JP5142415B2 - Positive electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery - Google Patents

Positive electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery Download PDF

Info

Publication number
JP5142415B2
JP5142415B2 JP2011007713A JP2011007713A JP5142415B2 JP 5142415 B2 JP5142415 B2 JP 5142415B2 JP 2011007713 A JP2011007713 A JP 2011007713A JP 2011007713 A JP2011007713 A JP 2011007713A JP 5142415 B2 JP5142415 B2 JP 5142415B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sulfur
positive electrode
lithium ion
ion secondary
conductive material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2011007713A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2012150948A (en
Inventor
琢寛 幸
敏勝 小島
妥絵 奥山
哲男 境
淳一 丹羽
晶 小島
正孝 仲西
一仁 川澄
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Industries Corp
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Toyota Industries Corp
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Industries Corp, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical Toyota Industries Corp
Priority to JP2011007713A priority Critical patent/JP5142415B2/en
Priority to PCT/JP2011/006770 priority patent/WO2012098614A1/en
Publication of JP2012150948A publication Critical patent/JP2012150948A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5142415B2 publication Critical patent/JP5142415B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • H01M4/1397Processes of manufacture of electrodes based on inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/581Chalcogenides or intercalation compounds thereof
    • H01M4/5815Sulfides
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

Disclosed is a positive electrode containing a sulfur-based positive electrode active substance and capable of increasing discharge rate characteristics and the cycle characteristics of lithium ion secondary batteries. The positive electrode for lithium ion secondary batteries contains a sulfur-based positive electrode active substance which contains carbon (C) and sulfur (S), and a conductive material which contains sulfur (S), wherein at least one part of said conductive material is a sulfide of at least one metal selected from the group consisting of the fourth-period metals, fifth-period metals, sixth-period metals, and rare earth elements.

Description

本発明は、硫黄系正極活物質を含有するリチウムイオン二次電池用正極、および、この正極を用いたリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention is a positive electrode for a lithium ion secondary battery containing the sulfur-based positive electrode active material, and relates to a lithium ion secondary batteries using the positive electrode.

非水電解質二次電池の一種であるリチウムイオン二次電池は、充放電容量の大きな電池であり、主として携帯電子機器用の電池として用いられている。また、リチウムイオン二次電池は、電気自動車用の電池としても期待されている。   A lithium ion secondary battery, which is a type of nonaqueous electrolyte secondary battery, is a battery with a large charge / discharge capacity, and is mainly used as a battery for portable electronic devices. Lithium ion secondary batteries are also expected as batteries for electric vehicles.

リチウムイオン二次電池の正極活物質としては、コバルトやニッケル等のレアメタルを含有するものが一般的である。しかし、これらの金属は流通量が少なく高価であるため、近年では、これらのレアメタルにかわる物質を用いた正極活物質が求められている。   As a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery, a material containing a rare metal such as cobalt or nickel is generally used. However, since these metals have a small circulation amount and are expensive, in recent years, a positive electrode active material using a substance replacing these rare metals has been demanded.

リチウムイオン二次電池の正極活物質として、硫黄を用いる技術が知られている。硫黄を正極活物質として用いることで、リチウムイオン二次電池の充放電容量を大きくできる。例えば、硫黄を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池の充放電容量は、一般的な正極材料であるコバルト酸リチウム正極材料を用いたリチウムイオン二次電池の充放電容量の約6倍である。   As a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery, a technique using sulfur is known. By using sulfur as the positive electrode active material, the charge / discharge capacity of the lithium ion secondary battery can be increased. For example, the charge / discharge capacity of a lithium ion secondary battery using sulfur as a positive electrode active material is approximately six times the charge / discharge capacity of a lithium ion secondary battery using a lithium cobaltate positive electrode material, which is a common positive electrode material. is there.

しかし、正極活物質として単体硫黄を用いたリチウムイオン二次電池においては、放電時に硫黄とリチウムとの化合物が生成する。この硫黄とリチウムとの化合物は、リチウムイオン二次電池の非水系電解液(例えば、エチレンカーボネートやジメチルカーボネート等)に可溶である。このため、正極活物質として硫黄を用いたリチウムイオン二次電池は、充放電を繰り返すと、硫黄の電解液への溶出により次第に劣化し、電池容量が低下する問題がある。以下、充放電の繰り返しに伴って充放電容量が低下するリチウムイオン二次電池の特性を「サイクル特性」と呼ぶ。この充放電容量低下の小さいリチウムイオン二次電池はサイクル特性に優れるリチウムイオン二次電池であり、この充放電容量低下の大きなリチウムイオン二次電池はサイクル特性に劣るリチウムイオン二次電池である。   However, in a lithium ion secondary battery using elemental sulfur as the positive electrode active material, a compound of sulfur and lithium is generated during discharge. This compound of sulfur and lithium is soluble in a non-aqueous electrolyte solution (for example, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, etc.) of a lithium ion secondary battery. For this reason, a lithium ion secondary battery using sulfur as a positive electrode active material has a problem that, when charging and discharging are repeated, it gradually deteriorates due to elution of sulfur into the electrolytic solution, and the battery capacity decreases. Hereinafter, the characteristic of the lithium ion secondary battery in which the charge / discharge capacity decreases with repeated charge / discharge is referred to as “cycle characteristic”. The lithium ion secondary battery having a small decrease in charge / discharge capacity is a lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics, and the lithium ion secondary battery having a large decrease in charge / discharge capacity is a lithium ion secondary battery having inferior cycle characteristics.

サイクル特性を向上させるため、硫黄を含む正極活物質(以下、硫黄系正極活物質と呼ぶ)に炭素材料を配合する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In order to improve cycle characteristics, a technique has been proposed in which a carbon material is blended with a positive electrode active material containing sulfur (hereinafter referred to as a sulfur-based positive electrode active material) (see, for example, Patent Document 1).

特許文献1には、炭素と硫黄を主な構成要素とするポリ硫化カーボンを正極活物質として用いる技術が紹介されている。このポリ硫化カーボンは、直鎖状不飽和ポリマーに硫黄が付加されたものである。炭素材料によって電解液への硫黄の溶出を抑制でき、サイクル特性が向上すると考えられる。   Patent Document 1 introduces a technique using polysulfide carbon having carbon and sulfur as main components as a positive electrode active material. This polysulfide carbon is obtained by adding sulfur to a linear unsaturated polymer. It is thought that the elution of sulfur to the electrolyte can be suppressed by the carbon material, and the cycle characteristics are improved.

本発明の発明者等は、ポリアクリロニトリルと硫黄との混合物を熱処理して得られる正極活物質を発明した(特許文献2参照)。この正極活物質を正極に用いたリチウムイオン二次電池の充放電容量は大きく、かつ、この正極活物質を正極に用いたリチウムイオン二次電池はサイクル特性に優れる。   The inventors of the present invention invented a positive electrode active material obtained by heat-treating a mixture of polyacrylonitrile and sulfur (see Patent Document 2). The charge / discharge capacity of a lithium ion secondary battery using this positive electrode active material for the positive electrode is large, and the lithium ion secondary battery using this positive electrode active material for the positive electrode is excellent in cycle characteristics.

しかしその一方で、上述したポリアクリロニトリルや直鎖状不飽和ポリマーを炭素材料として用いた正極活物質は、電気的に高抵抗であり、放電レート特性(所謂Cレート)が充分でない問題があった。   However, on the other hand, the positive electrode active material using the above-mentioned polyacrylonitrile or linear unsaturated polymer as a carbon material has a problem that the electrical discharge rate characteristic (so-called C rate) is not sufficient because of its high electrical resistance. .

特開2002−154815号公報JP 2002-154815 A 国際公開第2010/044437号International Publication No. 2010/044437

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、硫黄系正極活物質を含有しリチウムイオン二次電池のサイクル特性および放電レート特性を向上させ得る正極およびリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a positive electrode and a lithium ion secondary battery that contain a sulfur-based positive electrode active material and can improve cycle characteristics and discharge rate characteristics of a lithium ion secondary battery. Objective.

上記課題を解決する本発明のリチウムイオン二次電池用正極は、炭素(C)および硫黄(S)を含有する硫黄系正極活物質と、硫黄(S)を含有する伝導材と、を含有し、該伝導材の少なくとも一部は、La 、Sm 、Ce 、MoS からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属硫化物からなことを特徴とする。 The positive electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention that solves the above-mentioned problems contains a sulfur-based positive electrode active material containing carbon (C) and sulfur (S), and a conductive material containing sulfur (S). , at least a portion of said transmission conductive material, La 2 S 3, Sm 2 S 3, Ce 2 S 3, characterized in that Ru least one metal sulfide Tona selected from the group consisting of MoS 2.

上記課題を解決する本発明のリチウムイオン二次電池は、上記の本発明のリチウムイオン二次電池用正極を用いていることを特徴とする。 The lithium ion secondary battery of the present invention that solves the above-described problems uses the positive electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention .

本発明のリチウムイオン二次電池用正極製造する第1の方法として、炭素(C)および硫黄(S)を含有する硫黄系正極活物質を含有するリチウムイオン二次電池用正極を製造する方法であって、炭素材料、硫黄、および、硫黄を含有する伝導材材料を含有する混合原料を加熱する熱処理工程を含み、該伝導材材料は、第4周期金属、第5周期金属、第6周期金属および希土類元素からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属の硫化物である方法を挙げることができる As a first method of manufacturing a positive electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention, a method of manufacturing a carbon (C) and sulfur (S) a positive electrode for a lithium ion secondary battery containing the sulfur-based positive electrode active material containing A heat treatment step of heating a mixed material containing a carbon material, sulfur, and a conductive material containing sulfur, the conductive material comprising a fourth period metal, a fifth period metal, a sixth period The method which is a sulfide of at least 1 type of metal chosen from the group which consists of a metal and rare earth elements can be mentioned .

本発明のリチウムイオン二次電池用正極製造する第2の方法として、炭素(C)および硫黄(S)を含有する硫黄系正極活物質を含有するリチウムイオン二次電池用正極を製造する方法であって、炭素材料、硫黄、および、硫黄を含有しない伝導材材料を含有する混合原料を加熱する熱処理工程を含み、該伝導材材料は、第4周期金属、第5周期金属、第6周期金属および希土類元素からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属である方法を挙げることができる As a second method for producing a positive electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention, a method of manufacturing a carbon (C) and sulfur (S) a positive electrode for a lithium ion secondary battery containing the sulfur-based positive electrode active material containing A heat treatment step of heating a mixed material containing a carbon material, sulfur, and a conductive material not containing sulfur, the conductive material comprising a fourth period metal, a fifth period metal, and a sixth period The method which is at least 1 type of metal chosen from the group which consists of a metal and rare earth elements can be mentioned .

本発明の正極は、炭素(C)および硫黄(S)を含有する硫黄系正極活物質と、硫黄(S)を含有する伝導材と、を含有する。単体硫黄を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池は、上述したように、サイクル特性に劣る。しかし、硫黄を含有する正極活物質に炭素材料を配合することで、硫黄の電解液への溶出を抑制でき、サイクル特性を向上させることができる。また本発明の正極には、第4周期金属、第5周期金属、第6周期金属および希土類元素からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属の硫化物を配合している。これらの金属の硫化物は、自身が高い電気伝導度(導電率)を示すか、あるいは、正極のリチウムイオン伝導性を向上させ得る。このため、これらの金属の硫化物は伝導材として機能する。そして、これらの金属の硫化物を正極に配合することで、放電レート特性を向上させ得る。   The positive electrode of the present invention contains a sulfur-based positive electrode active material containing carbon (C) and sulfur (S), and a conductive material containing sulfur (S). As described above, the lithium ion secondary battery using elemental sulfur as the positive electrode active material is inferior in cycle characteristics. However, by mixing the carbon material with the positive electrode active material containing sulfur, elution of sulfur into the electrolytic solution can be suppressed, and cycle characteristics can be improved. The positive electrode of the present invention is blended with a sulfide of at least one metal selected from the group consisting of a fourth periodic metal, a fifth periodic metal, a sixth periodic metal, and a rare earth element. These metal sulfides may exhibit high electrical conductivity (conductivity) or may improve the lithium ion conductivity of the positive electrode. For this reason, these metal sulfides function as a conductive material. And discharge rate characteristic can be improved by mix | blending these metal sulfides with a positive electrode.

なお、伝導材は硫黄系正極活物質とともに正極に配合されるため、硫黄系正極活物質に含まれる硫黄によって、正極の製造時および/または電池の充放電時に硫化する場合がある。このため、伝導材として、硫化物の状態で電気伝導度の低い材料やリチウムイオン伝導性を向上させ得ない材料を用いる場合には、放電レート特性を向上させ難い問題がある。しかし伝導材として硫化物の状態で高い電気伝導度を示すか正極のリチウムイオン伝導性を向上させ得るものを用いることで、放電レート特性を充分に向上させ得る。 In addition, since a conductive material is mix | blended with a positive electrode with a sulfur type positive electrode active material, it may be sulfided by the sulfur contained in a sulfur type positive electrode active material at the time of manufacture of a positive electrode and / or charging / discharging of a battery. For this reason, when a material having low electrical conductivity in the state of sulfide or a material that cannot improve lithium ion conductivity is used as the conductive material, there is a problem that it is difficult to improve the discharge rate characteristics. However, in Rukoto used as capable of improving the condition in a high electric lithium ion conductive or positive indicating the conductivity of the sulfide as a conductive material, it may sufficiently increase the discharge rate characteristics.

本発明の正極は、これらの協働によって、リチウムイオン二次電池のサイクル特性および放電レート特性を向上させ得る。同様に、本発明のリチウムイオン二次電池は、サイクル特性および放電レート特性に優れる。   The positive electrode of the present invention can improve the cycle characteristics and discharge rate characteristics of the lithium ion secondary battery by these cooperation. Similarly, the lithium ion secondary battery of the present invention is excellent in cycle characteristics and discharge rate characteristics.

1のリチウムイオン二次電池用正極の製造方法においては、伝導材材料として金属硫化物を用いている。このため、上述したように、伝導材と正極活物質とを略均一に分散させることができ、放電レート特性を向上できる。なお、第2のリチウムイオン二次電池用正極の製造方法においては、未硫化の金属を用いている。この場合にも、製造時に伝導材材料が硫化して高い電気伝導度を示すか正極のリチウムイオン伝導性を向上させるため、放電レート特性が向上する。 In the first method for producing a positive electrode for a lithium ion secondary battery, a metal sulfide is used as a conductive material. For this reason, as described above, the conductive material and the positive electrode active material can be dispersed substantially uniformly, and the discharge rate characteristics can be improved. In the second method for producing a positive electrode for a lithium ion secondary battery, an unsulfurized metal is used. Also in this case, the discharge rate characteristics are improved because the conductive material is sulfided during the production and exhibits high electrical conductivity or the lithium ion conductivity of the positive electrode is improved.

