JP4674883B2 - Polysulfide carbon, method for producing the same, and nonaqueous electrolyte battery using the same - Google Patents

Polysulfide carbon, method for producing the same, and nonaqueous electrolyte battery using the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池の活物質などに利用可能なポリ硫化カーボン、その製造方法およびそれを用いた非水電解質電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
市場における携帯式電子デバイスの急速拡大に伴い、その電源として使用される電池の高性能化への要求はますます強くなり、しかも、その一方で、より環境に優しい電池の開発が要求されている。そのような状況の中で、非水電解質電池(一次電池または二次電池)の正極活物質として、低コストで環境負荷が小さく、しかも高容量であるイオウ(硫黄)やその誘導体に対する期待が高まっている。
【0003】
このイオウの二電子反応を電池に利用できるならば、理論的には元素イオウは1675mAh/gという大きなエネルギー密度を有する活物質となる。しかし、イオウは絶縁性の高い物質であり、また可逆性に乏しいため、アルカリ金属−イオウ電池では、実際には低い利用率しか得られないのが現状である。しかも、イオウは高温でしか利用できないため、イオウやその誘導体の高い活性により電池ケースなどが侵食されるという問題があり、民生用の小型電池への応用は困難であると言われている。
【0004】
一方、アルカリ金属の硫化物など、有機溶媒に可溶な無機イオウ化合物も電池の正極活物質として利用されている(特開昭57−145272号公報など)。この無機イオウ化合物を用いた電池では、正極に多孔質のカーボン電極が用いられており、従来のイオウ電池より大電流での放電ができるが、電極を構成するカーボンが放電中に劣化しやすいため、主に一次電池として用いられてきた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
また、非水電解質電池の正極活物質として、炭素とイオウなどを主な構成元素とする有機イオウ化合物の検討も進められており、特表昭60−502213号公報(WO85/01293号)においては、一般式(Ra CSb c (ただし、Rは水素、アルカリ金属または遷移元素)で表される有機イオウ化合物が提案されている。ところが、本発明者らが上記公報に開示の有機イオウ化合物の合成方法について検討したところ、以下に示すような問題を有していることが判明した。
【0006】
すなわち、ポリテトラフルオロエチレンやポリトリフルオロクロロエチレンのようなハロゲン化ポリエチレンやポリアセチレンなどのポリマーにイオウを付加する合成方法では、ハロゲン元素や水素などを完全にイオウで置換することは不可能であり、分子内にハロゲン元素や水素などが多く残存した有機イオウ化合物が生成しやすい。また、付加するイオウの量も制御できないため、均一な構造の化合物を得ることは非常に困難である。このような問題は、上記特表昭60−502213号公報において、実施例1〜3および実施例7に記載された有機イオウ化合物が炭素とイオウ以外の元素を多く含んでいることからも明らかである。
【0007】
なお、特表昭60−502213号公報の実施例6には、組成がCS0.980.009 というほぼ炭素とイオウの二元素のみで構成される生成物も記載されている。しかしながら、本発明者らの詳細な検討によれば、実施例6に記載の合成方法でCS0.980.009 を合成すると、イオウの含有率の低い有機イオウ化合物とポリスルフィド化合物との混合物が得られることが判明した。このポリスルフィド化合物は水洗によって除去することができないため、実施例6に記載の生成物の組成は、実際には、上記混合物の平均組成を表したものと思われる。しかも、出発原料として不飽和結合を含まないポリマーを使用しているため、合成されるイオウ含有率の低い有機イオウ化合物の炭素骨格は基本的に飽和結合の炭素鎖であり、分子内に存在する炭素骨格とのジスルフィド結合(C−S−S−C)の数が少ないため、可逆的な充放電が難しく放電容量も小さい。すなわち、特表昭60−502213号公報に記載の方法では、炭素とイオウの二元素のみからなり、かつイオウの含有割合が高い高容量の有機イオウ化合物を得ることはできない。
【0008】
一方、上記とは別の化合物として、(CSw p (wは2.5〜約50、pは2以上)などの一般式で表される有機イオウ化合物が1000〜1600mAh/gという高いエネルギー密度を有することから注目されている。スコットハイム(Skotheim)らはこの化合物を非水電解質電池の正極活物質として用い、室温下でも高い容量を示す二次電池を提案している〔特開平7−29599号公報(US5441831号)、特表平11−506799号公報(WO96/41388号)、特表平11−514128号公報(WO96/41387号)など〕。この有機イオウ化合物は、硫化ナトリウムとイオウとを反応させ、さらに有機クロライド化合物と反応させる方法、あるいは金属ナトリウムのアンモニア溶液中でアセチレンとイオウとを反応させる方法、金属ナトリウムを触媒として二硫化炭素とジメチルスルホンとを反応させる方法などにより製造することができる。そして、この有機イオウ化合物の分子構造は、主として炭素で形成された共役構造を有する骨格と、その骨格に結合した−Sm −(m≧3)で表される構造(以下、「ポリスルフィドセグメント」と記載する)を有することを特徴としている。
【0009】
しかしながら、上記一般式(CSw p で表される有機イオウ化合物は合成過程で分子設計ができないため、得られる化合物のイオウ含率などを制御することが困難であり、単一構造の化合物が得られないという問題があった。
【0010】
また、生成した化合物には、一般に低分子量または高分子量のポリスルフィド化合物が多く混在しており、式(CSw p 中のpの値が大きくなるほど前記共役構造の割合が減少し、ポリスルフィド化合物の割合が増える傾向がある。このポリスルフィド化合物や、上記有機イオウ化合物の分子内のポリスルフィドセグメントは、特に電解液(液体電解質)を用いた電池では、充放電時に分解して電解液中に溶解しやすく、化合物自体の安定性やそれを用いる電池の安定性を欠く大きな要因となる。その結果、電池の自己放電が比較的大きくなるだけでなく、充放電の可逆性を阻害する金属硫化物が形成され、電池のサイクル寿命が短くなるという問題が生じていた。
【0011】
本発明は、上記のような従来の有機イオウ化合物の問題点を解消し、可逆性が高く、高容量で安定性が優れたポリ硫化カーボンとその製造方法を提供し、さらにこれを活物質として用いることにより、充放電サイクル特性や信頼性が優れた高容量の非水電解質電池を実現することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、炭素とイオウを主な構成元素としポリスルフィドセグメントを有する有機イオウ化合物を基にして、ほぼ炭素とイオウの二元素のみからなり、イオウの含有比率が高く、従来の有機イオウ化合物よりも分子構造の単一性の高い新規な有機イオウ化合物(ポリ硫化カーボン)を製造する方法を見出し、それに基づき、本発明を完成するにいたった。
【0013】
すなわち、本発明の一つは、炭素とイオウを主な構成元素とし、イオウの重量比率が67重量%以上でかつ炭素とイオウの重量比率の合計が95重量%以上であって、そのラマンスペクトルにおいて、ラマンシフトの1444cm-1付近に主ピークが存在し、かつ400cm-1〜525cm-1の範囲に存在するピークが実質的に490cm-1付近のピークのみであることを特徴とするポリ硫化カーボンである。
【0014】
また、本発明の他の一つは、炭素とイオウを主な構成元素とし、イオウの重量比率が67重量%以上でかつ炭素とイオウの重量比率の合計が95重量%以上であって、そのCuKα線によるX線回折において、回折角(2θ)が20°〜30°の範囲の回折パターンが、実質的に25°付近にピークを有するブロードな回折ピークのみで表されることを特徴とするポリ硫化カーボンである。
【0015】
本発明のさらに他の一つは、炭素とイオウを主な構成元素とし、イオウの重量比率が67重量%以上でかつ炭素とイオウの重量比率の合計が95重量%以上であって、室温から300℃まで10℃/分の速度で加熱した際の熱重量分析による重量減少が5%以下であることを特徴とするポリ硫化カーボンである。
【0016】
このような炭素とイオウを主な構成元素とし、イオウの重量比率が67重量%以上でかつ炭素とイオウの重量比率の合計が95重量%以上であって、かつ上記特定の物性を有するポリ硫化カーボンは、非水電解質電池の活物質として用いたときに高容量であり、可逆性が高く、かつ充放電サイクルに伴う容量低下が少ないため、信頼性の高い一次電池または二次電池を提供することができる。
【0017】
上記ポリ硫化カーボンは、例えば、炭素とイオウを主な構成元素とし、−Sm −(m≧3)で表されるポリスルフィドセグメントを有する有機イオウ化合物に対し、そのポリスルフィドセグメント構造を構成するイオウの一部を除去して、ジスルフィド結合に変化させることによって合成することができる。
【0018】
また、上記ポリ硫化カーボンは、例示のような非水電解質電池の活物質だけでなく、例えば、キャパシタなどの他の電気化学素子や、情報記憶素子、表示素子、電子材料などにも利用可能である。
【0019】
【発明の実施の形態】
次に、本発明のポリ硫化カーボンの製造方法についての詳細と、非水電解質電池の活物質としての利用について具体的に説明する。
【0020】
炭素とイオウを主な構成元素とし、イオウの重量比率が67重量%以上でかつ炭素とイオウの重量比率の合計が95重量%以上であって、かつ上記特定の物性を有するポリ硫化カーボンは、例えば、次の方法によって合成することができる。まず、硫化ナトリウムなどのアルカリ金属硫化物とイオウをアルコール、アセトン、水などの溶媒中で、おおよそ0℃〜50℃の温度範囲で10分〜10時間程度反応させた後、真空中で溶媒を揮発させて反応物を取り出す。次いで、これをN−メチル−2−ピロリドンなどの有機溶媒中で、おおよそ0℃〜50℃の温度範囲で10分〜3時間程度ヘキサクロロブタジエンなどのハロゲン化不飽和炭化水素と反応させる。その後、反応生成物を純水および有機溶媒で数回洗浄し、おおよそ10℃〜80℃で真空乾燥させることにより、中間生成物として茶色の固体化合物を得る。この茶色の固体化合物は、その分子中に多数のポリスルフィドセグメントを有しており、前記の特表平11−514128号公報などに記載された有機イオウ化合物に相当するものである。また、合成反応の過程で生じるポリスルフィド化合物が多く混在していることも確認されている。この中間生成物を得る方法としては、上記方法以外にも、従来公知の種々の有機イオウ化合物の合成方法を採用することができる。
【0021】
次に、上記中間生成物をアルミナ(酸化アルミニウム)などで作られた耐熱容器に入れ、真空中あるいは不活性雰囲気中で加熱することにより、中間生成物に含まれているポリスルフィド化合物などの不純物を蒸発させ、また、有機イオウ化合物分子中のポリスルフィドセグメントを切断して、余分なイオウを蒸発させて除去し、ほぼ炭素とイオウとの二元素のみからなり、分子内のほとんどあるいはすべての炭素原子がイオウ原子との結合を形成し、しかもイオウ原子のほとんどあるいはすべてが酸化および還元に対する高い可逆性を有するジスルフィド結合を形成した構造のポリ硫化カーボンが得られる。このようなポリ硫化カーボン中のイオウの含有比率は、重量比で2/3以上、すなわち、67重量%以上と高い値となる。
【0022】
この化合物の分子構造を具体的に説明すると、次の式(1)で表される繰り返し単位を有する構造が推定され、さらに炭素鎖間の結合は、例えば、式(2)で表されるジスルフィド結合によりなされているものと推定される。
【化1】

Figure 0004674883
【化2】
Figure 0004674883
【0023】
上記ポリ硫化カーボンの分子内に炭素の二重結合(C=C)やイオウのジスルフィド結合(C−S−S−C)が存在することは、後に詳記するラマン分析などによって確認することができる。
【0024】
上記の加熱処理においては、加熱中の化合物の酸化を防ぐため、加熱雰囲気は酸素濃度の低い状態が好ましく、真空中かあるいは酸素濃度を低減した(例えば、400ppm以下にした)不活性ガス雰囲気中などで加熱処理するのが好ましい。
【0025】
上記加熱温度としては、おおよそ300℃〜430℃が好ましく、320℃〜410℃がより好ましいが、加熱を真空中あるいは減圧雰囲気中で行う場合は、より低温でも行うことができる。また、加熱時間は加熱処理の温度や雰囲気により調整すればよいが、おおよそ10分〜5時間が適当である。中間生成物の組成、加熱温度や加熱時間などの相違により、得られるポリ硫化カーボンの組成は若干異なるが、イオウを重量比率で67重量%以上含有することにより高容量化が容易となり、化学的安定性の点からは炭素およびイオウ以外の元素の含有量が少ないこと、すなわちイオウと炭素の重量比率が95重量%以上であることが好ましい。
【0026】
さらに、上記ポリ硫化カーボンの炭素とイオウの原子比率を1:xとしたときに、xが0.9〜1.5の範囲にある化合物は、分子構造の単一性が高く、充放電における可逆性が優れ、高容量な活物質となるために好ましく、xが1.3以下であることがより好ましい。特にxが1.1以下の場合は、可逆的な充放電を可能にするジスルフィド結合の存在割合を最も高くできるため、高容量で安定性が最も優れた化合物となる。また、容量の点からは、xは0.95以上が好ましく、さらに1以上とすることにより最も好ましい化合物となる。これは、xの値が小さくなると、充放電に関与するジスルフィド結合以外に、充放電に関与しないC−S−C結合が分子内に導入されるからであり、また、xが1.5より大きい化合物では、分子内にポリスルフィドセグメントが多く導入されてしまうからである。
【0027】
また、上記ポリ硫化カーボンには、その化学的安定性や充放電の可逆性を害しない範囲で炭素およびイオウ以外の元素を含有してもよく、水素、窒素、ホウ素やハロゲン元素などを有する化合物とすることもできるが、炭素とイオウの二元素のみで構成されていることがより好ましい。例えば、ポリ硫化カーボンを一般式(CSx n で表した場合、xは0.9〜1.5で、nは4以上となる化合物が好ましい。nが3でジスルフィド結合を有するポリ硫化カーボンの合成は困難であり、たとえ合成できたとしても安定性に劣り有用性は低いと考えられる。本発明のポリ硫化カーボンは、有機溶剤などに対する耐性が優れていて、その分子量を測定することが困難であるため、上記一般式におけるnの値を正確に求めることは難しいが、このnは4以上であることが好ましく、加工性を考えるとnは100以上であることがより好ましい。また、nはいくら大きくなっても何ら問題が生じないと考えられるが、通常、nが10万程度のものまでが合成しやすく実用的である。上記したnが4以上のポリ硫化カーボンは、例えば、主鎖の炭素数が4以上のハロゲン化不飽和炭化水素を用いて合成することにより得ることができる。
【0028】
また、上記ポリ硫化カーボンは、前述の方法以外に、ポリスルフィドセグメントを有する有機イオウ化合物を容器中で非水性溶媒に接触させるか、またはその非水性溶媒の蒸気に接触させることにより、カーボン骨格に繋がっていないイオウのセグメントと他の不純物を溶出し、かつカーボン骨格に繋がっていても不安定な長いイオウのセグメントを切断して除去することによっても得ることができる。すなわち、ポリスルフィドセグメントを有する有機イオウ化合物は、上記のような非水性溶媒との接触により、ほぼカーボンとイオウの二元素からなり、式(1)で表される繰り返し単位を主体とするポリ硫化カーボンに変化する。この溶媒抽出処理においては、溶媒の引火点を配慮して、雰囲気は酸素濃度の低い状態が好ましく、酸素濃度を400ppm以下に低減した不活性ガス雰囲気中で処理することがより好ましい。
【0029】
上記溶媒抽出処理に使用する溶媒は、イオウやポリスルフィドセグメントを有するイオウ化合物に対して優れた溶解性を有する非水性有機溶媒であることが好ましい。特に、カーボン骨格に繋がっている不安定な長いイオウのセグメントを切断して除去するためには、強いドナー性の非水性有機溶媒であることが好ましい。具体例としては、例えば、トルエン、ベンセンなどの芳香族系溶媒、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、テトラメチルエチレンジアミン、ジオキソラン、テトラグリム(tetraglyme)などの分子内に酸素または窒素を含有する脂肪族系または脂環族系の低分子量溶媒や、二硫化炭素、ジメチルスルホキシド、スルホランなどのイオウを含有する溶媒などが挙げられる。また、これらの溶媒からなる混合溶媒でもよい。前記の溶媒の中でも、特にジメチルスルホキシド、二硫化炭素、テトラヒドロフラン、トルエン、テトラグリムなどが好ましい。なお、上記のテトラグリムはビス〔(2−メトキシエトキシ)エチル〕エーテルと称される有機溶媒である。
【0030】
上記溶媒による抽出温度は、特に限定されることはないが、室温から溶媒の沸点までの温度であり、特に溶媒を環流しながら抽出を行うことが好ましい。また、抽出時間は、温度および中間生成物である有機イオウ化合物の分子量にも依存するが、おおよそ10分〜5時間が適当である。温度が高くなるほど、また中間生成物の分子量が小さいほど、抽出時間を短縮することができる。
【0031】
上記ポリ硫化カーボンのラマン分析はアルゴンレーザーを光源として行われるが、本発明のポリ硫化カーボンは、そのラマン分析により得られるラマンスペクトルにおいて、ラマンシフトの1444cm-1付近に主なピークが存在し、かつ400cm-1〜525cm-1の範囲に存在するピークが実質的に490cm-1付近のピークのみであることを特徴とする。ここで、1444cm-1付近の主ピークはカーボン骨格中の炭素の不飽和結合(C=C結合)に基づくものであり、ラマンスペクトルにおいてこのピークが最大強度となる。また、上記400cm-1〜525cm-1の範囲には、カーボン骨格と繋がったジスルフィド結合に由来するピーク、あるいはポリスルフィドセグメントに由来するピークが現れるが、490cm-1付近のピークはジスルフィド結合に由来するピークであり、ポリスルフィドセグメント中のS−S結合に由来するピークは、これとは別の位置に現れる。本発明において、「実質的に490cm-1付近のピークのみ」としたのは、490cm-1付近のピーク以外に微小なピークが存在していてもかまわないという意味である。すなわち、本発明のポリ硫化カーボンにおいては、その分子内にポリスルフィドセグメントが存在しないこと、すなわち、前記400cm-1〜525cm-1の範囲内には490cm-1付近のピーク以外のピークが存在しないことが好ましいが、要求される特性を劣化させない範囲内で、分子内に少量のポリスルフィドセグメントが存在していてもよいことを意味している。ここで、1444cm-1付近とはおおよそ1444cm-1±20cm-1の範囲に相当し、490cm-1付近とはおおよそ490cm-1±20cm-1の範囲に相当する。
【0032】
これに対し、従来の有機イオウ化合物のラマンスペクトルでは、400cm-1〜525cm-1の範囲に多数のピークが重なり合っている様子が認められる。これは、分子内に−Sm −(m≧3)で表されるポリスルフィドセグメントが多く存在することを示しており、mは種々の値を有しているものと考えられる。一方、490cm-1付近のピークは明瞭ではなく、分子内にはジスルフィド結合はほとんど存在していないと考えられる。また、従来の有機イオウ化合物では、1444cm-1付近のピークもブロードであるが、本発明のポリ硫化カーボンでは、それよりシャープであって、その組成と構造がより単一に近い化合物となっている。
【0033】
上記ポリ硫化カーボンについて、CuKα線を用いたX線回折を行うと、回折角(2θ)で20°〜30°の回折パターンは、実質的に、25°付近にピーク位置を有する半値幅がおおよそ1.5°〜5°くらいの一つのブロードな回折ピークのみで表すことができる。すなわち、前記回折角の範囲では、実質的に、前記回折ピークが一つ存在するだけである。「実質的に」と記載したのは、完全に一つだけである必要はなく、ポリスルフィドセグメントに由来するピークすなわちイオウで同定されるピークが観察されないことが好ましいが、観察されても微弱(ピーク強度が前記ピークのおおよそ1/10以下)であるものは本発明において許容されることを意味する。ここで、25°付近とはおおよそ25°±3.5°の範囲に相当する。
【0034】
