JP2022115375A - Positive electrode material for electrical device, and positive electrode for electrical device using the same, and electrical device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気デバイス用正極材料並びにこれを用いた電気デバイス用正極および電気デバイスに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a positive electrode material for electrical devices, a positive electrode for electrical devices using the same, and an electrical device.
近年、地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの非水電解質二次電池の開発が盛んに行われている。 In recent years, in order to cope with global warming, reduction of the amount of carbon dioxide is earnestly desired. In the automobile industry, expectations are gathering for the reduction of carbon dioxide emissions through the introduction of electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV). Development of electrolyte secondary batteries has been actively carried out.
モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウム二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、現実的な全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウム二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。 Secondary batteries for motor driving are required to have extremely high output characteristics and high energy as compared with consumer lithium secondary batteries used in mobile phones, notebook computers, and the like. Therefore, lithium secondary batteries, which have the highest theoretical energy among all practical batteries, have attracted attention and are being rapidly developed.
ここで、現在一般に普及しているリチウム二次電池は、電解質に可燃性の有機電解液を用いている。このような液系リチウム二次電池では、液漏れ、短絡、過充電などに対する安全対策が他の電池よりも厳しく求められる。 Lithium secondary batteries, which are currently widely used, use a combustible organic electrolyte as an electrolyte. Such a liquid-type lithium secondary battery requires stricter safety measures against liquid leakage, short circuit, overcharge, etc. than other batteries.
そこで近年、電解質に酸化物系や硫化物系の固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池に関する研究開発が盛んに行われている。固体電解質は、固体中でイオン伝導が可能なイオン伝導体を主体として構成される材料である。このため、全固体リチウム二次電池においては、従来の液系リチウム二次電池のように可燃性の有機電解液に起因する各種問題が原理的に発生しない。また一般に、高電位・大容量の正極材料、大容量の負極材料を用いると電池の出力密度およびエネルギー密度の大幅な向上が図れる。例えば、硫黄単体(S8)は、1670mAh/g程度と極めて大きい理論容量を有し、低コストで資源が豊富であるという利点を備えている。 Therefore, in recent years, extensive research and development has been made on all-solid lithium secondary batteries using oxide-based or sulfide-based solid electrolytes. A solid electrolyte is a material composed mainly of an ionic conductor capable of conducting ions in a solid. Therefore, in the all-solid lithium secondary battery, in principle, various problems due to the combustible organic electrolytic solution do not occur unlike the conventional liquid-type lithium secondary battery. In general, the use of a high-potential, large-capacity positive electrode material and a large-capacity negative electrode material can significantly improve the output density and energy density of the battery. For example, elemental sulfur (S 8 ) has an extremely large theoretical capacity of about 1670 mAh/g, and has the advantage of being low cost and abundant as a resource.
一方、全固体電池において用いられうる大容量の負極材料としては、リチウムイオンを正極に供給する負極活物質である金属リチウムが知られている。ただし、負極活物質として金属リチウムを用い、固体電解質として硫化物固体電解質を用いた全固体電池においては、金属リチウムと硫化物固体電解質とが反応する結果、電池特性が低下してしまう場合がある。 On the other hand, metallic lithium, which is a negative electrode active material that supplies lithium ions to a positive electrode, is known as a high-capacity negative electrode material that can be used in all-solid-state batteries. However, in an all-solid battery that uses metallic lithium as the negative electrode active material and a sulfide solid electrolyte as the solid electrolyte, the battery characteristics may deteriorate as a result of the reaction between the metallic lithium and the sulfide solid electrolyte. .
ここで、特許文献1においては、このような問題に対処することを目的として、導電剤と、前記導電剤の表面に一体化したアルカリ金属硫化物とを含む複合材料を全固体電池の正極材料として用いる技術が提案されている。特許文献1によると、このような構成の正極材料とすることで、理論容量が高く、リチウムイオンを正極に供給しない負極活物質をも用いうる正極材料およびリチウムイオン電池が提供されるとしている。
Here, in
ここで、二次電池の用途によっては、高い充放電レートでの充放電の際に十分な容量が取り出せる(すなわち、いわゆる充放電レート特性が十分である)ことが求められる。例えば、充放電レート特性が不十分である二次電池は、急速充放電に対応して十分な容量を活用することができない。そして、二次電池の充放電レート特性を向上させるには、電池の内部抵抗を低減させることが必要である。 Here, depending on the application of the secondary battery, it is required that sufficient capacity can be obtained during charging and discharging at a high charging and discharging rate (that is, so-called charging and discharging rate characteristics are sufficient). For example, a secondary battery with insufficient charge/discharge rate characteristics cannot utilize sufficient capacity for rapid charge/discharge. In order to improve the charge/discharge rate characteristics of the secondary battery, it is necessary to reduce the internal resistance of the battery.
そこで本発明は、硫黄を含む正極活物質を用いた電気デバイスにおいて、当該電気デバイスの内部抵抗をよりいっそう低減させうる手段を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide means for further reducing the internal resistance of an electrical device using a positive electrode active material containing sulfur.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、細孔を有する導電材料と、固体電解質と、硫黄を含む正極活物質とを含む正極材料において、前記固体電解質と前記正極活物質とが互いに接するように前記細孔の内部表面に配置されるように構成するとともに、前記導電材料の細孔容積のプロファイルを適切に制御することで、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors have made intensive studies to solve the above problems. As a result, in a positive electrode material including a conductive material having pores, a solid electrolyte, and a positive electrode active material containing sulfur, the solid electrolyte and the positive electrode active material are arranged on the inner surfaces of the pores so that they are in contact with each other. The present inventors have found that the above-described problems can be solved by configuring the conductive material so as to have a pore volume profile that is appropriately controlled, and have completed the present invention.
本発明の一形態は、細孔を有する導電材料と、固体電解質と、硫黄を含む正極活物質とを含み、前記固体電解質の少なくとも一部と前記正極活物質の少なくとも一部とが、互いに接するように前記細孔の内部表面に配置されており、かつ、前記細孔のうち、細孔径が1~4nmの範囲の細孔の細孔容積の、細孔径1~100nmの範囲の細孔の細孔容積に対する百分率が20%以下である、電気デバイス用正極材料である。 One aspect of the present invention includes a conductive material having pores, a solid electrolyte, and a positive electrode active material containing sulfur, wherein at least part of the solid electrolyte and at least part of the positive electrode active material are in contact with each other. are arranged on the inner surface of the pores, and among the pores, the pore volume of the pores having a pore diameter in the range of 1 to 4 nm, and the pores having a pore diameter in the range of 1 to 100 nm The positive electrode material for electrical devices has a pore volume percentage of 20% or less.
本発明によれば、硫黄を含む正極活物質を用いた電気デバイスにおいて、当該電気デバイスの内部抵抗をよりいっそう低減させることができる。 According to the present invention, it is possible to further reduce the internal resistance of an electrical device using a positive electrode active material containing sulfur.
以下、図面を参照しながら、上述した本発明の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。以下では、二次電池の一形態である、積層型(内部並列接続型)の全固体リチウム二次電池を例に挙げて本発明を説明する。上述したように、全固体リチウム二次電池を構成する固体電解質は、固体中でイオン伝導が可能なイオン伝導体を主体として構成される材料である。このため、全固体リチウム二次電池においては、従来の液系リチウム二次電池のように可燃性の有機電解液に起因する各種問題が原理的に発生しないという利点がある。また一般に、高電位・大容量の正極材料、大容量の負極材料を用いると電池の出力密度およびエネルギー密度の大幅な向上が図れるという利点もある。 Hereinafter, the above-described embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the claims and is not limited only to the following embodiments. Note that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from the actual ratios. Hereinafter, the present invention will be described with reference to an example of a stacked type (internal parallel connection type) all-solid lithium secondary battery, which is one form of a secondary battery. As described above, the solid electrolyte that constitutes the all-solid-state lithium secondary battery is a material mainly composed of an ion conductor capable of conducting ions in a solid state. Therefore, the all-solid-state lithium secondary battery has the advantage that, unlike conventional liquid-type lithium secondary batteries, various problems due to the combustible organic electrolyte do not occur in principle. In general, the use of high-potential, high-capacity positive electrode materials and high-capacity negative electrode materials also has the advantage that the output density and energy density of the battery can be greatly improved.
本発明の一形態は、細孔を有する導電材料と、固体電解質と、硫黄を含む正極活物質とを含み、前記固体電解質の少なくとも一部と前記正極活物質の少なくとも一部とが、互いに接するように前記細孔の内部表面に配置されており、かつ、前記細孔のうち、細孔径が1~4nmの範囲の細孔の細孔容積の、細孔径1~100nmの範囲の細孔の細孔容積に対する百分率が20%以下である、電気デバイス用正極材料である。本形態に係る電気デバイス用正極材料によれば、電気デバイスの内部抵抗をよりいっそう低減させることができる。 One aspect of the present invention includes a conductive material having pores, a solid electrolyte, and a positive electrode active material containing sulfur, wherein at least part of the solid electrolyte and at least part of the positive electrode active material are in contact with each other. are arranged on the inner surface of the pores, and among the pores, the pore volume of the pores having a pore diameter in the range of 1 to 4 nm, and the pores having a pore diameter in the range of 1 to 100 nm The positive electrode material for electrical devices has a pore volume percentage of 20% or less. According to the positive electrode material for an electrical device according to this embodiment, the internal resistance of the electrical device can be further reduced.
図1は、本発明の一実施形態である扁平積層型の全固体リチウム二次電池の外観を表した斜視図である。図2は、図1に示す2-2線に沿う断面図である。積層型とすることで、電池をコンパクトにかつ高容量化することができる。なお、本明細書においては、図1および図2に示す扁平積層型の双極型でないリチウム二次電池(以下、単に「積層型電池」とも称する)を例に挙げて詳細に説明する。ただし、本形態に係るリチウム二次電池の内部における電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、非双極型(内部並列接続タイプ)電池および双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用しうるものである。 FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a flat laminated all-solid lithium secondary battery that is an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view along line 2-2 shown in FIG. By using a laminate type, the battery can be made compact and have a high capacity. In the present specification, a flat laminated non-bipolar lithium secondary battery (hereinafter also simply referred to as a "laminated battery") shown in FIGS. 1 and 2 will be described in detail as an example. However, when viewed from the electrical connection form (electrode structure) inside the lithium secondary battery according to this embodiment, it can be either a non-bipolar type (internal parallel connection type) battery or a bipolar type (internal series connection type) battery. can also be applied.
図1に示すように、積層型電池10aは、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための負極集電板25、正極集電板27が引き出されている。発電要素21は、積層型電池10aの電池外装材(ラミネートフィルム29)によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素21は、負極集電板25および正極集電板27を外部に引き出した状態で密封されている。
As shown in FIG. 1, the laminated
なお、本形態に係るリチウム二次電池は、積層型の扁平な形状のものに制限されるものではない。巻回型のリチウム二次電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装材にラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムを含むラミネートフィルムの内部に収容される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 In addition, the lithium secondary battery according to the present embodiment is not limited to a laminated flat shape. The wound type lithium secondary battery may have a cylindrical shape, or may have a rectangular flat shape obtained by deforming such a cylindrical shape. , is not particularly limited. In the case of the above-mentioned cylindrical shape, a laminate film may be used as the exterior material, or a conventional cylindrical can (metal can) may be used, and there is no particular limitation. Preferably, the power generation element is housed inside a laminate film containing aluminum. Weight reduction can be achieved by this configuration.
