JP5440003B2 - Electric storage device and method for manufacturing electrode active material - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電デバイス及び電極活物質の製造方法に関する。   The present invention relates to an electricity storage device and a method for producing an electrode active material.

従来、蓄電デバイスとしては、1672Ah/kgという極めて高い理論容量密度を有する硫黄を電極活物質に用いるものが高容量電池として期待されている。硫黄を用いた蓄電デバイスの基本構成は比較的単純で、正極に硫黄と導電助材カーボンとバインダーを混練したものを用い、負極には金属Liもしくはそれを含む材料を用い、電解液にはLiPF6などの支持塩を溶かしたエーテル系有機電解液が用いられる。蓄電デバイスでは、正極活物質である硫黄や反応生成物であるポリスルフィドイオンの電解液中への溶解度が高いため、それらの溶出 ・負極との反応(以下シャトル効果ともいう)に伴う、容量低下や充放電効率の低下が問題となっている。これに対する防止法として、例えば、特許文献1では、炭素と硫黄とを主な構成元素とし、炭素鎖にジスルフィドを結合させ硫黄の重量比率をできるだけ高めることで容量及び充放電サイクルにおける容量維持率を向上するものが提案されている。また、特許文献2では、硫黄の比率が67重量%以上であり炭素と硫黄の合計が95重量%以上であるポリ硫化カーボンを活物質とし、サイクル特性をより高めたものが提案されている。また、非特許文献1では、導電性のポリアニリンの主鎖をジスルフィドでつないだ梯子状ポリマーが提案されている。また、非特許文献2では、芳香族を含まない直鎖状ポリマーであるポリアクリロニトリルと硫黄とを反応させ、その後、炭素鎖の環状化を図ることにより、硫黄を固定化するものが提案されている。 Conventionally, as an electricity storage device, a high-capacity battery is expected to use sulfur having an extremely high theoretical capacity density of 1672 Ah / kg as an electrode active material. The basic structure of an electricity storage device using sulfur is relatively simple, using a mixture of sulfur, a conductive additive carbon and a binder for the positive electrode, using metallic Li or a material containing it for the negative electrode, and LiPF for the electrolyte. An ether-based organic electrolyte in which a supporting salt such as 6 is dissolved is used. In electricity storage devices, the solubility of the positive electrode active material sulfur and the reaction product polysulfide ions in the electrolyte is high, so the capacity is reduced due to their elution and reaction with the negative electrode (hereinafter also referred to as the shuttle effect). A decrease in charge / discharge efficiency is a problem. As a prevention method for this, for example, in Patent Document 1, carbon and sulfur are the main constituent elements, disulfide is bonded to the carbon chain, and the weight ratio of sulfur is increased as much as possible to increase the capacity and capacity retention rate in the charge / discharge cycle. Improvements have been proposed. Patent Document 2 proposes a polysulfurized carbon having a sulfur ratio of 67% by weight or more and a total of carbon and sulfur of 95% by weight or more as an active material and further improved cycle characteristics. Non-Patent Document 1 proposes a ladder polymer in which the main chain of conductive polyaniline is connected by disulfide. Non-Patent Document 2 proposes a method for immobilizing sulfur by reacting polyacrylonitrile, which is a linear polymer not containing aromatics, with sulfur, and then cyclizing the carbon chain. Yes.

特開2002−154815号公報JP 2002-154815 A 特開2003−123758号公報JP 2003-123758 A

ジャーナルオブ・エレクトロケミカル・ソサエティ(Journal of Electrochemical Society)144巻、L173、1997年Journal of Electrochemical Society 144, L173, 1997 ジャーナルオブ・エレクトロアナリティカル・ケミストリー(Journal of Electroanalytical Chemistry)572巻、121−128頁、2004年Journal of Electroanalytical Chemistry 572, 121-128, 2004

しかしながら、単体の硫黄を用いた場合には酸化還元時に2電子の授受が起きるのに対し、上述の特許文献1,2及び非特許文献1,2の蓄電デバイスでは、いずれも硫黄が炭素と結合しているため、酸化還元時に1電子の授受しか起きず、容量が小さくなるということがあった。また、炭素鎖など、酸化還元反応、即ちエネルギー貯蔵に直接関係ない部分が増えるため、単位重量当たりの容量が小さくなる問題があった。例えば、特許文献1,2では、硫黄成分を更に増量し、硫黄同士でスルフィド結合を形成し、炭素と結合しない硫黄成分を増やす試みもされているが、これらは、還元が進むと本質的に硫黄単体を用いた場合と同様、活物質の溶解の問題が生じ、充放電効率の低下、サイクル時の容量低下の原因となることが考えられた。また、非特許文献1において、ポリ(2,2’−ジチオジアニリン)では、ポリアニリン部分の酸化還元を利用しても理論容量は330Ah/kg、実験結果の容量では活物質当たり270Ah/kgにとどまっており、硫黄単体の理論容量1672Ah/kg、50重量%の硫黄正極例での670Ah/kgに比して著しく低い。また、非特許文献2では、高容量の材料が作製できるとあるが、硫黄濃度も最も特性のよいもので、35重量%にとどまっている。これは、硫黄と結合し得ない、窒素元素が15重量%含まれているためであり、このため、容量も十分ではなかった。   However, when single sulfur is used, two electrons are exchanged during redox, whereas in the electric storage devices described in Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 and 2, sulfur is combined with carbon. For this reason, only one electron is transferred during oxidation-reduction, and the capacity may be reduced. In addition, there is a problem that the capacity per unit weight is reduced because a portion not directly related to the redox reaction, that is, energy storage, such as a carbon chain increases. For example, in Patent Documents 1 and 2, an attempt is made to further increase the sulfur component, to form a sulfide bond between sulfurs, and to increase the sulfur component that is not bonded to carbon. As in the case of using simple sulfur, it was considered that a problem of dissolution of the active material occurred, causing a decrease in charge / discharge efficiency and a decrease in capacity during cycling. Further, in Non-Patent Document 1, in poly (2,2′-dithiodianiline), the theoretical capacity is 330 Ah / kg even when the redox of the polyaniline part is used, and the experimental capacity is 270 Ah / kg per active material. The theoretical capacity of sulfur alone is 1672 Ah / kg, which is significantly lower than 670 Ah / kg in the case of a 50 wt% sulfur positive electrode. Non-Patent Document 2 states that a high-capacity material can be produced. However, the sulfur concentration is the best with only 35% by weight. This is because 15% by weight of nitrogen which cannot be combined with sulfur is contained, and therefore the capacity is not sufficient.

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、硫黄を含むものにおいて、サイクル特性及び容量をより高めることができる蓄電デバイス及び電極活物質の製造方法を提供することを主目的とする。   This invention is made | formed in view of such a subject, and it aims at providing the manufacturing method of the electrical storage device and electrode active material which can improve cycling characteristics and a capacity | capacitance more in the thing containing sulfur. .

上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、余剰の硫黄が生じないように合成した、骨格内にチオフェン構造を有する多環芳香化合物を活物質に用いると、サイクル特性及び容量をより高めることができることを見いだし、本発明を完成するに至った。   As a result of diligent research to achieve the above-described object, the present inventors have found that when a polycyclic aromatic compound having a thiophene structure in the skeleton synthesized so as not to generate excessive sulfur is used as an active material, cycle characteristics are obtained. In addition, the present inventors have found that the capacity can be further increased and have completed the present invention.

即ち、本発明の蓄電デバイスは、
炭素と硫黄とを主成分とし硫黄の含有量が38重量%を超え70重量%以下であり、骨格内にチオフェン構造を有する多環芳香族化合物を電極活物質に用いたものである。
That is, the electricity storage device of the present invention is
A polycyclic aromatic compound having carbon and sulfur as main components and a sulfur content of more than 38% by weight and 70% by weight or less and having a thiophene structure in the skeleton is used as an electrode active material.

