JP5660730B2 - Positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery, method for producing the same, and non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、炭素化合物を原料とする非水電解質二次電池用正極活物質及びその製造方法並びに非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery using a carbon compound as a raw material, a method for producing the same, and a non-aqueous electrolyte secondary battery.
非水電解質二次電池の一種であるリチウム二次電池、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 secondary battery and a lithium ion secondary battery, which are types of non-aqueous electrolyte secondary batteries, are batteries having a large charge / discharge capacity, and are mainly used as batteries 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、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。 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.
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では、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.
そこで、従来、単体硫黄で炭素化合物を変性させた硫黄変性化合物を、正極活物質として用いることが提案されている(特許文献1)。しかし、硫黄変性化合物は、電池容量の大きい硫黄を含むため電池容量は大きいが、電位が低い。そこで、発明者は鋭意探求し、電位の高い正極活物質を開発することとした。 Therefore, it has been proposed to use a sulfur-modified compound obtained by modifying a carbon compound with elemental sulfur as a positive electrode active material (Patent Document 1). However, since the sulfur-modified compound contains sulfur having a large battery capacity, the battery capacity is large, but the potential is low. Therefore, the inventor has eagerly pursued and decided to develop a positive electrode active material having a high potential.
開発段階において、炭素化合物に種々の元素を導入することで、炭素化合物の電位を上げることができないかを検討した。特許文献2〜6に記載されているように、導入元素としてはフッ素が考えられ、フッ素化炭素を電極活物質として用いることが提案されている。また、特許文献7には、フッ化水素存在下で電解分解により炭素質材料をフッ素化する方法が示されている。フッ素は、電気親和力の強い元素であるため、フッ素が導入された炭素材料は、電位が高くなると考えられる。
In the development stage, we investigated whether the potential of the carbon compound could be increased by introducing various elements into the carbon compound. As described in
しかし、フッ素化した炭素化合物は、電池容量が低く、電位が高くなっても、正極活物質材料として充分な性能を有しているとはいえない。 However, it cannot be said that a fluorinated carbon compound has sufficient performance as a positive electrode active material even if the battery capacity is low and the potential is high.
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、電池容量及び電位が高い非水電解質二次電池用正極活物質及びその製造方法並びに非水電解質二次電池を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high battery capacity and high potential, a method for producing the same, and a non-aqueous electrolyte secondary battery.
(1)本発明の非水電解質二次電池用正極活物質は、炭素化合物に硫黄(S)及びフッ素(F)を導入してなる硫黄フッ素導入化合物からなることを特徴とする。 (1) The positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is characterized by comprising a sulfur-fluorine-introducing compound obtained by introducing sulfur (S) and fluorine (F) into a carbon compound.
正極活物質に硫黄を含めることにより充放電容量が高くなる。また、フッ素は電子親和力が高いため、フッ素を正極活物質に含めることにより、正極活物質の電位を高くすることができる。また、硫黄やフッ素は、炭素化合物に導入されている。このため、炭素化合物に硫黄やフッ素が結合ないし付着したりして、電解液への溶出が抑制される。このため、電池のサイクル特性を高めることができる。 Inclusion of sulfur in the positive electrode active material increases the charge / discharge capacity. In addition, since fluorine has a high electron affinity, the potential of the positive electrode active material can be increased by including fluorine in the positive electrode active material. Sulfur and fluorine are introduced into the carbon compound. For this reason, sulfur or fluorine binds to or adheres to the carbon compound, and elution into the electrolytic solution is suppressed. For this reason, the cycling characteristics of a battery can be improved.
以上のように、炭素化合物に硫黄とフッ素とを導入してなる硫黄フッ素導入化合物は、正極活物質の電気容量を高め、且つ電位を高くし、エネルギー密度を向上させることができる。 As described above, a sulfur-fluorine-introducing compound obtained by introducing sulfur and fluorine into a carbon compound can increase the electric capacity of the positive electrode active material, increase the potential, and improve the energy density.
(2)上記非水電解質二次電池用正極活物質において、前記硫黄フッ素導入化合物は、前記炭素化合物を硫黄で変性させて硫黄変性体とした後に、該硫黄変性体の中の硫黄変性部分の少なくとも一部を残しつつフッ素を導入してなることが好ましい。 (2) In the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, the sulfur-fluorine-introducing compound is obtained by modifying the carbon compound with sulfur to form a sulfur-modified product, and then modifying the sulfur-modified portion in the sulfur-modified product. It is preferable to introduce fluorine while leaving at least a part.
フッ素は、電子親和力が強いため、硫黄変性体にフッ素を導入することで、硫黄変性体の電位を高くすることができ、エネルギー密度を向上させることができ、また出力電圧を向上させることができる。また、硫黄フッ素導入化合物には、硫黄の一部が残っている。このため、硫黄自身の特性である高い電池容量を発揮することができる。 Since fluorine has a strong electron affinity, by introducing fluorine into the sulfur-modified product, the potential of the sulfur-modified product can be increased, the energy density can be improved, and the output voltage can be improved. . Moreover, a part of sulfur remains in the sulfur fluorine introducing compound. For this reason, the high battery capacity which is the characteristic of sulfur itself can be exhibited.
また、炭素化合物を硫黄で変性させた後に、硫黄変性部分を残しつつフッ素を導入することで、硫黄変性部分の化学構造の一部を維持しつつ、フッ素化することができる。ゆえに、硫黄フッ素導入化合物は、特許文献1に開示された硫黄変性化合物の中の化学構造の少なくとも一部を維持させることができ、高い電池容量を発揮させることができ、しかも、フッ素化により特許文献1よりも電位を高くすることができる。
In addition, after the carbon compound is modified with sulfur, fluorine is introduced while leaving the sulfur-modified portion, so that it can be fluorinated while maintaining a part of the chemical structure of the sulfur-modified portion. Therefore, the sulfur fluorine-introducing compound can maintain at least a part of the chemical structure in the sulfur-modified compound disclosed in
(3)上記非水電解質二次電池用正極活物質において、前記炭素化合物は、ポリアクリロニトリル、ピッチ類、3環以上の六員環が縮合してなる多環芳香族炭化水素から選ばれる少なくとも一種からなることが好ましい。 (3) In the positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery, the carbon compound is at least one selected from polyacrylonitrile, pitches, and polycyclic aromatic hydrocarbons formed by condensation of three or more six-membered rings. Preferably it consists of.
これらの炭素化合物は、硫黄を安定に捕捉するため、電解液への溶出を効果的に抑えサイクル特性を向上させることができる。 Since these carbon compounds capture sulfur stably, elution into the electrolyte can be effectively suppressed and cycle characteristics can be improved.
(4)上記非水電解質二次電池用正極活物質において、前記炭素化合物は、植物性原料から生成されることが好ましい。 (4) In the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, the carbon compound is preferably generated from a plant material.
植物性原料も硫黄を安定に捕捉できるため、サイクル特性を向上させることができる。また、植物性原料は安価に入手できるため、製造コストを低く抑えることができる。 Since plant materials can also capture sulfur stably, cycle characteristics can be improved. Moreover, since plant raw materials can be obtained at low cost, the production cost can be kept low.
(5)本発明の非水電解質二次電池は、上記非水電解質二次電池用正極活物質と、負極活物質と、電解液とを備える。このため、電池容量及び出力電圧を高くすることができる。 (5) A non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, a negative electrode active material, and an electrolytic solution. For this reason, battery capacity and an output voltage can be made high.
(6)上記非水電解質二次電池用正極活物質を製造する方法は、前記炭素化合物を硫黄で変性させてなる硫黄変性体に、フッ化剤を接触させることにより該硫黄変性体の中の硫黄で変性された硫黄変性部分の少なくとも一部を残しながら該硫黄変性体にフッ素を導入して前記硫黄フッ素導入化合物を得ることを特徴とする。 (6) The method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery includes a sulfur-modified product obtained by modifying the carbon compound with sulfur to bring a fluorinating agent into contact with the sulfur-modified product. The sulfur-modified product is obtained by introducing fluorine into the sulfur-modified product while leaving at least a part of the sulfur-modified portion modified with sulfur.
上記の非水電解質二次電池用正極活物質は、硫黄とフッ素とを含む硫黄フッ素導入化合物からなるため、容量が高く、且つ電位の高い。このため、上記の非水電解質二次電池用正極活物質を用いることにより非水電解質二次電池の電池容量とエネルギー密度を高くすることができる。 Since the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery is composed of a sulfur-fluorine-introducing compound containing sulfur and fluorine, the capacity is high and the potential is high. For this reason, the battery capacity and energy density of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be increased by using the positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery.
