JP2024026930A - Positive electrode mixture material and lithium ion battery - Google Patents

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Yu Ishihara
弘幸 樋口
Hiroyuki Higuchi
雄太 藤井
Yuta Fujii
大和 羽二生
Yamato Hanyu
展史 山口
Nobufumi Yamaguchi
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positive electrode mixture material which can increase rate characteristics of a lithium ion battery.
SOLUTION: A positive mixture material includes: a sulfide solid electrolyte; a material A having electronic conductivity with an average small hole diameter of 10 nm or smaller than 10 nm; a material B as conductive carbon for which a ratio (G/D) of an area of a G-band and an area of a D-band in Laman measurement is at least 0.6; and at least one of elemental sulfur and a discharge product of the elemental sulfur in at least a part of the small holes of the material A. A ratio [S/(A+B)] of total mass (S) of the sulfur of the elemental sulfur and the discharge product of the elemental sulfur to total mass (A+B) of the materials A and B is at least 2.5.
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Description

本発明は、正極合材及びリチウムイオン電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode composite material and a lithium ion battery.

全固体リチウムイオン電池の電気容量について、理論容量が大きいことから、硫黄を正極に用いる方法が検討されている。しかしながら、硫黄は電子伝導性及びリチウムイオン伝導性が低いため、高電流密度における放電容量が小さい(レート特性)という課題がある。 Regarding the electric capacity of all-solid-state lithium ion batteries, since the theoretical capacity is large, methods of using sulfur in the positive electrode are being considered. However, since sulfur has low electronic conductivity and low lithium ion conductivity, there is a problem that the discharge capacity at high current density is small (rate characteristic).

上記課題に対し、活性炭に硫黄を含浸させたのち、固体電解質と複合化した硫黄正極合材が検討されている(例えば、特許文献1、2参照)。また、気相成長カーボンファイバ(VGCF)のような繊維状の導電助剤と、硫黄を含む化合物を混合した正極合材が開示されている(例えば、特許文献3参照)。しかしながら、リチウムイオン電池のレート特性のさらなる向上が求められている。 To address the above-mentioned problem, a sulfur positive electrode composite material in which activated carbon is impregnated with sulfur and then composited with a solid electrolyte has been studied (see, for example, Patent Documents 1 and 2). Further, a positive electrode composite material in which a fibrous conductive additive such as vapor grown carbon fiber (VGCF) and a sulfur-containing compound are mixed is disclosed (for example, see Patent Document 3). However, there is a need for further improvement in the rate characteristics of lithium ion batteries.

特許第6243103号Patent No. 6243103 特開2020-161288号公報JP2020-161288A 特開2021-26838号公報JP2021-26838A

本発明の目的は、リチウムイオン電池のレート特性を向上できる正極合材を提供することである。 An object of the present invention is to provide a positive electrode mixture that can improve the rate characteristics of lithium ion batteries.

本発明によれば、以下の正極合材等が提供される。
1.硫化物固体電解質と、
平均細孔半径が10nm以下である電子伝導性を有する材料Aと、
ラマン測定におけるGバンドの面積とDバンドの面積の比(G/D)が0.6以上の導電性炭素である材料Bと、
前記材料Aの細孔内の少なくとも一部に存在する、単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の少なくとも一方と、を含み、
前記材料A及びBの合計質量(A+B)に対する、前記単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の硫黄の合計質量(S)の比[S/(A+B)]が、2.5以上である、正極合材。
2.前記材料Aと、前記材料Bと、前記単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の硫黄の合計質量の比(A:B:S)が、5~15:1~10:30~50である、1に記載の正極合材。
3.前記材料Aの平均細孔半径が5nm未満である、1又は2に記載の正極合材。
4.前記材料Aが多孔質炭素材料である、1~3のいずれかに記載の正極合材。
5.前記材料Bのミクロ細孔量が0.1cc/g以下である、1~4のいずれかに記載の正極合材。
6.前記材料Bが炭素繊維である、1~5のいずれかに記載の正極合材。
7.前記材料Aのラマン測定におけるGバンドの面積とDバンドの面積の比(G/D)が0.6未満である、1~6のいずれかに記載の正極合材。
8.前記材料Aと前記材料Bの合計細孔体積が1.0cc/g以上である、1~7のいずれかに記載の正極合材。
9.前記単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の硫黄の合計含有量が、前記材料Aと前記材料Bの合計質量1gに対し1.0cc以上である、1~8のいずれかに記載の正極合材。
10.前記単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の硫黄の合計含有量が、前記材料Aと前記材料Bの全細孔体積の70%以上である、1~9のいずれかに記載の正極合材。
11.1~10のいずれかに記載の正極合材を含む、リチウムイオン電池用正極。
12.11に記載のリチウムイオン電池用正極を含む、リチウムイオン電池。
13.平均細孔半径が10nm以下である電子伝導性を有する材料Aと、単体硫黄とを、前記単体硫黄の融点以上の温度で加熱して、材料A-単体硫黄複合粉末とする工程と、
前記材料A-単体硫黄複合粉末と、ラマン測定におけるGバンドの面積/Dバンドの面積が0.6以上の導電性炭素である材料Bと、硫化物固体電解質と、を混合して、正極合材とする工程を含む、正極合材の製造方法。
According to the present invention, the following positive electrode composite materials and the like are provided.
1. sulfide solid electrolyte,
An electronically conductive material A having an average pore radius of 10 nm or less;
Material B is conductive carbon with a ratio of G band area to D band area (G/D) in Raman measurement of 0.6 or more;
At least one of elemental sulfur and discharge products of elemental sulfur present in at least a portion of the pores of the material A,
A positive electrode, wherein the ratio [S/(A+B)] of the total mass (S) of the elemental sulfur and the sulfur of the discharge product of elemental sulfur to the total mass (A+B) of the materials A and B is 2.5 or more. Composite material.
2. The ratio of the total mass of the material A, the material B, the elemental sulfur and the sulfur of the discharge product of the elemental sulfur (A:B:S) is 5 to 15:1 to 10:30 to 50. The positive electrode composite material described in 1.
3. 3. The positive electrode composite material according to 1 or 2, wherein the material A has an average pore radius of less than 5 nm.
4. 4. The positive electrode composite material according to any one of 1 to 3, wherein the material A is a porous carbon material.
5. 5. The positive electrode composite material according to any one of 1 to 4, wherein the material B has a micropore amount of 0.1 cc/g or less.
6. 6. The positive electrode composite material according to any one of 1 to 5, wherein the material B is carbon fiber.
7. 7. The positive electrode composite material according to any one of 1 to 6, wherein the ratio of the area of the G band to the area of the D band (G/D) in Raman measurement of the material A is less than 0.6.
8. 8. The positive electrode composite material according to any one of 1 to 7, wherein the total pore volume of the material A and the material B is 1.0 cc/g or more.
9. The positive electrode composite material according to any one of 1 to 8, wherein the total sulfur content of the elemental sulfur and the discharge product of the elemental sulfur is 1.0 cc or more per 1 g of the total mass of the material A and the material B. .
10. 10. The positive electrode composite material according to any one of 1 to 9, wherein the total sulfur content of the elemental sulfur and the discharge product of the elemental sulfur is 70% or more of the total pore volume of the material A and the material B.
11. A positive electrode for a lithium ion battery, comprising the positive electrode composite material according to any one of items 1 to 10.
A lithium ion battery comprising the positive electrode for a lithium ion battery according to 12.11.
13. A step of heating material A having electronic conductivity with an average pore radius of 10 nm or less and elemental sulfur at a temperature equal to or higher than the melting point of the elemental sulfur to form a material A-elementary sulfur composite powder;
The material A - elemental sulfur composite powder, the material B which is conductive carbon with a G band area/D band area of 0.6 or more in Raman measurement, and a sulfide solid electrolyte are mixed, and a positive electrode is formed. A method for producing a positive electrode composite material, including a step of making it into a material.

本発明によれば、リチウムイオン電池のレート特性を向上できる正極合材を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a positive electrode composite material that can improve the rate characteristics of a lithium ion battery.

実施例1で作製した正極合材の断面のSEM像である。1 is an SEM image of a cross section of the positive electrode composite material produced in Example 1.

1.正極合材
本発明の一実施形態に係る正極合材は、硫化物固体電解質と、平均細孔半径が10nm以下である電子伝導性を有する材料Aと、ラマン測定におけるGバンドの面積とDバンドの面積の比(G/D)が0.6以上の導電性炭素である材料Bと、を含む。そして、材料Aの細孔内の少なくとも一部に存在する、単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の少なくとも一方と、を含み、かつ、材料A及びBの合計質量(A+B)に対する、単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の硫黄換算の合計質量(S)の比(S/A+B)が、2.5以上である。
1. Positive electrode composite material A positive electrode composite material according to an embodiment of the present invention includes a sulfide solid electrolyte, a material A having electron conductivity with an average pore radius of 10 nm or less, and the area of the G band and the D band in Raman measurement. Material B is conductive carbon having an area ratio (G/D) of 0.6 or more. and at least one of elemental sulfur and discharge products of elemental sulfur present in at least a part of the pores of material A, and elemental sulfur and at least one of the discharge products of elemental sulfur, and The ratio (S/A+B) of the total mass (S) of the discharge products of elemental sulfur in terms of sulfur is 2.5 or more.

本実施形態において、材料Aは単体硫黄や単体硫黄の放電生成物を保持するとともに、これらの粒径を小さく保つことで、電子及びイオンをスムーズに供給する機能を有すると推定される。一方、材料Bは高い黒鉛化度に起因する高い電子伝導性により、正極全体への電子伝導性を容易にするため、レート特性の向上に寄与すると推定される。 In this embodiment, it is presumed that material A has the function of holding elemental sulfur and discharge products of elemental sulfur and smoothly supplying electrons and ions by keeping the particle sizes of these elements small. On the other hand, material B facilitates electron conductivity to the entire positive electrode due to its high electron conductivity due to its high degree of graphitization, and is therefore presumed to contribute to improving the rate characteristics.

また、本実施形態では材料Aの細孔内の一部に存在する単体硫黄又は単体硫黄の放電生成物と、を含み、かつ、材料A及びBの合計質量(A+B)に対する、単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の硫黄換算の合計質量(S)の比(S/A+B)が、2.5以上である。本要件は、正極合材に含まれる単体硫黄の量が多いことを意味し、エネルギー密度の高い電池が得られる。 In addition, in this embodiment, elemental sulfur or a discharge product of elemental sulfur existing in a part of the pores of material A is included, and elemental sulfur and elemental sulfur are The ratio (S/A+B) of the total mass (S) of the sulfur discharge products in terms of sulfur is 2.5 or more. This requirement means that the amount of elemental sulfur contained in the positive electrode mixture is large, and a battery with high energy density can be obtained.