また、図1に示す集電板(25、27)の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。負極集電板25と正極集電板27とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、負極集電板25と正極集電板27をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図1に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウム電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。
In addition, there are no particular restrictions on how the collector plates (25, 27) shown in FIG. 1 can be taken out. The negative electrode
図2に示すように、本実施形態の積層型電池10aは、実際に充放電反応が進行する扁平略矩形の発電要素21が、電池外装材であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極と、固体電解質層17と、負極とを積層した構成を有している。正極は、正極集電体11”の両面に正極活物質を含有する正極活物質層15が配置された構造を有する。負極は、負極集電体11’の両面に負極活物質を含有する負極活物質層13が配置された構造を有する。具体的には、1つの正極活物質層15とこれに隣接する負極活物質層13とが、固体電解質層17を介して対向するようにして、正極、固体電解質層および負極がこの順に積層されている。これにより、隣接する正極、固体電解質層および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型電池10aは、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。
As shown in FIG. 2, the
図2に示すように、発電要素21の両最外層に位置する最外層負極集電体には、いずれも片面のみに負極活物質層13が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、場合によっては、集電体(11’,11”)を用いることなく、負極活物質層13および正極活物質層15をそれぞれ負極および正極として用いてもよい。
As shown in FIG. 2, the outermost negative electrode current collectors positioned on both outermost layers of the
負極集電体11’および正極集電体11”は、各電極(正極および負極)と導通される負極集電板(タブ)25および正極集電板(タブ)27がそれぞれ取り付けられ、電池外装材であるラミネートフィルム29の端部に挟まれるようにしてラミネートフィルム29の外部に導出される構造を有している。正極集電板27および負極集電板25はそれぞれ、必要に応じて正極リードおよび負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体11”および負極集電体11’に超音波溶接や抵抗溶接などにより取り付けられていてもよい。
The negative electrode
以下、本形態に係るリチウム二次電池の主要な構成部材について説明する。 Main constituent members of the lithium secondary battery according to this embodiment will be described below.
[集電体]
集電体は、電極活物質層からの電子の移動を媒介する機能を有する。集電体を構成する材料に特に制限はない。集電体の構成材料としては、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
[Current collector]
The current collector has a function of mediating transfer of electrons from the electrode active material layer. There are no particular restrictions on the material that constitutes the current collector. As the constituent material of the current collector, for example, a metal or a conductive resin can be used.
具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材などが用いられてもよい。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specifically, examples of metals include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. In addition to these, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or the like may be used. Alternatively, a foil in which a metal surface is coated with aluminum may be used. Among them, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferable from the viewpoint of electronic conductivity, battery operating potential, adhesion of the negative electrode active material to the current collector by sputtering, and the like.
また、後者の導電性を有する樹脂としては、導電性高分子材料や非導電性高分子材料に必要に応じて導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。 The latter resin having conductivity includes a resin obtained by adding a conductive filler to a conductive polymer material or a non-conductive polymer material as necessary.
非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。 Examples of non-conductive polymer materials include polyethylene (PE; high-density polyethylene (HDPE), low-density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyethernitrile (PEN), and polyimide. (PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethylacrylate (PMA), polymethylmethacrylate (PMMA) , polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), or polystyrene (PS). Such non-conductive polymeric materials can have excellent electrical potential or solvent resistance.
上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。 Conductive fillers may be added to the conductive polymer material or non-conductive polymer material as necessary. In particular, when the resin serving as the base material of the current collector consists of only a non-conductive polymer, a conductive filler is inevitably essential in order to impart conductivity to the resin.
導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、およびSbからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン(登録商標)、ブラックパール(登録商標)、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック(登録商標)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 Any electrically conductive filler can be used without particular limitation. Examples of materials that are excellent in conductivity, potential resistance, or lithium ion blocking properties include metals and conductive carbon. The metal is not particularly limited, but includes at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, and Sb, or these metals. It preferably contains alloys or metal oxides. Also, the conductive carbon is not particularly limited. Preferably, it is selected from the group consisting of acetylene black, Vulcan (registered trademark), Black Pearl (registered trademark), carbon nanofiber, Ketjenblack (registered trademark), carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene. It contains at least one.
導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、集電体の全質量100質量%に対して5~80質量%である。 The amount of the conductive filler added is not particularly limited as long as it is an amount that can impart sufficient conductivity to the current collector, and is generally 5 to 80% by mass with respect to 100% by mass of the total mass of the current collector. is.
なお、集電体は、単独の材料からなる単層構造であってもよいし、あるいは、これらの材料からなる層を適宜組み合わせた積層構造であっても構わない。集電体の軽量化の観点からは、少なくとも導電性を有する樹脂からなる導電性樹脂層を含むことが好ましい。また、単電池層間のリチウムイオンの移動を遮断する観点からは、集電体の一部に金属層を設けてもよい。さらに、後述する負極活物質層や正極活物質層がそれ自体で導電性を有し集電機能を発揮できるのであれば、これらの電極活物質層とは別の部材としての集電体を用いなくともよい。このような形態においては、後述する負極活物質層がそのまま負極を構成し、後述する正極活物質層がそのまま正極を構成することとなる。 The current collector may have a single-layer structure made of a single material, or may have a laminated structure in which layers made of these materials are appropriately combined. From the viewpoint of reducing the weight of the current collector, it is preferable to include at least a conductive resin layer made of a resin having conductivity. Moreover, from the viewpoint of blocking movement of lithium ions between the single cell layers, a metal layer may be provided on a part of the current collector. Furthermore, if the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer to be described later themselves have conductivity and can exhibit a current collecting function, a current collector is used as a member separate from these electrode active material layers. No need. In such a form, the negative electrode active material layer to be described later constitutes the negative electrode as it is, and the positive electrode active material layer to be described later constitutes the positive electrode as it is.
[負極(負極活物質層)]
図1および図2に示す実施形態に係る積層型電池において、負極活物質層13は、負極活物質を含む。負極活物質の種類としては、特に制限されないが、炭素材料、金属酸化物および金属活物質が挙げられる。炭素材料としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等が挙げられる。また、金属酸化物としては、例えば、Nb2O5、Li4Ti5O12等が挙げられる。さらに、ケイ素系負極活物質やスズ系負極活物質が用いられてもよい。ここで、ケイ素およびスズは第14族元素に属し、非水電解質二次電池の容量を大きく向上させうる負極活物質であることが知られている。これらの単体は単位体積(質量)あたり多数の電荷担体(リチウムイオン等)を吸蔵および放出しうることから、高容量の負極活物質となる。ここで、ケイ素系負極活物質としては、Si単体を用いることが好ましい。また同様に、Si相とケイ素酸化物相との2相に不均化されたSiOx(0.3≦x≦1.6)などのケイ素酸化物を用いることも好ましい。この際、xの範囲は0.5≦x≦1.5であることがより好ましく、0.7≦x≦1.2であることがさらに好ましい。さらには、ケイ素を含有する合金(ケイ素含有合金系負極活物質)が用いられてもよい。一方、スズ元素を含む負極活物質(スズ系負極活物質)としては、Sn単体、スズ合金(Cu-Sn合金、Co-Sn合金)、アモルファススズ酸化物、スズケイ素酸化物等が挙げられる。このうち、アモルファススズ酸化物としてはSnB0.4P0.6O3.1が例示される。また、スズケイ素酸化物としてはSnSiO3が例示される。また、負極活物質として、リチウムを含有する金属を用いてもよい。このような負極活物質は、リチウムを含有する活物質であれば特に限定されず、金属リチウムのほか、リチウム含有合金が挙げられる。リチウム含有合金としては、例えば、Liと、In、Al、SiおよびSnの少なくとも1種との合金が挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。負極活物質は、金属リチウム、ケイ素系負極活物質またはスズ系負極活物質を含むことが好ましく、金属リチウムを含むことが特に好ましい。
[Negative electrode (negative electrode active material layer)]
In the stacked battery according to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the negative electrode
負極活物質の形状は、例えば、粒子状(球状、繊維状)、薄膜状等が挙げられる。負極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、1nm~100μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは10nm~50μmの範囲内であり、さらに好ましくは100nm~20μmの範囲内であり、特に好ましくは1~20μmの範囲内である。なお、本明細書において、活物質の平均粒径(D50)の値は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。 Examples of the shape of the negative electrode active material include particulate (spherical, fibrous), thin film, and the like. When the negative electrode active material is in the form of particles, its average particle size (D 50 ) is, for example, preferably in the range of 1 nm to 100 μm, more preferably in the range of 10 nm to 50 μm, still more preferably 100 nm. to 20 μm, particularly preferably 1 to 20 μm. In addition, in this specification, the value of the average particle size (D 50 ) of the active material can be measured by a laser diffraction scattering method.
負極活物質層における負極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40~99質量%の範囲内であることが好ましく、50~90質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is not particularly limited. more preferred.
負極活物質層は、固体電解質をさらに含むことが好ましい。負極活物質層が固体電解質を含むことにより、負極活物質層のイオン伝導性を向上させることができる。固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質や酸化物固体電解質が挙げられるが、硫化物固体電解質であることが好ましい。 The negative electrode active material layer preferably further contains a solid electrolyte. By including the solid electrolyte in the negative electrode active material layer, the ion conductivity of the negative electrode active material layer can be improved. Examples of solid electrolytes include sulfide solid electrolytes and oxide solid electrolytes, and sulfide solid electrolytes are preferred.
硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-Li2S-SiS2、LiI-Li2S-P2O5、LiI-Li3PO4-P2S5、Li2S-P2S5、LiI-Li3PS4、LiI-LiBr-Li3PS4、Li3PS4、Li2S-P2S5-LiI、Li2S-P2S5-Li2O、Li2S-P2S5-Li2O-LiI、Li2S-SiS2、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-LiBr、Li2S-SiS2-LiCl、Li2S-SiS2-B2S3-LiI、Li2S-SiS2-P2S5-LiI、Li2S-B2S3、Li2S-P2S5-ZmSn(ただし、m、nは正の数であり、Zは、Ge、Zn、Gaのいずれかである)、Li2S-GeS2、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-SiS2-LixMOy(ただし、x、yは正の数であり、Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれかである)等が挙げられる。なお、「Li2S-P2S5」の記載は、Li2SおよびP2S5を含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。 Examples of sulfide solid electrolytes include LiI—Li 2 S—SiS 2 , LiI—Li 2 SP 2 O 5 , LiI—Li 3 PO 4 —P 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 , LiI - Li3PS4 , LiI - LiBr - Li3PS4 , Li3PS4 , Li2SP2S5 - LiI , Li2SP2S5 - Li2O , Li2SP 2S5 - Li2O - LiI, Li2S - SiS2 , Li2S - SiS2 - LiI, Li2S - SiS2 - LiBr, Li2S - SiS2-LiCl, Li2S - SiS2 -B 2 S 3 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-B 2 S 3 , Li 2 SP 2 S 5 -Z m S n (where m, n is a positive number and Z is one of Ge, Zn and Ga), Li 2 S—GeS 2 , Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 , Li 2 S—SiS 2 —Li x MO y (where x and y are positive numbers and M is any one of P, Si, Ge, B, Al, Ga and In) and the like. The description of “Li 2 SP 2 S 5 ” means a sulfide solid electrolyte using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5 , and the same applies to other descriptions.
硫化物固体電解質は、例えば、Li3PS4骨格を有していてもよく、Li4P2S7骨格を有していてもよく、Li4P2S6骨格を有していてもよい。Li3PS4骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-Li3PS4、LiI-LiBr-Li3PS4、Li3PS4が挙げられる。また、Li4P2S7骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LPSと称されるLi-P-S系固体電解質(例えば、Li7P3S11)が挙げられる。また、硫化物固体電解質として、例えば、Li(4-x)Ge(1-x)PxS4(xは、0<x<1を満たす)で表されるLGPS等を用いてもよい。なかでも、活物質層に含まれる硫化物固体電解質は、P元素を含む硫化物固体電解質であることが好ましく、硫化物固体電解質は、Li2S-P2S5を主成分とする材料であることがより好ましい。さらに、硫化物固体電解質は、ハロゲン(F、Cl、Br、I)を含有していてもよい。好ましい一実施形態において、硫化物固体電解質はLi6PS5X(ここで、XはCl、BrもしくはIであり、好ましくはClである)を含む。 The sulfide solid electrolyte may have, for example, a Li 3 PS 4 skeleton, a Li 4 P 2 S 7 skeleton, or a Li 4 P 2 S 6 skeleton. . Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 3 PS 4 skeleton include LiI--Li 3 PS 4 , LiI--LiBr--Li 3 PS 4 and Li 3 PS 4 . Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 4 P 2 S 7 skeleton include Li—P—S solid electrolytes called LPS (eg, Li 7 P 3 S 11 ). As the sulfide solid electrolyte, for example, LGPS represented by Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (where x satisfies 0<x<1) may be used. Among them, the sulfide solid electrolyte contained in the active material layer is preferably a sulfide solid electrolyte containing the element P, and the sulfide solid electrolyte is a material containing Li 2 SP 2 S 5 as a main component. It is more preferable to have Furthermore, the sulfide solid electrolyte may contain halogens (F, Cl, Br, I). In one preferred embodiment, the sulfide solid electrolyte comprises Li6PS5X , where X is Cl, Br or I, preferably Cl.