(7)上記非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法において、前記フッ化剤は、無水フッ化水素、及びフッ素ガスの少なくとも1種からなることが好ましい。 (7) In the method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, the fluorinating agent is preferably composed of at least one of anhydrous hydrogen fluoride and fluorine gas.
この場合には、フッ素剤を硫黄変性体に接触させるだけで、硫黄変性体の硫黄変性部分の少なくとも一部を残しつつフッ素で変性させることができる。このため、正極活物質の製造を簡素にすることができる。 In this case, the fluorine-modified agent can be modified with fluorine while leaving at least a part of the sulfur-modified portion of the sulfur-modified product simply by contacting the fluorine-modified agent with the sulfur-modified product. For this reason, manufacture of a positive electrode active material can be simplified.
(8)上記非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法において、前記硫黄変性体は、炭素化合物と硫黄とを混合して混合原料とする混合工程と、該混合原料を加熱する熱処理工程を行うことで得ることが好ましい。 (8) In the method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, the sulfur-modified product includes a mixing step in which a carbon compound and sulfur are mixed to form a mixed raw material, and a heat treatment step in which the mixed raw material is heated. It is preferable to obtain by performing.
この場合には、炭素化合物を硫黄で変性させることができる。 In this case, the carbon compound can be modified with sulfur.
本発明の非水電解質二次電池用正極活物質及びその製造方法並びに非水電解質二次電池によれば、正極活物質として、炭素化合物に硫黄及びフッ素を導入してなる硫黄フッ素導入化合物を用いている。このため、電池容量及び電位を高めることができる。 According to the positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery and the method for producing the same and the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, a sulfur fluorine-introducing compound obtained by introducing sulfur and fluorine into a carbon compound is used as the positive electrode active material. ing. For this reason, battery capacity and potential can be increased.
(非水電解質二次電池用正極活物質)
本発明の非水電解質二次電池用正極活物質は、炭素化合物に硫黄及びフッ素を導入してなる硫黄フッ素導入化合物からなる。硫黄フッ素導入化合物は、炭素化合物を硫黄で変性させて硫黄変性体とした後に、該硫黄変性体の中の硫黄変性部分の少なくとも一部を残しつつフッ素で変性させてなることが好ましい。
(Positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery)
The positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention comprises a sulfur-fluorine-introducing compound obtained by introducing sulfur and fluorine into a carbon compound. The sulfur-fluorine-introducing compound is preferably obtained by modifying a carbon compound with sulfur to obtain a sulfur-modified product and then modifying it with fluorine while leaving at least a part of the sulfur-modified portion in the sulfur-modified product.
炭素化合物は、植物性原料から生成されるものを用いることができる。植物性原料としては、例えば、コーヒー豆、茶葉、サトウキビ類、トウモロコシ類、果実類、穀類、藁類、糠及び籾殻類から選択される少なくとも1種であるとよい。 What is produced | generated from a plant raw material can be used for a carbon compound. The plant raw material may be, for example, at least one selected from coffee beans, tea leaves, sugar cane, corns, fruits, cereals, potatoes, straws, and rice husks.
炭素化合物として、〔1〕ポリアクリロニトリル、〔2〕ピッチ類、〔3〕3環以上の六員環が縮合してなる多環芳香族炭化水素から選ばれる少なくとも一種を用いたものが好ましく用いられる。これらの炭素化合物を硫黄で変性させた後にフッ素で変性させてなる硫黄フッ素導入化合物は、たとえば、上記した何れかの炭素化合物に由来する炭素骨格と、この炭素骨格と結合した硫黄(S)及びフッ素(F)で構成される。 As the carbon compound, those using at least one selected from [1] polyacrylonitrile, [2] pitches, and [3] polycyclic aromatic hydrocarbons formed by condensation of three or more six-membered rings are preferably used. . The sulfur-fluorine-introducing compound obtained by modifying these carbon compounds with sulfur and then modifying with fluorine includes, for example, a carbon skeleton derived from any of the carbon compounds described above, sulfur (S) bonded to the carbon skeleton, and It is composed of fluorine (F).
以下、炭素化合物を硫黄で変性させてなる硫黄変性体、及び硫黄変性体にフッ素を導入してなる硫黄フッ素導入化合物について説明する。 Hereinafter, a sulfur-modified product obtained by modifying a carbon compound with sulfur and a sulfur-fluorine-introducing compound obtained by introducing fluorine into the sulfur-modified product will be described.
A.硫黄変性体
硫黄変性体は、炭素化合物を硫黄で変性させたものである。ここで、変性とは、炭素化合物に硫黄が化学的に結合ないし配位していること、もしくは炭素化合物に硫黄が結合して炭素化合物の構造に変化を及ぼすことをいう。
A. Sulfur modified product The sulfur modified product is obtained by modifying a carbon compound with sulfur. Here, the modification means that sulfur is chemically bonded to or coordinated with the carbon compound, or that sulfur is bonded to the carbon compound to change the structure of the carbon compound.
炭素化合物としてポリアクリロニトリルを用いた硫黄変性体を硫黄変性PANと呼ぶ。炭素化合物としてピッチ類を用いた硫黄変性体を硫黄変性ピッチと呼ぶ。炭素化合物として3環以上の六員環が縮合してなる多環芳香族炭化水素を用いた硫黄変性体を硫黄変性PAHと呼ぶ。 A sulfur-modified product using polyacrylonitrile as a carbon compound is called sulfur-modified PAN. A sulfur-modified product using pitches as a carbon compound is called sulfur-modified pitch. A sulfur-modified product using a polycyclic aromatic hydrocarbon formed by condensation of three or more six-membered rings as a carbon compound is called sulfur-modified PAH.
〔1〕硫黄変性PAN
硫黄変性PANは、上記の特許文献1に開示されたものと同様のものである。硫黄変性PAN用の材料としてのポリアクリロニトリル(PAN)は、粉末状であるのが好ましく、質量平均分子量が1×104〜3×105程度であるのが好ましい。また、PAN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。PANの分子量および粒径がこれらの範囲内であれば、PANと硫黄との接触面積を大きくでき、PAN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。
[1] Sulfur modified PAN
The sulfur-modified PAN is the same as that disclosed in
非水電解質二次電池の正極活物質として硫黄変性PANを用いることで、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、硫黄変性PAN中で硫黄が単体として存在するのでなくPAN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1に開示されている正極活物質の製造方法において、硫黄はPANとともに加熱処理されている。PANを加熱すると、PANが3次元的に架橋して縮合環(主として六員環)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PANと結合した状態で硫黄変性PAN中に存在していると考えられる。PAN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。
By using sulfur-modified PAN as the positive electrode active material of the non-aqueous electrolyte secondary battery, the high capacity inherent in sulfur can be maintained, and the elution of sulfur into the electrolyte is suppressed, so the cycle characteristics are greatly improved. . This is probably because sulfur does not exist as a simple substance in the sulfur-modified PAN, but exists in a stable state combined with PAN. In the method for producing a positive electrode active material disclosed in
硫黄変性PANに用いられる硫黄は、PANと同様に、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。 Sulfur used for sulfur-modified PAN is preferably in the form of a powder, like PAN. 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.
硫黄変性PANに用いるPAN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 PAN powder and sulfur powder used for the sulfur-modified PAN is not particularly limited, but is preferably 1: 0.5 to 1:10 by mass ratio, and 1: 0.5 to 1: 7. More preferably, it is 1: 2 to 1: 5.
硫黄変性PANは、以下の方法で製造できる。 Sulfur-modified PAN can be produced by the following method.
PAN粉末と硫黄粉末とを混合した混合原料を加熱する(熱処理工程)。混合原料は、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PAN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。混合原料は、PANおよび硫黄のみで構成しても良いし、正極活物質に配合可能な一般的な材料(導電助剤等)を配合しても良い。これは、後述する他の正極活物質に関しても同様である。 A mixed raw material in which PAN powder and sulfur powder are mixed is heated (heat treatment step). What is necessary is just to mix a mixing raw material with common mixing apparatuses, such as a mortar and a ball mill. As the mixed raw material, a material obtained by simply mixing sulfur and PAN may be used. For example, the mixed raw material may be formed into a pellet shape. The mixed raw material may be composed only of PAN and sulfur, or may be blended with a general material (such as a conductive aid) that can be blended with the positive electrode active material. The same applies to other positive electrode active materials described later.
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PANとが結合する。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、PAN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、非酸化性雰囲気下で熱処理することで、PANの閉環反応と同時に、蒸気状態の硫黄がPANと反応して、硫黄によって変性されたPAN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 and PAN contained in the mixed raw material are combined. 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 binding of PAN and sulfur (for example, an atmosphere containing no 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. Further, it is considered that by performing heat treatment in a non-oxidizing atmosphere, vapor-state sulfur reacts with PAN simultaneously with the PAN ring-closing reaction, and PAN modified with sulfur 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PAN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。具体的には、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。 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 PAN advances, and a conductive material does not change in quality. Specifically, the heating temperature is preferably 250 to 500 ° C., more preferably 250 to 400 ° C., and further preferably 250 to 300 ° C.
