JP2022076603A - Electrolytic solution for lithium-sulfur secondary battery and lithium-sulfur secondary battery - Google Patents

Electrolytic solution for lithium-sulfur secondary battery and lithium-sulfur secondary battery Download PDF

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Abstract

To provide an electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery capable of suppressing elution of lithium polysulfide from a composite material of porous carbon and sulfur.SOLUTION: In an electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery, the lithium-sulfur secondary battery includes a composite material of porous carbon and sulfur as a material for a positive electrode, the porous carbon contains pores having a pore diameter of 2 nm or more, and the solvent of the electrolytic solution contains ethylene carbonate having a chloro group.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、リチウム-硫黄系二次電池用電解液およびリチウム-硫黄系二次電池に関する。 The present invention relates to an electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery and a lithium-sulfur secondary battery.

リチウムイオン二次電池は、高エネルギー密度を有し、高電圧下で動作することができ、自己放電が少ないため長寿命である等の優れた性能を有する二次電池である。近年、電気自動車等の更なる普及を図るために、より一層の高エネルギー密度を備えることが要求されている。 Lithium-ion secondary batteries are secondary batteries that have high energy density, can operate under high voltage, and have excellent performance such as long life due to low self-discharge. In recent years, in order to further popularize electric vehicles and the like, it is required to have a higher energy density.

しかし、リチウムイオン二次電池は、コバルト、マンガン、ニッケル等を使用する電池であるため、高密度エネルギー化を図る上で、資源的な制約および価格的な制約を有している。 However, since the lithium ion secondary battery is a battery that uses cobalt, manganese, nickel, or the like, it has resource restrictions and price restrictions in order to achieve high-density energy.

正極に硫黄を用いたリチウム-硫黄系二次電池は、リチウムイオン二次電池よりも格段に大きい放電容量を得ることができる。加えて、硫黄は資源として豊富に存在するため、前記コバルト、マンガン、ニッケル等と比較して安価であり、入手が容易である。それゆえ、リチウム-硫黄系二次電池は次世代の二次電池として注目されている。 A lithium-sulfur secondary battery using sulfur for the positive electrode can obtain a significantly larger discharge capacity than a lithium ion secondary battery. In addition, since sulfur is abundant as a resource, it is cheaper than the above-mentioned cobalt, manganese, nickel and the like, and is easily available. Therefore, lithium-sulfur-based secondary batteries are attracting attention as next-generation secondary batteries.

一方、硫黄は電子伝導性を有さない絶縁体である。そのため、硫黄を電子伝導性物質と複合化させる方法が提案されている。非特許文献1には、前記電子伝導性物質の例として、カーボンナノチューブ、グラフェン、多孔性炭素、導電性ポリマー、ポリアクリロニトリル、金属酸化物等が提案されている。前記電子伝導性物質を用いた例としては、特許文献1に開示されるような、多孔性炭素のナノ多孔性内に硫黄を吸着させた電極材料が挙げられる。 On the other hand, sulfur is an insulator that does not have electron conductivity. Therefore, a method of complexing sulfur with an electron conductive substance has been proposed. Non-Patent Document 1 proposes carbon nanotubes, graphene, porous carbon, conductive polymers, polyacrylonitrile, metal oxides and the like as examples of the electron conductive substance. Examples of the use of the electron conductive substance include an electrode material in which sulfur is adsorbed in the nanoporous of porous carbon as disclosed in Patent Document 1.

特許文献2には、リチウム-硫黄系二次電池の電極に使用するためのバインダが開示されており、硫黄と多孔性炭素との複合体を正極用材料として用いることも開示されている。 Patent Document 2 discloses a binder for use as an electrode of a lithium-sulfur-based secondary battery, and also discloses that a composite of sulfur and porous carbon is used as a material for a positive electrode.

一方、リチウム-硫黄系二次電池では、放電時に、負極においてリチウム金属が酸化され、リチウムイオンが電解液に溶解する。当該リチウムイオンは、正極において硫黄と反応し、反応中間生成物である多硫化リチウム(リチウムポリスルフィド)を経て、硫化リチウム(LiS)に還元される。 On the other hand, in a lithium-sulfur-based secondary battery, the lithium metal is oxidized at the negative electrode during discharge, and lithium ions are dissolved in the electrolytic solution. The lithium ion reacts with sulfur at the positive electrode and is reduced to lithium sulfide ( Li 2S) via the reaction intermediate product lithium polysulfide (lithium polysulfide).

しかし、前記多硫化リチウムは電解液中に溶出しやすいため、いわゆるレドックスシャトルによって自己放電を生じさせ、リチウム-硫黄系二次電池の急激な容量減衰および充放電効率の低下を招く。 However, since the lithium polysulfide is easily eluted in the electrolytic solution, self-discharge is generated by the so-called redox shuttle, which causes a rapid capacity attenuation and a decrease in charge / discharge efficiency of the lithium-sulfur-based secondary battery.

特許文献3には、前記多硫化リチウムの溶出を抑制する技術として、硫黄と多孔性炭素との複合体を正極用材料として用いるリチウム-硫黄系二次電池の電解液であって、フッ素化エーテルを含有する電解液が開示されている。 Patent Document 3 describes, as a technique for suppressing elution of lithium polysulfide, an electrolytic solution of a lithium-sulfur-based secondary battery using a composite of sulfur and porous carbon as a positive electrode material, which is a fluorinated ether. The electrolytic solution containing the above is disclosed.

特開2013-118191号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-118191 特開2016-100094号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-100094 国際公開第2018/163778号International Publication No. 2018/163778

X. Ji, K. T. Lee and L. F. Nazar, “A highly ordered nanostructured carbon-sulphur cathode for lithium-sulphur batteries”, Nature Materials. 8 (2009) 500.X. Ji, K. T. Lee and L. F. Nazar, “A highly ordered nanostructured carbon-sulphur cathode for lithium-sulphur batteries”, Nature Materials. 8 (2009) 500.

ここで、多孔性炭素と硫黄との複合材料を正極用材料として用いる場合、多孔性炭素における硫黄の担持量が多いほど、リチウム-硫黄系二次電池のエネルギー密度を大きくすることができるため好ましいと言える。そして、多くの硫黄を担持するという観点からは、前記多孔性炭素の孔径は大きい方が好ましいと言える。 Here, when a composite material of porous carbon and sulfur is used as a material for a positive electrode, it is preferable that the larger the amount of sulfur carried in the porous carbon, the higher the energy density of the lithium-sulfur secondary battery. It can be said that. From the viewpoint of supporting a large amount of sulfur, it can be said that it is preferable that the pore size of the porous carbon is large.

しかし、本発明者は、前記複合体を正極用材料として用い、かつ、前記多孔性炭素が2nm以上の細孔を有するリチウム-硫黄系二次電池に対して、エチレンカーボネートを電解液の溶媒として用いた場合、充放電特性を得ることができないという問題が生じることを見出した。エチレンカーボネートは、リチウムイオン二次電池において、一般的に使用されている電解液の溶媒である。 However, the present inventor uses ethylene carbonate as a solvent for the electrolytic solution for a lithium-sulfur-based secondary battery in which the composite is used as a material for a positive electrode and the porous carbon has pores of 2 nm or more. It has been found that when used, there arises a problem that charge / discharge characteristics cannot be obtained. Ethylene carbonate is a solvent for an electrolytic solution generally used in a lithium ion secondary battery.

特許文献1及び非特許文献1は、前記複合材料について言及しているが、電解液と充放電特性との間の前記問題について何ら言及していないため、前記問題を解決することはできない。 Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 refer to the composite material, but cannot solve the problem because they do not mention the problem between the electrolytic solution and the charge / discharge characteristics.

特許文献2は、前記多孔性炭素としてミクロ多孔性カーボンを用いること、および、電解液に用いる好ましい溶媒としてエチレンカーボネートを用いることを開示しているに過ぎない。特許文献2は、前記多孔性炭素が2nm以上の細孔を有する場合の問題については何ら認識していないため、前記問題を解決することはできない。 Patent Document 2 merely discloses that microporous carbon is used as the porous carbon and ethylene carbonate is used as a preferable solvent used in the electrolytic solution. Since Patent Document 2 does not recognize any problem when the porous carbon has pores of 2 nm or more, the problem cannot be solved.

特許文献3には、特許文献3に記載のリチウム-硫黄系二次電池の電解液が、リチウムポリスルフィドの中でもLiの生成を抑制し得ることが開示されている。しかしながら、後述するように、本発明者は、当該電解液を用いたリチウム-硫黄系二次電池は、充放電特性の分極について改善の余地があることを見出している。 Patent Document 3 discloses that the electrolytic solution of the lithium-sulfur-based secondary battery described in Patent Document 3 can suppress the production of Li 2 S 8 among lithium polysulfides. However, as will be described later, the present inventor has found that the lithium-sulfur-based secondary battery using the electrolytic solution has room for improvement in the polarization of charge / discharge characteristics.

そこで、本発明の一態様は、孔径が2nm以上の細孔を含む多孔性炭素と硫黄との複合材料からのリチウムポリスルフィドの溶出を抑制し、かつ、リチウム-硫黄系二次電池の充放電特性を大きく向上させることができるリチウム-硫黄系二次電池用の電解液を提供することを目的とする。 Therefore, one aspect of the present invention is to suppress elution of lithium polysulfide from a composite material of porous carbon containing sulfur having pores having a pore diameter of 2 nm or more and sulfur, and to charge / discharge characteristics of a lithium-sulfur secondary battery. It is an object of the present invention to provide an electrolytic solution for a lithium-sulfur-based secondary battery which can greatly improve the above.

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、クロロ基を有するエチレンカーボネートを溶媒として用いた電解液を使用することにより、前記課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent studies to solve the above problems, the present inventor has found that the above problems can be solved by using an electrolytic solution using ethylene carbonate having a chloro group as a solvent, and completed the present invention. I came to do.

すなわち、本発明は以下の構成を含む。 That is, the present invention includes the following configurations.

<1>リチウム-硫黄系二次電池用の電解液であって、前記リチウム-硫黄系二次電池は、正極用材料として、多孔性炭素と硫黄との複合材料を備え、前記多孔性炭素は、孔径が2nm以上の細孔を含み、前記電解液の溶媒は、クロロ基を有するエチレンカーボネートを含有する、リチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <1> An electrolytic solution for a lithium-sulfur-based secondary battery, wherein the lithium-sulfur-based secondary battery includes a composite material of porous carbon and sulfur as a positive electrode material, and the porous carbon is An electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery, which contains pores having a pore diameter of 2 nm or more and contains an ethylene carbonate having a chloro group as the solvent of the electrolytic solution.

<2>前記多孔性炭素が有する細孔の総体積が0.4cm/g以上2.0cm/g以下である、<1>に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <2> The electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery according to <1>, wherein the total volume of the pores of the porous carbon is 0.4 cm 3 / g or more and 2.0 cm 3 / g or less.

<3>前記多孔性炭素が有する細孔の総体積が0.9cm/g以上2.0cm/g以下である、<2>に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <3> The electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery according to <2>, wherein the total volume of the pores of the porous carbon is 0.9 cm 3 / g or more and 2.0 cm 3 / g or less.

<4>前記多孔性炭素の細孔中に担持される硫黄の重量が、前記多孔性炭素の重量と、前記硫黄の重量との合計に対して30重量%以上、90重量%以下である、<1>~<3>のいずれかに記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <4> The weight of sulfur carried in the pores of the porous carbon is 30% by weight or more and 90% by weight or less with respect to the total of the weight of the porous carbon and the weight of the sulfur. The electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery according to any one of <1> to <3>.

<5>前記多孔性炭素の細孔中に担持される硫黄の重量が、前記多孔性炭素の重量と、前記硫黄の重量との合計に対して50重量%以上、90%重量%以下である、<4>に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <5> The weight of sulfur carried in the pores of the porous carbon is 50% by weight or more and 90% by weight or less with respect to the total of the weight of the porous carbon and the weight of the sulfur. , <4>. The electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery.

<6>前記多孔性炭素が有する細孔の総量に対する、孔径が2nm以上である細孔の量の割合が5%以上100%以下である、<1>~<5>のいずれかに記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <6> The method according to any one of <1> to <5>, wherein the ratio of the amount of pores having a pore diameter of 2 nm or more to the total amount of pores possessed by the porous carbon is 5% or more and 100% or less. Electrolyte for lithium-sulfur secondary batteries.