また、硫化物固体電解質がLi2S-P2S5系である場合、Li2SおよびP2S5の割合は、モル比で、Li2S:P2S5=50:50~100:0の範囲内であることが好ましく、なかでもLi2S:P2S5=70:30~80:20であることが好ましい。 When the sulfide solid electrolyte is Li 2 S—P 2 S 5 system, the molar ratio of Li 2 S and P 2 S 5 is Li 2 S:P 2 S 5 =50:50 to 100. :0, and more preferably Li 2 S:P 2 S 5 =70:30 to 80:20.
また、硫化物固体電解質は、硫化物ガラスであってもよく、結晶化硫化物ガラスであってもよく、固相法により得られる結晶質材料であってもよい。なお、硫化物ガラスは、例えば原料組成物に対してメカニカルミリング(ボールミル等)を行うことにより得ることができる。また、結晶化硫化物ガラスは、例えば硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で熱処理を行うことにより得ることができる。また、硫化物固体電解質の常温(25℃)におけるイオン伝導度(例えば、Liイオン伝導度)は、例えば、1×10-5S/cm以上であることが好ましく、1×10-4S/cm以上であることがより好ましい。なお、固体電解質のイオン伝導度の値は、交流インピーダンス法により測定することができる。 The sulfide solid electrolyte may be sulfide glass, crystallized sulfide glass, or a crystalline material obtained by a solid phase method. The sulfide glass can be obtained, for example, by subjecting the raw material composition to mechanical milling (such as a ball mill). Crystallized sulfide glass can be obtained, for example, by heat-treating sulfide glass at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature. Further, the ionic conductivity (eg, Li ion conductivity) of the sulfide solid electrolyte at room temperature (25° C.) is, for example, preferably 1×10 −5 S/cm or more, and 1×10 −4 S/cm. cm or more is more preferable. Incidentally, the value of the ionic conductivity of the solid electrolyte can be measured by the AC impedance method.
酸化物固体電解質としては、例えば、NASICON型構造を有する化合物等が挙げられる。NASICON型構造を有する化合物の一例としては、一般式Li1+xAlxGe2-x(PO4)3(0≦x≦2)で表される化合物(LAGP)、一般式Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(0≦x≦2)で表される化合物(LATP)等が挙げられる。また、酸化物固体電解質の他の例としては、LiLaTiO(例えば、Li0.34La0.51TiO3)、LiPON(例えば、Li2.9PO3.3N0.46)、LiLaZrO(例えば、Li7La3Zr2O12)等が挙げられる。 Examples of oxide solid electrolytes include compounds having a NASICON structure. Examples of compounds having a NASICON structure include compounds represented by the general formula Li 1+x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 (0≦x≦2) (LAGP) and general formula Li 1+x Al x Ti 2 -x (PO 4 ) 3 (0≦x≦2) (LATP) and the like. Other examples of oxide solid electrolytes include LiLaTiO (e.g., Li 0.34 La 0.51 TiO 3 ), LiPON (e.g., Li 2.9 PO 3.3 N 0.46 ), LiLaZrO (e.g., , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) and the like.
固体電解質の形状としては、例えば、真球状、楕円球状等の粒子形状、薄膜形状等が挙げられる。固体電解質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、特に限定されないが、40μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましい。一方、平均粒径(D50)は、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。 Examples of the shape of the solid electrolyte include a particle shape such as a spherical shape and an ellipsoidal shape, a thin film shape, and the like. When the solid electrolyte is in the form of particles, the average particle size (D 50 ) is not particularly limited, but is preferably 40 μm or less, more preferably 20 μm or less, and even more preferably 10 μm or less. On the other hand, the average particle diameter (D 50 ) is preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.1 μm or more.
負極活物質層における固体電解質の含有量は、例えば、1~60質量%の範囲内であることが好ましく、10~50質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the solid electrolyte in the negative electrode active material layer is, for example, preferably in the range of 1 to 60% by mass, more preferably in the range of 10 to 50% by mass.
負極活物質層は、上述した負極活物質および固体電解質に加えて、導電助剤およびバインダの少なくとも1つをさらに含有していてもよい。 The negative electrode active material layer may further contain at least one of a conductive aid and a binder in addition to the negative electrode active material and solid electrolyte described above.
導電助剤としては、例えば、アルミニウム、ステンレス(SUS)、銀、金、銅、チタン等の金属、これらの金属を含む合金または金属酸化物;炭素繊維(具体的には、気相成長炭素繊維(VGCF)、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、活性炭素繊維等)、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンブラック(具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック等)等のカーボンが挙げられるが、これらに限定されない。また、粒子状のセラミック材料や樹脂材料の周りに上記金属材料をめっき等でコーティングしたものも導電助剤として使用できる。これらの導電助剤のなかでも、電気的安定性の観点から、アルミニウム、ステンレス、銀、金、銅、チタン、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、アルミニウム、ステンレス、銀、金、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことがより好ましく、カーボンを少なくとも1種を含むことがさらに好ましい。これらの導電助剤は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用しても構わない。 Examples of conductive aids include metals such as aluminum, stainless steel (SUS), silver, gold, copper, and titanium, alloys containing these metals, and metal oxides; carbon fibers (specifically, vapor-grown carbon fibers (VGCF), polyacrylonitrile-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, rayon-based carbon fiber, activated carbon fiber, etc.), carbon nanotubes (CNT), carbon black (specifically, acetylene black, Ketjenblack (registered trademark) , furnace black, channel black, thermal lamp black, etc.), but are not limited thereto. In addition, a particulate ceramic material or resin material coated with the above metal material by plating or the like can also be used as a conductive aid. Among these conductive aids, from the viewpoint of electrical stability, it is preferable to include at least one selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, silver, gold, copper, titanium, and carbon. , silver, gold, and carbon, and more preferably at least one carbon. These conductive aids may be used alone or in combination of two or more.
導電助剤の形状は、粒子状または繊維状であることが好ましい。導電助剤が粒子状である場合、粒子の形状は特に限定されず、粉末状、球状、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状等、いずれの形状であっても構わない。 The shape of the conductive aid is preferably particulate or fibrous. When the conductive agent is particulate, the shape of the particles is not particularly limited, and may be powdery, spherical, rod-like, needle-like, plate-like, columnar, amorphous, scaly, spindle-like, or the like. I don't mind.
導電助剤が粒子状である場合の平均粒子径(一次粒子径)は、特に限定されるものではないが、電池の電気特性の観点から、0.01~10μmであることが好ましい。なお、本明細書中において、「導電助剤の粒子径」とは、導電助剤の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「導電助剤の平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数~数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。 The average particle size (primary particle size) of the conductive additive in the form of particles is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 10 μm from the viewpoint of the electrical characteristics of the battery. In this specification, the "particle diameter of the conductive aid" means the maximum distance L among the distances between any two points on the outline of the conductive aid. The value of the "average particle size of the conductive aid" is the particle size of particles observed in several to several tens of fields using observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). shall be calculated as the average value of
負極活物質層が導電助剤を含む場合、当該負極活物質層における導電助剤の含有量は特に制限されないが、負極活物質層の合計質量に対して、好ましくは0~10質量%であり、より好ましくは2~8質量%であり、さらに好ましくは4~7質量%である。このような範囲であれば、負極活物質層においてより強固な電子伝導パスを形成することが可能となり、電池特性の向上に有効に寄与することが可能である。 When the negative electrode active material layer contains a conductive agent, the content of the conductive agent in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably 0 to 10% by mass with respect to the total mass of the negative electrode active material layer. , more preferably 2 to 8% by mass, more preferably 4 to 7% by mass. Within such a range, it becomes possible to form a stronger electron conduction path in the negative electrode active material layer, which can effectively contribute to the improvement of battery characteristics.
一方、バインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。 On the other hand, the binder is not particularly limited, but includes, for example, the following materials.
ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(水素原子が他のハロゲン元素にて置換された化合物を含む)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリブテン、ポリエーテルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、エチレン-酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、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(FEP)、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(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、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(VDF-HFP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(VDF-HFP-TFE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(VDF-PFP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(VDF-PFP-TFE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(VDF-PFMVE-TFE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(VDF-CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。 Polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyvinylidene fluoride (PVDF) (including compounds in which hydrogen atoms are replaced with other halogen elements), polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, polybutene, polyethernitrile, polytetrafluoroethylene, Polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), ethylene-propylene-diene copolymer, styrene-butadiene-styrene block copolymer and hydrogenated products thereof , thermoplastic polymers such as styrene/isoprene/styrene block copolymers and their hydrogenated products, tetrafluoroethylene/hexafluoropropylene copolymers (FEP), tetrafluoroethylene/perfluoroalkyl vinyl ether copolymers (PFA) , ethylene/tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene/chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), fluorine resins such as polyvinyl fluoride (PVF), vinylidene fluoride- Hexafluoropropylene fluororubber (VDF-HFP fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-HFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluororubber (VDF-PFP fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-PFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene fluororubber ( vinylidene fluoride fluororubbers such as VDF-PFMVE-TFE fluororubbers), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene fluororubbers (VDF-CTFE fluororubbers), and epoxy resins. Among them, polyimide, styrene-butadiene rubber, carboxymethylcellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferable.
負極活物質層の厚さは、目的とする二次電池の構成によっても異なるが、例えば、0.1~1000μmの範囲内であることが好ましい。 Although the thickness of the negative electrode active material layer varies depending on the intended configuration of the secondary battery, it is preferably in the range of, for example, 0.1 to 1000 μm.
[固体電解質層]
図1および図2に示す実施形態に係る積層型電池において、固体電解質層は、上述した正極活物質層と負極活物質層との間に介在し、固体電解質を必須に含有する層である。
[Solid electrolyte layer]
In the laminated battery according to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the solid electrolyte layer is a layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer and essentially containing a solid electrolyte.
固体電解質層に含有される固体電解質の具体的な形態について特に制限はなく、負極活物質層の欄において例示した固体電解質およびその好ましい形態が同様に採用されうる。場合によっては、上述した固体電解質以外の固体電解質が併用されてもよい。 The specific form of the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer is not particularly limited, and the solid electrolytes exemplified in the column of the negative electrode active material layer and their preferred forms can be similarly employed. In some cases, solid electrolytes other than the solid electrolytes described above may be used together.
固体電解質層は、上述した所定の固体電解質に加えて、バインダをさらに含有していてもよい。固体電解質層に含有されうるバインダについても、負極活物質層の欄において説明した例示および好ましい形態が同様に採用されうる。 The solid electrolyte layer may further contain a binder in addition to the predetermined solid electrolyte described above. As for the binder that can be contained in the solid electrolyte layer, the examples and preferred forms described in the column of the negative electrode active material layer can be similarly adopted.
固体電解質層の厚みは、目的とするリチウム二次電池の構成によっても異なるが、電池の体積エネルギー密度を向上させうるという観点からは、好ましくは600μm以下であり、より好ましくは500μm以下であり、さらに好ましくは400μm以下である。一方、固体電解質層の厚みの下限値について特に制限はないが、好ましくは1μm以上であり、より好ましくは5μm以上であり、さらに好ましくは10μm以上である。 The thickness of the solid electrolyte layer varies depending on the structure of the target lithium secondary battery, but from the viewpoint of improving the volume energy density of the battery, it is preferably 600 μm or less, more preferably 500 μm or less, More preferably, it is 400 μm or less. On the other hand, the lower limit of the thickness of the solid electrolyte layer is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more, more preferably 5 μm or more, and still more preferably 10 μm or more.
