗し、さらに1mol/Lの塩酸水溶液0.5Lで水洗し、その後、水で炉液がほぼ中性になるまで水洗し、濾過で回収し、乾燥させて多孔質炭素材料を得た。
本操作を反復して多孔質炭素材料を量産した。平均粒子径はSEMで観察して、5〜10μm程度、アスペクト比は概ね1.5以下であった。
<XPS分析>
多孔質炭素材料のXPS分析結果を下記表2に示す。
窒素含有量の減少率は85質量%(=((14.59−2.19)/14.59)×100)であった。
<比表面積・細孔容積の測定>
多孔質炭素材料の比表面積、及び細孔容積の測定結果を下記表2に示す。
<ラマン分析>
多孔質炭素材料のラマン分析結果を図3、解析結果を表2に示す。
[Manufacturing of porous carbon material]
2 g of the nitrogen-containing carbon material obtained in the above-mentioned [Production of nitrogen-containing carbon material] was added to 20 mL of a mixed solution of potassium hydroxide and pure water, and water was removed at 100 ° C. with stirring to prevent precipitation. ..
Then, the sample was transferred to a quartz boat, placed in a quartz tube of a horizontal tubular furnace, argon gas was flowed at a flow rate of 500 Ncc / min, and the gas was exchanged by leaving it for 5 minutes. After the replacement, the temperature was raised to 150 ° C. over 15 minutes, and the contents were dried by heat treatment at 150 ° C. for 1 hour.
Then, the temperature was raised to 800 ° C. over 1 hour, heat treatment was performed for 1 hour, and then the temperature was lowered to recover the contents.
The contents were washed with 0.3 L of water, further washed with 0.5 L of 1 mol / L hydrochloric acid aqueous solution, then washed with water until the furnace liquid became almost neutral, collected by filtration, and dried. A porous carbon material was obtained.
This operation was repeated to mass-produce the porous carbon material. The average particle size was about 5 to 10 μm and the aspect ratio was about 1.5 or less when observed by SEM.
<XPS analysis>
The XPS analysis results of the porous carbon material are shown in Table 2 below.
The rate of decrease in nitrogen content was 85% by mass (= ((14.59-2.19) /14.59) × 100).
<Measurement of specific surface area and pore volume>
Table 2 below shows the measurement results of the specific surface area and pore volume of the porous carbon material.
<Raman analysis>
The Raman analysis results of the porous carbon material are shown in FIG. 3, and the analysis results are shown in Table 2.

〔実施例1〕
<多孔質炭素材料と硫黄とMnO2から構成される複合材料の製造>
上述のようにして製造した多孔質炭素材料0.43gを用いて多孔質炭素材料、硫黄、MnO2(富士フイルム和光純薬株式会社、酸化マンガン(IV), 99.5%)を、質量比で、多孔質炭素材料:硫黄:MnO2=40:60:20にて乳鉢で10分混合し、内径20mm、高さ60mmの密閉容器に入れ、155℃で5時間保持し、硫黄を融解させ、毛細管現象にてアルカリ賦活活性炭の細孔内へ充填、その後、そのまま300℃まで昇温し2時間保持し残留硫黄を蒸発させて除去した。
室温まで空冷し、容器を開放して多孔質炭素材料と硫黄とMnO2から構成される複合材料を得た。
複合化の工程は全て大気下で行った。
<硫黄含有量の測定>
得られた多孔質炭素材料と硫黄とMnO2から構成される複合材料の硫黄含有量を熱重量分析(TG)で測定した。測定結果を図2及び表3に示す。
<リチウム硫黄電池の作製>
〔リチウム硫黄電池の作製〕に従って、リチウム硫黄電池を作製した。
<充放電試験>
上述の〔充放電試験〕を0.1Cで実施した。1サイクル目と80サイクル目の充放電曲線を図4に示す。サイクル特性の評価結果を図5に示す。
[Example 1]
<Manufacturing of composite material composed of porous carbon material, sulfur and MnO 2>
Using 0.43 g of the porous carbon material produced as described above, the porous carbon material, sulfur, and MnO 2 (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., manganese oxide (IV), 99.5%) were added by mass ratio. Then, the porous carbon material: sulfur: MnO 2 = 40: 60: 20 was mixed in a dairy pot for 10 minutes, placed in a closed container having an inner diameter of 20 mm and a height of 60 mm, and held at 155 ° C. for 5 hours to melt the sulfur. The pores of the alkali-activated activated carbon were filled with the capillary phenomenon, and then the temperature was raised to 300 ° C. and held for 2 hours to evaporate and remove the residual sulfur.
After air cooling to room temperature, the container was opened to obtain a porous carbon material, a composite material composed of sulfur and MnO 2.
All compounding steps were performed in the atmosphere.
<Measurement of sulfur content>
The sulfur content of the obtained porous carbon material and the composite material composed of sulfur and MnO 2 was measured by thermogravimetric analysis (TG). The measurement results are shown in FIGS. 2 and 3.
<Making lithium-sulfur batteries>
A lithium-sulfur battery was prepared according to [Preparation of Lithium-Sulfur Battery].
<Charge / discharge test>
The above-mentioned [charge / discharge test] was carried out at 0.1 C. The charge / discharge curves of the first cycle and the 80th cycle are shown in FIG. The evaluation result of the cycle characteristics is shown in FIG.