<7>前記孔径が2nm以上である細孔の量の割合が40%以上100%以下である、<6>に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <7> The electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery according to <6>, wherein the ratio of the amount of pores having a pore diameter of 2 nm or more is 40% or more and 100% or less.

<8>前記溶媒におけるクロロ基を有するエチレンカーボネートの含有量が20重量%以上100重量%以下である、<1>~<7>のいずれかに記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <8> The electrolysis for a lithium-sulfur secondary battery according to any one of <1> to <7>, wherein the content of ethylene carbonate having a chloro group in the solvent is 20% by weight or more and 100% by weight or less. liquid.

<9>前記溶媒におけるクロロ基を有するエチレンカーボネートの含有量が30重量%以上100重量%以下である、<8>に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <9> The electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery according to <8>, wherein the content of ethylene carbonate having a chloro group in the solvent is 30% by weight or more and 100% by weight or less.

<10>前記溶媒が、ビニレンカーボネート、ハイドロフルオロエーテル、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、炭酸ジエチル、およびフルオロエチレンカーボネートから選択される1種類以上を含む、<1>~<9>のいずれかに記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <10> The solvent according to any one of <1> to <9>, wherein the solvent contains one or more selected from vinylene carbonate, hydrofluoroether, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, diethyl carbonate, and fluoroethylene carbonate. Electrolyte for lithium-sulfur secondary batteries.

<11><1>~<10>のいずれかに記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液を含み、多孔性炭素と硫黄との複合材料を正極用材料として用い、前記多孔性炭素は孔径が2nm以上の細孔を含む、リチウム-硫黄系二次電池。 <11> The electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery according to any one of <1> to <10> is contained, and a composite material of porous carbon and sulfur is used as a positive electrode material, and the porous carbon is used. Is a lithium-sulfur secondary battery containing pores with a pore diameter of 2 nm or more.

本発明の一態様によれば、孔径が2nm以上の細孔を含む多孔性炭素と、硫黄との複合材料を正極用材料として用いた場合であっても、当該複合材料からのリチウムポリスルフィドの溶出を効果的に抑制することができる。また、本発明の一態様によれば、優れた充放電特性を有するリチウム-硫黄系二次電池を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, even when a composite material of porous carbon containing pores having a pore diameter of 2 nm or more and sulfur is used as a positive electrode material, elution of lithium polysulfide from the composite material. Can be effectively suppressed. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a lithium-sulfur-based secondary battery having excellent charge / discharge characteristics.

実施例および比較例で調製したリチウム-硫黄系二次電池の充放電試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the charge / discharge test of the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in an Example and a comparative example. 実施例および比較例で調製したリチウム-硫黄系二次電池を、サイクル特性試験に供した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of subjecting the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in an Example and a comparative example to a cycle characteristic test. 実施例および比較例で調製したリチウム-硫黄系二次電池を、サイクル特性試験に供した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of subjecting the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in an Example and a comparative example to a cycle characteristic test. 実施例で調製したリチウム-硫黄系二次電池を、サイクル特性試験に供した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of subjecting the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in an Example to a cycle characteristic test.

以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、記述した範囲内で種々の変更が可能である。例えば、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。なお、本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「A~B」は、「A以上、B以下」を意図する。 Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made within the scope described. For example, embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in different embodiments are also included in the technical scope of the present invention. Unless otherwise specified in the present specification, "A to B" representing a numerical range is intended to be "A or more and B or less".

〔1.リチウム-硫黄系二次電池用の電解液〕
本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池用の電解液は、リチウム-硫黄系二次電池用の電解液であって、前記リチウム-硫黄系二次電池は、正極用材料として、多孔性炭素と硫黄との複合材料を備え、前記多孔性炭素は、孔径が2nm以上の細孔を含み、前記電解液の溶媒は、クロロ基を有するエチレンカーボネートを含有する。
[1. Lithium-sulfur-based secondary battery electrolyte]
The electrolytic solution for a lithium-sulfur-based secondary battery according to an embodiment of the present invention is an electrolytic solution for a lithium-sulfur-based secondary battery, and the lithium-sulfur-based secondary battery is used as a material for a positive electrode. The porous carbon comprises a composite material of porous carbon and sulfur, the porous carbon contains pores having a pore size of 2 nm or more, and the solvent of the electrolytic solution contains ethylene carbonate having a chloro group.

(1-1.リチウム-硫黄系二次電池の正極用材料)
本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池用の電解液を用いる前記リチウム-硫黄系二次電池は、正極用材料として、多孔性炭素と硫黄との複合材料を備える。本明細書において正極用材料とは、正極を作製するために集電体に塗布もしくは充填される材料であり、正極活物質、導電助剤、バインダ等を含有する。
(1-1. Material for positive electrode of lithium-sulfur secondary battery)
The lithium-sulfur-based secondary battery using an electrolytic solution for a lithium-sulfur-based secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a composite material of porous carbon and sulfur as a positive electrode material. In the present specification, the positive electrode material is a material applied or filled in a current collector for producing a positive electrode, and contains a positive electrode active material, a conductive auxiliary agent, a binder, and the like.

前記硫黄は、正極活物質である。前記多孔性炭素としては、特に限定されないが、樹脂、化石資源材料等を炭化後、水酸化カリウム等のアルカリによって賦活することによって得られた活性炭等を好ましく用いることができる。前記活性炭等は、比表面積および細孔の体積が大きく、かつ、硫黄を多く担持する上で好適な構造を備えているため好ましい。また、鋳型法によって炭素の細孔構造を制御した多孔性炭素も好ましく用いることができる。前記多孔性炭素は公知の方法に基づいて製造したものでもよく、市販品であってもよい。 The sulfur is a positive electrode active material. The porous carbon is not particularly limited, but activated carbon or the like obtained by carbonizing a resin, a fossil resource material or the like and then activating it with an alkali such as potassium hydroxide can be preferably used. The activated carbon or the like is preferable because it has a large specific surface area and a volume of pores, and has a structure suitable for supporting a large amount of sulfur. Further, porous carbon whose pore structure of carbon is controlled by a template method can also be preferably used. The porous carbon may be produced based on a known method, or may be a commercially available product.

前記「多孔性炭素と硫黄との複合材料」とは、多孔性炭素が有する細孔に硫黄が担持されてなる多孔性炭素である。すなわち、多孔性炭素と硫黄との複合材料とは、ポリスルフィドを吸着した多孔性炭素も含む。なお、前記吸着は物理吸着であってもよく、化学吸着であってもよい。 The "composite material of porous carbon and sulfur" is a porous carbon in which sulfur is supported in the pores of the porous carbon. That is, the composite material of porous carbon and sulfur also includes porous carbon adsorbed with polysulfide. The adsorption may be physical adsorption or chemical adsorption.

前記多孔性炭素は、孔径が2nm以上の細孔を含む。多孔性炭素の細孔の形状としては、スリット状、広開孔状、連結孔等があるが、形状は特に限定されるものではない。多孔性炭素の細孔の種類としては、孔径が2nm未満のミクロ孔、孔径が2nm以上、50nm未満であるメソ孔、孔径が50nm以上であるマクロ孔がある。 The porous carbon contains pores having a pore diameter of 2 nm or more. The shape of the pores of the porous carbon includes a slit shape, a wide open hole shape, a connecting hole, and the like, but the shape is not particularly limited. Types of pores of porous carbon include micropores having a pore diameter of less than 2 nm, mesopores having a pore diameter of 2 nm or more and less than 50 nm, and macropores having a pore diameter of 50 nm or more.

前述したように、特許文献2は、前記多孔性炭素としてミクロ多孔性カーボンを用いること、および、電解液に用いる好ましい溶媒としてエチレンカーボネートを用いることを開示している。 As described above, Patent Document 2 discloses that microporous carbon is used as the porous carbon and ethylene carbonate is used as a preferable solvent used in the electrolytic solution.

特許文献2に開示されたミクロ多孔性カーボンは、細孔がミクロ孔である多孔性炭素である。この場合、エチレンカーボネートは、前記ミクロ孔に侵入することができないため、ミクロ孔に担持された硫黄がリチウムポリスルフィドとして電解液中に溶出することはない。 The microporous carbon disclosed in Patent Document 2 is a porous carbon having micropores. In this case, since ethylene carbonate cannot penetrate into the micropores, the sulfur supported on the micropores does not elute into the electrolytic solution as lithium polysulfide.

しかし、ミクロ孔は孔径がごく小さいため、担持することができる硫黄の量も当然少ない。そのため、ミクロ孔よりも孔径が大きいメソ孔にも硫黄を担持させ、かつ、電解液中に溶出する硫黄を少なくすることが求められる。 However, since the micropores have a very small pore diameter, the amount of sulfur that can be supported is naturally small. Therefore, it is required to support sulfur in mesopores having a pore diameter larger than that of micropores and to reduce the amount of sulfur eluted in the electrolytic solution.

前記多孔性炭素は、孔径が2nm以上の細孔を含むため、ミクロ孔のみを有する多孔性炭素よりも多くの硫黄を担持することができる。よって、前記リチウム-硫黄系二次電池を高密度エネルギー化することができる。 Since the porous carbon contains pores having a pore diameter of 2 nm or more, it can carry more sulfur than the porous carbon having only micropores. Therefore, the lithium-sulfur-based secondary battery can be made into high-density energy.

しかも、後述するように、本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池用の電解液は、溶媒としてクロロ基を有するエチレンカーボネートを含有するため、前記硫黄がリチウムポリスルフィドとして電解液中に溶出することを抑制することができる。それゆえ、本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池用の電解液は、充放電特性に優れたリチウム-硫黄系二次電池を提供することができる。 Moreover, as will be described later, since the electrolytic solution for the lithium-sulfur secondary battery according to the embodiment of the present invention contains ethylene carbonate having a chloro group as a solvent, the sulfur is contained in the electrolytic solution as lithium polysulfide. It is possible to suppress the elution to. Therefore, the electrolytic solution for a lithium-sulfur-based secondary battery according to an embodiment of the present invention can provide a lithium-sulfur-based secondary battery having excellent charge / discharge characteristics.

前記多孔性炭素が有する前記細孔の総体積は、硫黄を多く担持する観点から0.4cm/g~2.0cm/gであることが好ましく、0.9cm/g~2.0cm/gであることがより好ましく、1.2cm/g~2.0cm/gであることがさらに好ましい。 The total volume of the pores of the porous carbon is preferably 0.4 cm 3 / g to 2.0 cm 3 / g, preferably 0.9 cm 3 / g to 2.0 cm, from the viewpoint of supporting a large amount of sulfur. It is more preferably 3 / g, and even more preferably 1.2 cm 3 / g to 2.0 cm 3 / g.

前記多孔性炭素の細孔の総体積が前記範囲である場合、前記多孔性炭素に硫黄を十分に担持させることが可能であるため、リチウム-硫黄系二次電池のエネルギー密度を一層向上させることができる。 When the total volume of the pores of the porous carbon is in the above range, sulfur can be sufficiently supported on the porous carbon, so that the energy density of the lithium-sulfur secondary battery can be further improved. Can be done.

なお、細孔の体積は、例えば、Quantachrome社のAUTOSORB iQを用いて測定することができる。 The volume of the pores can be measured using, for example, AUTOSORB iQ manufactured by Quantachrome.

また、前記多孔性炭素の細孔中に担持される硫黄の重量は、前記多孔性炭素の重量と、前記硫黄の重量との合計に対して、30重量%以上、90%重量%以下であることが好ましく、50重量%以上、90%重量%以下であることがより好ましく、70重量%以上、90重量%以下であることがさらに好ましい。 Further, the weight of sulfur carried in the pores of the porous carbon is 30% by weight or more and 90% by weight or less with respect to the total of the weight of the porous carbon and the weight of the sulfur. It is more preferable, it is more preferably 50% by weight or more and 90% by weight or less, and further preferably 70% by weight or more and 90% by weight or less.

また、本発明の一態様において、前記多孔性炭素の細孔中に担持される硫黄の重量は、前記多孔性炭素の重量と、前記硫黄の重量との合計に対して、70重量%以下であってもよい。 Further, in one aspect of the present invention, the weight of sulfur carried in the pores of the porous carbon is 70% by weight or less with respect to the total of the weight of the porous carbon and the weight of the sulfur. There may be.