硫黄変性ポリアクリロニトリルをX線回折した結果を表すグラフである。It is a graph showing the result of having carried out X-ray diffraction of sulfur modification polyacrylonitrile. 硫黄変性ポリアクリロニトリルをラマンスペクトル分析した結果を表すグラフである。It is a graph showing the result of having performed a Raman spectrum analysis of sulfur-modified polyacrylonitrile. 硫黄変性ピッチをX線回折した結果を表すグラフである。It is a graph showing the result of having carried out X-ray diffraction of the sulfur modification pitch. 硫黄変性ピッチをラマンスペクトル分析した結果を表すグラフである。It is a graph showing the result of Raman spectrum analysis of sulfur-modified pitch. 試験例の正極の製造方法で用いた反応装置を模式的に表す説明図である。It is explanatory drawing which represents typically the reaction apparatus used with the manufacturing method of the positive electrode of a test example . 試験例1の正極に用いた硫黄系正極活物質−伝導材複合体をX線回折した結果を表すグラフである。 4 is a graph showing the result of X-ray diffraction of a sulfur-based positive electrode active material-conductive material composite used for the positive electrode of Test Example 1. 試験例2の正極に用いた硫黄系正極活物質−伝導材複合体をX線回折した結果を表すグラフである。 4 is a graph showing the result of X-ray diffraction of a sulfur-based positive electrode active material-conductive material composite used for the positive electrode of Test Example 2. 試験例4の正極に用いた硫黄系正極活物質−伝導材複合体をX線回折した結果を表すグラフである。 6 is a graph showing the result of X-ray diffraction of a sulfur-based positive electrode active material-conductive material composite used for the positive electrode of Test Example 4. 試験例7の正極に用いた硫黄系正極活物質−伝導材複合体をX線回折した結果を表すグラフである。14 is a graph showing the result of X-ray diffraction of a sulfur-based positive electrode active material-conductive material composite used for the positive electrode of Test Example 7. 試験例9の正極に用いた硫黄系正極活物質−伝導材複合体をX線回折した結果を表すグラフである。 10 is a graph showing the result of X-ray diffraction of a sulfur-based positive electrode active material-conductive material composite used for the positive electrode of Test Example 9. 試験例10の正極に用いた硫黄系正極活物質をX線回折した結果を表すグラフである。 10 is a graph showing the result of X-ray diffraction of the sulfur-based positive electrode active material used for the positive electrode of Test Example 10 . 硫黄系正極活物質−伝導材(Fe)複合体をX線回折した結果を表すグラフである。It is a graph showing the result of having carried out X-ray diffraction of the sulfur type positive electrode active material-conductive material (Fe) composite. 試験例1の正極を用いたリチウムイオン二次電池の放電レート特性(充放電曲線)を表すグラフである。 4 is a graph showing a discharge rate characteristic (charge / discharge curve) of a lithium ion secondary battery using the positive electrode of Test Example 1. FIG. 試験例1の正極を用いたリチウムイオン二次電池の放電レート特性(サイクル特性)を表すグラフである。 4 is a graph showing discharge rate characteristics (cycle characteristics) of a lithium ion secondary battery using the positive electrode of Test Example 1. 試験例2の正極を用いたリチウムイオン二次電池の放電レート特性(サイクル特性)を表すグラフである。 5 is a graph showing discharge rate characteristics (cycle characteristics) of a lithium ion secondary battery using the positive electrode of Test Example 2. FIG. 試験例3の正極を用いたリチウムイオン二次電池の放電レート特性(サイクル特性)を表すグラフである。 10 is a graph showing discharge rate characteristics (cycle characteristics) of a lithium ion secondary battery using the positive electrode of Test Example 3. 試験例4の正極を用いたリチウムイオン二次電池の放電レート特性(サイクル特性)を表すグラフである。 10 is a graph showing discharge rate characteristics (cycle characteristics) of a lithium ion secondary battery using the positive electrode of Test Example 4. 試験例5の正極を用いたリチウムイオン二次電池の放電レート特性(充放電曲線)を表すグラフである。 10 is a graph showing a discharge rate characteristic (charge / discharge curve) of a lithium ion secondary battery using the positive electrode of Test Example 5. 試験例5の正極を用いたリチウムイオン二次電池の放電レート特性(サイクル特性)を表すグラフである。 10 is a graph showing discharge rate characteristics (cycle characteristics) of a lithium ion secondary battery using the positive electrode of Test Example 5. 試験例6の正極を用いたリチウムイオン二次電池の放電レート特性(充放電曲線)を表すグラフである。 10 is a graph showing a discharge rate characteristic (charge / discharge curve) of a lithium ion secondary battery using the positive electrode of Test Example 6. 試験例6の正極を用いたリチウムイオン二次電池の放電レート特性(サイクル特性)を表すグラフである。 14 is a graph showing discharge rate characteristics (cycle characteristics) of a lithium ion secondary battery using the positive electrode of Test Example 6. 試験例7の正極を用いたリチウムイオン二次電池の放電レート特性(充放電曲線)を表すグラフである。 10 is a graph showing a discharge rate characteristic (charge / discharge curve) of a lithium ion secondary battery using the positive electrode of Test Example 7. FIG. 試験例7の正極を用いたリチウムイオン二次電池の放電レート特性(サイクル特性)を表すグラフである。 10 is a graph showing discharge rate characteristics (cycle characteristics) of a lithium ion secondary battery using the positive electrode of Test Example 7. 試験例8の正極を用いたリチウムイオン二次電池の放電レート特性(充放電曲線)を表すグラフである。 10 is a graph showing a discharge rate characteristic (charge / discharge curve) of a lithium ion secondary battery using the positive electrode of Test Example 8. 試験例8の正極を用いたリチウムイオン二次電池の放電レート特性(サイクル特性)を表すグラフである。 10 is a graph showing discharge rate characteristics (cycle characteristics) of a lithium ion secondary battery using the positive electrode of Test Example 8. 試験例9の正極を用いたリチウムイオン二次電池の放電レート特性(充放電曲線)を表すグラフである。 10 is a graph showing a discharge rate characteristic (charge / discharge curve) of a lithium ion secondary battery using the positive electrode of Test Example 9. 試験例9の正極を用いたリチウムイオン二次電池の放電レート特性(サイクル特性)を表すグラフである。 10 is a graph showing discharge rate characteristics (cycle characteristics) of a lithium ion secondary battery using the positive electrode of Test Example 9. 試験例10の正極を用いたリチウムイオン二次電池の放電レート特性(サイクル特性)を表すグラフである。 10 is a graph showing discharge rate characteristics (cycle characteristics) of a lithium ion secondary battery using the positive electrode of Test Example 10 .

本発明のリチウムイオン二次電池用正極(以下、本発明の正極と呼ぶ)は、正極活物質と、伝導材とを含有する。本発明のリチウムイオン二次電池は、本発明の正極を用いた電池である。本発明のリチウムイオン二次電池用正極製造する方法(以下、本発明の製造方法と呼ぶ)は、炭素材料、硫黄、および、伝導材材料を含有する混合原料を加熱する熱処理工程を含み、正極活物質および伝導材を含有する正極を製造する。本発明の製造方法によると、本発明の正極を製造できる。 The positive electrode for lithium ion secondary batteries of the present invention (hereinafter referred to as the positive electrode of the present invention) contains a positive electrode active material and a conductive material. The lithium ion secondary battery of the present invention is a battery using the positive electrode of the present invention. The method for producing a positive electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention (hereinafter referred to as the production method of the present invention) includes a heat treatment step of heating a mixed raw material containing a carbon material, sulfur, and a conductive material, A positive electrode containing a positive electrode active material and a conductive material is manufactured. According to the production method of the present invention, the positive electrode of the present invention can be produced.

〔伝導材材料〕
伝導材材料、すなわち、本発明の正極を製造する際に用いる伝導材の材料としては、第4周期金属、第5周期金属、第6周期金属および希土類元素からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属、またはその硫化物を用いることができる。なお、本明細書でいう第4周期金属、第5周期金属および第6周期金属とは、周期律表によるものである。例えば第4周期金属とは、周期律表における第4周期元素に含まれる金属を指す。伝導材材料としては、硫化物の状態で自身が高い電気伝導性を示すか、あるいは、正極のリチウムイオン伝導性を大きく向上させ得るものが好ましく、例えば、Ti、Fe、La、Ce、Pr、Nd、Sm、V、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ta、W、Pbからなる群から選ばれる少なくとも一種、またはその硫化物であるのが好ましい。なお伝導材は、正極中においては、上記金属とその硫化物との両方からなるか、或いは、上記金属の硫化物のみからなる。これらの伝導材材料は硫化物を多く含むのが好ましく、硫化物のみからなるのがより好ましい。上記金属を硫化物の状態で正極に配合することで、伝導材と硫黄系正極活物質とがなじみ易くなり、伝導材と正極活物質とが略均一に分散するためである。また、伝導材材料として硫化物を用いることで、伝導材における上記金属と硫黄との比率を所望する範囲に容易に制御できる利点もある。
[Conductive material]
The conductive material, that is, the material of the conductive material used in manufacturing the positive electrode of the present invention, is at least one metal selected from the group consisting of a fourth periodic metal, a fifth periodic metal, a sixth periodic metal, and a rare earth element. Or sulfides thereof. In addition, the 4th periodic metal, the 5th periodic metal, and the 6th periodic metal as used in this specification are based on a periodic table. For example, the fourth periodic metal refers to a metal included in the fourth periodic element in the periodic table. The conductive material is preferably one that exhibits high electrical conductivity in a sulfide state or that can greatly improve the lithium ion conductivity of the positive electrode. For example, Ti, Fe, La, Ce, Pr, It is at least one selected from the group consisting of Nd, Sm, V, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Ta, W, and Pb, or a sulfide thereof. preferable. In the positive electrode, the conductive material consists of both the metal and its sulfide, or consists only of the metal sulfide. These conductive material materials preferably contain a large amount of sulfide, and more preferably consist only of sulfide. This is because the conductive material and the sulfur-based positive electrode active material are easily blended by blending the metal into the positive electrode in the form of sulfide, and the conductive material and the positive electrode active material are dispersed substantially uniformly. Further, by using sulfide as the conductive material, there is an advantage that the ratio of the metal and sulfur in the conductive material can be easily controlled within a desired range.

詳しくは、電気伝導度および/またはリチウムイオン伝導性の高い伝導材としては、TiS、FeS、Me(式中、MeはTi、La、Ce、Pr、Nd、Smから選ばれる一種である)、MeS(式中、MeはTi、La、Ce、Pr、Nd、Smから選ばれる一種である)、Me(式中、MeはTi、La、Ce、Pr、Nd、Smから選ばれる一種である)、Me(式中、MeはTi、Fe、V、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ta、W、Pbから選ばれる一種であり、x、yは任意の整数である)が挙げられる。この場合、伝導材材料としてはTi、Fe、La、Ce、Pr、Nd、Sm、V、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ta、W、Pbから選ばれる少なくとも一種を、そのまま、または、上記の伝導材のような硫化物の状態で用いれば良い。これらの伝導材材料を用いることで、正極全体の電気伝導度および/またはリチウムイオン伝導性を向上させることができ、リチウムイオン二次電池の放電レート特性を向上させ得る。なお、原料コストや調達のし易さ、資源量を鑑みると、TiS(式中、zは0.1〜2である)を用いるのがより好ましく、TiSを用いるのが特に好ましい。 Specifically, the conductive material having high electric conductivity and / or high lithium ion conductivity is TiS 2 , FeS 2 , Me 2 S 3 (wherein Me is selected from Ti, La, Ce, Pr, Nd, and Sm). 1), MeS (wherein, Me is one selected from Ti, La, Ce, Pr, Nd, Sm), Me 3 S 4 (wherein, Me is Ti, La, Ce, Pr, Nd) , S x ), Me x S y (wherein Me is Ti, Fe, V, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Ta, And a kind selected from W and Pb, and x and y are arbitrary integers). In this case, as the conductive material, Ti, Fe, La, Ce, Pr, Nd, Sm, V, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Ta, W, What is necessary is just to use at least 1 type chosen from Pb as it is or in the state of sulfides like said conductive material. By using these conductive materials, the electrical conductivity and / or lithium ion conductivity of the entire positive electrode can be improved, and the discharge rate characteristics of the lithium ion secondary battery can be improved. In view of the raw material cost, ease of procurement, and the amount of resources, TiS z (wherein z is 0.1 to 2) is more preferably used, and TiS 2 is particularly preferably used.

後述するポリアクリロニトリル等の炭素材料と、伝導材材料と、の配合比は、質量比で、10:0.5〜10:5であるのが好ましく、10:1〜10:3であるのがより好ましい。伝導材材料の配合量が過大であれば、正極全体に対する正極活物質の量が過小になるためである。伝導材を硫黄系正極活物質中に略均一に分散させるためには、伝導材材料は粉末状であるのが好ましい。伝導材材料は、電子顕微鏡などを用いて測定した粒径が0.1〜100μmであるのが好ましく、0.1〜50μmであるのがより好ましく、0.1〜20μmであるのがさらに好ましい。   The compounding ratio of a carbon material such as polyacrylonitrile, which will be described later, and the conductive material is preferably 10: 0.5 to 10: 5, and more preferably 10: 1 to 10: 3. More preferred. This is because if the blending amount of the conductive material is excessive, the amount of the positive electrode active material relative to the entire positive electrode is excessively small. In order to disperse the conductive material substantially uniformly in the sulfur-based positive electrode active material, the conductive material is preferably in the form of a powder. The conductive material preferably has a particle size measured using an electron microscope or the like of 0.1 to 100 μm, more preferably 0.1 to 50 μm, and even more preferably 0.1 to 20 μm. .

〔正極活物質〕
本発明の正極に用いられる正極活物質は、炭素(C)および硫黄(S)を含有する硫黄系正極活物質である。硫黄系正極活物質としては、例えば、特許文献1に開示されているもの(炭素材料として直鎖状不飽和ポリマーを用いたもの)や、上記の特許文献2に開示されているもの(炭素材料としてポリアクリロニトリルを用いたもの)、その他炭素材料として各種のピッチ系炭素材料を用いたもの等が好ましく用いられる。以下、炭素材料としてポリアクリロニトリルを用いた硫黄系正極活物質を、硫黄変性ポリアクリロニトリルと呼ぶ。炭素材料としてピッチ系炭素材料を用いた硫黄系正極活物質を、硫黄変性ピッチと呼ぶ。さらに、必要に応じて、ポリアクリロニトリルをPANと略記する。
[Positive electrode active material]
The positive electrode active material used for the positive electrode of the present invention is a sulfur-based positive electrode active material containing carbon (C) and sulfur (S). Examples of the sulfur-based positive electrode active material include those disclosed in Patent Document 1 (one using a linear unsaturated polymer as a carbon material) and those disclosed in Patent Document 2 described above (carbon material). And those using various pitch-based carbon materials as the carbon material are preferably used. Hereinafter, a sulfur-based positive electrode active material using polyacrylonitrile as a carbon material is referred to as sulfur-modified polyacrylonitrile. A sulfur-based positive electrode active material using a pitch-based carbon material as a carbon material is referred to as sulfur-modified pitch. Furthermore, polyacrylonitrile is abbreviated as PAN as necessary.

〈硫黄変性ポリアクリロニトリル〉
炭素材料としてポリアクリロニトリルを用いる場合、硫黄が本来有する高容量を維持でき、かつ、硫黄の電解液への溶出が抑制されるため、サイクル特性が大きく向上する。これは、硫黄系正極活物質中で硫黄が単体として存在するのでなくポリアクリロニトリルと結合した安定な状態で存在するためだと考えられる。特許文献2に開示されている硫黄系正極活物質の製造方法において、硫黄はポリアクリロニトリルとともに加熱処理されている。ポリアクリロニトリルを加熱すると、ポリアクリロニトリルが3次元的に架橋して縮合環(主として6員環)を形成しつつ閉環すると考えられる。このため硫黄は、閉環の進行したポリアクリロニトリルと結合した状態で硫黄系正極活物質中に存在していると考えられる。ポリアクリロニトリルと硫黄とが結合することで、硫黄の電解液への溶出を抑制でき、サイクル特性を向上させ得る。
<Sulfur modified polyacrylonitrile>
When polyacrylonitrile is used as the carbon material, the high capacity inherent in sulfur can be maintained, and elution of sulfur into the electrolyte is suppressed, so that the cycle characteristics are greatly improved. This is presumably because sulfur does not exist as a simple substance in the sulfur-based positive electrode active material but exists in a stable state combined with polyacrylonitrile. In the manufacturing method of the sulfur type positive electrode active material currently disclosed by patent document 2, sulfur is heat-processed with polyacrylonitrile. When polyacrylonitrile is heated, it is considered that polyacrylonitrile is three-dimensionally cross-linked to form a condensed ring (mainly a 6-membered ring) and close the ring. For this reason, it is considered that sulfur is present in the sulfur-based positive electrode active material in a state of being bonded to the polyacrylonitrile that has progressed in the ring closure. By combining polyacrylonitrile and sulfur, elution of sulfur into the electrolytic solution can be suppressed, and cycle characteristics can be improved.