また、上述した方法を用いてポリ硫化カーボンを合成した場合、中間生成物である有機イオウ化合物の生成過程においてアルカリ金属のハロゲン化物も副生成物として生じるため、中間生成物あるいは最終的に得られるポリ硫化カーボンの洗浄を行った場合でも、ポリ硫化カーボンに少量の塩化ナトリウムなどが混在することもある。そのため、X線回折パターンにアルカリ金属のハロゲン化物のピークが現れることがあるが、この回折ピークは除外して考えればよい。
【0035】
上記X線回折パターンにおいて、25°付近のピークは、次の式(3)
【化3】
Figure 0004674883
で表されるジスルフィド結合により形成される平面がさらに層状構造を形成し、その層状構造により生じた回折ピークであると推定される。ピークがブロードな形になるのは、主として炭素で構成される主鎖が回転可能であるため、一つの分子内に存在する複数のジスルフィド結合により形成されるそれぞれの平面が、すべて同一平面になるわけではないことや、合成されるポリ硫化カーボンの分子量が一定の分布を有していることなどの理由によるものと考えられる。もちろん、上記理由から、このピークが完全に一つのピークとならずに若干の分離が生じることも考えられるが、全体としてほぼ一つのピークを形成していればよい。このピークの回折角から求まる層間距離は、0.3〜0.44nm程度であり、黒鉛の層間距離(0.335nm)に近い値であるため、上記層状構造の層間ヘリチウムがインターカレートすることが考えられる。
【0036】
これに対して、本発明における中間生成物をはじめとする従来の有機イオウ化合物では、そのX線回折パターンには多数のピークが存在しているが、そのほとんどすべてが遊離したイオウまたはポリスルフィドセグメントのイオウによる回折ピークである。イオウに基づく回折ピーク以外の回折ピークは強度が小さいため判別しにくく、ポリスルフィドセグメントを有する従来の有機イオウ化合物は、本発明のポリ硫化カーボンより結晶性が低いと考えられる。
【0037】
さらに、従来の有機イオウ化合物では、窒素雰囲気下で熱重量−示差熱分析(TG−DTA)を行うと、イオウに基づく122.7℃と314℃の強い吸熱ピークが存在し、また、温度の上昇とともに200℃付近から重量減少も生じるが、本発明のポリ硫化カーボンでは、上記122.7°と314°のピークが消失し、また、より高温まで重量減少が生じない。例えば、本発明のポリ硫化カーボンは、室温から300℃まで10℃/分の昇温速度で加熱した際の重量減少が5%以下という優れた熱的安定性を示す。従って、結晶性がよく化学的安定性にも優れた本発明のポリ硫化カーボンを非水電解質電池の正極活物質として用いた場合は、充電あるいは放電における活物質の分解と、それに伴う電解液へのイオウの溶出および硫化物の生成が抑制されるため、長期にわたり良好な可逆性を維持することができる。
【0038】
本発明のポリ硫化カーボンを非水電解質電池の正極活物質として用いた場合、その理論容量はおおよそ550〜890mAh/gであり、非水電解質電池の正極活物質として最も汎用されているLiCoO2 (137mAh/g)の4倍以上の高容量化を実現できる。また、本発明のポリ硫化カーボンは、上記のような非水電解質電池の正極活物質としての用途以外に、負極活物質としての利用、あるいはその化学的安定性、半導電性、光吸収性などの特性を生かして、情報記憶素子、表示素子、電子材料などへの利用も可能であると考えられる。
【0039】
次に、本発明のポリ硫化カーボンを正極活物質として用いた非水電解質電池(二次電池)の作製について述べる。
【0040】
正極は、上記のポリ硫化カーボンと、必要に応じて用いる導電助剤、バインダー、添加剤などとで構成されるが、上記導電助剤としては、例えば、黒鉛、カーボンブラックのような炭素質材料や、導電性ポリマーなどが好適に用いられる。特に導電性ポリマーを含有させた場合は、大電流負荷での特性向上が期待できる。上記導電性ポリマーとしては、例えば、ポリアセン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロールなどのような共役構造を有するポリマーやそれらのメチル、ブチル、ベンジルなどの側鎖を有する誘導体などが好適に用いられる。
【0041】
上記バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、無定形ポリエーテル、ポリアクリルアミド、ポリ−N−ビニルアセトアミド、溶媒に溶解性を有するポリアニリン、ポリピロールまたはそれらのポリマーの構成モノマー間もしくは他のモノマーとのコポリマーまたは架橋により形成される化合物などが挙げられ、これらは正極活物質に対して化学的に安定でかつ強い接着力を有する高分子化合物であることが好ましい。
【0042】
また、正極の構成要素として、ニッケル、ニッケル合金、ニッケル複合体またはニッケル化合物のいずれかを含む場合は、ポリ硫化カーボンとの相互作用により正極の充放電可逆性が向上する。そのようなニッケル合金としては、例えば、LaNi5 、LaNi4.6 Al0.4 、V−Ti−Ni合金などが挙げられ、ニッケル複合体としては、例えば、ニッケルをアルミニウム箔、ステンレス鋼箔などの表面に蒸着したもの、ニッケルをポリプロピレンシート、ポリエチレンテレフタレートシート、ポリブチレンテレフタレートシートなどに蒸着したものなどのニッケルと無機材料または有機高分子材料との複合体などが挙げられ、ニッケル化合物としては、例えば、NiS、Ni2 2 、NiS2 などのニッケルの硫化物などが挙げられる。中でも、一般式NiSz (zは1〜5である)で表される化合物が好ましく用いられる。これは、上記化合物が正極活物質としても作用すると考えられるからである。
【0043】
上記ニッケル、ニッケル合金、ニッケル複合体またはニッケル化合物は、添加剤として正極合剤中に含有させればよく、正極合剤中の含有量は0.5〜40重量%とすることが好ましく、3〜25重量%とすることがより好ましい。この場合は、0.1〜10μmの粒子径のものを用いることが好ましい。また、ニッケルは電子伝導体としても機能するため、上記ニッケル系添加剤と併用してあるいは前記ニッケル系添加剤のかわりに、例えば、発泡体状あるいはシート状のニッケルを正極の集電体とするか、あるいは、ニッケルのリボンをリード体として使用することもできる。ニッケルを正極の集電体として用いた場合は、非水電解質電池の正極集電体として通常用いられるアルミニウムの場合に比べて、充放電サイクル特性を向上させることができる。また、電池の外装缶を正極の出力端子とする場合は、外装缶をニッケル缶、ニッケル合金缶またはニッケルメッキ層を有する金属缶としてもよい。
【0044】
正極は、例えば、前記ポリ硫化カーボンからなる正極活物質に、必要に応じて、前記の導電助剤やバインダーなどを加え、混合して正極合剤を調製し、それを溶剤に分散させてペーストにし(バインダーはあらかじめ溶剤に溶解させてから正極活物質などと混合してもよい)、その正極合剤含有ペーストを金属箔などからなる正極集電体に塗布し、乾燥して、正極集電体の少なくとも一部に正極合剤層を形成する工程を経ることによって作製される。ただし、正極の作製方法は、上記例示の方法に限られることなく、他の方法によってもよい。
【0045】
負極の活物質としては、例えば、リチウム、ナトリウムなどのアルカリ金属、カルシウム、マグネシウムなどのアルカリ土類金属、それらとアルミニウムなどとの合金、黒鉛などの炭素質材料、スズ(錫)またはケイ素(珪素)などのリチウムと合金化可能な元素かまたはそれらを含む酸化物、リチウム含有窒素化合物、ポリアセン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリチオフィン、ポリピロールなどのような共役構造を有するポリマーやそれらのメチル、ブチル、ベンジルなどの側鎖を有する誘導体などからなる導電性ポリマーなどを用いることができる。
【0046】
負極の作製方法は、用いる負極活物質の種類によって大別して2つに分けられる。その一つは、負極活物質として金属や合金を用いる場合、金網、エキスパンドメタル、パンチングメタルなどの金属多孔体からなる負極集電体に負極活物質としての金属や合金を圧着して負極を作製する方法が採用される。そして、負極活物質として炭素質材料などを用いる場合は、上記炭素質材料などからなる負極活物質に、必要に応じて、正極の場合と同様の導電助剤やバインダーなどを加え、混合して負極合剤を調製し、それを溶剤に分散させてペーストにし(バインダーはあらかじめ溶剤に溶解させておいてから負極活物質などと混合してもよい)、その負極合剤含有ペーストを銅箔などからなる負極集電体に塗布し、乾燥して、負極集電体の少なくとも一部に負極合剤層を形成する工程を経ることによって作製される。ただし、負極の作製方法は、上記例示の方法に限られることなく、他の方法によってもよい。
【0047】
非水電解質としては、非水系の液状電解質(以下、「電解液」という)、ポリマー電解質、固体電解質のいずれも用いることができる。
【0048】
上記電解質として、まず、電解液から説明すると、電解液は非水性溶媒成分に電解質塩を溶解させることによって構成される。
【0049】
この溶媒成分としては、エーテル、エステル、カーボネート類などが好適に用いられる。特に誘電率が高いエステル(誘電率30以上)を混合して用いることが好ましい。このような誘電率が高いエステルとしては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、エチレングリコールサルファイトなどのイオウ系エステルなどが挙げられ、特に環状のエステルが好ましく、とりわけエチレンカーボネートなどの環状カーボネートが好ましい。
【0050】
また、上記溶媒以外にも、例えば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ビニレンカーボネート、プロピオン酸メチルなどの鎖状のアルキルエステル類やリン酸トリメチルなどの鎖状リン酸トリエステルなどを用いることができ、そのほか、1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、2−メチル−テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、テトラグリムなども用いることができる。さらに、アミン系またはイミド系有機溶媒やスルホラン、ジメチルスルホキシドなどの含イオウ有機溶媒なども用いることができる。
【0051】
また、電解液への添加剤としてC=C不飽和結合を有する化合物を電解液中に添加すると、サイクル特性の低下を抑制できる場合がある。このような不飽和結合を有する化合物としては、例えば、C6 5 6 11(シクロヘキシルベンゼン)などの芳香族化合物や、H(CF2 4 CH2 OOCCH=CH2 、F(CF2 8 CH2 CH2 OOCCH=CH2 などのフッ素化された化合物が挙げられる。
【0052】
上記溶媒成分に溶解させる電解質塩としては、例えば、リチウム、ナトリウムなどのアルカリ金属やマグネシウムなどのアルカリ土類金属のハロゲン塩または過塩素酸塩、有機ホウ素リチウム塩、トリフロロメタンスルホン酸塩を代表とする含フッ素化合物の塩、イミド塩などが好適に用いられる。このような電解質塩の具体例としては、例えば、LiF、LiClO4 、Mg(ClO4 2 、LiPF6 、LiBF4 、LiB(OC6 4 COO)2 、LiCF3 SO3 、LiC4 9 SO3 、LiCF3 CO2 、Li2 2 4 (SO3 2 、LiN(CF3 SO2 2 、LiN(RfSO2 )(Rf′SO2 )、LiN(RfOSO2 )(Rf′OSO2 )、LiC(RfSO2 3 、LiCn 2n+1SO3 (n≧2)、LiN(RfOSO2 2 〔ここでRfとRf′はフルオロアルキル基〕などが挙げられ、これらはそれぞれ単独でまたは2種以上混合して用いることができる。そして、この電解質塩としては、特に炭素数2以上の含フッ素有機リチウム塩またはイミド塩が好ましい。これは、上記含フッ素有機リチウム塩はアニオン性が大きく、かつイオン分離しやすいので、上記溶媒成分に溶解しやすいからであり、また、イミド塩は安定性が優れているからである。電解液中における電解質塩の濃度は、特に限定されるものではないが、0.5mol/l以上が好ましく、1.7mol/l以下が好ましい。
【0053】
ポリマー電解質は、上記電解液をゲル化したものに相当する。そのゲル化にあたっては、例えば、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、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリルニトリルなどの直鎖状ポリマーまたはそれらの構成モノマー間もしくは他のモノマーとのコポリマー、多官能モノマー(例えば、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレートなどの四官能以上のアクリレートなど)より得られるポリマー化合物やアミン化合物とウレタンとの反応により得られるポリマー化合物などが用いられる。また、固体電解質としては、無機系のものと有機のものとがあり、無機系固体電解質としては、例えば、ナトリウムβアルミナ、60LiI−40Al2 3 、Li3 N、5LiI−4Li2 S−2P2 5 、Li3 N−LiIなどが挙げられ、また、有機系固体電解質としては、例えば、無定形、低相転移温度(Tg)のポリエーテル、無定形フッ化ビニリデンコポリマー、異種ポリマーのブレンドした物などが挙げられる。
【0054】
本発明においては、前記ポリ硫化カーボンの可逆性および充放電での利用率をさらに向上させるために、電池内、特に正極または電解質に、前記ポリ硫化カーボン以外の有機イオウ化合物、−Sy −(y≧3)で表される構造を有する化合物、リチウムの硫化物またはイオウのいずれかを含有させてもよい。特にリチウムの硫化物を含有させた場合には、以下のような相互作用が発揮されるため好適な特性が得られる。
【0055】
すなわち、前記ポリ硫化カーボンとリチウムの硫化物とが電池内に共存する場合、ポリ硫化カーボンがリチウムの硫化物に対して高い触媒活性を示すため、リチウムの硫化物が可逆性に優れた活物質として作用するようになり、一方、リチウムの硫化物の存在によりポリ硫化カーボンの可逆性も高められるため、電池の高容量化と大電流での充放電におけるサイクル特性の向上を実現できる。上記リチウムの硫化物としては、一般式Li2 t (t≧2)で表される化合物などを用いることができ、具体的には、Li2 4 、Li2 8 、Li2 18 などが挙げられる。
【0056】
上記リチウムの硫化物は、電池内に存在すればよいが、正極または電解質に含有させることが好ましく、中でも電解液(液状電解質)に溶解させた状態で存在させることが最も好ましい。これは、リチウムの硫化物が電解液中の非水性溶媒への溶解性を有しており、電解液以外の構成部材に含有させても電解液に溶出し、正極においてポリ硫化カーボンと共に活物質として作用するからである。正極中に含有させた場合には、その体積分だけポリ硫化カーボンの充填量を減じる必要があるが、電解液中に含有させた場合には、正極のポリ硫化カーボンの充填量を低減する必要がないので、実質的に正極活物質の総量が増加することになり、電池の高容量化を容易に達成できる。
【0057】
もちろん、この場合には、電解液の非水性溶媒として、リチウムの硫化物に対する溶解性の高い溶媒を用いることが好ましく、通常、その溶媒成分は、リチウムの硫化物に対する良好な溶解性を有する主溶媒と、必要に応じて用いられる副溶媒とで構成される。前記主溶媒の具体例としては、例えば、トルエン、ベンゼンなどの芳香族系溶媒、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、1,2−ジメトキシエタン、テトラメチルエチレンジアミン、ジオキソラン、2−メチル−テトラヒドロフラン、テトラグリムなどの分子内に酸素または窒素を含有する脂肪族系または脂環族系の低分子量溶媒、ジメチルスルホキシド、スルホランなどのイオウを含有する溶媒などが挙げられ、これらの溶媒はそれぞれ単独でまたは2種以上の混合溶媒として用いることができる。また、これらの溶媒の中でも、特にジメチルスルホキシド、スルホラン、テトラヒドロフラン、テトラグリムのようなドナー性(電子供与性)の強い溶媒が好ましく、とりわけ、これらのドナー性の強い溶媒をテトラヒドロフラン、ジオキソランなどの低粘度エーテルと組み合わせて用いることが好ましい。もちろん、この主溶媒だけで非水性溶媒を構成することもできる。
【0058】
上記助溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトンなどのエステルが用いられ、また、エチレングリコールサルファイトなどのイオウ系エステルなども用いることができる。さらに、これら以外にも、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピオン酸メチルなどの鎖状エステル、リン酸トリメチルなどの鎖状リン酸トリエステルやジエチルエーテルなども用いることができる。これらの助溶媒の添加により電解質のイオン伝導度は高まるが、リチウムの硫化物の溶解度を低下させる傾向があるので、副溶媒の添加量としては、主溶媒の性質にもよるが、全構成溶媒中の20重量%以下が好ましい。
【0059】
また、一般式Li2 t (t≧2)で表されるリチウムの硫化物は、tの値が大きくなるほど電解液への溶解度が低下し、また電解液の粘度を上昇させてイオン伝導度を低下させる傾向があるため、tの値が50以下の硫化物が実用的であり、さらに20以下の硫化物がより好適である。
【0060】
ここで、リチウムの硫化物の電解液中での濃度は、使用する溶媒の種類および硫化物の組成にもよるが、0.01mol/l以上が好ましく、10mol/l以下が好ましい。特に0.1mol/l以上とすることにより電池の放電容量が大幅に増加し、4mol/l以下にすることにより電解液のイオン伝導度およびポリ硫化カーボンの利用率を好適に保つことができる。
【0061】
【実施例】
次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はそれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、以下の実施例において、溶液または分散液の濃度を示す%や、組成、収率などを示す%は、特にその基準を付記しないかぎり重量%を表している。
【0062】
実施例1
硫化ナトリウムの九水和物(Na2 S・9H2 O)100gを、体積比1:1で混合したエタノールと水との混合溶媒300mlに溶解させ、これに53.4gのイオウを添加して室温下で1時間反応させた。次いで、溶媒を真空中で除去した後、残留物をN−メチル−2−ピロリドン700mlに溶解させ、ヘキサクロロブタジエンを17.2g添加して、室温下で1時間反応させた。その後、純水、アセトンおよびエタノールを用いて充分に洗浄し、真空中で40℃に保ちながら15時間乾燥して、中間生成物として茶色の化合物を得た。この化合物の合成方法は、特表平11−506799号公報の実施例に記載の方法とほぼ同一である。
【0063】
得られた化合物について元素分析を行い、その平均組成を求めた。その結果、C:7.0%、S:92.3%、N:0.2%以下、H:0.3%以下であった。これに対応する一般式は(CS4.9 n であった。前記C、N、Hの分析結果は、全自動元素分析装置〔シーベルヘグナ社製、vario EL〕により、試料分解炉温度:950℃、還元炉温度:500℃、ヘリウム流量:200ml/分、酸素流量:20〜25ml/分の条件下で元素分析を行った結果によるものであり、また、前記Sの分析結果は、フラスコ燃焼法−酢酸バリウム測定で、指示薬としてトリンメチレンブルーを用いて元素分析を行った結果によるものである。
【0064】
次に、上記中間生成物10gを船形のアルミナ(酸化アルミニウム)容器に入れ、その中間生成物を入れたアルミナ容器をアルミナ加熱炉の炉心に置き、酸素濃度が100ppm以下になるまで純度99.999%のアルゴンガスで置換した後、アルゴンガスを流しながら、以下に示す条件で温度を変化させて最終的に380℃で加熱処理を行った。すなわち、室温から60℃まで0.5時間で昇温を行い、60℃で1時間保持し、次いで380℃まで2時間で昇温を行い、380℃で1時間保持して加熱処理を行うことにより、中間生成物中のイオウの一部を除去することによって、中間生成物をポリ硫化カーボンに変化させた。
【0065】
処理後に室温まで冷却してから反応生成物をアルミナ容器中から取り出し、外観が黒鉛に似た金属光沢を有する黒色のポリ硫化カーボン約3gを得た。元素分析の結果、このポリ硫化カーボンの組成は、C:26.0%、S:73.9%であり、一般式で表すと(CS1.06n となった。上記ポリ硫化カーボンの合成にあたって反応成分として用いたヘキサクロロブタジエンが炭素数4の化合物であることから、上記ポリ硫化カーボンの一般式(CS1.06n のn値は4以上であり、主として4の倍数の化合物であると推定される。