本発明の電極活物質の製造方法は、
蓄電デバイスの電極に用いられる電極活物質を製造する製造方法であって、
直鎖構造を有する脂肪族のポリマー化合物及びチオフェン構造を有するポリマー化合物のうち少なくとも一方と硫黄とを混合し不活性雰囲気中で加熱し、且つ余剰の硫黄を除去する処理を行うことによって、骨格内にチオフェン構造を有する多環芳香族化合物を生成させる生成工程、
を含むものである。
The method for producing the electrode active material of the present invention includes:
A manufacturing method for manufacturing an electrode active material used for an electrode of an electricity storage device,
By mixing at least one of an aliphatic polymer compound having a straight chain structure and a polymer compound having a thiophene structure with sulfur, heating in an inert atmosphere, and removing excess sulfur, the inside of the skeleton A production step of producing a polycyclic aromatic compound having a thiophene structure in
Is included.

本発明の蓄電デバイス及び電極活物質の製造方法は、サイクル特性及び容量をより高めることができる。このような効果が得られる理由は明らかではないが、以下のように推測される。例えば、硫黄元素は多環芳香族に結合しているため、硫黄単体使用時に問題となっているシャトル効果を防止可能であり、容量低下や充放電効率低下をより抑制した状態で繰り返し充放電を行うことができる。このチオフェン構造を有する多環芳香族化合物は、電子伝導性を有し、硫黄元素の酸化還元の電子輸送に寄与する。また、多環芳香族化合物は、ファンデアワールス力、π−π相互作用等の分子間相互作用により、分子間が積層した構造をとっているが、アニオンの生成などにより多環芳香族化合物間の距離が広がった場合には、電気二重層キャパシタ的な、もしくはLiインターカレーション的な大きな静電容量を発現するものと推察される。このため、硫黄が固定化されている場合には1電子の酸化還元しか起こり得ず、低容量化が課題となるが、本発明では、多環芳香族化合物に結合した硫黄の酸化還元に伴う容量に加えて、硫黄の酸化還元による多環芳香族化合物の静電容量の増減を重畳させるという、従来なかった新規な機構により、大幅に容量を向上することができたものと推察される。本発明の電極活物質は、硫黄の酸化還元容量に芳香族化合物の静電容量を重畳させるものであるため、硫黄の含有量が多すぎると静電容量の重畳が望めず、少なすぎると硫黄の酸化還元容量が小さくなりすぎる。このため、硫黄の含有量が38重量%を超え70重量%以下の範囲において、サイクル特性及び容量をより高める効果を顕著に発現するものと考えられる。   The manufacturing method of the electricity storage device and the electrode active material of the present invention can further improve cycle characteristics and capacity. The reason why such an effect is obtained is not clear, but is presumed as follows. For example, since elemental sulfur is bonded to polycyclic aromatics, the shuttle effect, which is a problem when using sulfur alone, can be prevented, and repeated charging / discharging in a state where capacity reduction and charge / discharge efficiency decrease are further suppressed. It can be carried out. This polycyclic aromatic compound having a thiophene structure has electronic conductivity and contributes to the redox electron transport of sulfur element. Polycyclic aromatic compounds have a structure in which molecules are stacked due to intermolecular interactions such as van der Waals force and π-π interaction. When the distance is increased, it is presumed that a large capacitance like an electric double layer capacitor or Li intercalation is expressed. For this reason, when sulfur is immobilized, only one-electron redox can occur, and lowering the capacity becomes a problem. However, in the present invention, it accompanies redox of sulfur bonded to a polycyclic aromatic compound. In addition to the capacity, it is surmised that the capacity could be greatly improved by a novel mechanism that has not been heretofore, in which the increase or decrease in the electrostatic capacity of the polycyclic aromatic compound due to sulfur redox is superimposed. Since the electrode active material of the present invention superimposes the capacitance of the aromatic compound on the sulfur redox capacity, it is not possible to superimpose the capacitance if the sulfur content is too high, and if it is too low, the sulfur The redox capacity of becomes too small. For this reason, it is considered that the effect of further improving the cycle characteristics and capacity is remarkably exhibited when the sulfur content is more than 38 wt% and not more than 70 wt%.

評価セル10の説明図。Explanatory drawing of the evaluation cell 10. FIG. 実施例1の充放電挙動を示す図。The figure which shows the charging / discharging behavior of Example 1. 実施例1〜4及び比較例2のラマンスペクトル。The Raman spectrum of Examples 1-4 and the comparative example 2. FIG. 実施例1のサイクリックボルタンメトリー。Cyclic voltammetry of Example 1. 比較例4のサイクリックボルタンメトリー。Cyclic voltammetry of Comparative Example 4.

本発明の蓄電デバイスは、炭素と硫黄とを主成分とし硫黄の含有量が38重量%を超え70重量%以下であり、骨格内にチオフェン構造を有する多環芳香族化合物を電極活物質に用いている。この多環芳香族化合物において、硫黄の含有量は、38重量%を超え70重量%以下であるが、硫黄の含有量は45重量%以上65重量%以下であることがより好ましく、50重量%以上60重量%以下であることがより好ましい。硫黄の含有量が38重量%を超えると電池の容量をより高めることができ、70重量%以下では余剰な硫黄がより少なく好ましい。硫黄は、多環芳香族化合物の骨格内に含まれているか、多環芳香化合物に結合していることがより好ましい。   The electricity storage device of the present invention uses, as an electrode active material, a polycyclic aromatic compound having carbon and sulfur as main components and a sulfur content of more than 38% by weight and 70% by weight or less and having a thiophene structure in the skeleton. ing. In this polycyclic aromatic compound, the sulfur content is more than 38% by weight and 70% by weight or less, and the sulfur content is more preferably 45% by weight or more and 65% by weight or less, and 50% by weight. More preferably, it is 60 weight% or less. If the sulfur content exceeds 38% by weight, the capacity of the battery can be further increased, and if it is 70% by weight or less, less excess sulfur is preferable. More preferably, sulfur is contained in the skeleton of the polycyclic aromatic compound or bonded to the polycyclic aromatic compound.

この多環芳香族化合物は、骨格内にチオフェン構造を含んでいるが、高導電性から考えると芳香族環が連続して繋がっている構造が望ましく、また、静電容量を利用するためには大きな面積である方が望ましい。この多環芳香族化合物は、次式(1)に示す、硫黄が環状構造に含まれ一軸方向にチオフェン構造が発達したポリチエノアセン構造を有していることが好ましい。こうすれば、硫黄が環状構造に結合しているため、硫黄単体使用時に問題となるシャトル効果を抑制しやすく、容量低下や充放電効率の低下をより抑制しやすい。また、比較的大きな面積となるため、静電容量をより大きくすることができる。このポリチエノアセン構造を有しているか否かは、ラマンスペクトルにおいて、1450cm-1付近の主ピークと1250cm-1付近の弱いピークの存在から同定可能である(参考文献:J.Phys.Chem.A,110,5058(2006)参照)。このポリチエノアセン構造では、硫黄と炭素との比は1:2であり、より効率よく硫黄を固定化することができる。 This polycyclic aromatic compound contains a thiophene structure in the skeleton, but considering the high conductivity, a structure in which aromatic rings are continuously connected is desirable, and in order to utilize capacitance, A larger area is desirable. This polycyclic aromatic compound preferably has a polythienoacene structure represented by the following formula (1), in which sulfur is contained in a cyclic structure and a thiophene structure is developed in a uniaxial direction. In this case, since sulfur is bonded to the ring structure, it is easy to suppress the shuttle effect that is a problem when using sulfur alone, and it is easier to suppress the decrease in capacity and the decrease in charge / discharge efficiency. Further, since the area is relatively large, the capacitance can be further increased. The Porichienoasen is whether it has the structure, in the Raman spectrum can be identified from the presence of weak peaks around the main peak and 1250 cm -1 in the vicinity of 1450 cm -1 (Reference: J.Phys.Chem.A, 110, 5058 (2006)). In this polythienoacene structure, the ratio of sulfur to carbon is 1: 2, and sulfur can be immobilized more efficiently.