前記硫黄の重量が前記範囲である場合、多孔性炭素における硫黄の担持量を十分に増やすことができるため、リチウム-硫黄系二次電池の充放電特性を向上させることができる。なお、硫黄の担持量は多いほど好ましいが、多孔性炭素の担持能力等に鑑みると、上限値は90重量%程度である。なお、硫黄の担持量は、実施例にて後述する方法によって確認することができる。 When the weight of the sulfur is in the above range, the amount of sulfur supported on the porous carbon can be sufficiently increased, so that the charge / discharge characteristics of the lithium-sulfur secondary battery can be improved. It is preferable that the amount of sulfur supported is large, but the upper limit is about 90% by weight in view of the carrying capacity of porous carbon and the like. The amount of sulfur carried can be confirmed by the method described later in the examples.

前記孔径が2nm以上である細孔の量の割合は、前記多孔性炭素が有する細孔の総量に対して、5%以上であることが好ましく、20%以上であることがより好ましく、40%以上であることが特に好ましい。また、前記孔径が2nm以上の細孔の量の割合は、高い程好ましく、前記多孔性炭素が有する細孔の総量に対して、20%以下よりも40%以下であることが好ましく、60%以下であることがより好ましく、80%以下であることがさらに好ましく、100%以下であることが特に好ましい。 The ratio of the amount of pores having a pore diameter of 2 nm or more is preferably 5% or more, more preferably 20% or more, and more preferably 40% with respect to the total amount of pores contained in the porous carbon. The above is particularly preferable. Further, the ratio of the amount of pores having a pore diameter of 2 nm or more is preferably as high as possible, and is preferably 40% or less rather than 20% or less, and 60% with respect to the total amount of pores of the porous carbon. It is more preferably less than or equal to, more preferably 80% or less, and particularly preferably 100% or less.

本明細書中、「細孔の量」とは、細孔の数、または細孔の体積のいずれを意味してもよい。すなわち、前記多孔性炭素が有する細孔の総量に対する、前記孔径が2nm以上である細孔の量の割合は、前記多孔性炭素が有する細孔の総数に対する、孔径が2nm以上である細孔の数の割合であってもよい。あるいは、前記多孔性炭素が有する細孔の総量に対する、前記孔径が2nm以上である細孔の量の割合は、前記多孔性炭素が有する細孔の体積の合計に対する、孔径が2nm以上である細孔の体積の割合であってもよい。 As used herein, the "amount of pores" may mean either the number of pores or the volume of pores. That is, the ratio of the amount of pores having a pore diameter of 2 nm or more to the total amount of pores possessed by the porous carbon is the ratio of the pores having a pore diameter of 2 nm or more to the total number of pores possessed by the porous carbon. It may be a percentage of the number. Alternatively, the ratio of the amount of pores having a pore diameter of 2 nm or more to the total amount of pores possessed by the porous carbon is such that the pore diameter is 2 nm or more relative to the total volume of pores possessed by the porous carbon. It may be a percentage of the volume of the holes.

前記割合が5%以上であることにより、ミクロ孔のみを備える多孔性炭素よりも硫黄の担持量を大きく増加させることができるため、高エネルギー密度のリチウム-硫黄系二次電池を提供することがより容易となる。 When the ratio is 5% or more, the amount of sulfur carried can be greatly increased as compared with the porous carbon having only micropores, so that a lithium-sulfur-based secondary battery having a high energy density can be provided. It will be easier.

なお、前記細孔に占めるマクロ孔の割合が多い場合は、電極の密度が低下する傾向がある。そのため、前記孔径が2nm以上の細孔は、メソ孔であることがより好ましい。 When the ratio of macropores to the pores is large, the density of the electrodes tends to decrease. Therefore, it is more preferable that the pores having a pore diameter of 2 nm or more are mesopores.

前記孔径が2nm以上である細孔の数の割合、および細孔の孔径は、BET法によって前記多孔性炭素の比表面積を測定し、急冷固相密度関数法(QSDFT)によって細孔の分布および細孔の体積を測定することによって確認することができる。測定装置としては、Quantachrome社のAUTOSORB iQを用いることができる。 The ratio of the number of pores having a pore diameter of 2 nm or more, and the pore diameter of the pores are measured by measuring the specific surface area of the porous carbon by the BET method, and the distribution of the pores and the pore diameter by the quenching solid phase density function method (QSDFT). It can be confirmed by measuring the volume of the pores. As the measuring device, AUTOSORB iQ manufactured by Quantachrome can be used.

前記多孔性炭素の比表面積、細孔分布、および細孔の体積の測定は、200℃で3時間真空脱気した試料について、液体窒素の温度にて、窒素の吸着等温線を測定することによって行うことができる。 The specific surface area, pore distribution, and pore volume of the porous carbon are measured by measuring the adsorption isotherm of nitrogen at the temperature of liquid nitrogen for a sample vacuum degassed at 200 ° C. for 3 hours. It can be carried out.

また、前記孔径が2nm以上である細孔の体積の割合は、上記AUTOSORB iQから得られる細孔分布図によって確認することができる。 Further, the ratio of the volume of the pores having a pore diameter of 2 nm or more can be confirmed by the pore distribution map obtained from the AUTOSORB iQ.

前記細孔への硫黄の担持は、例えば、多孔性炭素と硫黄とを乳鉢等を用いて混合した後、得られた混合物をマッフル炉内等で加熱することによって行うことができる。硫黄としては、市販の硫黄華等を用いることができる。 Supporting sulfur in the pores can be performed, for example, by mixing porous carbon and sulfur using a mortar or the like, and then heating the obtained mixture in a muffle furnace or the like. As the sulfur, commercially available sulfur flower or the like can be used.

本明細書において、硫黄の形態は特に限定されない。例えば、α硫黄(斜方硫黄)、β硫黄(単斜硫黄)、γ硫黄(単斜硫黄)、ゴム状硫黄、およびプラスチック硫黄からなる群より選択される1以上の硫黄を用いることができる。 In the present specification, the form of sulfur is not particularly limited. For example, one or more sulfur selected from the group consisting of α-sulfur (oblique sulfur), β-sulfur (monoclinic sulfur), γ-sulfur (monoclinic sulfur), rubbery sulfur, and plastic sulfur can be used.

前記多孔性炭素の比表面積は、硫黄を多く担持する観点から、750m/g~3300m/gであることが好ましく、1200m/g~3300m/gであることがより好ましい。 The specific surface area of the porous carbon is preferably 750 m 2 / g to 3300 m 2 / g, and more preferably 1200 m 2 / g to 3300 m 2 / g, from the viewpoint of supporting a large amount of sulfur.

前記正極用材料である導電助剤としては、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定なく使用することができる。導電助剤として、通常、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラックが使用されるが、他の導電助剤を用いてもよい。例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛等)、人造黒鉛、カーボンウイスカー、炭素繊維粉末、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金等)粉末、金属繊維、導電性セラミックス材料、カーボンナノチューブ等の導電性材料を使用してもよい。これらは単独で用いてもよく、2種類以上の混合物として用いることもできる。 The conductive auxiliary agent, which is a material for the positive electrode, can be used without particular limitation as long as it is an electronically conductive material that does not adversely affect the battery performance. As the conductive auxiliary agent, carbon black such as acetylene black or Ketjen black is usually used, but other conductive auxiliary agents may be used. For example, natural graphite (scaly graphite, scaly graphite, earthy graphite, etc.), artificial graphite, carbon whiskers, carbon fiber powder, metal (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.) powder, metal fibers, conductive ceramic materials. , A conductive material such as carbon nanotubes may be used. These may be used alone or as a mixture of two or more kinds.

また、前記バインダとしては、例えば水系バインダを使用することができる。水系バインダは、前記多孔性炭素と硫黄との複合材料と、前記導電助剤等とを結着させることができるものであれば特に限定されない。例えば、ゴム系バインダであるスチレン-ブタジエンラバー(SBR)および分散剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)、水系バインダとしてのアルギン酸塩、並びにポリグルタミン酸塩等からなる群より選ばれるバインダを1種または2種以上用いることができる。 Further, as the binder, for example, an aqueous binder can be used. The water-based binder is not particularly limited as long as it can bind the composite material of the porous carbon and sulfur to the conductive auxiliary agent or the like. For example, one or two types of binders selected from the group consisting of styrene-butadiene rubber (SBR) which is a rubber-based binder, carboxymethyl cellulose (CMC) as a dispersant, alginate as an aqueous binder, polyglutamic acid and the like. The above can be used.

前記正極用材料は、例えば、前記硫黄を担持した多孔性炭素と、前記導電助剤と、前記バインダとを均質に混合することによって調製することができる。当該混合の方法としては、前記硫黄を担持した多孔性炭素と、前記導電助剤とを乳鉢等に入れて混合し、得られた混合物を、更に自転・公転ミキサーを用いて撹拌する方法を挙げることができる。 The positive electrode material can be prepared, for example, by homogeneously mixing the sulfur-supporting porous carbon, the conductive auxiliary agent, and the binder. Examples of the mixing method include a method in which the porous carbon carrying sulfur and the conductive auxiliary agent are placed in a mortar or the like and mixed, and the obtained mixture is further stirred using a rotation / revolution mixer. be able to.

(1-2.リチウム-硫黄系二次電池用の電解液)
リチウム-硫黄系二次電池用の電解液(以下、単に電解液とも称する)は、溶媒と、リチウムを含有する電解質とを含む。
(1-2. Electrolyte for lithium-sulfur secondary battery)
The electrolytic solution for a lithium-sulfur-based secondary battery (hereinafter, also simply referred to as an electrolytic solution) contains a solvent and an electrolyte containing lithium.

前記リチウム-硫黄系二次電池用の電解液の溶媒(以下、単に電解液の溶媒とも称する)は、クロロ基を有するエチレンカーボネートを含有する。前記クロロ基を有するエチレンカーボネートのクロロ基の数は特に限定されず、1~4個であってよい。 The solvent of the electrolytic solution for the lithium-sulfur secondary battery (hereinafter, also simply referred to as the solvent of the electrolytic solution) contains ethylene carbonate having a chloro group. The number of chloro groups of the ethylene carbonate having a chloro group is not particularly limited and may be 1 to 4.

また、エチレンカーボネートに対するクロロ基の結合位置も特に限定されず、任意の位置に存在していてよい。すなわち、例えばエチレンカーボネート中の全ての炭素がクロロ基を1つまたは2つ有していてもよく、1つの炭素のみがクロロ基を有していてもよい。また、クロロ基が、エチレンカーボネートの炭素に直接結合せず、例えば、当該炭素にクロロメチレン基として結合していてもよい。 Further, the bonding position of the chloro group to ethylene carbonate is not particularly limited, and may be present at any position. That is, for example, all carbons in ethylene carbonate may have one or two chloro groups, or only one carbon may have a chloro group. Further, the chloro group may not be directly bonded to the carbon of ethylene carbonate, but may be bonded to the carbon as a chloromethylene group, for example.

クロロ基を有するエチレンカーボネートとしては、例えば、クロロエチレンカーボネート(4-クロロ-1,3-ジオキソラン-2-オン)、炭酸3-クロロプロピレン、4,4,5,5,-テトラクロロ-1,3-ジオキソラン-2-オン等が挙げられる。前記クロロ基を含むエチレンカーボネートは、1種類のみが電解液の溶媒に含まれていてもよいし、2種類以上が含まれていてもよい。 Examples of the ethylene carbonate having a chloro group include chloroethylene carbonate (4-chloro-1,3-dioxolane-2-one), 3-chloropropylene carbonate, 4,4,5,5, -tetrachloro-1, Examples thereof include 3-dioxolane-2-one. Only one kind of ethylene carbonate containing a chloro group may be contained in the solvent of the electrolytic solution, or two or more kinds may be contained.

前記電解液の溶媒が、クロロ基を有するエチレンカーボネートを含むことによって、多孔性炭素と硫黄との複合材料が、孔径が2nm以上の細孔を含んでいても、前記細孔から硫黄がリチウムポリスルフィドとして電解液中に溶出することを防ぐことができる。 Since the solvent of the electrolytic solution contains ethylene carbonate having a chloro group, sulfur is lithium polysulfide from the pores even if the composite material of porous carbon and sulfur contains pores having a pore diameter of 2 nm or more. It is possible to prevent elution in the electrolytic solution.