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 reflux apparatus of a known structure, when recirculating | refluxing sulfur in a heat treatment process.
混合原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PANに充分な量の硫黄を取り込むことができる。このため、PAN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PAN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、PAN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変性PAN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変性PANとして用いれば良い。単体硫黄除去工程の時間は特に限定しないが、1〜6時間程度であるのが好ましい。 Even when the amount of sulfur in the mixed raw material is excessive, a sufficient amount of sulfur can be taken into the PAN in the heat treatment step. For this reason, when adding sulfur excessively with respect to PAN, the bad influence by the elemental sulfur mentioned above can be suppressed by removing elemental sulfur from the to-be-processed body after a heat treatment process. Specifically, when the mixing ratio of PAN and sulfur in the mixed raw material is 1: 2 to 1:10 by mass ratio, the target object after the heat treatment step is heated at 200 ° C. to 250 ° C. while reducing the pressure. (Single element sulfur removal step) By taking a sufficient amount of sulfur into the PAN, it is possible to suppress adverse effects due to the remaining single sulfur. 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-modified PAN. Moreover, what is necessary is just to use the to-be-processed body after a single sulfur removal process as sulfur modified PAN, when performing the single-piece | unit sulfur removal process to the to-be-processed body after a heat treatment process. The time for the elemental sulfur removal step is not particularly limited, but is preferably about 1 to 6 hours.
硫黄変性PAN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PAN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 PAN 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 PAN with CuKα rays, only a broad peak having a peak position in the vicinity of 25 ° was confirmed in the diffraction angle (2θ) range of 20-30 °. It was. 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PAN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PAN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。 Furthermore, the mass loss by thermogravimetric analysis when sulfur-modified PAN 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 PAN powder is heated under the same conditions, a mass decrease is observed from around 120 ° C., and when the temperature is 200 ° C. or higher, a large mass loss due to the disappearance of sulfur is recognized.
すなわち、硫黄変性PANにおいて、硫黄は単体としては存在せず、閉環の進行したPAN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 PAN, it is considered that sulfur does not exist as a simple substance, but exists in a state of being combined with PAN that has advanced ring closure.
硫黄変性PAN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、PAN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PAN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 PAN 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 above-described Raman shift peak is observed at the same position even when the ratio of elemental sulfur to PAN is changed. Thus, these peaks characterize sulfur-modified PAN. Each of the peaks described above exists in a range of approximately ± 8 cm −1 with the above 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PAN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 is measured by JASCO Corporation RMP-320 (excitation wavelength λ = 532 nm, grating: 1800 gr / mm, resolution: 3 cm −1 ). 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 the Raman spectrum of the positive electrode of the present invention using sulfur-modified PAN as the positive electrode active material is measured, the same peak as the above peak, or a peak slightly different from the above peak in number and peak top position is confirmed. The
〔2〕硫黄変性ピッチ
炭素化合物としてピッチ類を用いた正極活物質は、ピッチ類由来の炭素骨格と、その炭素骨格と結合した硫黄(S)と、からなる。ピッチ類としては、石炭ピッチ、石油ピッチ、メソフェーズピッチ、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、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用いることができる。
[2] Sulfur-modified pitch A positive electrode active material using pitches as a carbon compound includes a carbon skeleton derived from pitches and sulfur (S) bonded to the carbon skeleton. Pitches include coal pitch, petroleum pitch, mesophase pitch, asphalt, coal tar, coal tar pitch, organic synthetic pitch obtained by polycondensation of condensed polycyclic aromatic hydrocarbon compounds, and heteroatom-containing condensed polycyclic aromatic carbonization. At least one selected from the group consisting of organic synthetic pitches obtained by polycondensation of hydrogen compounds can be used.
ピッチ類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。 Coal tar, a kind of pitch, 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.
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。 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.
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。 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.
ピッチ類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。ピッチ類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、ピッチ類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。 Pitches are a mixture of various compounds and contain fused polycyclic aromatics as described above. The condensed polycyclic aromatic contained in the pitch may be a single species or a plurality of species. For example, the main component of coal pitch, which is a kind of pitches, 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.
ピッチ類由来の炭素骨格と、その炭素骨格と結合した硫黄(S)と、からなる正極活物質(硫黄変性ピッチ)は、上述した硫黄変性PANと同様の方法で製造できる。硫黄変性ピッチを製造する場合、熱処理工程において、ピッチ類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ように構成する。換言すると、熱処理工程において、ピッチ類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類と硫黄との接触面積を充分に大きくでき、硫黄を充分に含みかつ硫黄の脱離が抑制された硫黄変性ピッチを得ることができる。なお、熱処理工程において硫黄を還流する場合には、ピッチ類と硫黄との接触頻度を高めることができ、硫黄をより含有しかつ硫黄の脱離がさらに抑制された硫黄変性ピッチを得ることができる。 A positive electrode active material (sulfur-modified pitch) comprising a carbon skeleton derived from pitches and sulfur (S) bonded to the carbon skeleton can be produced by the same method as the above-described sulfur-modified PAN. When producing a sulfur-modified pitch, in the heat treatment step, at least a part of pitches and at least a part of sulfur are configured to be liquid. In other words, in the heat treatment step, at least a part of the pitches and at least a part of the sulfur are in liquid contact. For this reason, the contact area between pitches and sulfur in the heat treatment step can be made sufficiently large, and a sulfur-modified pitch that contains sulfur sufficiently and suppresses the elimination of sulfur can be obtained. In addition, when sulfur is refluxed in the heat treatment step, the contact frequency between pitches and sulfur can be increased, and a sulfur-modified pitch that further contains sulfur and further suppresses the elimination of sulfur can be obtained. .
なお、得られた硫黄変性ピッチにおいて、硫黄とピッチ類とがどのように結合しているか、は定かではないが、ピッチ類のグラフェン層間に硫黄が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結合となっていると推測される。 In the obtained sulfur-modified pitch, it is not clear how sulfur and pitches are bonded, but sulfur is taken in between the graphene layers of the pitches, or condensed polycyclic aromatics. It is presumed that hydrogen contained in the ring is substituted with sulfur to form a C—S bond.
熱処理工程における温度は、ピッチ類の少なくとも一部と硫黄の少なくとも一部が液体となる温度であれば良い。なお、ピッチ類に関しては、全体が液体となる温度であるのが好ましい。また、硫黄に関しては、全体が液体となる温度であるのが好ましく、一部が気体となり残りが液体となる温度(すなわち、還流できる温度)であるのがより好ましい。熱処理工程における温度は、200℃以上であるのが好ましく、300℃以上であるのがより好ましく、350℃以上であるのがさらに好ましい。参考までに、石炭ピッチの軟化点は200〜350℃程度である。このため、ピッチ類として石炭ピッチを用いる場合には、熱処理工程を350℃以上で行うのが好ましい。また、350℃以上であれば、石炭ピッチ以外のピッチ類を用いる場合にも、ピッチ類の少なくとも一部が軟化(液体化)する。 The temperature in the heat treatment step may be a temperature at which at least a part of pitches and at least a part of sulfur become liquid. In addition, regarding pitches, it is preferable that the temperature is such that the whole becomes a liquid. Further, regarding sulfur, the temperature is preferably such that the whole becomes a liquid, and more preferably a temperature at which a part becomes a gas and the rest becomes a liquid (that is, a temperature at which reflux is possible). The temperature in the heat treatment step is preferably 200 ° C. or higher, more preferably 300 ° C. or higher, and further preferably 350 ° C. or higher. For reference, the softening point of the coal pitch is about 200 to 350 ° C. For this reason, when using coal pitch as pitches, it is preferable to perform a heat treatment process at 350 degreeC or more. Moreover, if it is 350 degreeC or more, also when using pitches other than coal pitch, at least one part of pitches will soften (liquefy).
ところで、熱処理工程における温度が過剰に高いと、ピッチ類が変性(黒鉛化)する場合がある。この場合、ピッチ類に硫黄を充分に取り込めなくなる。このため、熱処理工程における温度は、ピッチ類の変性温度よりも低い温度であることが好ましい。熱処理工程における温度が600℃以下であれば、ピッチ類の変性を抑制できる。熱処理工程における温度は600℃以下であるのがより好ましく、500℃以下であるのがさらに好ましい。さらに、上述したピッチ類の軟化を考慮すると、熱処理工程における温度は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。 By the way, when the temperature in the heat treatment process is excessively high, the pitches may be modified (graphitized). In this case, sulfur cannot be sufficiently taken into pitches. For this reason, it is preferable that the temperature in the heat treatment step is lower than the modification temperature of the pitches. If the temperature in the heat treatment step is 600 ° C. or lower, the modification of pitches can be suppressed. The temperature in the heat treatment step is more preferably 600 ° C. or less, and further preferably 500 ° C. or less. Furthermore, considering the above-mentioned softening of pitches, the temperature in the heat treatment step is preferably 200 ° C. or more and 600 ° C. or less, more preferably 300 ° C. or more and 500 ° C. or less, and 350 ° C. or more and 500 ° C. or less. Is more preferable.
