JP6061139B2 - Method for producing positive electrode mixture for all-solid-state lithium-sulfur battery - Google Patents

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Description

本発明は、正極合材及び全固体型リチウム硫黄電池に関する。   The present invention relates to a positive electrode mixture and an all solid-state lithium-sulfur battery.

硫黄は、理論容量が約1672mAh/gと非常に高いことが知られており、硫黄を正極活物質として使用したリチウム硫黄電池の研究が盛んに行われている。   Sulfur is known to have a very high theoretical capacity of about 1672 mAh / g, and lithium sulfur batteries using sulfur as a positive electrode active material have been actively studied.

リチウム硫黄電池は、電解質として液体電解質を用いた液体型リチウム硫黄電池と、固体電解質を用いた全固体型リチウム硫黄電池とに大別されるが、液体型リチウム硫黄電池では、リチウムイオンと硫黄との反応により生成した多硫化リチウムが電解質溶液中に溶け出し、電池の充放電容量や寿命に悪影響を与えることが問題となっていた。   Lithium-sulfur batteries are broadly classified into liquid lithium-sulfur batteries using a liquid electrolyte as an electrolyte and all-solid-state lithium-sulfur batteries using a solid electrolyte. It has been a problem that lithium polysulfide produced by the above reaction dissolves in the electrolyte solution and adversely affects the charge / discharge capacity and life of the battery.

一方、全固体型リチウム硫黄電池は、硫化リチウムが電解質溶液に溶け出す問題が生じないため、電池の充放電容量の維持や長寿命化に適している。また、可燃性の有機溶媒を含まないために液漏れや発火のおそれがなく安全性を確保できる点や、セパレータが不要である点等、全固体型リチウム硫黄電池の持つ優れた特性に注目が集まっている。   On the other hand, the all-solid-state lithium-sulfur battery is suitable for maintaining the charge / discharge capacity of the battery and extending its life because there is no problem that lithium sulfide dissolves into the electrolyte solution. In addition, because it does not contain a flammable organic solvent, attention has been paid to the excellent characteristics of all-solid-state lithium-sulfur batteries, such as the possibility of ensuring safety without the risk of liquid leakage or ignition, and the need for a separator. Gathered.

全固体型リチウム硫黄電池の正極合材層中では、下記式(1)に示す可逆反応のうち、放電時には右向きの反応が、充電時には左向きの反応が、それぞれ優位に進行している。
S+2Li+2e ⇔ LiS (1)
しかしながら、全固体型リチウム硫黄電池では、負極、固体電解質層及び正極合材層が実質的に溶媒を含有せず、また、正極活物質として正極合材層に含まれる硫黄が電気絶縁性であるため、正極合材層における電子伝導性及びリチウムイオン伝導性が非常に低い。このため、充放電に際して上記式(1)に示す反応の反応性が乏しく、十分な充放電容量を確保することができないという課題があった。
In the positive electrode mixture layer of the all-solid-state lithium-sulfur battery, among the reversible reactions represented by the following formula (1), a rightward reaction during discharge and a leftward reaction during charging proceed preferentially.
S + 2Li + + 2e ⇔ Li 2 S (1)
However, in the all-solid-state lithium-sulfur battery, the negative electrode, the solid electrolyte layer, and the positive electrode mixture layer substantially contain no solvent, and the sulfur contained in the positive electrode mixture layer as the positive electrode active material is electrically insulating. Therefore, the electronic conductivity and lithium ion conductivity in the positive electrode mixture layer are very low. For this reason, the reactivity of the reaction shown in the above formula (1) is poor at the time of charge / discharge, and there is a problem that a sufficient charge / discharge capacity cannot be secured.

この課題を解決する方法として、正極合材に含まれる固体電解質(イオン伝導性物質)として、導電率の高い固体電解質を用いることが提案されている(特許文献1)。導電率の高い固体電解質を用いることにより、リチウムイオンが負極から固体電解質層を介して正極合材層中の反応界面まで移動する際の抵抗が小さくなり、充放電特性が向上すると考えられている。   As a method for solving this problem, it has been proposed to use a solid electrolyte having high conductivity as the solid electrolyte (ion conductive substance) contained in the positive electrode mixture (Patent Document 1). By using a solid electrolyte with high conductivity, it is believed that the resistance when lithium ions move from the negative electrode through the solid electrolyte layer to the reaction interface in the positive electrode mixture layer is reduced, and charge / discharge characteristics are improved. .