〔比較例1〕
<多孔質炭素材料と硫黄から構成される複合体の製造>
MnO2を添加しなかった以外は、前記〔実施例1〕と同様に多孔質炭素材料と硫黄から構成される複合体を得た。
<硫黄含有量の測定>
得られた多孔質炭素材料と硫黄との複合体の硫黄含有量を熱重量分析(TG)で測定した。測定結果を図2及び表3に示す。
<リチウム硫黄電池の作製>
〔リチウム硫黄電池の作製〕に従って、リチウム硫黄電池を作製した。
<充放電試験>
上述の〔充放電試験〕を0.1Cで実施した。1サイクル目と80サイクル目の充放電曲線を図4に示す。サイクル特性の評価結果を図5に示す。
[Comparative Example 1]
<Manufacturing of composite composed of porous carbon material and sulfur>
A composite composed of a porous carbon material and sulfur was obtained in the same manner as in [Example 1] except that MnO 2 was not added.
<Measurement of sulfur content>
The sulfur content of the obtained composite of the porous carbon material and sulfur was measured by thermogravimetric analysis (TG). The measurement results are shown in FIGS. 2 and 3.
<Making lithium-sulfur batteries>
A lithium-sulfur battery was prepared according to [Preparation of Lithium-Sulfur Battery].
<Charge / discharge test>
The above-mentioned [charge / discharge test] was carried out at 0.1 C. The charge / discharge curves of the first cycle and the 80th cycle are shown in FIG. The evaluation result of the cycle characteristics is shown in FIG.

〔実施例2〕
<多孔質炭素材料と硫黄とMnO2から構成される複合材料の製造方法>
80ccのタングステンカーバイド容器に多孔質炭素材料1.8gと直径5mmのジルコニアボール約90個(約36g)を添加し、遊星ボールミル(FRITSCH社製Classic LineP−5)を用い、大気雰囲気下、400rpmにて4時間粉砕処理をして、粉砕処理をした多孔質炭素材料を得た。平均粒子径はSEMで観察して、1〜3μm程度、アスペクト比は概ね1.5以下であった。この工程で得られた多孔質炭素材料から0.43gを取り出した。この工程で得られた多孔質炭素材料を用いた以外は、前記〔実施例1〕と同様にして多孔質炭素材料と硫黄とMnO2から構成される複合材料を得た。
<硫黄含有量の測定>
この工程で得られた多孔質炭素材料と硫黄とMnO2から構成される複合材料の硫黄含有量を熱重量分析(TG)で測定した。測定結果を表3に示す。
<リチウム硫黄電池の作製>
〔リチウム硫黄電池の作製〕に従って、リチウム硫黄電池を作製した。
<充放電試験>
上述の〔充放電試験〕を0.1Cで実施した。サイクル特性の評価結果を図6に示す。
[Example 2]
<Manufacturing method of composite material composed of porous carbon material, sulfur and MnO 2>
Add 1.8 g of porous carbon material and about 90 zirconia balls (about 36 g) with a diameter of 5 mm to an 80 cc tungsten carbide container, and use a planetary ball mill (Classic Line P-5 manufactured by FRITSCH) at 400 rpm in an atmospheric atmosphere. The mixture was pulverized for 4 hours to obtain a pulverized porous carbon material. The average particle size was about 1 to 3 μm and the aspect ratio was about 1.5 or less when observed by SEM. 0.43 g was taken out from the porous carbon material obtained in this step. A composite material composed of the porous carbon material, sulfur, and MnO 2 was obtained in the same manner as in the above [Example 1] except that the porous carbon material obtained in this step was used.
<Measurement of sulfur content>
The sulfur content of the porous carbon material obtained in this step and the composite material composed of sulfur and MnO 2 was measured by thermogravimetric analysis (TG). The measurement results are shown in Table 3.
<Making lithium-sulfur batteries>
A lithium-sulfur battery was prepared according to [Preparation of Lithium-Sulfur Battery].
<Charge / discharge test>
The above-mentioned [charge / discharge test] was carried out at 0.1 C. The evaluation result of the cycle characteristics is shown in FIG.