【0066】
次に、このポリ硫化カーボンについて、以下の装置および条件によりラマン分析を行った。その結果を図1に示す。
装置:Ramaonor T−6400(Jobin Yvon/愛宕物産)光源:Arレーザー〔GLG3460(514.5nm、出力:1mW(NEC)〕
【0067】
図1において、横軸はラマンシフト(cm-1)であり、縦軸は相対強度であるが、このポリ硫化カーボン(CS1.06n のラマン分析の結果は、図1に示すように、1444cm-1に炭素の不飽和結合(C=C結合)に基づく主ピークを有し、また400cm-1〜525cm-1の範囲内に存在するピークは、490cm-1のピークのみであった。すなわち、上記ポリ硫化カーボンには、ジスルフィド結合に基づくピークのみで、ポリスルフィドセグメントに基づくピークは認められなかった。一般に、炭素に繋がるジスルフィド結合の場合は、505cm-1付近にジスルフィド結合に基づくピークが現れるが、本発明のポリ硫化カーボンでは、上記炭素の不飽和結合(C=C結合)の影響を受けてピーク位置がシフトしたものと推定される。
【0068】
また、上記ポリ硫化カーボンについて粉末X線回折装置〔RINT2000(リガク社製)〕により、CuKα線を用いてX線回折測定を行った。測定条件は、電圧:40kV、電流:150mA、スキャン速度:2°/分、サンプリング:0.02°、積算回数:5回で、回折角(2θ)が10°〜80°の範囲で測定を行った。上記X線回折測定により得られたポリ硫化カーボン(CS1.06n の回折パターンを図2に示すが、回折角(2θ)が20°〜30°の範囲では、25°付近にピーク位置を有するブロードな回折ピークだけが観察された。なお、31.8°および45.5°のピークは塩化ナトリウムによるものである。
【0069】
さらに、上記ポリ硫化カーボン(CS1.06n について、リガク社製の熱分析計(thermo Plus TG8120)を用いて熱重量−示差熱分析(TG−DTA)を行った。すなわち、高純度窒素ガスを0.15リットル/分の流量で流しながら10℃/分の昇温速度で加熱を行い、温度と重量変化の関係を測定した。その結果を図3に示す。この図3には、後述する比較例1の化合物(CS4.9 n の熱重量−示差熱分析結果についても示している。図3に示す結果から明らかなように、従来公知の有機イオウ化合物(CS4.9 n は、100℃付近から重量減少が認められ、200℃以上になると急激に重量が減少するのに対して、本発明のポリ硫化カーボン(CS1.06n は、300℃付近まで重量減少が少なく(300℃までの重量減少:約0.5%)、安定な化合物であることがわかる。
【0070】
また、(CS1.06n をおおよそ75μmの粉末に粉砕し、直径5mmのホルダーに上記粉末0.5gを採取して、2トンで加圧して成形した後、100nAの直流を印加して25℃で電気伝導度を測定したところ、5×10-7Scm-1であった。これに対して、後述する比較例1の化合物(CS4.9 n および比較例2の化合物(CS2.6 n についての同様の測定では、それらの電気伝導度が10-11 Scm-1未満の値であったことから、本発明のポリ硫化カーボン(CS1.06n は、従来の有機イオウ化合物よりも分子構造が単一化され、それによって、電気伝導度が向上したものと考えられる。
【0071】
さらに、25℃での真密度をガス置換法により測定したところ、1.903g/cm3 であった。後述する比較例2の化合物(CS2.6 n の真密度2.047g/cm3 や斜方晶のイオウの真密度2.07g/cm3 と比較して小さな値となったが、これは、式(3)
【化4】
Figure 0004674883
に示されるように、分子内に炭素とイオウとで形成される環が多数存在することが影響しているものと推定される。
【0072】
実施例2
実施例1の加熱処理において、処理温度を370℃とした以外は、実施例1と同様にしてポリ硫化カーボン(CS1.1 n を得た。このポリ硫化カーボンについて実施例1と同様にラマン分析とX線回折測定を行った。
【0073】
このポリ硫化カーボン(CS1.1 n のラマン分析においては、前記(CS1.06n と同様に1444cm-1に主ピークを有し、また400cm-1〜525cm-1の範囲には490cm-1にピークを有するだけであった。また、X線回折測定においても、前記(CS1.06n の回折パターンとほぼ一致するパターンが得られた。
【0074】
実施例3
実施例1の加熱処理において、処理温度を390℃とした以外は、実施例1と同様にしてポリ硫化カーボン(CS0.9 n を得た。このポリ硫化カーボンについて実施例1と同様にラマン分析とX線回折測定を行った。
【0075】
このポリ硫化カーボン(CS0.9 n のラマン分析においては、前記(CS1.06n とほぼ同様に1442cm-1に主ピークを有し、また400cm-1〜525cm-1の範囲には494cm-1にピークを有するだけであった。また、X線回折測定においても、前記(CS1.06n の回折パターンと同様のパターンが得られ、24.4°にブロードなピークを有するだけであった。
【0076】
実施例4
実施例1で合成した中間生成物10gを船形のアルミナ容器に入れ、その中間生成物を入れたアルミナ容器をアルミナ加熱炉の炉心に置き、酸素濃度が400ppm以下になるまで純度99.999%のアルゴンガスで置換し、次いで2Pa以下になるまで真空引きをし、真空を保ちながら実施例1と同じ条件で温度を変化させて加熱処理を行い、ポリ硫化カーボン(CS1.02n を得た。このポリ硫化カーボンについて実施例1と同様にラマン分析とX線回折測定を行った。
【0077】
このポリ硫化カーボン(CS1.02n のラマン分析においては、前記(CS1.06n とほぼ同様に1443cm-1に主ピークを有し、また400cm-1〜525cm-1の範囲には490cm-1にピークを有するだけであった。また、X線回折測定においても、前記(CS1.06n の回折パターンと同様のパターンが得られ、25.5°にブロードなピークを有するのみであった。
【0078】
実施例5
実施例4の加熱処理において、処理温度を355℃とし、処理温度での保持時間を5時間とした以外は、実施例4と同様にしてポリ硫化カーボン(CS1.38n を得た。このポリ硫化カーボンについて実施例1と同様にラマン分析とX線回折測定を行った。
【0079】
このポリ硫化カーボン(CS1.38n のラマン分析においては、前記(CS1.06n とほぼ同様に1442cm-1に主ピークを有し、また400cm-1〜525cm-1の範囲には488cm-1にピークを有するだけであった。また、X線回折測定では、24.7°にブロードなピークを有するのみであった。
【0080】
実施例6
温度計、滴下漏斗、冷却管、窒素置換口および気密攪拌器を付けた500mlの四つ口フラスコに、窒素ガスを流しながら金属ナトリウムの切削片15gを入れ、無水キシレン100mlを加えて110〜120℃のオイルバスにて加熱環流させた。金属ナトリウムが溶融した後、加熱を止めて強く攪拌した。次に、室温まで冷却してからキシレンを除去し、金属ナトリウムを10mlの無水エーテルで2回洗浄し、これに二硫化炭素204gを添加して55℃のオイルバスにて加熱環流しながら、ジメチルスルホキシド180mlを5時間かけてゆっくり滴下し、15時間環流した。その後、室温まで冷却して24時間放置した。
【0081】
さらに、上記の反応液中の二硫化炭素を55℃で蒸発させ、残った液状物をオイルバスにて110℃まで加熱した後、その温度で20時間反応させた。次いで、室温まで冷却した後、反応生成物の入ったフラスコを氷冷しながら250mlの純水を20分間かけてゆっくり加えた。次いで、60mlの濃塩酸を1時間かけて滴下することにより、黒茶色の懸濁液を得た。上記黒茶色の懸濁液をデカンテーションして沈降した固形分を分離し、アセトンおよび水で充分に洗浄した。さらに、得られた赤茶色の固形物を真空中で185℃に保持しながら2時間乾燥して、中間生成物として一般式(CS2.6 n で表される黒茶色の化合物33gを得た。この化合物の合成方法は、特表平11−514128号公報の実施例に記載の方法とほぼ同一である。
【0082】
上記化合物をボールミルで10μm前後まで粉砕し、得られた粉末10gを、冷却管と窒素置換口を取り付けた内容積300mlの三つ口フラスコ中に投入し、そこに100mlの二硫化炭素を加え、アルゴン雰囲気中で5時間環流することにより、上記化合物を構成するイオウの一部を除去し、ジスルフィド結合に変化させた。その後、室温まで冷却して遠心分離法で沈殿物を収集し、50℃で12時間真空乾燥して、黒い金属光沢を有するポリ硫化カーボン(CS1.13n を得た。このポリ硫化カーボンについて実施例1と同様にラマン分析とX線回折測定を行った。ラマン分析の結果を図4に示す。
【0083】
このポリ硫化カーボン(CS1.13n のラマン分析においては、1438cm-1に主ピークを有し、また400cm-1〜525cm-1の範囲には489cm-1にピークを有するだけであった。また、X線回折測定では、25.5°にブロードなピークを有するのみであった。
【0084】
実施例7
実施例6において、溶媒抽出により中間生成物をポリ硫化カーボンに変化させる過程で用いた二硫化炭素に代えて、ジメチルスルホキシドを用いた以外は、実施例6と同様に溶媒抽出処理を行い、ポリ硫化カーボン(CS1.11n を得た。このポリ硫化カーボンについて実施例1と同様にラマン分析とX線回折測定を行った。
【0085】
このポリ硫化カーボン(CS1.11n のラマン分析においては、1439cm-1に主ピークを有し、また400cm-1〜525cm-1の範囲には489cm-1にピークを有するだけであった。また、X線回折測定では、25.5°にブロードなピークを有するのみであった。
【0086】
実施例8
内容積2リットルの四つ口フラスコに、ドライアイスラック付きの冷却管を装着して窒素置換をした。これをメタノール−ドライアイスバスにより冷却し、バス温度−75.5℃で500mlのアンモニアをゆっくりと仕込んで、−70℃以下で一晩保存した。
【0087】
その後、内温−63℃で55.1gのナトリウムを入れ、バス温度−76℃でアセチレンガスを470ml/分で2.5時間吹き込んだ。30分間攪拌後、内温−63℃で135gのイオウを添加して、そのまま8時間反応させてから、76gの塩化アンモニウムを添加し、−70℃で一晩放置した。次に、室温まで昇温して3日間保存した。その後、塩酸で系のpHを2〜3に調整して生成物を沈殿させた。これを濾過後、70℃で乾燥して黒緑色の化合物約70gを得た。元素分析の結果、合成した化合物中の炭素とイオウとの比はモル比で1:5.5であった。この化合物の合成方法は、特表平11−506799号公報の実施例に記載の方法とほぼ同一である。
【0088】
次に、上記の化合物10gをトルエン中に入れ、室温下5時間反応させて、遠心分離して沈殿物を得た。得られた沈殿物をテトラグリム中に添加し、80℃で8時間反応させて、ポリ硫化カーボン(CS1.09n 約2.2gを得た。このポリ硫化カーボン(CS1.09n のラマン分析では、1435cm-1に主ピークを有し、また400cm-1〜525cm-1の範囲には492cm-1にピークを有するだけであった。
【0089】
比較例1
実施例1と同様にして、その中間生成物として一般式(CS4.9 n で表される有機イオウ化合物を得て、これを比較例1の有機イオウ化合物とした。
【0090】
比較例2
実施例6と同様にして、その中間生成物として一般式(CS2.6 n で表される有機イオウ化合物を得て、これを比較例2の有機イオウ化合物とした。
【0091】
これらの化合物(CS4.9 n および(CS2.6 n について、実施例1と同様にラマン分析とX線回折測定を行った。化合物(CS2.6 n のラマン分析の結果を図5に、X線回折の結果を図6に示す。化合物(CS4.9 n および化合物(CS2.6 n のいずれについても、ラマン分析において、400cm-1〜525cm-1の間には、ポリスルフィドセグメントに基づく多数のピークが重なって現れており、ジスルフィド結合に対応するピークは認められなかった。また、1444cm-1付近のピークは、本発明のポリ硫化カーボンのものよりブロードであることから、主として炭素で形成される骨格の構造があまり均一でないものと考えられる。さらに、本発明のポリ硫化カーボンでは見られなかったピーク(1000cm-1付近のピークなど)も認められ、本発明のポリ硫化カーボンとは分子構造がかなり異なっているものと推定された。
【0092】
また、(CS4.9 n および(CS2.6 n のいずれについても、X線回折測定では、多数の回折ピークが認められたが、その回折ピークのほとんどがイオウの回折ピークで同定され、本発明のポリ硫化カーボンに見られるような、結晶構造に基づくと考えられる明瞭なピークは認められなかった。
【0093】
以下の実施例では、上記実施例1〜6のポリ硫化カーボンおよび比較例1〜2の有機イオウ化合物をそれぞれ正極活物質として用いた非水電解質二次電池を作製し、その特性を評価した。
【0094】
実施例9
まず、正極は以下のようにして作製した。実施例1〜6のポリ硫化カーボンまたは比較例1〜2の有機イオウ化合物について、その10重量部と、ロンザ社製グラファイト(KS−6)7.2重量部およびアセチレンブラック0.8重量部を混合用容器に入れ、乾式で10分間混合した後、N−メチル−2−ピロリドン50重量部を添加して30分間混合した。次いで、ポリフッ化ビニリデンを12%含有するN−メチル−2−ピロリドン溶液16.7重量部を加え、さらに1時間混合して正極合剤含有ペーストを調製した。
【0095】
得られた正極合剤含有ペーストを厚さ20μmのアルミニウム箔(サイズ:250mm×220mm)に塗布し、50℃のホットプレート上で10分間乾燥した後、さらに真空中で120℃で10時間乾燥してN−メチル−2−ピロリドンを除去することにより正極合剤層を形成した。乾燥後の電極体を100℃に加温して加圧し、正極合剤層の厚みが20μmの正極を得た。
【0096】
負極は、アルゴンガス雰囲気中で厚さ200μmの金属リチウム箔をニッケル網(サイズ:250mm×220mm)上に載せ、ローラーで加圧して、金属リチウム箔をニッケル網に圧着することによって作製した。
【0097】
電解液としては、重量比1:1のプロピレンカーボネートとエチレンカーボネートとの混合溶媒に、LiPF6 を1.4mol/l溶解させた溶液を用いた。
【0098】
そして、上記正極と負極を、厚さ80μmのポリプロピレン不織布からなるセパレータを介してアルゴンガス雰囲気中で積層し、その積層電極体をナイロンフィルム−アルミニウム箔−変性ポリオレフィン樹脂フィルムの三層ラミネートフィルムからなる包装体に入れ、電解液を注入した後、密閉して非水電解質二次電池を作製した。この電池に、正極活物質1gあたり60mAに相当する電流値で充放電を行い(放電の終止電圧は1.5V)、これを10サイクル繰り返し、3サイクル目の放電容量と10サイクル目の放電容量を測定し、正極活物質1gあたりの放電容量の変化を調べた。その結果を表1に示す。
【0099】
【表1】
Figure 0004674883
【0100】
表1に示す結果から明らかなように、本発明のポリ硫化カーボン(CS0.9 n 、(CS1.02n 、(CS1.06n 、(CS1.1 n 、(CS1.13n および(CS1.38n は、従来の有機イオウ化合物(CS2.6 n および(CS4.9 n に比べて実装電池での容量が大きく、また、電解液に対する安定性が高いので、充放電サイクルでの容量低下が少なく、信頼性の高い非水電解質二次電池を構成することができた。特にポリ硫化カーボンを一般式(CSx n で表したときに、xが0.9〜1.3の範囲内にあるポリ硫化カーボンが優れた特性を示し、中でも、xが1〜1.1の範囲内にあるポリ硫化カーボンが高い安定性を有していた。
【0101】
実施例10
実施例9において、正極活物質として(CS1.06n を用い、正極合剤含有ペーストの調製にあたってグラファイト7.2重量部の代わりに、グラファイト5.7重量部および平均粒径が5μmのニッケル粉末1.5重量部を用いた以外は、実施例9と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
【0102】
実施例11
実施例9において、正極活物質として(CS1.06n を用い、正極の集電体としてアルミニウム箔の代わりに、厚さ10μmのニッケル箔を用いた以外は、実施例9と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
【0103】
上記実施例10および実施例11の電池と、実施例9において(CS1.06n を正極活物質とした電池に対し、前記と同じ充放電条件で充放電を50サイクル繰り返し、50サイクル目の放電容量を測定した。その結果を正極活物質1gあたりの放電容量として表2に示す。
【0104】
【表2】
Figure 0004674883
【0105】
表2に示すように、実施例10および実施例11の電池は、実施例9の電池に比べて、50サイクル目の放電容量が大きく、実施例10および実施例11の電池では、正極にニッケルを含有させたことにより、実施例9の電池に比べて充放電サイクル特性が大幅に向上していた。
【0106】
実施例12
実施例9において、(CS1.06n とNiSを重量比で9:1〜4:6の範囲で含有する(ただし、両者の合計は10重量部)正極合剤含有ペーストを調製し、実施例9と同様にして非水電解質二次電池を作製した。すなわち、この実施例12ではポリ硫化カーボン(CS1.06n の一部をニッケルの硫化物で置換した電池を作製した。
【0107】
上記実施例12の電池と、実施例9において(CS1.06n を正極活物質とした電池に対し、ポリ硫化カーボンとNiSの合計重量1gあたり150mAに相当する電流値で充放電を行い(放電終止電圧:1.0V)、これを10サイクル繰り返し、1サイクル目の放電容量と10サイクル目の放電容量を測定した。その結果を、(CS1.06n とNiSの合計重量1g当たりの放電容量として表3に示す。なお、(CS1.06n とNiSとの合計は、前記のように10重量部であり、この両者で正極合剤中の50重量%を占めている。
【0108】
【表3】
Figure 0004674883
【0109】
表3に示す結果から明らかなように、正極中にニッケルの硫化物を含有させることにより、充放電サイクルでの電流値を大きくした場合でも、正極の良好な可逆性が維持され、充放電サイクルに伴う容量低下が抑制されていた。また、ニッケルの硫化物の添加によりポリ硫化カーボンの含有量は減少するが、ニッケルの硫化物自身も活物質として作用するため、電池の放電容量がほとんど低下しないので好適である。
【0110】
また、(CS1.06n とNiSとの重量比を8:2にした正極を作用極とし、リチウムを対極とし、さらに別のリチウムを参照電極としてモデルセルを構成し、10mV/秒の電位掃引速度でサイクリックボルタンメトリーの試験を行った。このときに得られた上記正極のサイクリックボルタモグラムを図7に示す。この図7に示すサイクリックボルタモグラムでは、酸化ピークと還元ピークの電位が接近しており、本発明のポリ硫化カーボンの酸化および還元に対する可逆性が高いことを示していた。
【0111】
実施例13
以下の方法により、リチウムの硫化物を含有する電解液を調製した。すなわち、テトラグリムと1,3−ジオキソランとの体積比1:1の混合溶媒にLiCF3 SO3 を1mol/lの濃度で溶解させて電解液とし、さらに、湿気を遮断した雰囲気中で86.5gの前記電解液に2.3gのLi2 Sと11.2gのイオウを添加し、80℃で5時間環流して電解液中でLi2 8 を合成した。この電解液中におけるLi2 8 の含有量は0.5mol/lであり、Li2 8 の合成に伴ってLiCF3 SO3 の濃度は0.87mol/lに減少した。
【0112】
次に、実施例11において、電解液として上記Li2 8 を含有する電解液を用いた以外は、実施例11と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
【0113】
実施例14
実施例13において、電解液中のLi2 8 の含有量を1.0mol/lとした以外は、実施例13と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
【0114】
実施例15
実施例14において、電解液の非水性溶媒としてジメチルスルホキシドと1,3−ジオキソランとの体積比1:1の混合溶媒を用いた以外は、実施例14と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
【0115】
実施例16
実施例13において、正極活物質として(CS1.38n を用いた以外は、実施例13と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