特開2012−160415号公報JP 2012-160415 A

しかしながら、従来の正極合材を用いて全固体型リチウム硫黄電池を作製しても、その充放電容量が未だ不十分であり、硫黄の持つ優れた物性を活かしきれていない課題があった。   However, even when an all-solid-state lithium-sulfur battery is produced using a conventional positive electrode mixture, the charge / discharge capacity is still insufficient, and there is a problem that the excellent physical properties of sulfur cannot be fully utilized.

本発明者らは、全固体型リチウム硫黄電池とした場合の充放電容量を改善すべく正極合材について鋭意検討したところ、正極合材にて、所定の特性を有する硫黄界面反応向上剤を高い導電性を有する固体電解質と組み合わせて使用することにより、硫黄、電子及びリチウムイオンが反応界面で反応する際の抵抗が低下し、上記式(1)で示す反応の反応性が向上する結果、全固体型リチウム硫黄電池の充放電容量を向上させることができるとの新たな知見を得て、本発明を完成した。   The inventors of the present invention have made extensive studies on the positive electrode mixture to improve the charge / discharge capacity in the case of an all-solid-state lithium-sulfur battery. As a result, the positive electrode mixture has a high sulfur interfacial reaction improver having predetermined characteristics. As a result of using in combination with a solid electrolyte having conductivity, the resistance when sulfur, electrons and lithium ions react at the reaction interface is reduced, and the reactivity of the reaction represented by the above formula (1) is improved. The present invention was completed by obtaining new knowledge that the charge / discharge capacity of a solid-state lithium-sulfur battery can be improved.

即ち、本発明の正極合材は、硫黄又はその放電生成物(A)、P、又はPがLiSとPの総量に対してモル比で30%以上であるLiSとPとの複合化物である、硫黄界面反応向上剤(B)、導電材(C)、並びにLiSとMとの複合化物(ここで、Mは、P、Si、Ge、B及びAlからなる群より選択される元素のうち少なくとも一つであり、x及びyは、独立して、Mの種類に応じて決定される化学量論比を与える整数を表わす)であって、その組成比(モル比)がLiS:M=70:30〜85:15であり、0.1mS/cm以上の導電率を有する固体電解質(D)(但し、PがLiSとPの総量に対してモル比で30%であるLiSとPとの複合化物は除く)を含み、全固体型リチウム硫黄電池の正極合材層に用いられることを特徴とする。 That is, in the positive electrode mixture of the present invention, sulfur or its discharge product (A), P 2 S 5 , or P 2 S 5 is 30% or more in molar ratio with respect to the total amount of Li 2 S and P 2 S 5. Li 2 S and P 2 S 5, which are composites of sulfur interface reaction improver (B), conductive material (C), and composites of Li 2 S and M x S y (where M Is at least one element selected from the group consisting of P, Si, Ge, B and Al, and x and y independently represent a stoichiometric ratio determined according to the type of M. A solid electrolyte having a composition ratio (molar ratio) of Li 2 S: M x S y = 70: 30 to 85:15 and having a conductivity of 0.1 mS / cm or more. D) (where 30% at a molar ratio of P 2 S 5 is the total amount of Li 2 S and P 2 S 5 Li 2 S Includes a composite compound is excluded) with P 2 S 5, characterized in that it is used in the positive-electrode mixture layer of the all-solid-state lithium-sulfur battery.

本発明の正極合材は、上記硫黄又はその放電生成物(A)、上記硫黄界面反応向上剤(B)及び上記導電材(C)を混合する第1混合処理の後で、上記固体電解質(D)を添加し、さらに混合する第2混合処理を行うことで得られるものであることが好ましい。
また、本発明の正極合材において、上記固体電解質(D)の含有量は、上記硫黄又はその放電生成物(A)100重量部に対して、5〜100重量部であることが好ましい。
The positive electrode mixture of the present invention is obtained after the first mixing treatment in which the sulfur or its discharge product (A), the sulfur interface reaction improver (B), and the conductive material (C) are mixed. It is preferable that it is a thing obtained by adding the D) and performing the 2nd mixing process which mixes further.
In the positive electrode mixture of the present invention, the content of the solid electrolyte (D) is preferably 5 to 100 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the sulfur or a discharge product (A) thereof.