熱処理工程において硫黄を還流する場合、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、硫黄が液体又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。 When sulfur is refluxed in the heat treatment step, the mixed raw material may be heated so that part of the mixed raw material becomes gas and part becomes 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.
熱処理工程は、硫黄変性PANを製造する場合と同様に、非酸化性雰囲気下で行うのが好ましい。 The heat treatment step is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere as in the case of producing sulfur-modified PAN.
ピッチ類及び硫黄の形状、粒径等は特に問わない。熱処理工程においてピッチ類と硫黄とを液体状で接触させるため、例えばピッチ類の粒径が不均一であったり大きかったりする場合にも、ピッチ類と硫黄とが充分接触するためである。また、混合原料中のピッチ類と硫黄とは、均一に分散しているのが好ましいが、不均一であっても良い。混合原料は、ピッチ類及び硫黄のみで構成しても良いし、正極活物質に配合可能な一般的な材料(導電助剤等)を配合しても良い。 The shape of the pitches and sulfur, the particle size, etc. are not particularly limited. This is because the pitches and sulfur are brought into contact with each other in a liquid state in the heat treatment step, so that the pitches and sulfur are in sufficient contact even when the pitches have a non-uniform or large particle size. The pitches and sulfur in the mixed raw material are preferably uniformly dispersed, but may be non-uniform. The mixed raw material may be composed only of pitches and sulfur, or may be blended with a general material (such as a conductive aid) that can be blended with the positive electrode active material.
熱処理工程における加熱時間は、加熱温度に応じて適宜設定すれば良く、特に限定しない。上述した好ましい温度で加熱する場合には、10分〜10時間程度加熱するのが好ましく、30分〜6時間加熱するのがより好ましい。 The heating time in the heat treatment step may be appropriately set according to the heating temperature, and is not particularly limited. When heating at the preferable temperature mentioned above, it is preferable to heat about 10 minutes-10 hours, and it is more preferable to heat for 30 minutes-6 hours.
混合原料中のピッチ類と硫黄との配合比にも好ましい範囲が存在する。ピッチ類に対する硫黄の配合量が過小であると、ピッチ類に充分量の硫黄を取り込めず、ピッチ類に対する硫黄の配合量が過大であると、硫黄変性ピッチ中に遊離の硫黄(単体硫黄)が多く残存して、非水電解質二次電池内の特に電解液を汚染するためである。混合原料中のピッチ類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。 There is also a preferred range for the mixing ratio of pitches and sulfur in the mixed raw material. If the amount of sulfur added to the pitches is too small, a sufficient amount of sulfur cannot be taken into the pitches. If the amount of sulfur added to the pitches is too large, free sulfur (single sulfur) is contained in the sulfur-modified pitch. This is because a large amount remains to contaminate the electrolytic solution in the nonaqueous electrolyte secondary battery. The mixing ratio of pitches and sulfur in the mixed raw material is preferably 1: 0.5 to 1:10 by mass ratio, more preferably 1: 1 to 1: 7, and 1: 2 A ratio of 1: 5 is particularly preferred.
なお、ピッチ類に対する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ピッチ類に充分な量の硫黄を取り込むことができる。このため、ピッチ類に対して硫黄を過大に配合する場合には、上述した硫黄変性PANの製造方法と同様に、熱処理工程後の被処理体に単体硫黄除去工程を施せば良い。 Even when the amount of sulfur added to pitches is excessive, a sufficient amount of sulfur can be taken into the pitches in the heat treatment step. For this reason, when adding sulfur excessively with respect to pitches, the single-piece | unit sulfur removal process should just be given to the to-be-processed body after a heat processing process similarly to the manufacturing method of the sulfur modified PAN mentioned above.
上記製造方法により得られる硫黄変性ピッチをラマンスペクトル分析すると、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。なお、硫黄変性ピッチのラマンスペクトルは、前述した硫黄変性PANのラマンスペクトルとは異なる。 When Raman spectroscopy of sulfur-modified pitch obtained by the above production method, there is a major peak in the vicinity of 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. Note that the Raman spectrum of sulfur-modified pitch is different from the Raman spectrum of sulfur-modified PAN described above.
硫黄変性ピッチは、硫黄変性PANを第二正極活物質としてさらに含むことが望ましい。この第二正極活物質をさらに含むことで、非水電解質二次電池に用いた時にサイクル特性がさらに向上する。その理由は明らかではないが、PANと硫黄との結合力が大きいために硫黄が固定化されるためと考えられている。 The sulfur-modified pitch preferably further includes sulfur-modified PAN as the second positive electrode active material. By further including this second positive electrode active material, the cycle characteristics are further improved when used in a non-aqueous electrolyte secondary battery. The reason is not clear, but it is considered that sulfur is immobilized because of the large binding force between PAN and sulfur.
この第二正極活物質をさらに含む硫黄変性ピッチを製造するには、硫黄変性ピッチと第二正極活物質(すなわち硫黄変性PAN)とを物理的に混合することもできる。しかし安定性が懸念される場合があるため、安定性を高めるためには、ピッチ類と、PAN粉末と、硫黄粉末とを含む原料を混合して混合原料とする混合工程と、この混合原料を加熱する熱処理工程と、を行うことが望ましい。PAN粉末としては、質量平均分子量が10000〜300000程度の範囲内にあるものが好ましい。また、PANの粒径については、電子顕微鏡によって観察した際に、0.5〜50μm程度の範囲内にあるものが好ましく、1〜10μm程度の範囲内にあるものがより好ましい。 In order to produce a sulfur-modified pitch further containing the second positive electrode active material, the sulfur-modified pitch and the second positive electrode active material (that is, sulfur-modified PAN) can be physically mixed. However, since stability may be a concern, in order to increase the stability, a mixing step of mixing raw materials containing pitches, PAN powder, and sulfur powder to form a mixed raw material, It is desirable to perform a heat treatment step of heating. As the PAN powder, those having a mass average molecular weight in the range of about 10,000 to 300,000 are preferable. Moreover, about the particle size of PAN, when it observes with an electron microscope, what is in the range of about 0.5-50 micrometers is preferable, and what is in the range of about 1-10 micrometers is more preferable.
硫黄変性ピッチを元素分析した結果、炭素、窒素、及び硫黄が検出された。また、場合によっては、少量の酸素及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.
〔3〕硫黄変性PAH
硫黄変性PAHは、3環以上の六員環が縮合してなる多環芳香族炭化水素(Polycyclic aromatic hydrocarbon、PAH)の少なくとも一種に由来する炭素骨格を持つ。PAHは、ヘテロ原子や置換基を含まない芳香環が縮合した炭化水素の総称であり、四員環、五員環、六員環、そして七員環からなるものがあるが、このうち、本発明では、ベンゼン環の構造である六員環が直鎖に3環以上連なった構造をもつアセン類、及び、3環以上の六員環が直鎖でなく折れ曲がった構造をもつ化合物などのうち少なくとも一種と硫黄とを用いることが好ましい。
[3] Sulfur modified PAH
Sulfur-modified PAH has a carbon skeleton derived from at least one polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) formed by condensation of three or more six-membered rings. PAH is a general term for hydrocarbons condensed with aromatic rings that do not contain heteroatoms or substituents. There are four-membered rings, five-membered rings, six-membered rings, and seven-membered rings. In the invention, among acenes having a structure in which three or more six-membered rings that are benzene rings are connected in a straight chain, and compounds having a structure in which three or more six-membered rings are not straight but bent It is preferable to use at least one kind and sulfur.
複数の芳香環が辺を共有しながら直鎖状に連なった多環芳香族炭化水素であるアセン類としては、2環のナフタレン、3環のアントラセン、4環のテトラセン、5環のペンタセン、6環のヘキサセン、7環のヘプタセン、8環のオクタセン、9環のノナセン、及び10環以上の芳香環が連なったものがあり、これらの群から選ばれる少なくとも一種を用いることができる。中でも安定性が高い3環〜6環のものが望ましい。 Examples of acenes that are polycyclic aromatic hydrocarbons in which a plurality of aromatic rings share a side and are connected in a straight chain include bicyclic naphthalene, tricyclic anthracene, tetracyclic tetracene, pentacyclic pentacene, 6 There are ring hexacene, 7 ring heptacene, 8 ring octacene, 9 ring nonacene, and 10 or more aromatic rings, and at least one selected from these groups can be used. Among them, those having 3 to 6 rings having high stability are desirable.