【0116】
比較例3
実施例15において、正極として以下に記載するカーボン電極を用いた以外は、実施例15と同様にして非水電解質二次電池を作製した。この比較例3の電池における正極は、グラファイト(KS−6):82%、アセチレンブラック:8%、ポリフッ化ビニリデン:10%の構成比で作製されたカーボン電極である。
【0117】
上記実施例13〜16の各電池に対し、定電流−定電圧充電と定電流放電による充放電サイクルを50サイクル繰り返し、1サイクル目の放電容量と50サイクル目の放電容量を測定し、ポリ硫化カーボン1gあたりの放電容量の変化を調べた。なお、定電流−定電圧充電における定電流充電は、ポリ硫化カーボンとLi2 8 との合計重量1g当たり60mAに相当する電流値とし、電圧の上限値を2.5Vに設定して行った。放電の電流値は、定電流充電での電流値と同じ値とし、電池電圧が1.5Vになるまで放電させた。その結果をポリ硫化カーボン1gあたりの放電容量として表4に示す。
【0118】
また、比較例3の電池に対しても、上記と同様に充放電を行ったが、2サイクル目に正極が崩壊して充放電が不可能になった。すなわち、Li2 8 のみを活物質として用いた場合は、二次電池として機能しなかった。また、このときの1サイクル目の放電容量は、Li2 8 の1gあたり167mAh/gと低い値であった。
【0119】
【表4】
Figure 0004674883
【0120】
前記した表1や表2に記載のように、ポリ硫化カーボンの放電容量は約600mAh/gであるが、電解液にリチウムの硫化物を含有させることにより、ポリ硫化カーボンの見かけの放電容量が大幅に増加し、電池の高容量化を容易に達成することができた。しかも、その大きな放電容量はサイクルを繰り返しても維持された。これは、リチウムの硫化物が活物質として作用しただけでなく、ポリ硫化カーボンと共存することにより、互いに可逆性を向上させる効果が生じたことによるものと考えられる。すなわち、上記実施例13〜16の電池は、固体の活物質(ポリ硫化カーボン)だけでなく、電解液中に溶解された液体状活物質(リチウムの硫化物)を用いたことにより、前記の実施例11などと同一体積の電池でありながら、放電容量を大幅に増加させることに成功したものである。もちろん、ポリマー電解質の中にリチウムの硫化物を含有させることにより、ゲル状活物質として用いてもよい。
【0121】
実施例17
実施例1および実施例3〜5のポリ硫化カーボンを用い、以下のようにして非水電解質二次電池を作製した。上記実施例1および実施例3〜5のポリ硫化カーボン10重量部と、グラファイト(KS−6)2.2重量部およびアセチレンブラック0.8重量部とを混合用容器に入れ、乾式で10分間混合した後、N−メチル−2−ピロリドン20重量部を添加して30分間混合した。次いで、ポリアニリンを7.4%含有するN−メチル−2−ピロリドン溶液21.6重量部と、ポリフッ化ビニリデンを12%含有するN−メチル−2−ピロリドン溶液16.7重量部を加え、さらに1時間混合して正極合剤含有ペーストを調製し、その正極合剤含有ペーストを用いた以外は、実施例9と同様に非水電解質二次電池を作製した。
【0122】
実施例18
実施例17において、導電性ポリマーとしてポリピロールを用いた以外は、実施例17と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
【0123】
実施例19
Huntsman社製のアミン化合物(Jeffamine XTJ−502)100gをプロピレンカーボネートとエチレンカーボネートとの重量比1:1の混合溶媒130gに溶解し、これに坂本薬品社製のエポキシ樹脂(SR−8EG)25.2gを添加して、室温下で攪拌しながら7日間反応させた。この反応により得られたアミン化合物の溶液に、LiCF3 SO3 を濃度が1.0mol/lになるように加え、均一に溶解するまで攪拌した。一方、三井化学社製のウレタン(AX−1043)をメチルエチルカーボネートとエチレンカーボネートとの重量比2:1の混合溶媒に溶解し、さらにLiCF3 SO3 を濃度が1.0mol/lになるように加えた溶液を調製した。上記アミン化合物を含む溶液とウレタンを含む溶液とを、アミンの活性水素とウレタンのイソシアネート基とのモル比が1.1:1になるように混合し、その混合溶液に平均厚さが80μmのポリブチレンテレフタレート不織布を浸漬し、引き上げ後に2時間放置してポリブチレンテレフタレート不織布を支持体とするポリマー電解質を作製した。以上の操作はすべて露点温度が−60℃以下のドライ雰囲気中で行った。
【0124】
次に、電解液として、メチルエチルカーボネートとエチレンカーボネートとの重量比2:1の混合溶媒にLiCF3 SO3 を濃度が1.0mol/lになるように加えた溶液を調製し、さらに実施例17において用いた(CS1.06n を活物質とする正極と負極を用いて電池を組み立てた。上記正極および負極の表面を電解液で湿らせ、さらに、それらの正極と負極とを上記ポリマー電解質を介して積層し、その積層体を実施例9と同様の包装体に入れ、電解液を注入した後、密閉して非水電解質二次電池を作製した。
【0125】
実施例20
実施例17において、ポリアニリンを用いず、その代わりにグラファイトとアセチレンブラックを増量した以外は、実施例17と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
【0126】
上記実施例17〜20の各電池に対し、正極活物質1gあたり60mAに相当する電流値で初期放電を行った後、同様の電流値で充放電を行い(放電終止電圧:1.5V)、低電流の負荷での正極活物質1gあたりの放電容量を調べた。次いで、前記と同じ充電を行った後、正極活物質1gあたり300mAに相当する電流値で放電を行い、負荷が大きくなったときの放電容量の変化を調べた。その結果を表5に示す。
【0127】
【表5】
Figure 0004674883
【0128】
表5に示す結果から明らかなように、導電性ポリマーを正極に含有させることにより、放電時の電流値が大きくなっても放電容量の低下が少なく、大電流負荷の用途に適した電池を得ることができる。
【0129】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、特に非水電解質電池の活物質として有用性の高いポリ硫化カーボンを提供することができた。すなわち、イオウを重量比率で67重量%以上含有し、イオウと炭素の重量比率が95重量%以上であって、かつ前記特定の物性を有する本発明のポリ硫化カーボンを活物質として用いることにより、高容量でかつ充放電サイクルに伴う容量低下が少なく信頼性の高い非水電解質二次電池を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1で得られたポリ硫化カーボン(CS1.06n のラマンスペクトルを示す図である。
【図2】実施例1で得られたポリ硫化カーボン(CS1.06n のX線回折パターンを示す図である。
【図3】実施例1で得られたポリ硫化カーボン(CS1.06n および比較例1で得られた有機イオウ化合物(CS4.9 n の熱重量−示差熱分析での重量変化を示す図である。
【図4】実施例6で得られたポリ硫化カーボン(CS1.13n のラマンスペクトルを示す図である。
【図5】比較例2で得られた有機イオウ化合物(CS2.6 n のラマンスペクトルを示す図である。
【図6】比較例2で得られた有機イオウ化合物(CS2.6 n のX線回折パターンを示す図である。
【図7】実施例12でポリ硫化カーボン(CS1.06n とNiSの重量比を8:2とした正極のサイクリックボルタモグラムを示す図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to carbon polysulfide that can be used as an active material of a battery, a method for producing the same, and a nonaqueous electrolyte battery using the same.
[0002]
[Prior art]
With the rapid expansion of portable electronic devices in the market, the demand for higher performance of batteries used as power sources has become stronger, while the development of more environmentally friendly batteries is required. . Under such circumstances, as a positive electrode active material for non-aqueous electrolyte batteries (primary batteries or secondary batteries), expectations are high for sulfur (sulfur) and its derivatives that are low in cost, have a low environmental impact, and have a high capacity. ing.
[0003]
If this two-electron reaction of sulfur can be used in a battery, theoretically, elemental sulfur becomes an active material having a large energy density of 1675 mAh / g. However, since sulfur is a highly insulating material and has a low reversibility, an alkali metal-sulfur battery actually provides only a low utilization rate. Moreover, since sulfur can only be used at high temperatures, there is a problem that battery cases and the like are eroded by the high activity of sulfur and its derivatives, and it is said that application to small consumer batteries is difficult.
[0004]
On the other hand, inorganic sulfur compounds soluble in organic solvents, such as alkali metal sulfides, are also used as positive electrode active materials for batteries (Japanese Patent Laid-Open No. 57-145272, etc.). In this battery using an inorganic sulfur compound, a porous carbon electrode is used for the positive electrode, and discharge can be performed with a larger current than a conventional sulfur battery, but the carbon constituting the electrode is likely to deteriorate during discharge. Have been used mainly as primary batteries.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In addition, as a positive electrode active material of a nonaqueous electrolyte battery, an organic sulfur compound containing carbon and sulfur as main constituent elements has been studied. In Japanese Patent Publication No. 60-502213 (WO85 / 01293), , General formula (R a CS b ) c An organic sulfur compound represented by (where R is hydrogen, an alkali metal or a transition element) has been proposed. However, when the present inventors examined the method for synthesizing the organic sulfur compound disclosed in the above publication, it was found that it had the following problems.
[0006]
In other words, it is impossible to completely replace halogen elements and hydrogen with sulfur in a synthesis method in which sulfur is added to a polymer such as a halogenated polyethylene such as polytetrafluoroethylene or polytrifluorochloroethylene or polyacetylene. , Organic sulfur compounds in which a lot of halogen elements and hydrogen remain in the molecule are likely to be formed. Further, since the amount of sulfur to be added cannot be controlled, it is very difficult to obtain a compound having a uniform structure. Such a problem is also apparent from the fact that the organic sulfur compounds described in Examples 1 to 3 and Example 7 contain a large amount of elements other than carbon and sulfur in the above Japanese Patent Publication No. 60-502213. is there.
[0007]
In Example 6 of JP-T-60-502213, the composition is CS. 0.98 H 0.009 A product composed only of two elements of carbon and sulfur is also described. However, according to the detailed examination by the present inventors, the synthesis method described in Example 6 is 0.98 H 0.009 It was found that a mixture of an organic sulfur compound having a low sulfur content and a polysulfide compound was obtained. Since this polysulfide compound cannot be removed by washing with water, the composition of the product described in Example 6 actually appears to represent the average composition of the above mixture. In addition, since a polymer containing no unsaturated bond is used as a starting material, the carbon skeleton of the organic sulfur compound having a low sulfur content to be synthesized is basically a saturated carbon chain and exists in the molecule. Since the number of disulfide bonds (C—S—S—C) with the carbon skeleton is small, reversible charge / discharge is difficult and the discharge capacity is small. That is, according to the method described in JP-A-60-502213, it is impossible to obtain a high-capacity organic sulfur compound composed of only two elements of carbon and sulfur and having a high sulfur content.
[0008]
On the other hand, as a compound different from the above, (CS w ) p Organic sulfur compounds represented by general formulas such as (w is about 2.5 to about 50, p is 2 or more) have attracted attention because they have a high energy density of 1000 to 1600 mAh / g. Scottheim et al. Have proposed a secondary battery that uses this compound as a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte battery and exhibits a high capacity even at room temperature (Japanese Patent Laid-Open No. 7-29599 (US 5441831)). Table No. 11-506799 (WO96 / 41388), JP-T 11-514128 (WO96 / 41387), etc.]. This organic sulfur compound is a method of reacting sodium sulfide with sulfur and further reacting with an organic chloride compound, or a method of reacting acetylene with sulfur in an ammonia solution of metal sodium, and using carbon sodium disulfide as a catalyst with metal sodium. It can be produced by a method of reacting with dimethyl sulfone. The molecular structure of the organic sulfur compound is a skeleton having a conjugated structure mainly formed of carbon, and -S bonded to the skeleton. m It is characterized by having a structure represented by-(m ≧ 3) (hereinafter referred to as “polysulfide segment”).