一実施形態において、材料Bのアスペクト比は5以上である。形状の異なる2種の材料A及びBを使用することにより、電子伝導性及びイオン伝導性を有さない硫黄に、少量の材料A及びBの添加であっても、均一に電子伝導を付与することができる。また、硫黄をリチウムイオンが供給されやすい微粒化状態に維持できるため、正極合材における硫黄の含有率を高めつつ、電池のレート特性を向上できる。 In one embodiment, the aspect ratio of material B is 5 or more. By using two types of materials A and B with different shapes, even if a small amount of materials A and B are added to sulfur, which does not have electronic conductivity or ionic conductivity, electronic conductivity can be imparted uniformly. be able to. Furthermore, since sulfur can be maintained in a finely divided state where lithium ions are easily supplied, the rate characteristics of the battery can be improved while increasing the sulfur content in the positive electrode mixture.

材料Aは細孔を有するため、単体硫黄を高度に分散させることができると推定する。一方、単体硫黄は絶縁性であるため、含有量が多いと正極内の電子移動を阻害する。材料Bのアスペクト比が大きい場合、単体硫黄の含有量が多くても、材料Aと比べて長い距離の電子移動を実現できる。以上の効果から、本実施形態の正極合材を正極に使用したリチウムイオン電池では、レート特性が向上すると推定する。
以下、本実施形態の構成部材について説明する。
Since material A has pores, it is presumed that elemental sulfur can be highly dispersed. On the other hand, since elemental sulfur is insulating, a large content inhibits electron movement within the positive electrode. When the aspect ratio of material B is large, electron transfer over a longer distance can be achieved compared to material A even if the content of elemental sulfur is large. From the above effects, it is estimated that a lithium ion battery using the positive electrode mixture of this embodiment as a positive electrode has improved rate characteristics.
The constituent members of this embodiment will be explained below.

[材料A]
材料Aは電子伝導性を有し、平均細孔半径が10nm以下である細孔を有する材料であれば特に限定されない。
一実施形態において、材料Aが有する細孔の平均細孔半径は、7nm以下であることが好ましく、5nm未満であることがより好ましく、4nm以下であることがさらに好ましい。平均細孔半径は小さい方がレート特性の向上効果は大きい傾向にある。材料Aが有する細孔の平均細孔半径の下限は特に限定しないが、通常、0.1nm以上である。
[Material A]
Material A is not particularly limited as long as it has electron conductivity and has pores with an average pore radius of 10 nm or less.
In one embodiment, the average pore radius of the pores that material A has is preferably 7 nm or less, more preferably less than 5 nm, and even more preferably 4 nm or less. The smaller the average pore radius, the greater the rate characteristic improvement effect. Although the lower limit of the average pore radius of the pores of material A is not particularly limited, it is usually 0.1 nm or more.

一実施形態において、材料Aは多孔質炭素材料が好ましい。
多孔質炭素材料の例として、ケッチェンブラック(登録商標)等のカーボンブラック、活性炭、クノーベル(登録商標)等が好ましく挙げられる。なかでも、活性炭が好ましい。これらは単独で用いてもよく、また、2種以上を併用してもよい。
In one embodiment, material A is preferably a porous carbon material.
Preferred examples of the porous carbon material include carbon black such as Ketjenblack (registered trademark), activated carbon, Knobel (registered trademark), and the like. Among these, activated carbon is preferred. These may be used alone or in combination of two or more.

一実施形態において、材料Aの細孔体積は1.0cc(mL)/g以上であることが好ましい。これにより、保持することが可能な硫黄の量が多くなり、電池のエネルギー密度の向上につながる。材料Aの細孔体積は1.5cc/g以上がより好ましく、さらに2.0cc/g以上が好ましい。電子伝導性材料Aの細孔体積は通常10cc/g以下である。 In one embodiment, the pore volume of material A is preferably 1.0 cc (mL)/g or more. This increases the amount of sulfur that can be retained, leading to an increase in the energy density of the battery. The pore volume of material A is more preferably 1.5 cc/g or more, further preferably 2.0 cc/g or more. The pore volume of the electronically conductive material A is usually 10 cc/g or less.

本発明において、平均細孔半径及び細孔体積は、Brenauer-Emmet-Telle(BET)法、BJH法(Barrett- Joyner-Halenda法)により測定することができる。
具体的に、電子伝導性材料Aを液体窒素温度下において、電子伝導性材料Aに窒素ガスを吸着して得られる窒素吸着等温線を用いて求めることができる。
測定装置としては、例えば、Quantacrome社製の比表面積・細孔分布測定装置(Autosorb-3)を用いて測定できる。
In the present invention, the average pore radius and pore volume can be measured by the Brennauer-Emmet-Telle (BET) method or the BJH method (Barrett-Joyner-Halenda method).
Specifically, it can be determined using a nitrogen adsorption isotherm obtained by adsorbing nitrogen gas to the electron conductive material A under liquid nitrogen temperature.
As a measuring device, for example, a specific surface area/pore distribution measuring device (Autosorb-3) manufactured by Quantacrome can be used.

[単体硫黄]
単体硫黄(硫黄)としては、特に限定はないが、好ましくは純度が95質量%以上であり、より好ましくは96質量%以上であり、特に好ましくは97質量%以上である。
単体硫黄の結晶系としては、α硫黄(斜方晶系)、β硫黄(単斜晶系)、γ硫黄(単斜晶系)、無定形硫黄等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、また、2種以上を併用してもよい。単体硫黄は、加熱により融液となる。
[Elementary sulfur]
Although there is no particular limitation on the elemental sulfur (sulfur), the purity is preferably 95% by mass or more, more preferably 96% by mass or more, and particularly preferably 97% by mass or more.
Examples of crystal systems of elemental sulfur include α sulfur (orthorhombic system), β sulfur (monoclinic system), γ sulfur (monoclinic system), amorphous sulfur, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Elemental sulfur becomes a melt when heated.

単体硫黄は、電池反応時には一部又は全部が放電生成物に変化する。したがって、一実施形態の正極合材(正極)内においては、単体硫黄の放電生成物が存在する。放電生成物が存在する場合は、正極合材に含まれる硫黄は、単体硫黄と放電生成物に含まれる硫黄の合計量とする。
単体硫黄の放電生成物としては、完全放電状態であるLiS及びその途中段階の多硫化リチウムとしてLi、Li、Li、Li等が挙げられる。
Part or all of elemental sulfur is converted into a discharge product during a battery reaction. Therefore, in the positive electrode mixture (positive electrode) of one embodiment, a discharge product of elemental sulfur is present. When discharge products are present, the sulfur contained in the positive electrode mixture is the total amount of elemental sulfur and sulfur contained in the discharge products.
Examples of discharge products of elemental sulfur include Li 2 S in a fully discharged state and polysulfide lithium in an intermediate stage such as Li 2 S 2 , Li 2 S 4 , Li 2 S 6 , and Li 2 S 8 .

正極合材において、単体硫黄の一部又は全部が材料Aの細孔内に含浸している。該細孔内に含浸されない単体硫黄は、材料A及びBの一部又は全体を被覆するようにして存在している。材料Aの細孔内に硫黄が含浸されているかどうかは、材料Aの粒子断面をSEM-DESやTEM-EDX等の元素マッピング可能な分析手法を用いて分析し、材料A由来の元素及び硫黄元素の重なりを評価することで確認できる。
一実施形態では、正極合材における単体硫黄の含有量が多いため、材料Aの細孔外にも単体硫黄が存在している。この場合、単体硫黄と材料Aを複合化したものは、ペレットのような塊となるが、機械的に粉砕することで粉末化することが可能である。
In the positive electrode composite material, part or all of the elemental sulfur is impregnated into the pores of material A. Elemental sulfur that is not impregnated into the pores is present so as to cover part or all of materials A and B. To determine whether the pores of material A are impregnated with sulfur, analyze the particle cross section of material A using an analysis method that allows elemental mapping such as SEM-DES or TEM-EDX, and check the elements and sulfur derived from material A. This can be confirmed by evaluating the overlap of elements.
In one embodiment, since the content of elemental sulfur in the positive electrode composite material is large, elemental sulfur also exists outside the pores of material A. In this case, the composite of elemental sulfur and material A becomes a pellet-like lump, but it can be turned into powder by mechanically crushing it.

[材料B]
材料Bは導電性炭素であり、炭素材料の黒鉛化の度合を示す、ラマン測定におけるGバンドの面積とDバンドの面積の比(G/D)が0.6以上である。
上記Gバンドの面積は、1800cm-1~1475cm-1にあるピークの面積であり、Dバンドの面積は1475cm-1~700cm-1にあるピークの面積である。Dバンドの面積は、炭素材料の欠陥部の量を示す。上記比(G/D)が0.6以上である炭素材料は、黒鉛化が進行しているため、高い電気伝導度を有することが期待できる。比(G/D)は0.7以上であることがより好ましく、1.0以上、1.5以上、さらには2.0以上であることがより好ましい。また、比(G/D)は全く欠陥のない黒鉛ではDバンドがないため無限大となるが、通常100以下であり、10以下であることが好ましい。
ラマン測定におけるGバンドの面積及びDバンドの面積は、実施例に記載の方法で測定する。
[Material B]
Material B is conductive carbon, and the ratio of the area of G band to the area of D band (G/D) in Raman measurement, which indicates the degree of graphitization of the carbon material, is 0.6 or more.
The area of the G band is the area of the peak between 1800 cm −1 and 1475 cm −1 , and the area of the D band is the area of the peak between 1475 cm −1 and 700 cm −1 . The area of the D band indicates the amount of defects in the carbon material. A carbon material having the ratio (G/D) of 0.6 or more is graphitized, and therefore can be expected to have high electrical conductivity. The ratio (G/D) is more preferably 0.7 or more, more preferably 1.0 or more, 1.5 or more, and even more preferably 2.0 or more. In addition, the ratio (G/D) is infinite since there is no D band in completely defect-free graphite, but it is usually 100 or less, and preferably 10 or less.
The area of G band and the area of D band in Raman measurement are measured by the method described in Examples.

一実施形態において、材料Aのラマン測定における比(G/D)は0.6未満であり、0.55未満が好ましい。0.6未満であることは、材料Aが適度な欠陥構造を有することを意味し、欠陥部を通した材料内のLiイオン伝導が期待できる。また、欠陥部等から硫黄が含浸されやすくなることも期待できる。
例えば、ダイヤモンド等の黒鉛構造を持たない炭素材料では、Gバンドが出ないため、比(G/D)は0になるが、導電性材料としては0.1以上が好ましく、0.2以上がより好ましい。0.1以上であることで、適度に発達した黒鉛構造が材料Aに含まれ、好適な電子伝導性が得られる。
In one embodiment, the ratio (G/D) in Raman measurements of material A is less than 0.6, preferably less than 0.55. Being less than 0.6 means that material A has a moderate defect structure, and Li ion conduction within the material through the defects can be expected. It can also be expected that sulfur will be more likely to be impregnated from defective parts and the like.
For example, in a carbon material such as diamond that does not have a graphite structure, the G band does not appear, so the ratio (G/D) is 0, but as a conductive material, the ratio (G/D) is preferably 0.1 or more, and 0.2 or more. More preferred. When it is 0.1 or more, material A contains an appropriately developed graphite structure, and suitable electronic conductivity can be obtained.