また、3環以上の六員環が直鎖でなく折れ曲がった構造をもつ多環芳香族炭化水素としては、フェナントレン、ベンゾピレン、クリセン、ピレン、ピセン、ペリレン、トリフェニレン、コロネン、及びこれらより多くの環以上の芳香環が連なったものがあり、これらの群から選ばれる少なくとも一種を用いることができる。 Polycyclic aromatic hydrocarbons having a structure in which three or more six-membered rings are not straight but bent include phenanthrene, benzopyrene, chrysene, pyrene, picene, perylene, triphenylene, coronene, and more rings. There are those in which the above aromatic rings are linked, and at least one selected from these groups can be used.
硫黄変性PAHは、硫黄変性ピッチと同様の方法で製造できる。 Sulfur-modified PAH can be produced by the same method as sulfur-modified pitch.
熱処理工程では、多環芳香族炭化水素と硫黄とを反応させる。この反応は、多環芳香族炭化水素の量に対して硫黄の量を過大として反応させ、硫黄を高濃度で含む正極活物質とすることが望ましい。この熱処理工程の温度は、多環芳香族炭化水素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条件で行うことが望ましい。このようにすることで、多環芳香族炭化水素と硫黄との接触面積を充分に大きくでき、硫黄を充分に含みかつ硫黄の脱離が抑制された硫黄変性PAHを得ることができる。 In the heat treatment step, the polycyclic aromatic hydrocarbon and sulfur are reacted. In this reaction, it is desirable to react with the amount of sulfur being excessive with respect to the amount of polycyclic aromatic hydrocarbons to obtain a positive electrode active material containing sulfur at a high concentration. It is desirable that the temperature of the heat treatment step be such that at least a part of the polycyclic aromatic hydrocarbon and at least a part of sulfur are liquid. By doing so, it is possible to obtain a sulfur-modified PAH in which the contact area between the polycyclic aromatic hydrocarbon and sulfur can be sufficiently increased, sulfur is sufficiently contained, and sulfur desorption is suppressed.
混合原料中の多環芳香族炭化水素と硫黄との配合比にも好ましい範囲が存在する。多環芳香族炭化水素に対する硫黄の配合量が過小であると多環芳香族炭化水素に充分量の硫黄を取り込めず、多環芳香族炭化水素に対する硫黄の配合量が過大であると、硫黄変性PAH中に遊離の硫黄(単体硫黄)が多く残存して、非水電解質二次電池内の特に電解液を汚染するためである。混合原料中の多環芳香族炭化水素と硫黄との配合比は、質量比で多環芳香族炭化水素:硫黄が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。 There is a preferable range for the blending ratio of the polycyclic aromatic hydrocarbon and sulfur in the mixed raw material. If the amount of sulfur in the polycyclic aromatic hydrocarbon is too small, a sufficient amount of sulfur cannot be taken into the polycyclic aromatic hydrocarbon, and if the amount of sulfur in the polycyclic aromatic hydrocarbon is excessive, sulfur modification This is because a large amount of free sulfur (single sulfur) remains in the PAH and contaminates the electrolyte solution in the non-aqueous electrolyte secondary battery. The blending ratio of the polycyclic aromatic hydrocarbon and sulfur in the mixed raw material is preferably 1: 0.5 to 1:10 of polycyclic aromatic hydrocarbon: sulfur in a mass ratio, and 1: 1 to 1 : 7 is more preferable, and 1: 2 to 1: 5 is particularly preferable.
なお、多環芳香族炭化水素に対する硫黄の配合量を過大とすれば、熱処理工程において多環芳香族炭化水素に充分な量の硫黄を容易に取り込むことができる。そして多環芳香族炭化水素に対して硫黄を必要以上の量で配合したとしても、熱処理工程後の被処理体から過剰の単体硫黄を除去する単体硫黄除去工程を行うことで、上述した単体硫黄による悪影響を抑制できる。詳しくは、混合原料中の多環芳香族炭化水素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、多環芳香族炭化水素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変性PAH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変性PAHとして用いれば良い。 If the amount of sulfur added to the polycyclic aromatic hydrocarbon is excessive, a sufficient amount of sulfur can be easily taken into the polycyclic aromatic hydrocarbon in the heat treatment step. And even if it mix | blends sulfur more than necessary with respect to polycyclic aromatic hydrocarbon, by performing the simple substance sulfur removal process which removes excess simple sulfur from the to-be-processed object after a heat treatment process, the simple substance sulfur mentioned above The adverse effect by can be suppressed. Specifically, when the mixing ratio of the polycyclic aromatic hydrocarbon and sulfur in the mixed raw material is 1: 2 to 1:10 by mass ratio, the object to be treated after the heat treatment step is 200 ° C. to By heating at 250 ° C. (single sulfur removal step), a sufficient amount of sulfur can be taken into the polycyclic aromatic hydrocarbon, and adverse effects due to the remaining simple sulfur can be suppressed. 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-modified PAH. Moreover, what is necessary is just to use the to-be-processed body after a simple sulfur removal process as sulfur modified PAH, when performing the simple substance sulfur removal process to the to-be-processed body after a heat treatment process.
硫黄変性PAHは、例えば、出発物質である多環芳香族炭化水素としてペンタセンを選択した場合には、ヘキサチアペンタセン類似の構造となっていると考えられるが、その構造は明らかではない。また、多環芳香族炭化水素としてアントラセンを用いた硫黄正極活物質は、FT−IRスペクトルにおいて、1056cm-1付近と、840cm-1付近と、にそれぞれピークが存在し、アントラセンのFT−IRスペクトルとは全く異なっているので、FT−IRスペクトルで同定することが可能である。 For example, when pentacene is selected as the polycyclic aromatic hydrocarbon which is a starting material, the sulfur-modified PAH is considered to have a structure similar to hexathiapentacene, but the structure is not clear. In addition, the sulfur positive electrode active material using anthracene as the polycyclic aromatic hydrocarbon has peaks in the vicinity of 1056 cm −1 and 840 cm −1 in the FT-IR spectrum, and the FT-IR spectrum of anthracene. Since it is completely different from FT, it can be identified by FT-IR spectrum.
硫黄変性PAHを元素分析すると、硫黄(S)と炭素(C)とが大部分を占め、少量の酸素及び水素が検出される。硫黄(S)と炭素(C)の組成比は、原子比(S/C)で1/5以上の範囲で含まれていることが望ましい。この範囲より硫黄が少ないと、非水電解質二次電池用正極活物質に用いた時に充放電特性が低下する場合がある。 When elemental analysis of sulfur-modified PAH is performed, sulfur (S) and carbon (C) occupy most, and small amounts of oxygen and hydrogen are detected. It is desirable that the composition ratio of sulfur (S) and carbon (C) is included in the range of 1/5 or more in terms of atomic ratio (S / C). If the amount of sulfur is less than this range, the charge / discharge characteristics may be deteriorated when used as a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
硫黄変性PAHは、前述したポリイソプレンを用いた場合と同様に、第二正極活物質(硫黄変性PAN)をさらに含むことが望ましい。その混合量、製造方法などは、硫黄変性ポリイソプレンの場合と同様である。 It is desirable that the sulfur-modified PAH further includes a second positive electrode active material (sulfur-modified PAN) as in the case of using the polyisoprene described above. The mixing amount, production method, and the like are the same as in the case of sulfur-modified polyisoprene.
B.硫黄フッ素導入化合物
硫黄フッ素導入化合物は、硫黄変性体の中の硫黄変性部分の少なくとも一部を残しつつフッ素を導入したものである。ここで、硫黄変性部分は、硫黄が炭素化合物に変性した部分をいう。硫黄変性部分は、例えば、硫黄の導入により炭素化合物に硫黄が化学的に結合したり配位したりした部分であったり、硫黄の導入により炭素化合物の化学構造が変化した部分であったりする。
B. Sulfur Fluorine Introducing Compound The sulfur fluorine introducing compound is a compound in which fluorine is introduced while leaving at least a part of the sulfur-modified portion in the sulfur-modified product. Here, the sulfur-modified part refers to a part in which sulfur is modified into a carbon compound. The sulfur-modified portion is, for example, a portion where sulfur is chemically bonded or coordinated to the carbon compound by introduction of sulfur, or a portion where the chemical structure of the carbon compound is changed by introduction of sulfur.