後述する実施例1に示すように、クロロ基を有するエチレンカーボネートを溶媒として含む電解液を用いた場合、前記複合材料(硫黄を担持した活性炭)の細孔に被膜が形成されたことを示すと考えられる充放電曲線が得られている。 As shown in Example 1 described later, when an electrolytic solution containing ethylene carbonate having a chloro group as a solvent is used, it is shown that a film is formed in the pores of the composite material (activated carbon carrying sulfur). A possible charge / discharge curve has been obtained.

このことから、本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池用の電解液は、まず、クロロ基を有するエチレンカーボネートが、前記細孔に被膜を形成するものと考えられる。次に、前記被膜が、前記硫黄と前記電解液との接触を抑制し、前記細孔からのリチウムポリスルフィドの溶出を抑制するものと考えられる。その結果、前記複合材料が備える硫黄の損失を防ぎ、硫黄を正極活物質として有効に作用させることができるため、リチウム-硫黄系二次電池に優れた充放電特性をもたらすことができると考えられる。 From this, it is considered that in the electrolytic solution for the lithium-sulfur secondary battery according to the embodiment of the present invention, first, ethylene carbonate having a chloro group forms a film on the pores. Next, it is considered that the coating film suppresses the contact between the sulfur and the electrolytic solution and suppresses the elution of lithium polysulfide from the pores. As a result, it is considered that the loss of sulfur contained in the composite material can be prevented and sulfur can be effectively acted as a positive electrode active material, so that excellent charge / discharge characteristics can be obtained in a lithium-sulfur-based secondary battery. ..

また、後述する実施例では、前記溶媒としてフルオロエチレンカーボネートを用いた場合よりも、クロロ基を有するエチレンカーボネートを用いた場合の方が、リチウム-硫黄系二次電池に優れた充放電特性をもたらすことができることが示されている。 Further, in the examples described later, the case where ethylene carbonate having a chloro group is used brings about superior charge / discharge characteristics to the lithium-sulfur secondary battery than the case where fluoroethylene carbonate is used as the solvent. It has been shown that it can be done.

前記電解液の溶媒中の前記クロロ基を有するエチレンカーボネートの含有量は、前記溶媒の重量を100重量%としたときに、20重量%以上100重量%以下であることが好ましく、30重量%以上100重量%以下であることがより好ましく、50重量%以上100重量%以下であることがさらに好ましい。 The content of the ethylene carbonate having a chloro group in the solvent of the electrolytic solution is preferably 20% by weight or more and 100% by weight or less, preferably 30% by weight or more, when the weight of the solvent is 100% by weight. It is more preferably 100% by weight or less, and further preferably 50% by weight or more and 100% by weight or less.

前記含有量が20重量%以上である場合、前記電解液の溶媒として用いた場合に、リチウムポリスルフィドの溶出を十分に抑制し得る程度に前記被膜を形成し得るため、リチウム-硫黄系二次電池の放電容量を向上させる上で好ましい。 When the content is 20% by weight or more, the film can be formed to such an extent that the elution of lithium polysulfide can be sufficiently suppressed when used as a solvent for the electrolytic solution. Therefore, a lithium-sulfur secondary battery It is preferable to improve the discharge capacity of the above.

前記電解液の溶媒中には、前記クロロ基を有するエチレンカーボネート以外の溶媒が共溶媒として含まれていてもよい。そのような共溶媒としては、エチレンカーボネート以外のカーボネート類、エーテル類、硫黄化合物、ハロゲン化炭化水素類、リン酸エステル系化合物、スルホラン系炭化水素類、およびイオン性液体からなる群より選択される1以上が挙げられる。 The solvent of the electrolytic solution may contain a solvent other than the ethylene carbonate having a chloro group as a co-solvent. Such a co-solvent is selected from the group consisting of carbonates other than ethylene carbonate, ethers, sulfur compounds, halogenated hydrocarbons, phosphate ester compounds, sulfolane hydrocarbons, and ionic liquids. 1 or more can be mentioned.

前記エチレンカーボネート以外のカーボネート類としては、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ビニレンカーボネート(VC)等の環状カーボネート類;ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等の鎖状カーボネート類であることが好ましい。 Examples of the carbonates other than the ethylene carbonate include cyclic carbonates such as fluoroethylene carbonate (FEC) and vinylene carbonate (VC); chains such as dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC) and diethyl carbonate (DEC). It is preferably carbonates.

前記エーテル類としては、ジオキソラン(DOL)、テトラヒドロフラン等の環状エーテル類;ジメトキシエタン(DME)、トリグライム(G3)、テトラグライム(G4)、ハイドロフルオロエーテル等の鎖状エーテル類であることが好ましい。 The ethers are preferably cyclic ethers such as dioxolane (DOL) and tetrahydrofuran; chain ethers such as dimethoxyethane (DME), triglyme (G3), tetraglyme (G4) and hydrofluoro ethers.

前記共溶媒の中でも、ビニレンカーボネート、ハイドロフルオロエーテル、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、炭酸ジエチル、およびフルオロエチレンカーボネートから選択される1種類以上であることが、リチウム-硫黄系二次電池の充放電特性を向上させる観点から特に好ましい。 Among the co-solvents, one or more selected from vinylene carbonate, hydrofluoroether, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, diethyl carbonate, and fluoroethylene carbonate is the charge / discharge characteristic of the lithium-sulfur secondary battery. It is particularly preferable from the viewpoint of improving.

前記ハイドロフルオロエーテルとしては例えば、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)-プロパンが挙げられる。 Examples of the hydrofluoroether include 1,1,2,2-tetrafluoro-3- (1,1,2,2-tetrafluoroethoxy) -propane.

前記リチウムを含有する電解質としては、例えば、LiPF、LiBF、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。中でも、LiPF、LiFSI、LiTFSIであることが好ましく、LiTFSIであることがさらに好ましい。前記リチウムを含有する電解質は、1種類のみを用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。 Examples of the lithium-containing electrolyte include LiPF 6 , LiBF 4 , lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), and lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI). Of these, LiPF 6 , LiFSI, and LiTFSI are preferable, and LiTFSI is even more preferable. Only one type of the lithium-containing electrolyte may be used, or two or more types may be used in combination.

〔2.リチウム-硫黄系二次電池〕
本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池は、本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池用の電解液を含み、多孔性炭素と硫黄との複合材料を正極用材料として用い、前記多孔性炭素は孔径が2nm以上の細孔を含む。
[2. Lithium-sulfur secondary battery]
The lithium-sulfur-based secondary battery according to the embodiment of the present invention contains an electrolytic solution for the lithium-sulfur-based secondary battery according to the embodiment of the present invention, and a composite material of porous carbon and sulfur is used as a positive electrode. Used as a material, the porous carbon contains pores having a pore diameter of 2 nm or more.

当該構成によれば、後述する実施例に示すように、正極用材料に含まれる多孔性炭素の細孔中の硫黄の担持量を増加させ、かつ、前記電解液によって当該硫黄がリチウムポリスルフィドとして溶出することを防ぐことができるため、高い放電容量を示すリチウム-硫黄系二次電池を提供することができる。 According to this configuration, as shown in Examples described later, the amount of sulfur carried in the pores of the porous carbon contained in the positive electrode material is increased, and the sulfur is eluted as lithium polysulfide by the electrolytic solution. Therefore, it is possible to provide a lithium-sulfur-based secondary battery exhibiting a high discharge capacity.

前記電解液、および硫黄を担持した多孔性炭素については、既に説明したとおりである。前記電解液は、例えば、リチウムを含有する電解質と、溶媒とを混合する方法によって調製することができる。 The electrolytic solution and the porous carbon supporting sulfur are as described above. The electrolytic solution can be prepared, for example, by a method of mixing a lithium-containing electrolyte and a solvent.

本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池は、正極、負極、本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池用の電解液、セパレータ、筐体等を用いて、従来公知の方法によって組み立てることにより、製造することができる。 The lithium-sulfur secondary battery according to the embodiment of the present invention uses a positive electrode, a negative electrode, an electrolytic solution for the lithium-sulfur secondary battery according to the embodiment of the present invention, a separator, a housing, and the like. It can be manufactured by assembling by a conventionally known method.

前記正極は、例えば、正極用スラリーを集電体に塗布もしくは充填し、乾燥させた後、加圧成形し、さらに真空乾燥する方法によって調製することができる。 The positive electrode can be prepared, for example, by applying or filling a current collector with a slurry for a positive electrode, drying it, pressure-molding it, and then vacuum-drying it.

前記正極用スラリーは、例えば、前記バインダを純水に溶解させて調製したバインダ溶液に導電助剤を添加し、次いで前記多孔性炭素と硫黄との複合材料を添加し、混合することによって調製することができる。 The positive electrode slurry is prepared, for example, by adding a conductive auxiliary agent to a binder solution prepared by dissolving the binder in pure water, and then adding and mixing the composite material of the porous carbon and sulfur. be able to.

前記正極用スラリーにおける前記複合材料と、前記導電助剤と、前記バインダとの重量比は、集電体への塗布もしくは充填を均一に行う観点から、80:10:10~97:0:3であることが好ましく、85:5:10~95:0:5であることがより好ましい。 The weight ratio of the composite material, the conductive auxiliary agent, and the binder in the positive electrode slurry is 80:10:10 to 97: 0: 3 from the viewpoint of uniformly applying or filling the current collector. Is preferable, and 85: 5: 10 to 95: 0: 5 is more preferable.

集電体としては、構成された電池において悪影響を及ぼさない電子伝導体を使用可能である。例えば、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス等を挙げることができる。接着性、導電性、耐酸化性等の向上の目的で、表面をカーボン、ニッケル、チタンまたは銀等で処理した集電体を用いてもよい。 As the current collector, an electron conductor that does not adversely affect the configured battery can be used. For example, aluminum, titanium, stainless steel, nickel, calcined carbon, conductive polymer, conductive glass and the like can be mentioned. For the purpose of improving adhesiveness, conductivity, oxidation resistance, etc., a current collector whose surface is treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like may be used.

集電体の形状については、フォイル状、フィルム状、シート状、ネット状等のいずれであってもよい。中でも、前記リチウム-硫黄系二次電池用の正極用材料をより多く充填することができ、大容量化が可能となるため、例えばハニカム状等の三次元構造を有する集電体が好ましい。当該集電体としては、例えば、3Dアルミニウム集電体を挙げることができる。 The shape of the current collector may be any of foil-like, film-like, sheet-like, net-like and the like. Among them, a current collector having a three-dimensional structure such as a honeycomb shape is preferable because a larger amount of the positive electrode material for the lithium-sulfur secondary battery can be filled and the capacity can be increased. Examples of the current collector include a 3D aluminum current collector.

負極は、例えば、負極用スラリーを集電体に塗布もしくは充填し、乾燥させた後、加圧成形し、さらに真空乾燥する方法によって調製することができる。 The negative electrode can be prepared, for example, by applying or filling a current collector with a slurry for a negative electrode, drying it, pressure-molding it, and then vacuum-drying it.

前記負極用スラリーは、例えば、バインダを純水に溶解させて調製したバインダ溶液に導電助剤を添加し、次いで負極活物質を添加し、混合することによって調製することができる。負極活物質としては、例えば金属リチウムを用いることができる。 The negative electrode slurry can be prepared, for example, by adding a conductive auxiliary agent to a binder solution prepared by dissolving a binder in pure water, and then adding and mixing a negative electrode active material. As the negative electrode active material, for example, metallic lithium can be used.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims, and the embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.

<充放電試験>
後述する実施例、および比較例にて作製したリチウム-硫黄系二次電池の正極を作用極とし、BTS2400W(Nagano社製)を用いて、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、放電時のモードは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。)。カットオフ電圧は、下限値を1.0V、上限値を3.0Vとした。試験は25℃の環境にて行った。
<Charging / discharging test>
A constant current charge / discharge test was performed using BTS2400W (manufactured by Nagano) with the positive electrode of the lithium-sulfur secondary battery produced in Examples and Comparative Examples described later as the working electrode. The charging mode is C.I. C. The method (“CC” is an abbreviation for consistent currant) is used, and the mode at the time of discharge is C.I. 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). The cutoff voltage has a lower limit of 1.0 V and an upper limit of 3.0 V. The test was conducted in an environment of 25 ° C.

なお、充電容量および放電容量は、硫黄の重量を基準とし、単位をmA・h(g sulfur)-1と定義した。 The charge capacity and the discharge capacity are defined as mA · h (g sulfur) -1 based on the weight of sulfur.