炭素材料として用いるポリアクリロニトリルは、粉末状であるのが好ましく、質量平均分子量が10〜3×10程度であるのが好ましい。また、ポリアクリロニトリルの粒径は、電子顕微鏡によって観察した際に、0.5〜50μm程度であるのが好ましく、1〜10μm程度であるのがより好ましい。ポリアクリロニトリルの分子量および粒径がこれらの範囲内であれば、ポリアクリロニトリルと硫黄との接触面積を大きくでき、ポリアクリロニトリルと硫黄とを信頼性高く反応させ得る。このため、電解液への硫黄の溶出をより信頼性高く抑制できる。 The polyacrylonitrile used as the carbon material is preferably in the form of powder, and preferably has a mass average molecular weight of about 10 4 to 3 × 10 5 . The particle size of polyacrylonitrile is preferably about 0.5 to 50 μm and more preferably about 1 to 10 μm when observed with an electron microscope. If the molecular weight and particle size of polyacrylonitrile are within these ranges, the contact area between polyacrylonitrile and sulfur can be increased, and polyacrylonitrile and sulfur can be reacted with high reliability. For this reason, the elution of sulfur to the electrolytic solution can be more reliably suppressed.

硫黄系正極活物質に用いられる硫黄もまた、粉末状であるのが好ましい。硫黄の粒径については特に限定しないが、篩いを用いて分級した際に、篩目開き40μmの篩を通過せず、かつ、150μmの篩を通過する大きさの範囲内にあるものが好ましく、篩目開き40μmの篩を通過せず、かつ、100μmの篩を通過する大きさの範囲内にあるものがより好ましい。   The sulfur used for the sulfur-based positive electrode active material is also preferably in the form of powder. Although it does not specifically limit about the particle size of sulfur, when classified using a sieve, those that do not pass through a sieve with a sieve opening of 40 μm and are within a size range that passes through a 150 μm sieve are preferable, It is more preferable that the mesh size does not pass through a 40 μm sieve and is within a size range that passes through a 100 μm sieve.

硫黄系正極活物質に用いるポリアクリロニトリル粉末と硫黄粉末との配合比については特に限定しないが、質量比で、1:0.5〜1:10であるのが好ましく、1:0.5〜1:7であるのがより好ましく、1:2〜1:5であるのがさらに好ましい。   The compounding ratio of the polyacrylonitrile powder and sulfur powder used for the sulfur-based positive electrode active material is not particularly limited, but is preferably 1: 0.5 to 1:10 by mass ratio, and 1: 0.5 to 1 : 7 is more preferable, and 1: 2 to 1: 5 is still more preferable.

硫黄変性ポリアクリロニトリルは、元素分析の結果、炭素、窒素、及び硫黄を含み、更に、少量の酸素及び水素を含む場合もある。また、図1に示すように、硫黄変性ポリアクリロニトリルをCuKα線によりX線回折した結果、回折角(2θ)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ピークのみが確認された。参考までに、X線回折は、粉末X線回折装置(MAC Science社製、型番:M06XCE)により、CuKα線を用いてX線回折測定を行なった。測定条件は、電圧:40kV、電流:100mA、スキャン速度:4°/分、サンプリング:0.02°、積算回数:1回、測定範囲:回折角(2θ)10°〜60°であった。   As a result of elemental analysis, sulfur-modified polyacrylonitrile contains carbon, nitrogen, and sulfur, and may contain small amounts of oxygen and hydrogen. Further, as shown in FIG. 1, as a result of X-ray diffraction of sulfur-modified polyacrylonitrile with CuKα rays, only a broad peak having a peak position near 25 ° was confirmed in the diffraction angle (2θ) range of 20-30 °. It was done. For reference, X-ray diffraction was measured by X-ray diffraction using CuKα rays with a powder X-ray diffractometer (manufactured by MAC Science, model number: M06XCE). The measurement conditions were voltage: 40 kV, current: 100 mA, scan speed: 4 ° / min, sampling: 0.02 °, number of integrations: 1, measurement range: diffraction angle (2θ) 10 ° -60 °.

さらに硫黄変性ポリアクリロニトリルを、室温から900℃まで20℃/分の昇温速度で加熱した際の熱重量分析による質量減は400℃時点で10%以下である。これに対して、硫黄粉末とポリアクリロニトリル粉末の混合物を同様の条件で加熱すると120℃付近から質量減少が認められ、200℃以上になると急激に硫黄の消失に基づく大きな質量減が認められる。   Further, the mass loss by thermogravimetric analysis when sulfur-modified polyacrylonitrile is heated from room temperature to 900 ° C. at a rate of temperature increase of 20 ° C./min is 10% or less at 400 ° C. On the other hand, when a mixture of sulfur powder and polyacrylonitrile powder is heated under the same conditions, a mass decrease is recognized from around 120 ° C., and a large mass decrease due to the disappearance of sulfur is recognized suddenly at 200 ° C. or higher.

すなわち、硫黄変性ポリアクリロニトリルにおいて、硫黄は単体としては存在せず、閉環の進行したポリアクリロニトリルと結合した状態で存在していると考えられる。   That is, in sulfur-modified polyacrylonitrile, sulfur does not exist as a simple substance, but is considered to exist in a state of being bonded to polyacrylonitrile that has progressed in ring closure.

硫黄変性ポリアクリロニトリルのラマンスペクトルの一例を図2に示す。図2に示すラマンスペクトルにおいて、ラマンシフトの1331cm−1付近に主ピークが存在し、かつ、200cm−1〜1800cm−1の範囲で1548cm−1、939cm−1、479cm−1、381cm−1、317cm−1付近にピークが存在する。上記したラマンシフトのピークは、ポリアクリロニトリルに対する単体硫黄の比率を変更した場合にも同様の位置に観測される。このためこれらのピークは硫黄変性ポリアクリロニトリルを特徴づけるものである。上記した各ピークは、上記したピーク位置を中心としては、ほぼ±8cm−1の範囲内に存在する。なお、本明細書において、「主ピーク」とは、ラマンスペクトルで現れた全てのピークのなかでピーク高さが最大となるピークを指す。 An example of the Raman spectrum of sulfur-modified polyacrylonitrile is shown in FIG. In the Raman spectrum shown in FIG. 2, there are major peak near 1331cm -1 of Raman shift, and, 1548cm -1 in the range of 200cm -1 ~1800cm -1, 939cm -1, 479cm -1, 381cm -1, There is a peak near 317 cm −1 . The Raman shift peak described above is observed at the same position even when the ratio of elemental sulfur to polyacrylonitrile is changed. Thus, these peaks characterize sulfur-modified polyacrylonitrile. Each of the above-described peaks exists in a range of approximately ± 8 cm −1 with the above-described peak position as the center. In the present specification, the “main peak” refers to a peak having the maximum peak height among all peaks appearing in the Raman spectrum.

参考までに、上記したラマンシフトは、日本分光社製 RMP−320(励起波長λ=532nm、グレーチング:1800gr/mm、分解能:3cm−1)で測定したものである。なお、ラマンスペクトルのピークは、入射光の波長や分解能の違いなどにより、数が変化したり、ピークトップの位置がずれたりすることがある。したがって正極活物質として硫黄変性ポリアクリロニトリルを用いた本発明の正極のラマンスペクトルを測定すると、上記のピークと同じピーク、または、上記のピークとは数やピークトップの位置が僅かに異なるピークが確認される。 For reference, the Raman shift described above was measured with RMP-320 (excitation wavelength λ = 532 nm, grating: 1800 gr / mm, resolution: 3 cm −1 ) manufactured by JASCO Corporation. Note that the number of Raman spectrum peaks may change or the position of the peak top may be shifted depending on the wavelength of incident light or the difference in resolution. Therefore, when measuring the Raman spectrum of the positive electrode of the present invention using sulfur-modified polyacrylonitrile as the positive electrode active material, the same peak as the above peak or a peak slightly different from the above peak in number and peak top position is confirmed. Is done.

〈硫黄変性ピッチ〉
本明細書において、ピッチ系炭素材料とは、石炭ピッチ、石油ピッチ、メソフェーズピッチ(異方性ピッチ)、アスファルト、コールタール、コールタールピッチ、縮合多環芳香族炭化水素化合物の重縮合で得られる有機合成ピッチ、またはヘテロ原子含有縮合多環芳香族炭化水素化合物の重縮合で得られる有機合成ピッチ、からなる群から選ばれる少なくとも一種を指す。これらは縮合多環芳香族を含む炭素材料として知られている。
<Sulfur modified pitch>
In this specification, the pitch-based carbon material is obtained by polycondensation of coal pitch, petroleum pitch, mesophase pitch (anisotropic pitch), asphalt, coal tar, coal tar pitch, and condensed polycyclic aromatic hydrocarbon compounds. It refers to at least one selected from the group consisting of an organic synthetic pitch or an organic synthetic pitch obtained by polycondensation of a heteroatom-containing condensed polycyclic aromatic hydrocarbon compound. These are known as carbon materials containing condensed polycyclic aromatics.

ピッチ系炭素材料の一種であるコールタールは、石炭を高温乾留(石炭乾留)して得られる黒い粘稠な油状液体である。コールタールを精製・熱処理(重合)することで、石炭ピッチを得ることができる。アスファルトは、黒褐色ないし黒色の固体あるいは半固体の可塑性物質である。アスファルトは、石油(原油)を減圧蒸留したときに釜残として得られるものと、天然に存在するものとに大別される。アスファルトはトルエン、二硫化炭素等に可溶である。アスファルトを精製・熱処理(重合)することで、石油ピッチを得ることができる。ピッチは、通常、無定形であり光学的に等方性である(等方性ピッチ)。等方性ピッチを不活性雰囲気中で熱処理することで、光学的に異方性のピッチ(異方性ピッチ、メソフェーズピッチ)を得ることができる。ピッチは、ベンゼン、トルエン、二硫化炭素等の有機溶剤に部分的に可溶である。   Coal tar, a kind of pitch-based carbon material, is a black viscous oily liquid obtained by high-temperature carbonization (coal carbonization) of coal. Coal pitch can be obtained by refining and heat treating (polymerizing) coal tar. Asphalt is a black-brown to black solid or semi-solid plastic material. Asphalt is broadly classified into what is obtained as a kettle residue when petroleum (crude oil) is distilled under reduced pressure and that which exists in nature. Asphalt is soluble in toluene, carbon disulfide and the like. Petroleum pitch can be obtained by refining and heat treating (polymerizing) asphalt. The pitch is usually amorphous and optically isotropic (isotropic pitch). An optically anisotropic pitch (anisotropic pitch, mesophase pitch) can be obtained by heat-treating the isotropic pitch in an inert atmosphere. Pitch is partially soluble in organic solvents such as benzene, toluene, carbon disulfide.

ピッチ系炭素材料は様々な化合物の混合物であり、上述したように縮合多環芳香族を含む。ピッチ系炭素材料に含まれる縮合多環芳香族は、単一種であっても良いし、複数種であっても良い。例えば、ピッチ系炭素材料の一種である石炭ピッチの主成分は、縮合多環芳香族である。この縮合多環芳香族は、環の中に、炭素と水素以外にも、窒素や硫黄を含み得る。このため、石炭ピッチの主成分は、炭素と水素のみから成る縮合多環芳香族炭化水素と縮合環に窒素や硫黄等を含む複素芳香族化合物との混合物と考えられる。   The pitch-based carbon material is a mixture of various compounds, and includes a condensed polycyclic aromatic as described above. The condensed polycyclic aromatic contained in the pitch-based carbon material may be a single species or a plurality of species. For example, the main component of coal pitch, which is a kind of pitch-based carbon material, is a condensed polycyclic aromatic. The condensed polycyclic aromatic can contain nitrogen and sulfur in addition to carbon and hydrogen in the ring. For this reason, the main component of coal pitch is considered to be a mixture of a condensed polycyclic aromatic hydrocarbon composed only of carbon and hydrogen and a heteroaromatic compound containing nitrogen, sulfur, etc. in the condensed ring.

炭素材料としてピッチ系炭素材料を用いる場合にも、炭素材料としてポリアクリロニトリルを用いる場合と同様に、硫黄が本来有する高容量を維持できかつ硫黄の電解液への溶出が抑制されるため、サイクル特性が大きく向上する。これは、硫黄系正極活物質中で硫黄が単体として存在するのでなく、硫黄がピッチ系炭素材料のグラフェン層間に取り込まれているか、或いは、縮合多環芳香族の環に含まれる水素が硫黄に置換されてC−S結合となっているためだと推測される。   When pitch-based carbon materials are used as the carbon material, the high capacity inherent in sulfur can be maintained and the elution of sulfur into the electrolyte is suppressed, as in the case of using polyacrylonitrile as the carbon material. Is greatly improved. This is because sulfur does not exist as a simple substance in the sulfur-based positive electrode active material, but sulfur is taken in between the graphene layers of the pitch-based carbon material, or hydrogen contained in the condensed polycyclic aromatic ring is converted into sulfur. It is presumed that this is because it is replaced with a CS bond.

ピッチ系炭素材料の粒径は特に限定しない。また、炭素材料としてピッチ系炭素材料を用いる場合、硫黄の粒径もまた特に限定しない。ピッチ系炭素材料と硫黄との混合割合についてもまた特に限定しないが、混合原料中のピッチ系炭素材料と硫黄との配合比は、質量比で1:0.5〜1:10であるのが好ましく、1:1〜1:7であるのがより好ましく、1:2〜1:5であるのが特に好ましい。   The particle size of the pitch-based carbon material is not particularly limited. Moreover, when using a pitch-type carbon material as a carbon material, the particle size of sulfur is also not specifically limited. The mixing ratio of the pitch-based carbon material and sulfur is not particularly limited, but the mixing ratio of the pitch-based carbon material and sulfur in the mixed raw material is 1: 0.5 to 1:10 by mass ratio. Preferably, it is 1: 1 to 1: 7, more preferably 1: 2 to 1: 5.

硫黄変性ピッチは、複数種の多環芳香族炭化水素を含む。本明細書でいう多環芳香族炭化水素(PAH)とは、上述した各種ピッチ系炭素材料自体、および、上述した各種ピッチ系炭素材料に含まれる各種多環芳香族炭化水素、からなる群から選ばれる少なくとも一種の炭素材料を指す。   The sulfur-modified pitch contains a plurality of types of polycyclic aromatic hydrocarbons. The polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) referred to in this specification is from the group consisting of the above-mentioned various pitch-based carbon materials themselves and the various polycyclic aromatic hydrocarbons contained in the above-mentioned various pitch-based carbon materials. It refers to at least one carbon material selected.

また、硫黄変性ピッチ(石炭ピッチ:硫黄=1:1、1:5、1:10)、単体石炭ピッチおよび単体硫黄をCuKα線によりX線回折した。回折条件は上記の硫黄変性ポリアクリロニトリルと同じである。   Further, sulfur-modified pitch (coal pitch: sulfur = 1: 1, 1: 5, 1:10), simple coal pitch and simple sulfur were X-ray diffracted by CuKα rays. The diffraction conditions are the same as those of the above sulfur-modified polyacrylonitrile.

図3に示すように、回折角(2θ)10〜60°の範囲では、単体硫黄の主ピークは22°付近に存在し、単体石炭ピッチの主ピークは26°付近に存在した。石炭ピッチと硫黄との配合比が1:1である硫黄変性ピッチのピークは単一ピークであり、26°付近に存在した。石炭ピッチと硫黄との配合比が1:5である硫黄変性ピッチ、および石炭ピッチと硫黄との配合比が1:10である硫黄変性ピッチの主ピークは、22°付近に存在した。   As shown in FIG. 3, in the range of diffraction angle (2θ) of 10 to 60 °, the main peak of elemental sulfur was present at around 22 °, and the main peak of elemental coal pitch was present at around 26 °. The peak of the sulfur-modified pitch with a coal pitch / sulfur mixing ratio of 1: 1 was a single peak and was present at around 26 °. The main peak of sulfur-modified pitch having a blending ratio of coal pitch and sulfur of 1: 5 and sulfur-modified pitch having a blending ratio of coal pitch and sulfur of 1:10 was present at around 22 °.

硫黄変性ピッチは熱安定性に優れる。硫黄変性ピッチを、室温から550℃まで10℃/分の昇温速度で加熱した際の熱重量分析による質量減少は550℃時点で25%程度である。参考までに、石炭ピッチの質量減少は550℃時点で約30%程度である。単体硫黄の場合、170℃付近から徐々に質量減少し、200℃を超すと急激に減少する。石炭ピッチもまた質量減少し難く、250℃〜450℃付近では石炭ピッチの方が硫黄変性ピッチより質量減少し難い傾向がある。450℃以上では石炭ピッチよりも硫黄変性ピッチの方が質量減少し難い傾向がある。   Sulfur-modified pitch is excellent in thermal stability. When the sulfur-modified pitch is heated from room temperature to 550 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min, the mass reduction by thermogravimetric analysis is about 25% at 550 ° C. For reference, the mass loss of the coal pitch is about 30% at 550 ° C. In the case of elemental sulfur, the mass gradually decreases from around 170 ° C., and rapidly decreases when the temperature exceeds 200 ° C. Coal pitch is also difficult to decrease in mass, and in the vicinity of 250 ° C to 450 ° C, coal pitch tends to be less likely to decrease in mass than sulfur-modified pitch. Above 450 ° C., the mass of sulfur-modified pitch is less likely to be reduced than that of coal pitch.