さらに、本発明の正極合材において、上記第1混合処理は公転速度100〜600rpm、0.1〜15時間の条件下で遊星型ボールミルを用いて行われ、上記第2混合処理は公転速度50〜500rpm、0.1〜15時間の条件下で遊星型ボールミルを用いて行われることが好ましい。
また、上記固体電解質(D)は、LiS:P=75:25〜85:15であるLiSとPとの複合化物、またはLiS:P:GeS=70〜80:20〜10:10〜0であるLiSとPとGeSとの複合化物であることが好ましい。
さらに、上記固体電解質(D)は、リチウム塩をさらに含んでいてもよい。
Furthermore, in the positive electrode mixture of the present invention, the first mixing treatment is performed using a planetary ball mill under conditions of a revolution speed of 100 to 600 rpm and 0.1 to 15 hours, and the second mixing treatment is performed at a revolution speed of 50. It is preferably carried out using a planetary ball mill under conditions of ˜500 rpm and 0.1 to 15 hours.
Further, the solid electrolyte (D) is, Li 2 S: P 2 S 5 = 75: 25~85: composite compound of Li 2 S and P 2 S 5 is 15 or Li 2 S,: P 2 S 5 : GeS 2 = 70 to 80:20 to 10:10 is preferably a composite of Li 2 S, P 2 S 5, and GeS 2 .
Furthermore, the solid electrolyte (D) may further contain a lithium salt.

また、本発明の正極合材の製造方法は、以下の工程を含むことを特徴とする:
(1)硫黄又はその放電生成物(A)、P、又はPがLiSとPの総量に対してモル比で30%以上であるLiSとPとの複合化物である、硫黄界面反応向上剤(B)、及び導電材(C)を混合する工程;並びに
(2)工程(1)で得られた混合物に、LiSとMとの複合化物(ここで、Mは、P、Si、Ge、B及びAlからなる群より選択される元素のうち少なくとも一つであり、x及びyは、独立して、Mの種類に応じて決定される化学量論比を与える整数を表わす)であって、その組成比(モル比)がLiS:M=70:30〜85:15であり、0.1mS/cm以上の導電率を有する固体電解質(但し、PがLiSとPの総量に対してモル比で30%であるLiSとPとの複合化物は除く)を添加し、さらに混合する工程。
Moreover, the manufacturing method of the positive electrode mixture of the present invention includes the following steps:
(1) Sulfur or discharge products (A), P 2 S 5 , or P 2 S 5 is more than 30% by molar ratio relative to the total amount of Li 2 S and P 2 S 5 Li 2 S and P A step of mixing a sulfur interfacial reaction improver (B) and a conductive material (C), which is a composite with 2 S 5 ; and (2) adding Li 2 S and M to the mixture obtained in step (1) x S y complex (wherein M is at least one element selected from the group consisting of P, Si, Ge, B, and Al, and x and y are independently M Represents a stoichiometric ratio determined according to the type), and the composition ratio (molar ratio) is Li 2 S: M x S y = 70: 30 to 85:15; a solid electrolyte having 1 mS / cm or more conductivity (however, mode P 2 S 5 is the total amount of Li 2 S and P 2 S 5 Was added composite compound is excluded) between Li 2 S and P 2 S 5 is 30% in the ratio, further mixing step.

本発明の正極合材の製造方法では、上記固体電解質(D)の含有量は、上記硫黄又はその放電生成物(A)100重量部に対して、5〜100重量部であることが好ましい。
また、本発明の正極合材の製造方法では、上記工程(1)の混合が公転速度100〜600rpm、0.1〜15時間の条件下で遊星型ボールミルを用いて行われ、上記工程(2)の混合が公転速度50〜500rpm、0.1〜15時間の条件下で遊星型ボールミルを用いて行われることが好ましい。
さらに、本発明の正極合材の製造方法では、上記固体電解質(D)がLiS:P=75:25〜85:15であるLiSとPとの複合化物、またはLiS:P:GeS=70〜80:20〜10:10〜0であるLiSとPとGeSとの複合化物であることが好ましい。
また、本発明の正極合材の製造方法では、上記固体電解質(D)がリチウム塩をさらに含んでいてもよい。
In the method for producing a positive electrode mixture of the present invention, the content of the solid electrolyte (D) is preferably 5 to 100 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the sulfur or its discharge product (A).
In the method for producing a positive electrode mixture of the present invention, the mixing in the step (1) is performed using a planetary ball mill under the conditions of a revolution speed of 100 to 600 rpm and 0.1 to 15 hours. ) Is preferably performed using a planetary ball mill under conditions of a revolution speed of 50 to 500 rpm and 0.1 to 15 hours.
Furthermore, in the method for producing a positive electrode mixture of the present invention, a composite of Li 2 S and P 2 S 5 in which the solid electrolyte (D) is Li 2 S: P 2 S 5 = 75: 25 to 85:15 Or Li 2 S: P 2 S 5 : GeS 2 = 70 to 80:20 to 10:10 is preferably a composite of Li 2 S, P 2 S 5 and GeS 2 .
In the method for producing a positive electrode mixture of the present invention, the solid electrolyte (D) may further contain a lithium salt.