[0009]
However, the above general formula (CS w ) p Since the organic sulfur compound represented by the above formula cannot be molecularly designed in the synthesis process, it is difficult to control the sulfur content of the resulting compound, and there is a problem that a compound having a single structure cannot be obtained.
[0010]
In addition, the resulting compound generally contains a large amount of low molecular weight or high molecular weight polysulfide compounds, and the formula (CS w ) p As the value of p in the medium increases, the proportion of the conjugated structure tends to decrease and the proportion of the polysulfide compound tends to increase. This polysulfide compound and the polysulfide segment in the molecule of the organic sulfur compound, particularly in a battery using an electrolytic solution (liquid electrolyte), are easily decomposed and dissolved in the electrolytic solution during charging and discharging, and the stability of the compound itself It becomes a big factor which lacks the stability of the battery which uses it. As a result, there has been a problem that not only the self-discharge of the battery becomes relatively large but also metal sulfides that inhibit reversibility of charge and discharge are formed, and the cycle life of the battery is shortened.
[0011]
The present invention eliminates the problems of the conventional organic sulfur compounds as described above, provides a polysulfide carbon having high reversibility, high capacity and excellent stability, and a method for producing the same, and further using this as an active material. By using it, an object is to realize a high-capacity nonaqueous electrolyte battery excellent in charge / discharge cycle characteristics and reliability.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors, based on an organic sulfur compound having carbon and sulfur as main constituent elements and having a polysulfide segment, are substantially composed of only two elements of carbon and sulfur. The present inventors have found a method for producing a novel organic sulfur compound (polysulfide carbon) having a high sulfur content and a higher molecular structure than that of conventional organic sulfur compounds. It was.
[0013]
That is, one of the present invention has carbon and sulfur as main constituent elements, the weight ratio of sulfur is 67% by weight or more, and the total weight ratio of carbon and sulfur is 95% by weight or more. In Raman shift of 1444cm -1 There is a main peak in the vicinity and 400cm -1 ~ 525cm -1 The peak existing in the range is substantially 490 cm -1 It is a polysulfide carbon characterized by having only a nearby peak.
[0014]
In another aspect of the present invention, carbon and sulfur are main constituent elements, the weight ratio of sulfur is 67% by weight or more and the total weight ratio of carbon and sulfur is 95% by weight or more. In X-ray diffraction using CuKα rays, a diffraction pattern having a diffraction angle (2θ) in the range of 20 ° to 30 ° is substantially represented only by a broad diffraction peak having a peak in the vicinity of 25 °. Polysulfide carbon.
[0015]
Still another aspect of the present invention is that carbon and sulfur are main constituent elements, the weight ratio of sulfur is 67% by weight or more, and the total weight ratio of carbon and sulfur is 95% by weight or more. The polysulfide carbon is characterized in that the weight loss by thermogravimetric analysis when heated to 300 ° C. at a rate of 10 ° C./min is 5% or less.
[0016]
Such a polysulfide having carbon and sulfur as main constituent elements, the weight ratio of sulfur being 67% by weight or more and the total weight ratio of carbon and sulfur being 95% by weight or more, and having the above specific physical properties Carbon has a high capacity when used as an active material for a non-aqueous electrolyte battery, has a high reversibility, and has a small capacity drop due to a charge / discharge cycle, thereby providing a highly reliable primary battery or secondary battery. be able to.
[0017]
The polysulfide carbon includes, for example, carbon and sulfur as main constituent elements, and —S m It can synthesize | combine by removing a part of sulfur which comprises the polysulfide segment structure with respect to the organic sulfur compound which has a polysulfide segment represented by-(m> = 3), and making it change into a disulfide bond.
[0018]
In addition, the polysulfide carbon can be used not only for the active material of the nonaqueous electrolyte battery as illustrated, but also for other electrochemical elements such as capacitors, information storage elements, display elements, electronic materials, etc. is there.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the details of the method for producing the polysulfide carbon of the present invention and the use as the active material of the nonaqueous electrolyte battery will be specifically described.
[0020]
Carbon and sulfur are the main constituent elements, the weight ratio of sulfur is 67% by weight or more, and the total weight ratio of carbon and sulfur is 95% by weight or more, and the polysulfide carbon having the above specific properties is: For example, it can be synthesized by the following method. First, an alkali metal sulfide such as sodium sulfide and sulfur are reacted in a solvent such as alcohol, acetone or water at a temperature range of approximately 0 ° C. to 50 ° C. for about 10 minutes to 10 hours, and then the solvent is removed in a vacuum. Volatilize and remove reactants. Next, this is reacted with a halogenated unsaturated hydrocarbon such as hexachlorobutadiene in an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone at a temperature range of about 0 ° C. to 50 ° C. for about 10 minutes to 3 hours. Thereafter, the reaction product is washed several times with pure water and an organic solvent and vacuum dried at approximately 10 ° C. to 80 ° C. to obtain a brown solid compound as an intermediate product. This brown solid compound has a number of polysulfide segments in the molecule, and corresponds to the organic sulfur compound described in the above-mentioned Japanese National Publication No. 11-514128. It has also been confirmed that many polysulfide compounds produced in the course of the synthesis reaction are mixed. As a method for obtaining this intermediate product, in addition to the above methods, conventionally known methods for synthesizing various organic sulfur compounds can be employed.
[0021]
Next, the intermediate product is put into a heat-resistant container made of alumina (aluminum oxide) or the like, and heated in a vacuum or in an inert atmosphere to remove impurities such as polysulfide compounds contained in the intermediate product. Evaporate and cleave the polysulfide segment in the organic sulfur compound molecule to evaporate and remove excess sulfur, consisting of only two elements, carbon and sulfur, with most or all carbon atoms in the molecule A carbon polysulfide having a structure in which a bond with a sulfur atom is formed and a disulfide bond in which most or all of the sulfur atom has high reversibility to oxidation and reduction is formed is obtained. The content ratio of sulfur in such polysulfurized carbon is a high value of 2/3 or more, that is, 67% by weight or more in weight ratio.
[0022]
Specifically explaining the molecular structure of this compound, a structure having a repeating unit represented by the following formula (1) is presumed, and the bond between carbon chains is, for example, a disulfide represented by the formula (2) It is presumed that it is made by combination.
[Chemical 1]
Figure 0004674883
[Chemical 2]
Figure 0004674883
[0023]
The presence of carbon double bonds (C═C) and sulfur disulfide bonds (C—S—S—C) in the molecule of the polysulfide carbon can be confirmed by Raman analysis, which will be described in detail later. it can.
[0024]
In the above heat treatment, in order to prevent oxidation of the compound during heating, the heating atmosphere is preferably in a low oxygen concentration state, in a vacuum or in an inert gas atmosphere with a reduced oxygen concentration (for example, 400 ppm or less). It is preferable to heat-process by.
[0025]
The heating temperature is preferably about 300 ° C. to 430 ° C. and more preferably 320 ° C. to 410 ° C. However, when heating is performed in a vacuum or a reduced pressure atmosphere, it can be performed at a lower temperature. The heating time may be adjusted depending on the temperature and atmosphere of the heat treatment, but approximately 10 minutes to 5 hours is appropriate. The composition of the polysulfide carbon obtained varies slightly depending on the composition of the intermediate product, the heating temperature, the heating time, etc., but it is easy to increase the capacity by containing sulfur in a weight ratio of 67% by weight or more. From the viewpoint of stability, the content of elements other than carbon and sulfur is preferably small, that is, the weight ratio of sulfur to carbon is preferably 95% by weight or more.
[0026]
Furthermore, when the atomic ratio of carbon to sulfur in the polysulfide carbon is 1: x, a compound in which x is in the range of 0.9 to 1.5 has high molecular structure unity, It is preferable because it is excellent in reversibility and becomes a high-capacity active material, and x is more preferably 1.3 or less. In particular, when x is 1.1 or less, since the abundance ratio of the disulfide bond that enables reversible charge / discharge can be maximized, the compound has the highest capacity and the highest stability. From the viewpoint of capacity, x is preferably 0.95 or more, and more preferably 1 or more to provide the most preferable compound. This is because when the value of x decreases, C—S—C bonds that do not participate in charge / discharge are introduced into the molecule in addition to disulfide bonds that participate in charge / discharge. This is because a large compound introduces many polysulfide segments in the molecule.
[0027]
In addition, the polysulfide carbon may contain elements other than carbon and sulfur as long as the chemical stability and reversibility of charge / discharge are not impaired, and a compound having hydrogen, nitrogen, boron, halogen elements, etc. However, it is more preferably composed of only two elements of carbon and sulfur. For example, polysulfide carbon can be represented by the general formula (CS x ) n X is 0.9 to 1.5, and n is preferably 4 or more. Synthesis of polysulfide carbon having n of 3 and having a disulfide bond is difficult, and even if it can be synthesized, it is considered to be inferior in stability and low in usefulness. The polysulfide carbon of the present invention has excellent resistance to organic solvents and the like, and it is difficult to measure its molecular weight. Therefore, it is difficult to accurately determine the value of n in the above general formula, but this n is 4 Preferably, n is 100 or more in view of workability. In addition, no matter how large n is, no problem is considered to occur. However, it is generally practical to synthesize up to n of about 100,000. The above-mentioned polysulfide carbon having n of 4 or more can be obtained, for example, by synthesizing using a halogenated unsaturated hydrocarbon having 4 or more carbon atoms in the main chain.
[0028]
In addition to the above-mentioned method, the polysulfide carbon is linked to the carbon skeleton by bringing an organic sulfur compound having a polysulfide segment into contact with a non-aqueous solvent in a container or with the vapor of the non-aqueous solvent. It can also be obtained by eluting the non-sulfur segment and other impurities and cutting and removing the unstable long sulfur segment even though it is connected to the carbon skeleton. That is, the organic sulfur compound having a polysulfide segment is substantially composed of two elements of carbon and sulfur by contact with a non-aqueous solvent as described above, and is a polysulfide carbon mainly composed of a repeating unit represented by the formula (1). To change. In this solvent extraction treatment, in consideration of the flash point of the solvent, the atmosphere is preferably in a low oxygen concentration state, and more preferably in an inert gas atmosphere in which the oxygen concentration is reduced to 400 ppm or less.
[0029]
The solvent used for the solvent extraction treatment is preferably a non-aqueous organic solvent having excellent solubility with respect to sulfur or a sulfur compound having a polysulfide segment. In particular, in order to cut and remove the unstable long sulfur segment connected to the carbon skeleton, a strong donor non-aqueous organic solvent is preferable. Specific examples include, for example, aromatic solvents such as toluene and benzene, tetrahydrofuran, dimethylformamide, tetramethylethylenediamine, dioxolane, tetraglyme and the like aliphatic or alicyclic molecules containing oxygen or nitrogen in the molecule. And low molecular weight solvents of the family and solvents containing sulfur such as carbon disulfide, dimethyl sulfoxide and sulfolane. Moreover, the mixed solvent which consists of these solvents may be sufficient. Among the above solvents, dimethyl sulfoxide, carbon disulfide, tetrahydrofuran, toluene, tetraglyme and the like are particularly preferable. The above tetraglyme is an organic solvent called bis [(2-methoxyethoxy) ethyl] ether.
[0030]
The extraction temperature with the solvent is not particularly limited, but is a temperature from room temperature to the boiling point of the solvent, and it is particularly preferable to perform extraction while refluxing the solvent. The extraction time depends on the temperature and the molecular weight of the organic sulfur compound, which is an intermediate product, but approximately 10 minutes to 5 hours is appropriate. The higher the temperature and the lower the molecular weight of the intermediate product, the shorter the extraction time.
[0031]
The Raman analysis of the polysulfide carbon is performed using an argon laser as a light source. The polysulfide carbon of the present invention has a Raman shift of 1444 cm in the Raman spectrum obtained by the Raman analysis. -1 There is a main peak in the vicinity and 400cm -1 ~ 525cm -1 The peak existing in the range is substantially 490 cm -1 It is characterized by only nearby peaks. Where 1444 cm -1 The main peak in the vicinity is based on an unsaturated bond (C═C bond) of carbon in the carbon skeleton, and this peak has the maximum intensity in the Raman spectrum. Also, 400cm above -1 ~ 525cm -1 In this range, a peak derived from a disulfide bond connected to a carbon skeleton or a peak derived from a polysulfide segment appears, but 490 cm -1 A nearby peak is a peak derived from a disulfide bond, and a peak derived from an SS bond in a polysulfide segment appears at a different position. In the present invention, “substantially 490 cm -1 “Only the peak near” is 490cm -1 This means that there may be a minute peak in addition to the nearby peak. That is, in the polysulfide carbon of the present invention, there is no polysulfide segment in the molecule, that is, the 400 cm -1 ~ 525cm -1 Within the range of 490cm -1 Although it is preferable that no peaks other than nearby peaks exist, it means that a small amount of polysulfide segments may be present in the molecule within a range not deteriorating the required characteristics. Where 1444 cm -1 The neighborhood is approximately 1444cm -1 ± 20cm -1 Corresponds to the range of 490cm -1 The neighborhood is about 490cm -1 ± 20cm -1 It corresponds to the range.
[0032]
In contrast, the Raman spectrum of the conventional organic sulfur compound is 400 cm. -1 ~ 525cm -1 It can be seen that many peaks overlap in the range of. This is because -S m This indicates that there are many polysulfide segments represented by-(m ≧ 3), and m is considered to have various values. On the other hand, 490cm -1 The nearby peak is not clear, and it is considered that there are almost no disulfide bonds in the molecule. In the conventional organic sulfur compound, 1444 cm. -1 Although the peak in the vicinity is broad, the polysulfide carbon of the present invention is sharper than that and has a composition and structure closer to a single unit.
[0033]
When the polysulfide carbon is subjected to X-ray diffraction using CuKα rays, the diffraction pattern of 20 ° to 30 ° at the diffraction angle (2θ) is substantially a half width having a peak position in the vicinity of 25 °. It can be represented by only one broad diffraction peak of about 1.5 ° to 5 °. That is, there is substantially only one diffraction peak in the diffraction angle range. The term “substantially” does not have to be exactly one, and it is preferable that a peak derived from a polysulfide segment, that is, a peak identified with sulfur is not observed. A thing whose intensity is approximately 1/10 or less of the peak) means that it is allowed in the present invention. Here, the vicinity of 25 ° corresponds to a range of approximately 25 ° ± 3.5 °.
[0034]
In addition, when carbon sulfide is synthesized using the above-described method, an alkali metal halide is also generated as a by-product in the process of producing an organic sulfur compound, which is an intermediate product. Even when the polysulfide carbon is washed, a small amount of sodium chloride or the like may be mixed in the polysulfide carbon. Therefore, an alkali metal halide peak may appear in the X-ray diffraction pattern, but this diffraction peak may be excluded.
[0035]
In the X-ray diffraction pattern, the peak near 25 ° is expressed by the following formula (3):
[Chemical 3]
Figure 0004674883
It is presumed that the plane formed by the disulfide bond represented by the formula further forms a layered structure and is a diffraction peak generated by the layered structure. The peak is broad because the main chain composed mainly of carbon is rotatable, so that each plane formed by multiple disulfide bonds in one molecule is all the same plane. This is probably because the molecular weight of the synthesized polysulfide carbon has a certain distribution. Of course, for the reasons described above, it is conceivable that the peak does not become a single peak, but a slight separation occurs. However, it is sufficient that almost one peak is formed as a whole. The interlayer distance obtained from the diffraction angle of this peak is about 0.3 to 0.44 nm, which is close to the interlayer distance (0.335 nm) of graphite. Can be considered.
[0036]
On the other hand, in the conventional organic sulfur compounds including the intermediate product in the present invention, there are many peaks in the X-ray diffraction pattern, but almost all of the free sulfur or polysulfide segment is present. It is a diffraction peak due to sulfur. Diffraction peaks other than those based on sulfur are difficult to distinguish because of their low intensity, and the conventional organic sulfur compound having a polysulfide segment is considered to have lower crystallinity than the polysulfide carbon of the present invention.
[0037]
Furthermore, in the conventional organic sulfur compound, when thermogravimetric-differential thermal analysis (TG-DTA) is performed in a nitrogen atmosphere, strong endothermic peaks of 122.7 ° C. and 314 ° C. based on sulfur exist, Although the weight decreases from about 200 ° C. as the temperature rises, the 122.7 ° and 314 ° peaks disappear in the polysulfide carbon of the present invention, and the weight does not decrease to a higher temperature. For example, the polysulfide carbon of the present invention exhibits excellent thermal stability with a weight loss of 5% or less when heated from room temperature to 300 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min. Therefore, when the polysulfide carbon of the present invention having good crystallinity and excellent chemical stability is used as a positive electrode active material of a non-aqueous electrolyte battery, decomposition of the active material during charging or discharging and the accompanying electrolyte solution Since the elution of sulfur and the formation of sulfides are suppressed, good reversibility can be maintained over a long period of time.
[0038]
When the polysulfide carbon of the present invention is used as a positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte battery, its theoretical capacity is approximately 550 to 890 mAh / g, and LiCoO that is most widely used as a positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte battery. 2 It is possible to realize a capacity increase of 4 times or more of (137 mAh / g). The polysulfide carbon of the present invention can be used as a negative electrode active material in addition to the above-described use as a positive electrode active material of a non-aqueous electrolyte battery, or its chemical stability, semiconductivity, light absorption, etc. It is considered that it can be used for information storage elements, display elements, electronic materials and the like by taking advantage of the above characteristics.
[0039]
Next, preparation of a nonaqueous electrolyte battery (secondary battery) using the polysulfide carbon of the present invention as a positive electrode active material will be described.