硫黄変性ピッチのラマンスペクトルの一例を図4に示す。参考までに、このラマンスペクトルは、上述した硫黄変性ポリアクリロニトリルのラマンスペクトルと同じ条件で測定したものである。   An example of the Raman spectrum of sulfur-modified pitch is shown in FIG. For reference, this Raman spectrum is measured under the same conditions as the Raman spectrum of the above-described sulfur-modified polyacrylonitrile.

図4に示すラマンスペクトルにおいて、ラマンシフトの1557cm−1付近に主ピークが存在し、かつ、200cm−1〜1800cm−1の範囲内で1371cm−1、1049cm−1、994cm−1、842cm−1、612cm−1、412cm−1、354cm−1、314cm−1付近にそれぞれピークが存在する。これらのピークは、ピッチ系炭素材料に対する単体硫黄の比率を変更した場合にも同様の位置に観測され、硫黄変性ピッチを特徴付けるピークである。正極活物質として硫黄変性ピッチを用いた本発明の正極のラマンスペクトルを測定すると、これらのピークと同じ、または、数やピークトップの位置が僅かに異なるピークが確認される。なお、硫黄変性ピッチのラマンスペクトルは、硫黄変性ポリアクリロニトリルのラマンスペクトルとは異なる。 In the Raman spectrum shown in FIG. 4, there are major peak near 1557cm -1 of Raman shift, and, 1371cm -1 in the range of 200cm -1 ~1800cm -1, 1049cm -1, 994cm -1, 842cm -1 , 612cm -1, 412cm -1, 354cm -1, the peak respectively is present in the vicinity of 314 cm -1. These peaks are observed at similar positions even when the ratio of elemental sulfur to the pitch-based carbon material is changed, and are peaks that characterize the sulfur-modified pitch. When the Raman spectrum of the positive electrode of the present invention using sulfur-modified pitch as the positive electrode active material is measured, peaks that are the same as these peaks or slightly different in number and peak top position are confirmed. The Raman spectrum of sulfur-modified pitch is different from the Raman spectrum of sulfur-modified polyacrylonitrile.

硫黄変性ピッチを元素分析した結果、炭素、窒素、および硫黄が検出された。また、場合によっては、少量の酸素および水素が検出された。したがって、硫黄変性ピッチは、C、S以外に、窒素、酸素、硫黄化合物等の少なくとも一種を不純物として含有する。   As a result of elemental analysis of the sulfur-modified pitch, carbon, nitrogen, and sulfur were detected. In some cases, small amounts of oxygen and hydrogen were detected. Accordingly, the sulfur-modified pitch contains at least one of nitrogen, oxygen, sulfur compounds and the like as impurities in addition to C and S.

〈その他の硫黄系正極活物質〉
本発明の正極に用いられるその他の硫黄系正極活物質としては、上述したポリ硫化カーボン、単体硫黄、硫黄変性多環芳香族炭化水素、硫黄変性ゴム、コーヒー豆や海草等の植物原料と硫黄を熱処理したもの、又はこれらの複合体等を挙げることができる。
<Other sulfur-based positive electrode active materials>
Other sulfur-based positive electrode active materials used in the positive electrode of the present invention include the above-mentioned polysulfide carbon, elemental sulfur, sulfur-modified polycyclic aromatic hydrocarbons, sulfur-modified rubber, coffee raw materials such as coffee beans and seaweed, and sulfur. The heat-treated thing or these composites etc. can be mentioned.

なお、正極活物質として硫黄変性ポリアクリロニトリルや硫黄変性ピッチを用いる場合には、正極活物質としてポリ硫化カーボンを用いる場合(正極活物質用の炭素材料として直鎖状不飽和ポリマーを用いる場合)に比べて、サイクル特性をさらに向上させることができる。これは、正極活物質としてポリ硫化カーボンを用いる場合には、放電時に硫黄とリチウムとが結合することにより、ポリ硫化カーボンに含まれる−CS−CS−結合や−S−S−結合が切断されて、ポリマーが切断されるためだと考えられる。したがって、本発明の正極の製造方法においては、炭素材料としてポリアクリロニトリルやピッチ系炭素材料を用いるのが好ましい。サイクル特性や容量の面ではポリアクリロニトリルを用いるのがより好ましく、コスト面ではピッチ系炭素材料を用いるのがより好ましい。また、炭素材料として、硫黄変性ポリアクリロニトリルと硫黄変性ピッチとを併用しても良い。   In addition, when using sulfur-modified polyacrylonitrile or sulfur-modified pitch as the positive electrode active material, when using polysulfide carbon as the positive electrode active material (when using a linear unsaturated polymer as the carbon material for the positive electrode active material). In comparison, the cycle characteristics can be further improved. This is because when carbon polysulfide is used as the positive electrode active material, sulfur and lithium are bonded at the time of discharge, so that -CS-CS- bond and -S-S- bond contained in the polysulfide carbon are broken. This is probably because the polymer is cut. Therefore, in the method for producing a positive electrode of the present invention, it is preferable to use polyacrylonitrile or a pitch-based carbon material as the carbon material. Polyacrylonitrile is more preferably used in terms of cycle characteristics and capacity, and pitch-based carbon material is more preferably used in terms of cost. Further, as the carbon material, sulfur-modified polyacrylonitrile and sulfur-modified pitch may be used in combination.

(リチウムイオン二次電池用正極の製造方法)
本発明の製造方法においては、上述した硫黄系正極活物質の材料(すなわち炭素材料および硫黄)と伝導材材料とを混合した混合材料を加熱する。混合材料は、乳鉢やボールミル等の一般的な混合装置で混合すれば良い。混合原料としては、硫黄と炭素材料と伝導材材料とを単に混合したものを用いても良いが、例えば、混合原料をペレット状に成形して用いても良い。
(Method for producing positive electrode for lithium ion secondary battery)
In the production method of the present invention, a mixed material obtained by mixing the above-described sulfur-based positive electrode active material (ie, carbon material and sulfur) and a conductive material is heated. What is necessary is just to mix a mixing material with general mixing apparatuses, such as a mortar and a ball mill. As the mixed raw material, a material obtained by simply mixing sulfur, a carbon material, and a conductive material may be used. For example, the mixed raw material may be formed into a pellet shape.

熱処理工程において混合原料を加熱することで、混合原料に含まれる硫黄と炭素材料とが結合する。伝導材材料として未硫化の金属を用いる場合には、金属の硫化も生じる。熱処理工程は、密閉系でおこなっても良いし開放系でおこなっても良いが、硫黄蒸気の散逸を抑制するためには、密閉系で行うのが好ましい。また、熱処理工程を如何なる雰囲気で行うかについては特に問わないが、炭素材料と硫黄との結合を妨げない雰囲気(例えば、水素を含有しない雰囲気、非酸化性雰囲気)下で行うのが好ましい。例えば、雰囲気中に水素が存在すると、反応系中の硫黄が水素と反応して硫化水素となるため、反応系中の硫黄が失われる場合がある。また、特に炭素材料としてポリアクリロニトリルを用いる場合には、非酸化性雰囲気下で熱処理することで、ポリアクリロニトリルの閉環反応と同時に、蒸気状態の硫黄がポリアクリロニトリルと反応して、硫黄によって変性されたポリアクリロニトリルが得られると考えられる。ここでいう非酸化性雰囲気とは、酸化反応が進行しない程度の低酸素濃度とした減圧状態、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気、硫黄ガス雰囲気等を含む。   By heating the mixed raw material in the heat treatment step, sulfur contained in the mixed raw material and the carbon material are combined. When an unsulfurized metal is used as the conductive material, metal sulfidation also occurs. The heat treatment step may be performed in a closed system or an open system, but in order to suppress the dissipation of sulfur vapor, it is preferably performed in a closed system. In addition, the atmosphere in which the heat treatment step is performed is not particularly limited, but it is preferably performed in an atmosphere that does not hinder the bonding between the carbon material and sulfur (for example, an atmosphere not containing hydrogen or a non-oxidizing atmosphere). For example, when hydrogen is present in the atmosphere, sulfur in the reaction system reacts with hydrogen to form hydrogen sulfide, so that sulfur in the reaction system may be lost. In particular, when polyacrylonitrile is used as a carbon material, the vaporized sulfur reacts with the polyacrylonitrile at the same time as the polyacrylonitrile ring-closing reaction by heat treatment in a non-oxidizing atmosphere. It is believed that polyacrylonitrile is obtained. The non-oxidizing atmosphere referred to here includes a reduced pressure state in which the oxygen concentration is low enough not to cause an oxidation reaction, an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, a sulfur gas atmosphere, and the like.

密閉状態の非酸化性雰囲気とするための具体的な方法については特に限定はなく、例えば、硫黄蒸気が散逸しない程度の密閉性が保たれる容器中に混合原料を入れて、容器内を減圧または不活性ガス雰囲気にして加熱すれば良い。その他、混合原料を硫黄蒸気と反応し難い材料(例えばアルミニウムラミネートフィルム等)で真空包装した状態で加熱しても良い。この場合、発生した硫黄蒸気によって包装材料が破損しないように、例えば、水を入れたオートクレーブ等の耐圧容器中に、包装された原料を入れて加熱し、発生した水蒸気で包装材の外部から加圧することが好ましい。この方法によれば、包装材料の外部から水蒸気によって加圧されるので、硫黄蒸気によって包装材料が膨れて破損することが防止される。   There is no particular limitation on the specific method for creating a non-oxidizing atmosphere in a sealed state. For example, the mixed raw material is placed in a container that is kept tight enough not to dissipate sulfur vapor, and the inside of the container is decompressed. Alternatively, heating may be performed in an inert gas atmosphere. In addition, the mixed raw material may be heated in a vacuum packaged state with a material that does not easily react with sulfur vapor (for example, an aluminum laminate film). In this case, in order to prevent the packaging material from being damaged by the generated sulfur vapor, for example, the packaged raw material is put in a pressure vessel such as an autoclave containing water and heated, and the generated steam is added from the outside of the packaging material. It is preferable to press. According to this method, since pressure is applied by water vapor from the outside of the packaging material, the packaging material is prevented from being swollen and damaged by sulfur vapor.

熱処理工程における混合原料の加熱時間は、加熱温度に応じて適宜設定すれば良く、特に限定しない。上述した好ましい加熱温度は、硫黄と炭素材料との結合が進行し、かつ、伝導材が変質しないような温度であれば良い。   What is necessary is just to set suitably the heating time of the mixed raw material in a heat processing process according to heating temperature, and it does not specifically limit it. The preferable heating temperature mentioned above should just be a temperature which the coupling | bonding of sulfur and a carbon material advances, and a conductive material does not change in quality.

例えば、炭素材料としてポリアクリロニトリルを用いる場合、加熱温度は、250以上500℃以下とすることが好ましく、250以上400℃以下とすることがより好ましく、250以上300℃以下とすることがさらに好ましい。また、炭素材料としてピッチ系炭素材料を用いる場合、加熱温度は、200℃以上600℃以下であるのが好ましく、300℃以上500℃以下であるのがより好ましく、350℃以上500℃以下であるのがさらに好ましい。炭素材料としてピッチ系炭素材料を用いる場合には、熱処理工程においてピッチ系炭素材料の少なくとも一部と硫黄の少なくとも一部とが液体となる。換言すると、熱処理工程において、ピッチ系炭素材料の少なくとも一部と硫黄の少なくとも一部とは、液状で接触する。このため、熱処理工程におけるピッチ系炭素材料と硫黄との接触面積は大きく、ピッチ系炭素材料と硫黄とが充分に結合し、かつ硫黄系正極活物質からの硫黄の脱離が抑制される。   For example, when polyacrylonitrile is used as the carbon material, the heating temperature is preferably 250 to 500 ° C., more preferably 250 to 400 ° C., and even more preferably 250 to 300 ° C. When a pitch-based carbon material is used as the carbon material, the heating temperature is preferably 200 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, more preferably 300 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, and 350 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. Is more preferable. When a pitch-based carbon material is used as the carbon material, at least a part of the pitch-based carbon material and at least a part of sulfur become liquid in the heat treatment step. In other words, in the heat treatment step, at least a part of the pitch-based carbon material and at least a part of sulfur are in liquid contact. Therefore, the contact area between the pitch-based carbon material and sulfur in the heat treatment step is large, the pitch-based carbon material and sulfur are sufficiently bonded, and the desorption of sulfur from the sulfur-based positive electrode active material is suppressed.

熱処理工程においては、硫黄を還流するのが好ましい。この場合、混合原料の一部が気体となり、一部が液体となるように混合原料を加熱すれば良い。換言すると、混合原料の温度は、硫黄が気化する温度以上の温度であれば良い。ここで言う気化とは、硫黄が液体または固体から気体に相変化することを指し、沸騰、蒸発、昇華の何れによっても良い。参考までに、α硫黄(斜方硫黄、常温付近で最も安定な構造である)の融点は112.8℃、β硫黄(単斜硫黄)の融点は119.6℃、γ硫黄(単斜硫黄)の融点は106.8℃である。硫黄の沸点は444.7℃である。ところで、硫黄の蒸気圧は高いため、混合原料の温度が150℃以上になると、硫黄の蒸気の発生が目視でも確認できる。したがって、混合原料の温度が150℃以上であれば硫黄の還流は可能である。なお、熱処理工程において硫黄を還流する場合には、既知構造の還流装置を用いて硫黄を還流すれば良い。     In the heat treatment step, sulfur is preferably refluxed. In this case, the mixed raw material may be heated so that a part of the mixed raw material becomes a gas and a part becomes a liquid. In other words, the temperature of the mixed raw material may be a temperature equal to or higher than the temperature at which sulfur is vaporized. Vaporization here refers to the phase change of sulfur from a liquid or solid to a gas, and may be any of boiling, evaporation, and sublimation. For reference, the melting point of α sulfur (orthogonal sulfur, which is the most stable structure near room temperature) is 112.8 ° C, the melting point of β sulfur (monoclinic sulfur) is 119.6 ° C, and γ sulfur (monoclinic sulfur). ) Has a melting point of 106.8 ° C. The boiling point of sulfur is 444.7 ° C. By the way, since the vapor pressure of sulfur is high, generation | occurrence | production of sulfur vapor | steam can also be confirmed visually when the temperature of a mixed raw material will be 150 degreeC or more. Therefore, if the temperature of the mixed raw material is 150 ° C. or higher, sulfur can be refluxed. In addition, what is necessary is just to recirculate | reflux sulfur using the recirculation | reflux apparatus of a known structure when recirculating | refluxing sulfur in a heat treatment process.

なお、混合材料中の硫黄の配合量が過大である場合にも、熱処理工程において炭素材料に充分な量の硫黄を取り込むことができる。このため、炭素材料に対して硫黄を過大に配合する場合には、熱処理工程後の被処理体(硫黄系正極活物質−炭素材料複合体)から単体硫黄を除去することで、上述した単体硫黄による悪影響を抑制できる。詳しくは、混合原料中の炭素材料と硫黄との配合比を、質量比で1:2〜1:10とする場合、熱処理工程後の被処理体を、減圧しつつ200℃〜250℃で加熱する(単体硫黄除去工程)ことで、炭素材料に充分な量の硫黄を取り込みつつ、残存する単体硫黄による悪影響を抑制できる。熱処理工程後の被処理体に単体硫黄除去工程を施さない場合には、この被処理体をそのまま硫黄系正極活物質として用いれば良い。また、熱処理工程後の被処理体に単体硫黄除去工程を施す場合には、単体硫黄除去工程後の被処理体を硫黄系正極活物質として用いれば良い。   Even when the amount of sulfur in the mixed material is excessive, a sufficient amount of sulfur can be taken into the carbon material in the heat treatment step. For this reason, when sulfur is excessively added to the carbon material, the elemental sulfur described above is removed by removing the elemental sulfur from the object to be treated (sulfur-based positive electrode active material-carbon material composite) after the heat treatment step. The adverse effect by can be suppressed. Specifically, when the mixing ratio of the carbon material and sulfur in the mixed raw material is 1: 2 to 1:10 by mass ratio, the object to be processed after the heat treatment step is heated at 200 ° C. to 250 ° C. while reducing the pressure. By performing (single sulfur removal step), it is possible to suppress an adverse effect due to the remaining single sulfur while incorporating a sufficient amount of sulfur into the carbon material. When the single sulfur removal step is not performed on the target object after the heat treatment step, this target object may be used as it is as the sulfur-based positive electrode active material. Moreover, what is necessary is just to use the to-be-processed body after a single sulfur removal process as a sulfur type positive electrode active material, when performing a single-piece | unit sulfur removal process to the to-be-processed body after a heat treatment process.