Figure 0005440003
Figure 0005440003

この多環芳香族化合物において、硫黄と炭素との元素比S/Cは、0.40以上0.70以下であることが好ましく、0.45以上0.65以下であることがより好ましく、0.50近傍であることが更に好ましい。元素比S/Cが0.40以上0.70以下の範囲では、多環芳香族化合物の構造の存在率が適切で硫黄の固定化が十分であり、多環芳香族化合物間の静電容量を利用しやすく好ましい。特に、元素比S/Cが0.50であれば、ポリチエノアセン構造である可能性が高く、硫黄の酸化還元に加えて静電容量を有するものとなり、より容量を大きくすることができる。   In this polycyclic aromatic compound, the element ratio S / C between sulfur and carbon is preferably 0.40 or more and 0.70 or less, more preferably 0.45 or more and 0.65 or less, and 0 More preferably, it is in the vicinity of .50. When the element ratio S / C is in the range of 0.40 or more and 0.70 or less, the abundance of the structure of the polycyclic aromatic compound is appropriate and the sulfur is sufficiently immobilized, and the capacitance between the polycyclic aromatic compounds is sufficient. Is easy to use. In particular, when the element ratio S / C is 0.50, there is a high possibility of a polythienoacene structure, and in addition to sulfur oxidation-reduction, it has a capacitance, and the capacity can be further increased.

多環芳香族化合物は、炭素と硫黄との含有量の合計が85重量%以上であることが好ましく、90重量%以上であることがより好ましい。これは、炭素と硫黄の元素以外に窒素や酸素の含有量が少ないことが望ましいともいえる。窒素や酸素は、炭素や硫黄に比して結合可能な腕の数が少ないからである。   In the polycyclic aromatic compound, the total content of carbon and sulfur is preferably 85% by weight or more, and more preferably 90% by weight or more. It can be said that it is desirable that the content of nitrogen and oxygen is small in addition to the elements of carbon and sulfur. This is because nitrogen and oxygen have fewer arms that can be bonded than carbon and sulfur.

本発明の蓄電デバイスにおいて、初期充放電において、Li電位基準で0.5V以下の範囲のエージング処理を前記活物質を備えた電極に施すものとすることが好ましい。こうすると、容量をより高めることができる。   In the electricity storage device of the present invention, it is preferable to perform an aging treatment in the range of 0.5 V or less on the basis of the Li potential in the initial charge / discharge to the electrode provided with the active material. In this way, the capacity can be further increased.

本発明の蓄電デバイスは、特に限定されるものではないが、上述した多環芳香族化合物を正極活物質として有する正極と、負極活物質を有する負極と、正極と負極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備えたものとすることができる。   Although the electricity storage device of the present invention is not particularly limited, lithium is interposed between the positive electrode having the above-mentioned polycyclic aromatic compound as a positive electrode active material, the negative electrode having a negative electrode active material, and the positive electrode and the negative electrode. An ion conducting medium that conducts ions.

本発明の蓄電デバイスにおいて、正極は、例えば正極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。正極活物質は、上述した硫黄を結合した多環芳香族化合物とする。   In the electricity storage device of the present invention, the positive electrode is prepared by, for example, mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder, and adding a suitable solvent to form a paste-like positive electrode material on the surface of the current collector. However, it may be compressed to increase the electrode density as necessary. The positive electrode active material is the above-described polycyclic aromatic compound bonded with sulfur.

本発明の蓄電デバイスにおいて、負極は、例えば負極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の負極材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。負極活物質は、金属または金属イオンを含むものであることが好ましい。負極活物質は、リチウムを吸蔵放出する材料を含むものとしてもよい。ここで、リチウムを吸蔵放出する材料としては、例えば金属リチウムやリチウム合金のほか、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、リチウムを吸蔵放出する炭素質物質などが挙げられる。リチウム合金としては、例えば、アルミニウムやシリコン、スズ、マグネシウム、インジウム、カルシウムなどとリチウムとの合金が挙げられる。金属酸化物としては、例えばスズ酸化物、ケイ素酸化物、リチウムチタン酸化物、ニオブ酸化物、タングステン酸化物などが挙げられる。金属硫化物としては、例えばスズ硫化物やチタン硫化物などが挙げられる。金属窒化物としては、例えば窒化リチウムなどが挙げられる。リチウムを吸蔵放出する炭素質物質としては、例えば黒鉛、コークス、メソフェーズピッチ系炭素繊維、球状炭素、樹脂焼成炭素などが挙げられる。この負極は、正極と同様に適宜、集電体や導電材、結着材を用いることができる。   In the electricity storage device of the present invention, the negative electrode is prepared by, for example, mixing a negative electrode active material, a conductive material, and a binder, and adding a suitable solvent to form a paste-like negative electrode material on the surface of the current collector. However, it may be compressed to increase the electrode density as necessary. The negative electrode active material preferably contains a metal or metal ion. The negative electrode active material may include a material that absorbs and releases lithium. Here, examples of the material that occludes and releases lithium include metal oxides, metal sulfides, metal nitrides, and carbonaceous substances that occlude and release lithium, in addition to metal lithium and lithium alloys. Examples of the lithium alloy include alloys of lithium with aluminum, silicon, tin, magnesium, indium, calcium, and the like. Examples of the metal oxide include tin oxide, silicon oxide, lithium titanium oxide, niobium oxide, and tungsten oxide. Examples of the metal sulfide include tin sulfide and titanium sulfide. Examples of the metal nitride include lithium nitride. Examples of the carbonaceous material that occludes and releases lithium include graphite, coke, mesophase pitch-based carbon fiber, spherical carbon, and resin-fired carbon. For this negative electrode, a current collector, a conductive material, and a binder can be used as appropriate as in the case of the positive electrode.

本発明の蓄電デバイスにおいて、正極及び負極に用いられる導電材は、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。これらの中で、導電材としては、電子伝導性及び塗工性の観点より、カーボンブラック、ケッチェンブラック及びアセチレンブラックが好ましい。結着材は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンマー(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。活物質、導電材、結着材を分散させる溶剤としては、例えばエタノール、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどの有機溶剤を用いることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加え、SBRなどのラテックスで活物質をスラリー化してもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどの多糖類を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。集電体としては、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものを用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。集電体の厚さは、例えば1〜500μmのものが用いられる。   In the electricity storage device of the present invention, the conductive material used for the positive electrode and the negative electrode is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not adversely affect the battery performance. For example, natural graphite (scale graphite, flake graphite) or artificial Graphite such as graphite, acetylene black, carbon black, ketjen black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, or a mixture of one or more of metals (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.) Can be used. Among these, carbon black, ketjen black, and acetylene black are preferable as the conductive material from the viewpoints of electron conductivity and coatability. The binder serves to bind the active material particles and the conductive material particles. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-containing resin such as fluorine rubber, or polypropylene, Thermoplastic resins such as polyethylene, ethylene-propylene-dienemer (EPDM), sulfonated EPDM, natural butyl rubber (NBR) and the like can be used alone or as a mixture of two or more. In addition, an aqueous dispersion of cellulose or styrene butadiene rubber (SBR), which is an aqueous binder, can also be used. Examples of the solvent for dispersing the active material, the conductive material, and the binder include ethanol, N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, and N, N-dimethylamino. Organic solvents such as propylamine, ethylene oxide, and tetrahydrofuran can be used. Moreover, a dispersing agent, a thickener, etc. may be added to water, and an active material may be slurried with latex, such as SBR. As the thickener, for example, polysaccharides such as carboxymethyl cellulose and methyl cellulose can be used alone or as a mixture of two or more. Examples of the application method include roller coating such as applicator roll, screen coating, doctor blade method, spin coating, bar coater, and the like, and any of these can be used to obtain an arbitrary thickness and shape. Current collectors include aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, calcined carbon, conductive polymer, conductive glass, and aluminum, copper, etc. for the purpose of improving adhesion, conductivity, and oxidation resistance. A surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like can be used. For these, the surface can be oxidized. Examples of the shape of the current collector include foil, film, sheet, net, punched or expanded, lath, porous, foam, and formed fiber group. The thickness of the current collector is, for example, 1 to 500 μm.