一実施形態において、材料Bのアスペクト比が5以上であり、好ましくは10以上であり、さらに好ましくは15以上である。アスペクト比が高いほど少量の材料で電極全体に電子伝導性を付与することができる。材料Bのアスペクト比は、好ましくは5000以下であり、より好ましくは3000以下であり、さらに好ましくは2000以下である。アスペクト比が高すぎると粉体のかさ密度の低下につながり、運送コストが高くなり、また、混合性の低下にもつながる。 In one embodiment, the aspect ratio of material B is 5 or more, preferably 10 or more, and more preferably 15 or more. The higher the aspect ratio, the more electronic conductivity can be imparted to the entire electrode with a smaller amount of material. The aspect ratio of material B is preferably 5,000 or less, more preferably 3,000 or less, and even more preferably 2,000 or less. If the aspect ratio is too high, it will lead to a decrease in the bulk density of the powder, which will increase transportation costs and also lead to a decrease in mixability.

材料Bのアスペクト比は以下の式により計算される。
材料Bのアスペクト比=材料Bの平均繊維長/材料Bの平均繊維径
アスペクト比は材料のサイズにより適切な手法で評価する。例えば、走査電子顕微鏡(SEM)を用いることができる。
The aspect ratio of material B is calculated by the following formula.
Aspect ratio of material B=average fiber length of material B/average fiber diameter of material B The aspect ratio is evaluated by an appropriate method depending on the size of the material. For example, a scanning electron microscope (SEM) can be used.

材料Bとしては、炭素繊維が好ましい。炭素繊維としては、カーボンナノチューブ、気相法炭素繊維(VGCF)等が挙げられる。また、ストラクチャー構造を有し、実質的にアスペクト比の高い導電助剤として機能する、アセチレンブラック、デンカブラック(登録商標)、サーマルブラック、チャンネルブラック等や、平板上の電子伝導体であるグラフェン、還元グラフェン、鱗片状黒鉛等も、材料Bとして用いることができる。
これらは単独で用いてもよく、また、2種以上を併用してもよい。
As material B, carbon fiber is preferable. Examples of carbon fibers include carbon nanotubes, vapor grown carbon fibers (VGCF), and the like. In addition, acetylene black, Denka Black (registered trademark), thermal black, channel black, etc., which have a structured structure and function as a conductive additive with a substantially high aspect ratio, and graphene, which is an electron conductor on a flat plate, Reduced graphene, flaky graphite, etc. can also be used as material B.
These may be used alone or in combination of two or more.

材料Bの平均繊維長は好ましくは3μm以上であり、より好ましくは5μm以上である。また、材料Bの平均繊維長は、好ましくは500μm以下であり、より好ましくは100μm以下である。平均繊維長をこのように調整することにより、少量の材料で電極全体に電子伝導性を付与できる。 The average fiber length of material B is preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more. Further, the average fiber length of material B is preferably 500 μm or less, more preferably 100 μm or less. By adjusting the average fiber length in this manner, electronic conductivity can be imparted to the entire electrode with a small amount of material.

材料Bの平均繊維径は好ましくは2nm以上であり、より好ましくは5nm以上である。また、材料Bの平均繊維径は、好ましくは1000nm以下であり、より好ましくは300nm以下である。平均繊維径をこのように調整することにより、電子伝導を十分に保ちつつ、少ない混合量でも電極全体に電子伝導性が付与できる。 The average fiber diameter of material B is preferably 2 nm or more, more preferably 5 nm or more. Further, the average fiber diameter of material B is preferably 1000 nm or less, more preferably 300 nm or less. By adjusting the average fiber diameter in this way, electron conductivity can be imparted to the entire electrode even with a small mixing amount while maintaining sufficient electron conduction.

一実施形態において、材料Bのミクロ細孔量は0.1cc/g以下である。ここで、ミクロ細孔とは一般に、細孔直径が2nm以下の細孔を意味する。ミクロ細孔量が0.1cc/gであるとき、材料Bは実質的にミクロ細孔を持たないとする。材料Bのミクロ細孔量は0.05cc/g以下であることがより好ましい。内部に細孔を持たないことから、材料Bは高い電子伝導を有するため、少ない添加量で正極全体に電子伝導性を付与できる。
ミクロ細孔量は材料Bの窒素吸着等温線からt-plotを用いて解析できる。また、硫黄を含有するミクロ細孔を持たないことは、SEM-EDSやTEM-EDX等の元素マッピング可能な分析手法を用いて、CとSの重なりのない粒子の有無を評価することでも分析できる。
In one embodiment, material B has a micropore content of 0.1 cc/g or less. Here, micropores generally mean pores with a pore diameter of 2 nm or less. When the amount of micropores is 0.1 cc/g, it is assumed that material B has substantially no micropores. The amount of micropores in material B is more preferably 0.05 cc/g or less. Since material B has no internal pores, it has high electronic conductivity, so it can impart electronic conductivity to the entire positive electrode with a small amount added.
The amount of micropores can be analyzed from the nitrogen adsorption isotherm of material B using t-plot. In addition, the absence of sulfur-containing micropores can also be determined by evaluating the presence or absence of non-overlapping particles of C and S using analysis methods that allow elemental mapping such as SEM-EDS and TEM-EDX. can.

[硫化物固体電解質]
硫化物固体電解質は、少なくとも硫黄原子を含み、かつ含まれる金属原子に起因するイオン伝導度を発現する固体電解質であり、硫黄原子の他、好ましくはリチウム原子、リン原子を含み、より好ましくはリチウム原子、リン原子及びハロゲン原子を含み、リチウム原子に起因するイオン伝導度を有する固体電解質である。
硫化物固体電解質としては、非晶性硫化物固体電解質であってもよいし、結晶性硫化物固体電解質であってもよい。
[Sulfide solid electrolyte]
The sulfide solid electrolyte is a solid electrolyte that contains at least a sulfur atom and exhibits ionic conductivity due to the metal atoms contained.In addition to the sulfur atom, it preferably contains a lithium atom and a phosphorus atom, and more preferably a lithium atom. It is a solid electrolyte that contains lithium atoms, phosphorus atoms, and halogen atoms, and has ionic conductivity due to lithium atoms.
The sulfide solid electrolyte may be an amorphous sulfide solid electrolyte or a crystalline sulfide solid electrolyte.

(非晶性硫化物固体電解質)
非晶性硫化物固体電解質としては、少なくとも硫黄原子を含み、含まれる金属原子に起因するイオン伝導度を発現するものであれば特に制限なく採用することができ、代表的なものとしては、例えば、LiS-P等の硫化リチウムと硫化リンとから構成される、硫黄原子、リチウム原子及びリン原子を含む固体電解質;LiS-P-LiI、LiS-P-LiCl、LiS-P-LiBr、LiS-P-LiI-LiBr等の、硫化リチウムと硫化リンとハロゲン化リチウムとから構成される固体電解質;更に酸素元素、珪素元素等の他の元素を含む、例えば、LiS-P-LiO-LiI、LiS-SiS-P-LiI等の固体電解質が好ましく挙げられる。より高いイオン伝導度を得る観点から、LiS-P-LiI、LiS-P-LiCl、LiS-P-LiBr、LiS-P-LiI-LiBr等の、硫化リチウムと硫化リンとハロゲン化リチウムとから構成される固体電解質が好ましい。
非晶性硫化物固体電解質を構成する元素の種類は、例えば、ICP発光分光分析装置により確認することができる。
(Amorphous sulfide solid electrolyte)
As the amorphous sulfide solid electrolyte, any material that contains at least a sulfur atom and exhibits ionic conductivity due to the metal atoms contained can be used without any particular restriction, and representative examples include, for example: , Li 2 SP 2 S 5 - Solid electrolyte containing sulfur atoms, lithium atoms, and phosphorus atoms, composed of lithium sulfide and phosphorus sulfide; Li 2 SP 2 S 5 -LiI, Li 2 S- A solid electrolyte composed of lithium sulfide, phosphorus sulfide, and lithium halide, such as P 2 S 5 -LiCl, Li 2 S-P 2 S 5 -LiBr, Li 2 S-P 2 S 5 -LiI-LiBr; Further, solid electrolytes containing other elements such as oxygen element and silicon element, such as Li 2 SP 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, are preferable. Can be mentioned. From the viewpoint of obtaining higher ionic conductivity, Li 2 S-P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-P 2 S 5 -LiCl, Li 2 S-P 2 S 5 -LiBr, Li 2 S-P 2 S A solid electrolyte composed of lithium sulfide, phosphorus sulfide, and lithium halide, such as 5 -LiI-LiBr, is preferred.
The types of elements constituting the amorphous sulfide solid electrolyte can be confirmed using, for example, an ICP emission spectrometer.

非晶性硫化物固体電解質が、少なくともLiS-Pを有するものである場合、LiSとPとのモル比は、化学的安定性が高く、より高いイオン伝導度を得る観点から、30~85:15~70が好ましく、40~80:20~60がより好ましく、45~78:22~55が更に好ましい。
非晶性硫化物固体電解質が、例えば、LiS-P-LiI-LiBrである場合、硫化リチウム及び五硫化二リンの含有量の合計は、30~95モル%が好ましく、35~90モル%がより好ましく、40~85モル%が更に好ましい。また、臭化リチウムとヨウ化リチウムとの合計に対する臭化リチウムの割合は、1~99モル%が好ましく、20~90モル%がより好ましく、40~80モル%が更に好ましく、50~70モル%が特に好ましい。
When the amorphous sulfide solid electrolyte has at least Li 2 S-P 2 S 5 , the molar ratio of Li 2 S and P 2 S 5 has high chemical stability and higher ionic conductivity. From the viewpoint of obtaining a high degree of strength, the ratio is preferably 30 to 85:15 to 70, more preferably 40 to 80:20 to 60, and even more preferably 45 to 78:22 to 55.
When the amorphous sulfide solid electrolyte is, for example, Li 2 SP 2 S 5 -LiI-LiBr, the total content of lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide is preferably 30 to 95 mol%, and 35 It is more preferably 90 mol%, and even more preferably 40 to 85 mol%. Further, the ratio of lithium bromide to the total of lithium bromide and lithium iodide is preferably 1 to 99 mol%, more preferably 20 to 90 mol%, even more preferably 40 to 80 mol%, and even more preferably 50 to 70 mol%. % is particularly preferred.