<サイクル特性試験>
充放電レートを0.1/0.1Cとし、1-100サイクルの充放電を行った。各サイクル目での放電容量が高いほど、優れたリチウム-硫黄系二次電池とする。
<Cycle property test>
The charge / discharge rate was set to 0.1 / 0.1C, and 1-100 cycles of charge / discharge were performed. The higher the discharge capacity in each cycle, the better the lithium-sulfur secondary battery.

なお、クーロン効率、および容量維持率は、下記式によって求めた。
・クーロン効率(%)=(100サイクル目クーロン効率/2サイクル目クーロン効率)×100
・容量維持率(%)=(100サイクル目放電容量/2サイクル目放電容量)×100
〔実施例1〕
(硫黄を担持した活性炭の作製)
重量比が35:65となるように、孔径が2nm以上4nm以下のメソ孔を有する活性炭と、硫黄華(Wako pure chemical社製、純度99%超)とを、メノウ乳鉢を用いて混合し、混合物を得た。前記混合物を耐熱性金属容器に移し、これをマッフル炉に投入して、大気中で加熱処理を行った。
The Coulomb efficiency and the capacity retention rate were calculated by the following formulas.
・ Coulomb efficiency (%) = (100th cycle Coulomb efficiency / 2nd cycle Coulomb efficiency) × 100
-Capacity retention rate (%) = (100th cycle discharge capacity / 2nd cycle discharge capacity) x 100
[Example 1]
(Preparation of activated carbon supporting sulfur)
Activated carbon having mesopores with a pore diameter of 2 nm or more and 4 nm or less and sulfur flower (manufactured by Wako pure chemical, with a purity of more than 99%) are mixed using an agate mortar so that the weight ratio is 35:65. A mixture was obtained. The mixture was transferred to a heat-resistant metal container, put into a muffle furnace, and heat-treated in the atmosphere.

なお、前記活性炭の細孔の体積は1.6cm/gであり、比表面積は1307m/gであった。また、前記活性炭が備える孔において、マクロ孔:メソ孔:ミクロ孔の数の比率は0:40:60であった。 The volume of the pores of the activated carbon was 1.6 cm 3 / g, and the specific surface area was 1307 m 2 / g. Further, in the pores provided in the activated carbon, the ratio of the number of macropores: mesopores: micropores was 0:40:60.

具体的には、前記金属容器を炉内に投入した後、炉内を155℃まで昇温させ、この温度を5時間保持し、硫黄を融解させた。前記硫黄は、毛細管現象によって前記活性炭の細孔内に吸着された。その後、炉内を室温まで十分に空冷して、炉内から金属容器を取り出し、硫黄を担持した活性炭を得た。当該活性炭は、本発明の一実施形態における「多孔性炭素と硫黄との複合材料」に該当する。 Specifically, after the metal container was put into the furnace, the temperature inside the furnace was raised to 155 ° C., and this temperature was maintained for 5 hours to melt sulfur. The sulfur was adsorbed in the pores of the activated carbon by capillarity. Then, the inside of the furnace was sufficiently air-cooled to room temperature, and the metal container was taken out from the inside of the furnace to obtain activated carbon carrying sulfur. The activated carbon corresponds to the "composite material of porous carbon and sulfur" in one embodiment of the present invention.

前記活性炭における硫黄の担持量(多孔性炭素の細孔中に担持される硫黄の重量)は、以下の方法により測定した。すなわち、前記硫黄を担持した活性炭をアルミナセルに入れ、島津製作所社製、DTG-60AHを用いて、熱重量分析(TGA)を行った。測定は、測定ガスAr、ガス流量50ml/min、昇温速度5℃/min、および上限温度600℃の条件下で行った。前記硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、65重量%であった。 The amount of sulfur supported on the activated carbon (weight of sulfur supported in the pores of the porous carbon) was measured by the following method. That is, the activated carbon carrying sulfur was put into an alumina cell, and thermogravimetric analysis (TGA) was performed using DTG-60AH manufactured by Shimadzu Corporation. The measurement was performed under the conditions of the measurement gas Ar, the gas flow rate of 50 ml / min, the heating rate of 5 ° C./min, and the upper limit temperature of 600 ° C. The amount of sulfur supported was 65% by weight based on the total weight of the activated carbon supporting sulfur.

(バインダ溶液の調製)
バインダとして、ゴム系バインダであるスチレン・ブタジエンゴム(SBR)と、分散剤としてのカルボキシルメチルセルロース(CMC)とを純水に溶解させ、カルボキシルメチルセルロース(CMC)の濃度が1~2重量%であるバインダ溶液を調製した。
(Preparation of binder solution)
As a binder, styrene-butadiene rubber (SBR), which is a rubber-based binder, and carboxylmethylcellulose (CMC), which is a dispersant, are dissolved in pure water, and the concentration of carboxylmethylcellulose (CMC) is 1 to 2% by weight. A solution was prepared.

(リチウム-硫黄系二次電池の正極用スラリーの作製)
前記バインダ溶液に、導電助剤であるアセチレンブラックを添加し、次いで前記硫黄を担持した活性炭を添加することにより、正極用スラリーを調製した。前記硫黄を担持した活性炭と、アセチレンブラックと、分散剤(CMC)と、バインダ(SBR)との重量比は90:5:3:2とした。
(Preparation of slurry for positive electrode of lithium-sulfur secondary battery)
A slurry for a positive electrode was prepared by adding acetylene black, which is a conductive additive, to the binder solution, and then adding activated carbon carrying the sulfur. The weight ratio of the sulfur-supporting activated carbon, acetylene black, dispersant (CMC), and binder (SBR) was 90: 5: 3: 2.

(リチウム-硫黄系二次電池用正極の作製)
リチウム-硫黄系二次電池用正極として、2極式フラットセル用正極を作製した。
(Manufacturing of positive electrode for lithium-sulfur secondary battery)
As a positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery, a positive electrode for a bipolar flat cell was manufactured.

2極式フラットセル用正極は、以下の方法によって作製した。まず、前記正極用スラリーを、前記硫黄を担持した活性炭の重量が、集電体の単位面積当たり1.3mg/cmとなるように、アルミニウム箔(集電体)に塗布し、大気圧下、オーブンを用いて40℃で1時間乾燥させた。次に、乾燥した集電体を、ロールプレス機を用いて圧延した後、直径12mmサイズに打ち抜き、成形体を得た。前記成形体を、50℃のベルジャーを用いて、さらに12時間真空乾燥させて、2極式フラットセル用正極を作製した。 The positive electrode for a two-pole flat cell was produced by the following method. First, the positive plasma slurry is applied to an aluminum foil (current collector) so that the weight of the activated carbon carrying the sulfur is 1.3 mg / cm 2 per unit area of the current collector, and the pressure is reduced. , Dryed at 40 ° C. for 1 hour using an oven. Next, the dried current collector was rolled using a roll press machine and then punched to a size of 12 mm in diameter to obtain a molded body. The molded product was vacuum dried for another 12 hours using a bell jar at 50 ° C. to prepare a positive electrode for a bipolar flat cell.

(リチウム-硫黄系二次電池用負極の作製)
リチウム-硫黄系二次電池用負極として、2極式フラットセル用負極を作製した。
(Manufacturing of negative electrode for lithium-sulfur secondary battery)
As a negative electrode for a lithium-sulfur secondary battery, a negative electrode for a bipolar flat cell was manufactured.

2極式フラットセル用負極は、露点-40℃以下の大気雰囲気中において、厚さ20μmのリチウム箔を直径16mmサイズに打ち抜くことによって調製した。 The negative electrode for a two-pole flat cell was prepared by punching a lithium foil having a thickness of 20 μm into a diameter of 16 mm in an air atmosphere having a dew point of −40 ° C. or lower.

(リチウム-硫黄系二次電池の電解液の調製)
リチウム含有電解質として、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(以下、LiTFSIと称する)を用いた。また、非水溶媒として、4-クロロ-1,3-ジオキソラン-2-オン(クロロエチレンカーボネート)(以下、ClECと称する)と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(以下、HFEと称する)とを体積比で50:50になるように混合した混合溶媒を用いた。
(Preparation of electrolytic solution for lithium-sulfur secondary battery)
As the lithium-containing electrolyte, lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (hereinafter referred to as LiTFSI) was used. Further, as non-aqueous solvents, 4-chloro-1,3-dioxolane-2-one (chloroethylene carbonate) (hereinafter referred to as ClEC) and 1,1,2,2-tetrafluoro-3- (1,1) are used. , 2,2-Tetrafluoroethoxy) -propane (hereinafter referred to as HFE) was mixed so as to have a volume ratio of 50:50, and a mixed solvent was used.

電解液の調製方法を、さらに具体的に記載する。ClECおよびHFEを、体積比で50:50になるように混合し、混合溶媒とした。次いで、LiTFSIを、1.0mol/LのLiTFSI/ClEC:HFEとなるように前記混合溶媒に溶解させた溶液を、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。 The method for preparing the electrolytic solution will be described more specifically. ClEC and HFE were mixed in a volume ratio of 50:50 to obtain a mixed solvent. Next, a solution in which LiTFSI was dissolved in the mixed solvent so as to have LiTFSI / ClEC: HFE of 1.0 mol / L was used as an electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery.

(リチウム-硫黄系二次電池の作製)
露点-40℃以下の大気雰囲気中において、前記(リチウム-硫黄系二次電池用正極の作製)により作製した正極、前記(リチウム-硫黄系二次電池用負極の作製)により作製した負極、前記(リチウム-硫黄系二次電池の電解液の調製)により調製した電解液、およびセパレータとしてのポリプロピレン系微多孔膜を用い、以下の手順でリチウム-硫黄系二次電池を作製した。
(Making a lithium-sulfur secondary battery)
A positive electrode prepared by the above (manufacturing of a positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery) and a negative electrode prepared by the above (manufacturing of a negative electrode for a lithium-sulfur secondary battery) in an air atmosphere with a dew point of -40 ° C. or lower. Using the electrolytic solution prepared in (Preparation of electrolytic solution for lithium-sulfur-based secondary battery) and polypropylene-based microporous membrane as a separator, a lithium-sulfur-based secondary battery was prepared by the following procedure.

リチウム-硫黄系二次電池のセルとしては、2極式フラットセル(塗布電極)を用いた。まず、前記セル内に、正極、セパレータ、および負極がこの順に積層するように収容した。次に、前記セル内に前記電解液を注入し、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。 A two-pole flat cell (coated electrode) was used as the cell of the lithium-sulfur secondary battery. First, the positive electrode, the separator, and the negative electrode were housed in the cell so as to be laminated in this order. Next, the electrolytic solution was injected into the cell to prepare a lithium-sulfur secondary battery.

当該リチウム-硫黄系二次電池を、前述した充放電試験およびサイクル特性試験に供した。 The lithium-sulfur secondary battery was subjected to the charge / discharge test and cycle characteristic test described above.

〔実施例2〕
(硫黄を担持した活性炭の作製)
活性炭を孔径が2nm以上3nm以下のメソ孔を有する活性炭としたこと以外は実施例1と同様の方法により、硫黄を担持した活性炭を得た。
[Example 2]
(Preparation of activated carbon supporting sulfur)
Sulfur-supporting activated carbon was obtained by the same method as in Example 1 except that the activated carbon had mesopores having a pore diameter of 2 nm or more and 3 nm or less.

なお、前記活性炭の細孔の体積は1.3cm/gであり、比表面積は2924m/gであった。また、前記活性炭が備える細孔において、マクロ孔:メソ孔:ミクロ孔の数の比率は0:5:95であった。 The volume of the pores of the activated carbon was 1.3 cm 3 / g, and the specific surface area was 2924 m 2 / g. Further, in the pores provided in the activated carbon, the ratio of the number of macropores: mesopores: micropores was 0: 5: 95.

また、前記活性炭における硫黄の担持量は、実施例1と同様の方法により測定した。前記硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、61重量%であった。 The amount of sulfur supported on the activated carbon was measured by the same method as in Example 1. The amount of sulfur supported was 61% by weight based on the total weight of the activated carbon supporting sulfur.

(バインダ溶液の調製)
バインダとして、水系バインダのポリグルタミン酸塩を純水に溶解させ、ポリグルタミン酸塩の濃度が5重量%のバインダ溶液を調製した。
(Preparation of binder solution)
As a binder, polyglutamic acid salt of an aqueous binder was dissolved in pure water to prepare a binder solution having a polyglutamic acid concentration of 5% by weight.