本発明の蓄電デバイスにおいて、イオン伝導媒体は、溶媒に支持塩を溶解した溶液であってもよい。支持塩としては、通常のリチウム二次電池に用いられるリチウム塩であれば特に限定されるものではなく、例えば、リチウムビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミド(LiTFSI)、Li(C25SO22N、LiPF6,LiClO4,LiBF4,などの公知の支持塩を用いることができる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。イオン伝導媒体の溶媒としては、特に限定されないが、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)及びプロピレンカーボネート(PC)などのカーボネート類、ジメトキシエタン(DME)、トリグライム及びテトラグライムなどのエーテル類、ジオキソラン(DOL)、テトラヒドロフランなどの環状エーテル及び、それらの混合物が好適である。また、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムビス(トリフルオロスルホニル)イミド、1−エチル−3−ブチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートなどのイオン液体を用いることもできる。イオン伝導媒体は、ポリフッ化ビニリデンやポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール、ポリアクリロニトリルなどの高分子類又はアミノ酸誘導体やソルビトール誘導体などの糖類に、支持塩を含む電解液を含ませてゲル化されていてもよい。 In the electricity storage device of the present invention, the ion conductive medium may be a solution in which a supporting salt is dissolved in a solvent. The supporting salt is not particularly limited as long as it is a lithium salt used for a normal lithium secondary battery. For example, lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), Li (C 2 F 5 SO 2 ) Known supporting salts such as 2 N, LiPF 6 , LiClO 4 , and LiBF 4 can be used. These may be used alone or in combination. The solvent of the ion conductive medium is not particularly limited, but carbonates such as ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC) and propylene carbonate (PC), ethers such as dimethoxyethane (DME), triglyme and tetraglyme, Cyclic ethers such as dioxolane (DOL) and tetrahydrofuran and mixtures thereof are preferred. Alternatively, ionic liquids such as 1-methyl-3-propylimidazolium bis (trifluorosulfonyl) imide and 1-ethyl-3-butylimidazolium tetrafluoroborate can be used. The ion conductive medium may be gelled by adding an electrolyte containing a supporting salt to a polymer such as polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyethylene glycol, polyacrylonitrile, or a saccharide such as an amino acid derivative or a sorbitol derivative. .

本発明の蓄電デバイスは、負極と正極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、蓄電デバイスの使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の微多孔フィルムが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複合して用いてもよい。   The electricity storage device of the present invention may include a separator between the negative electrode and the positive electrode. The separator is not particularly limited as long as it is a composition that can withstand the usage range of the electricity storage device. Can be mentioned. These may be used alone or in combination.

本発明の蓄電デバイスの形状は、特に限定されないが、例えばコインセル型、巻電池型、ラミネート型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。   The shape of the electricity storage device of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a coin cell type, a wound battery type, a laminate type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a square type. Moreover, you may apply to the large sized thing etc. which are used for an electric vehicle etc.

次に、電極活物質の製造方法について説明する。この電極活物質は、上述した硫黄が結合された多環芳香族化合物を含んでいる。本発明の電極活物質を製造する製造方法は、直鎖構造を有する脂肪族のポリマー化合物及びチオフェン構造を有するポリマー化合物のうち少なくとも一方と硫黄とを混合し不活性雰囲気中で加熱し、且つ余剰の硫黄を除去する処理を行うことによって、骨格内にチオフェン構造を有する多環芳香族化合物を生成させる生成工程、を含んでいる。   Next, the manufacturing method of an electrode active material is demonstrated. This electrode active material contains the above-mentioned polycyclic aromatic compound to which sulfur is bonded. The production method for producing the electrode active material of the present invention comprises mixing at least one of an aliphatic polymer compound having a linear structure and a polymer compound having a thiophene structure with sulfur, heating the mixture in an inert atmosphere, and surplus The production | generation process which produces | generates the polycyclic aromatic compound which has a thiophene structure in frame | skeleton by performing the process which removes sulfur of this is included.

生成工程において、原料として用いるポリマー化合物としては、直鎖構造を有する脂肪族のポリマー化合物やチオフェン構造を有するポリマー化合物などが挙げられる。直鎖構造を有する脂肪族のポリマー化合物としては、例えば、ポリエチレンなどが挙げられる。また、チオフェン構造を有するポリマー化合物としては、ポリチオフェンなどが挙げられる。この生成工程では、前記ポリマー化合物と硫黄とを混合し不活性雰囲気中で加熱して得られた結合体を、不活性雰囲気中で硫黄の沸点以上の温度で加熱することにより余剰の硫黄を除去するものとしてもよい。結合体を生成する加熱では、硫黄の融点以上の温度、例えば、300℃の高温で反応させ、硫化水素を除去しながら、炭素硫黄結合を形成するものとしてもよい。また、余剰の硫黄を除去する加熱では、硫黄の沸点付近の450℃以上に加熱して余剰の硫黄を揮発させて除去するものとしてもよい。不活性雰囲気としては、例えば、窒素雰囲気、ヘリウム雰囲気、アルゴン雰囲気などが挙げられる。また、生成工程では、硫黄の含有量が38重量%を超え70重量%以下である多環芳香族化合物を生成させるよう加熱するものとしてもよい。あるいは、生成工程において、硫黄の含有量が38重量%を超え70重量%以下となるように、上記結合体を、二硫化炭素等の硫黄良溶媒と混合し、硫黄を溶出させて余剰の硫黄を除去するものとしてもよい。こうして、電極活物質としての、硫黄が結合した多環芳香族化合物を得ることができる。   Examples of the polymer compound used as a raw material in the generation step include an aliphatic polymer compound having a linear structure and a polymer compound having a thiophene structure. Examples of the aliphatic polymer compound having a linear structure include polyethylene. Examples of the polymer compound having a thiophene structure include polythiophene. In this production step, excess sulfur is removed by heating the conjugate obtained by mixing the polymer compound and sulfur in an inert atmosphere at a temperature not lower than the boiling point of sulfur in the inert atmosphere. It is good also as what to do. In the heating for generating the combined product, the reaction may be performed at a temperature equal to or higher than the melting point of sulfur, for example, at a high temperature of 300 ° C. to form a carbon-sulfur bond while removing hydrogen sulfide. Moreover, in the heating which removes surplus sulfur, it is good also as what removes by heating to 450 degreeC or more vicinity of the boiling point of sulfur, volatilizing surplus sulfur. Examples of the inert atmosphere include a nitrogen atmosphere, a helium atmosphere, and an argon atmosphere. Moreover, in a production | generation process, it is good also as what heats to produce | generate the polycyclic aromatic compound whose sulfur content exceeds 38 weight% and is 70 weight% or less. Alternatively, in the production step, surplus sulfur is obtained by mixing the above conjugate with a good sulfur solvent such as carbon disulfide so that the sulfur content is more than 38% by weight and 70% by weight or less. It is good also as what removes. Thus, a sulfur-bonded polycyclic aromatic compound as an electrode active material can be obtained.