非晶性硫化物固体電解質において、リチウム原子、硫黄原子、リン原子及びハロゲン原子を含む場合、これらの原子の配合比(モル比)は、1.0~1.8:1.0~2.0:0.1~0.8:0.01~0.6が好ましく、1.1~1.7:1.2~1.8:0.2~0.6:0.05~0.5がより好ましく、1.2~1.6:1.3~1.7:0.25~0.5:0.08~0.4が更に好ましい。
また、ハロゲン原子として、臭素及びヨウ素を併用する場合、リチウム原子、硫黄原子、リン原子、臭素原子、及びヨウ素原子の配合比(モル比)は、1.0~1.8:1.0~2.0:0.1~0.8:0.01~0.3:0.01~0.3が好ましく、1.1~1.7:1.2~1.8:0.2~0.6:0.02~0.25:0.02~0.25がより好ましく、1.2~1.6:1.3~1.7:0.25~0.5:0.03~0.2:0.03~0.2がより好ましく、1.35~1.45:1.4~1.7:0.3~0.45:0.04~0.18:0.04~0.18が更に好ましい。リチウム原子、硫黄原子、リン原子及びハロゲン原子の配合比(モル比)を上記範囲内とすることにより、後述するチオリシコンリージョンII型結晶構造を有する、より高いイオン伝導度の固体電解質が得られやすくなる。
When the amorphous sulfide solid electrolyte contains lithium atoms, sulfur atoms, phosphorus atoms, and halogen atoms, the blending ratio (molar ratio) of these atoms is 1.0 to 1.8:1.0 to 2. 0:0.1~0.8:0.01~0.6 is preferable, 1.1~1.7:1.2~1.8:0.2~0.6:0.05~0. 5 is more preferred, and 1.2-1.6: 1.3-1.7: 0.25-0.5: 0.08-0.4 is even more preferred.
In addition, when bromine and iodine are used together as halogen atoms, the blending ratio (molar ratio) of lithium atoms, sulfur atoms, phosphorus atoms, bromine atoms, and iodine atoms is 1.0-1.8:1.0- 2.0:0.1~0.8:0.01~0.3:0.01~0.3 is preferable, 1.1~1.7:1.2~1.8:0.2~ 0.6:0.02~0.25:0.02~0.25 is more preferable, 1.2~1.6:1.3~1.7:0.25~0.5:0.03 ~0.2:0.03~0.2 is more preferable, 1.35~1.45:1.4~1.7:0.3~0.45:0.04~0.18:0. 04 to 0.18 is more preferable. By setting the blending ratio (molar ratio) of lithium atoms, sulfur atoms, phosphorus atoms, and halogen atoms within the above range, a solid electrolyte with higher ionic conductivity having a thiolithicone region II type crystal structure described below can be obtained. It becomes easier.

また、非晶性硫化物固体電解質の形状としては、特に制限はないが、例えば、粒子状を挙げることができる。粒子状の非晶性硫化物固体電解質の平均粒径(D50)は、例えば、0.01μm~500μm、0.1~200μmの範囲内を例示できる。
本明細書において、平均粒径(D50)は、粒子径分布積算曲線を描いた時に粒子径の最も小さい粒子から順次積算して全体の50%に達するところの粒子径であり、体積分布は、例えば、レーザー回折/散乱式粒子径分布測定装置を用いて測定することができる平均粒径のことである。
Further, the shape of the amorphous sulfide solid electrolyte is not particularly limited, but may be, for example, particulate. The average particle diameter (D 50 ) of the particulate amorphous sulfide solid electrolyte can be, for example, within the range of 0.01 μm to 500 μm, or 0.1 to 200 μm.
In this specification, the average particle diameter (D 50 ) is the particle diameter that reaches 50% of the total when a particle diameter distribution integration curve is drawn, and is accumulated sequentially from the smallest particle diameter, and the volume distribution is , for example, is an average particle size that can be measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution measuring device.

(結晶性硫化物固体電解質)
結晶性硫化物固体電解質としては、例えば上記の非晶性硫化物固体電解質を結晶化温度以上に加熱して得られる、いわゆるガラスセラミックスであってもよく、以下の結晶構造を有する硫化物固体電解質を採用し得る。
リチウム原子、硫黄原子及びリン原子を含む結晶性硫化物固体電解質が有し得る結晶構造としては、LiPS結晶構造、Li結晶構造、LiPS結晶構造、Li11結晶構造、2θ=20.2°近傍及び23.6°近傍にピークを有する結晶構造(例えば、特開2013-16423号公報)等が挙げられる。
(Crystalline sulfide solid electrolyte)
The crystalline sulfide solid electrolyte may be, for example, a so-called glass ceramic obtained by heating the above-mentioned amorphous sulfide solid electrolyte above the crystallization temperature, and a sulfide solid electrolyte having the following crystal structure: can be adopted.
Examples of crystal structures that the crystalline sulfide solid electrolyte containing lithium atoms, sulfur atoms, and phosphorus atoms may have include Li 3 PS 4 crystal structure, Li 4 P 2 S 6 crystal structure, Li 7 PS 6 crystal structure, and Li 7 Examples include a P 3 S 11 crystal structure, a crystal structure having peaks near 2θ=20.2° and near 23.6° (for example, Japanese Patent Application Publication No. 2013-16423).

また、リチウム原子、硫黄原子、リン原子及びハロゲン原子を含む結晶性硫化物固体電解質が有し得る結晶構造としては、Li4-xGe1-x系チオリシコンリージョンII(thio-LISICON Region II)型結晶構造(Kannoら、Journal of The Electrochemical Society,148(7)A742-746(2001)参照)、Li4-xGe1-x系チオリシコンリージョンII(thio-LISICON Region II)型と類似の結晶構造(Solid State Ionics,177(2006),2721-2725参照))等が挙げられる。ここで、「チオリシコンリージョンII型結晶構造」は、Li4-xGe1-x系チオリシコンリージョンII(thio-LISICON Region II)型結晶構造、Li4-xGe1-x系チオリシコンリージョンII(thio-LISICON Region II)型と類似の結晶構造のいずれかであることを示す。 In addition, as a crystal structure that a crystalline sulfide solid electrolyte containing lithium atoms, sulfur atoms, phosphorus atoms, and halogen atoms can have, Li 4-x Ge 1-x P x S 4- based thio-silicone region II (thio- LISICON Region II) type crystal structure (see Kanno et al., Journal of The Electrochemical Society, 148(7) A742-746 (2001)), Li 4-x Ge 1 -x P hio- LISICON Region II) type (see Solid State Ionics, 177 (2006), 2721-2725), and the like. Here, "thio-LISICON Region II type crystal structure" refers to Li 4-x Ge 1-x P x S 4 -based thio-LISICON Region II (thio-LISICON Region II) type crystal structure, Li 4-x Ge 1-x Indicates that it has a crystal structure similar to P x S 4 -based thio-LISICON Region II (thio-LISICON Region II) type.

CuKα線を用いたX線回折測定において、LiPS結晶構造の回折ピークは、例えば2θ=17.5°、18.3°、26.1°、27.3°、30.0°付近に現れ、Li結晶構造の回折ピークは、例えば2θ=16.9°、27.1°、32.5°付近に現れ、LiPS結晶構造の回折ピークは、例えば2θ=15.3°、25.2°、29.6°、31.0°付近に現れ、Li11結晶構造の回折ピークは、例えば2θ=17.8°、18.5°、19.7°、21.8°、23.7°、25.9°、29.6°、30.0°付近に現れ、Li4-xGe1-x系チオリシコンリージョンII(thio-LISICON Region II)型結晶構造の回折ピークは、例えば2θ=20.1°、23.9°、29.5°付近に現れ、Li4-xGe1-x系チオリシコンリージョンII(thio-LISICON Region II)型と類似の結晶構造の回折ピークは、例えば2θ=20.2°、23.6°付近に現れる。なお、これらのピーク位置については、±0.5°の範囲内で前後していてもよい。 In X-ray diffraction measurement using CuKα rays, the diffraction peaks of the Li 3 PS 4 crystal structure are, for example, around 2θ=17.5°, 18.3°, 26.1°, 27.3°, and 30.0°. The diffraction peaks of the Li 4 P 2 S 6 crystal structure appear, for example, around 2θ=16.9°, 27.1°, and 32.5°, and the diffraction peaks of the Li 7 PS 6 crystal structure appear, for example, around 2θ = 15.3°, 25.2°, 29.6°, 31.0°, and the diffraction peaks of the Li 7 P 3 S 11 crystal structure are, for example, 2θ = 17.8°, 18.5°, It appears around 19.7°, 21.8°, 23.7°, 25.9°, 29.6°, and 30.0°, and Li 4-x Ge 1-x P x S 4- based thiolysicone region II The diffraction peaks of the (thio-LISICON Region II ) type crystal structure appear, for example, around 2θ = 20.1°, 23.9 °, and 29.5 °. Diffraction peaks of a crystal structure similar to thio-LISICON Region II type appear, for example, around 2θ=20.2° and 23.6°. Note that these peak positions may be different within a range of ±0.5°.

また、結晶性の硫化物固体電解質の結晶構造としては、アルジロダイト型結晶構造も挙げられる。アルジロダイト型結晶構造としては、例えば、LiPS結晶構造;LiPSの構造骨格を有する組成式Li7-x1-ySi及びLi7+x1-ySi(xは-0.6~0.6、yは0.1~0.6)で示される結晶構造;Li7-x-2yPS6-x-yCl(0.8≦x≦1.7、0<y≦-0.25x+0.5)で示される結晶構造;Li7-xPS6-xHa(HaはClもしくはBr、xが好ましくは0.2~1.8)で示される結晶構造が挙げられる。 Furthermore, the crystal structure of the crystalline sulfide solid electrolyte includes an argyrodite crystal structure. Examples of the argyrodite crystal structure include Li 7 PS 6 crystal structure; compositional formulas Li 7 -x P 1 -y Si y S 6 and Li 7+x P 1-y Si y S 6 having a structural skeleton of Li 7 PS 6 ; (x is -0.6 to 0.6, y is 0.1 to 0.6); Li 7-x-2y PS 6-x-y Cl x (0.8≦x≦1 .7, 0<y≦-0.25x+0.5); Li 7-x PS 6-x Ha x (Ha is Cl or Br, x is preferably 0.2 to 1.8); The crystal structure shown is mentioned.

上記の結晶構造の中でも、結晶性硫化物固体電解質が有する結晶構造としては、LiPS結晶構造、チオリシコンリージョンII型結晶構造、アルジロダイト型結晶構造が好ましい。 Among the above crystal structures, preferred crystal structures of the crystalline sulfide solid electrolyte include Li 3 PS 4 crystal structure, thiolisicone region II type crystal structure, and argyrodite type crystal structure.

結晶性硫化物固体電解質の形状としては、特に制限はないが、例えば、粒子状を挙げることができる。粒子状の結晶性硫化物固体電解質の平均粒径(D50)は、既述の非晶性硫化物固体電解質の平均粒径(D50)と同様に、例えば、0.01μm~500μm、0.1~200μmの範囲内を例示できる。 The shape of the crystalline sulfide solid electrolyte is not particularly limited, but may be, for example, particulate. The average particle size (D 50 ) of the particulate crystalline sulfide solid electrolyte is similar to the average particle size (D 50 ) of the amorphous sulfide solid electrolyte described above, for example, from 0.01 μm to 500 μm, 0. An example is a range of .1 to 200 μm.

[配合比]
本実施形態の正極合材において、材料Bの含有量は、材料Aを100質量部としたときに、20~200質量部であることが好ましく、30~100質量部であることがより好ましい。上記範囲を満たすことにより、正極合材内の導電性を高く維持でき、レート特性が向上しやすい。
[Mixing ratio]
In the positive electrode composite material of this embodiment, the content of material B is preferably 20 to 200 parts by mass, more preferably 30 to 100 parts by mass, when material A is 100 parts by mass. By satisfying the above range, the conductivity within the positive electrode mixture can be maintained high and the rate characteristics can be easily improved.