〔比較例2〕
<多孔質炭素材料と硫黄から構成される複合体の製造方法>
MnO2を添加しなかった以外は、前記〔実施例2〕と同様にして多孔質炭素材料と硫黄から構成される複合体を得た。
<硫黄含有量の測定>
得られた多孔質炭素材料と硫黄との複合体の硫黄含有量を熱重量分析(TG)で測定した。測定結果を表3に示す。
<リチウム硫黄電池の作製>
〔リチウム硫黄電池の作製〕の(リチウム硫黄電池の正極の作製)において、「水系バインダー(結着材)を純水に溶解させて」に代えて、「有機系バインダー(結着剤)をジメチルホルムアミドに溶解させて」とした以外は、前記〔比較例1〕と同様にして、リチウム硫黄電池を作製した。
<充放電試験>
上述の〔充放電試験〕を0.1Cで実施した。サイクル特性の評価結果を図6に示す。
[Comparative Example 2]
<Manufacturing method of composite composed of porous carbon material and sulfur>
A composite composed of a porous carbon material and sulfur was obtained in the same manner as in [Example 2] except that MnO 2 was not added.
<Measurement of sulfur content>
The sulfur content of the obtained composite of the porous carbon material and sulfur was measured by thermogravimetric analysis (TG). The measurement results are shown in Table 3.
<Making lithium-sulfur batteries>
In [Preparation of Lithium-Sulfur Battery] (Preparation of positive electrode of lithium-sulfur battery), "Organic binder (binding agent) is dimethyl" instead of "Dissolve water-based binder (binding material) in pure water". A lithium-sulfur battery was produced in the same manner as in [Comparative Example 1], except that "dissolved in formamide".
<Charge / discharge test>
The above-mentioned [charge / discharge test] was carried out at 0.1 C. The evaluation result of the cycle characteristics is shown in FIG.

Figure 2021136126
Figure 2021136126

Figure 2021136126
Figure 2021136126

Figure 2021136126
Figure 2021136126

図5から、実施例1の多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物から構成される複合材料は、リチウム硫黄電池の正極として使用した場合、比較例1の多孔質炭素材料と硫黄から構成される複合体よりも、リチウム硫黄電池において、サイクルを繰り返した時の硫黄質量当たりの放電容量が大きく、かつ優れたサイクル特性が実現できることが分かった。 From FIG. 5, the composite material composed of the porous carbon material of Example 1 and sulfur and metal oxide is composed of the porous carbon material of Comparative Example 1 and sulfur when used as a positive electrode of a lithium-sulfur battery. It was found that the lithium-sulfur battery has a larger discharge capacity per sulfur mass when the cycle is repeated than the composite, and can realize excellent cycle characteristics.

本発明の多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物から構成される複合材料はリチウム硫黄電池の正極の活物質として、産業上の利用可能性がある。
また、本発明の多孔質炭素材料と硫黄及び金属酸化物から構成される複合材料の製造方法は、リチウム硫黄電池の正極の活物質に用いる複合材料の簡易な製造方法として、産業上の利用可能性がある。
The composite material composed of the porous carbon material of the present invention and sulfur and metal oxide has industrial applicability as an active material for the positive electrode of a lithium-sulfur battery.
Further, the method for producing a composite material composed of a porous carbon material and sulfur and a metal oxide of the present invention can be industrially used as a simple method for producing a composite material used as an active material for a positive electrode of a lithium-sulfur battery. There is sex.