(リチウム-硫黄系二次電池の正極用スラリーの作製)
前記バインダ溶液に、導電助剤であるカーボンナノチューブ、次いで前記硫黄を担持した活性炭を添加することにより、正極用スラリーを調製した。前記硫黄を担持した活性炭と、カーボンナノチューブと、バインダとの重量比は94:1:5とした。
(Preparation of slurry for positive electrode of lithium-sulfur secondary battery)
A positive electrode slurry was prepared by adding carbon nanotubes as a conductive auxiliary agent and then activated carbon carrying the sulfur to the binder solution. The weight ratio of the sulfur-supported activated carbon, the carbon nanotubes, and the binder was 94: 1: 5.

(リチウム-硫黄系二次電池の作製)
前記硫黄を担持した活性炭の重量が、集電体の単位面積当たり1.1~1.3mg/cmとなるように、アルミニウム箔(集電体)に塗布したこと以外は実施例1と同様の方法により、2極式フラットセル用正極を作製した。
(Making a lithium-sulfur secondary battery)
Same as Example 1 except that the activated carbon carrying sulfur is applied to an aluminum foil (current collector) so that the weight of the activated carbon is 1.1 to 1.3 mg / cm 2 per unit area of the current collector. A positive electrode for a two-pole flat cell was produced by the above method.

その他の点は実施例1と同様にして、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。 A lithium-sulfur secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 in other respects.

〔実施例3〕
電解液を下記の通りに調製したこと以外は実施例2と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
[Example 3]
A lithium-sulfur secondary battery was produced by the same method as in Example 2 except that the electrolytic solution was prepared as follows.

ClECと、4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン(フルオロエチレンカーボネート)(以下、FECと称する)とを体積比で50:50となるように混合し、混合溶媒とした。次いで、LiTFSIを、1.0mol/LのLiTFSI/ClEC:FECとなるように前記混合溶媒に溶解させた溶液を、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。 ClEC and 4-fluoro-1,3-dioxolane-2-one (fluoroethylene carbonate) (hereinafter referred to as FEC) were mixed so as to have a volume ratio of 50:50 to prepare a mixed solvent. Next, a solution in which LiTFSI was dissolved in the mixed solvent so as to have LiTFSI / ClEC: FEC of 1.0 mol / L was used as an electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery.

〔実施例4〕
電解液を下記の通りに調製したこと以外は実施例2と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
[Example 4]
A lithium-sulfur secondary battery was produced by the same method as in Example 2 except that the electrolytic solution was prepared as follows.

ClECと、前記VCとを体積比で50:50になるように混合し、混合溶媒とした。次いで、LiTFSIを、1.0mol/LのLiTFSI/ClEC:VCとなるように前記混合溶媒に溶解させた溶液を、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。 ClEC and the VC were mixed so as to have a volume ratio of 50:50 to prepare a mixed solvent. Next, a solution in which LiTFSI was dissolved in the mixed solvent so as to have LiTFSI / ClEC: VC of 1.0 mol / L was used as an electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery.

硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、66重量%であった。 The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 66% by weight based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例5〕
電解液を下記の通りに調製したこと以外は実施例2と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
[Example 5]
A lithium-sulfur secondary battery was produced by the same method as in Example 2 except that the electrolytic solution was prepared as follows.

ClECに、LiTFSIを、1.0mol/LのLiTFSI/ClECとなるように溶解させたものを、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。 A solution prepared by dissolving LiTFSI in ClEC so as to have LiTFSI / ClEC of 1.0 mol / L was used as an electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery.

硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、63重量%であった。 The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 63% by weight based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例6〕
電解液を下記の通りに調製したこと以外は実施例2と同様に、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
[Example 6]
A lithium-sulfur secondary battery was produced in the same manner as in Example 2 except that the electrolytic solution was prepared as follows.

ClECに、LiTFSIを、1.0mol/LのLiTFSI/ClECとなるように溶解させ、溶液を調製した。次に、ビニレンカーボネート(VC)を、100Volume%の前記溶液に対して10Volume%添加し、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。 LiTFSI was dissolved in ClEC so as to be 1.0 mol / L LiTFSI / ClEC to prepare a solution. Next, 10 Volume% of vinylene carbonate (VC) was added to the 100 Volume% solution to prepare an electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery.

硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、66重量%であった。 The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 66% by weight based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例7〕
電解液を下記の通りに調製したこと以外は実施例2と同様に、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
[Example 7]
A lithium-sulfur secondary battery was produced in the same manner as in Example 2 except that the electrolytic solution was prepared as follows.

ClECとHFEとを体積比で90:10となるように混合し、混合溶媒とした。次いで、LiTFSIを、1.0mol/LのLiTFSI/ClEC:HFEとなるように前記混合溶媒に溶解させ、溶液を調製した。次に、VCを、100Volume%の前記溶液に対して10Volume%添加し、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。 ClEC and HFE were mixed so as to have a volume ratio of 90:10, and used as a mixed solvent. Then, LiTFSI was dissolved in the mixed solvent so as to have LiTFSI / ClEC: HFE of 1.0 mol / L to prepare a solution. Next, VC was added in 10 Volume% to the 100 Volume% solution to obtain an electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery.

硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、66重量%であった。 The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 66% by weight based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例8〕
ClECとHFEとを体積比で70:30となるように混合し、混合溶媒とした。次いで、LiTFSIを、1.0mol/LのLiTFSI/ClEC:HFEとなるように前記混合溶媒に溶解させ、溶液を調製した。さらに、VCを、100Volume%の前記溶液に対して10Volume%添加し、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。その他の点は実施例7と同様にして、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
[Example 8]
ClEC and HFE were mixed so as to have a volume ratio of 70:30, and used as a mixed solvent. Then, LiTFSI was dissolved in the mixed solvent so as to have LiTFSI / ClEC: HFE of 1.0 mol / L to prepare a solution. Further, VC was added in 10 Volume% to the 100 Volume% solution to obtain an electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery. A lithium-sulfur-based secondary battery was produced in the same manner as in Example 7 in other respects.

硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、66重量%であった。 The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 66% by weight based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例9〕
ClECとHFEとを体積比で50:50となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例7と同様にして、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
[Example 9]
A lithium-sulfur secondary battery was produced in the same manner as in Example 7 except that ClEC and HFE were mixed so as to have a volume ratio of 50:50 and used as a mixed solvent.

硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、63重量%であった。 The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 63% by weight based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例10〕
ClECとHFEとを体積比で30:70となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例7と同様にして、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
[Example 10]
A lithium-sulfur secondary battery was produced in the same manner as in Example 7 except that ClEC and HFE were mixed so as to have a volume ratio of 30:70 and used as a mixed solvent.

硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、63重量%であった。 The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 63% by weight based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例11〕
電解液、正極、負極および電解液を下記の通りに調製したこと以外は、実施例2と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、66重量%であった。
[Example 11]
A lithium-sulfur secondary battery was produced by the same method as in Example 2 except that the electrolytic solution, the positive electrode, the negative electrode, and the electrolytic solution were prepared as follows. The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 66% by weight based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

以下の方法によってラミネートセル用正極を作製した。 A positive electrode for a laminated cell was produced by the following method.

まず、実施例1と同様の方法によって調製した正極用スラリーを、前記硫黄を担持した活性炭の重量が、集電体の単位面積当たり11mg/cm以上13mg/cm以下となるように、3Dアルミニウム集電体(住友電工株式会社製 セルメット)に充填した。次に、当該3Dアルミニウム集電体を、大気圧下、オーブンを用いて40℃で1時間乾燥させた。続いて、乾燥した集電体を、ロールプレス機を用いて圧延した後、24mm×24mmのサイズに鋏を用いてカットし、成形体を得た。前記成形体を、50℃のベルジャーを用いてさらに12時間真空乾燥させ、ラミネートセル用正極を作製した。 First, the positive electrode slurry prepared by the same method as in Example 1 is 3D so that the weight of the activated carbon carrying sulfur is 11 mg / cm 2 or more and 13 mg / cm 2 or less per unit area of the current collector. It was filled in an aluminum collector (Celmet manufactured by Sumitomo Electric Co., Ltd.). Next, the 3D aluminum current collector was dried at 40 ° C. for 1 hour under atmospheric pressure using an oven. Subsequently, the dried current collector was rolled using a roll press machine and then cut into a size of 24 mm × 24 mm using scissors to obtain a molded body. The molded product was vacuum dried for another 12 hours using a bell jar at 50 ° C. to prepare a positive electrode for a laminated cell.

ラミネートセル用負極は、露点-40℃以下の大気雰囲気中において、厚さ30μmのリチウム箔を30mm×35mmのサイズに鋏を用いてカットすることによって調製した。 The negative electrode for the laminated cell was prepared by cutting a lithium foil having a thickness of 30 μm into a size of 30 mm × 35 mm using scissors in an air atmosphere having a dew point of −40 ° C. or lower.

リチウム-硫黄系二次電池の電解液は、実施例6と同様の方法によって調製した。 The electrolytic solution of the lithium-sulfur secondary battery was prepared by the same method as in Example 6.

〔実施例12〕
ClECとHFEとを体積比で90:10となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄二次電池を作製した。硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、66重量%であった。
[Example 12]
A lithium-sulfur secondary battery was produced by the same method as in Example 11 except that ClEC and HFE were mixed so as to have a volume ratio of 90:10 and used as a mixed solvent. The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 66% by weight based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例13〕
ClECとHFEとを体積比で70:30となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄二次電池を作製した。硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、64重量%であった。
[Example 13]
A lithium-sulfur secondary battery was produced by the same method as in Example 11 except that ClEC and HFE were mixed so as to have a volume ratio of 70:30 and used as a mixed solvent. The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 64% by weight based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例14〕
ClECとHFEとを体積比で50:50となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄二次電池を作製した。硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、65重量%であった。
[Example 14]
A lithium-sulfur secondary battery was produced by the same method as in Example 11 except that ClEC and HFE were mixed so as to have a volume ratio of 50:50 and used as a mixed solvent. The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 65% by weight based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例15〕
電解液の調製において、ClECとジメチルカーボネート(以下、DMCと称する)を体積比で70:30となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄二次電池を作製した。硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、67重量%であった。
[Example 15]
In the preparation of the electrolytic solution, ClEC and dimethyl carbonate (hereinafter referred to as DMC) were mixed so as to have a volume ratio of 70:30 and used as a mixed solvent by the same method as in Example 11, lithium-sulfur. A secondary battery was manufactured. The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 67% by weight based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例16〕
電解液の調製において、ClECとDMCとを体積比で50:50となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄二次電池を作製した。硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、64重量%であった。
[Example 16]
In the preparation of the electrolytic solution, a lithium-sulfur secondary battery was produced by the same method as in Example 11 except that ClEC and DMC were mixed so as to have a volume ratio of 50:50 and used as a mixed solvent. The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 64% by weight based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例17〕
電解液の調製において、ClECとエチルメチルカーボネート(以下、EMCと称する)とを体積比で70:30となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄二次電池を作製した。硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、65重量%であった。
[Example 17]
In the preparation of the electrolytic solution, Lithium was mixed by the same method as in Example 11 except that ClEC and ethyl methyl carbonate (hereinafter referred to as EMC) were mixed so as to have a volume ratio of 70:30 and used as a mixed solvent. -A sulfur secondary battery was manufactured. The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 65% by weight based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例18〕
電解液の調製において、ClECと炭酸ジエチル(以下、DECと称する)とを体積比で70:30となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄二次電池を作製した。硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、67重量%であった。
[Example 18]
In the preparation of the electrolytic solution, ClEC and diethyl carbonate (hereinafter referred to as DEC) were mixed so as to have a volume ratio of 70:30 to prepare a mixed solvent, and lithium- was used in the same manner as in Example 11. A sulfur secondary battery was manufactured. The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 67% by weight based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔比較例1〕
電解液の調製において、リチウム含有電解質として、六フッ化リン酸リチウム(以下、LiPFと称する)を用いた。また、非水溶媒として、エチレンカーボネート(以下、ECと称する)と、DMCとを体積比で50:50となるように混合した混合溶媒(キシダ化学製 市販品)を用いた。
[Comparative Example 1]
In the preparation of the electrolytic solution, lithium hexafluorophosphate (hereinafter referred to as LiPF 6 ) was used as the lithium-containing electrolyte. Further, as the non-aqueous solvent, a mixed solvent (commercially available product manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) in which ethylene carbonate (hereinafter referred to as EC) and DMC were mixed so as to have a volume ratio of 50:50 was used.