さらに、本発明の全固体型リチウム硫黄電池は、上記正極合材を含む正極合材層、固体電解質層、負極及び集電体を備えることを特徴とする。   Furthermore, the all solid-state lithium-sulfur battery of the present invention includes a positive electrode mixture layer including the positive electrode mixture, a solid electrolyte layer, a negative electrode, and a current collector.

本発明の正極合材では、P、又はPがLiSとPの総量に対してモル比で30%以上であるLiSとPとの複合化物である、硫黄界面反応向上剤(B)を高い導電性を有する固体電解質(D)と組み合わせて使用するため、全固体型リチウム硫黄電池の正極合材層として用いた場合に、硫黄、電子及びリチウムイオンが反応界面で反応する際の抵抗が小さく、充放電特性に優れた全固体型リチウム硫黄電池を提供することができる。
また、本発明の全固体型リチウム硫黄電池は、本発明の正極合材を含む正極合材層を備えるため、充放電特性に優れる特徴を有する。
In the positive electrode mixture of the present invention, P 2 S 5 or P 2 S 5 is a mixture of Li 2 S and P 2 S 5 having a molar ratio of 30% or more with respect to the total amount of Li 2 S and P 2 S 5 . Since the sulfur interfacial reaction improver (B), which is a composite, is used in combination with the solid electrolyte (D) having high conductivity, when used as a positive electrode mixture layer of an all-solid-state lithium-sulfur battery, sulfur, It is possible to provide an all solid-state lithium-sulfur battery that has low resistance when electrons and lithium ions react at the reaction interface and has excellent charge / discharge characteristics.
Moreover, since the all-solid-state lithium-sulfur battery of this invention is equipped with the positive mix layer containing the positive mix of this invention, it has the characteristic which is excellent in charging / discharging characteristics.

1.正極合材
まず、本発明の正極合材について説明する。
本発明の正極合材は、硫黄又はその放電生成物(A)、P、又はPがLiSとPの総量に対してモル比で30%以上であるLiSとPとの複合化物である、硫黄界面反応向上剤(B)、導電材(C)、並びにLiSとMとの複合化物(ここで、Mは、P、Si、Ge、B及びAlからなる群より選択される元素のうち少なくとも一つであり、x及びyは、独立して、Mの種類に応じて決定される化学量論比を与える整数を表わす)であって、その組成比(モル比)がLiS:M=70:30〜85:15であり、0.1mS/cm以上の導電率を有する固体電解質(D)(但し、PがLiSとPの総量に対してモル比で30%であるLiSとPとの複合化物は除く)を含み、全固体型リチウム硫黄電池の正極合材層に用いられることを特徴とする。
1. Positive electrode will be described first positive-electrode mixture of the present invention.
In the positive electrode mixture of the present invention, sulfur or its discharge product (A), P 2 S 5 , or P 2 S 5 is 30% or more by molar ratio with respect to the total amount of Li 2 S and P 2 S 5. A composite of Li 2 S and P 2 S 5 , a sulfur interface reaction improver (B), a conductive material (C), and a composite of Li 2 S and M x S y (where M is Is at least one element selected from the group consisting of P, Si, Ge, B and Al, and x and y are integers that independently give a stoichiometric ratio determined according to the type of M The solid electrolyte (D) having a composition ratio (molar ratio) of Li 2 S: M x S y = 70: 30 to 85:15 and having a conductivity of 0.1 mS / cm or more. (However, Li P 2 S 5 is 30% in terms of the molar ratio to the total amount of Li 2 S and P 2 S 5 2 S and P 2 Composite compound with S 5 is excluded) comprises, characterized in that it is used in the positive-electrode mixture layer of the all-solid-state lithium-sulfur battery.