[正極活物質層]
図1および図2に示す実施形態に係る積層型電池において、正極活物質層は、本発明の一形態に係る電気デバイス用正極材料を含む。当該電気デバイス用正極材料は、細孔を有する導電材料と、固体電解質と、硫黄を含む正極活物質とを含む。
[Positive electrode active material layer]
In the layered battery according to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the positive electrode active material layer contains the positive electrode material for electrical devices according to one embodiment of the present invention. The positive electrode material for an electric device includes a conductive material having pores, a solid electrolyte, and a sulfur-containing positive electrode active material.
(硫黄を含む正極活物質)
硫黄を含む正極活物質の種類としては、特に制限されないが、硫黄単体(S)のほか、有機硫黄化合物または無機硫黄化合物の粒子または薄膜が挙げられ、硫黄の酸化還元反応を利用して、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸蔵することができる物質であればよい。有機硫黄化合物としては、ジスルフィド化合物、国際公開第2010/044437号パンフレットに記載の化合物に代表される硫黄変性ポリアクリロニトリル、硫黄変性ポリイソプレン、ルベアン酸(ジチオオキサミド)、ポリ硫化カーボン等が挙げられる。なかでも、ジスルフィド化合物および硫黄変性ポリアクリロニトリル、およびルベアン酸が好ましく、特に好ましくは硫黄変性ポリアクリロニトリルである。ジスルフィド化合物としては、ジチオビウレア誘導体、チオウレア基、チオイソシアネート、またはチオアミド基を有するものがより好ましい。ここで、硫黄変性ポリアクリロニトリルとは、硫黄粉末とポリアクリロニトリルとを混合し、不活性ガス下もしくは減圧下で加熱することによって得られる、硫黄原子を含む変性されたポリアクリロニトリルである。その推定構造は、例えばChem. Mater. 2011,23,5024-5028に示されているように、ポリアクリロニトリルが閉環して多環状になるとともに、Sの少なくとも一部はCと結合している構造である。この文献に記載されている化合物はラマンスペクトルにおいて、1330cm-1と1560cm-1付近に強いピークシグナルがあり、さらに、307cm-1、379cm-1、472cm-1、929cm-1付近にピークが存在する。一方、無機硫黄化合物は安定性に優れることから好ましく、具体的には、硫黄単体(S)、TiS2、TiS3、TiS4、NiS、NiS2、CuS、FeS2、Li2S、MoS2、MoS3、MnS、MnS2、CoS、CoS2等が挙げられる。なかでも、S、S-カーボンコンポジット、TiS2、TiS3、TiS4、FeS2およびMoS2が好ましく、硫黄単体(S)、TiS2およびFeS2がより好ましく、高容量であるという観点からは硫黄単体(S)が特に好ましい。なお、硫黄単体(S)としては、S8構造を有するα硫黄、β硫黄、またはγ硫黄が用いられうる。
(Positive electrode active material containing sulfur)
The type of the positive electrode active material containing sulfur is not particularly limited, but examples thereof include elemental sulfur (S) and particles or thin films of organic sulfur compounds or inorganic sulfur compounds. Any material may be used as long as it can release lithium ions at times and absorb lithium ions at the time of discharge. Examples of organic sulfur compounds include disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile represented by compounds described in WO 2010/044437, sulfur-modified polyisoprene, rubeanic acid (dithiooxamide), polysulfide carbon, and the like. Among these, disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile, and rubeanic acid are preferred, and sulfur-modified polyacrylonitrile is particularly preferred. As the disulfide compound, those having a dithiobiurea derivative, a thiourea group, a thioisocyanate group, or a thioamide group are more preferable. Here, sulfur-modified polyacrylonitrile is sulfur-atom-containing modified polyacrylonitrile obtained by mixing sulfur powder and polyacrylonitrile and heating the mixture under an inert gas or under reduced pressure. Its putative structure is described, for example, in Chem. Mater. 2011, 23, 5024-5028, polyacrylonitrile is ring-closed to form a polycyclic structure, and at least part of S is bonded to C. The compound described in this document has strong peak signals near 1330 cm -1 and 1560 cm -1 in the Raman spectrum, and further peaks near 307 cm -1 , 379 cm -1 , 472 cm -1 and 929 cm -1 . do. On the other hand, inorganic sulfur compounds are preferred because of their excellent stability, and specific examples include elemental sulfur (S), TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , NiS, NiS 2 , CuS, FeS 2 , Li 2 S and MoS 2 . , MoS 3 , MnS, MnS 2 , CoS, CoS 2 and the like. Among them, S, S-carbon composites, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , FeS 2 and MoS 2 are preferred, and elemental sulfur (S), TiS 2 and FeS 2 are more preferred, from the viewpoint of high capacity. Elemental sulfur (S) is particularly preferred. As the elemental sulfur (S), α sulfur, β sulfur, or γ sulfur having an S8 structure may be used.
本形態に係る正極材料は、硫黄を含む正極活物質に加えて、硫黄を含まない正極活物質をさらに含んでもよい。硫黄を含まない正極活物質としては、例えば、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiVO2、Li(Ni-Mn-Co)O2等の層状岩塩型活物質、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4等のスピネル型活物質、LiFePO4、LiMnPO4等のオリビン型活物質、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4等のSi含有活物質等が挙げられる。また上記以外の酸化物活物質としては、例えば、Li4Ti5O12が挙げられる。 The positive electrode material according to this embodiment may further include a sulfur-free positive electrode active material in addition to the sulfur-containing positive electrode active material. Examples of positive electrode active materials containing no sulfur include layered rock salt type active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , Li(Ni--Mn--Co)O 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 0.5 . spinel - type active materials such as 5Mn1.5O4 ; olivine - type active materials such as LiFePO4 and LiMnPO4 ; and Si - containing active materials such as Li2FeSiO4 and Li2MnSiO4 . As an oxide active material other than the above, for example, Li 4 Ti 5 O 12 can be mentioned.
場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。ただし、正極活物質の全量100質量%に占める硫黄を含む正極活物質の含有量の割合は、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上であり、さらに好ましくは80質量%以上であり、いっそう好ましくは90質量%以上であり、特に好ましくは95質量%以上であり、最も好ましくは100質量%である。 In some cases, two or more positive electrode active materials may be used together. It goes without saying that positive electrode active materials other than those described above may be used. However, the ratio of the content of the sulfur-containing positive electrode active material to 100% by mass of the total amount of the positive electrode active material is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and still more preferably 80% by mass. more preferably 90% by mass or more, particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 100% by mass.
(固体電解質)
本形態に係る正極材料は固体電解質を必須に含む。本形態に係る正極材料に含まれる固体電解質の具体的な形態について特に制限はなく、負極活物質層の欄において例示した固体電解質およびその好ましい形態が同様に採用されうる。場合によっては、上述した固体電解質以外の固体電解質が併用されてもよい。
(solid electrolyte)
The positive electrode material according to this embodiment essentially contains a solid electrolyte. The specific form of the solid electrolyte contained in the positive electrode material according to this embodiment is not particularly limited, and the solid electrolytes and their preferred forms exemplified in the column of the negative electrode active material layer can be similarly employed. In some cases, solid electrolytes other than the solid electrolytes described above may be used together.
なかでも、本形態に係る正極材料に含まれる固体電解質は、硫化物固体電解質であることが好ましい。別の好ましい実施形態では、固体電解質層に含まれる固体電解質は、アルカリ金属原子を含有するものである。ここで、固体電解質に含まれうるアルカリ金属としては、Li、NaまたはKが挙げられるが、なかでもイオン伝導度に優れるという点でLiが好ましい。さらに他の好ましい実施形態では、正極材料に含まれる固体電解質は、アルカリ金属原子(例えば、Li、NaまたはK;好ましくはLi)と、リン原子および/またはホウ素原子と含有するものである。このようなアルカリ金属原子と、リン原子および/またはホウ素原子とを含有する硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-Li2S-P2O5、LiI-Li3PO4-P2S5、Li2S-P2S5、LiI-Li3PS4、LiI-LiBr-Li3PS4、Li3PS4、Li2S-P2S5-LiI、Li2S-P2S5-Li2O、Li2S-P2S5-Li2O-LiI、Li2S-SiS2-B2S3-LiI、Li2S-SiS2-P2S5-LiI、Li2S-B2S3、Li2S-P2S5-ZmSn(ただし、m、nは正の数であり、Zは、Ge、Zn、Gaのいずれかである)、Li2S-SiS2-Li3PO4等が挙げられる。また、Li4P2S7骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LPSと称されるLi-P-S系固体電解質(例えば、Li7P3S11)が挙げられる。また、例えば、Li(4-x)Ge(1-x)PxS4(xは、0<x<1を満たす)で表されるLGPS等を用いてもよい。なかでも、活物質層に含まれる硫化物固体電解質は、リン原子を含む硫化物固体電解質であることが好ましく、硫化物固体電解質は、Li2S-P2S5を主成分とする材料であることがより好ましい。さらに、硫化物固体電解質は、ハロゲン(F、Cl、Br、I)を含有していてもよい。好ましい一実施形態において、硫化物固体電解質はLi6PS5X(ここで、XはCl、BrもしくはIであり、好ましくはClである)を含む。これらの固体電解質は高いイオン伝導度を有していることから、本発明の作用効果の発現にも有効に寄与しうる。 Among others, the solid electrolyte contained in the positive electrode material according to the present embodiment is preferably a sulfide solid electrolyte. In another preferred embodiment, the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer contains alkali metal atoms. Alkali metals that can be contained in the solid electrolyte include Li, Na, and K. Among them, Li is preferable because of its excellent ion conductivity. In yet another preferred embodiment, the solid electrolyte contained in the positive electrode material contains alkali metal atoms (eg Li, Na or K; preferably Li) and phosphorus and/or boron atoms. Sulfide solid electrolytes containing such alkali metal atoms and phosphorus atoms and/or boron atoms include, for example, LiI-Li 2 SP 2 O 5 and LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 , LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4 , Li 3 PS 4 , Li 2 SP 2 S 5 -LiI, Li 2 SP 2 S 5 -Li2O, Li2SP2S5 - Li2O - LiI, Li2S - SiS2 - B2S3 - LiI, Li2S - SiS2 - P2S5 - LiI, Li2 S—B 2 S 3 , Li 2 SP 2 S 5 —Z m S n (where m and n are positive numbers and Z is one of Ge, Zn and Ga), Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 and the like. Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 4 P 2 S 7 skeleton include Li—P—S solid electrolytes called LPS (eg, Li 7 P 3 S 11 ). Further, for example, LGPS represented by Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (where x satisfies 0<x<1) may be used. Among them, the sulfide solid electrolyte contained in the active material layer is preferably a sulfide solid electrolyte containing phosphorus atoms, and the sulfide solid electrolyte is a material containing Li 2 SP 2 S 5 as a main component. It is more preferable to have Furthermore, the sulfide solid electrolyte may contain halogens (F, Cl, Br, I). In one preferred embodiment, the sulfide solid electrolyte comprises Li6PS5X , where X is Cl, Br or I, preferably Cl. Since these solid electrolytes have high ionic conductivity, they can effectively contribute to manifestation of the effects of the present invention.
(導電材料)
本形態に係る正極材料は細孔を有する導電材料を必須に含む。本形態に係る正極材料に含まれる導電材料の具体的な形態については、細孔を有する導電性の材料であって、後述する所定の細孔容積プロファイルを有するものであれば特に制限はなく、従来公知の材料が適宜採用されうる。導電性に優れ、加工しやすく、所望の細孔分布の設計が容易であるという観点からは、細孔を有する導電材料は炭素材料であることが好ましい。
(Conductive material)
The positive electrode material according to this embodiment essentially contains a conductive material having pores. The specific form of the conductive material contained in the positive electrode material according to the present embodiment is not particularly limited as long as it is a conductive material having pores and has a predetermined pore volume profile described later. A conventionally known material can be appropriately adopted. The conductive material having pores is preferably a carbon material from the viewpoints of excellent conductivity, ease of processing, and ease of designing a desired pore distribution.