ここで、本発明の蓄電デバイスの電極活物質の容量発現機構について考察する。本発明の電極活物質である多環芳香族化合物は、例えば、ファンデアワールス力、π−π相互作用等の分子間相互作用により、分子間が積層した構造をとっていると考えられる。この状態では、比表面積は小さいが、例えば、硫黄がアニオンになるなどして分子間距離が増加すると、溶媒やLiイオンが層間に入り込めるようになり、キャパシタとしての静電容量が大幅に増大すると考えられる。そして、この静電容量が硫黄の酸化還元による放電容量に重畳されるため、大きな容量が発現するものと推察される。また、硫黄の酸化還元電位はLi電極基準で約2V付近であるのに対し、カーボンのそれは3V強である。したがって、2V付近で一気に静電容量が大きくなった場合には、カーボンの開放電圧3V強から硫黄の還元電位約2Vの差分の電圧に相当する容量が、2V付近で一気に発現することになり、電池様の定電圧放電(キャパシタとしては負に帯電する充電)が起きることになる。充電時にはその逆の現象が可逆的に起きる。したがって、本発明の蓄電デバイスは、硫黄含有量から予想される容量に比べ遙かに大きな容量の発現が可能となり、従来無い機構の画期的な蓄電デバイスとなると考えられる。   Here, the capacity development mechanism of the electrode active material of the electricity storage device of the present invention will be considered. The polycyclic aromatic compound, which is the electrode active material of the present invention, is considered to have a structure in which molecules are stacked due to intermolecular interactions such as van der Waals force and π-π interaction. In this state, although the specific surface area is small, for example, when the intermolecular distance increases due to sulfur becoming an anion, for example, the solvent and Li ions can enter the interlayer, and the capacitance as a capacitor increases significantly. Conceivable. And since this electrostatic capacitance is superimposed on the discharge capacity due to oxidation and reduction of sulfur, it is presumed that a large capacity appears. In addition, the oxidation-reduction potential of sulfur is around 2V with respect to the Li electrode, whereas that of carbon is slightly over 3V. Therefore, when the capacitance increases at a stretch in the vicinity of 2V, a capacity corresponding to the voltage difference between the open circuit voltage of 3V or more and the reduction potential of sulfur of about 2V is immediately developed in the vicinity of 2V. Battery-like constant voltage discharge (charge that is negatively charged as a capacitor) occurs. The reverse phenomenon occurs reversibly during charging. Therefore, the electricity storage device of the present invention can express much larger capacity than the capacity expected from the sulfur content, and is considered to be an epoch-making electricity storage device with an unprecedented mechanism.

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.

以下には、本発明の蓄電デバイスを具体的に作製した例を実施例として説明する。   Below, the example which produced the electrical storage device of this invention concretely is demonstrated as an Example.

[実施例1]
ナス型フラスコ内に、ポリエチレン(アルドリッチ製)2.4gと、硫黄粉末(75μm以下、99.99%、高純度化学製)17gを加え、攪拌しながら、300℃まで4時間掛けて昇温した。300℃にて7時間加熱し、9.1gの黒色固形物を得た。重量変化から硫黄成分は74重量%残存していた。この黒色固形物をボールミリングし、黒色粉末のPES300を得た。この粉末0.3gを試験管内に入れ、管状炉で窒素雰囲気下450℃に加熱し、3時間保った。室温まで冷却後、黒色粉末PES300-450を得た(ポリマー−硫黄複合材)。このPES300-450を70重量%、カーボン(ライオン社製ECP600JD)を20重量%、バインダーであるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を10重量%混ぜ、餅状になるまで乳鉢でよく混練し、シート状に成型した。直径12mmの円形状に切り出し、真空乾燥し正極材とした。この正極材と、負極としてのLi金属と、セパレータとしての多孔質ポリエチレンと、電解液(1M−LiPF6のエチレンカーボネートEC+ジエチルカーボネートDEC(体積比3:7))を用い、図1の評価セルを作製した。得られた評価セルを実施例1とした。なお、Liには厚さ0.4mm、直径18mmのLi板を用い、正極材の重量は3mg、電極面積は1.3cm2で評価した。
[Example 1]
In an eggplant-shaped flask, 2.4 g of polyethylene (manufactured by Aldrich) and 17 g of sulfur powder (75 μm or less, 99.99%, high-purity chemical) were added, and the temperature was raised to 300 ° C. over 4 hours while stirring. . Heating at 300 ° C. for 7 hours gave 9.1 g of a black solid. From the change in weight, 74% by weight of the sulfur component remained. This black solid was ball milled to obtain black powder PES300. 0.3 g of this powder was placed in a test tube, heated to 450 ° C. in a tube furnace in a nitrogen atmosphere, and maintained for 3 hours. After cooling to room temperature, black powder PES300-450 was obtained (polymer-sulfur composite). 70% by weight of this PES300-450, 20% by weight of carbon (LCP ECP600JD), 10% by weight of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder, kneaded well in a mortar until it becomes a bowl, sheet-like Molded into. A 12 mm diameter circular shape was cut out and vacuum dried to obtain a positive electrode material. Using this positive electrode material, Li metal as a negative electrode, porous polyethylene as a separator, and electrolyte (1M-LiPF 6 ethylene carbonate EC + diethyl carbonate DEC (volume ratio 3: 7)), the evaluation cell of FIG. Was made. The obtained evaluation cell was defined as Example 1. Note that a Li plate having a thickness of 0.4 mm and a diameter of 18 mm was used for Li, and the weight of the positive electrode material was 3 mg and the electrode area was 1.3 cm 2 .