(リチウムイオン二次電池用正極)
本発明の正極は、上述した本発明の製造方法で製造され、硫黄系正極活物質および伝導材を含有する。なお、本発明の正極が、硫黄変性ポリアクリロニトリルおよび/または硫黄変性ピッチを硫黄系正極活物質として含む場合、正極のラマンスペクトルには、図2に示す硫黄変性ポリアクリロニトリルに由来するピークや図4に示す硫黄変性ピッチに由来するピークが他のピークとともに認められる。
(Positive electrode for lithium ion secondary battery)
The positive electrode of the present invention is produced by the production method of the present invention described above, and contains a sulfur-based positive electrode active material and a conductive material. When the positive electrode of the present invention contains sulfur-modified polyacrylonitrile and / or sulfur-modified pitch as a sulfur-based positive electrode active material, the Raman spectrum of the positive electrode shows peaks derived from the sulfur-modified polyacrylonitrile shown in FIG. The peak derived from the sulfur-modified pitch shown in FIG.

正極は、正極活物質および伝導材以外は、一般的なリチウムイオン二次電池用正極と同様の構造にできる。例えば、本発明の正極は、硫黄系正極活物質と伝導材との混合物(すなわち熱処理工程により得られた被処理体)、導電助剤、バインダ、および溶媒を混合した正極材料を、集電体に塗布することによって製作できる。或いは、硫黄粉末、炭素材料粉末および伝導材材料粉末を混合した混合原料を、正極用集電体に充填した後に加熱する(熱処理工程を施す)こともできる。この方法によれば、硫黄系正極活物質と伝導材との混合物を製造すると同時に、バインダを用いることなく、この混合物と集電体とを一体化させることができる。バインダを用いなければ、正極質量あたり正極活物質の量を増大させることができ、正極質量当たりの容量を向上させることができる。   The positive electrode can have the same structure as a general positive electrode for a lithium ion secondary battery except for the positive electrode active material and the conductive material. For example, the positive electrode of the present invention comprises a positive electrode material obtained by mixing a mixture of a sulfur-based positive electrode active material and a conductive material (that is, an object to be processed obtained by a heat treatment process), a conductive additive, a binder, and a solvent. It can be manufactured by applying to. Alternatively, the mixed raw material in which the sulfur powder, the carbon material powder, and the conductive material powder are mixed can be heated (a heat treatment step is performed) after filling the positive electrode current collector. According to this method, a mixture of a sulfur-based positive electrode active material and a conductive material can be produced, and at the same time, the mixture and the current collector can be integrated without using a binder. If no binder is used, the amount of the positive electrode active material per positive electrode mass can be increased, and the capacity per positive electrode mass can be improved.

正極は伝導材を含む。正極における硫黄系正極活物質と伝導材との含有比は、質量比で、10:0.1〜10:5であるのが好ましく、10:0.3〜10:2であるのがより好ましい。   The positive electrode includes a conductive material. The content ratio between the sulfur-based positive electrode active material and the conductive material in the positive electrode is preferably 10: 0.1 to 10: 5, more preferably 10: 0.3 to 10: 2, in terms of mass ratio. .

導電助剤としては、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber:VGCF)、炭素粉末、カーボンブラック(CB)、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、黒鉛、アルミニウムやチタンなどの正極電位において安定な金属の微粉末等が例示される。なお、伝導材の構成によっては、導電助剤を配合しなくても良い場合もある。   Examples of the conductive assistant include vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon powder, carbon black (CB), acetylene black (AB), ketjen black (KB), graphite, positive electrodes such as aluminum and titanium. Examples thereof include fine metal powders stable in potential. Depending on the configuration of the conductive material, it may not be necessary to add a conductive additive.

バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidene DiFluoride:PVDF)、ポリ四フッ化エチレン(PTFE)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリ塩化ビニル(PVC)、メタクリル樹脂(PMA)、ポリアクリロニトリル(PAN)、変性ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等が例示される。   As the binder, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), carboxymethylcellulose (CMC), polychlorinated Examples include vinyl (PVC), methacrylic resin (PMA), polyacrylonitrile (PAN), modified polyphenylene oxide (PPO), polyethylene oxide (PEO), polyethylene (PE), and polypropylene (PP).

溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアルデヒド、アルコール、水等が例示される。これら導電助剤、バインダおよび溶媒は、それぞれ複数種を混合して用いても良い。これらの材料の配合量は特に問わないが、例えば、硫黄系正極活物質100質量部に対して、導電助剤20〜100質量部程度、バインダ10〜20質量部程度を配合するのが好ましい。また、その他の方法として、本発明の硫黄系正極活物質と上述した導電助剤およびバインダとの混合物を乳鉢やプレス機などで混練しかつフィルム状にし、フィルム状の混合物をプレス機等で集電体に圧着することで、本発明のリチウムイオン二次電池用正極を製造することもできる。   Examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformaldehyde, alcohol, water and the like. These conductive assistants, binders and solvents may be used as a mixture of plural kinds. The blending amount of these materials is not particularly limited. For example, it is preferable to blend about 20 to 100 parts by mass of the conductive additive and about 10 to 20 parts by mass of the binder with respect to 100 parts by mass of the sulfur-based positive electrode active material. As another method, a mixture of the sulfur-based positive electrode active material of the present invention, the above-described conductive additive and binder is kneaded with a mortar or a press machine to form a film, and the film-like mixture is collected with a press machine or the like. The positive electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention can also be produced by pressure bonding to an electric body.

集電体としては、リチウムイオン二次電池用正極に一般に用いられるものを使用すれば良い。例えば集電体としては、アルミニウム箔、アルミニウムメッシュ、パンチングアルミニウムシート、アルミニウムエキスパンドシート、ステンレススチール箔、ステンレススチールメッシュ、パンチングステンレススチールシート、ステンレススチールエキスパンドシート、発泡ニッケル、ニッケル不織布、銅箔、銅メッシュ、パンチング銅シート、銅エキスパンドシート、チタン箔、チタンメッシュ、カーボン不織布、カーボン織布等が例示される。このうち黒鉛化度の高いカーボンから成るカーボン不織布/織布集電体は、水素を含まず、硫黄との反応性が低いために、硫黄系正極活物質用の集電体として好適である。黒鉛化度の高い炭素繊維の原料としては、カーボン繊維の材料となる各種のピッチ(すなわち、石油、石炭、コールタールなどの副生成物)やポリアクリロニトリル繊維等を用いることができる。   What is necessary is just to use what is generally used for the positive electrode for lithium ion secondary batteries as a collector. For example, current collectors include aluminum foil, aluminum mesh, punched aluminum sheet, aluminum expanded sheet, stainless steel foil, stainless steel mesh, punched stainless steel sheet, stainless steel expanded sheet, foamed nickel, nickel non-woven fabric, copper foil, copper mesh Examples thereof include a punching copper sheet, a copper expanded sheet, a titanium foil, a titanium mesh, a carbon nonwoven fabric, and a carbon woven fabric. Among these, the carbon non-woven fabric / woven fabric current collector made of carbon having a high degree of graphitization is suitable as a current collector for a sulfur-based positive electrode active material because it does not contain hydrogen and has low reactivity with sulfur. As a raw material for carbon fiber having a high degree of graphitization, various pitches (that is, by-products such as petroleum, coal, coal tar, etc.) and polyacrylonitrile fiber, which are carbon fiber materials, can be used.

(リチウムイオン二次電池)
以下、本発明の正極を用いたリチウムイオン二次電池の構成について説明する。以下、本発明の正極を用いたリチウムイオン二次電池を単にリチウムイオン二次電池用と略する。なお、正極に関しては、上述したとおりである。
(Lithium ion secondary battery)
Hereinafter, the structure of the lithium ion secondary battery using the positive electrode of the present invention will be described. Hereinafter, a lithium ion secondary battery using the positive electrode of the present invention is simply abbreviated as a lithium ion secondary battery. The positive electrode is as described above.

〔負極〕
負極材料としては、公知の金属リチウム、黒鉛などの炭素系材料、シリコン薄膜などのシリコン系材料、銅−錫やコバルト−錫などの合金系材料を使用できる。負極材料として、リチウムを含まない材料、例えば、上記した負極材料の内で、炭素系材料、シリコン系材料、合金系材料等を用いる場合には、デンドライドの発生による正負極間の短絡を生じ難い点で有利である。ただし、これらのリチウムを含まない負極材料を本発明の正極と組み合わせて用いる場合には、正極および負極が何れもリチウムを含まない。このため、負極および正極の何れか一方、または両方にあらかじめリチウムを挿入するリチウムプリドープ処理が必要となる。リチウムのプリドープ法としては公知の方法に従えば良い。例えば負極にリチウムをドープする場合には、対極に金属リチウムを用いて半電池を組み、電気化学的にリチウムをドープする電解ドープ法によってリチウムを挿入する方法や、金属リチウム箔を電極に貼り付けたあと電解液の中に放置し電極へのリチウムの拡散を利用してドープする貼り付けプリドープ法によりリチウムを挿入する方法が挙げられる。また、正極にリチウムをプリドープする場合にも、上記した電解ドープ法を利用することが出来る。
[Negative electrode]
As the negative electrode material, a known carbon-based material such as lithium metal or graphite, a silicon-based material such as a silicon thin film, or an alloy-based material such as copper-tin or cobalt-tin can be used. When a negative electrode material that does not contain lithium, for example, a carbon-based material, a silicon-based material, an alloy-based material, etc., among the negative electrode materials described above, short-circuiting between the positive and negative electrodes due to the generation of dendrites is unlikely to occur. This is advantageous. However, when these negative electrode materials not containing lithium are used in combination with the positive electrode of the present invention, neither the positive electrode nor the negative electrode contains lithium. For this reason, a lithium pre-doping process in which lithium is inserted in advance into either one or both of the negative electrode and the positive electrode is necessary. The lithium pre-doping method may be a known method. For example, when lithium is doped into the negative electrode, a half-cell is assembled using metallic lithium as the counter electrode, and lithium is inserted by an electrolytic doping method in which lithium is electrochemically doped, or a metallic lithium foil is attached to the electrode After that, there is a method in which lithium is inserted by a pasting pre-doping method in which it is left in an electrolytic solution and doped using diffusion of lithium to the electrode. Also, when the positive electrode is predoped with lithium, the above-described electrolytic doping method can be used.

リチウムを含まない負極材料としては、特に、高容量の負極材料であるシリコン系材料が好ましく、その中でも電極厚さが薄くて体積当りの容量で有利となる薄膜シリコンがより好ましい。   As the negative electrode material that does not contain lithium, a silicon-based material that is a high-capacity negative electrode material is particularly preferable, and among these, thin-film silicon that is advantageous in terms of capacity per volume due to thin electrode thickness is more preferable.

〔電解質〕
リチウムイオン二次電池に用いる電解質としては、有機溶媒に電解質であるアルカリ金属塩を溶解させたものを用いることができる。有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルエーテル、ガンマ−ブチロラクトン、アセトニトリル等の非水系溶媒から選ばれる少なくとも一種を用いるのが好ましい。電解質としては、LiPF、LiBF、LiAsF、LiCFSO、LiI、LiClO等を用いることができる。電解質の濃度は、0.5mol/l〜1.7mol/l程度であれば良い。なお、電解質は液状に限定されない。例えば、リチウムイオン二次電池がリチウムポリマー二次電池である場合、電解質は固体状(例えば高分子ゲル状)をなす。
〔Electrolytes〕
As the electrolyte used for the lithium ion secondary battery, an electrolyte in which an alkali metal salt as an electrolyte is dissolved in an organic solvent can be used. As the organic solvent, it is preferable to use at least one selected from non-aqueous solvents such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dimethyl ether, gamma-butyrolactone, and acetonitrile. As the electrolyte, LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiI, LiClO 4, or the like can be used. The concentration of the electrolyte may be about 0.5 mol / l to 1.7 mol / l. The electrolyte is not limited to liquid. For example, when the lithium ion secondary battery is a lithium polymer secondary battery, the electrolyte is in a solid state (for example, a polymer gel).

〔その他〕
リチウムイオン二次電池は、上述した負極、正極、電解質以外にも、セパレータ等の部材を備えても良い。セパレータは、正極と負極との間に介在し、正極と負極との間のイオンの移動を許容するとともに、正極と負極との内部短絡を防止する。リチウムイオン二次電池が密閉型であれば、セパレータには電解液を保持する機能も求められる。セパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、アラミド、ポリイミド、セルロース、ガラス等を材料とする薄肉かつ微多孔性または不織布状の膜を用いるのが好ましい。リチウムイオン二次電池の形状は特に限定されず、円筒型、積層型、コイン型等、種々の形状にできる。
[Others]
The lithium ion secondary battery may include a member such as a separator in addition to the above-described negative electrode, positive electrode, and electrolyte. The separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode, allows ions to move between the positive electrode and the negative electrode, and prevents an internal short circuit between the positive electrode and the negative electrode. If the lithium ion secondary battery is a sealed type, the separator is also required to have a function of holding an electrolytic solution. As the separator, it is preferable to use a thin, microporous or non-woven membrane made of polyethylene, polypropylene, polyacrylonitrile, aramid, polyimide, cellulose, glass or the like. The shape of the lithium ion secondary battery is not particularly limited, and can be various shapes such as a cylindrical shape, a stacked shape, and a coin shape.

試験例Test example

以下、本発明の正極、伝導材材料および正極の製造方法を具体的に説明する。   Hereinafter, the positive electrode, the conductive material, and the method for producing the positive electrode of the present invention will be specifically described.

試験例1)
〔1〕混合原料
硫黄粉末として、篩いを用いて分級した際に粒径50μm以下となるものを準備した。ポリアクリロニトリル粉末として、電子顕微鏡で確認した場合に粒径が0.2μm〜2μmの範囲にあるものを準備した。伝導材材料として、篩を用いて分級した際に粒径50μm以下であったLaを準備した。
( Test Example 1)
[1] Mixed raw material A sulfur powder having a particle size of 50 μm or less when classified using a sieve was prepared. A polyacrylonitrile powder having a particle size in the range of 0.2 μm to 2 μm when prepared with an electron microscope was prepared. As the conductive material, La 2 S 3 having a particle size of 50 μm or less when classified using a sieve was prepared.

硫黄粉末5gとポリアクリロニトリル粉末1gと伝導材材料粉末0.1gと、を乳鉢で混合・粉砕して、混合原料を得た。   5 g of sulfur powder, 1 g of polyacrylonitrile powder and 0.1 g of conductive material material powder were mixed and pulverized in a mortar to obtain a mixed raw material.

〔2〕装置
図5に示すように、反応装置1は、反応容器2、蓋3、熱電対4、アルミナ保護管40、2つのアルミナ管(ガス導入管5、ガス排出管6)、アルゴンガス配管50、アルゴンガスを収容したガスタンク51、トラップ配管60、水酸化ナトリウム水溶液61を収容したトラップ槽62、電気炉7、電気炉に接続されている温度コントローラ70を持つ。
[2] Apparatus As shown in FIG. 5, the reaction apparatus 1 includes a reaction vessel 2, a lid 3, a thermocouple 4, an alumina protective tube 40, two alumina tubes (gas introduction tube 5 and gas discharge tube 6), and argon gas. It has a pipe 50, a gas tank 51 containing argon gas, a trap pipe 60, a trap tank 62 containing a sodium hydroxide aqueous solution 61, an electric furnace 7, and a temperature controller 70 connected to the electric furnace.