[0040]
The positive electrode is composed of the above polysulfide carbon and conductive aids, binders, additives and the like used as necessary. Examples of the conductive aid include carbonaceous materials such as graphite and carbon black. Alternatively, a conductive polymer or the like is preferably used. In particular, when a conductive polymer is contained, an improvement in characteristics under a large current load can be expected. As the conductive polymer, for example, polymers having a conjugated structure such as polyacene, polyacetylene, polyaniline, polypyrrole and the like, derivatives thereof having a side chain such as methyl, butyl, and benzyl are preferably used.
[0041]
Examples of the binder include fluororesins such as polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene, amorphous polyether, polyacrylamide, poly-N-vinylacetamide, polyaniline having solubility in a solvent, polypyrrole, or a polymer composition thereof. Examples thereof include a copolymer formed between a monomer or a copolymer with other monomers, or a cross-linking compound. These are preferably polymer compounds that are chemically stable and have a strong adhesive force to the positive electrode active material.
[0042]
Moreover, when any of nickel, a nickel alloy, a nickel composite, or a nickel compound is included as a component of the positive electrode, the charge / discharge reversibility of the positive electrode is improved by the interaction with the polysulfide carbon. As such a nickel alloy, for example, LaNi Five , LaNi 4.6 Al 0.4 V-Ti-Ni alloy, etc., and examples of nickel composites include nickel deposited on the surface of aluminum foil, stainless steel foil, nickel, polypropylene sheet, polyethylene terephthalate sheet, polybutylene terephthalate sheet, etc. Examples of the nickel compound include NiS, Ni, and the like. 2 S 2 , NiS 2 And nickel sulfides. Among them, the general formula NiS z A compound represented by (z is 1 to 5) is preferably used. This is because the above compound is considered to act as a positive electrode active material.
[0043]
The nickel, nickel alloy, nickel composite or nickel compound may be contained in the positive electrode mixture as an additive, and the content in the positive electrode mixture is preferably 0.5 to 40% by weight. More preferably, it is made into 25 weight%. In this case, it is preferable to use a particle having a particle size of 0.1 to 10 μm. In addition, since nickel also functions as an electron conductor, for example, nickel in the form of foam or sheet is used as the positive electrode current collector in combination with the nickel-based additive or in place of the nickel-based additive. Alternatively, a nickel ribbon can be used as the lead body. When nickel is used as the positive electrode current collector, the charge / discharge cycle characteristics can be improved as compared with the case of aluminum that is normally used as the positive electrode current collector of the nonaqueous electrolyte battery. When the battery outer can is used as the positive electrode output terminal, the outer can may be a nickel can, a nickel alloy can, or a metal can having a nickel plating layer.
[0044]
The positive electrode is, for example, a positive electrode active material composed of the above polysulfide carbon, and if necessary, the above-mentioned conductive auxiliary or binder is added and mixed to prepare a positive electrode mixture, which is dispersed in a solvent and pasted (The binder may be dissolved in a solvent in advance and then mixed with the positive electrode active material, etc.), and the positive electrode mixture-containing paste is applied to a positive electrode current collector made of a metal foil and dried. It is produced by undergoing a step of forming a positive electrode mixture layer on at least a part of the body. However, the method for manufacturing the positive electrode is not limited to the above-described method, and other methods may be used.
[0045]
Examples of the active material for the negative electrode include alkali metals such as lithium and sodium, alkaline earth metals such as calcium and magnesium, alloys thereof with aluminum, carbonaceous materials such as graphite, tin (tin) or silicon (silicon). ) Elements that can be alloyed with lithium or oxides containing them, lithium-containing nitrogen compounds, polymers having a conjugated structure such as polyacene, polyacetylene, polyaniline, polythiophine, polypyrrole, and the like, methyl, butyl, benzyl, etc. For example, a conductive polymer composed of a derivative having a side chain of, for example, can be used.
[0046]
The method for producing the negative electrode is roughly divided into two types depending on the type of the negative electrode active material to be used. One of them is that when using a metal or alloy as the negative electrode active material, the negative electrode is made by pressing the metal or alloy as the negative electrode active material on the negative electrode current collector made of a metal porous body such as a wire mesh, expanded metal or punching metal. Is adopted. And when using a carbonaceous material etc. as a negative electrode active material, if necessary, the same conductive assistant or binder as in the case of the positive electrode is added to the negative electrode active material made of the above carbonaceous material, and mixed. Prepare a negative electrode mixture, disperse it in a solvent to make a paste (the binder may be dissolved in the solvent in advance and then mixed with the negative electrode active material), and the negative electrode mixture-containing paste is made of copper foil, etc. The negative electrode current collector is applied to the negative electrode current collector and dried to form a negative electrode mixture layer on at least a part of the negative electrode current collector. However, the method for manufacturing the negative electrode is not limited to the above-described method, and other methods may be used.
[0047]
As the non-aqueous electrolyte, any of a non-aqueous liquid electrolyte (hereinafter referred to as “electrolytic solution”), a polymer electrolyte, and a solid electrolyte can be used.
[0048]
First, the electrolyte will be described as the electrolyte. The electrolyte is constituted by dissolving an electrolyte salt in a non-aqueous solvent component.
[0049]
As the solvent component, ethers, esters, carbonates and the like are preferably used. It is particularly preferable to use a mixture of esters having a high dielectric constant (dielectric constant of 30 or more). Examples of the ester having a high dielectric constant include sulfur-based esters such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, γ-butyrolactone, and ethylene glycol sulfite. Cyclic esters are particularly preferable, especially ethylene carbonate. Cyclic carbonates such as are preferred.
[0050]
In addition to the above solvents, for example, chain alkyl esters such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, vinylene carbonate, methyl propionate and chain phosphate triesters such as trimethyl phosphate are used. In addition, 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, 2-methyl-tetrahydrofuran, diethyl ether, tetraglyme and the like can also be used. Furthermore, amine-based or imide-based organic solvents, sulfur-containing organic solvents such as sulfolane and dimethyl sulfoxide, and the like can also be used.
[0051]
Moreover, when the compound which has a C = C unsaturated bond as an additive to electrolyte solution is added in electrolyte solution, the fall of cycling characteristics may be suppressed. As a compound having such an unsaturated bond, for example, C 6 H Five C 6 H 11 Aromatic compounds such as (cyclohexylbenzene) and H (CF 2 ) Four CH 2 OOCCH = CH 2 , F (CF 2 ) 8 CH 2 CH 2 OOCCH = CH 2 Fluorinated compounds such as
[0052]
Examples of the electrolyte salt dissolved in the solvent component include, for example, alkali metals such as lithium and sodium, and alkaline earth metal halogen salts or perchlorates such as magnesium, lithium organic boron, and trifluoromethanesulfonate. Fluorine-containing compounds such as salts and imide salts are preferably used. Specific examples of such an electrolyte salt include, for example, LiF and LiClO. Four Mg (ClO Four ) 2 , LiPF 6 , LiBF Four , LiB (OC 6 H Four COO) 2 , LiCF Three SO Three , LiC Four F 9 SO Three , LiCF Three CO 2 , Li 2 C 2 F Four (SO Three ) 2 , LiN (CF Three SO 2 ) 2 , LiN (RfSO 2 ) (Rf'SO 2 ), LiN (RfOSO) 2 ) (Rf'OSO 2 ), LiC (RfSO 2 ) Three , LiC n F 2n + 1 SO Three (N ≧ 2), LiN (RfOSO 2 ) 2 [Wherein Rf and Rf ′ are fluoroalkyl groups] and the like, and these can be used alone or in combination of two or more. The electrolyte salt is particularly preferably a fluorine-containing organic lithium salt or imide salt having 2 or more carbon atoms. This is because the fluorine-containing organic lithium salt has a large anionic property and is easily ion-separated, so that it is easily dissolved in the solvent component, and the imide salt is excellent in stability. The concentration of the electrolyte salt in the electrolytic solution is not particularly limited, but is preferably 0.5 mol / l or more, and preferably 1.7 mol / l or less.
[0053]
The polymer electrolyte corresponds to a gelled version of the above electrolytic solution. In the gelation, for example, a linear polymer such as tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, a copolymer between those constituent monomers or with other monomers, a polyfunctional monomer (for example, In addition, a polymer compound obtained from a reaction of a tetrafunctional or higher functional acrylate such as dipentaerythritol hexaacrylate) or an amine compound with urethane is used. In addition, the solid electrolyte includes an inorganic type and an organic type, and examples of the inorganic solid electrolyte include sodium β alumina, 60LiI-40Al. 2 O Three , Li Three N, 5LiI-4Li 2 S-2P 2 S Five , Li Three In addition, examples of the organic solid electrolyte include amorphous, low phase transition temperature (Tg) polyethers, amorphous vinylidene fluoride copolymers, blends of different polymers, and the like. .
[0054]
In the present invention, in order to further improve the reversibility of the polysulfide carbon and the utilization rate in charge and discharge, an organic sulfur compound other than the polysulfide carbon, -S, is used in the battery, particularly in the positive electrode or electrolyte. y A compound having a structure represented by — (y ≧ 3), lithium sulfide, or sulfur may be contained. In particular, when lithium sulfide is contained, the following interaction is exhibited, so that preferable characteristics can be obtained.
[0055]
That is, when the polysulfide carbon and lithium sulfide coexist in the battery, the polysulfide carbon exhibits high catalytic activity for lithium sulfide, so that the lithium sulfide is an active material having excellent reversibility. On the other hand, since the reversibility of the polysulfide carbon is enhanced by the presence of lithium sulfide, it is possible to increase the capacity of the battery and to improve the cycle characteristics in charge / discharge with a large current. As the lithium sulfide, the general formula Li 2 S t A compound represented by (t ≧ 2) can be used. Specifically, Li 2 S Four , Li 2 S 8 , Li 2 S 18 Etc.
[0056]
The lithium sulfide may be present in the battery, but is preferably contained in the positive electrode or the electrolyte, and most preferably present in a state of being dissolved in an electrolytic solution (liquid electrolyte). This is because lithium sulfide has solubility in a non-aqueous solvent in the electrolytic solution, and even if it is contained in a component other than the electrolytic solution, it elutes into the electrolytic solution. Because it acts as. When it is contained in the positive electrode, it is necessary to reduce the filling amount of the polysulfide carbon by the volume, but when it is contained in the electrolyte, it is necessary to reduce the filling amount of the polysulfide carbon of the positive electrode. Therefore, the total amount of the positive electrode active material is substantially increased, and the battery can be easily increased in capacity.
[0057]
Of course, in this case, it is preferable to use a solvent having high solubility in lithium sulfide as the non-aqueous solvent of the electrolytic solution. Usually, the solvent component mainly has good solubility in lithium sulfide. It is comprised with the solvent and the subsolvent used as needed. Specific examples of the main solvent include, for example, aromatic solvents such as toluene and benzene, molecules such as tetrahydrofuran, dimethylformamide, 1,2-dimethoxyethane, tetramethylethylenediamine, dioxolane, 2-methyl-tetrahydrofuran, and tetraglyme. Examples include aliphatic or alicyclic low molecular weight solvents containing oxygen or nitrogen, and solvents containing sulfur such as dimethyl sulfoxide, sulfolane, etc., and these solvents may be used alone or in combination of two or more. It can be used as a solvent. Among these solvents, solvents having strong donor properties (electron donating properties) such as dimethyl sulfoxide, sulfolane, tetrahydrofuran, and tetraglyme are particularly preferable. It is preferably used in combination with a viscosity ether. Of course, a non-aqueous solvent can also be comprised only with this main solvent.
[0058]
Examples of the cosolvent include esters such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and γ-butyrolactone, and sulfur-based esters such as ethylene glycol sulfite. In addition to these, chain esters such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, and methyl propionate, chain phosphate triesters such as trimethyl phosphate, and diethyl ether can also be used. The addition of these cosolvents increases the ionic conductivity of the electrolyte, but it tends to reduce the solubility of lithium sulfide, so the amount of secondary solvent added depends on the nature of the main solvent, The content is preferably 20% by weight or less.
[0059]
In addition, the general formula Li 2 S t The lithium sulfide represented by (t ≧ 2) has a tendency that the solubility in the electrolytic solution decreases as the value of t increases, and the viscosity of the electrolytic solution increases to decrease the ionic conductivity. A sulfide having a value of t of 50 or less is practical, and a sulfide of 20 or less is more preferable.
[0060]
Here, the concentration of lithium sulfide in the electrolytic solution is preferably 0.01 mol / l or more, and preferably 10 mol / l or less, depending on the type of solvent used and the composition of the sulfide. In particular, by setting it to 0.1 mol / l or more, the discharge capacity of the battery is significantly increased, and by setting it to 4 mol / l or less, the ionic conductivity of the electrolyte and the utilization rate of carbon polysulfide can be suitably maintained.
[0061]
【Example】
Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, this invention is not limited only to those Examples. In the following examples, “%” indicating the concentration of a solution or dispersion, and “%” indicating composition, yield, etc., represent “% by weight” unless otherwise indicated.
[0062]
Example 1
Sodium sulfide nonahydrate (Na 2 S ・ 9H 2 100 g of O) was dissolved in 300 ml of a mixed solvent of ethanol and water mixed at a volume ratio of 1: 1, and 53.4 g of sulfur was added thereto and reacted at room temperature for 1 hour. Then, after removing the solvent in vacuum, the residue was dissolved in 700 ml of N-methyl-2-pyrrolidone, 17.2 g of hexachlorobutadiene was added, and the mixture was reacted at room temperature for 1 hour. Thereafter, it was thoroughly washed with pure water, acetone, and ethanol, and dried for 15 hours while maintaining the temperature at 40 ° C. in a vacuum to obtain a brown compound as an intermediate product. The method for synthesizing this compound is almost the same as the method described in the examples of JP-T-11-506799.
[0063]
Elemental analysis was performed on the obtained compound to obtain an average composition. As a result, C: 7.0%, S: 92.3%, N: 0.2% or less, and H: 0.3% or less. The corresponding general formula is (CS 4.9 ) n Met. The analysis results of C, N, and H were analyzed using a fully automatic elemental analyzer (manufactured by Siebel Hegna, vario EL), sample decomposition furnace temperature: 950 ° C., reducing furnace temperature: 500 ° C., helium flow rate: 200 ml / min, oxygen flow : Based on the results of elemental analysis performed under conditions of 20 to 25 ml / min. The analysis result of S is the flask combustion method-barium acetate measurement, and the elemental analysis was performed using trimethylene blue as an indicator. It depends on the result.
[0064]
Next, 10 g of the intermediate product is placed in a ship-shaped alumina (aluminum oxide) container, the alumina container containing the intermediate product is placed in the core of an alumina heating furnace, and a purity of 99.999 is obtained until the oxygen concentration becomes 100 ppm or less. After substituting with% argon gas, the temperature was changed under the following conditions while flowing argon gas, and finally heat treatment was performed at 380 ° C. That is, the temperature is raised from room temperature to 60 ° C. in 0.5 hours, held at 60 ° C. for 1 hour, then heated up to 380 ° C. in 2 hours, and kept at 380 ° C. for 1 hour to perform heat treatment. The intermediate product was converted to carbon polysulfide by removing a portion of the sulfur in the intermediate product.
[0065]
After the treatment, the reaction product was taken out from the alumina container after cooling to room temperature, and about 3 g of black polysulfide carbon having a metallic luster similar in appearance to graphite was obtained. As a result of elemental analysis, the composition of this polysulfide carbon is C: 26.0% and S: 73.9%. 1.06 ) n It became. Since hexachlorobutadiene used as a reaction component in the synthesis of the polysulfide carbon is a compound having 4 carbon atoms, the general formula (CS 1.06 ) n N value is 4 or more, and it is presumed that the compound is a compound which is mainly a multiple of 4.
[0066]
Next, this polysulfide carbon was subjected to Raman analysis using the following apparatus and conditions. The result is shown in FIG.
Apparatus: Ramaonor T-6400 (Jobin Yvon / Ehime Bussan) Light source: Ar laser [GLG3460 (514.5 nm, output: 1 mW (NEC)]
[0067]
In FIG. 1, the horizontal axis represents the Raman shift (cm -1 ) And the vertical axis is relative strength, but this polysulfide carbon (CS 1.06 ) n As shown in FIG. 1, the result of Raman analysis is 1444 cm. -1 Has a main peak based on an unsaturated bond of carbon (C = C bond) and 400 cm -1 ~ 525cm -1 The peak existing in the range of 490 cm -1 It was only the peak. That is, the polysulfide carbon had only peaks based on disulfide bonds and no peaks based on polysulfide segments. In general, for disulfide bonds that lead to carbon, 505 cm -1 A peak based on a disulfide bond appears in the vicinity. However, in the polysulfide carbon of the present invention, it is presumed that the peak position is shifted under the influence of the unsaturated bond (C═C bond) of the carbon.
[0068]
Further, the polysulfide carbon was subjected to X-ray diffraction measurement using CuKα rays by a powder X-ray diffractometer [RINT2000 (manufactured by Rigaku Corporation)]. Measurement conditions are voltage: 40 kV, current: 150 mA, scan speed: 2 ° / min, sampling: 0.02 °, number of integrations: 5 times, and measurement within a diffraction angle (2θ) of 10 ° to 80 °. went. Polysulfide carbon (CS obtained by X-ray diffraction measurement) 1.06 ) n FIG. 2 shows the diffraction pattern of FIG. 2. When the diffraction angle (2θ) is in the range of 20 ° to 30 °, only a broad diffraction peak having a peak position in the vicinity of 25 ° was observed. The peaks at 31.8 ° and 45.5 ° are due to sodium chloride.