また、材料A及びBの合計質量(A+B)に対する、単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の硫黄換算の合計質量(S)の比[S/(A+B)]が、2.5以上である。比[S/(A+B)]は3以上が好ましい。正極合材内において、単体硫黄の比率が高い程、硫黄の利用率が同じであれば、電池のエネルギー密度の向上が期待できる。一方で、正極内の電子伝導を十分に付与することが難しくなるため、比[S/(A+B)]は10以下が好ましく、5以下がさらに好ましい。 Further, the ratio [S/(A+B)] of the total mass (S) of elemental sulfur and discharge products of elemental sulfur in terms of sulfur to the total mass (A+B) of materials A and B is 2.5 or more. The ratio [S/(A+B)] is preferably 3 or more. The higher the ratio of elemental sulfur in the positive electrode mixture, the higher the energy density of the battery can be expected as long as the utilization rate of sulfur is the same. On the other hand, since it becomes difficult to provide sufficient electron conduction within the positive electrode, the ratio [S/(A+B)] is preferably 10 or less, more preferably 5 or less.

材料Aと、材料Bと、単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の硫黄換算の合計質量(S)との質量比(A:B:S)は、5~15:1~10:30~50が好ましく、さらに好ましくは5~10:2~8:35~45がよく、7~10:3~8:35~45が特に好ましい。これにより、材料Aの細孔に硫黄が充填され小さな粒子として保持されることによるイオン伝導及び電子伝導の効率が向上する効果と、材料Bの電極全体への電子伝導性付与効果が、バランスよく機能し、良好な電池特性が得られる。 The mass ratio (A:B:S) of material A, material B, and the total mass (S) in terms of sulfur of elemental sulfur and discharge products of elemental sulfur is 5 to 15:1 to 10:30 to 50. The ratio is preferably 5 to 10:2 to 8:35 to 45, particularly preferably 7 to 10:3 to 8:35 to 45. This provides a good balance between the effect of improving the efficiency of ionic conduction and electron conduction by filling the pores of material A with sulfur and retaining it as small particles, and the effect of material B imparting electronic conductivity to the entire electrode. It functions well and provides good battery characteristics.

硫化物固体電解質の含有量は、材料A、材料B及び単体硫黄の合計を100質量部としたときに、5~200質量部であることが好ましく、10~120質量部であることがより好ましい。固体電解質の含有量が5質量部以下ではイオン伝導を十分に得ることが困難になり、200質量部以上の固体電解質を含む場合活物質の含有率が低下し、エネルギー密度の向上が困難になる。 The content of the sulfide solid electrolyte is preferably 5 to 200 parts by mass, more preferably 10 to 120 parts by mass, when the total of material A, material B, and elemental sulfur is 100 parts by mass. . If the solid electrolyte content is less than 5 parts by mass, it will be difficult to obtain sufficient ionic conduction, and if the solid electrolyte content is 200 parts by mass or more, the active material content will decrease, making it difficult to improve energy density. .

一実施形態において、正極合材における単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の硫黄換算の合計含有量は、材料A及びBの合計1gに対し1.0cc以上が好ましく、1.5cc以上がより好ましく、2.0cc以上がさらに好ましい。また、単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の硫黄換算の合計含有量は、上記材料A及びBの合計1gに対し10cc以下が好ましく、5.0cc以下がより好ましく、4.0cc以下がさらに好ましい。上記範囲とすることにより、単体硫黄の含有量が十分となり、レート特性が向上しやすい。
なお、換算する場合、単体硫黄の密度は2g/ccとする。
In one embodiment, the total content in terms of sulfur of elemental sulfur and discharge products of elemental sulfur in the positive electrode mixture is preferably 1.0 cc or more, more preferably 1.5 cc or more per 1 g of materials A and B in total. , more preferably 2.0 cc or more. Further, the total content of elemental sulfur and discharge products of elemental sulfur in terms of sulfur is preferably 10 cc or less, more preferably 5.0 cc or less, and even more preferably 4.0 cc or less per 1 g of the above materials A and B in total. . By setting it within the above range, the content of elemental sulfur becomes sufficient, and the rate characteristics tend to improve.
In addition, when converting, the density of elemental sulfur is assumed to be 2 g/cc.

一実施形態において、正極合材における単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の硫黄換算の合計含有量は、材料Aと材料Bの合計全細孔体積の70%以上が好ましく、100%以上がより好ましく、120%以上がさらに好ましい。これにより、単体硫黄の含有量が十分となり、高いエネルギー密度が得られる。単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の硫黄換算の合計含有量は、材料Aと材料Bの合計全細孔体積の300%以下が好ましく、200%以下がより好ましく、170%以下がさらに好ましい。
材料Aと材料Bの全細孔体積は、材料A及びBの仕込量(g)と、上記細孔体積(cc/g)から計算できる。
In one embodiment, the total content in terms of sulfur of elemental sulfur and discharge products of elemental sulfur in the positive electrode composite material is preferably 70% or more of the total pore volume of material A and material B, and more preferably 100% or more. Preferably, 120% or more is more preferable. As a result, the content of elemental sulfur is sufficient, and high energy density can be obtained. The total content of elemental sulfur and the discharge product of elemental sulfur in terms of sulfur is preferably 300% or less, more preferably 200% or less, and even more preferably 170% or less of the total pore volume of material A and material B.
The total pore volume of material A and material B can be calculated from the charged amounts (g) of materials A and B and the pore volume (cc/g) described above.

一実施形態において、正極合材は、硫黄系活物質、固体電解質及び導電助剤以外の他の成分を含んでもよく、また、含まなくてもよい。他の成分は特に限定されないが、例えば、バインダー、溶剤、分散剤が挙げられる。
本実施形態の正極合材は、例えば、以下に説明する本発明の製造方法で製造できる。
In one embodiment, the positive electrode mixture may or may not contain components other than the sulfur-based active material, solid electrolyte, and conductive aid. Other components are not particularly limited, and include, for example, a binder, a solvent, and a dispersant.
The positive electrode composite material of this embodiment can be manufactured, for example, by the manufacturing method of the invention described below.

2.正極合材の製造方法
本発明の一実施形態に係る正極合材の製造方法は、下記工程(1)及び(2)を有する。
工程(1):平均細孔半径が10nm以下である電子伝導性を有する材料Aと、単体硫黄とを、前記単体硫黄の融点以上の温度で加熱して、材料A-単体硫黄複合粉末とする工程
工程(2):材料A-単体硫黄複合粉末と、ラマン測定におけるGバンドの面積/Dバンドの面積が0.6以上の導電性炭素である材料Bと、硫化物固体電解質と、を混合して、正極合材とする工程
2. Method for manufacturing positive electrode composite material A method for manufacturing a positive electrode composite material according to an embodiment of the present invention includes the following steps (1) and (2).
Step (1): Material A having electron conductivity with an average pore radius of 10 nm or less and elemental sulfur are heated at a temperature equal to or higher than the melting point of the elemental sulfur to form material A-elementary sulfur composite powder. Process Process (2): Mix material A - elemental sulfur composite powder, material B which is conductive carbon with a G band area/D band area of 0.6 or more in Raman measurement, and a sulfide solid electrolyte. The process of making a positive electrode composite material

[工程(1)]
工程(1)では、例えば、材料Aと単体硫黄を混合し、封止した後、混合物を加熱して単体硫黄を融解させて細孔に単体硫黄を含浸させることにより、材料A-単体硫黄複合粉末を製造する。
[Step (1)]
In step (1), for example, material A and elemental sulfur are mixed and sealed, and then the mixture is heated to melt the elemental sulfur and impregnate the pores with elemental sulfur, thereby forming the material A-elementary sulfur composite. Manufacture powder.

工程(1)において、材料Aと単体硫黄との混合比は、使用する材料に合わせて適宜調整することができる。
一実施形態において、上述した通り単体硫黄の含有量を、1gの材料Aに対し1.0cc以上とすることが好ましい。また、単体硫黄の含有量を、1gの材料Aに対し10cc以下とすることが好ましい。
また、一実施形態において、単体硫黄の含有量を、材料Aの全細孔体積の70%以上とすることが好ましい。また、全細孔体積の300%以下とすることが好ましい。
In step (1), the mixing ratio of material A and elemental sulfur can be adjusted as appropriate depending on the materials used.
In one embodiment, as described above, the content of elemental sulfur is preferably 1.0 cc or more per 1 g of material A. Further, it is preferable that the content of elemental sulfur is 10 cc or less per 1 g of material A.
In one embodiment, the content of elemental sulfur is preferably 70% or more of the total pore volume of material A. Moreover, it is preferable to set it to 300% or less of the total pore volume.

材料Aと単体硫黄の混合物を、単体硫黄の融点(約115℃)以上の温度で加熱する。加熱温度は材料A及び単体硫黄に合わせて調整するが、好ましくは130℃以上であり、より好ましくは150℃以上である。加熱温度の上限は、単体硫黄の沸点(約445℃)以下の温度である。加熱時間は0.1~24時間が好ましい。
加熱後冷却することにより、材料A-単体硫黄複合粉末が得られる。必要に応じて冷却後に粉砕工程を実施してもよい。
A mixture of material A and elemental sulfur is heated at a temperature higher than the melting point of elemental sulfur (approximately 115°C). The heating temperature is adjusted depending on the material A and the elemental sulfur, but is preferably 130°C or higher, more preferably 150°C or higher. The upper limit of the heating temperature is a temperature below the boiling point of elemental sulfur (about 445°C). The heating time is preferably 0.1 to 24 hours.
By cooling after heating, material A-elementary sulfur composite powder is obtained. If necessary, a pulverization step may be performed after cooling.

[工程(2)]
工程(2)では、材料A-単体硫黄複合粉末と、ラマン測定におけるGバンドの面積/Dバンドの面積が0.6以上の導電性炭素である材料Bと、硫化物固体電解質と、を混合して、正極合材とする。
例えば、上記工程(1)の後に、材料A-単体硫黄複合粉末及び材料Bに機械的応力を加えて混合し、正極合材とする。ここで、「機械的応力を加える」とは、機械的にせん断力や衝撃力等を加えることである。機械的応力を加える手段としては、例えば、遊星ボールミル、振動ミル、転動ミル等の粉砕機や、混練機等を挙げることができる。
本工程により、材料A及びBの一部が粉砕していてもよい。
[Step (2)]
In step (2), material A - elemental sulfur composite powder, material B which is conductive carbon with a G band area/D band area of 0.6 or more in Raman measurement, and a sulfide solid electrolyte are mixed. Then, prepare a positive electrode composite material.
For example, after the above step (1), material A-element sulfur composite powder and material B are mixed while applying mechanical stress to form a positive electrode composite material. Here, "applying mechanical stress" means mechanically applying shearing force, impact force, etc. Examples of means for applying mechanical stress include pulverizers such as planetary ball mills, vibration mills, and rolling mills, and kneaders.
A part of materials A and B may be crushed by this step.