1−1.硫黄又はその放電生成物(A)
本発明の正極合材は、上記硫黄又はその放電生成物(A)を正極活物質として含有する。
上記硫黄としては、単体の硫黄等を用いることができる。
また、上記硫黄の放電生成物としては特に限定されないが、例えば、Li、Li、Li等の多硫化リチウムや、硫化リチウム(LiS)等を用いることができる。これらの化合物は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよく、また、単体の硫黄と併用してもよい。
1-1. Sulfur or its discharge product (A)
The positive electrode mixture of the present invention contains the above sulfur or its discharge product (A) as a positive electrode active material.
As the sulfur, single sulfur or the like can be used.
The sulfur discharge product is not particularly limited. For example, lithium polysulfide such as Li 2 S 8 , Li 2 S 4 , Li 2 S 2 , lithium sulfide (Li 2 S), or the like is used. it can. These compounds may be used alone or in combination of two or more, or may be used in combination with single sulfur.

上記硫黄又はその放電生成物(A)の含有量は、特に限定されないが、正極合材に対し、10〜90重量%であることが好ましく、25〜80重量%であることがより好ましい。
上記硫黄又はその放電生成物(A)の含有量が10重量%未満であると、十分な充放電容量が得られないことがあり、90重量%を超えると、硫黄界面反応向上剤(B)、導電材(C)及び固体電解質(D)の正極合材に占める割合が小さくなり、充放電効率が低下することがある。
Although content of the said sulfur or its discharge product (A) is not specifically limited, It is preferable that it is 10 to 90 weight% with respect to a positive electrode compound material, and it is more preferable that it is 25 to 80 weight%.
When the content of the sulfur or the discharge product (A) is less than 10% by weight, a sufficient charge / discharge capacity may not be obtained. When the content exceeds 90% by weight, the sulfur interface reaction improver (B) The proportion of the conductive material (C) and the solid electrolyte (D) in the positive electrode mixture may be reduced, and the charge / discharge efficiency may be reduced.

1−2.硫黄界面反応向上剤(B)
本発明の正極合材は、硫黄界面反応向上剤(B)を含有する。
本発明において、硫黄界面反応向上剤(B)とは、正極合材中で、硫黄、電子及びリチウムイオンが反応界面で反応する際の抵抗を低下させる役割を担うものである。硫黄界面反応向上剤(B)を正極合材に配合することで、硫黄、電子及びリチウムイオンが反応界面で反応する際の抵抗が低下することとなり、正極合材にて後述の固体電解質(D)と組み合わせて使用することで、全固体型リチウム硫黄電池とした場合の充放電容量を向上させることができる。
1-2. Sulfur interfacial reaction improver (B)
The positive electrode mixture of the present invention contains a sulfur interface reaction improver (B).
In the present invention, the sulfur interface reaction improver (B) plays a role of reducing the resistance when sulfur, electrons and lithium ions react at the reaction interface in the positive electrode mixture. By blending the sulfur interface reaction improver (B) into the positive electrode mixture, the resistance when sulfur, electrons and lithium ions react at the reaction interface decreases, and the solid electrolyte (D ), The charge / discharge capacity in the case of an all-solid-state lithium-sulfur battery can be improved.

上記硫黄界面反応向上剤(B)は、硫黄、電子及びリチウムイオンが反応界面で反応する際の抵抗を低下させることができるものであれば特に限定されず、その具体例としては、P、もしくはPがLiSとPの総量に対してモル比で30%以上であるLiSとPとの複合化物等を挙げることができる。これらの化合物は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。 The sulfur interface reaction improver (B) is not particularly limited as long as it can reduce the resistance when sulfur, electrons and lithium ions react at the reaction interface, and specific examples thereof include P 2 S. 5, or P 2 S 5 can be mentioned composite compound such as a Li 2 S and P 2 S 5 is at least 30% by molar ratio relative to the total amount of Li 2 S and P 2 S 5. These compounds may be used independently and may use 2 or more types together.