「フッ素を導入する」とは、硫黄変性体にフッ素を結合又は配位させたりすることである。硫黄変性体の化学的又は立体的な構造に変化がある場合も無い場合もある。 “Introducing fluorine” means binding or coordination of fluorine to the sulfur-modified product. There may or may not be a change in the chemical or steric structure of the sulfur-modified product.
硫黄フッ素導入化合物は、炭素化合物を基本構造とし、硫黄の他にフッ素も構成元素としている。硫黄フッ素導入化合物は、硫黄を含むことで電池容量が高められ、また、電子親和力の高いフッ素を含むことで電位が高められる。ゆえに、かかる硫黄フッ素導入化合物からなる正極活物質は、電池容量及び電位が高く、且つ、サイクル特性に優れる。 The sulfur-fluorine-introducing compound has a carbon compound as a basic structure, and in addition to sulfur, fluorine is also a constituent element. The sulfur fluorine-introducing compound contains sulfur, so that the battery capacity is increased, and the potential is increased by containing fluorine having a high electron affinity. Therefore, the positive electrode active material made of such a sulfur fluorine-introducing compound has a high battery capacity and potential, and is excellent in cycle characteristics.
硫黄変性体にフッ素を導入するに当たっては、例えば、硫黄変性体にフッ化剤を接触させる。この場合、フッ化剤の中のフッ素が、硫黄変性体の硫黄変性部分の硫黄と置換して、炭素に結合すると考えられる。 In introducing fluorine into the sulfur-modified product, for example, the sulfur-modified product is brought into contact with a fluorinating agent. In this case, it is considered that fluorine in the fluorinating agent substitutes for sulfur in the sulfur-modified portion of the sulfur-modified product and bonds to carbon.
硫黄フッ素導入化合物には、フッ素が均一に導入されていてもよいが、一部分にフッ素が導入されていてもよい。例えば、硫黄フッ素導入化合物が粒子状を呈している場合、粒子の全体に均一にフッ素が導入されていてもよいし、粒子表面にフッ素が偏在していてもよい。 Fluorine may be uniformly introduced into the sulfur fluorine-introducing compound, but fluorine may be partially introduced. For example, when the sulfur fluorine-introducing compound is in the form of particles, fluorine may be uniformly introduced into the entire particle, or fluorine may be unevenly distributed on the particle surface.
硫黄フッ素導入化合物中のフッ素(F)と炭素(C)との組成比は、原子比(F/C)で1/100以上150/100以下であることが好ましい。フッ素の組成比が少なすぎると、硫黄フッ素導入化合物の電位が高くならず、フッ素の組成比が多すぎると、相対的に硫黄フッ素導入化合物中の硫黄の含有量が減り、電池容量が低下するおそれがある。 The composition ratio of fluorine (F) and carbon (C) in the sulfur fluorine-introducing compound is preferably 1/100 or more and 150/100 or less in terms of atomic ratio (F / C). If the fluorine composition ratio is too small, the potential of the sulfur fluorine-introducing compound does not increase, and if the fluorine composition ratio is too large, the sulfur content in the sulfur-fluorine introducing compound is relatively reduced, and the battery capacity is reduced. There is a fear.
硫黄フッ素導入化合物中の硫黄(S)と炭素(C)との組成比は、原子比(S/C)で1/100以上150/100以下であることが好ましい。硫黄の組成比が少なすぎると、硫黄フッ素導入化合物の電池容量が低くなり、硫黄の組成比が多すぎると、相対的に硫黄フッ素導入化合物中のフッ素の含有量が少なくなり、正極活物質の電位の上昇が期待できないおそれがある。 The composition ratio of sulfur (S) and carbon (C) in the sulfur fluorine-introducing compound is preferably 1/100 or more and 150/100 or less in terms of atomic ratio (S / C). If the sulfur composition ratio is too small, the battery capacity of the sulfur fluorine-introducing compound is lowered, and if the sulfur composition ratio is too large, the fluorine content in the sulfur-fluorine introducing compound is relatively reduced, There is a possibility that the potential cannot be increased.
硫黄変性体にフッ素を導入させるフッ化剤としては、無水フッ化水素(HF)、又はフッ素ガス(F2)を用いることが好ましい。 As the fluorinating agent for introducing fluorine into the sulfur-modified product, anhydrous hydrogen fluoride (HF) or fluorine gas (F 2 ) is preferably used.
フッ化剤としてフッ素ガスを用いる場合には、例えば、フッ素ガス中に硫黄変性体を配置する。フッ素ガスと硫黄変性体との反応では、硫黄変性体の中の硫黄の一部をフッ素に置換させればよいため、過激な環境下での反応は避けた方がよい。例えば、硫黄変性体とフッ素ガスとの反応は、−40℃以上室温(25℃程度)以下の温度で行うと良い。反応温度が低すぎると、反応が生じにくく、反応温度が高すぎると硫黄変性体の中の硫黄の全てがフッ素で置換されてしまうおそれがある。 When fluorine gas is used as the fluorinating agent, for example, a sulfur-modified product is arranged in the fluorine gas. In the reaction between the fluorine gas and the sulfur-modified product, it is only necessary to replace part of the sulfur in the sulfur-modified product with fluorine, so it is better to avoid the reaction in an extreme environment. For example, the reaction between the sulfur-modified product and the fluorine gas may be performed at a temperature of −40 ° C. or more and room temperature (about 25 ° C.) or less. If the reaction temperature is too low, the reaction is difficult to occur, and if the reaction temperature is too high, all sulfur in the sulfur-modified product may be substituted with fluorine.
生成された硫黄フッ素導入化合物は、非水電解質二次電池用正極活物質として用いられる。 The produced sulfur fluorine-introducing compound is used as a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
(非水電解質二次電池用正極)
本発明の非水電解質二次電池における正極は、は、一般的な非水電解質二次電池用正極と同様の構造にできる。例えば、正極活物質、導電助剤、バインダ、及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正極を製作できる。
(Positive electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery)
The positive electrode in the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention can have the same structure as a general positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery. For example, a positive electrode can be manufactured by applying a positive electrode material in which a positive electrode active material, a conductive additive, a binder, and a solvent are mixed to a current collector.
導電助剤としては、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber:VGCF)、炭素粉末、カーボンブラック正極活物質として上述した硫黄フッ素導入化合物を含有する。正極は、正極活物質以外(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。 As a conductive support agent, the above-mentioned sulfur fluorine introduction | transduction compound is contained as a vapor grown carbon fiber (Vapor Carbon Carbon: VGCF), carbon powder, and a carbon black positive electrode active material. Examples of the positive electrode include other than the positive electrode active material (CB), acetylene black (AB), ketjen black (KB), graphite, fine metal powders stable at the positive electrode potential such as aluminum and titanium.
バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(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 binders, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), carboxymethylcellulose (CMC), polyvinyl chloride (PVC) ), Methacrylic resin (PMA), polyacrylonitrile (PAN), modified polyphenylene oxide (PPO), polyethylene oxide (PEO), polyethylene (PE), polypropylene (PP) and the like.
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、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、上記の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、非水電解質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 positive electrode active material. As another method, a mixture of the above positive electrode active material, the above-described conductive additive and binder is kneaded with a mortar or a press machine to form a film, and the film mixture is formed into a current collector with a press machine or the like. The positive electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries can also be manufactured by crimping | bonding.
集電体としては、非水電解質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、カーボンペーパー(不織布/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なるカーボンペーパー集電体は、水素を含まず、硫黄やフッ素との反応性が低いために、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PAN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 nonaqueous electrolyte 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 nonwoven fabric, copper foil, copper mesh Punching copper sheet, copper expanded sheet, titanium foil, titanium mesh, carbon paper (nonwoven fabric / woven fabric) and the like are exemplified. Among these, a carbon paper current collector made of carbon having a high graphitization degree is suitable as a current collector for a positive electrode active material because it does not contain hydrogen and has low reactivity with sulfur and fluorine. 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.), PAN fibers, etc., which are carbon fiber materials can be used.
本発明の非水電解質二次電池は、正極に伝導材を含むのが好ましい。伝導材とは、自身が高い電気伝導性を示すか、あるいは、正極のイオン伝導性を大きく向上させ得る材料を指す。正極に伝導材を含むことで、正極全体の電気伝導度および/またはイオン伝導性を向上させることができ、非水電解質二次電池の放電レート特性を向上させ得る。伝導材の材料(伝導材材料)としては、硫化物の状態で上記の機能を示すものを用いるのが好ましい。正極活物質の原料たる硫黄によって硫化されても、伝導材の機能を損なわないためである。 The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention preferably contains a conductive material in the positive electrode. The conductive material refers to a material that exhibits high electrical conductivity or that can greatly improve the ionic conductivity of the positive electrode. By including a conductive material in the positive electrode, the electrical conductivity and / or ionic conductivity of the entire positive electrode can be improved, and the discharge rate characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be improved. As the material for the conductive material (conductive material), it is preferable to use a material that exhibits the above function in the state of sulfide. This is because the function of the conductive material is not impaired even if it is sulfided by sulfur as a raw material of the positive electrode active material.