一実施形態において、材料Bの配合量は上述したとおり、材料A100質量部に対し、20~200質量部であることが好ましい。
また、硫化物固体電解質の配合量は、材料A、材料B及び単体硫黄の合計100質量部に対し、5~200質量部であることが好ましい。
In one embodiment, the blending amount of material B is preferably 20 to 200 parts by mass based on 100 parts by mass of material A, as described above.
Further, the amount of the sulfide solid electrolyte to be blended is preferably 5 to 200 parts by mass based on the total of 100 parts by mass of material A, material B, and elemental sulfur.

混合の条件としては、例えば、遊星ボールミル機を使用した場合、回転速度を数十~数百回転/分とし、0.5時間~100時間処理すればよい。より具体的に、本願実施例で使用した遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P-5)の場合、遊星型ボールミルの回転数は100rpm以上600rpm以下が好ましく、150rpm以上400rpm以下がより好ましい。
粉砕メディアであるボールは、例えば、ジルコニア製ボールを使用した場合、その直径は0.2~20mmが好ましい。
As for mixing conditions, for example, when a planetary ball mill is used, the rotation speed may be several tens to several hundreds of revolutions/minute, and the treatment may be performed for 0.5 hours to 100 hours. More specifically, in the case of the planetary ball mill (manufactured by Fritsch, model number P-5) used in the Examples of the present application, the rotation speed of the planetary ball mill is preferably 100 rpm or more and 600 rpm or less, and more preferably 150 rpm or more and 400 rpm or less.
For example, when a zirconia ball is used as the grinding media, the diameter thereof is preferably 0.2 to 20 mm.

一実施形態において、正極合材は上記材料A-単体硫黄複合粉末と、材料Bを混合する工程の後に、硫化物固体電解質を加えて再度混合することにより、製造することができる。 In one embodiment, the positive electrode composite material can be manufactured by mixing the material A-elementary sulfur composite powder and material B, and then adding a sulfide solid electrolyte and mixing them again.

一実施形態において、正極合材は上記材料A-単体硫黄複合粉末と、材料Bを混合する工程の後に加熱を行うこともできる。混合工程で結晶性が低下した固体電解質を再度結晶化もしくは加熱による界面形成の効果により、イオン伝導性を向上せることで電池特性を向上させることが可能である。 In one embodiment, the positive electrode mixture may be heated after the step of mixing the material A-elementary sulfur composite powder and material B. It is possible to improve battery characteristics by improving ionic conductivity by crystallizing the solid electrolyte whose crystallinity has decreased in the mixing process again or by forming an interface by heating.

加熱温度及び時間は固体電解質の種類によって適時調整できるが、例えば固体電解質の結晶化温度が200℃以下の場合、固体電解質の結晶化温度に合わせて加熱処理を行う。固体電解質の結晶間温度が300℃以上のような高温である場合、硫黄の蒸散が過度に起こらない200℃程度で加熱することで、結晶化には至らないものの界面の再形成等を行うことはできる。 Although the heating temperature and time can be adjusted as appropriate depending on the type of solid electrolyte, for example, when the crystallization temperature of the solid electrolyte is 200° C. or lower, the heat treatment is performed in accordance with the crystallization temperature of the solid electrolyte. If the intercrystalline temperature of the solid electrolyte is high, such as 300°C or higher, heating at around 200°C, where excessive sulfur evaporation does not occur, will reform the interface, although it will not result in crystallization. I can.

加熱温度は前記の通り固体電解質の種類によって異なるため制限されないが、例えば250℃以下であり、200℃以下が好ましい。温度が低温であるほど、硫黄の蒸散を抑制できる。加熱温度は50℃以上であり、100℃以上が好ましく、120℃以上がより好ましい。加熱時間は特に制限されないが、例えば1分から99時間、好ましくは10分から10時間、特に好ましくは30分から3時間である。 The heating temperature is not limited as it varies depending on the type of solid electrolyte as described above, but is, for example, 250°C or lower, preferably 200°C or lower. The lower the temperature, the more suppressed sulfur transpiration can be. The heating temperature is 50°C or higher, preferably 100°C or higher, and more preferably 120°C or higher. The heating time is not particularly limited, but is, for example, 1 minute to 99 hours, preferably 10 minutes to 10 hours, particularly preferably 30 minutes to 3 hours.

また、加熱のタイミングは合材化直後でもよく、また、溶媒を用いたスラリーキャストや静電塗布等の方法で、合材を電極シートに加工した後に加熱することもできる。スラリーキャストによる製造の場合、溶媒の除去と同時に結晶化の加熱を行うことで工程の削減を行うことも可能である。 Further, the timing of heating may be immediately after forming the composite material, or heating may be performed after the composite material is processed into an electrode sheet by a method such as slurry casting using a solvent or electrostatic coating. In the case of production by slurry casting, it is also possible to reduce the number of steps by heating for crystallization at the same time as removing the solvent.

3.リチウムイオン電池
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン電池は、上述した本発明の正極合材を含む。例えば、液体の電解質に替えて固体電解質を使用することにより、全固体リチウムイオン電池を製造できる。本発明の正極合材を使用することにより、レート特性のよい全固体リチウムイオン電池が作製できる。
3. Lithium Ion Battery A lithium ion battery according to one embodiment of the present invention includes the positive electrode composite material of the present invention described above. For example, by using a solid electrolyte in place of a liquid electrolyte, an all-solid-state lithium ion battery can be manufactured. By using the positive electrode mixture of the present invention, an all-solid-state lithium ion battery with good rate characteristics can be produced.

全固体リチウムイオン電池は、主に正極層、負極層及び電解質層からなるが、本発明の正極合材は正極層の構成材料として好適である。負極層及び電解質層は公知の方法により製造できる。また、正極層、負極層、電解質層の他に、集電体が用いられていることが好ましく、集電体も公知のものが用いられる。
固体電解質は特に限定されないが、例えば、上述した硫化物固体電解質が挙げられる。
An all-solid-state lithium ion battery mainly consists of a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an electrolyte layer, and the positive electrode composite material of the present invention is suitable as a constituent material of the positive electrode layer. The negative electrode layer and the electrolyte layer can be manufactured by known methods. Further, in addition to the positive electrode layer, negative electrode layer, and electrolyte layer, a current collector is preferably used, and a known current collector is also used.
Although the solid electrolyte is not particularly limited, examples thereof include the sulfide solid electrolyte described above.

以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明する。本発明は、実施例に限定されない。
材料A及びBのラマン測定におけるGバンドの面積とDバンドの面積の比(G/D)は下記の条件で決定した。
<測定条件>
装置:DXR2(サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社)
露光時間:10秒
積算回数:20回
バックグラウンド:20回
レーザー波長:532nm
レーザーパワー:3.0mW
ピンホール:25μmピンホール
分解能:HIGH RES GRATING
測定範囲:50~1800cm-1
測定倍率:対物レンズ50倍
Hereinafter, the present invention will be specifically explained based on Examples. The invention is not limited to the examples.
The ratio of the area of the G band to the area of the D band (G/D) in Raman measurements of materials A and B was determined under the following conditions.
<Measurement conditions>
Equipment: DXR2 (Thermo Fisher Scientific Co., Ltd.)
Exposure time: 10 seconds Integration number: 20 times Background: 20 times Laser wavelength: 532 nm
Laser power: 3.0mW
Pinhole: 25μm pinhole Resolution: HIGH RES GRATING
Measurement range: 50-1800cm -1
Measurement magnification: 50x objective lens

700及び1800cm-1近傍の構造由来のピークがない2点を通る直線をベースラインとした。上記波数にピークがある場合、近傍のピークを有さない波数をベースラインの開始点にできる。
GバンドとDバンドを分ける1475cm-1は1400~1550cm-1の各ラマンスペクトルの極小値をとる波数を算出し、その平均値として採用した。
The baseline was a straight line passing through two points near 700 and 1800 cm −1 that had no structure-derived peaks. If there is a peak at the above wave number, a nearby wave number that does not have a peak can be used as the starting point of the baseline.
For 1475 cm -1 , which separates the G band and D band, the wave number that takes the minimum value of each Raman spectrum from 1400 to 1550 cm -1 was calculated, and the wave number was adopted as the average value.

(実施例1)
(1)活性炭-単体硫黄複合粉末の作製
ガラス瓶に、材料Aとして活性炭(関西熱化学株式会社製、MSC-30、細孔体積1.67cc/g、平均細孔半径1.12nm、)と、単体硫黄を1:5の質量比で入れ、SUS管容器内に封入した。電気炉にて150℃で6時間、300℃で2.75時間加熱し、活性炭-単体硫黄複合粉末を得た。
活性炭の細孔体積は1.67cc/gであり、単体硫黄の密度を2g/ccとして計算すると、活性炭1gに対する単体硫黄の含有量は2.5ccである。以上から、単体硫黄の含有量(仕込量)は活性炭の全細孔体積の150%(体積)である。
活性炭-単体硫黄複合粉末について、イオンミリングによって粒子断面を形成し、断面をSEM-EDSで観察した結果、硫黄元素が炭素内に観察されたことから、活性炭の細孔内に単体硫黄が含浸していることが確認できた。
活性炭の平均細孔半径及び細孔体積はQuantacrome社製の細孔分布測定装置(Autosorb-3)を用いて測定した。
(Example 1)
(1) Preparation of activated carbon-elementary sulfur composite powder In a glass bottle, activated carbon (manufactured by Kansai Thermal Chemical Co., Ltd., MSC-30, pore volume 1.67 cc/g, average pore radius 1.12 nm) as material A, Elemental sulfur was added at a mass ratio of 1:5 and sealed in a SUS tube container. The mixture was heated in an electric furnace at 150°C for 6 hours and at 300°C for 2.75 hours to obtain activated carbon-elementary sulfur composite powder.
The pore volume of activated carbon is 1.67 cc/g, and when calculated assuming that the density of elemental sulfur is 2 g/cc, the content of elemental sulfur per 1 g of activated carbon is 2.5 cc. From the above, the content (amount) of elemental sulfur is 150% (volume) of the total pore volume of activated carbon.
Regarding the activated carbon-elementary sulfur composite powder, a particle cross section was formed by ion milling, and the cross section was observed using SEM-EDS. As a result, sulfur element was observed in the carbon, indicating that elemental sulfur was impregnated into the pores of the activated carbon. It was confirmed that
The average pore radius and pore volume of the activated carbon were measured using a pore distribution measuring device (Autosorb-3) manufactured by Quantacrome.

(2)固体電解質の作製
硫化リチウム 0.4127g、五硫化二リン 0.6655g、ヨウ化リチウム 0.2137g、臭化リチウム 0.2080gと、直径10mmのジルコニア製ボール10個を、45mLのジルコニア製ポットに投入し密閉した。遊星型ボールミル装置(フリッチュ社製、型番P-7)を用いて、回転速度370rpmで40時間混合(メカニカルミリング)して粉末を得た。得られた粉末を195℃で3時間加熱し、固体電解質を得た。
(2) Preparation of solid electrolyte Lithium sulfide 0.4127g, diphosphorus pentasulfide 0.6655g, lithium iodide 0.2137g, lithium bromide 0.2080g, 10 zirconia balls with a diameter of 10 mm, and 45 mL of zirconia balls. Pour it into a pot and seal it. Using a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, model number P-7), the mixture was mixed (mechanical milling) for 40 hours at a rotation speed of 370 rpm to obtain a powder. The obtained powder was heated at 195° C. for 3 hours to obtain a solid electrolyte.