反応容器2としては、有底筒状をなすガラス管(石英ガラス製)を用いた。後述する熱処理工程において、反応容器2には混合原料9を収容した。反応容器2の開口部は、3つの貫通孔を持つガラス製の蓋3で閉じた。貫通孔の1つには、熱電対4を収容したアルミナ保護管40(アルミナSSA−S、株式会社ニッカトー製)を取り付けた。貫通孔の他の1つには、ガス導入管5(アルミナSSA−S、株式会社ニッカトー製)を取り付けた。貫通孔の残りの1つには、ガス排出管6(アルミナSSA−S、株式会社ニッカトー製)を取り付けた。なお、反応容器2は、外径60mm、内径50mm、長さ300mmであった。アルミナ保護管40は、外径4mm、内径2mm、長さ250mmであった。ガス導入管5およびガス排出管6は、外径6mm、内径4mm、長さ150mmであった。ガス導入管5およびガス排出管6の先端は、蓋3の外部(反応容器2内)に露出した。この露出した部分の長さは3mmであった。ガス導入管5およびガス排出管6の先端は、後述する熱処理工程においてほぼ100℃以下となる。このため、熱処理工程において生じる硫黄蒸気は、ガス導入管5およびガス排出管6から流出せず、反応容器2に戻される(還流する)。   As the reaction vessel 2, a bottomed cylindrical glass tube (made of quartz glass) was used. In the heat treatment step described later, the mixed raw material 9 was accommodated in the reaction vessel 2. The opening of the reaction vessel 2 was closed with a glass lid 3 having three through holes. An alumina protective tube 40 (alumina SSA-S, manufactured by Nikkato Co., Ltd.) accommodating the thermocouple 4 was attached to one of the through holes. A gas introduction pipe 5 (alumina SSA-S, manufactured by Nikkato Corporation) was attached to the other one of the through holes. A gas exhaust pipe 6 (alumina SSA-S, manufactured by Nikkato Corporation) was attached to the remaining one of the through holes. The reaction vessel 2 had an outer diameter of 60 mm, an inner diameter of 50 mm, and a length of 300 mm. The alumina protective tube 40 had an outer diameter of 4 mm, an inner diameter of 2 mm, and a length of 250 mm. The gas introduction pipe 5 and the gas discharge pipe 6 had an outer diameter of 6 mm, an inner diameter of 4 mm, and a length of 150 mm. The tips of the gas introduction pipe 5 and the gas discharge pipe 6 were exposed to the outside of the lid 3 (inside the reaction vessel 2). The length of this exposed portion was 3 mm. The tips of the gas introduction pipe 5 and the gas discharge pipe 6 become approximately 100 ° C. or less in a heat treatment process described later. For this reason, the sulfur vapor generated in the heat treatment step does not flow out of the gas introduction pipe 5 and the gas discharge pipe 6 but is returned (refluxed) to the reaction vessel 2.

アルミナ保護管40に入れた熱電対4の先端は、間接的に反応容器2中の混合原料9の温度を測定した。熱電対4で測定した温度は、電気炉7の温度コントローラ70にフィードバックした。   The tip of the thermocouple 4 placed in the alumina protective tube 40 indirectly measured the temperature of the mixed raw material 9 in the reaction vessel 2. The temperature measured by the thermocouple 4 was fed back to the temperature controller 70 of the electric furnace 7.

ガス導入管5にはアルゴンガス配管50を接続した。アルゴンガス配管50はアルゴンガスを収容したガスタンク51に接続した。ガス排出管6にはトラップ配管60の一端を接続した。トラップ配管60の他端は、トラップ槽62中の水酸化ナトリウム水溶液61に挿入した。なお、トラップ配管60およびトラップ槽62は、後述する熱処理工程で生じる硫化水素ガスのトラップである。   An argon gas pipe 50 was connected to the gas introduction pipe 5. The argon gas pipe 50 was connected to a gas tank 51 containing argon gas. One end of a trap pipe 60 was connected to the gas discharge pipe 6. The other end of the trap pipe 60 was inserted into the sodium hydroxide aqueous solution 61 in the trap tank 62. The trap pipe 60 and the trap tank 62 are traps for hydrogen sulfide gas generated in a heat treatment process to be described later.

〔3〕熱処理工程
混合原料9を収容した反応容器2を、電気炉7(ルツボ炉、開口幅φ80mm、加熱高さ100mm)に収容した。このとき、ガス導入管5を介して反応容器2の内部にアルゴンを導入した。このときのアルゴンガスの流速は100ml/分であった。アルゴンガスの導入開始10分後に、アルゴンガスの導入を継続しつつ反応容器2中の混合原料9の加熱を開始した。このときの昇温速度は5℃/分であった。混合原料9が100℃になった時点で、混合原料9の加熱を継続しつつアルゴンガスの導入を停止した。混合原料9が約200℃になるとガスが発生した。混合原料9が330℃になった時点で加熱を停止した。加熱停止後、混合原料9の温度は350℃にまで上昇し、その後低下した。したがって、この熱処理工程において、混合原料9は350℃にまで加熱された。その後、混合原料9を自然冷却し、混合原料9が室温(約25℃)にまで冷却された時点で反応容器2から生成物(すなわち、熱処理工程後の被処理体)を取り出した。なお、このときの加熱時間は350℃で約5分であり、硫黄は還流された。
[3] Heat treatment step The reaction vessel 2 containing the mixed raw material 9 was placed in an electric furnace 7 (crucible furnace, opening width φ80 mm, heating height 100 mm). At this time, argon was introduced into the reaction vessel 2 through the gas introduction tube 5. The flow rate of argon gas at this time was 100 ml / min. Ten minutes after the start of the introduction of the argon gas, heating of the mixed raw material 9 in the reaction vessel 2 was started while continuing the introduction of the argon gas. The temperature rising rate at this time was 5 ° C./min. When the mixed raw material 9 reached 100 ° C., the introduction of argon gas was stopped while continuing to heat the mixed raw material 9. Gas was generated when the mixed raw material 9 reached about 200 ° C. The heating was stopped when the mixed raw material 9 reached 330 ° C. After stopping the heating, the temperature of the mixed raw material 9 increased to 350 ° C. and then decreased. Therefore, in this heat treatment step, the mixed raw material 9 was heated to 350 ° C. Thereafter, the mixed raw material 9 was naturally cooled, and when the mixed raw material 9 was cooled to room temperature (about 25 ° C.), the product (that is, the object to be treated after the heat treatment step) was taken out from the reaction vessel 2. The heating time at this time was about 5 minutes at 350 ° C., and sulfur was refluxed.

〔4〕単体硫黄除去工程
熱処理工程後の被処理体に残存する単体硫黄(遊離の硫黄)を除去するために、以下の工程をおこなった。
[4] Elemental sulfur removal step In order to remove elemental sulfur (free sulfur) remaining in the object to be treated after the heat treatment step, the following steps were performed.

熱処理工程後の被処理体を乳鉢で粉砕した。粉砕物2gをガラスチューブオーブンに入れ、真空吸引しつつ250℃で3時間加熱した。このときの昇温温度は10℃/分であった。この工程により、熱処理工程後の被処理体に残存する単体硫黄が蒸発・除去され、単体硫黄を含まない(または、ほぼ含まない)硫黄系正極活物質−伝導材複合体を得た。   The object to be treated after the heat treatment step was pulverized in a mortar. 2 g of the pulverized product was placed in a glass tube oven and heated at 250 ° C. for 3 hours while being vacuumed. The temperature elevation temperature at this time was 10 ° C./min. By this step, the elemental sulfur remaining in the object to be treated after the heat treatment step is evaporated and removed, and a sulfur-based positive electrode active material-conductive material composite that does not contain (or substantially does not contain) elemental sulfur is obtained.

〈リチウムイオン二次電池の製作〉
〔1〕正極
硫黄系正極活物質−伝導材複合体3mgとアセチレンブラック2.7mgとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)0.3mgとの混合物を、ヘキサンを適量加えつつ、メノウ製乳鉢でフィルム状になるまで混練し、フィルム状の正極材料を得た。この正極材料全量を、直径14mmの円形に打ち抜いたアルミニウムメッシュ(メッシュ粗さ#100)にプレス機で圧着し、80℃で一晩乾燥した。この工程で、試験例1のリチウムイオン二次電池用正極を得た。なお、この正極における伝導材はLaであり、硫黄系正極活物質と伝導材との含有比(質量比)は10:0.6であった。
<Production of lithium ion secondary battery>
[1] Positive electrode A mixture of 3 mg of a sulfur-based positive electrode active material-conductive material complex, 2.7 mg of acetylene black, and 0.3 mg of polytetrafluoroethylene (PTFE) is added into a film in an agate mortar while adding an appropriate amount of hexane. The film was kneaded until a film-like positive electrode material was obtained. The total amount of the positive electrode material was press-bonded to an aluminum mesh (mesh roughness # 100) punched into a circle having a diameter of 14 mm with a press machine and dried at 80 ° C. overnight. In this step, the positive electrode for the lithium ion secondary battery of Test Example 1 was obtained. Note that conductive material in the positive electrode is La 2 S 3, the content ratio of sulfur-based positive electrode active material and conductive material (mass ratio) was 10: 0.6.

〔2〕負極
負極としては、金属リチウム箔(直径14mm、厚さ500μmの円盤状、本城金属製)を用いた。
[2] Negative Electrode As the negative electrode, a metal lithium foil (a disk shape having a diameter of 14 mm and a thickness of 500 μm, manufactured by Honjo Metal) was used.

〔3〕電解液
電解液としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒に、LiPFを溶解した非水電解質を用いた。エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとは体積比1:1で混合した。電解液中のLiPFの濃度は、1.0mol/lであった。
[3] Electrolytic Solution As the electrolytic solution, a nonaqueous electrolyte in which LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate was used. Ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 1: 1. The concentration of LiPF 6 in the electrolytic solution was 1.0 mol / l.

〔4〕電池
〔1〕、〔2〕で得られた正極および負極を用いて、コイン電池を製作した。詳しくは、ドライルーム内で、セパレータ(Celgard社製Celgard2400、厚さ25μmのポリプロピレン微孔質膜)と、ガラス不織布フィルタ(厚さ440μm、ADVANTEC社製、GA100)と、を正極と負極との間に挟装して、電極体電池とした。この電極体電池を、ステンレス容器からなる電池ケース(CR2032型コイン電池用部材、宝泉株式会社製)に収容した。電池ケースには〔3〕で得られた電解液を注入した。電池ケースをカシメ機で密閉して、試験例1のリチウムイオン二次電池を得た。
[4] Battery A coin battery was manufactured using the positive electrode and the negative electrode obtained in [1] and [2]. Specifically, in a dry room, a separator (Celgard 2400 made by Celgard, a polypropylene microporous membrane having a thickness of 25 μm) and a glass nonwoven fabric filter (thickness 440 μm, made by ADVANTEC, GA100) are placed between the positive electrode and the negative electrode. To be an electrode body battery. This electrode body battery was accommodated in a battery case (CR2032-type coin battery member, manufactured by Hosen Co., Ltd.) made of a stainless steel container. The electrolyte solution obtained in [3] was injected into the battery case. The battery case was sealed with a caulking machine to obtain a lithium ion secondary battery of Test Example 1.

試験例2)
試験例2の正極の製造方法は、混合原料として、硫黄粉末5gとポリアクリロニトリル粉末1gと伝導材材料粉末0.3gとの混合物を用いたこと以外は、試験例1の正極の製造方法と同じである。試験例2の製造方法では、混合原料におけるポリアクリロニトリルと伝導材材料との質量比は1:0.3であった。また、試験例2の正極における伝導材は試験例1と同じLaであり、硫黄系正極活物質と伝導材との含有比(質量比)は10:1.8であった。試験例2のリチウムイオン二次電池は、試験例2の正極を用いたこと以外は試験例1のリチウムイオン二次電池と同じである。
( Test Example 2)
The manufacturing method of the positive electrode of Test Example 2 is the same as the manufacturing method of the positive electrode of Test Example 1 except that a mixture of 5 g of sulfur powder, 1 g of polyacrylonitrile powder, and 0.3 g of conductive material powder is used as a mixed raw material. It is. In the production method of Test Example 2, the mass ratio of polyacrylonitrile to the conductive material in the mixed raw material was 1: 0.3. The conductive material in the positive electrode of Test Example 2 was La 2 S 3 as in Test Example 1, and the content ratio (mass ratio) between the sulfur-based positive electrode active material and the conductive material was 10: 1.8. The lithium ion secondary battery of Experimental Example 2, except for using the positive electrode of Test Example 2 is the same as the lithium ion secondary batteries of Experimental Example 1.

試験例3)
試験例3の正極の製造方法は、混合原料として、硫黄粉末5gとポリアクリロニトリル粉末1gと伝導材材料粉末0.5gとの混合物を用いたこと以外は、試験例1の正極の製造方法と同じである。試験例3の製造方法では、混合原料におけるポリアクリロニトリルと伝導材材料との質量比は1:0.5であった。また、試験例3の正極における伝導材は試験例1、2と同じLaであり、硫黄系正極活物質と伝導材との含有比(質量比)は10:2.9であった。試験例3のリチウムイオン二次電池は、試験例3の正極を用いたこと以外は試験例1のリチウムイオン二次電池と同じである。
( Test Example 3)
The manufacturing method of the positive electrode of Test Example 3 is the same as the manufacturing method of the positive electrode of Test Example 1 except that a mixture of 5 g of sulfur powder, 1 g of polyacrylonitrile powder, and 0.5 g of conductive material powder is used as the mixed raw material. It is. In the production method of Test Example 3, the mass ratio of polyacrylonitrile to the conductive material in the mixed raw material was 1: 0.5. Moreover, the conductive material in the positive electrode of Test Example 3 was La 2 S 3 as in Test Examples 1 and 2, and the content ratio (mass ratio) between the sulfur-based positive electrode active material and the conductive material was 10: 2.9. . The lithium ion secondary battery of Experimental Example 3, except for using the positive electrode of Test Example 3 is the same as the lithium ion secondary batteries of Experimental Example 1.

試験例4)
試験例4の正極の製造方法は、伝導材材料としてTiSを用い、混合原料として硫黄粉末5gとポリアクリロニトリル粉末1gと伝導材材料粉末0.1gとの混合物を用いたこと以外は、試験例1の正極の製造方法と同じである。試験例4の製造方法では、混合原料におけるポリアクリロニトリルと伝導材材料との質量比は1:0.1であった。また、試験例4の正極における伝導材はTiSであり、硫黄系正極活物質と伝導材との含有比(質量比)は10:0.6であった。試験例4のリチウムイオン二次電池は、試験例4の正極を用いたこと以外は試験例1のリチウムイオン二次電池と同じである。
( Test Example 4)
The manufacturing method of the positive electrode of Test Example 4 is a test example except that TiS 2 is used as a conductive material, and a mixture of 5 g of sulfur powder, 1 g of polyacrylonitrile powder and 0.1 g of conductive material material powder is used as a mixed raw material. It is the same as the manufacturing method of 1 positive electrode. In the manufacturing method of Test Example 4, the mass ratio of polyacrylonitrile to the conductive material in the mixed raw material was 1: 0.1. Further, conductive material in the positive electrode of Test Example 4 is TiS 2, the content ratio of sulfur-based positive electrode active material and conductive material (mass ratio) was 10: 0.6. The lithium ion secondary battery of Test Example 4, except for using the positive electrode of Test Example 4 is the same as the lithium ion secondary batteries of Experimental Example 1.

試験例5)
試験例5の正極の製造方法は、伝導材材料としてSmを用い、混合原料として硫黄粉末5gとポリアクリロニトリル粉末1gと伝導材材料粉末0.1gとの混合物を用いたこと以外は、試験例1の正極の製造方法と同じである。試験例5の製造方法では、混合原料におけるポリアクリロニトリルと伝導材材料との質量比は1:0.1であった。また、試験例5の正極における伝導材はSmであり、硫黄系正極活物質と伝導材との含有比(質量比)は10:0.6であった。試験例5のリチウムイオン二次電池は、試験例5の正極を用いたこと以外は試験例1のリチウムイオン二次電池と同じである。
( Test Example 5)
The manufacturing method of the positive electrode of Test Example 5 uses Sm 2 S 3 as a conductive material, and uses a mixture of 5 g of sulfur powder, 1 g of polyacrylonitrile powder and 0.1 g of conductive material material as a mixed raw material. This is the same as the manufacturing method of the positive electrode of Test Example 1. In the production method of Test Example 5, the mass ratio of polyacrylonitrile to the conductive material in the mixed raw material was 1: 0.1. Moreover, the conductive material in the positive electrode of Test Example 5 was Sm 2 S 3 , and the content ratio (mass ratio) between the sulfur-based positive electrode active material and the conductive material was 10: 0.6. The lithium ion secondary battery of Test Example 5, except for using the positive electrode of Test Example 5 is the same as the lithium ion secondary batteries of Experimental Example 1.