細孔を有する炭素材料としては、例えば、活性炭、ケッチェンブラック(登録商標)(高導電性カーボンブラック)、(オイル)ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、ランプブラック等のカーボンブラック、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子(カーボン担体)が挙げられる。なお、炭素材料は、その主成分がカーボンであることが好ましい。ここで、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。「実質的に炭素原子からなる」とは、2~3質量%程度以下の不純物の混入が許容されうることを意味する。 Examples of carbon materials having pores include activated carbon, Ketjenblack (registered trademark) (highly conductive carbon black), (oil) furnace black, channel black, acetylene black, thermal black, carbon black such as lamp black, Examples thereof include carbon particles (carbon carriers) made of coke, natural graphite, artificial graphite, and the like. In addition, it is preferable that the main component of the carbon material is carbon. Here, "mainly composed of carbon" means containing carbon atoms as the main component, and is a concept that includes both consisting only of carbon atoms and consisting essentially of carbon atoms. The phrase “substantially composed of carbon atoms” means that 2 to 3% by mass or less of impurities can be mixed.
本形態に係る正極材料においては、細孔を有する導電材料が有する前記細孔のうち、細孔径が1~4nmの範囲の細孔の細孔容積の、細孔径1~100nmの範囲の細孔(メソ孔)の細孔容積に対する百分率が20%以下である点に特徴の1つがある。この特徴は、定性的に表現すれば、細孔径が比較的小さい細孔による細孔容積の占める割合が小さいことを意味する。ここで、本明細書において、導電材料のメソ孔の細孔分布(細孔容積の値)は、BJH法を用いて取得したものを採用する。「BJH法」は「Barrett-Joyner-Halendaの方法」の略称であり、メソ孔(細孔径1~100nm)の細孔分布を求める方法である。全吸着量は多層吸着量と毛管凝縮量との和で表される。このうち毛管凝縮は通常極めて小さい細孔で生じる現象であるが、細孔径の大きいメソ孔領域では多層吸着層が完了した後に残された分子間の空隙に対して毛管凝縮が起こると考え、毛管凝縮が生じる時点の多分子吸着層の厚みからメソ孔の細孔分布を解析するものである。なお、BJH法の詳細は、E.P.Barrett,L.G.Joyner and P.P.Halenda,J.Am.chem.Soc.,73,373(1951)に記載されている。なお、内部抵抗の低減効果がよりいっそう発揮されるという観点から、上記百分率の値は、好ましくは18%以下であり、より好ましくは15%以下であり、さらに好ましくは12%以下であり、特に好ましくは9%である。一方、上記百分率の下限値について特に制限はないが、例えば3%以上である。
In the positive electrode material according to the present embodiment, among the pores possessed by the conductive material having pores, the pores having a pore diameter in the range of 1 to 100 nm are included in the pore volume of the pores having a pore diameter in the range of 1 to 4 nm. One of the characteristics is that the ratio of (mesopores) to the pore volume is 20% or less. This feature, expressed qualitatively, means that the proportion of the pore volume occupied by pores with relatively small pore diameters is small. Here, in the present specification, the pore size distribution (value of pore volume) of mesopores of the conductive material is obtained by using the BJH method. "BJH method" is an abbreviation of "Barrett-Joyner-Halenda method", and is a method for determining the pore size distribution of mesopores (pore
細孔を有する導電材料(好ましくは、炭素材料)のBET比表面積は、200m2/g以上であることが好ましく、500m2/g以上であることがより好ましく、800m2/g以上であることがさらに好ましく、1200m2/g以上であることが特に好ましく、1500m2/g以上であることが最も好ましい。また、細孔を有する導電材料(好ましくは、炭素材料)の全細孔容積は、1.0mL/g以上であることが好ましく、1.3mL/g以上であることがより好ましく、1.5mL/g以上であることがさらに好ましい。導電材料のBET比表面積および全細孔容積がこのような範囲内の値であれば、十分な量の細孔を保持することができ、ひいては十分な量の正極活物質を保持することが可能となる。なお、導電材料のBET比表面積および全細孔容積の値については、窒素吸脱着測定により測定が可能である。この窒素吸脱着測定は、マイクロトラック・ベル株式会社製BELSORP miniを用いて行い、-196℃の温度で、多点法で行う。0.01<P/P0<0.05の相対圧の範囲での吸着等温線よりBET比表面積を求める。また、細孔容積については、0.96の相対圧における吸着N2の容積より求める。 The BET specific surface area of the conductive material (preferably carbon material) having pores is preferably 200 m 2 /g or more, more preferably 500 m 2 /g or more, and 800 m 2 /g or more. is more preferable, 1200 m 2 /g or more is particularly preferable, and 1500 m 2 /g or more is most preferable. In addition, the total pore volume of the conductive material (preferably carbon material) having pores is preferably 1.0 mL/g or more, more preferably 1.3 mL/g or more, and 1.5 mL. /g or more is more preferable. If the BET specific surface area and the total pore volume of the conductive material are values within such ranges, a sufficient amount of pores can be retained, and a sufficient amount of the positive electrode active material can be retained. becomes. The BET specific surface area and total pore volume of the conductive material can be measured by nitrogen adsorption/desorption measurement. This nitrogen adsorption/desorption measurement is performed using BELSORP mini manufactured by Microtrac Bell Co., Ltd. at a temperature of -196°C by a multipoint method. The BET specific surface area is obtained from the adsorption isotherm in the relative pressure range of 0.01<P/P 0 <0.05. Also, the pore volume is determined from the volume of adsorbed N2 at a relative pressure of 0.96.
導電材料の平均細孔径は、特に限定されないが、50nm以下であることが好ましく、30nm以下であることが特に好ましい。導電材料の平均細孔径がこれらの範囲内の値であれば、細孔の内部に配置された硫黄を含む正極活物質のうち細孔壁から離れた位置に存在する活物質まで十分に電子を供給することができる。なお、導電材料の平均細孔径の値は、BET比表面積および細孔容積の値を求める場合と同様に、窒素吸脱着測定により算出することができる。 Although the average pore diameter of the conductive material is not particularly limited, it is preferably 50 nm or less, particularly preferably 30 nm or less. If the average pore diameter of the conductive material is a value within these ranges, electrons can be transferred sufficiently to the active material located away from the pore walls in the positive electrode active material containing sulfur arranged inside the pores. can supply. The value of the average pore diameter of the conductive material can be calculated by nitrogen adsorption/desorption measurement in the same manner as the values of the BET specific surface area and pore volume.
導電材料が粒子状である場合の平均粒子径(一次粒子径)は、特に限定されるものではないが、0.05~50μmであることが好ましく、0.1~20μmであることがより好ましく、0.5~10μmであることがさらに好ましい。なお、「導電材料の粒子径」の定義および「導電材料の平均粒子径」の測定方法としては、導電助剤について上記で説明したものが同様に採用される。 The average particle size (primary particle size) when the conductive material is particulate is not particularly limited, but is preferably 0.05 to 50 μm, more preferably 0.1 to 20 μm. , 0.5 to 10 μm. As for the definition of the "particle size of the conductive material" and the method for measuring the "average particle size of the conductive material", the same method as described above for the conductive aid is employed.
本形態に係る正極材料は、上述したように、細孔を有する導電材料と、固体電解質と、硫黄を含む正極活物質とを含むものであるが、少なくとも一部の固体電解質と少なくとも一部の正極活物質とが、互いに接するように上記導電材料の細孔の内部表面に配置されている点に特徴がある。 As described above, the positive electrode material according to the present embodiment includes a conductive material having pores, a solid electrolyte, and a sulfur-containing positive electrode active material. and substances are arranged on the inner surfaces of the pores of the conductive material so as to be in contact with each other.
図3Aは、先行技術における正極材料100’の断面模式図である。また、図3Bは、本発明の一実施形態に係る正極材料100の断面模式図である。図3Aおよび図3Bにおいて、導電材料である炭素材料(例えば、活性炭)110は多数の細孔110aを有している。そして、この細孔110aの内部には、正極活物質である硫黄120が充填配置されている。この正極活物質(硫黄)120は、炭素材料(活性炭)110の表面にも配置されている。ここで、図3Aに示す先行技術に係る正極材料100’において、固体電解質(例えば、硫化物固体電解質であるLi6PS5Cl)130は、炭素材料(活性炭)110の表面のみに配置されている。これに対し、図3Bに示す本発明の一実施形態に係る正極材料100において、固体電解質(例えば、硫化物固体電解質であるLi6PS5Cl)130は、炭素材料(多孔質炭素)110の表面だけではなく、炭素材料(多孔質炭素)110の細孔の内部表面にも配置されている。より詳細には、正極活物質(硫黄)120からなる連続相が細孔110aの内部に充填されており、固体電解質130が前記連続相中に分散相として配置されている。これにより、細孔の内部表面に配置された固体電解質の少なくとも一部と、同様に細孔の内部に配置された正極活物質(硫黄)の少なくとも一部とが互いに接している。また、導電材料が有する細孔のうち、細孔径が1~4nmの範囲の細孔の細孔容積の、細孔径1~100nmの範囲の細孔の細孔容積に対する百分率は20%以下に制御されている。ここで、導電材料の細孔の内部に正極活物質や固体電解質が配置されているか否かの確認は、従来公知の種々の手法を用いて行うことが可能である。例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)による導電材料の断面の観察画像について、エネルギー分散型X線分光法(EDX)を用いて各材料由来の元素マッピングを行い、得られた元素マップや全元素のカウント数に対する各材料由来の元素のカウント数を指標として、各材料の配置形態を確認することが可能である。例えば、固体電解質がリン原子および/またはホウ素原子を含むものである場合に、当該リン原子および/またはホウ素原子が他の材料に由来する可能性がないのであれば、リンおよび/またはホウ素についての上記元素マップを取得し、その分布から固体電解質の配置形態を確認することが可能である。また、EDXにおける全元素のカウント数に対するリンおよび/またはホウ素のカウント数の比の値から、固体電解質の配置形態を確認することも可能である。なお、EDXにおいて固体電解質のみに由来する元素のカウント数を指標として固体電解質の配置形態を確認する場合には、EDXにおける全元素のカウント数に対する固体電解質のみに由来する元素のカウント数の比の値が0.10以上であれば、固体電解質が導電材料の細孔の内部に配置されていると判断することができる。また、当該比の値は、好ましくは0.15以上であり、より好ましくは0.20以上であり、さらに好ましくは0.26以上であり、特に好ましくは0.35以上である。この値は大きいほどより多くの固体電解質が導電材料の細孔の内部表面に配置されていることを意味するため、当該比の値がこれらの範囲内の値であると、本発明の作用効果がよりいっそう顕著に発現しうる。なお、当該比の値の好ましい上限値については特に制限はないが、好ましい上限値の一例としては0.50以下であり、より好ましくは0.45以下である。
FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of a cathode material 100' in the prior art. Moreover, FIG. 3B is a cross-sectional schematic diagram of the
上記のような構成を有する本形態に係る正極材料によれば、硫黄を含む正極活物質を用いた全固体リチウム二次電池等の電気デバイスにおいて、当該電気デバイスの内部抵抗をよりいっそう低減させることが可能となる。本形態に係る構成とすることによりこのような優れた効果が奏されるメカニズムについては完全には明らかとはなっていないが、以下のようなメカニズムが推定されている。すなわち、硫黄を含む正極活物質において充放電反応が進行するためには、当該正極活物質の表面における電子およびリチウムイオン等の電荷キャリアの出入りがスムーズに進行する必要がある。ここで、図3Aに示す正極材料100’のように炭素材料110等の導電材料の細孔110aの内部に正極活物質(硫黄)120が保持されている場合、細孔110aの奥深くに位置する正極活物質(硫黄)120の表面では、導電材料を介して電子の出入りはある程度スムーズに進行しうる。しかしながら、細孔110aの内部に固体電解質130は配置されていないことから、細孔110aの奥深くに位置する正極活物質(硫黄)120の表面では、リチウムイオン等の電荷キャリアの出入りがスムーズに進行しない。その結果、細孔110aの奥深くに位置する正極活物質(硫黄)120においては充放電反応が十分に進行せず、内部抵抗の上昇や充放電レート特性の低下といった問題が生じる。
According to the positive electrode material according to the present embodiment having the above configuration, in an electrical device such as an all-solid lithium secondary battery using a positive electrode active material containing sulfur, the internal resistance of the electrical device can be further reduced. becomes possible. Although the mechanism by which such excellent effects are exhibited by the configuration according to the present embodiment is not completely clear, the following mechanism is presumed. That is, in order for the charge-discharge reaction to proceed in the positive electrode active material containing sulfur, it is necessary that electrons and charge carriers such as lithium ions enter and leave the surface of the positive electrode active material smoothly. Here, when the positive electrode active material (sulfur) 120 is held inside the
また、正極材料を構成する導電材料が有する細孔のうち、細孔径が1~4nmの範囲の細孔の細孔容積の、細孔径1~100nmの範囲の細孔の細孔容積に対する百分率が20%を超える場合には、細孔径が比較的小さい細孔の割合が大きくなる。ここで、硫黄を含む正極活物質は分子サイズも1nm未満程度と小さいことから導電材料(炭素材料)の細孔の内部にまで侵入して担持されうる。これに対し、固体電解質の単分子のサイズは約2nmと大きく、また製造方法によっては溶媒和されてサイズがさらに大きくなっていることも考えられる。そうすると、固体電解質は細孔径が数nm程度の細孔の内部へと侵入することができない。その結果、やはり充放電反応が十分に進行せず、内部抵抗の上昇や充放電レート特性の低下といった問題が生じると考えられる。 Further, among the pores of the conductive material constituting the positive electrode material, the pore volume of the pores having a pore diameter in the range of 1 to 4 nm is the percentage of the pore volume of the pores having a pore diameter in the range of 1 to 100 nm. If it exceeds 20%, the ratio of pores with relatively small pore diameters increases. Here, since the positive electrode active material containing sulfur has a small molecular size of less than 1 nm, it can penetrate into the pores of the conductive material (carbon material) and be supported. On the other hand, the size of a single molecule of a solid electrolyte is as large as about 2 nm, and depending on the manufacturing method, it may be solvated to further increase the size. As a result, the solid electrolyte cannot penetrate into pores having a pore diameter of about several nanometers. As a result, the charge/discharge reaction does not proceed sufficiently, and problems such as an increase in internal resistance and a decrease in charge/discharge rate characteristics are considered to occur.