図1は評価セル10の説明図であり、図1(a)は評価セル10の組立前の断面図、図1(b)は評価セル10の組立後の断面図である。アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で評価セル10を作製した。評価セル10を組み立てるにあたり、まず、外周面にねじ溝が刻まれたステンレス製の円筒基体12の上面中央に設けられたキャビティ14に、負極16と、ポリエチレン製セパレータ18(微多孔性ポリエチレン膜、東燃化学(株)製)と、正極20とを、この順に、適量の非水系電解液をキャビティ14に注入しながら積層した。さらに、ポリプロピレン製の絶縁リング29を入れ、次いで絶縁性のリング22の穴に液密に固定された導電性の円柱24を正極20の上に配置し、導電性のコップ状の蓋26を円筒基体12にねじ込んだ。さらに、円柱24の上に絶縁用樹脂リング27を配置し、蓋26の上面中央に設けられた開口26aの内周面に刻まれたねじ溝に貫通孔25aを持つ加圧ボルト25をねじ込み、負極16とセパレータ18と固体電解質膜18と正極20とを加圧密着させた。このようにして、評価セル10を作製した。なお、円柱24は、リング22の上面より下に位置し絶縁用樹脂リング27を介して蓋26と接しているため、蓋26と円柱24とは電気的に非接触な状態となっている。また、キャビティ14の周辺にはパッキン28が配置されているため、キャビティ14内に注入された電解液が外部に漏れることはない。この評価セル10では、蓋26と加圧ボルト25と円筒基体12とが負極16と一体化されて全体が負極側となり、円柱24が正極20と一体化されると共に負極16と絶縁されているため正極側となる。このようにして得られた評価セルを実施例1とした。   1A and 1B are explanatory views of the evaluation cell 10, FIG. 1A is a cross-sectional view before the evaluation cell 10 is assembled, and FIG. 1B is a cross-sectional view after the evaluation cell 10 is assembled. An evaluation cell 10 was produced in a glove box under an argon atmosphere. In assembling the evaluation cell 10, first, a negative electrode 16 and a polyethylene separator 18 (a microporous polyethylene film, a microporous polyethylene film, a cavity 14 provided in the center of the upper surface of a stainless steel cylindrical substrate 12 with a thread groove engraved on the outer peripheral surface thereof. Tonen Chemical Co., Ltd.) and the positive electrode 20 were laminated in this order while injecting an appropriate amount of a non-aqueous electrolyte into the cavity 14. Further, an insulating ring 29 made of polypropylene is inserted, and then a conductive column 24 fixed in a liquid-tight manner in the hole of the insulating ring 22 is disposed on the positive electrode 20, and a conductive cup-shaped lid 26 is formed on the cylinder. Screwed into the substrate 12. Further, an insulating resin ring 27 is disposed on the cylinder 24, and a pressure bolt 25 having a through hole 25a is screwed into a screw groove carved in an inner peripheral surface of an opening 26a provided at the center of the upper surface of the lid 26, The negative electrode 16, the separator 18, the solid electrolyte membrane 18, and the positive electrode 20 were pressed and adhered. Thus, the evaluation cell 10 was produced. Since the cylinder 24 is positioned below the upper surface of the ring 22 and is in contact with the lid 26 via the insulating resin ring 27, the lid 26 and the cylinder 24 are in an electrically non-contact state. In addition, since the packing 28 is disposed around the cavity 14, the electrolyte injected into the cavity 14 does not leak to the outside. In this evaluation cell 10, the lid 26, the pressure bolt 25, and the cylindrical base 12 are integrated with the negative electrode 16, so that the whole becomes the negative electrode side, and the column 24 is integrated with the positive electrode 20 and insulated from the negative electrode 16. Therefore, it becomes the positive electrode side. The evaluation cell thus obtained was named Example 1.

(元素分析)
得られた試料に対して、元素分析を行った。CHNの元素分析は、全自動元素分析装置(エレメンタール社製、VarioEL)による燃焼法によって行った。硫黄の分析は、フラスコ燃焼−イオンクロマトグラフィーにより分析した。硫黄分析のシステムは、Dionex社製DX320を用い、カラムをIonPacAS12Aとし、移動相をNa2CO3(2.7mmol/L)/NaHCO3(0.3mmol/L)とした。
(Elemental analysis)
Elemental analysis was performed on the obtained sample. The elemental analysis of CHN was performed by a combustion method using a fully automatic elemental analyzer (manufactured by Elemental Co., VarioEL). The sulfur was analyzed by flask combustion-ion chromatography. As a system for sulfur analysis, DX320 manufactured by Dionex was used, the column was IonPacAS12A, and the mobile phase was Na 2 CO 3 (2.7 mmol / L) / NaHCO 3 (0.3 mmol / L).

(ラマンスペクトル分析)
得られた試料に対して、ラマン分光測定を行った。ラマンスペクトル分析は、レーザラマン分光システム(日本分光(株)製、NRS−3300)を用いて測定した。波長532nmの励起光でラマン分光測定を行った。実施例1〜4及び比較例2のラマンスペクトルを図3に示す。
(Raman spectrum analysis)
Raman spectroscopic measurement was performed on the obtained sample. The Raman spectrum analysis was measured using a laser Raman spectroscopy system (manufactured by JASCO Corporation, NRS-3300). Raman spectroscopic measurement was performed with excitation light having a wavelength of 532 nm. The Raman spectra of Examples 1 to 4 and Comparative Example 2 are shown in FIG.

(電気化学特性の評価)
得られた評価セルの電気化学特性の評価を行った。電気化学特性の評価では、ポリマー−硫黄複合材の単位重量あたりの容量(mAh/g)、充放電効率(%)、硫黄の単位重量あたりの容量(mAh/g−S)、50サイクル目の容量(mAh/g)について検討した。まず、評価セルを25℃の恒温槽内に設置し、この温度で初期エージングとして3.0Vから0.5Vまでの領域で0.5mAの定電流充放電を2回行った。そのあと、充放電試験として、1.0V〜3.0Vの領域で0.5mAの定電流充放電を行った。この定電流充放電を50サイクル繰り返すサイクル試験を行い、初回、5サイクル目、50サイクル目の複合材の単位重量あたりの容量(mAh/g)を求めた。なお、ここで示した各電圧値(V)は、Li電位基準の値である。また、5サイクル目の充電容量及び放電容量を用いて、放電容量を充電容量で除算し100を乗じて充放電効率を求めると共に、硫黄の単位重量あたりの容量を算出した。
(Evaluation of electrochemical properties)
The electrochemical characteristics of the obtained evaluation cell were evaluated. In the evaluation of electrochemical characteristics, the capacity per unit weight of the polymer-sulfur composite material (mAh / g), the charge / discharge efficiency (%), the capacity per unit weight of sulfur (mAh / g-S), the 50th cycle The capacity (mAh / g) was examined. First, the evaluation cell was installed in a constant temperature bath at 25 ° C., and constant current charging / discharging at 0.5 mA was performed twice in the region from 3.0 V to 0.5 V as initial aging at this temperature. Thereafter, as a charge / discharge test, a constant current charge / discharge of 0.5 mA was performed in a region of 1.0 V to 3.0 V. A cycle test in which this constant current charging / discharging was repeated 50 cycles was performed, and the capacity per unit weight (mAh / g) of the composite material at the first, fifth and 50th cycles was determined. Each voltage value (V) shown here is a value based on the Li potential. Further, using the charge capacity and discharge capacity at the fifth cycle, the discharge capacity was divided by the charge capacity and multiplied by 100 to obtain the charge / discharge efficiency, and the capacity per unit weight of sulfur was calculated.

[実施例2]
上記実施例1の中間工程で得られる黒色固形物(PES300)0.25gに0.5gの硫黄を混ぜた以外は実施例1と同じように、450℃熱処理を行い、黒色粉末のPES300S450を得た。この試料を用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを実施例2とした。評価は実施例1と同様に行った。
[Example 2]
A black powder PES300S450 was obtained in the same manner as in Example 1, except that 0.5 g of sulfur was mixed with 0.25 g of the black solid (PES300) obtained in the intermediate step of Example 1 above. It was. Using this sample, an evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 was defined as Example 2. Evaluation was performed in the same manner as in Example 1.

[実施例3]
上記実施例1の中間工程で得られる黒色固形物(PES300)0.25gを、窒素雰囲気下で300℃、6時間の熱処理を行った以外は実施例1と同じ工程を経て、黒色粉末のPES300-300を得た。得られた黒色粉末の重量は、0.18gであった。この試料を用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを実施例3とした。評価は実施例1と同様に行った。
[Example 3]
A black powder PES300 was obtained through the same process as in Example 1 except that 0.25 g of the black solid (PES300) obtained in the intermediate process of Example 1 was heat-treated at 300 ° C. for 6 hours in a nitrogen atmosphere. I got -300. The weight of the obtained black powder was 0.18 g. Using this sample, an evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 was defined as Example 3. Evaluation was performed in the same manner as in Example 1.