試験例6)
試験例6の正極の製造方法は、伝導材材料としてCeを用い、混合原料として硫黄粉末5gとポリアクリロニトリル粉末1gと伝導材材料粉末0.1gとの混合物を用いたこと以外は、試験例1の正極の製造方法と同じである。試験例6の製造方法では、混合原料におけるポリアクリロニトリルと伝導材材料との質量比は1:0.1であった。また、試験例6の正極における伝導材はCeであり、硫黄系正極活物質と伝導材との含有比(質量比)は10:0.6であった。試験例6のリチウムイオン二次電池は、試験例6の正極を用いたこと以外は試験例1のリチウムイオン二次電池と同じである。
( Test Example 6)
The manufacturing method of the positive electrode of Test Example 6 uses Ce 2 S 3 as a conductive material, and uses a mixture of 5 g of sulfur powder, 1 g of polyacrylonitrile powder and 0.1 g of conductive material material as a mixed raw material. This is the same as the manufacturing method of the positive electrode of Test Example 1. In the manufacturing method of Test Example 6, the mass ratio of polyacrylonitrile to the conductive material in the mixed raw material was 1: 0.1. Moreover, the conductive material in the positive electrode of Test Example 6 was Ce 2 S 3 , and the content ratio (mass ratio) between the sulfur-based positive electrode active material and the conductive material was 10: 0.6. The lithium ion secondary battery of Test Example 6, except for using the positive electrode of Test Example 6 is the same as the lithium ion secondary batteries of Experimental Example 1.

試験例7)
試験例7の正極の製造方法は、伝導材材料として未硫化のTiを用い、混合原料として硫黄粉末5gとポリアクリロニトリル粉末1gと伝導材材料粉末0.1gとの混合物を用いたこと以外は、試験例1の正極の製造方法と同じである。試験例7の製造方法では、混原料におけるポリアクリロニトリルと伝導材材料との質量比は1:0.1であった。また、試験例7の正極における伝導材はTiSであり、硫黄系正極活物質と伝導材との含有比(質量比)は10:0.6であった。試験例7のリチウムイオン二次電池は、試験例7の正極を用いたこと以外は試験例1のリチウムイオン二次電池と同じである。
( Test Example 7)
The manufacturing method of the positive electrode of Test Example 7 uses unsulfurized Ti as a conductive material, and uses a mixture of 5 g of sulfur powder, 1 g of polyacrylonitrile powder and 0.1 g of conductive material material as a mixed raw material. This is the same as the manufacturing method of the positive electrode of Test Example 1. In the manufacturing method of Test Example 7, the mass ratio of polyacrylonitrile to the conductive material in the mixed raw material was 1: 0.1. Further, conductive material in the positive electrode of Test Example 7 is TiS 2, the content ratio of sulfur-based positive electrode active material and conductive material (mass ratio) was 10: 0.6. The lithium ion secondary battery of Experimental Example 7, except for using the positive electrode of Test Example 7 is the same as the lithium ion secondary batteries of Experimental Example 1.

試験例8)
試験例8の正極の製造方法は、伝導材材料としてTiSを用い、混合原料として硫黄粉末5gと石炭ピッチ粉末(等方性ピッチ、CAS番号65996−93−2)1gと伝導材材料粉末0.1gとの混合物を用い、電極を真空下、200℃、3時間乾燥したこと以外は、試験例1の正極の製造方法と同じである。試験例8の製造方法では、混合原料におけるピッチ系炭素材料と伝導材材料との質量比は1:0.1であった。また、試験例8の正極における伝導材はTiSであり、硫黄系正極活物質と伝導材との含有比(質量比)は10:0.5であった。試験例8のリチウムイオン二次電池は、試験例8の正極を用いたこと以外は試験例1のリチウムイオン二次電池と同じである。
( Test Example 8)
The manufacturing method of the positive electrode of Test Example 8 uses TiS 2 as a conductive material, 5 g of sulfur powder as a mixed raw material, 1 g of coal pitch powder (isotropic pitch, CAS number 65996-93-2) and conductive material powder 0 The same method as in the positive electrode manufacturing method of Test Example 1, except that a mixture with 0.1 g was used and the electrode was dried under vacuum at 200 ° C. for 3 hours. In the manufacturing method of Test Example 8, the mass ratio of the pitch-based carbon material and the conductive material in the mixed raw material was 1: 0.1. Further, conductive material in the positive electrode of Test Example 8 is TiS 2, the content ratio of sulfur-based positive electrode active material and conductive material (mass ratio) was 10: 0.5. The lithium ion secondary battery of Test Example 8, except for using the positive electrode of Test Example 8 is the same as the lithium ion secondary batteries of Experimental Example 1.

試験例9)
試験例9の正極の製造方法は、伝導材材料としてMoSを用い、混合原料として硫黄粉末5gとポリアクリロニトリル粉末1gと伝導材材料粉末0.1gとの混合物を用いたこと以外は、試験例1の正極の製造方法と同じである。試験例9の製造方法では、混合原料におけるポリアクリロニトリルと伝導材材料との質量比は1:0.1であった。また、試験例9の正極における伝導材はMoSであり、硫黄系正極活物質と伝導材との含有比(質量比)は10:0.6であった。試験例9のリチウムイオン二次電池は、試験例9の正極を用いたこと以外は試験例1のリチウムイオン二次電池と同じである。
( Test Example 9)
The manufacturing method of the positive electrode of Test Example 9 is a test example except that MoS 2 is used as a conductive material, and a mixture of 5 g of sulfur powder, 1 g of polyacrylonitrile powder, and 0.1 g of conductive material material powder is used as a mixed raw material. It is the same as the manufacturing method of 1 positive electrode. In the manufacturing method of Test Example 9, the mass ratio of polyacrylonitrile to the conductive material in the mixed raw material was 1: 0.1. Further, conductive material in the positive electrode of Test Example 9 is MoS 2, the content ratio of sulfur-based positive electrode active material and conductive material (mass ratio) was 10: 0.6. The lithium ion secondary battery of Test Example 9, except for using the positive electrode of Test Example 9 is the same as the lithium ion secondary batteries of Experimental Example 1.

試験例10
試験例10の正極の製造方法は、伝導材材料を用いなかったこと以外は試験例1の正極の製造方法と同じである。試験例10の正極は伝導材を含まないこと以外は試験例1の正極と同じである。また、試験例10のリチウムイオン二次電池は、試験例10の正極を用いたこと以外は試験例1のリチウムイオン二次電池と同じである。
( Test Example 10 )
The manufacturing method of the positive electrode of Test Example 10 is the same as the manufacturing method of the positive electrode of Test Example 1 except that no conductive material was used. The positive electrode of Test Example 10 is the same as the positive electrode of Test Example 1 except that it does not contain a conductive material. The lithium ion secondary battery of the Experimental Example 10, except for using the positive electrode of Test Example 10 is the same as the lithium ion secondary batteries of Experimental Example 1.

〔X線回折による硫黄系正極活物質の分析〕
試験例1〜4、7、9の硫黄系正極活物質−伝導材複合体、および、試験例10の硫黄系正極活物質について、X線回折分析を行った。装置として粉末X線回折装置(MAC Science社製、M06XCE)を用いた。測定条件は、CuKα線、電圧:40kV、電流:100mA、スキャン速度:4°/分、サンプリング:0.02°、積算回数:1回、回折角(2θ):10°〜60°であった。X線回折で得られた回折パターンを図6〜11に示す。
[Analysis of sulfur-based positive electrode active materials by X-ray diffraction]
X-ray diffraction analysis was performed on the sulfur-based positive electrode active material-conductive material composites of Test Examples 1-4, 7, and 9 and the sulfur-based positive electrode active material of Test Example 10 . A powder X-ray diffractometer (manufactured by MAC Science, M06XCE) was used as the apparatus. The measurement conditions were CuKα line, voltage: 40 kV, current: 100 mA, scan speed: 4 ° / min, sampling: 0.02 °, number of integrations: 1, diffraction angle (2θ): 10 ° to 60 °. . Diffraction patterns obtained by X-ray diffraction are shown in FIGS.

ASTMカードによるLaの主な回折ピーク位置は、24.7、25.1、26.9、33.5、37.2、42.8°等である。TiSの主な回折ピーク位置は、15.5、34.2、44.1、53.9°等である。Tiの主な回折ピーク位置は、35.1、38.4、40.2、53.0°等である。MoSの主な回折ピーク位置は、14.4、32.7、33.5、35.9、39.6、44.2、49.8、56.0、58.4°等である。Feの主な回折ピーク位置は、44.7、65.0、82.3°等である。図11に示すように、伝導材材料を配合せず炭素材料としてポリアクリロニトリルを用いた硫黄系正極活物質(試験例10)では、回折角(2θ)20〜30°の範囲で、25°付近にブロードな単一ピークが認められる。これに対して、伝導材材料を配合した硫黄系正極活物質−伝導材複合体では、伝導材に由来するピークが現れる。例えば、図6、7に示すように伝導材材料としてLaを用いた場合、24.7、25.1、33.5、37.2°付近にLaのピークが現れる。このピークにより、伝導材材料としてLaを用いたこと(すなわち正極が伝導材としてLaを含むこと)を確認できる。また、図8に示すように伝導材材料としてTiSを用いた場合、殆どピークが確認できなかった。図9に示すように、伝導材材料としてTiを用いた場合35.1、38.4、40.2、53.0°付近にTiのピークが現れる。このピークにより、伝導材材料としてTiを用いたことを確認できる。上記したように伝導材材料としてTiOを用いた場合には、X線回折ではその存在を確認できないが、他の分析方法、例えばICP元素分析や蛍光X線分析などの方法を用いればTiを検出できるため、X線回折でピークが確認されない場合にもTiOの添加を推測できる。また、図10に示すように、伝導材材料としてMoSを用いた場合、14.4、32.7、33.5、35.9、39.6、44.2、49.8、56.0、58.4°付近にMoSのピークが現れる。このピークにより、伝導材材料としてMoSを用いたこと(すなわち正極が伝導材としてMoSを含むこと)を確認できる。参考までに、伝導材としてFeを用いた硫黄系正極活物質−伝導材複合体(ポリアクリロニトリル:Fe=1:0.1)の回折パターンを図12に示す。図12に示すように、伝導材材料としてFeを用いた場合、28.5、33.0、37.1、40.8、47.4、56.3、59.0°付近にFeSのピークが現れる。このピークにより、伝導材材料としてFeを用いたこと(すなわち正極が伝導材としてFeS、FeS、Feの少なくとも一種を含むこと)を確認できる。 The main diffraction peak positions of La 2 S 3 by ASTM card are 24.7, 25.1, 26.9, 33.5, 37.2, 42.8 °, and the like. The main diffraction peak positions of TiS 2 are 15.5, 34.2, 44.1, 53.9 °, and the like. The main diffraction peak positions of Ti are 35.1, 38.4, 40.2, 53.0 °, and the like. The main diffraction peak positions of MoS 2 are 14.4, 32.7, 33.5, 35.9, 39.6, 44.2, 49.8, 56.0, 58.4 °, and the like. The main diffraction peak positions of Fe are 44.7, 65.0, 82.3 °, and the like. As shown in FIG. 11, in the sulfur positive electrode active material ( Test Example 10 ) using polyacrylonitrile as a carbon material without blending a conductive material, the diffraction angle (2θ) is in the range of 20 to 30 ° and around 25 °. A broad single peak is observed. In contrast, in a sulfur-based positive electrode active material-conductive material composite containing a conductive material, a peak derived from the conductive material appears. For example, as shown in FIGS. 6 and 7, when La 2 S 3 is used as the conductive material, La 2 S 3 peaks appear in the vicinity of 24.7, 25.1, 33.5, and 37.2 °. This peak can be confirmed using the La 2 S 3 as conductive material (i.e. the positive electrode contains La 2 S 3 as conductive material). Further, as shown in FIG. 8, when TiS 2 was used as the conductive material, almost no peak could be confirmed. As shown in FIG. 9, when Ti is used as the conductive material, Ti peaks appear in the vicinity of 35.1, 38.4, 40.2, and 53.0 °. From this peak, it can be confirmed that Ti was used as the conductive material. As described above, when TiO 2 is used as the conductive material, its presence cannot be confirmed by X-ray diffraction. However, if other analysis methods such as ICP elemental analysis and fluorescent X-ray analysis are used, Ti is not present. Since it can be detected, the addition of TiO 2 can be estimated even when no peak is confirmed by X-ray diffraction. As shown in FIG. 10, when MoS 2 is used as the conductive material, 14.4, 32.7, 33.5, 35.9, 39.6, 44.2, 49.8, 56. A MoS 2 peak appears around 0, 58.4 °. This peak can be confirmed with MoS 2 as a conductive material (i.e. the positive electrode contains MoS 2 as conductive material). For reference, a diffraction pattern of a sulfur-based positive electrode active material-conductive material composite (polyacrylonitrile: Fe = 1: 0.1) using Fe as a conductive material is shown in FIG. As shown in FIG. 12, when Fe is used as the conductive material, FeS 2 is in the vicinity of 28.5, 33.0, 37.1, 40.8, 47.4, 56.3, 59.0 °. A peak appears. From this peak, it can be confirmed that Fe is used as the conductive material (that is, the positive electrode includes at least one of FeS, FeS 2 , and Fe 2 S 3 as the conductive material).

〔放電レート特性試験〕
試験例1〜8および試験例10のリチウムイオン二次電池の放電レート特性を測定した。詳しくは、各リチウムイオン二次電池に、正極活物質の1gあたりの電流値を、Cレートで0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C・・・と変化させ、繰り返し充放電を行った。このときのカットオフ電圧は3.0V〜1.0Vであった。温度は25〜30℃であった。放電レート特性試験の結果を図13〜28に示す。図13、14は試験例1、図15は試験例2、図16は試験例3、図17は試験例4、図18、19は試験例5、図20、21は試験例6、図22、23は試験例7、図24、25は試験例8、図26、27は試験例9、図28は試験例10のリチウムイオン二次電池に関する。なお、このうち図13、18、20、22、24のグラフは充放電曲線であり、図14〜17、19、21、23、25、27、28のグラフはサイクル特性を表す。
[Discharge rate characteristics test]
The discharge rate characteristics of the lithium ion secondary batteries of Test Examples 1 to 8 and Test Example 10 were measured. Specifically, for each lithium ion secondary battery, the current value per gram of the positive electrode active material is changed to 0.1 C, 0.2 C, 0.5 C, 1 C, 2 C,. Went. The cut-off voltage at this time was 3.0V to 1.0V. The temperature was 25-30 ° C. The results of the discharge rate characteristic test are shown in FIGS. 13 and 14 Test Example 1, 15 Test Example 2, FIG. 16 Test Example 3, Figure 17 Test Example 4, 18 and 19 Test Example 5, Fig. 20 and 21 Test Example 6, FIG. 22 , 23 relates to the test example 7, FIGS. 24 and 25 relate to the test example 8, FIGS. 26 and 27 relate to the test example 9, and FIG. 28 relates to the lithium ion secondary battery of the test example 10 . Of these, the graphs of FIGS. 13, 18, 20, 22, and 24 are charge / discharge curves, and the graphs of FIGS. 14 to 17, 19, 21, 23, 25, 27, and 28 represent cycle characteristics.