これに対し、図3Bに示す正極材料100のように、導電材料が有する細孔のうち、細孔径が1~4nmの範囲の細孔の細孔容積の、細孔径1~100nmの範囲の細孔の細孔容積に対する百分率は20%以下に制御され、かつ、炭素材料110等の導電材料の細孔110aの内部表面に正極活物質(硫黄)120とともに固体電解質130が保持されている場合、細孔110aの奥深くに位置する正極活物質(硫黄)120の表面では、導電材料を介した電子の出入りだけではなく、固体電解質130を介した電荷キャリアの出入りもスムーズに進行しうる。その結果、細孔110aの奥深くに位置する正極活物質(硫黄)120の周囲においても、当該正極活物質、導電材料および固体電解質が共存する三相界面が十分に形成されて充放電反応が十分に進行しうる。その結果、電池の内部抵抗が十分に低減されて、充放電レート特性が大幅に改善するものと考えられる。
On the other hand, as in the
上記のような構成を有する本形態に係る正極材料の製造方法については特に制限されないが、製造方法の一例について簡単に説明する。後述する実施例の欄に記載されているように、まず、従来公知の手法を用いて、本願所定の細孔容積プロファイルを満たす導電材料を準備する。ここで、このような導電材料を得る方法について、当該導電材料が炭素材料である場合を例に挙げて説明すると、まず、セラミックスなどの鋳型と樹脂などの炭素原料とを混合し、不活性雰囲気下で焼成する。その後、酸で鋳型を溶かすことによって鋳型の形状が転写された多孔質構造を有する炭素材料(導電材料)が得られる。この際、鋳型の粒子径や炭素原料の配合比を適切に調整することにより、得られる炭素材料の細孔径や細孔容積を変化させることができる。 Although the manufacturing method of the positive electrode material according to the present embodiment having the above configuration is not particularly limited, an example of the manufacturing method will be briefly described. As described in the section of Examples described later, first, a conductive material that satisfies the predetermined pore volume profile of the present application is prepared using a conventionally known method. Here, the method for obtaining such a conductive material will be described by taking as an example the case where the conductive material is a carbon material. Bake below. After that, by dissolving the template with acid, a carbon material (conductive material) having a porous structure in which the shape of the template is transferred is obtained. At this time, the pore diameter and pore volume of the obtained carbon material can be changed by appropriately adjusting the particle size of the template and the blending ratio of the carbon raw material.
次いで、固体電解質を有機溶媒に溶解させた溶液を調製し、そこへ導電材料を分散させて分散液を得る。その後、溶媒を除去した後に150~250℃程度の温度で1~5時間程度の熱処理を施す。これにより、導電材料の細孔の内部に固体電解質が含浸した導電材料が得られる。続いて、得られた導電材料を正極活物質とともに乾式で混合し、さらに上記と同様の条件で熱処理を施す。これにより、正極活物質が溶融して導電材料の細孔の内部に浸透し、導電材料の細孔の内部に固体電解質とともに正極活物質が配置(充填)された複合材料が得られる。このようにして得られた複合材料をそのまま正極材料として用いてもよいが、当該複合材料に対してさらに固体電解質を追加して混合し、必要に応じてボールミル等の装置で処理して、正極材料を得ることが好ましい。 Next, a solution is prepared by dissolving the solid electrolyte in an organic solvent, and the conductive material is dispersed therein to obtain a dispersion. Then, after removing the solvent, heat treatment is performed at a temperature of about 150 to 250° C. for about 1 to 5 hours. As a result, a conductive material is obtained in which the pores of the conductive material are impregnated with the solid electrolyte. Subsequently, the resulting conductive material is dry-mixed with the positive electrode active material, and heat-treated under the same conditions as above. As a result, the positive electrode active material melts and permeates into the pores of the conductive material to obtain a composite material in which the solid electrolyte and the positive electrode active material are arranged (filled) inside the pores of the conductive material. The composite material thus obtained may be used as it is as a positive electrode material, but a solid electrolyte is further added to the composite material and mixed, and if necessary, treated with an apparatus such as a ball mill to obtain a positive electrode. It is preferable to obtain material.
正極活物質層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、35~99質量%の範囲内であることが好ましく、40~90質量%の範囲内であることがより好ましい。なお、この含有量の値は、導電材料および固体電解質を除く正極活物質のみの質量を基準に算出するものとする。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is not particularly limited. more preferred. Note that this content value is calculated based on the mass of only the positive electrode active material, excluding the conductive material and the solid electrolyte.
また、正極活物質層は、導電助剤(正極活物質や固体電解質を細孔内部に保持していないもの)および/またはバインダをさらに含んでもよく、これらの具体的な形態および好ましい形態については、上述した負極活物質層の欄において説明したものが同様に採用されうる。同様に、正極活物質層は固体電解質をさらに含むことが好ましく、硫化物固体電解質をさらに含むことが特に好ましい。硫化物固体電解質などの固体電解質の具体的な形態および好ましい形態についても、上述した負極活物質層の欄において説明したものが同様に採用されうる。 In addition, the positive electrode active material layer may further contain a conductive aid (a material that does not retain the positive electrode active material or solid electrolyte inside the pores) and/or a binder. , those described in the column of the negative electrode active material layer described above can be similarly employed. Similarly, the positive electrode active material layer preferably further contains a solid electrolyte, particularly preferably a sulfide solid electrolyte. As for the specific form and preferred form of the solid electrolyte such as the sulfide solid electrolyte, those described in the section of the negative electrode active material layer can be similarly adopted.
[正極集電板および負極集電板]
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板27と負極集電板25とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
[Positive collector plate and negative collector plate]
The material constituting the current collectors (25, 27) is not particularly limited, and known highly conductive materials conventionally used as current collectors for secondary batteries can be used. Metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable as the constituent material of the current collector plate. From the viewpoint of light weight, corrosion resistance and high conductivity, aluminum and copper are more preferred, and aluminum is particularly preferred. The same material or different materials may be used for the positive
[正極リードおよび負極リード]
また、図示は省略するが、集電体と集電板との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウム二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
[Positive lead and negative lead]
Also, although not shown, the current collector and the current collector plate may be electrically connected via a positive lead or a negative lead. Materials used in known lithium secondary batteries can also be employed as the constituent materials of the positive and negative electrode leads. In addition, the parts taken out from the exterior should be heat-shrunk with heat-resistant insulation so that they do not come into contact with peripheral equipment or wiring and cause electric leakage and affect the product (for example, automobile parts, especially electronic equipment, etc.). Covering with a tube or the like is preferred.
[電池外装材]
電池外装材としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、図1および図2に示すように発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルム29を用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができることから、外装体はアルミニウムを含むラミネートフィルムがより好ましい。
[Battery exterior material]
As the battery exterior material, a known metal can case can be used, and as shown in FIGS. 1 and 2, a bag-like case using a
本形態に係る積層型電池は、複数の単電池層が並列に接続された構成を有することにより、高容量でサイクル耐久性に優れるものである。したがって、本形態に係る積層型電池は、EV、HEVの駆動用電源として好適に使用される。 The stacked battery according to this embodiment has a structure in which a plurality of single cell layers are connected in parallel, so that it has a high capacity and excellent cycle durability. Therefore, the stacked battery according to this embodiment is suitably used as a power source for driving EVs and HEVs.
以上、リチウム二次電池の一実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態において説明した構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。 Although one embodiment of the lithium secondary battery has been described above, the present invention is not limited to the configuration described in the above embodiment, and can be appropriately modified based on the description of the claims. is.
例えば、本形態に係るリチウム二次電池が適用される電池の種類として、集電体の一方の面に電気的に結合した正極活物質層と、集電体の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層とを有する双極型電極を含む、双極型(バイポーラ型)の電池も挙げられる。 For example, as a type of battery to which the lithium secondary battery according to the present embodiment is applied, a positive electrode active material layer electrically coupled to one surface of the current collector and a positive electrode active material layer electrically coupled to the opposite surface of the current collector. Also included are bipolar batteries that include a bipolar electrode having an attached negative electrode active material layer.
また、本形態に係る二次電池は、全固体型でなくてもよい。すなわち、固体電解質層は、従来公知の液体電解質(電解液)をさらに含有していてもよい。固体電解質層に含まれうる液体電解質(電解液)の量について特に制限はないが、固体電解質により形成された固体電解質層の形状が保持され、液体電解質(電解液)の液漏れが生じない程度の量であることが好ましい。 Further, the secondary battery according to this embodiment does not have to be an all-solid-state battery. That is, the solid electrolyte layer may further contain a conventionally known liquid electrolyte (electrolytic solution). The amount of the liquid electrolyte (electrolyte solution) that can be contained in the solid electrolyte layer is not particularly limited, but the amount is such that the shape of the solid electrolyte layer formed by the solid electrolyte is maintained and the liquid electrolyte (electrolyte solution) does not leak. is preferably the amount of
用いられうる液体電解質(電解液)は、有機溶媒にリチウム塩が溶解した形態を有する。用いられる有機溶媒としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、プロピオン酸メチル(MP)、酢酸メチル(MA)、ギ酸メチル(MF)、4-メチルジオキソラン(4MeDOL)、ジオキソラン(DOL)、2-メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメトキシエタン(DME)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、およびγ-ブチロラクトン(GBL)などが挙げられる。中でも、有機溶媒は、急速充電特性および出力特性をより向上できるとの観点から、好ましくは鎖状カーボネートであり、より好ましくはジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)からなる群から選択される少なくとも1種であり、より好ましくはエチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)から選択される。 A liquid electrolyte (electrolytic solution) that can be used has a form in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent. Examples of organic solvents used include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propionate (MP), methyl acetate (MA), and methyl formate. (MF), 4-methyldioxolane (4MeDOL), dioxolane (DOL), 2-methyltetrahydrofuran (2MeTHF), tetrahydrofuran (THF), dimethoxyethane (DME), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl sulfoxide (DMSO), and γ-butyrolactone (GBL). Among them, the organic solvent is preferably a chain carbonate, more preferably diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC), from the viewpoint that the rapid charging characteristics and output characteristics can be further improved. It is at least one selected from the group consisting of, more preferably selected from ethyl methyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC).