Claims (9)

リチウム硫黄電池の正極用の複合材料であって、
多孔質炭素材料、硫黄、及び金属酸化物を含み、
前記多孔質炭素材料は、窒素含有量が0.3質量%以上であり、窒素吸脱着法のBET法で得られる比表面積が1000m2/g以上であり、急冷固相密度関数法(QSDFT)により得られる細孔容積が0.45cm3/g以上である、
複合材料。
A composite material for the positive electrode of lithium-sulfur batteries
Contains porous carbon materials, sulfur, and metal oxides
The porous carbon material has a nitrogen content of 0.3% by mass or more, a specific surface area obtained by the BET method of the nitrogen adsorption / desorption method of 1000 m 2 / g or more, and a quenching solid phase density function method (QSDFT). The pore volume obtained by the above is 0.45 cm 3 / g or more.
Composite material.
前記金属酸化物が、Mn及びTiからなる群より選択される1種類以上の酸化物である、請求項1に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein the metal oxide is one or more kinds of oxides selected from the group consisting of Mn and Ti. 請求項1又は2に記載の複合材料を含有するリチウム硫黄電池用の正極。 A positive electrode for a lithium-sulfur battery containing the composite material according to claim 1 or 2. 請求項3に記載の正極を具備するリチウム硫黄電池。 A lithium-sulfur battery comprising the positive electrode according to claim 3. 請求項1又は2に記載の複合材料の製造方法であって、
窒素含有量が0.3質量%以上、窒素吸脱着法のBET法で得られる比表面積が1000m2/g以上、かつ急冷固相密度関数法(QSDFT)により得られる細孔容積が0.45cm3/g以上である多孔質炭素材料と、硫黄と、金属酸化物と、を、混合する工程と、
前記硫黄を融解し、前記多孔質炭素材料に充填する工程と、
を、有する、
複合材料の製造方法。
The method for producing a composite material according to claim 1 or 2.
The nitrogen content is 0.3% by mass or more, the specific surface area obtained by the BET method of the nitrogen adsorption / desorption method is 1000 m 2 / g or more, and the pore volume obtained by the quenching solid phase density function method (QSDFT) is 0.45 cm. A step of mixing a porous carbon material having a surface area of 3 / g or more, sulfur, and a metal oxide.
The step of melting the sulfur and filling the porous carbon material with
Have, have
Method for manufacturing composite materials.
窒素含有炭素材料を賦活することにより前記多孔質炭素材料を得る賦活工程を有し、
前記賦活工程において、
下記(I)式:
窒素含有量の減少率(質量%)=((B−A)/B)×100 (I)
(式(I)において、Aは前記多孔質炭素材料中のXPSで測定される窒素含有量(質量%)であり、Bは前記窒素含有炭素材料中のXPSで測定される窒素含有量(質量%)である。)
で定義される窒素含有量の減少率が、30〜99質量%である、
請求項5に記載の複合材料の製造方法。
It has an activation step of obtaining the porous carbon material by activating the nitrogen-containing carbon material.
In the activation step,
Equation (I) below:
Nitrogen content reduction rate (mass%) = ((BA) / B) x 100 (I)
(In the formula (I), A is the nitrogen content (mass%) measured by XPS in the porous carbon material, and B is the nitrogen content (mass) measured by XPS in the nitrogen-containing carbon material. %).)
The rate of decrease in nitrogen content as defined in is 30-99% by weight.
The method for producing a composite material according to claim 5.
前記窒素含有炭素材料中の窒素含有量が2〜45質量%である、請求項6に記載の複合材料の製造方法。 The method for producing a composite material according to claim 6, wherein the nitrogen content in the nitrogen-containing carbon material is 2 to 45% by mass. 前記賦活が薬品賦活である、請求項6又は7に記載の複合材料の製造方法。 The method for producing a composite material according to claim 6 or 7, wherein the activation is chemical activation. 前記金属酸化物が、Mn及びTiからなる群より選択される1種類以上の酸化物である、請求項5乃至8のいずれか一項に記載の複合材料の製造方法。 The method for producing a composite material according to any one of claims 5 to 8, wherein the metal oxide is one or more kinds of oxides selected from the group consisting of Mn and Ti.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114229823A (en) * 2021-12-03 2022-03-25 四川轻化工大学 Preparation of cobalt-nickel catalyzed melamine foam synthesized porous carbon and application of porous carbon in lithium-sulfur battery
WO2023210232A1 (en) * 2022-04-26 2023-11-02 株式会社Abri Lithium sulfur battery positive electrode, lithium sulfur battery, and charging/discharging method for same

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