(3)正極合材の作製
上記(1)で得た活性炭-単体硫黄複合粉末0.45gと、上記(2)で得た固体電解質0.5gと、気相成長多層カーボンナノチューブ(VGCF(登録商標)、昭和電工株式会社製、平均繊維長6μm、平均繊維径150nm、アスペクト比40、t-plot法によるミクロ細孔量0cc/g)0.05gを、直径10mmのジルコニア製ボール10個と共に、45mLのジルコニア製ポットに投入し、密閉した(材料A+材料B:硫黄=1:3(質量比)、材料A:材料B:硫黄=7.5:5:37.5(質量比))。
遊星型ボールミル装置(フリッチュ社製、型番P-7)を用いて、回転速度370rpm、20時間、室温の条件で混合処理を行い、正極合材の粉末を得た。
(3) Preparation of positive electrode mixture 0.45 g of activated carbon-elementary sulfur composite powder obtained in (1) above, 0.5 g of solid electrolyte obtained in (2) above, and vapor-grown multi-walled carbon nanotubes (VGCF (registered) Trademark), manufactured by Showa Denko K.K., average fiber length 6 μm, average fiber diameter 150 nm, aspect ratio 40, micropore amount by t-plot method 0 cc/g) 0.05 g, along with 10 zirconia balls with a diameter of 10 mm. , into a 45 mL zirconia pot and sealed (Material A + Material B: Sulfur = 1:3 (mass ratio), Material A: Material B: Sulfur = 7.5:5:37.5 (mass ratio)) .
Mixing was performed using a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, model number P-7) at a rotation speed of 370 rpm for 20 hours at room temperature to obtain a positive electrode composite powder.

(4)全固体リチウムイオン電池の作製
直径10mmのマコール(登録商標)製の円筒に、上記(2)で作製した固体電解質100mgを投入し、加圧成型した。加圧面に、上記(3)で作製した正極合材粉末を、単体硫黄の含有量が1.75mgになるよう投入し、再度加圧成型した。正極合材と反対の加圧面に、インジウム箔とリチウム箔を投入し、加圧することで、全固体電池を作製した。
(4) Preparation of all-solid-state lithium ion battery 100 mg of the solid electrolyte prepared in the above (2) was charged into a Macol (registered trademark) cylinder having a diameter of 10 mm, and the battery was pressure-molded. The positive electrode composite powder prepared in (3) above was placed on the pressurized surface so that the content of elemental sulfur was 1.75 mg, and pressure molding was performed again. An all-solid-state battery was fabricated by placing indium foil and lithium foil on the pressurized side opposite to the positive electrode mixture and applying pressure.

(実施例2)
実施例1における活性炭(MSC-30)を多孔質炭素材料(CNovel(登録商標)、東洋炭素株式会社製、細孔体積3.09cc/g、平均細孔半径4.27nm)に変更した以外は実施例1と同様にして、正極合材粉末を得た。
単体硫黄の含有量は全細孔体積の81%である。
多孔質炭素材料-単体硫黄複合粉末について、実施例1と同様に断面をSEM-EDSで観察した結果、多孔質炭素材料の細孔内に単体硫黄が含浸していることが確認できた。
得られた正極合材粉末を使用した他は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
(Example 2)
Except that the activated carbon (MSC-30) in Example 1 was changed to a porous carbon material (CNovel (registered trademark), manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., pore volume 3.09 cc/g, average pore radius 4.27 nm). A positive electrode composite powder was obtained in the same manner as in Example 1.
The content of elemental sulfur is 81% of the total pore volume.
As a result of observing the cross section of the porous carbon material-elementary sulfur composite powder using SEM-EDS in the same manner as in Example 1, it was confirmed that elemental sulfur was impregnated into the pores of the porous carbon material.
An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the obtained positive electrode composite powder was used.

(実施例3)
実施例1における活性炭(MSC-30)をカーボンブラック(ケッチェンブラック(登録商標)、KB、細孔体積4.33cc/g、平均細孔半径6.64nm)に変更した以外は実施例1と同様にして、正極合材粉末を得た。単体硫黄の含有量は細孔体積の58%である。
カーボンブラック-単体硫黄複合粉末について、実施例1と同様に断面をSEM-EDSで観察した結果、カーボンブラックの細孔内に単体硫黄が含浸していることが確認できた。
得られた正極合材粉末を使用した他は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
(Example 3)
Example 1 except that the activated carbon (MSC-30) in Example 1 was changed to carbon black (Ketjen Black (registered trademark), KB, pore volume 4.33 cc/g, average pore radius 6.64 nm). Similarly, a positive electrode composite powder was obtained. The content of elemental sulfur is 58% of the pore volume.
As a result of observing the cross section of the carbon black-elementary sulfur composite powder using SEM-EDS in the same manner as in Example 1, it was confirmed that elemental sulfur was impregnated into the pores of the carbon black.
An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the obtained positive electrode composite powder was used.

(比較例1)
実施例1(3)において、気相成長多層カーボンナノチューブ(VGCF(登録商標))を添加せずに、活性炭-単体硫黄複合粉末を0.5g、固体電解質を0.5g、直径10mmのジルコニア製ボール10個と共に、ジルコニア製ポットに投入した他は実施例1と同様にして、正極合材粉末を得た(材料A+材料B:硫黄=1:5(質量比)、材料A:材料B:硫黄=8.3:0:41.7(質量比))。得られた正極合材粉末を使用した他は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
(Comparative example 1)
In Example 1 (3), without adding vapor grown multi-walled carbon nanotubes (VGCF (registered trademark)), 0.5 g of activated carbon-elementary sulfur composite powder, 0.5 g of solid electrolyte, and zirconia with a diameter of 10 mm were used. A positive electrode composite powder was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was placed in a zirconia pot together with 10 balls (Material A + Material B: Sulfur = 1:5 (mass ratio), Material A: Material B: Sulfur = 8.3:0:41.7 (mass ratio)). An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the obtained positive electrode composite powder was used.

(比較例2)
実施例1(3)において、活性炭-単体硫黄複合粉末を使用せずに、VGCFを0.125g、硫黄を0.375g、固体電解質を0.5g、直径10mmのジルコニア製ボール10個と共に、ジルコニア製ポットに投入した他は実施例1と同様にして、正極合材粉末を得た(材料A+材料B:硫黄=1:3(質量比)、材料A:材料B:硫黄=0:12.5:37.5(質量比))。得られた正極合材粉末を使用した他は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
(Comparative example 2)
In Example 1 (3), without using activated carbon-elementary sulfur composite powder, 0.125 g of VGCF, 0.375 g of sulfur, 0.5 g of solid electrolyte, and 10 zirconia balls with a diameter of 10 mm were used together with zirconia. A positive electrode composite powder was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was put into a pot for making (material A + material B: sulfur = 1:3 (mass ratio), material A: material B: sulfur = 0:12. 5:37.5 (mass ratio)). An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the obtained positive electrode composite powder was used.

(比較例3)
実施例1(3)において、活性炭-単体硫黄複合粉末を使用せずに、アセチレンブラック(AB、細孔を持たない炭素材料、デンカ株式会社製デンカブラック粒状)を0.075g、VGCFを0.050g、硫黄を0.375g、直径10mmのジルコニア製ボール10個と共に、ジルコニア製ポットに投入した他は実施例1と同様にして正極合材粉末を得た(材料A+材料B:硫黄=1:3(質量比)、材料A:材料B:硫黄=0:12.5:37.5(質量比))。得られた正極合材粉末を使用した他は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
(Comparative example 3)
In Example 1 (3), 0.075 g of acetylene black (AB, carbon material without pores, granular Denka Black manufactured by Denka Co., Ltd.) and 0.0 g of VGCF were used without using the activated carbon-elementary sulfur composite powder. A positive electrode composite powder was obtained in the same manner as in Example 1, except that 050 g of sulfur, 0.375 g of sulfur, and 10 zirconia balls each having a diameter of 10 mm were added to a zirconia pot (Material A + Material B: Sulfur = 1: 3 (mass ratio), material A: material B: sulfur = 0:12.5:37.5 (mass ratio)). An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the obtained positive electrode composite powder was used.

(比較例4)
実施例1(1)において、活性炭(MSC-30)をカーボンブラック(ケッチェンブラック(登録商標)、KB、細孔体積4.33cc/g、平均細孔半径6.64nm)に変更した他は、同様にしてカーボンブラック-硫黄複合粉末を作製した。単体硫黄の含有量は全細孔体積の58%である。
実施例1(3)において、気相成長多層カーボンナノチューブ(VGCF(登録商標))を添加せずに、カーボンブラック-単体硫黄複合粉末を0.5g、固体電解質を0.5g、直径10mmのジルコニア製ボール10個と共に、ジルコニア製ポットに投入した他は、同様にして正極合材粉末を得た(材料A+材料B:硫黄=1:5(質量比)、材料A:材料B:硫黄=8.3:0:41.7(質量比))。得られた正極合材粉末を使用した他は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
(Comparative example 4)
In Example 1 (1), the activated carbon (MSC-30) was changed to carbon black (Ketjen Black (registered trademark), KB, pore volume 4.33 cc/g, average pore radius 6.64 nm). A carbon black-sulfur composite powder was produced in the same manner. The content of elemental sulfur is 58% of the total pore volume.
In Example 1 (3), 0.5 g of carbon black-elementary sulfur composite powder, 0.5 g of solid electrolyte, and zirconia with a diameter of 10 mm were used without adding vapor-grown multi-walled carbon nanotubes (VGCF (registered trademark)). A positive electrode composite powder was obtained in the same manner except that it was put into a zirconia pot together with 10 balls (Material A + Material B: Sulfur = 1:5 (mass ratio), Material A: Material B: Sulfur = 8 .3:0:41.7 (mass ratio)). An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the obtained positive electrode composite powder was used.

(実施例4)
実施例1(3)において、気相成長多層カーボンナノチューブ(VGCF(登録商標))の代わりに、アセチレンブラック(AB、細孔を持たない炭素材料、デンカ株式会社製デンカブラック粒状、t-plot法でのミクロ細孔量0cc/g)を0.05g、活性炭-単体硫黄複合粉末を0.45g、固体電解質を0.5g、直径10mmのジルコニア製ボール10個と共に、ジルコニア製ポットに投入した他は、同様にして正極合材粉末を得た(材料A+材料B:硫黄=1:3(質量比)、材料A:材料B:硫黄=7.5:5:37.5(質量比))。得られた正極合材粉末を使用した他は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。アセチレンブラックは細孔を持たない炭素粒子が連なってストラクチャー構造を持つと言われており、実質的にアスペクト比の高い炭素を加えることと同じ効果が期待できる。
(Example 4)
In Example 1 (3), acetylene black (AB, carbon material without pores, Denka Black granules manufactured by Denka Co., Ltd., t-plot method) was used instead of vapor-grown multi-walled carbon nanotubes (VGCF (registered trademark)). 0.05 g of micropore volume (0 cc/g), 0.45 g of activated carbon-elementary sulfur composite powder, 0.5 g of solid electrolyte, and 10 zirconia balls with a diameter of 10 mm were placed in a zirconia pot. obtained a positive electrode composite powder in the same manner (Material A + Material B: Sulfur = 1:3 (mass ratio), Material A: Material B: Sulfur = 7.5:5:37.5 (mass ratio)) . An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the obtained positive electrode composite powder was used. Acetylene black is said to have a structural structure made up of carbon particles without pores, and can be expected to have essentially the same effect as adding carbon with a high aspect ratio.