リチウム塩としては、Li(FSO2)2N(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド;LiFSI)、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等が挙げられる。中でも、リチウム塩は、電池出力および充放電サイクル特性の観点から、好ましくはLi(FSO2)2N(LiFSI)である。 Lithium salts include Li(FSO 2 ) 2 N (lithium bis(fluorosulfonyl)imide; LiFSI), Li(C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO3 and the like. Among them, the lithium salt is preferably Li(FSO 2 ) 2 N (LiFSI) from the viewpoint of battery output and charge/discharge cycle characteristics.
液体電解質(電解液)は、上述した成分以外の添加剤をさらに含有してもよい。かような化合物の具体例としては、例えば、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、フェニルビニレンカーボネート、ジフェニルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、1,2-ジビニルエチレンカーボネート、1-メチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-メチル-2-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-2-ビニルエチレンカーボネート、ビニルビニレンカーボネート、アリルエチレンカーボネート、ビニルオキシメチルエチレンカーボネート、アリルオキシメチルエチレンカーボネート、アクリルオキシメチルエチレンカーボネート、メタクリルオキシメチルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、プロパルギルエチレンカーボネート、エチニルオキシメチルエチレンカーボネート、プロパルギルオキシエチレンカーボネート、メチレンエチレンカーボネート、1,1-ジメチル-2-メチレンエチレンカーボネートなどが挙げられる。これらの添加剤は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、添加剤を電解液に使用する場合の使用量は、適宜調整することができる。 The liquid electrolyte (electrolytic solution) may further contain additives other than the components described above. Specific examples of such compounds include ethylene carbonate, vinylene carbonate, methylvinylene carbonate, dimethylvinylene carbonate, phenylvinylene carbonate, diphenylvinylene carbonate, ethylvinylene carbonate, diethylvinylene carbonate, vinylethylene carbonate, 1,2- Divinylethylene carbonate, 1-methyl-1-vinylethylene carbonate, 1-methyl-2-vinylethylene carbonate, 1-ethyl-1-vinylethylene carbonate, 1-ethyl-2-vinylethylene carbonate, vinyl vinylene carbonate, allyl ethylene carbonate, vinyloxymethylethylene carbonate, allyloxymethylethylene carbonate, acryloxymethylethylene carbonate, methacryloxymethylethylene carbonate, ethynylethylene carbonate, propargylethylene carbonate, ethynyloxymethylethylene carbonate, propargyloxyethylene carbonate, methyleneethylene carbonate, 1 , 1-dimethyl-2-methylene ethylene carbonate and the like. These additives may be used alone or in combination of two or more. In addition, when the additive is used in the electrolytic solution, the amount used can be appropriately adjusted.
[組電池]
組電池は、電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
[Assembled battery]
An assembled battery is an object configured by connecting a plurality of batteries. Specifically, at least two or more are used, and serialization or parallelization or both of them are used. By connecting in series and in parallel, it is possible to freely adjust the capacity and voltage.
電池が複数、直列にまたは並列に接続して装脱着可能な小型の組電池を形成することもできる。そして、この装脱着可能な小型の組電池をさらに複数、直列にまたは並列に接続して、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池(電池モジュール、電池パックなど)を形成することもできる。何個の電池を接続して組電池を作製するか、また、何段の小型組電池を積層して大容量の組電池を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。 A plurality of batteries can be connected in series or in parallel to form a small detachable assembled battery. A plurality of these detachable small battery packs are further connected in series or in parallel to form a large-capacity, large-capacity battery suitable for vehicle drive power sources and auxiliary power sources that require high volumetric energy density and high volumetric output density. It is also possible to form assembled batteries (battery modules, battery packs, etc.) with output. How many batteries are connected to make an assembled battery, and how many stages of small assembled batteries are stacked to make a large-capacity assembled battery, depends on the battery capacity of the vehicle (electric vehicle) in which it is installed. It should be decided according to the output.
[車両]
電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を車両に搭載することができる。本発明では、長期信頼性に優れた高寿命の電池を構成できることから、こうした電池を搭載するとEV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を、例えば、自動車ならばハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いることにより高寿命で信頼性の高い自動車となるからである。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、例えば、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。
[vehicle]
A battery or an assembled battery formed by combining a plurality of these batteries can be mounted on the vehicle. In the present invention, since a long-life battery with excellent long-term reliability can be configured, a plug-in hybrid electric vehicle with a long EV driving range and an electric vehicle with a long driving range per charge can be configured by mounting such a battery. Batteries or assembled batteries made by combining a plurality of these, for example, in the case of automobiles, hybrid vehicles, fuel cell vehicles, electric vehicles (all four-wheeled vehicles (commercial vehicles such as passenger cars, trucks, buses, light vehicles, etc.) , two-wheeled vehicles (motorcycles) and three-wheeled vehicles) will provide a long-lasting and highly reliable automobile. However, the application is not limited to automobiles, for example, it can be applied to various power sources for other vehicles, such as moving bodies such as trains, and power sources for installation such as uninterruptible power supplies. It can also be used as
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.
《試験用セルの作製例》
[比較例1]
(固体電解質含浸カーボンの調製)
露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、硫化物固体電解質(Ampcera社製、Li6PS5Cl)0.500gを100mLの超脱水エタノール(富士フイルム和光純薬株式会社製)に加え、溶液が透明になるまで撹拌して固体電解質をエタノールに溶解させた。得られた固体電解質エタノール溶液にカーボン(関西熱化学株式会社製、活性炭、MSC-30)1.00gを加え、よく撹拌して溶液中にカーボンを十分に分散させた。このカーボン分散液が入った容器を真空装置に接続し、マグネティックスターラーにより容器中のカーボン分散液を撹拌しながら油回転ポンプにより容器中を1Pa以下の減圧状態にした。減圧下では溶媒であるエタノールが揮発するため、時間の経過とともにエタノールが除去され、固体電解質を含浸したカーボンが容器内に残存した。このようにしてエタノールを減圧除去した後に減圧下で180℃に加熱し、3時間熱処理を行うことにより固体電解質含浸カーボンを調製した。なお、本比較例において用いたカーボンについて、E.P.Barrett,L.G.Joyner and P.P.Halenda,J.Am.chem.Soc.,73,373(1951)に記載されたBJH法に従って測定した、細孔径が1~100nmの範囲の細孔径分布のグラフを図4に示す。なお、図4の横軸はカーボンの細孔径Dp[nm]であり、縦軸は細孔容積Vp[cm3/g]である。また、細孔径が1~4nmの範囲の細孔の細孔容積の、細孔径1~100nmの範囲の細孔の細孔容積に対する百分率を算出したところ、79%であった。
<<Preparation example of test cell>>
[Comparative Example 1]
(Preparation of solid electrolyte-impregnated carbon)
In an argon atmosphere glove box with a dew point of −68° C. or lower, 0.500 g of a sulfide solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl, manufactured by Ampcera) was added to 100 mL of super-dehydrated ethanol (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). , the solid electrolyte was dissolved in ethanol by stirring until the solution became clear. 1.00 g of carbon (activated carbon, MSC-30, manufactured by Kansai Coke and Chemicals Co., Ltd.) was added to the solid electrolyte ethanol solution thus obtained, and the mixture was thoroughly stirred to sufficiently disperse the carbon in the solution. The container containing the carbon dispersion was connected to a vacuum device, and the inside of the container was evacuated to 1 Pa or less by an oil rotary pump while stirring the carbon dispersion in the container with a magnetic stirrer. Since the solvent ethanol volatilized under reduced pressure, the ethanol was removed over time, and the carbon impregnated with the solid electrolyte remained in the container. After the ethanol was removed under reduced pressure in this way, the solid electrolyte-impregnated carbon was prepared by heating to 180° C. under reduced pressure and performing heat treatment for 3 hours. Regarding the carbon used in this comparative example, E.I. P. Barrett, L.; G. Joyner andP. P. Halenda, J.; Am. chem. Soc. , 73, 373 (1951). The horizontal axis of FIG. 4 is the carbon pore diameter Dp [nm], and the vertical axis is the pore volume Vp [cm 3 /g]. Further, when the percentage of the pore volume of pores with a pore diameter in the range of 1 to 4 nm to the pore volume of pores in the pore diameter range of 1 to 100 nm was calculated, it was 79%.
(硫黄の熱含浸による硫黄/固体電解質/カーボン複合材の調製)
露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、上記で調製した固体電解質含浸カーボン0.750gに硫黄(Aldrich社製)2.50gを加えてメノウ乳鉢で十分に混合した後、混合粉末を密閉耐圧オートクレーブ容器に入れて170℃で3時間加熱することにより硫黄を溶融させて、硫黄を固体電解質含浸カーボンに含浸させた。これにより硫黄/固体電解質/カーボン複合材を調製した。
(Preparation of Sulfur/Solid Electrolyte/Carbon Composites by Thermal Impregnation of Sulfur)
In an argon atmosphere glove box with a dew point of -68 ° C. or less, 2.50 g of sulfur (manufactured by Aldrich) was added to 0.750 g of the solid electrolyte-impregnated carbon prepared above and mixed thoroughly with an agate mortar. The mixture was placed in a sealed pressure-resistant autoclave container and heated at 170° C. for 3 hours to melt sulfur and impregnate the solid electrolyte-impregnated carbon with sulfur. A sulfur/solid electrolyte/carbon composite material was thus prepared.
(硫黄含有正極材料の調製)
露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、5mm径のジルコニアボール40gと、上記で調製した硫黄/固体電解質含浸カーボン0.130gと、固体電解質(Ampcera社製、Li6PS5Cl)0.070gとを容量45mLのジルコニア製容器に入れ、遊星ボールミル(フリッチュ社製、Premium line P-7)により370rpmで6時間処理することにより、硫黄含有正極材料の粉末を得た。硫黄含有正極材料の組成は硫黄:固体電解質:カーボン=50:40:10とした。
(Preparation of sulfur-containing positive electrode material)
In an argon atmosphere glove box with a dew point of −68° C. or less, 40 g of 5 mm diameter zirconia balls, 0.130 g of the sulfur/solid electrolyte-impregnated carbon prepared above, and 0.070 g of a solid electrolyte (manufactured by Ampcera, Li6PS5Cl). was placed in a zirconia container with a capacity of 45 mL and treated with a planetary ball mill (Premium line P-7 manufactured by Fritsch) at 370 rpm for 6 hours to obtain a sulfur-containing positive electrode material powder. The composition of the sulfur-containing positive electrode material was sulfur:solid electrolyte:carbon=50:40:10.
なお、上記で得られた硫黄含有正極材料の粉末を構成する導電材料(カーボン)の細孔の内部に含まれる固体電解質の含有量をEDXマッピングによって定量することにより、正極活物質である硫黄とともに固体電解質が導電材料(カーボン)の細孔の内部に配置されていることを確認した。 In addition, by quantifying the content of the solid electrolyte contained inside the pores of the conductive material (carbon) that constitutes the powder of the sulfur-containing positive electrode material obtained above by EDX mapping, together with sulfur as the positive electrode active material It was confirmed that the solid electrolyte was placed inside the pores of the conductive material (carbon).
(試験用セル(全固体リチウム二次電池)の作製)
電池の作製は、露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。
(Preparation of test cell (all-solid lithium secondary battery))
The battery was fabricated in a glove box in an argon atmosphere with a dew point of −68° C. or lower.