伝導材材料としては、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、硫黄を含む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。 As the conductive material, 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 a sulfide thereof can be used. 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 the state of sulfide or that can greatly improve the ionic conductivity of the positive electrode. For example, Ti, Fe, La, Ce, Pr, Nd Sm, V, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Ta, W, Pb, or a sulfide thereof is 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. By blending the metal into the positive electrode in a sulfide state, the conductive material and the positive electrode active material containing sulfur can be easily combined, 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、電気伝導度及び/又はイオン伝導性(より具体的には、リチウムイオン伝導性、ナトリウムイオン伝導性)の高い伝導材としては、TiS2、FeS2、Me2S3(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)、Me3S4(式中、MeはTi、La、Ce、Pr、Nd、Smから選ばれる一種である)、MexSy(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、又は、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及び/又はイオン伝導性を向上させることができ、非水電解質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、TiSz(式中、zは0.1〜2である)を用いるのがより好ましく、TiS2を用いるのが特に好ましい。 Specifically, as a conductive material having high electrical conductivity and / or ion conductivity (more specifically, lithium ion conductivity, sodium ion conductivity), TiS 2 , FeS 2 , Me 2 S 3 (wherein Me is a kind selected from Ti, La, Ce, Pr, Nd and Sm), MeS (wherein Me is a kind selected from Ti, La, Ce, Pr, Nd and Sm), Me 3 S 4 (wherein Me is a kind selected from Ti, La, Ce, Pr, Nd, Sm), Me x S y (wherein Me is Ti, Fe, V, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Ta, 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 sulfide like said conductive material. By using these conductive material materials, the electrical conductivity and / or ionic conductivity of the entire positive electrode can be improved, and the discharge rate characteristics of the nonaqueous electrolyte 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.
上記正極活物質と伝導材との配合比は、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。伝導材を正極活物質中に略均一に分散させるためには、伝導材は粉末状であるのが好ましい。伝導材は、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 the positive electrode active material and the conductive material is preferably 10: 0.5 to 10: 5, and more preferably 10: 1 to 10: 3, in terms of mass ratio. 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 in the positive electrode active material substantially uniformly, the conductive material is preferably in the form of powder. The conductive material preferably has a particle size measured with 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.
なお、正極活物質と伝導材との混合を同定するには、以下のようにX線回折分析により行うことができる。 In addition, in order to identify mixing of a positive electrode active material and a conductive material, it can carry out by X-ray diffraction analysis as follows.
ASTMカードによるLa2S3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。TiS2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。MoS2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。PANを用いた正極活物質では、回折角(2θ)が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、伝導材を配合した正極活物質−伝導材複合体では、伝導材に由来するピークが現れる。例えば伝導材材料としてLa2S3を用いた場合、24.7、25.1、33.5、37.2°付近にLa2S3のピークが現れる。このピークにより、伝導材材料としてLa2S3を用いたこと(すなわち正極が伝導材としてLa2S3を含むこと)を確認できる。また、伝導材材料としてTiS2を用いた場合には、殆どピークが確認できなかった。伝導材材料としてTiを用いた場合には、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TiS2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TiS2の添加を推測できる。また伝導材材料としてMoS2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MoS2のピークが現れる。このピークにより、伝導材材料としてMoS2を用いたこと(すなわち正極が伝導材としてMoS2を含むこと)を確認できる。伝導材材料としてFeを用いた場合には、28.5、33.0、37.1、40.8、47.4、56.3、59.0°付近にFeS2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、FeS2、Fe2S3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 the 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. In the positive electrode active material using PAN, a broad single peak is recognized around 25 ° in the diffraction angle (2θ) range of 20 to 30 °. On the other hand, in the positive electrode active material-conductive material composite containing the conductive material, a peak derived from the conductive material appears. For example, 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, when TiS 2 was used as the conductive material, almost no peak was confirmed. 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 TiS 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 or fluorescent X-ray analysis are used, Ti is not detected. Since it can be detected, the addition of TiS 2 can be estimated even when no peak is confirmed by X-ray diffraction. Further, when MoS 2 is used as the conductive material, it is around 14.4, 32.7, 33.5, 35.9, 39.6, 44.2, 49.8, 56.0, 58.4 °. The peak of MoS 2 appears. This peak can be confirmed with MoS 2 as a conductive material (i.e. the positive electrode contains MoS 2 as conductive material). When Fe is used as the conductive material, FeS 2 peaks appear in the vicinity of 28.5, 33.0, 37.1, 40.8, 47.4, 56.3, and 59.0 °. From this peak, it can be confirmed that Fe is used as the conductive material (that is, the positive electrode contains at least one of FeS, FeS 2 , and Fe 2 S 3 as the conductive material).
(非水電解質二次電池)
以下、上述の正極活物質を正極に用いた非水電解質二次電池の構成について説明する。正極に関しては、上述したとおりである。
(Non-aqueous electrolyte secondary battery)
Hereinafter, the structure of the nonaqueous electrolyte secondary battery using the above-described positive electrode active material for the positive electrode will be described. The positive electrode is as described above.
〔負極〕
本発明の非水電解質二次電池用における負極活物質としては、金属リチウムまたは金属ナトリウムを用いることができる。金属リチウムを負極活物質に用いる場合、本発明の非水電解質二次電池はリチウム二次電池である。金属ナトリウムを負極活物質に用いる場合、本発明の非水電解質二次電池はナトリウム二次電池(所謂ナトリウム硫黄電池)である。
[Negative electrode]
As the negative electrode active material for the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, metallic lithium or metallic sodium can be used. When metallic lithium is used for the negative electrode active material, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is a lithium secondary battery. When metallic sodium is used for the negative electrode active material, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is a sodium secondary battery (so-called sodium sulfur battery).
負極用の集電体としては、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、カーボンペーパー(不織布/織布)等が例示される。 As the current collector for the negative electrode, aluminum foil, aluminum mesh, punched aluminum sheet, aluminum expanded sheet, stainless steel foil, stainless steel mesh, punched stainless steel sheet, stainless steel expanded sheet, nickel foam, nickel non-woven fabric, copper foil, Examples include copper mesh, punched copper sheet, copper expanded sheet, titanium foil, titanium mesh, carbon paper (nonwoven fabric / woven fabric) and the like.
〔電解質〕
非水電解質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、イソプロピルメチルカーボネート、ビニレンカーボネート、γ−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、負極活物質としてリチウムを用いる場合には、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiI、LiClO4等を用いることができる。負極活物質としてナトリウムを用いる場合には、NaPF6、NaBF4、NaClO4、NaAsF6、NaSbF6、NaCF3SO3、NaN(SO2CF3)2、低級脂肪酸ナトリウム塩、NaAlCl4等から選ばれる一種又は複数種を用いることができる。なかでもLiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、NaPF6、NaBF4、NaAsF6、NaSbF6、NaCF3SO3、NaN(SO2CF3)2等は、フッ素(F)を含むために好ましく用いられる。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ず、固体状(例えば高分子ゲル状)であっても良い。
〔Electrolytes〕
As the electrolyte used for the nonaqueous electrolyte secondary battery, an electrolyte obtained by dissolving an alkali metal salt as an electrolyte 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, isopropyl methyl carbonate, vinylene carbonate, γ-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 when lithium is used as the negative electrode active material. When sodium is used as the negative electrode active material, it is selected from NaPF 6 , NaBF 4 , NaClO 4 , NaAsF 6 , NaSbF 6 , NaCF 3 SO 3 , NaN (SO 2 CF 3 ) 2 , lower fatty acid sodium salt, NaAlCl 4 and the like. One kind or a plurality of kinds can be used. Among them, LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , NaPF 6 , NaBF 4 , NaAsF 6 , NaSbF 6 , NaCF 3 SO 3 , NaN (SO 2 CF 3 ) 2 and the like contain fluorine (F). Therefore, it is preferably used. The concentration of the electrolyte may be about 0.5 mol / L to 1.7 mol / L. Note that the electrolyte is not limited to liquid, and may be solid (for example, a polymer gel).
〔その他〕
非水電解質二次電池は、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。非水電解質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、PAN、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。非水電解質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 nonaqueous electrolyte 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 non-aqueous electrolyte 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, PAN, aramid, polyimide, cellulose, glass or the like. The shape of the nonaqueous electrolyte secondary battery is not particularly limited, and can be various shapes such as a cylindrical shape, a stacked shape, and a coin shape.
以下、本発明の非水電解質二次電池を具体的に説明する。 Hereinafter, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention will be specifically described.