伝導材材料を配合しなかった試験例10のリチウムイオン二次電池(図28)では、2Cのときの放電容量が350〜400mAh/gであり、5Cのときの放電容量は120〜150mAh/g程度であった。これに対して、伝導材材料としてのLaを正極材料(詳しくは混合原料)に配合した試験例1のリチウムイオン二次電池(図14)では、2Cのときの放電容量が500mAh/gを超え、5Cのときの放電容量も250mAh/g程度と非常に高い値を示した。この結果から、正極材料に伝導材材料を配合することで、硫黄系正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池の放電レート特性を向上させ得ることがわかる。さらに、図14に示すように、硫黄系正極活物質を用いたことで、28サイクル(0.1C)後にも容量低下が殆どみられなかった。これらの結果から、硫黄系正極活物質と伝導材材料とを併用した本発明のリチウムイオン二次電池用正極は放電レート特性とサイクル特性とに優れる、といえる。 In the lithium ion secondary battery of Test Example 10 (FIG. 28) in which no conductive material was blended, the discharge capacity at 2C was 350 to 400 mAh / g, and the discharge capacity at 5C was 120 to 150 mAh / g. It was about. On the other hand, in the lithium ion secondary battery of Test Example 1 (FIG. 14) in which La 2 S 3 as the conductive material is blended with the positive electrode material (specifically, the mixed raw material), the discharge capacity at 2C is 500 mAh / The discharge capacity at 5C exceeding 5 g was as high as about 250 mAh / g. This result shows that the discharge rate characteristic of the lithium ion secondary battery using a sulfur type positive electrode active material can be improved by mix | blending a conductive material material with a positive electrode material. Furthermore, as shown in FIG. 14, the capacity | capacitance fall was hardly seen after 28 cycles (0.1C) by using a sulfur type positive electrode active material. From these results, it can be said that the positive electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention using a sulfur-based positive electrode active material and a conductive material in combination is excellent in discharge rate characteristics and cycle characteristics.

また、ポリアクリロニトリル1質量部に対して伝導材材料0.1質量部配合した試験例1のリチウムイオン二次電池(図14)と、伝導材材料0.3質量部配合した試験例2のリチウムイオン二次電池(図15)と、伝導材材料0.5質量部配合した試験例3のリチウムイオン二次電池(図16)と、を比較すると、放電レート特性は試験例1>試験例2>試験例3であった。これは、伝導材の容量が硫黄系正極活物質よりも低容量であるか、または、伝導材がリチウムイオン二次電池の活物質として不活性であるため、伝導材を大量に配合し正極活物質の配合量がすくなくなることで、正極全体の容量が低下するためだと考えられる。そしてこの結果から、容量と出力のバランスを考慮すると、伝導材材料の好ましい配合割合は硫黄系正極活物質1質量部に対して伝導材材料0.1〜0.3質量部となる範囲であることがわかる。 Further, the lithium ion secondary battery (Fig. 14) of Test Example 1 in which 0.1 part by mass of the conductive material is blended with 1 part by mass of polyacrylonitrile and the lithium of Test Example 2 in which 0.3 part by mass of the conductive material is blended When comparing the ion secondary battery (FIG. 15) and the lithium ion secondary battery (FIG. 16) of Test Example 3 containing 0.5 parts by mass of the conductive material, the discharge rate characteristic is Test Example 1> Test Example 2. > Test Example 3. This is because the capacity of the conductive material is lower than that of the sulfur-based positive electrode active material, or the conductive material is inactive as the active material of the lithium ion secondary battery. This is thought to be because the capacity of the whole positive electrode is reduced due to the fact that the compounding amount of the substance is reduced. And from this result, when the balance between capacity and output is taken into consideration, the preferable blending ratio of the conductive material is within the range of 0.1 to 0.3 parts by mass of the conductive material with respect to 1 part by mass of the sulfur-based positive electrode active material. I understand that.

また、伝導材材料としてTiSを用いた試験例4のリチウムイオン二次電池(図17)、伝導材材料としてSmを用いた試験例5のリチウムイオン二次電池(図19)、伝導材材料としてCeを用いた試験例6のリチウムイオン二次電池(図21)の何れも、2Cのときの放電容量が500mAh/gを超え、放電レート特性に優れていた。 Further, the lithium ion secondary battery of Test Example 4 using TiS 2 as the conductive material (FIG. 17), the lithium ion secondary battery of Test Example 5 using Sm 2 S 3 as the conductive material (FIG. 19), All of the lithium ion secondary batteries of Test Example 6 (FIG. 21) using Ce 2 S 3 as the conductive material had a discharge capacity exceeding 500 mAh / g at 2C, and were excellent in discharge rate characteristics.

また、伝導材材料としてTiを用いた試験例7のリチウムイオン二次電池(図23)に関しても、2Cのときの放電容量が500mAh/g程度であった。この結果から、伝導材材料として非硫化物を用いても、リチウムイオン二次電池の放電レート特性を向上させ得ることがわかる。これは、未硫化のTiが熱処理工程において硫黄と反応し硫化されるためだと考えられる。なお、伝導材材料としてTiSを用いた試験例4のリチウムイオン二次電池(図17)は、伝導材材料としてTiを用いた試験例7のリチウムイオン二次電池(図23)よりも放電レート特性に優れる。この結果から、伝導材材料としては、金属硫化物がより好ましく用いられることがわかる。 Further, regarding the lithium ion secondary battery of Test Example 7 using Ti as the conductive material (FIG. 23), the discharge capacity at 2C was about 500 mAh / g. From this result, it is understood that the discharge rate characteristics of the lithium ion secondary battery can be improved even when non-sulfides are used as the conductive material. This is thought to be because unsulfurized Ti reacts with sulfur in the heat treatment step and is sulfurized. Note that the lithium ion secondary battery of Test Example 4 (FIG. 17) using TiS 2 as the conductive material is more discharged than the lithium ion secondary battery of Test Example 7 using Ti as the conductive material (FIG. 23). Excellent rate characteristics. From this result, it can be seen that metal sulfide is more preferably used as the conductive material.

さらに、硫黄系正極活物質として硫黄変性ピッチを用いた試験例8のリチウムイオン二次電池(図25)は、硫黄系正極活物質として硫黄変性ポリアクリロニトリルを用いた試験例4のリチウムイオン二次電池(図17)に比べると容量自体は低いが、伝導材材料を配合したことで0.1Cから2.0C付近までの放電容量低下は少ない。したがって、硫黄系正極活物質として硫黄変性ピッチを用いる場合にも、硫黄系正極活物質と伝導材材料とを併用することで放電レート特性を高め得ることがわかる。なお、正極活物質として硫黄変性ピッチを用いたリチウムイオン二次電池は、正極活物質として硫黄変性ポリアクリロニトリルを用いたリチウムイオン二次電池に比べると容量が少なくサイクル特性にも劣るが、正極活物質として単体硫黄を用いたリチウムイオン二次電池に比べると遙かに優れたサイクル特性を示す。
さらに、伝導材材料としてのMoSを正極材料(詳しくは混合原料)に配合した試験例9のリチウムイオン二次電池(図27)では、2Cのときの放電容量が500mAh/gを超え、5Cのときの放電容量も200mAh/g程度と非常に高い値を示した。この結果から、伝導材材料としてMoSを用いる場合には、伝導材材料としてのLaを用いる場合と同程度にリチウムイオン二次電池の放電レート特性を向上させ得ることがわかる。
Furthermore, the lithium ion secondary battery of Test Example 8 using sulfur-modified pitch as the sulfur-based positive electrode active material (FIG. 25) is the lithium ion secondary battery of Test Example 4 using sulfur-modified polyacrylonitrile as the sulfur-based positive electrode active material. Although the capacity itself is lower than that of the battery (FIG. 17), the discharge capacity decrease from 0.1 C to about 2.0 C is small by adding the conductive material. Therefore, it can be seen that even when a sulfur-modified pitch is used as the sulfur-based positive electrode active material, the discharge rate characteristics can be enhanced by using the sulfur-based positive electrode active material and the conductive material together. A lithium ion secondary battery using a sulfur-modified pitch as a positive electrode active material has a smaller capacity and inferior cycle characteristics than a lithium ion secondary battery using a sulfur-modified polyacrylonitrile as a positive electrode active material. Compared to lithium ion secondary batteries using simple sulfur as a substance, the cycle characteristics are much better.
Further, in the lithium ion secondary battery of Test Example 9 (FIG. 27) in which MoS 2 as a conductive material is blended with a positive electrode material (specifically, a mixed raw material), the discharge capacity at 2C exceeds 500 mAh / g, and 5C In this case, the discharge capacity was as high as about 200 mAh / g. From this result, it is understood that when MoS 2 is used as the conductive material, the discharge rate characteristics of the lithium ion secondary battery can be improved to the same extent as when La 2 S 3 is used as the conductive material.

以上の結果から、本発明の正極は、リチウムイオン二次電池のサイクル特性および放電レート特性を向上させ得ることがわかる。また、本発明のリチウムイオン二次電池は優れたサイクル特性および放電レート特性を示すことがわかる。さらに、本発明の正極の製造方法によると、リチウムイオン二次電池のサイクル特性および放電レート特性を向上させ得る正極を製造できることがわかる。   From the above results, it can be seen that the positive electrode of the present invention can improve the cycle characteristics and discharge rate characteristics of the lithium ion secondary battery. It can also be seen that the lithium ion secondary battery of the present invention exhibits excellent cycle characteristics and discharge rate characteristics. Furthermore, according to the positive electrode manufacturing method of the present invention, it can be seen that a positive electrode capable of improving the cycle characteristics and discharge rate characteristics of a lithium ion secondary battery can be manufactured.

1:反応装置 2:反応容器 3:蓋 4:熱電対
5:ガス導入管 6:ガス排出管 7:電気炉
1: Reactor 2: Reaction vessel 3: Lid 4: Thermocouple 5: Gas introduction pipe 6: Gas discharge pipe 7: Electric furnace

Claims (2)

炭素(C)および硫黄(S)を含有する硫黄系正極活物質と、硫黄(S)を含有する伝導材と、を含有し、
該伝導材の少なくとも一部は、La 、Sm 、Ce 、MoS からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属硫化物からなことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極。
A sulfur-based positive electrode active material containing carbon (C) and sulfur (S), and a conductive material containing sulfur (S),
At least a portion of said transmission conductive material, La 2 S 3, Sm 2 S 3, Ce 2 S 3, lithium ion secondary, wherein Ru least one metal sulfide Tona selected from the group consisting of MoS 2 primary Battery positive electrode.
請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極を用いていることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery using the positive electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 1 .
JP2011007713A 2011-01-18 2011-01-18 Positive electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery Active JP5142415B2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011007713A JP5142415B2 (en) 2011-01-18 2011-01-18 Positive electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery
PCT/JP2011/006770 WO2012098614A1 (en) 2011-01-18 2011-12-02 Positive electrode for lithium ion secondary batteries, lithium ion secondary battery, method of producing a positive electrode for lithium ion secondary batteries, and vehicle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011007713A JP5142415B2 (en) 2011-01-18 2011-01-18 Positive electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012207044A Division JP5164295B2 (en) 2012-09-20 2012-09-20 Positive electrode for lithium ion secondary battery and method for producing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012150948A JP2012150948A (en) 2012-08-09
JP5142415B2 true JP5142415B2 (en) 2013-02-13

Family

ID=46515268

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011007713A Active JP5142415B2 (en) 2011-01-18 2011-01-18 Positive electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP5142415B2 (en)
WO (1) WO2012098614A1 (en)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5623303B2 (en) * 2011-01-28 2014-11-12 ダイハツ工業株式会社 Electrode for lithium-sulfur secondary battery and lithium-sulfur secondary battery
JP5263557B2 (en) * 2011-09-05 2013-08-14 株式会社豊田自動織機 Method for producing positive electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, positive electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, and nonaqueous electrolyte secondary battery
JP5991618B2 (en) * 2012-11-05 2016-09-14 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Positive electrode active material for lithium secondary battery
JP2014096326A (en) * 2012-11-12 2014-05-22 Toyota Industries Corp Negative electrode active material for secondary cell, and negative electrode and secondary cell using the same
JP6390101B2 (en) * 2013-03-18 2018-09-19 Tdk株式会社 Solid lithium ion conductor and electrochemical device
PL2784851T3 (en) * 2013-03-25 2015-12-31 Oxis Energy Ltd A method of charging a lithium-sulphur cell
DE102015210402A1 (en) * 2015-06-05 2016-12-08 Robert Bosch Gmbh Cathode material for lithium-sulfur cell
JP2017195174A (en) * 2016-04-14 2017-10-26 株式会社Adeka Method for manufacturing electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery
CN109565073A (en) 2016-11-28 2019-04-02 株式会社Lg化学 Lithium-sulfur cell positive electrode active materials and its manufacturing method comprising metallic sulfide nano-particle
WO2018097695A1 (en) * 2016-11-28 2018-05-31 주식회사 엘지화학 Cathode active material for lithium-sulfur battery, comprising metal sulfide nanoparticles, and method for producing same
JP7164939B2 (en) * 2017-08-25 2022-11-02 株式会社サムスン日本研究所 All-solid secondary battery
JP2022107144A (en) * 2021-01-08 2022-07-21 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Electrode, manufacturing method thereof, and battery
JPWO2023189850A1 (en) * 2022-03-31 2023-10-05
JP2023151614A (en) * 2022-03-31 2023-10-16 住友ゴム工業株式会社 Method for producing sulfur-based active material

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4399903B2 (en) * 1999-06-25 2010-01-20 パナソニック株式会社 Electron / lithium ion mixed conductor and its synthesis and all-solid lithium secondary battery
JP4208451B2 (en) * 2001-10-16 2009-01-14 日立マクセル株式会社 Polysulfide carbon and nonaqueous electrolyte battery using the same
JP2004179160A (en) * 2002-11-26 2004-06-24 Samsung Sdi Co Ltd Positive electrode for lithium sulfur battery
JP2005025973A (en) * 2003-06-30 2005-01-27 Nissan Motor Co Ltd Lithium-ion secondary battery
US8940436B2 (en) * 2008-10-17 2015-01-27 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Sulfur-modified polyacrylonitrile, manufacturing method therefor, and application thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012150948A (en) 2012-08-09
WO2012098614A1 (en) 2012-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5142415B2 (en) Positive electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery
JP5263557B2 (en) Method for producing positive electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, positive electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, and nonaqueous electrolyte secondary battery
JP5164286B2 (en) Method for producing sulfur-based positive electrode active material, sulfur-based positive electrode active material, and positive electrode for lithium ion secondary battery
JP5737679B2 (en) Sodium secondary battery
JP5534227B2 (en) Sulfur-modified polyacrylonitrile, method for producing the same, and use thereof
JP5618112B2 (en) Sulfur-modified polyacrylonitrile, evaluation method thereof, positive electrode using sulfur-modified polyacrylonitrile, nonaqueous electrolyte secondary battery, and vehicle
JP2012150933A (en) Sulfur-based positive electrode active material, method for manufacturing the same, and positive electrode for lithium ion secondary battery
WO2013001693A1 (en) Sulfur-containing positive electrode active material and method for producing same, and positive electrode for lithium ion secondary battery
JP5142162B2 (en) Method for producing positive electrode active material for lithium ion secondary battery and positive electrode for lithium ion secondary battery
JP2014096326A (en) Negative electrode active material for secondary cell, and negative electrode and secondary cell using the same
WO2012132173A1 (en) Non-aqueous electrolyte secondary battery and vehicle
JP5754606B2 (en) Non-aqueous electrolyte secondary battery positive electrode material, non-aqueous electrolyte secondary battery, and method for producing positive electrode material for non-aqueous electrolyte secondary battery
JP2015179593A (en) Negative electrode and power storage device
JP5164295B2 (en) Positive electrode for lithium ion secondary battery and method for producing the same
JP2014211977A (en) Binder for secondary battery negative electrode, secondary battery negative electrode, and lithium ion secondary battery
WO2013084445A1 (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP2013110081A (en) Laminated battery, manufacturing method of he same, and vehicle
JP2013191330A (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery and vehicle
JP2013089337A (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery and manufacturing method thereof
JP5754598B2 (en) Sulfur-based positive electrode active material and non-aqueous secondary battery
JP2013191327A (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery and vehicle
JP2013037960A (en) Manufacturing method and apparatus for sulfur-based positive electrode active material
JP2013191331A (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery and vehicle
JP2013089339A (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP5660730B2 (en) Positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery, method for producing the same, and non-aqueous electrolyte secondary battery

Legal Events

Date Code Title Description
A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20120611

A975 Report on accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005

Effective date: 20120627

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120724

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120920

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20121108

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20121119

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151130

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5142415

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250