(実施例5)
実施例1(3)において、気相成長多層カーボンナノチューブ(VGCF(登録商標))の代わりに、カーボンナノファイバー(メルク株式会社製、Carbon nanofibers、幅100nm、長さ20-200μm、公称アスペクト比200~2000、PR-25-XT-HHT、t-plot法でのミクロ細孔量0cc/g)を0.05g、活性炭-単体硫黄複合粉末を0.45g、固体電解質を0.5g、直径10mmのジルコニア製ボール10個と共に、ジルコニア製ポットに投入した他は、同様にして正極合材粉末を得た(材料A+材料B:硫黄=1:3(質量比)、材料A:材料B:硫黄=7.5:5:37.5(質量比))。得られた正極合材粉末を使用した他は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
(Example 5)
In Example 1 (3), carbon nanofibers (manufactured by Merck & Co., Ltd., Carbon nanofibers, width 100 nm, length 20-200 μm, nominal aspect ratio 200 ~2000, PR-25-XT-HHT, 0.05 g of micropore amount (0 cc/g) by t-plot method, 0.45 g of activated carbon-elementary sulfur composite powder, 0.5 g of solid electrolyte, diameter 10 mm A positive electrode composite powder was obtained in the same manner except that it was put into a zirconia pot together with 10 zirconia balls (Material A + Material B: Sulfur = 1:3 (mass ratio), Material A: Material B: Sulfur) =7.5:5:37.5 (mass ratio)). An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the obtained positive electrode composite powder was used.

(実施例6)
実施例1(3)において、気相成長多層カーボンナノチューブ(VGCF(登録商標))を0.025g、活性炭-単体硫黄複合粉末を0.475g、固体電解質を0.5g、直径10mmのジルコニア製ボール10個と共に、ジルコニア製ポットに投入した他は、同様にして正極合材粉末を得た(材料A+材料B:硫黄=1:3.2(質量比)、材料A:材料B:硫黄=9.5:2.5:38(質量比))。得られた正極合材粉末を使用した他は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
(Example 6)
In Example 1 (3), 0.025 g of vapor-grown multi-walled carbon nanotubes (VGCF (registered trademark)), 0.475 g of activated carbon-elementary sulfur composite powder, 0.5 g of solid electrolyte, and zirconia balls with a diameter of 10 mm were used. A positive electrode composite powder was obtained in the same manner except that it was put into a zirconia pot together with 10 pieces (Material A + Material B: Sulfur = 1:3.2 (mass ratio), Material A: Material B: Sulfur = 9 .5:2.5:38 (mass ratio)). An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the obtained positive electrode composite powder was used.

(評価)
[走査型顕微鏡(SEM)]
図1は実施例1(3)で得られた正極合材のSEM像である。正極合材中にVGCFが良好に分散していることが確認できた。
(evaluation)
[Scanning microscope (SEM)]
FIG. 1 is a SEM image of the positive electrode composite material obtained in Example 1 (3). It was confirmed that VGCF was well dispersed in the positive electrode mixture.

[電池特性の評価]
各例で作製した全固体電池の定電流充放電試験を行った。定電流試験のカットオフ電位は0.8-2.2V vs. Li-Inに設定し、電流密度は表1に示す条件とした。
[Evaluation of battery characteristics]
Constant current charging and discharging tests were conducted on the all-solid-state batteries produced in each example. The cutoff potential of the constant current test is 0.8-2.2V vs. Li--In was used, and the current density was set as shown in Table 1.

Figure 2024026930000001
Figure 2024026930000001

表2に材料A及びBの物性を示す。また、表3に実施例1~6と比較例1~4の、2サイクル目(放電時の電流密度:0.147mA)、及び5サイクル目(放電時の電流密度:0.586mA)の硫黄1g当たりの放電容量(mAh/g)を示す。 Table 2 shows the physical properties of materials A and B. Table 3 also shows the sulfur content of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4 at the second cycle (current density during discharge: 0.147 mA) and at the fifth cycle (current density during discharge: 0.586 mA). The discharge capacity per gram (mAh/g) is shown.

Figure 2024026930000002
Figure 2024026930000002

Figure 2024026930000003
Figure 2024026930000003

表3から、実施例のように材料A及びBを組み合わせて使用した場合に、放電容量が大きくレート特性が優れていることが確認できる。また、材料Aの細孔の有無がレート特性に影響することが確認できる。また、材料Bの種類や含有量を変更しても、比較例1及び2より放電容量が大きく、レート特性が優れていることが確認できる。 From Table 3, it can be confirmed that when materials A and B are used in combination as in the example, the discharge capacity is large and the rate characteristics are excellent. It can also be confirmed that the presence or absence of pores in material A influences the rate characteristics. Furthermore, it can be confirmed that even if the type and content of material B were changed, the discharge capacity was larger than that of Comparative Examples 1 and 2, and the rate characteristics were excellent.

本発明の正極合材は、リチウムイオン電池の正極に好適である。また、本発明のリチウムイオン電池は、例えば、パソコン、ビデオカメラ、及び携帯電話等の情報関連機器や通信機器、電気自動車等の車両に用いられる電池等に好適に用いられる。 The positive electrode mixture of the present invention is suitable for a positive electrode of a lithium ion battery. Furthermore, the lithium ion battery of the present invention is suitably used in, for example, batteries used in information-related equipment and communication equipment such as personal computers, video cameras, and mobile phones, and vehicles such as electric cars.

Claims (13)

硫化物固体電解質と、
平均細孔半径が10nm以下である電子伝導性を有する材料Aと、
ラマン測定におけるGバンドの面積とDバンドの面積の比(G/D)が0.6以上の導電性炭素である材料Bと、
前記材料Aの細孔内の少なくとも一部に存在する、単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の少なくとも一方と、を含み、
前記材料A及びBの合計質量(A+B)に対する、前記単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の硫黄の合計質量(S)の比[S/(A+B)]が、2.5以上である、正極合材。
sulfide solid electrolyte,
An electronically conductive material A having an average pore radius of 10 nm or less;
Material B is conductive carbon with a ratio of G band area to D band area (G/D) in Raman measurement of 0.6 or more;
At least one of elemental sulfur and discharge products of elemental sulfur present in at least a portion of the pores of the material A,
A positive electrode, wherein the ratio [S/(A+B)] of the total mass (S) of the elemental sulfur and the sulfur of the discharge product of elemental sulfur to the total mass (A+B) of the materials A and B is 2.5 or more. Composite material.
前記材料Aと、前記材料Bと、前記単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の硫黄の合計質量の比(A:B:S)が、5~15:1~10:30~50である、請求項1に記載の正極合材。 The ratio of the total mass of the material A, the material B, the elemental sulfur and the sulfur of the discharge product of the elemental sulfur (A:B:S) is 5 to 15:1 to 10:30 to 50. The positive electrode composite material according to claim 1. 前記材料Aの平均細孔半径が5nm未満である、請求項1又は2に記載の正極合材。 The positive electrode composite material according to claim 1 or 2, wherein the material A has an average pore radius of less than 5 nm. 前記材料Aが多孔質炭素材料である、請求項1~3のいずれかに記載の正極合材。 The positive electrode composite material according to any one of claims 1 to 3, wherein the material A is a porous carbon material. 前記材料Bのミクロ細孔量が0.1cc/g以下である、請求項1~4のいずれかに記載の正極合材。 The positive electrode composite material according to any one of claims 1 to 4, wherein the material B has a micropore amount of 0.1 cc/g or less. 前記材料Bが炭素繊維である、請求項1~5のいずれかに記載の正極合材。 The positive electrode composite material according to any one of claims 1 to 5, wherein the material B is carbon fiber. 前記材料Aのラマン測定におけるGバンドの面積とDバンドの面積の比(G/D)が0.6未満である、請求項1~6のいずれかに記載の正極合材。 The positive electrode composite material according to any one of claims 1 to 6, wherein the ratio of the area of the G band to the area of the D band (G/D) in Raman measurement of the material A is less than 0.6. 前記材料Aと前記材料Bの合計細孔体積が1.0cc/g以上である、請求項1~7のいずれかに記載の正極合材。 The positive electrode composite material according to any one of claims 1 to 7, wherein the total pore volume of the material A and the material B is 1.0 cc/g or more. 前記単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の硫黄の合計含有量が、前記材料Aと前記材料Bの合計質量1gに対し1.0cc以上である、請求項1~8のいずれかに記載の正極合材。 The positive electrode according to any one of claims 1 to 8, wherein the total sulfur content of the elemental sulfur and the discharge product of the elemental sulfur is 1.0 cc or more per 1 g of the total mass of the material A and the material B. Composite material. 前記単体硫黄及び単体硫黄の放電生成物の硫黄の合計含有量が、前記材料Aと前記材料Bの全細孔体積の70%以上である、請求項1~9のいずれかに記載の正極合材。 The positive electrode composite according to any one of claims 1 to 9, wherein the total sulfur content of the elemental sulfur and the discharge product of the elemental sulfur is 70% or more of the total pore volume of the material A and the material B. Material. 請求項1~10のいずれかに記載の正極合材を含む、リチウムイオン電池用正極。 A positive electrode for a lithium ion battery, comprising the positive electrode composite material according to any one of claims 1 to 10. 請求項11に記載のリチウムイオン電池用正極を含む、リチウムイオン電池。 A lithium ion battery comprising the positive electrode for a lithium ion battery according to claim 11. 平均細孔半径が10nm以下である電子伝導性を有する材料Aと、単体硫黄とを、前記単体硫黄の融点以上の温度で加熱して、材料A-単体硫黄複合粉末とする工程と、
前記材料A-単体硫黄複合粉末と、ラマン測定におけるGバンドの面積/Dバンドの面積が0.6以上の導電性炭素である材料Bと、硫化物固体電解質と、を混合して、正極合材とする工程を含む、正極合材の製造方法。
A step of heating material A having electronic conductivity with an average pore radius of 10 nm or less and elemental sulfur at a temperature equal to or higher than the melting point of the elemental sulfur to form a material A-elementary sulfur composite powder;
The material A - elemental sulfur composite powder, the material B which is conductive carbon with a G band area/D band area of 0.6 or more in Raman measurement, and a sulfide solid electrolyte are mixed, and a positive electrode is formed. A method for producing a positive electrode composite material, including a step of making it into a material.
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