その他の点は、実施例1と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。 In other respects, a lithium-sulfur secondary battery was produced by the same method as in Example 1.

〔比較例2〕
電解液の調製において、非水溶媒として、ClECの代わりにFECを用いたこと以外は実施例1と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
[Comparative Example 2]
A lithium-sulfur secondary battery was produced by the same method as in Example 1 except that FEC was used instead of ClEC as the non-aqueous solvent in the preparation of the electrolytic solution.

〔比較例3〕
電解液の調製において、非水溶媒として、ECとDMCとを体積比で50:50となるように混合した混合溶媒(キシダ化学製 市販品)を用いたこと以外は実施例2と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
[Comparative Example 3]
In the preparation of the electrolytic solution, the same method as in Example 2 except that a mixed solvent (commercially available product manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) in which EC and DMC are mixed so as to have a volume ratio of 50:50 was used as the non-aqueous solvent. To produce a lithium-sulfur secondary battery.

〔比較例4〕
電解液の調製において、非水溶媒として、FECとHFEとを体積比で50:50となるように混合した混合溶媒を用いたこと以外は実施例2と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
[Comparative Example 4]
In the preparation of the electrolytic solution, a lithium-sulfur-based battery was prepared by the same method as in Example 2 except that a mixed solvent in which FEC and HFE were mixed so as to have a volume ratio of 50:50 was used as the non-aqueous solvent. The next battery was manufactured.

〔比較例5〕
電解液を下記の通りに調製したこと以外は、実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
[Comparative Example 5]
A lithium-sulfur secondary battery was produced by the same method as in Example 11 except that the electrolytic solution was prepared as follows.

電解液において、リチウム含有電解質として、LiPFを用いた。また、非水溶媒として、ECとDMCとを体積比で50:50となるように混合した混合溶媒(キシダ化学製 市販品)を使用した。次に、前記混合溶媒にLiPFを1.0mol/LのLiPF/EC:DMCとなるように溶解させた溶液を調製した。さらに、ビニレンカーボネート(VC)を、100Volume%の前記溶液に対して10Volume%添加し、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。 In the electrolytic solution, LiPF 6 was used as the lithium-containing electrolyte. Further, as a non-aqueous solvent, a mixed solvent (commercially available product manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) in which EC and DMC were mixed so as to have a volume ratio of 50:50 was used. Next, a solution was prepared in which LiPF 6 was dissolved in the mixed solvent so as to be 1.0 mol / L LiPF 6 / EC: DMC. Further, vinylene carbonate (VC) was added at 10 Volume% to the 100 Volume% solution to prepare an electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery.

〔比較例6〕
電解液を下記の通りに調製したこと以外は、実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
[Comparative Example 6]
A lithium-sulfur secondary battery was produced by the same method as in Example 11 except that the electrolytic solution was prepared as follows.

電解液において、非水溶媒として、FECとHFEとを体積比で50:50となるように混合した混合溶媒を用いた。次いで、LiTFSIを、1.0mol/LのLiTFSI/FEC:HFEとなるように前記混合溶媒に溶解させ、溶液を調製した。次に、ビニレンカーボネート(VC)を、100Volume%の前記溶液に対して10Volume%添加し、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。 In the electrolytic solution, as a non-aqueous solvent, a mixed solvent in which FEC and HFE were mixed so as to have a volume ratio of 50:50 was used. Then, LiTFSI was dissolved in the mixed solvent so as to have LiTFSI / FEC: HFE of 1.0 mol / L to prepare a solution. Next, 10 Volume% of vinylene carbonate (VC) was added to the 100 Volume% solution to prepare an electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery.

〔結果〕
図1は、実施例1、比較例1および2で調製したリチウム-硫黄系二次電池の充放電試験の結果を示す図である。
〔result〕
FIG. 1 is a diagram showing the results of charge / discharge tests of the lithium-sulfur-based secondary batteries prepared in Example 1, Comparative Examples 1 and 2.

図1より、実施例1および比較例2で調製したリチウム-硫黄系二次電池は充放電を100回以上行うことができたが、比較例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、1サイクル目の放電特性しか示すことができず、再充電できなかったことが分かる。 From FIG. 1, the lithium-sulfur-based secondary batteries prepared in Example 1 and Comparative Example 2 were able to be charged and discharged 100 times or more, but the lithium-sulfur-based secondary batteries prepared in Comparative Example 1 were capable of being charged and discharged 100 times or more. Only the discharge characteristics of the first cycle can be shown, and it can be seen that the battery could not be recharged.

エチレンカーボネート(EC)は、活性炭のミクロ孔(孔径が2nm未満)には侵入することができないが、メソ孔には侵入することができる。実施例1、比較例1および比較例2で用いた活性炭の細孔の数の割合は、前述したように、マクロ孔:メソ孔:ミクロ孔=0:40:60である。比較例1の結果は、溶媒であるECがメソ孔内に侵入することによって、硫黄がリチウムポリスルフィドとして溶出してしまい、電流が発生しなくなったことに起因すると考えられる。 Ethylene carbonate (EC) cannot penetrate the micropores (pore diameter less than 2 nm) of activated carbon, but can penetrate the mesopores. As described above, the ratio of the number of pores of the activated carbon used in Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 is macropore: mesopore: micropore = 0:40:60. It is considered that the result of Comparative Example 1 is due to the fact that the EC, which is a solvent, invades into the mesopores, so that sulfur is eluted as lithium polysulfide and no electric current is generated.

また、図1より、実施例1および比較例1の1cycle目の1.8~2.3V付近において、特徴的な放電が発生していることが分かる。このことから、正極における硫黄を担持した活性炭の細孔に被膜が形成されたことが分かる。 Further, from FIG. 1, it can be seen that a characteristic discharge is generated in the vicinity of 1.8 to 2.3 V of the first cycle of Example 1 and Comparative Example 1. From this, it can be seen that a film was formed on the pores of the activated carbon carrying sulfur on the positive electrode.

実施例1および比較例2で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、前記被膜の形成により、前記細孔への溶媒の侵入が抑制された結果、比較例1とは異なり、100サイクル以上の充放電を行うことができたと考えられる。 The lithium-sulfur-based secondary batteries prepared in Example 1 and Comparative Example 2 have 100 cycles or more, unlike Comparative Example 1, as a result of suppressing the invasion of the solvent into the pores by forming the coating film. It is probable that charging and discharging could be performed.

一方で、実施例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、比較例2で調製したリチウム-硫黄系二次電池に比して、充放電特性の分極が非常に小さいことが分かる。すなわち、電解液の溶媒としてClECを用いることにより、FECを用いた場合よりも、リチウム-硫黄系二次電池の抵抗を大幅に小さくできることが明らかとなった。 On the other hand, it can be seen that the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Example 1 has a much smaller polarization of charge / discharge characteristics than the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Comparative Example 2. That is, it was clarified that by using ClEC as the solvent of the electrolytic solution, the resistance of the lithium-sulfur secondary battery can be significantly reduced as compared with the case of using FEC.

したがって、実施例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、比較例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池よりも優れた充放電特性を示すことができていると言える。 Therefore, it can be said that the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Example 1 can exhibit better charge / discharge characteristics than the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Comparative Example 1.

図2および表1は、実施例1、比較例1および2で調製したリチウム-硫黄系二次電池を、前述したサイクル特性試験に供した結果を示す。 FIG. 2 and Table 1 show the results of subjecting the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Example 1, Comparative Examples 1 and 2 to the above-mentioned cycle characteristic test.

Figure 2022076603000002
Figure 2022076603000002

図2および表1に示すように、比較例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池は作動することができなかった。この結果は、前述したように、電解液の溶媒として用いたECがメソ孔に侵入し、硫黄がリチウムポリスルフィドとして溶出したことによると考えられる。 As shown in FIG. 2 and Table 1, the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Comparative Example 1 could not operate. This result is considered to be due to the fact that EC used as the solvent of the electrolytic solution invaded the mesopores and sulfur was eluted as lithium polysulfide as described above.

実施例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、比較例2で調製したリチウム-硫黄系二次電池に比して、2サイクル目で高い放電容量を示し、容量維持率および平均クーロン効率も高い値を示した。 The lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Example 1 showed a higher discharge capacity in the second cycle than the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Comparative Example 2, and showed a capacity retention rate and an average Coulomb efficiency. Also showed a high value.

さらに、図2より、実施例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、サイクル数を増やした場合でも、比較例2で調製したリチウム-硫黄系二次電池に比して高い放電容量を示し、サイクル数が増えるにつれて、その差は大きくなることが示された。 Further, as shown in FIG. 2, the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Example 1 has a higher discharge capacity than the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Comparative Example 2 even when the number of cycles is increased. It was shown that the difference increases as the number of cycles increases.

すなわち、電解液の溶媒としてClECを用いることにより、前記溶媒としてECまたはFECを用いる場合よりも、リチウム-硫黄系二次電池の放電容量を向上させ得ることが分かる。 That is, it can be seen that by using ClEC as the solvent of the electrolytic solution, the discharge capacity of the lithium-sulfur secondary battery can be improved as compared with the case of using EC or FEC as the solvent.

図3は、実施例2、並びに比較例3および4で調製したリチウム-硫黄系二次電池のサイクル特性試験の結果を示す。表2は、実施例2および3、並びに比較例3および4で調製したリチウム-硫黄系二次電池の2サイクル目の放電容量を測定した結果を示す。 FIG. 3 shows the results of cycle characteristic tests of the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Example 2 and Comparative Examples 3 and 4. Table 2 shows the results of measuring the discharge capacity of the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Examples 2 and 3 and Comparative Examples 3 and 4 in the second cycle.

Figure 2022076603000003
Figure 2022076603000003

図3および表2に示すように、比較例3で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、20サイクルまでは作動することができたが、放電容量は低く、かつ、20サイクル以降はショートしてしまい、作動することができなかった。 As shown in FIGS. 3 and 2, the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Comparative Example 3 was able to operate up to 20 cycles, but had a low discharge capacity and short-circuited after 20 cycles. I couldn't operate it.

比較例3で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、電解液の溶媒としてECを用いているが、前述した比較例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池よりも、用いた活性炭の全細孔に占めるミクロ孔の割合が多い。すなわち、ECが孔内に侵入できない活性炭の割合が多い。そのため、比較例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池とは異なり、20サイクルまでは作動することができたと考えられる。 The lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Comparative Example 3 uses EC as the solvent of the electrolytic solution, but all of the activated carbon used is more than the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Comparative Example 1 described above. The ratio of micropores to the pores is large. That is, the proportion of activated carbon in which EC cannot enter the pores is high. Therefore, unlike the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Comparative Example 1, it is considered that the battery could operate up to 20 cycles.

しかしながら、比較例3で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、ECがメソ孔の内部に侵入することによって、メソ孔に担持された硫黄が溶出してしまった結果、20サイクル以降はショートしてしまったものと考えられる。 However, in the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Comparative Example 3, the sulfur carried in the mesopores was eluted by the EC invading the inside of the mesopores, resulting in a short circuit after 20 cycles. It is probable that it has been done.

表2より、実施例2および3で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、比較例3および4で調製したリチウム-硫黄系二次電池に比して、2サイクル目で高い放電容量を有することが分かる。また、図3より、実施例2で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、サイクル数を増やした場合でも、比較例3および4で調製したリチウム-硫黄系二次電池に比して、高い放電容量を示すことが分かる。 From Table 2, the lithium-sulfur-based secondary batteries prepared in Examples 2 and 3 have a higher discharge capacity in the second cycle than the lithium-sulfur-based secondary batteries prepared in Comparative Examples 3 and 4. You can see that. Further, from FIG. 3, the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Example 2 is higher than the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Comparative Examples 3 and 4 even when the number of cycles is increased. It can be seen that it indicates the discharge capacity.

実施例2および3で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、電解液の溶媒としてClECを用いたことにより、被膜が形成され、多くの硫黄をメソ孔に保持することができたと考えられる。そのため、実施例2および3で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、比較例3で調製したリチウム-硫黄系二次電池とは異なり、優れた放電容量を示すことができたと考えられる。 It is considered that the lithium-sulfur-based secondary batteries prepared in Examples 2 and 3 were able to form a film and retain a large amount of sulfur in the mesopores by using ClEC as the solvent of the electrolytic solution. Therefore, it is considered that the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Examples 2 and 3 was able to exhibit an excellent discharge capacity unlike the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Comparative Example 3.