[実施例4]
ポリチオフェン(アルドリッチ製)1gに硫黄粉末(75μm以下、99.99%、高純度化学製)5gを加えよく混合したものを、試験管内に投入した。その試験管を窒素気流中の管状炉内に入れ、300℃に1時間掛けて昇温した。3時間加熱したあと、温度を450℃まで30分掛けて昇温し、3時間放置し黒色粉末PTS450を得た。この試料を用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを実施例3とした。評価は実施例1と同様に行った。
[Example 4]
To 1 g of polythiophene (manufactured by Aldrich), 5 g of sulfur powder (75 μm or less, 99.99%, manufactured by High Purity Chemical) was added and mixed well. The test tube was placed in a tubular furnace in a nitrogen stream and heated to 300 ° C. over 1 hour. After heating for 3 hours, the temperature was raised to 450 ° C. over 30 minutes and allowed to stand for 3 hours to obtain black powder PTS450. Using this sample, an evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 was defined as Example 3. Evaluation was performed in the same manner as in Example 1.

[比較例1]
特開2003−123758の実施例1に従って以下のようにHCBS200を合成した。Ar雰囲気下、硫化ナトリウム9水和物21.6gにエタノール/水1:1混合溶媒50mlを加え、1時間攪拌し溶解させた。そこに、硫黄12.8gを加え攪拌し、褐色の液体を得た。50℃に加熱し、1時間攪拌したのち、真空濃縮した。ここに、ジメチルホルムアミド135mlを加え、そこに、ヘキサクロロブタジエン7.75gを加えた。一晩放置後、水を加え、沈殿させ、固形分を濾過し採取した。アセトンで洗浄し、ピンク色の固体を得た。これを200℃で加熱乾燥させ、ボールミリングし、HCBS200を得た。この試料を用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを比較例1とした。評価は実施例1と同様に行った。
[Comparative Example 1]
According to Example 1 of JP2003-123758, HCBS200 was synthesized as follows. Under an Ar atmosphere, 50 ml of a 1: 1 ethanol / water mixed solvent was added to 21.6 g of sodium sulfide nonahydrate and dissolved by stirring for 1 hour. Thereto, 12.8 g of sulfur was added and stirred to obtain a brown liquid. The mixture was heated to 50 ° C., stirred for 1 hour, and concentrated in vacuo. To this, 135 ml of dimethylformamide was added, and 7.75 g of hexachlorobutadiene was added thereto. After standing overnight, water was added to cause precipitation, and the solid content was collected by filtration. Washing with acetone gave a pink solid. This was heat-dried at 200 ° C. and ball milled to obtain HCBS200. Using this sample, an evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 was defined as Comparative Example 1. Evaluation was performed in the same manner as in Example 1.

[比較例2]
実施例1で作製したPES300をそのまま用い、即ち硫黄過剰状態の試料を用い、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを比較例2とした。評価は実施例1と同様に行った。
[Comparative Example 2]
The evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 using the PES300 produced in Example 1 as it was, that is, using a sample in excess of sulfur, was referred to as Comparative Example 2. Evaluation was performed in the same manner as in Example 1.

[比較例3]
ポリマーとしてポリピロール(SSPY社製)を用いた以外は実施例1と同様に処理し、SSPYS450を得た。この試料を用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを比較例3とした。評価は実施例1と同様に行った。
[Comparative Example 3]
SSPYS450 was obtained in the same manner as in Example 1 except that polypyrrole (manufactured by SSPY) was used as the polymer. Using this sample, an evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 was defined as Comparative Example 3. Evaluation was performed in the same manner as in Example 1.

[比較例4]
硫黄を50重量%、PTFEを10重量%、カーボン(ライオン社製ECP600JD)を40重量%とし、正極材として、ECPS50%を得た。この試料を用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを比較例4とした。評価について、硫黄単体が含まれていると上記電解液(EC+DEC)では動作しないため、硫黄単体が含まれていても評価セルが動作するように、比較例4の電解液は、1M−LiTFSI(リチウムビストリフルオロメタンスルホン酸イミド)のジメトキシエタン+ジオキソラン(体積比9/1)液とし、実施例1と同様に評価を行った。
[Comparative Example 4]
50% by weight of sulfur, 10% by weight of PTFE, 40% by weight of carbon (ECP600JD manufactured by Lion Corporation) were obtained, and ECPS of 50% was obtained as a positive electrode material. An evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 using this sample was referred to as Comparative Example 4. Regarding the evaluation, since the electrolyte solution (EC + DEC) does not operate when sulfur alone is contained, the electrolyte solution of Comparative Example 4 is 1M-LiTFSI ( Evaluation was carried out in the same manner as in Example 1, except that the liquid was dimethoxyethane + dioxolane (volume ratio 9/1) of lithium bistrifluoromethanesulfonic acid imide).

実施例1〜3及び比較例1〜4の容量、充放電効率などの評価結果をまとめて表1に示す。図2には代表例である、実施例1の充放電挙動を示した。一般的な硫黄単体の充放電では、それぞれ硫黄の酸化状態に応じて、容量変化に対して電圧が略一定値を示すプラトー域は2段の特性が出ることが知られているが、実施例1ではこのプラトー域は1段であり、電圧安定性に優れる特性であった。なお、ここでは省略するが、他の実施例でも容量は異なるものの、実施例1とほぼ同様の波形であった。   Table 1 summarizes the evaluation results of the capacities and charge / discharge efficiencies of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4. FIG. 2 shows the charge / discharge behavior of Example 1, which is a representative example. In general charge and discharge of sulfur alone, it is known that the plateau region where the voltage shows a substantially constant value with respect to the capacity change has two-stage characteristics depending on the oxidation state of sulfur. In No. 1, this plateau region has one stage, which is excellent in voltage stability. Although omitted here, the waveform was almost the same as in Example 1 although the capacity was different in other Examples.

Figure 0005440003
Figure 0005440003

図3には代表例として実施例1〜4及び比較例2のラマンスペクトルを示した。実施例1〜4では、1450cm-1付近に主ピークと1250cm-1付近に弱いピークが観察されており、ポリチエノアセン構造を有していると推察された。また、表1の元素比S/Cの値によっても実施例1,2,4に関しては、約0.5であり、ポリチエノアセン構造であると推察された。また、実施例3は、比較例2と同じ300℃の処理温度であるが、処理時間が6時間と長く、硫黄成分が十分除去されている。このため、実施例3では、元素比S/C値が0.64と比較的高い値を示したが、実施例1,2,4のラマンスペクトルと酷似しており、ポリチエノアセン構造を主骨格としているものと推察された。これに対し、比較例2では、スペクトルの帰属が定かではないが、実施例1〜4では見られないピークが存在し、硫黄含有量が74重量%と高いことから、一部チオフェン骨格が形成されているがポリスルフィド結合が含まれている構造となっていると推察された。したがって、過剰ともいえる硫黄成分を熱処理によって除去することが重要であることがわかった。 FIG. 3 shows Raman spectra of Examples 1 to 4 and Comparative Example 2 as representative examples. In Examples 1 to 4, in the vicinity of 1450 cm -1 and a weak peak near the main peak and 1250 cm -1 was observed, was inferred to have a Porichienoasen structure. Further, according to the value of the element ratio S / C in Table 1, in Examples 1, 2, and 4, it was about 0.5, which was assumed to be a polythienoacene structure. Moreover, although Example 3 is the same processing temperature of 300 degreeC as the comparative example 2, processing time is as long as 6 hours and the sulfur component is fully removed. For this reason, in Example 3, the element ratio S / C value showed a relatively high value of 0.64, but it was very similar to the Raman spectrum of Examples 1, 2, and 4, and the polythienoacene structure was used as the main skeleton. It was inferred. On the other hand, in Comparative Example 2, although the attribution of the spectrum is not clear, there is a peak that is not seen in Examples 1 to 4, and the sulfur content is as high as 74% by weight, so that part of the thiophene skeleton is formed. However, it was inferred that the structure contained a polysulfide bond. Therefore, it was found that it is important to remove the sulfur component, which can be said to be excessive, by heat treatment.