マコール製の円筒チューブ治具(管内径10mm、外径23mm、高さ20mm)の片側にSUS製の円筒凸型パンチ(10mm径)を挿し入れ、円筒チューブ治具の上側から硫化物固体電解質(Ampcera社製、Li6PS5Cl)80mgを入れた。その後、もう1つのSUS製円筒凸型パンチを挿し入れて固体電解質を挟み込み、油圧プレスを用いて75MPaの圧力で3分間プレスすることにより直径10mm、厚さ約0.6mmの固体電解質層を円筒チューブ治具中に形成した。次に、上側から挿し入れた円筒凸型パンチを一旦抜き取り、円筒チューブ内の固体電解質層の片側面に上記で調製した硫黄含有正極合剤7.5mgを入れ、再び上側から円筒凸型パンチ(正極集電体を兼ねる)を挿し入れ、300MPaの圧力で3分間プレスすることで、直径10mm、厚さ約0.06mmの正極活物質層を固体電解質層の片側面に形成した。次に、下側の円筒凸型パンチ(負極集電体を兼ねる)を抜き取り、負極として直径8mmに打ち抜いたリチウム箔(ニラコ社製、厚さ0.20mm)と直径9mmに打ち抜いたインジウム箔(ニラコ社製、厚さ0.30mm)を重ねて、インジウム箔が固体電解質層の側に位置するように円筒チューブ治具の下側から入れて、再び円筒凸型パンチを挿し入れ、75MPaの圧力で3分間プレスすることでリチウム-インジウム負極を形成した。 A SUS cylindrical convex punch (diameter of 10 mm) was inserted into one side of a Macor cylindrical tube jig (inner diameter: 10 mm, outer diameter: 23 mm, height: 20 mm), and a sulfide solid electrolyte ( 80 mg of Li 6 PS 5 Cl (manufactured by Ampcera) was added. After that, another SUS cylindrical convex punch is inserted to sandwich the solid electrolyte, and a solid electrolyte layer having a diameter of 10 mm and a thickness of about 0.6 mm is formed into a cylinder by pressing for 3 minutes at a pressure of 75 MPa using a hydraulic press. Formed in a tube jig. Next, the cylindrical convex punch inserted from the upper side is once extracted, 7.5 mg of the sulfur-containing positive electrode mixture prepared above is put on one side of the solid electrolyte layer in the cylindrical tube, and the cylindrical convex punch ( A positive electrode current collector) was inserted and pressed at a pressure of 300 MPa for 3 minutes to form a positive electrode active material layer with a diameter of 10 mm and a thickness of about 0.06 mm on one side of the solid electrolyte layer. Next, the lower cylindrical convex punch (which also serves as a negative electrode current collector) is extracted, and a lithium foil (manufactured by Nilaco Corporation, thickness 0.20 mm) punched to a diameter of 8 mm and an indium foil (thickness 0.20 mm manufactured by Nilaco) punched to a diameter of 9 mm are used as the negative electrode. Nilaco Co., Ltd., thickness 0.30 mm), put it from the bottom side of the cylindrical tube jig so that the indium foil is located on the solid electrolyte layer side, insert the cylindrical convex punch again, and apply a pressure of 75 MPa. A lithium-indium negative electrode was formed by pressing for 3 minutes at .
以上のようにして、負極集電体(パンチ)、リチウム-インジウム負極、固体電解質層、正極活物質層、正極集電体(パンチ)がこの順に積層された試験用セル(全固体リチウム二次電池)を作製した。 As described above, a test cell (all-solid lithium secondary) in which the negative electrode current collector (punch), the lithium-indium negative electrode, the solid electrolyte layer, the positive electrode active material layer, and the positive electrode current collector (punch) are laminated in this order battery) was produced.
[実施例1]
固体電解質含浸カーボンの調製において、カーボンとして、MSC-30に代えて、多孔質炭素粉末(東洋炭素株式会社製、クノーベル(登録商標)P(3)010)を用いたこと以外は、上述した比較例1と同様の手法により、全固体リチウム二次電池を作製した。なお、本実施例においても、正極活物質である硫黄とともに固体電解質が導電材料(カーボン)の細孔の内部に配置されていることを確認した。
[Example 1]
In the preparation of the solid electrolyte-impregnated carbon, as the carbon, instead of MSC-30, porous carbon powder (Toyo Tanso Co., Ltd., Knobel (registered trademark) P (3) 010) was used. An all-solid lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1. Also in this example, it was confirmed that the solid electrolyte was arranged inside the pores of the conductive material (carbon) together with the sulfur that was the positive electrode active material.
ここで、本実施例において用いたカーボンについて、E.P.Barrett,L.G.Joyner and P.P.Halenda,J.Am.chem.Soc.,73,373(1951)に記載されたBJH法に従って測定した、細孔径が1~100nmの範囲の細孔径分布のグラフを図4に示す。また、細孔径が1~4nmの範囲の細孔の細孔容積の、細孔径1~100nmの範囲の細孔の細孔容積に対する百分率を算出したところ、9%であった。 Here, regarding the carbon used in this example, E.I. P. Barrett, L.; G. Joyner andP. P. Halenda, J.; Am. chem. Soc. , 73, 373 (1951). Further, when the percentage of the pore volume of pores with a pore diameter in the range of 1 to 4 nm to the pore volume of pores in the pore diameter range of 1 to 100 nm was calculated, it was 9%.
[実施例2]
固体電解質含浸カーボンの調製において、カーボンとして、MSC-30に代えて、カーボンブラック(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製、ケッチェンブラック(登録商標)EC600JD)を用いたこと以外は、上述した比較例1と同様の手法により、全固体リチウム二次電池を作製した。なお、本実施例においても、正極活物質である硫黄とともに固体電解質が導電材料(カーボン)の細孔の内部に配置されていることを確認した。
[Example 2]
In the preparation of the solid electrolyte-impregnated carbon, carbon black (Ketjenblack (registered trademark) EC600JD manufactured by Lion Specialty Chemicals Co., Ltd.) was used as the carbon instead of MSC-30. An all-solid lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1. Also in this example, it was confirmed that the solid electrolyte was arranged inside the pores of the conductive material (carbon) together with the sulfur that was the positive electrode active material.
ここで、本実施例において用いたカーボンについて、E.P.Barrett,L.G.Joyner and P.P.Halenda,J.Am.chem.Soc.,73,373(1951)に記載されたBJH法に従って測定した、細孔径が1~100nmの範囲の細孔径分布のグラフを図4に示す。また、細孔径が1~4nmの範囲の細孔の細孔容積の、細孔径1~100nmの範囲の細孔の細孔容積に対する百分率を算出したところ、20%であった。 Here, regarding the carbon used in this example, E.I. P. Barrett, L.; G. Joyner andP. P. Halenda, J.; Am. chem. Soc. , 73, 373 (1951). Further, when the percentage of the pore volume of pores with a pore diameter in the range of 1 to 4 nm to the pore volume of pores in the pore diameter range of 1 to 100 nm was calculated, it was 20%.
《試験用セルの評価例》
上記の各比較例および各実施例で作製した試験用セルについて、下記の手法により内部抵抗値の測定を行った。なお、以下の測定はすべて、充放電試験装置(北斗電工株式会社製、HJ-SD8)を用い、25℃に設定した定温恒温槽中で行った。
<<Evaluation example of test cell>>
The internal resistance values of the test cells produced in each of the above Comparative Examples and Examples were measured by the following method. All of the following measurements were performed using a charge/discharge tester (HJ-SD8, manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.) in a constant temperature bath set at 25°C.
(内部抵抗の測定)
恒温槽内に試験用セルを設置し、セル温度が一定になった後、セルコンディショニングとして、0.2mA/cm2の電流密度でセル電圧0.5Vまで定電流放電を行い、それに続いて同じ電流密度で2.5V定電流定電圧充電をカットオフ電流0.01mA/cm2に設定して行った。このコンディショニング充放電サイクルを10回繰り返した後に得られた充放電容量の値と、正極に含まれる正極活物質の質量とから正極活物質の質量あたりの容量値(mAh/g)を算出した。次いで、このようにして算出した容量値100%に対して50%の容量(SOC50%)まで0.2mA/cm2の電流密度で定電流放電を行った。30分間休止した後、1Cの放電レートで10秒間放電を行い、その際の電圧低下量と電流値とから、オームの法則に従って直流抵抗値(DCR)を算出し、試験用セルの内部抵抗値とした。結果を下記の表1に示す。なお、表1に示す内部抵抗値(DCR)は、比較例1における値を1としたときの相対値である。
(Measurement of internal resistance)
After the test cell was placed in a constant temperature bath and the cell temperature became constant, constant current discharge was performed at a current density of 0.2 mA/cm 2 to a cell voltage of 0.5 V as cell conditioning. A constant current constant voltage charge of 2.5 V was performed at a current density of 0.01 mA/cm 2 with a cutoff current set. The capacity value per mass of the positive electrode active material (mAh/g) was calculated from the value of the charge/discharge capacity obtained after repeating this conditioning charge/
表1に示す結果から、本発明によれば、硫黄を含む正極活物質を用いた全固体リチウム二次電池において、内部抵抗がよりいっそう低減されうることがわかる。また、実施例1と実施例2との間で正極の内部抵抗値を比較したところ、上記百分率(Vp1-4nm/Vp@1-100nm)の値がより小さい実施例1の内部抵抗値は、実施例2の約80%程度まで低減されていた。このことから、本発明においては、上記百分率(Vp1-4nm/Vp@1-100nm)の値は小さいほど内部抵抗の低減の観点からは好ましいものと考えられる。 From the results shown in Table 1, it can be seen that according to the present invention, the internal resistance can be further reduced in the all-solid lithium secondary battery using the positive electrode active material containing sulfur. In addition, when the internal resistance value of the positive electrode was compared between Example 1 and Example 2, the internal resistance value of Example 1, in which the value of the above percentage (Vp1-4 nm/Vp@1-100 nm) was smaller, was It was reduced to about 80% of Example 2. Therefore, in the present invention, the smaller the value of the above percentage (Vp1-4 nm/Vp@1-100 nm), the better from the viewpoint of reducing the internal resistance.
10a 積層型電池、
11’ 負極集電体、
11” 正極集電体、
13 負極活物質層、
15 正極活物質層、
17 固体電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
25 負極集電板、
27 正極集電板、
29 ラミネートフィルム、
100,100’ 正極材料、
110 炭素材料(活性炭、多孔質炭素)、
110a 細孔、
120 正極活物質(硫黄)、
130 固体電解質。
10a laminated battery,
11' negative electrode current collector,
11″ cathode current collector,
13 negative electrode active material layer,
15 positive electrode active material layer,
17 solid electrolyte layer,
19 cell layer,
21 power generation elements,
25 negative electrode current collector,
27 positive current collector,
29 laminate film,
100, 100' cathode material,
110 carbon materials (activated carbon, porous carbon),
110a pores,
120 positive electrode active material (sulfur),
130 solid electrolyte.
Claims (13)
前記固体電解質の少なくとも一部と前記正極活物質の少なくとも一部とが、互いに接するように前記細孔の内部表面に配置されており、かつ、
前記細孔のうち、細孔径が1~4nmの範囲の細孔の細孔容積の、細孔径1~100nmの範囲の細孔の細孔容積に対する百分率が20%以下である、電気デバイス用正極材料。 Containing a conductive material having pores, a solid electrolyte, and a positive electrode active material containing sulfur,
At least part of the solid electrolyte and at least part of the positive electrode active material are arranged on the inner surface of the pores so as to be in contact with each other, and
The positive electrode for an electrical device, wherein the percentage of the pore volume of the pores having a pore diameter in the range of 1 to 4 nm to the pore volume of the pores having a pore diameter in the range of 1 to 100 nm is 20% or less. material.
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WO2024028627A1 (en) * | 2022-08-05 | 2024-02-08 | 日産自動車株式会社 | Positive electrode material and secondary battery using same |
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- 2021-01-28 JP JP2021011945A patent/JP2022115375A/en active Pending
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