[0069]
Furthermore, the above polysulfide carbon (CS 1.06 ) n Was subjected to thermogravimetric-differential thermal analysis (TG-DTA) using a thermal analyzer (thermo plus TG8120) manufactured by Rigaku Corporation. That is, heating was performed at a heating rate of 10 ° C./min while flowing high-purity nitrogen gas at a flow rate of 0.15 liter / min, and the relationship between temperature and weight change was measured. The result is shown in FIG. FIG. 3 shows a compound (CS) of Comparative Example 1 described later. 4.9 ) n The results of thermogravimetric-differential thermal analysis are also shown. As is apparent from the results shown in FIG. 3, conventionally known organic sulfur compounds (CS 4.9 ) n Is observed to decrease in weight from around 100 ° C., while the weight decreases rapidly at 200 ° C. or higher, whereas the polysulfide carbon (CS 1.06 ) n Is a stable compound with little weight loss up to around 300 ° C. (weight reduction up to 300 ° C .: about 0.5%).
[0070]
Also, (CS 1.06 ) n Was pulverized into a powder of approximately 75 μm, 0.5 g of the above powder was collected in a holder having a diameter of 5 mm, molded by pressurizing with 2 tons, and then the electric conductivity was measured at 25 ° C. by applying a direct current of 100 nA. However, 5 × 10 -7 Scm -1 Met. In contrast, the compound of Comparative Example 1 (CS described later) 4.9 ) n And the compound of Comparative Example 2 (CS 2.6 ) n In a similar measurement for, their electrical conductivity is 10 -11 Scm -1 Since the value of the polysulfide carbon of the present invention (CS 1.06 ) n It is considered that the molecular structure is unified as compared with the conventional organic sulfur compound, thereby improving the electric conductivity.
[0071]
Furthermore, when the true density at 25 ° C. was measured by a gas substitution method, 1.903 g / cm. Three Met. Compound (CS) of Comparative Example 2 described later 2.6 ) n True density of 2.047 g / cm Three True density of orthorhombic sulfur 2.07g / cm Three Although it was a small value compared with, this is the formula (3)
[Formula 4]
Figure 0004674883
As shown in Fig. 2, it is presumed that there are many rings formed by carbon and sulfur in the molecule.
[0072]
Example 2
In the heat treatment of Example 1, carbon sulfide (CS) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the treatment temperature was 370 ° C. 1.1 ) n Got. The polysulfide carbon was subjected to Raman analysis and X-ray diffraction measurement in the same manner as in Example 1.
[0073]
This polysulfide carbon (CS 1.1 ) n In the Raman analysis of 1.06 ) n Same as 1444cm -1 Has a main peak at 400 cm -1 ~ 525cm -1 In the range of 490cm -1 Only had a peak. In the X-ray diffraction measurement, the above (CS 1.06 ) n A pattern almost identical to the diffraction pattern was obtained.
[0074]
Example 3
In the heat treatment of Example 1, carbon sulfide (CS) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the treatment temperature was 390 ° C. 0.9 ) n Got. The polysulfide carbon was subjected to Raman analysis and X-ray diffraction measurement in the same manner as in Example 1.
[0075]
This polysulfide carbon (CS 0.9 ) n In the Raman analysis of 1.06 ) n Almost the same as 1442cm -1 Has a main peak at 400 cm -1 ~ 525cm -1 In the range of 494cm -1 Only had a peak. In the X-ray diffraction measurement, the above (CS 1.06 ) n A pattern similar to the diffraction pattern was obtained, and only had a broad peak at 24.4 °.
[0076]
Example 4
10 g of the intermediate product synthesized in Example 1 was put in a ship-shaped alumina container, and the alumina container containing the intermediate product was placed in the core of an alumina heating furnace, and the purity was 99.999% until the oxygen concentration was 400 ppm or less. Substituting with argon gas, and then evacuating to 2 Pa or less, heat-treating by changing the temperature under the same conditions as in Example 1 while maintaining the vacuum, to obtain polysulfide carbon (CS 1.02 ) n Got. The polysulfide carbon was subjected to Raman analysis and X-ray diffraction measurement in the same manner as in Example 1.
[0077]
This polysulfide carbon (CS 1.02 ) n In the Raman analysis of 1.06 ) n Almost the same as 1443cm -1 Has a main peak at 400 cm -1 ~ 525cm -1 In the range of 490cm -1 Only had a peak. In the X-ray diffraction measurement, the above (CS 1.06 ) n A pattern similar to the diffraction pattern was obtained, and only had a broad peak at 25.5 °.
[0078]
Example 5
In the heat treatment of Example 4, carbon sulfide (CS) was obtained in the same manner as in Example 4 except that the treatment temperature was 355 ° C. and the holding time at the treatment temperature was 5 hours. 1.38 ) n Got. The polysulfide carbon was subjected to Raman analysis and X-ray diffraction measurement in the same manner as in Example 1.
[0079]
This polysulfide carbon (CS 1.38 ) n In the Raman analysis of 1.06 ) n Almost the same as 1442cm -1 Has a main peak at 400 cm -1 ~ 525cm -1 In the range of 488cm -1 Only had a peak. Further, in the X-ray diffraction measurement, it had only a broad peak at 24.7 °.
[0080]
Example 6
A 500 ml four-necked flask equipped with a thermometer, a dropping funnel, a condenser, a nitrogen replacement port and an airtight stirrer was charged with 15 g of metal sodium cutting pieces while flowing nitrogen gas, and 100 ml of anhydrous xylene was added to add 110 to 120. The mixture was heated and refluxed in an oil bath at ° C. After the metallic sodium melted, the heating was stopped and the mixture was stirred vigorously. Next, after cooling to room temperature, xylene was removed, and sodium metal was washed twice with 10 ml of anhydrous ether, and then 204 g of carbon disulfide was added thereto, and dimethyl was added while heating and refluxing in an oil bath at 55 ° C. 180 ml of sulfoxide was slowly added dropwise over 5 hours and refluxed for 15 hours. Then, it cooled to room temperature and left to stand for 24 hours.
[0081]
Further, carbon disulfide in the reaction solution was evaporated at 55 ° C., and the remaining liquid was heated to 110 ° C. in an oil bath, and reacted at that temperature for 20 hours. Then, after cooling to room temperature, 250 ml of pure water was slowly added over 20 minutes while cooling the flask containing the reaction product with ice. Next, 60 ml of concentrated hydrochloric acid was added dropwise over 1 hour to obtain a black brown suspension. The black-brown suspension was decanted and the precipitated solid was separated and washed thoroughly with acetone and water. Further, the obtained reddish-brown solid was dried for 2 hours while maintaining at 185 ° C. in a vacuum to obtain a general formula (CS 2.6 ) n As a result, 33 g of a black-brown compound represented by the formula: The method for synthesizing this compound is almost the same as the method described in the examples of JP-T-11-514128.
[0082]
The above compound was pulverized to about 10 μm with a ball mill, and 10 g of the obtained powder was put into a three-necked flask having an internal volume of 300 ml equipped with a condenser and a nitrogen substitution port, and 100 ml of carbon disulfide was added thereto, By refluxing in an argon atmosphere for 5 hours, a part of the sulfur constituting the compound was removed and changed to a disulfide bond. Thereafter, the mixture is cooled to room temperature, and the precipitate is collected by centrifugal separation. The precipitate is vacuum-dried at 50 ° C. for 12 hours to obtain a carbon sulfide (CS) having a black metallic luster. 1.13 ) n Got. The polysulfide carbon was subjected to Raman analysis and X-ray diffraction measurement in the same manner as in Example 1. The result of Raman analysis is shown in FIG.
[0083]
This polysulfide carbon (CS 1.13 ) n 1438cm for Raman analysis of -1 Has a main peak at 400 cm -1 ~ 525cm -1 In the range of 489cm -1 Only had a peak. Further, the X-ray diffraction measurement only had a broad peak at 25.5 °.
[0084]
Example 7
In Example 6, a solvent extraction treatment was performed in the same manner as in Example 6 except that dimethyl sulfoxide was used instead of carbon disulfide used in the process of changing the intermediate product to polysulfide carbon by solvent extraction. Carbon sulfide (CS 1.11 ) n Got. The polysulfide carbon was subjected to Raman analysis and X-ray diffraction measurement in the same manner as in Example 1.
[0085]
This polysulfide carbon (CS 1.11 ) n In the Raman analysis of -1 Has a main peak at 400 cm -1 ~ 525cm -1 In the range of 489cm -1 Only had a peak. Further, the X-ray diffraction measurement only had a broad peak at 25.5 °.
[0086]
Example 8
A four-necked flask with an internal volume of 2 liters was equipped with a cooling tube with a dry ice rack and was purged with nitrogen. This was cooled with a methanol-dry ice bath, slowly charged with 500 ml of ammonia at a bath temperature of −75.5 ° C., and stored overnight at −70 ° C. or lower.
[0087]
Thereafter, 55.1 g of sodium was added at an internal temperature of −63 ° C., and acetylene gas was blown in at 470 ml / min for 2.5 hours at a bath temperature of −76 ° C. After stirring for 30 minutes, 135 g of sulfur was added at an internal temperature of −63 ° C., and the reaction was allowed to proceed for 8 hours. Then, 76 g of ammonium chloride was added and left at −70 ° C. overnight. Next, the temperature was raised to room temperature and stored for 3 days. Thereafter, the pH of the system was adjusted to 2 to 3 with hydrochloric acid to precipitate the product. This was filtered and dried at 70 ° C. to obtain about 70 g of a blackish green compound. As a result of elemental analysis, the ratio of carbon to sulfur in the synthesized compound was 1: 5.5 in molar ratio. The method for synthesizing this compound is almost the same as the method described in the examples of JP-T-11-506799.
[0088]
Next, 10 g of the above compound was placed in toluene, reacted at room temperature for 5 hours, and centrifuged to obtain a precipitate. The obtained precipitate was added to tetraglyme and reacted at 80 ° C. for 8 hours to obtain polysulfide carbon (CS 1.09 ) n About 2.2 g was obtained. This polysulfide carbon (CS 1.09 ) n 1435cm for Raman analysis -1 Has a main peak at 400 cm -1 ~ 525cm -1 In the range of 492cm -1 Only had a peak.
[0089]
Comparative Example 1
In the same manner as in Example 1, the intermediate product is represented by the general formula (CS 4.9 ) n The organic sulfur compound represented by the formula (1) was obtained and used as the organic sulfur compound of Comparative Example 1.
[0090]
Comparative Example 2
In the same manner as in Example 6, the intermediate product is represented by the general formula (CS 2.6 ) n The organic sulfur compound represented by the formula (1) was obtained and used as the organic sulfur compound of Comparative Example 2.
[0091]
These compounds (CS 4.9 ) n And (CS 2.6 ) n As in Example 1, Raman analysis and X-ray diffraction measurement were performed. Compound (CS 2.6 ) n The results of Raman analysis are shown in FIG. 5, and the results of X-ray diffraction are shown in FIG. Compound (CS 4.9 ) n And compounds (CS 2.6 ) n For all of these, 400 cm -1 ~ 525cm -1 In between, a number of peaks based on the polysulfide segment appeared overlapping, and no peak corresponding to a disulfide bond was observed. 1444cm -1 Since the nearby peak is broader than that of the polysulfide carbon of the present invention, it is considered that the structure of the skeleton formed mainly of carbon is not so uniform. Furthermore, the peak (1000 cm) not seen in the polysulfide carbon of the present invention. -1 Nearby peaks were also observed, and it was estimated that the molecular structure was considerably different from that of the polysulfide carbon of the present invention.
[0092]
Also, (CS 4.9 ) n And (CS 2.6 ) n In any of these cases, many diffraction peaks were observed in the X-ray diffraction measurement, but most of the diffraction peaks were identified by sulfur diffraction peaks, and the crystal structure as seen in the polysulfide carbon of the present invention was observed. There was no clear peak considered to be based.
[0093]
In the following examples, non-aqueous electrolyte secondary batteries using the polysulfide carbons of Examples 1 to 6 and the organic sulfur compounds of Comparative Examples 1 and 2 as positive electrode active materials were produced and their characteristics were evaluated.
[0094]
Example 9
First, the positive electrode was produced as follows. About 10 parts by weight of the polysulfide carbon of Examples 1 to 6 or the organic sulfur compounds of Comparative Examples 1 to 2, 7.2 parts by weight of Lonza graphite (KS-6) and 0.8 parts by weight of acetylene black After putting into a mixing container and mixing for 10 minutes in a dry process, 50 parts by weight of N-methyl-2-pyrrolidone was added and mixed for 30 minutes. Next, 16.7 parts by weight of an N-methyl-2-pyrrolidone solution containing 12% polyvinylidene fluoride was added, and further mixed for 1 hour to prepare a positive electrode mixture-containing paste.
[0095]
The obtained positive electrode mixture-containing paste was applied to an aluminum foil (size: 250 mm × 220 mm) having a thickness of 20 μm, dried on a hot plate at 50 ° C. for 10 minutes, and further dried in vacuum at 120 ° C. for 10 hours. The positive electrode mixture layer was formed by removing N-methyl-2-pyrrolidone. The electrode body after drying was heated to 100 ° C. and pressurized to obtain a positive electrode having a positive electrode mixture layer with a thickness of 20 μm.
[0096]
The negative electrode was produced by placing a metal lithium foil having a thickness of 200 μm on a nickel mesh (size: 250 mm × 220 mm) in an argon gas atmosphere, pressurizing with a roller, and pressing the metal lithium foil onto the nickel mesh.
[0097]
As an electrolytic solution, a mixed solvent of propylene carbonate and ethylene carbonate having a weight ratio of 1: 1 is mixed with LiPF. 6 A solution in which 1.4 mol / l was dissolved was used.
[0098]
And the said positive electrode and negative electrode are laminated | stacked in argon gas atmosphere through the separator which consists of a 80-micrometer-thick polypropylene nonwoven fabric, and the laminated electrode body consists of a three-layer laminate film of nylon film-aluminum foil-modified polyolefin resin film After putting in a package and injecting an electrolytic solution, it was sealed and a nonaqueous electrolyte secondary battery was produced. This battery is charged and discharged at a current value corresponding to 60 mA per 1 g of the positive electrode active material (the discharge end voltage is 1.5 V), and this is repeated for 10 cycles, and the discharge capacity at the third cycle and the discharge capacity at the 10th cycle. And the change in discharge capacity per gram of the positive electrode active material was examined. The results are shown in Table 1.
[0099]
[Table 1]
Figure 0004674883
[0100]
As is clear from the results shown in Table 1, the polysulfide carbon (CS) of the present invention 0.9 ) n , (CS 1.02 ) n , (CS 1.06 ) n , (CS 1.1 ) n , (CS 1.13 ) n And (CS 1.38 ) n The conventional organic sulfur compound (CS 2.6 ) n And (CS 4.9 ) n As compared with the battery, the capacity of the mounted battery is large and the stability to the electrolytic solution is high. Therefore, the capacity decrease in the charge / discharge cycle is small, and a highly reliable nonaqueous electrolyte secondary battery can be constructed. In particular, polysulfide carbon is represented by x ) n The polysulfide carbon having x in the range of 0.9 to 1.3 exhibits excellent characteristics, and among them, the polysulfide carbon in which x is in the range of 1 to 1.1 is highly stable. Had sex.
[0101]
Example 10
In Example 9, as the positive electrode active material (CS 1.06 ) n In the preparation of the positive electrode mixture-containing paste, Example 9 was used except that instead of 7.2 parts by weight of graphite, 5.7 parts by weight of graphite and 1.5 parts by weight of nickel powder having an average particle size of 5 μm were used. A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as described above.
[0102]
Example 11
In Example 9, as the positive electrode active material (CS 1.06 ) n A nonaqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 9, except that a nickel foil having a thickness of 10 μm was used as the positive electrode current collector instead of the aluminum foil.
[0103]
In the batteries of Examples 10 and 11 above and Example 9 (CS 1.06 ) n For the battery using the positive electrode active material, charge and discharge were repeated 50 cycles under the same charge and discharge conditions as above, and the discharge capacity at the 50th cycle was measured. The results are shown in Table 2 as the discharge capacity per gram of the positive electrode active material.
[0104]
[Table 2]
Figure 0004674883
[0105]
As shown in Table 2, the batteries of Example 10 and Example 11 had a larger discharge capacity at the 50th cycle than the battery of Example 9, and the batteries of Examples 10 and 11 had nickel as the positive electrode. As a result, the charge / discharge cycle characteristics were greatly improved as compared with the battery of Example 9.
[0106]
Example 12
In Example 9, (CS 1.06 ) n And NiS in a weight ratio of 9: 1 to 4: 6 (however, the total of both is 10 parts by weight) to prepare a positive electrode mixture-containing paste, and in the same manner as in Example 9, a non-aqueous electrolyte secondary A battery was produced. That is, in Example 12, polysulfide carbon (CS 1.06 ) n A battery in which a part of the battery was replaced with nickel sulfide was produced.
[0107]
The battery of Example 12 above and in Example 9 (CS 1.06 ) n Is charged and discharged at a current value corresponding to 150 mA per 1 g total weight of polysulfide carbon and NiS (discharge end voltage: 1.0 V), and this is repeated 10 cycles. And the discharge capacity at the 10th cycle were measured. The result is (CS 1.06 ) n Table 3 shows the discharge capacity per gram of NiS and NiS. (CS 1.06 ) n The total amount of NiS and NiS is 10 parts by weight as described above, and both account for 50% by weight in the positive electrode mixture.
[0108]
[Table 3]
Figure 0004674883
[0109]
As is apparent from the results shown in Table 3, by including nickel sulfide in the positive electrode, even when the current value in the charge / discharge cycle is increased, good reversibility of the positive electrode is maintained, and the charge / discharge cycle is maintained. The decrease in capacity accompanying this was suppressed. Although the content of polysulfide carbon is reduced by the addition of nickel sulfide, the nickel sulfide itself acts as an active material, so that the discharge capacity of the battery is hardly lowered, which is preferable.