表1に示すように、実施例1〜4に示す骨格内に硫黄を有した多環芳香化合物を有するものは、高い容量を示しており、充放電効率も100%であった。これらを硫黄当たりの容量でみると、一価の硫黄の理論容量である862mAh/gを超えており、硫黄の酸化還元容量に静電容量が重畳し、大きな容量が得られていることが明らかとなった。図4、5には代表例として実施例1のPES300-450と比較例4のECPS50%に関し、3Vまで充電後2.2V〜3V、もしくは、2.5〜3V、1Vまで放電後1V〜2Vの領域で測定したサイクリックボルタンメトリーを示した。これらを比較すれば、充電後、及び放電後のキャパシタとしての静電容量の変化がわかる。従来の硫黄単体を用いた比較例4(ECPS50%)では、両領域のキャパシタ成分はほとんど差が無く、小さいのに対し、実施例1(PES300-450)では、放電後の1〜2V域のキャパシタ成分が非常に大きく、充電後の2.2−3V域の9倍の静電容量となっていることが分かる。これは、これまで報告例のない新しい現象であり、この結果、極めて高性能な活物質が実現できた。キャパシタ成分は多環芳香族部分への静電容量による電荷蓄積であると推察され、その骨格の発達が重要であると考えられる。硫黄濃度も当然影響し、比較例3の様に硫黄濃度が30重量%以下では、容量は低い。逆に硫黄濃度が80重量%以上ある比較例1ではむしろ、容量も小さく、硫黄成分の溶解が起きるため充放電効率が低かった。また、硫黄濃度が74重量%ある比較例2では、容量は大きいものの、5回目の減衰が大きく、充放電効率はかなり低かった。この比較例2では、ポリチエノアセン構造が発達しておらず、含有するポリスルフィド構造からポリ硫化物イオンが充放電により生成し、これがシャトル効果によって自己放電するため充電効率が低下するものと推察された。以上の結果より、硫黄濃度は、38重量%を超え70重量%以下、より好ましくは、45重量%以上65重量%以下が望ましいことが分かった。   As shown in Table 1, those having a polycyclic aromatic compound having sulfur in the skeleton shown in Examples 1 to 4 showed high capacity, and the charge / discharge efficiency was also 100%. Looking at the capacity per sulfur, it exceeds the theoretical capacity of monovalent sulfur of 862 mAh / g, and it is clear that a large capacity is obtained by superimposing electrostatic capacity on the redox capacity of sulfur. It became. 4 and 5, as a representative example, PES300-450 of Example 1 and ECPS 50% of Comparative Example 4 are 2.2V to 3V after charging to 3V, or 1V to 2V after discharging to 2.5 to 3V, 1V. The cyclic voltammetry measured in the region of is shown. If these are compared, the change of the electrostatic capacitance as a capacitor after charge and after discharge will be understood. In Comparative Example 4 (ECPS 50%) using conventional sulfur alone, the capacitor components in both regions are almost the same and small, whereas in Example 1 (PES300-450), in the 1-2 V region after discharge. It can be seen that the capacitor component is very large and the capacitance is 9 times as large as the 2.2-3 V region after charging. This is a new phenomenon that has not been reported so far, and as a result, an extremely high performance active material has been realized. The capacitor component is presumed to be charge accumulation due to capacitance in the polycyclic aromatic moiety, and the development of its skeleton is considered to be important. Naturally, the sulfur concentration also has an effect, and when the sulfur concentration is 30% by weight or less as in Comparative Example 3, the capacity is low. On the contrary, in Comparative Example 1 in which the sulfur concentration is 80% by weight or more, the capacity is small, and the dissolution of the sulfur component occurs, so the charge / discharge efficiency is low. In Comparative Example 2 having a sulfur concentration of 74% by weight, although the capacity was large, the fifth decay was large and the charge / discharge efficiency was considerably low. In Comparative Example 2, it was presumed that the polythienoacene structure was not developed, and polysulfide ions were generated from the contained polysulfide structure by charge and discharge, and this was self-discharged by the shuttle effect, so that the charge efficiency was lowered. From the above results, it was found that the sulfur concentration is more than 38% by weight and 70% by weight or less, more preferably 45% by weight or more and 65% by weight or less.

本発明は、電池に関する産業分野に利用可能である。   The present invention can be used in the industrial field related to batteries.

10 評価セル、12 円筒基体、14 キャビティ、16 負極、18 セパレータ、20 正極、22 リング、24 円柱、25 加圧ボルト、25a 貫通孔、26 蓋、26a 開口、27 絶縁用樹脂リング、28 パッキン、29 絶縁リング。 10 Evaluation Cell, 12 Cylindrical Base, 14 Cavity, 16 Negative Electrode, 18 Separator, 20 Positive Electrode, 22 Ring, 24 Column, 25 Pressure Bolt, 25a Through Hole, 26 Lid, 26a Opening, 27 Insulating Resin Ring, 28 Packing, 29 Insulation ring.

Claims (6)

炭素と硫黄とを主成分とし硫黄の含有量が45重量%以上65重量%以下であり、骨格内にチオフェン構造を有する多環芳香族化合物を電極活物質に用いた、蓄電デバイス。 An electricity storage device using a polycyclic aromatic compound having carbon and sulfur as main components and a sulfur content of 45 wt% or more and 65 wt% or less and having a thiophene structure in a skeleton as an electrode active material. 前記多環芳香族化合物は、硫黄を含むポリチエノアセン構造を有している、請求項1に記載の蓄電デバイス。   The electricity storage device according to claim 1, wherein the polycyclic aromatic compound has a polythienoacene structure containing sulfur. 前記多環芳香族化合物は、硫黄と炭素との元素比S/Cが0.45以上0.65以下である、請求項1又は2に記載の蓄電デバイス。 The electricity storage device according to claim 1 or 2, wherein the polycyclic aromatic compound has an element ratio S / C of sulfur to carbon of 0.45 or more and 0.65 or less. 蓄電デバイスの電極に用いられる電極活物質を製造する製造方法であって、
直鎖構造を有する脂肪族のポリマー化合物及びチオフェン構造を有するポリマー化合物のうち少なくとも一方と硫黄とを混合し不活性雰囲気中で加熱し、且つ余剰の硫黄を除去する処理を行うことによって、骨格内にチオフェン構造を有する多環芳香族化合物を生成させる生成工程、
を含む電極活物質の製造方法。
A manufacturing method for manufacturing an electrode active material used for an electrode of an electricity storage device,
By mixing at least one of an aliphatic polymer compound having a straight chain structure and a polymer compound having a thiophene structure with sulfur, heating in an inert atmosphere, and removing excess sulfur, the inside of the skeleton A production step of producing a polycyclic aromatic compound having a thiophene structure in
A method for producing an electrode active material comprising:
前記生成工程では、前記ポリマー化合物と硫黄とを混合し不活性雰囲気中で加熱して得られた結合体を、不活性雰囲気中で硫黄の沸点以上の温度で加熱することにより余剰の硫黄を除去する、請求項4に記載の電極活物質の製造方法。   In the production step, excess sulfur is removed by heating the conjugate obtained by mixing the polymer compound and sulfur and heating in an inert atmosphere at a temperature equal to or higher than the boiling point of sulfur in the inert atmosphere. The manufacturing method of the electrode active material of Claim 4. 前記生成工程では、硫黄の含有量が38重量%を超え70重量%以下である多環芳香族化合物を生成させるよう加熱する、請求項4又は5に記載の電極活物質の製造方法。   6. The method for producing an electrode active material according to claim 4, wherein in the generation step, heating is performed so as to generate a polycyclic aromatic compound having a sulfur content of more than 38 wt% and 70 wt% or less.
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