(実施例1)
実施例1の非水電解質二次電池はリチウム二次電池である。実施例1の非水電解質二次電池は以下のように作製した。
Example 1
The nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1 is a lithium secondary battery. The nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1 was produced as follows.
〔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。PAN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。硫黄粉末5質量部と、PAN粉末1質量部とを乳鉢で混合・粉砕して、混合原料を得た。
[1] Mixed raw material A sulfur powder having a particle size of 50 μm or less when classified using a sieve was prepared. A PAN powder having a particle size in the range of 0.2 μm to 2 μm when prepared with an electron microscope was prepared. 5 parts by mass of sulfur powder and 1 part by mass of PAN powder were mixed and pulverized in a mortar to obtain a mixed raw material.
〔2〕装置
図3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. 3, the
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
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
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
〔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360℃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400℃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400℃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400℃で約10分であり、硫黄は還流された。
[3] Heat treatment step The
〔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200℃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)硫黄変性PAN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 200 ° C. for 3 hours while being vacuumed. The temperature elevation temperature at this time was 10 ° C./min. By this process, the elemental sulfur remaining in the object to be treated after the heat treatment process was evaporated and removed, and a sulfur-modified PAN not including (or substantially not including) elemental sulfur was obtained.
硫黄変性PANについて元素分析を行ったところ、硫黄及び炭素等の存在が確認された。硫黄変性PANについてラマンスペクトルを測定したところ、ラマンシフトの1331cm-1付近などに、硫黄変性PAN特有のピークが認められた。 Elemental analysis of sulfur-modified PAN confirmed the presence of sulfur, carbon, and the like. When the Raman spectrum of sulfur-modified PAN was measured, a peak peculiar to sulfur-modified PAN was observed in the vicinity of 1331 cm −1 of the Raman shift.
〔5〕フッ化工程
無水フッ化水素の中に硫黄変性PANを−30℃の条件の下で0.2時間浸けて、フッ素を導入した。
[5] Fluorination step Sulfur-modified PAN was immersed in anhydrous hydrogen fluoride at -30 ° C for 0.2 hours to introduce fluorine.
生成したフッ化変性炭素材料について元素分析を行ったところ、フッ素、硫黄、炭素の存在が認められた。また、ラマンスペクトルについて測定したところ、ラマンシフトの1331cm-1付近などに、硫黄変性PAN特有のピークが認められた。このことから、フッ素導入後にも、硫黄変性PANの変性部分が残っていることがわかる。 Elemental analysis of the produced fluorinated modified carbon material revealed the presence of fluorine, sulfur and carbon. Further, when the Raman spectrum was measured, a peak peculiar to sulfur-modified PAN was recognized in the vicinity of 1331 cm −1 of the Raman shift. This shows that the modified part of sulfur-modified PAN remains even after the introduction of fluorine.
<リチウム二次電池の製作>
〔1〕正極
単体硫黄除去工程で得られた正極活物質60質量部と、ケッチェンブラック(KB)20質量部と、ポリイミド(PI)20質量部と、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)と、を混合してスラリーを作製した。
<Production of lithium secondary battery>
[1]
一方、カーボンペーパー(「TGP−H−030」東レ社製)を直径φ13mmに打ち抜いた集電体を用意し、上記スラリーを充填した後に200℃で2時間、減圧下で乾燥して正極を作製した。 On the other hand, a current collector prepared by punching carbon paper (“TGP-H-030” manufactured by Toray Industries, Inc.) to a diameter of 13 mm is prepared, and after filling the slurry, dried at 200 ° C. under reduced pressure for 2 hours to produce a positive electrode. did.
〔2〕負極
負極には、金属リチウムを厚さ約0.5mm、直径φ13mmに成形した円盤状のリチウム箔を用いた。
[2] Negative electrode As the negative electrode, a disc-shaped lithium foil formed of metallic lithium with a thickness of about 0.5 mm and a diameter of 13 mm was used.
〔3〕電解液
電解液としては、プロピレンカーボネートに、LiPF6を溶解した非水電解質を用いた。電解液中のLiPF6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 propylene carbonate was used. The concentration of LiPF 6 in the electrolytic solution was 1.0 mol / L.
〔4〕電池
上記〔1〕、〔2〕、〔3〕で得た正極、負極および電解液を用いて、コイン電池を製作した。詳しくは、ドライルーム内で、厚さ25μmのポリプロピレン微多孔質膜からなるセパレータ(「Celgard2400」Celgard社製)と、厚さ500μmのガラス不織布フィルタと、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、実施例1の非水電解質二次電池を得た。
[4] Battery A coin battery was manufactured using the positive electrode, the negative electrode and the electrolytic solution obtained in [1], [2] and [3] above. Details sandwiched, within a dry room, and a separator made of polypropylene microporous multi-porous film having a thickness of 25 [mu] m ( "Celgard2400" Celgard Inc.), a glass nonwoven fabric filter having a thickness of 500 [mu] m, the between the positive electrode and the negative electrode Thus, an electrode body battery was obtained. 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 the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1.
実施例1の非水電解質二次電池について作動が確認された。 The operation of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1 was confirmed.
(実施例2)
実施例2の非水電解質二次電池は、正極活物質として、フッ素化変性PANに代えて、フッ素化変性アントラセンを用いた点が相違する。以下、フッ素化変性アントラセンの製造方法について説明する。
(Example 2)
The nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 2 is different in that fluorinated modified anthracene is used as the positive electrode active material instead of fluorinated modified PAN. Hereinafter, a method for producing the fluorinated modified anthracene will be described.
まず、混合工程において、アントラセン粉末に平均粒径50μmの硫黄粉末を混合し、混合原料を調製した。混合原料中におけるアントラセンと硫黄との配合比率は、重量比で硫黄5質量部に対してアントラセンが1質量部となるようにした。 First, in the mixing step, sulfur powder having an average particle size of 50 μm was mixed with anthracene powder to prepare a mixed raw material. The mixing ratio of anthracene and sulfur in the mixed raw material was such that anthracene was 1 part by mass with respect to 5 parts by mass of sulfur.
熱処理工程において、上記の混合原料を、実施例1と同様の反応装置を用いて、同条件で、硫黄を還流させながら熱処理を施した。 In the heat treatment step, the mixed raw material was subjected to a heat treatment using the same reaction apparatus as in Example 1 and refluxing sulfur under the same conditions.
単体硫黄除去工程において、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200℃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)硫黄変性アントラセンを得た。 In the elemental sulfur removal step, 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 200 ° 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 was evaporated and removed, and a sulfur-modified anthracene containing no (or almost not including) elemental sulfur was obtained.
フッ化工程において、無水フッ化水素をフッ化剤として用い、硫黄変性アントラセンについて上記実施例1と同様にフッ素を導入した。これにより、フッ素化変性アントラセンを得た。 In the fluorination step, anhydrous hydrogen fluoride was used as a fluorinating agent, and fluorine was introduced in the same manner as in Example 1 above for sulfur-modified anthracene. Thereby, fluorinated modified anthracene was obtained.
得られたフッ素化変性アントラセンについて元素分析を行ったところ、フッ素、硫黄及び炭素などの存在が確認された。また、FT−IRスペクトルを測定したところ、1056cm−1付近と、840cm−1付近と、にそれぞれピークが存在し、アントラセンのFT−IRスペクトルとは全く異なっていた。このことから、フッ素導入後にも、硫黄変性アントラセンの変性部分が残っていることがわかる。 When elemental analysis was performed on the obtained fluorinated modified anthracene, the presence of fluorine, sulfur, carbon and the like was confirmed. The measured FT-IR spectrum, a near 1056cm -1, there are respectively a peak and around 840 cm -1, the was quite different from the FT-IR spectrum of the anthracene. This shows that the modified part of sulfur-modified anthracene remains even after the introduction of fluorine.
上記のフッ素化変性アントラセンを正極活物質として用い、実施例1と同様に非水電解質二次電池を作製した。作製した非水電解質二次電池の作動は確認された。 A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 using the above fluorinated modified anthracene as the positive electrode active material. The operation of the produced nonaqueous electrolyte secondary battery was confirmed.
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 (7)
前記炭素化合物を硫黄で変性させてなる硫黄変性体に、フッ化剤を接触させることにより該硫黄変性体の中の硫黄で変性された硫黄変性部分の少なくとも一部を残しながら該硫黄変性体にフッ素を導入して前記硫黄フッ素導入化合物を得ることを特徴とする非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 A method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 3 ,
A sulfur-modified product obtained by modifying the carbon compound with sulfur is brought into contact with a fluorinating agent to leave at least a part of the sulfur-modified portion modified with sulfur in the sulfur-modified product. A method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein fluorine is introduced to obtain the sulfur fluorine-introducing compound.
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