[0110]
Also, (CS 1.06 ) n A cyclic voltammetry test at a potential sweep rate of 10 mV / sec with a positive electrode with a weight ratio of NiS and NiS of 8: 2 as the working electrode, lithium as the counter electrode, and another lithium as the reference electrode. Went. A cyclic voltammogram of the positive electrode obtained at this time is shown in FIG. In the cyclic voltammogram shown in FIG. 7, the potentials of the oxidation peak and the reduction peak are close to each other, indicating that the polysulfide carbon of the present invention is highly reversible with respect to oxidation and reduction.
[0111]
Example 13
An electrolytic solution containing lithium sulfide was prepared by the following method. That is, LiCF was added to a mixed solvent of tetraglyme and 1,3-dioxolane in a volume ratio of 1: 1. Three SO Three Is dissolved at a concentration of 1 mol / l to form an electrolyte, and 2.3 g of Li is added to 86.5 g of the electrolyte in an atmosphere where moisture is blocked. 2 S and 11.2 g of sulfur were added and refluxed at 80 ° C. for 5 hours in the electrolyte. 2 S 8 Was synthesized. Li in this electrolyte 2 S 8 The content of is 0.5 mol / l and Li 2 S 8 LiCF with the synthesis of Three SO Three The concentration of was reduced to 0.87 mol / l.
[0112]
Next, in Example 11, the above Li as the electrolyte 2 S 8 A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 11 except that the electrolyte solution containing was used.
[0113]
Example 14
In Example 13, Li in the electrolyte solution 2 S 8 A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 13 except that the content of was changed to 1.0 mol / l.
[0114]
Example 15
In Example 14, a nonaqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Example 14 except that a mixed solvent having a volume ratio of 1: 1 of dimethyl sulfoxide and 1,3-dioxolane was used as the nonaqueous solvent for the electrolytic solution. Produced.
[0115]
Example 16
In Example 13, (CS 1.38 ) n A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 13 except that was used.
[0116]
Comparative Example 3
In Example 15, a nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 15 except that the carbon electrode described below was used as the positive electrode. The positive electrode in the battery of Comparative Example 3 is a carbon electrode manufactured with a composition ratio of graphite (KS-6): 82%, acetylene black: 8%, and polyvinylidene fluoride: 10%.
[0117]
For each of the batteries of Examples 13 to 16, charge / discharge cycles by constant current-constant voltage charge and constant current discharge were repeated 50 times, and the discharge capacity at the first cycle and the discharge capacity at the 50th cycle were measured. The change in discharge capacity per gram of carbon was examined. In addition, constant current charging in constant current-constant voltage charging is performed using polysulfide carbon and Li 2 S 8 And a current value corresponding to 60 mA per 1 g of the total weight, and the upper limit value of the voltage was set to 2.5V. The discharge current value was set to the same value as the current value in constant current charging, and the battery was discharged until the battery voltage became 1.5V. The results are shown in Table 4 as the discharge capacity per gram of polysulfide carbon.
[0118]
In addition, the battery of Comparative Example 3 was charged and discharged in the same manner as described above, but the positive electrode collapsed in the second cycle, making charging and discharging impossible. That is, Li 2 S 8 When only was used as the active material, it did not function as a secondary battery. In addition, the discharge capacity of the first cycle at this time is Li 2 S 8 The value was as low as 167 mAh / g per gram of the above.
[0119]
[Table 4]
Figure 0004674883
[0120]
As described in Tables 1 and 2 above, the discharge capacity of polysulfide carbon is about 600 mAh / g. However, by including lithium sulfide in the electrolyte, the apparent discharge capacity of polysulfide carbon can be reduced. The battery capacity was greatly increased, and the battery capacity could be easily increased. Moreover, the large discharge capacity was maintained even after repeated cycles. This is presumably because the lithium sulfide not only acted as an active material, but also coexisted with the polysulfide carbon to improve the reversibility of each other. That is, in the batteries of Examples 13 to 16, not only the solid active material (polysulfide carbon) but also the liquid active material (lithium sulfide) dissolved in the electrolytic solution was used. Although the battery has the same volume as that of Example 11 and the like, it has succeeded in greatly increasing the discharge capacity. Of course, lithium sulfide may be included in the polymer electrolyte to be used as a gel active material.
[0121]
Example 17
Using the polysulfide carbons of Example 1 and Examples 3 to 5, nonaqueous electrolyte secondary batteries were produced as follows. 10 parts by weight of the polysulfide carbon of Example 1 and Examples 3 to 5, 2.2 parts by weight of graphite (KS-6) and 0.8 parts by weight of acetylene black are placed in a mixing container, and dried for 10 minutes. After mixing, 20 parts by weight of N-methyl-2-pyrrolidone was added and mixed for 30 minutes. Next, 21.6 parts by weight of an N-methyl-2-pyrrolidone solution containing 7.4% polyaniline and 16.7 parts by weight of an N-methyl-2-pyrrolidone solution containing 12% polyvinylidene fluoride were added. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 9 except that a positive electrode mixture-containing paste was prepared by mixing for 1 hour, and that the positive electrode mixture-containing paste was used.
[0122]
Example 18
In Example 17, a nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 17 except that polypyrrole was used as the conductive polymer.
[0123]
Example 19
100 g of an amine compound (Jeffamine XTJ-502) manufactured by Huntsman was dissolved in 130 g of a mixed solvent of propylene carbonate and ethylene carbonate in a weight ratio of 1: 1. 2 g was added and reacted at room temperature with stirring for 7 days. To the solution of the amine compound obtained by this reaction, LiCF Three SO Three Was added to a concentration of 1.0 mol / l and stirred until it was uniformly dissolved. On the other hand, urethane (AX-1043) manufactured by Mitsui Chemicals is dissolved in a mixed solvent of methyl ethyl carbonate and ethylene carbonate in a weight ratio of 2: 1. Three SO Three Was added so that the concentration was 1.0 mol / l. The solution containing the amine compound and the solution containing urethane are mixed so that the molar ratio of active hydrogen of amine and isocyanate group of urethane is 1.1: 1, and the average thickness of the mixed solution is 80 μm. A polybutylene terephthalate nonwoven fabric was dipped and left for 2 hours after being pulled up to prepare a polymer electrolyte using the polybutylene terephthalate nonwoven fabric as a support. All the above operations were performed in a dry atmosphere having a dew point temperature of −60 ° C. or lower.
[0124]
Next, as an electrolytic solution, a mixed solvent of methyl ethyl carbonate and ethylene carbonate having a weight ratio of 2: 1 was mixed with LiCF Three SO Three Was added to a concentration of 1.0 mol / l and used in Example 17 (CS 1.06 ) n A battery was assembled by using a positive electrode and a negative electrode each having an active material. The surfaces of the positive electrode and the negative electrode are moistened with an electrolytic solution, and further, the positive electrode and the negative electrode are laminated through the polymer electrolyte, and the laminated body is put in the same package as in Example 9, and the electrolytic solution is injected After that, it was sealed to produce a nonaqueous electrolyte secondary battery.
[0125]
Example 20
In Example 17, a nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 17 except that polyaniline was not used and graphite and acetylene black were increased instead.
[0126]
For each of the batteries of Examples 17 to 20, after initial discharge was performed at a current value corresponding to 60 mA per 1 g of the positive electrode active material, charge and discharge were performed at the same current value (discharge end voltage: 1.5 V), The discharge capacity per gram of the positive electrode active material under a low current load was examined. Next, after performing the same charging as described above, discharging was performed at a current value corresponding to 300 mA per 1 g of the positive electrode active material, and the change in the discharge capacity when the load increased was examined. The results are shown in Table 5.
[0127]
[Table 5]
Figure 0004674883
[0128]
As is apparent from the results shown in Table 5, by containing a conductive polymer in the positive electrode, even when the current value at the time of discharge increases, there is little decrease in discharge capacity, and a battery suitable for high current load applications is obtained. be able to.
[0129]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide polysulfide carbon that is particularly useful as an active material for a nonaqueous electrolyte battery. That is, by using as an active material the polysulfide carbon of the present invention containing 67% by weight or more of sulfur by weight, the weight ratio of sulfur to carbon being 95% by weight or more, and having the above specific physical properties, It was possible to provide a highly reliable non-aqueous electrolyte secondary battery that has a high capacity and little reduction in capacity due to charge / discharge cycles.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a polysulfide carbon (CS) obtained in Example 1. 1.06 ) n It is a figure which shows a Raman spectrum.
FIG. 2 shows polysulfide carbon (CS) obtained in Example 1. 1.06 ) n It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of.
FIG. 3 shows polysulfide carbon (CS) obtained in Example 1. 1.06 ) n And the organic sulfur compound (CS) obtained in Comparative Example 1 4.9 ) n It is a figure which shows the weight change in a thermogravimetric-differential thermal analysis.
FIG. 4 shows polysulfide carbon (CS) obtained in Example 6. 1.13 ) n It is a figure which shows a Raman spectrum.
FIG. 5 shows an organic sulfur compound (CS) obtained in Comparative Example 2. 2.6 ) n It is a figure which shows a Raman spectrum.
6 is an organic sulfur compound (CS) obtained in Comparative Example 2. FIG. 2.6 ) n It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of.
FIG. 7 shows carbon polysulfide (CS) in Example 12. 1.06 ) n It is a figure which shows the cyclic voltammogram of the positive electrode which made 8: 2 the weight ratio of NiS.

Claims (20)

炭素とイオウを主な構成元素とし、イオウの重量比率が67重量%以上でかつ炭素とイオウの重量比率の合計が95重量%以上であり、炭素とイオウの原子比率を1:xとした時に、xが0.9〜1.5であって、そのラマンスペクトルにおいて、ラマンシフトの1444cm−1付近に主ピークが存在し、かつ400cm−1〜525cm−1の範囲に存在するピークが90cm-1付近のピークのみであることを特徴とするポリ硫化カーボン。Carbon and sulfur as the main component elements, der total 95% or more by weight of the weight ratio of the weight ratio and the carbon and sulfur in 67% or more by weight of sulfur is, the atomic ratio of carbon to sulfur was 1: x sometimes, x is 0.9 to 1.5 der in its Raman spectrum, a peak exists mainly peak near 1444cm -1 of Raman shift, and present in the range of 400cm -1 ~525cm -1 4 Polysulfide carbon characterized by having only a peak near 90 cm −1 . 炭素とイオウを主な構成元素とし、イオウの重量比率が67重量%以上でかつ炭素とイオウの重量比率の合計が95重量%以上であり、炭素とイオウの原子比率を1:xとした時に、xが0.9〜1.5であって、そのCuKα線によるX線回折において、回折角(2θ)が20°〜30°の範囲の回折パターンが、5°付近にピークを有し、かつ、25°付近以外の回折角にはピークを有しないか、または、25°付近以外の回折角に存在するピークのピーク強度が、25°付近における前記ピークのピーク強度の1/10以下であるブロードな回折ピーク表されることを特徴とするポリ硫化カーボン。Carbon and sulfur as the main component elements, der total 95% or more by weight of the weight ratio of the weight ratio and the carbon and sulfur in 67% or more by weight of sulfur is, the atomic ratio of carbon to sulfur was 1: x sometimes, x I is 0.9 to 1.5 der, in X-ray diffraction by the CuKα ray diffraction pattern in the range of diffraction angles (2 [Theta]) is 20 ° to 30 ° is a peak near 2 5 ° Yes and, and, either having no peaks at diffraction angles other than near 25 °, or, the peak intensity of the peaks present in the diffraction angle other than near 25 ° is a peak intensity of the peak in the vicinity of 25 ° 1 / 10 polysulfide carbon, characterized by being represented by der Ru broad diffraction peaks below. 炭素とイオウを主な構成元素とし、イオウの重量比率が67重量%以上でかつ炭素とイオウの重量比率の合計が95重量%以上であり、炭素とイオウの原子比率を1:xとした時に、xが0.9〜1.5であって、窒素雰囲気下で室温から300℃まで10℃/分の速度で加熱した際の熱重量分析による重量減少が5%以下であることを特徴とするポリ硫化カーボン。Carbon and sulfur as the main component elements, der total 95% or more by weight of the weight ratio of the weight ratio and the carbon and sulfur in 67% or more by weight of sulfur is, the atomic ratio of carbon to sulfur was 1: x sometimes, that x is I 0.9-1.5 der, weight loss by thermogravimetric analysis when heated at a rate of 10 ° C. / min up to 300 ° C. from room temperature under a nitrogen atmosphere of 5% or less Characteristic polysulfide carbon. 一般式(CS(xは0.9〜1.5で、nは4以上の数である)で表される請求項1〜3のいずれかに記載のポリ硫化カーボン。The carbon polysulfide according to any one of claims 1 to 3, which is represented by a general formula (CS x ) n (x is 0.9 to 1.5, and n is a number of 4 or more). xが1.3以下であることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載のポリ硫化カーボン。polysulfide carbon according to any one of claims 1 to 4, x is equal to or more than 1.3. 下記式(1)で表される繰り返し単位を有している請求項1〜5のいずれかに記載のポリ硫化カーボン。The polysulfide carbon according to any one of claims 1 to 5, which has a repeating unit represented by the following formula (1).
Figure 0004674883
Figure 0004674883
炭素とイオウを主な構成元素とし、−S−(m≧3)で表される構造を有する有機イオウ化合物に対し、該構造を有するイオウの一部を除去し、ジスルフィド結合に変化させることによって請求項1〜6のいずれかに記載のポリ硫化カーボンとすることを特徴とするポリ硫化カーボンの製造方法。For organic sulfur compounds having a structure represented by -S m- (m ≧ 3) with carbon and sulfur as main constituent elements, removing a part of the sulfur having the structure to change to a disulfide bond. A method for producing carbon polysulfide, characterized in that the carbon polysulfide according to any one of claims 1 to 6 is used. 前記構造を構成するイオウの一部を除去する方法が加熱によるものであることを特徴とする請求項7記載のポリ硫化カーボンの製造方法。  8. The method for producing carbon polysulfide according to claim 7, wherein the method for removing a part of sulfur constituting the structure is by heating. 前記構造を構成するイオウの一部を除去する方法が溶媒抽出法によるものであることを特徴とする請求項7記載のポリ硫化カーボンの製造方法。  8. The method for producing carbon polysulfide according to claim 7, wherein a method of removing a part of sulfur constituting the structure is a solvent extraction method. 請求項1〜6のいずれかに記載のポリ硫化カーボンを活物質とする電極と非水電解質を用いたことを特徴とする非水電解質電池。  A non-aqueous electrolyte battery using an electrode comprising the carbon polysulfide according to claim 1 as an active material and a non-aqueous electrolyte. 請求項1〜6のいずれかに記載のポリ硫化カーボンと、ニッケル、ニッケル合金、ニッケル複合体またはニッケル化合物のうちの少なくとも1種とを含有する正極を用いたことを特徴とする請求項10記載の非水電解質電池。  The positive electrode containing the polysulfide carbon according to any one of claims 1 to 6 and at least one of nickel, a nickel alloy, a nickel composite, or a nickel compound is used. Non-aqueous electrolyte battery. 前記ニッケル化合物がニッケルの硫化物であることを特徴とする請求項11記載の非水電解質電池。  The non-aqueous electrolyte battery according to claim 11, wherein the nickel compound is nickel sulfide. 前記ニッケルの硫化物が、一般式NiS(zは1〜5である)で表される化合物であることを特徴とする請求項12記載の非水電解質電池。The non-aqueous electrolyte battery according to claim 12, wherein the nickel sulfide is a compound represented by a general formula NiS z (z is 1 to 5). 請求項1〜6のいずれかに記載のポリ硫化カーボン以外の有機イオウ化合物、−S−(y≧3)で表される構造を有する化合物、リチウムの硫化物またはイオウのうちの少なくとも1種を電池内に含有していることを特徴とする請求項10記載の非水電解質電池。Organic sulfur compound other than polysulfide carbon according to any one of claims 1 to 6, -S y - a compound having a structure represented by (y ≧ 3), at least one of a sulfide or sulfur lithium The nonaqueous electrolyte battery according to claim 10, wherein the battery is contained in the battery. リチウムの硫化物を正極または非水電解質に含有していることを特徴とする請求項14記載の非水電解質電池。  15. The nonaqueous electrolyte battery according to claim 14, wherein lithium sulfide is contained in the positive electrode or the nonaqueous electrolyte. 前記リチウムの硫化物が、一般式Li(t≧2)で表される化合物であることを特徴とする請求項15記載の非水電解質電池。The non-aqueous electrolyte battery according to claim 15, wherein the lithium sulfide is a compound represented by a general formula Li 2 S t (t ≧ 2). 請求項1〜6のいずれかに記載のポリ硫化カーボンと、導電性ポリマーとを含有する正極を用いたことを特徴とする請求項10記載の非水電解質電池。  The nonaqueous electrolyte battery according to claim 10, wherein a positive electrode containing the polysulfide carbon according to claim 1 and a conductive polymer is used. リチウム、リチウム合金、リチウム含有複合化合物または炭素質材料のいずれかを活物質とする負極を用いたことを特徴とする請求項10〜17のいずれかに記載の非水電解質電池。  The nonaqueous electrolyte battery according to claim 10, wherein a negative electrode using any one of lithium, a lithium alloy, a lithium-containing composite compound, or a carbonaceous material as an active material is used. 非水電解質としてポリマー電解質を用いたことを特徴とする請求項10〜18のいずれかに記載の非水電解質電池。  The nonaqueous electrolyte battery according to any one of claims 10 to 18, wherein a polymer electrolyte is used as the nonaqueous electrolyte. 含フッ素有機リチウム塩またはイミド塩を含有する非水電解質を用いたことを特徴とする請求項10〜19のいずれかに記載の非水電解質電池。  The nonaqueous electrolyte battery according to any one of claims 10 to 19, wherein a nonaqueous electrolyte containing a fluorine-containing organic lithium salt or an imide salt is used.
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