また、前述したように、前記溶媒としてClECを用いた場合の方が、前記溶媒としてClECを用いず、FECを用いた場合よりも、充放電特性の分極を小さくすることができる。このことに起因して、実施例2で調製したリチウム-硫黄系二次電池の方が、比較例4で調製したリチウム-硫黄系二次電池よりも高い放電容量を示したものと考えられる。 Further, as described above, when ClEC is used as the solvent, the polarization of the charge / discharge characteristics can be made smaller than when ClEC is not used as the solvent and FEC is used. Due to this, it is considered that the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Example 2 showed a higher discharge capacity than the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Comparative Example 4.

実施例3に示したように、前記溶媒としてClECとFECとを併用したリチウム-硫黄系二次電池は、溶媒としてClECを用いていない比較例4で調製したリチウム-硫黄系二次電池よりも、2サイクル目の放電容量が優れていた。このことからも、前記溶媒としてClECを用いることの有用性を理解することができる。 As shown in Example 3, the lithium-sulfur-based secondary battery in which ClEC and FEC are used in combination as the solvent is higher than the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Comparative Example 4 in which ClEC is not used as the solvent. The discharge capacity in the second cycle was excellent. From this, it is possible to understand the usefulness of using ClEC as the solvent.

表3に実施例2、4、5で調製したリチウム-硫黄系二次電池のサイクル特性試験の結果を示す。 Table 3 shows the results of the cycle characteristic test of the lithium-sulfur secondary battery prepared in Examples 2, 4 and 5.

Figure 2022076603000004
Figure 2022076603000004

表3の実施例5に示すように、電解液の溶媒としてClECを単独で用いた場合でも、リチウム-硫黄系二次電池は高い放電容量を示すことが分かった。 As shown in Example 5 of Table 3, it was found that the lithium-sulfur secondary battery exhibits a high discharge capacity even when ClEC is used alone as the solvent of the electrolytic solution.

表4および図4は、実施例6~10で調製したリチウム-硫黄系二次電池を、前記サイクル特性試験に供した結果を示す。 Table 4 and FIG. 4 show the results of subjecting the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Examples 6 to 10 to the cycle characteristic test.

Figure 2022076603000005
Figure 2022076603000005

表4および図4に示すように、実施例6~10で調製したリチウム-硫黄系二次電池のいずれも高い放電容量を示した。実施例10に示すように、電解液溶媒中のClECの割合が30体積%以下(ClECとHFEとVCとの体積比が、30:70:10)であったとしても、リチウム-硫黄系二次電池は高い放電容量を示すことが分かった。 As shown in Table 4 and FIG. 4, all of the lithium-sulfur-based secondary batteries prepared in Examples 6 to 10 showed high discharge capacities. As shown in Example 10, even if the ratio of ClEC in the electrolytic solution solvent is 30% by volume or less (the volume ratio of ClEC, HFE, and VC is 30:70:10), it is a lithium-sulfur-based battery. The secondary battery was found to exhibit a high discharge capacity.

つまり、電解液中の溶媒におけるClECの含有量は、必ずしも共溶媒よりも高い必要はなく、少ない含有量で高い放電容量を得ることができると言える。 That is, it can be said that the ClEC content in the solvent in the electrolytic solution does not necessarily have to be higher than that in the co-solvent, and a high discharge capacity can be obtained with a small content.

表5に、実施例11~18、比較例5および6のサイクル特性試験の結果である、2サイクル目および5サイクル目の放電容量、並びに容量維持率を示す。 Table 5 shows the discharge capacities in the second and fifth cycles, and the capacity retention rate, which are the results of the cycle characteristic tests of Examples 11 to 18 and Comparative Examples 5 and 6.

Figure 2022076603000006
Figure 2022076603000006

表5より、いずれの実施例で調製したリチウム-硫黄系二次電池も、2サイクル目の放電容量は、比較例5で調製したリチウム-硫黄系二次電池に比して大幅に高かった。すなわち、ラミネートセルに適用した場合でも、電解液の溶媒としてClECを用いることにより、ECを用いた場合よりも放電容量を大幅に向上させ得ることが分かった。 From Table 5, the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in each of the examples had a significantly higher discharge capacity in the second cycle than the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Comparative Example 5. That is, it was found that even when applied to a laminated cell, the discharge capacity can be significantly improved by using ClEC as the solvent of the electrolytic solution as compared with the case of using EC.

また、実施例11~14,16,17で調製したリチウム-硫黄系二次電池の2サイクル目の放電容量は、比較例6で調製したリチウム-硫黄系二次電池よりも大幅に高かった。すなわち、ラミネートセルに適用した場合でも、電解液の溶媒としてClECを用いることにより、FECを用いた場合よりも放電容量を向上させ得ることが分かった。 In addition, the discharge capacity of the lithium-sulfur-based secondary batteries prepared in Examples 11 to 14, 16 and 17 in the second cycle was significantly higher than that of the lithium-sulfur-based secondary batteries prepared in Comparative Example 6. That is, it was found that even when applied to a laminated cell, the discharge capacity can be improved by using ClEC as the solvent of the electrolytic solution as compared with the case of using FEC.

なお、実施例15,18で調製したリチウム-硫黄系二次電池の2サイクル目の放電容量は、比較例6で調製したリチウム-硫黄系二次電池と同等程度である。しかし、電解液の溶媒としてClECを用いた場合の容量維持率(5サイクル目の放電容量/2サイクル目の放電容量×100)がFECを用いた場合よりも大きいことを示す表5の結果に鑑みると、ClECは、電解液の溶媒として有用であると言える。 The discharge capacity of the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Examples 15 and 18 in the second cycle is about the same as that of the lithium-sulfur-based secondary battery prepared in Comparative Example 6. However, the results in Table 5 show that the capacity retention rate (discharge capacity in the 5th cycle / discharge capacity in the 2nd cycle × 100) when ClEC is used as the solvent of the electrolytic solution is larger than that when FEC is used. In view, it can be said that ClEC is useful as a solvent for the electrolytic solution.

以上の結果から、本発明の一実施形態に係る前記リチウム-硫黄系二次電池用の電解液は、前記活性炭の細孔に占めるメソ孔の割合が高い場合であっても、活性炭からの硫黄の溶出を防ぐことができることが分かる。また、それゆえに、前記リチウム-硫黄系二次電池に優れた充放電特性およびサイクル特性を付与し得ることが明らかとなった。 From the above results, the electrolytic solution for the lithium-sulfur secondary battery according to the embodiment of the present invention has sulfur from activated carbon even when the ratio of mesopores to the pores of the activated carbon is high. It can be seen that the elution of can be prevented. Therefore, it has been clarified that the lithium-sulfur-based secondary battery can be imparted with excellent charge / discharge characteristics and cycle characteristics.

本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池用電解液、およびリチウム-硫黄系二次電池は、携帯電話や携帯情報端末(PDA)等の携帯端末機器、ノート型パソコン、ビデオカメラやデジタルカメラ等の小型電子機器、家電機器;電動自転車、電動自動車(電気自動車)、ハイブリッド自動車、電車等の移動用機器(車両);火力発電、風力発電、水力発電、原子力発電、地熱発電、太陽光発電等の発電用機器;自然エネルギー蓄電システム;等の分野において、広範に利用することができる。 The lithium-sulfur-based secondary battery electrolyte and the lithium-sulfur-based secondary battery according to an embodiment of the present invention are portable terminal devices such as mobile phones and mobile information terminals (PDAs), notebook personal computers, and video cameras. Small electronic devices such as digital cameras, home appliances; electric bicycles, electric vehicles (electric vehicles), hybrid vehicles, mobile equipment (vehicles) such as trains; thermal power generation, wind power generation, hydraulic power generation, nuclear power generation, geothermal power generation, It can be widely used in the fields of power generation equipment such as solar power generation; natural energy storage system; etc.

Claims (11)

リチウム-硫黄系二次電池用の電解液であって、
前記リチウム-硫黄系二次電池は、正極用材料として、多孔性炭素と硫黄との複合材料を備え、
前記多孔性炭素は、孔径が2nm以上の細孔を含み、
前記電解液の溶媒は、クロロ基を有するエチレンカーボネートを含有する、リチウム-硫黄系二次電池用の電解液。
An electrolyte for lithium-sulfur secondary batteries,
The lithium-sulfur-based secondary battery includes a composite material of porous carbon and sulfur as a material for a positive electrode.
The porous carbon contains pores having a pore diameter of 2 nm or more, and the porous carbon contains pores having a pore diameter of 2 nm or more.
The solvent of the electrolytic solution is an electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery containing ethylene carbonate having a chloro group.
前記多孔性炭素が有する細孔の総体積が0.4cm/g以上2.0cm/g以下である、請求項1に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 The electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery according to claim 1, wherein the total volume of the pores of the porous carbon is 0.4 cm 3 / g or more and 2.0 cm 3 / g or less. 前記多孔性炭素が有する細孔の総体積が0.9cm/g以上2.0cm/g以下である、請求項2に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 The electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery according to claim 2, wherein the total volume of the pores of the porous carbon is 0.9 cm 3 / g or more and 2.0 cm 3 / g or less. 前記多孔性炭素の細孔中に担持される硫黄の重量が、前記多孔性炭素の重量と、前記硫黄の重量との合計に対して30重量%以上、90%重量%以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 Claimed that the weight of sulfur carried in the pores of the porous carbon is 30% by weight or more and 90% by weight or less with respect to the total of the weight of the porous carbon and the weight of the sulfur. The electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery according to any one of 1 to 3. 前記多孔性炭素の細孔中に担持される硫黄の重量が、前記多孔性炭素の重量と、前記硫黄の重量との合計に対して50重量%以上、90重量%以下である、請求項4に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 4. Claim 4 that the weight of sulfur carried in the pores of the porous carbon is 50% by weight or more and 90% by weight or less with respect to the total of the weight of the porous carbon and the weight of the sulfur. The electrolytic solution for the lithium-sulfur secondary battery described in 1. 前記多孔性炭素が有する細孔の総量に対する、孔径が2nm以上である細孔の量の割合が5%以上100%以下である、請求項1~5のいずれか1項に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 The lithium-sulfur according to any one of claims 1 to 5, wherein the ratio of the amount of pores having a pore diameter of 2 nm or more to 100% or less with respect to the total amount of pores contained in the porous carbon is 5% or more and 100% or less. Electrolyte for system secondary batteries. 前記孔径が2nm以上である細孔の量の割合が40%以上100%以下である、請求項6に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 The electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery according to claim 6, wherein the ratio of the amount of pores having a pore diameter of 2 nm or more is 40% or more and 100% or less. 前記溶媒におけるクロロ基を有するエチレンカーボネートの含有量が20重量%以上100重量%以下である、請求項1~7のいずれか1項に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 The electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery according to any one of claims 1 to 7, wherein the content of ethylene carbonate having a chloro group in the solvent is 20% by weight or more and 100% by weight or less. 前記溶媒におけるクロロ基を有するエチレンカーボネートの含有量が30重量%以上100重量%以下である、請求項8に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 The electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery according to claim 8, wherein the content of ethylene carbonate having a chloro group in the solvent is 30% by weight or more and 100% by weight or less. 前記溶媒が、ビニレンカーボネート、ハイドロフルオロエーテル、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、炭酸ジエチル、およびフルオロエチレンカーボネートから選択される1種類以上を含む、請求項1~9のいずれかに記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 The lithium-sulfur system according to any one of claims 1 to 9, wherein the solvent comprises one or more selected from vinylene carbonate, hydrofluoroether, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, diethyl carbonate, and fluoroethylene carbonate. Electrolyte for secondary batteries. 請求項1~10のいずれかに記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液を含み、
多孔性炭素と硫黄との複合材料を正極用材料として用い、前記多孔性炭素は孔径が2nm以上の細孔を含む、リチウム-硫黄系二次電池。
The electrolytic solution for a lithium-sulfur secondary battery according to any one of claims 1 to 10 is included.
A lithium-sulfur secondary battery in which a composite material of porous carbon and sulfur is used as a positive electrode material, and the porous carbon contains pores having a pore diameter of 2 nm or more.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2022230835A1 (en) * 2021-04-28 2022-11-03 株式会社Gsユアサ Nonaqueous-electrolyte electricity storage element

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