本発明において、「複合化物」とは、単に所定の成分が混合されたものではなく、所定の成分が混合されたものに機械的、熱的又は化学的なエネルギーが加えられ、当該所定の成分の全部又は一部に化学反応が生じたものをいう。
また、本明細書において、「複合化する」とは、単に所定の成分を混合することではなく、所定の成分を混合したものに機械的、熱的又は化学的なエネルギーを加えることにより、当該所定の成分の全部又は一部に化学反応を生じさせることをいう。
In the present invention, the “composite” is not simply a mixture of predetermined components, but mechanical, thermal, or chemical energy is added to a mixture of predetermined components, and the predetermined components are mixed. A chemical reaction has occurred in all or part of the above.
Further, in this specification, “composite” does not mean simply mixing predetermined components, but adding mechanical, thermal, or chemical energy to a mixture of predetermined components. A chemical reaction is caused in all or a part of a predetermined component.

上記LiSとPとの複合化物としては、PがLiSとPの総量に対してモル比で30%以上であれば特に限定されるものではない。 The composite compound of the Li 2 S and P 2 S 5, it is not particularly limited as long as more than 30% at a molar ratio of P 2 S 5 is the total amount of Li 2 S and P 2 S 5 .

上記LiSとPとの複合化物を得る方法としては、例えば、遊星ボールミルを用いて、自転速度150〜500rpm、公転速度200〜1000rpm(自転と逆回転)で0.5〜10時間処理する方法等が挙げられる。
ここで、LiSとPとが複合化したものか、又はLiSとPとが単に混合しただけのものかは、ラマン分光法により確認することができる。LiSとPとが複合化した場合、ラマン分光法による測定において、単に混合したものと比べて、P由来の300cm−1付近のピークが消失するか、又は400cm−1付近の主ピークに対して相対的に小さくなるが、このことを指標に、LiSとPとが複合化したか否かを判断することができる。
As a method for obtaining a composite of Li 2 S and P 2 S 5 , for example, using a planetary ball mill, a rotation speed of 150 to 500 rpm, a revolution speed of 200 to 1000 rpm (rotation and reverse rotation) is 0.5 to 10 For example, a time processing method may be used.
Here, whether Li 2 S and P 2 S 5 are combined or whether Li 2 S and P 2 S 5 are simply mixed can be confirmed by Raman spectroscopy. When Li 2 S and P 2 S 5 are complexed, the peak near 300 cm −1 derived from P 2 S 5 disappears in the measurement by Raman spectroscopy, or 400 cm Although it becomes relatively small with respect to the main peak in the vicinity of 1 , it is possible to determine whether Li 2 S and P 2 S 5 are combined using this as an index.

上記正極合材における硫黄界面反応向上剤(B)の含有量は特に限定されないが、正極合材中の硫黄又はその放電生成物(A)100重量部に対して、10〜200重量部であることが好ましく、20〜100重量部であることがより好ましい。
上記含有量が10重量部未満であると、硫黄、電子及びリチウムイオンが反応界面で反応する際の抵抗を十分に低下させることができず、充放電容量が不十分なことがあり、また、200重量部を超えると、硫黄又はその放電生成物(A)、導電材(C)及び固体電解質(D)の正極合材に占める割合が小さくなり、正極合材当たりの充放電容量を低下させることがある。
The content of the sulfur interface reaction improver (B) in the positive electrode mixture is not particularly limited, but is 10 to 200 parts by weight with respect to 100 parts by weight of sulfur in the positive electrode mixture or its discharge product (A). It is preferably 20 to 100 parts by weight.
When the content is less than 10 parts by weight, the resistance when sulfur, electrons and lithium ions react at the reaction interface cannot be sufficiently reduced, and the charge / discharge capacity may be insufficient, If it exceeds 200 parts by weight, the proportion of sulfur or its discharge product (A), conductive material (C) and solid electrolyte (D) in the positive electrode mixture decreases, and the charge / discharge capacity per positive electrode mixture decreases. Sometimes.

1−3.導電材(C)
本発明の正極合材は、導電材(C)を電子伝導体として含有する。
上記導電材(C)としては特に限定されないが、例えば、アセチレンブラック、活性炭、中空シェル構造を有するカーボンブラック(以下、ケッチェンブラック(商標)ともいう)、ファーネスブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン等が挙げられる。
これらの中では、導電性に優れ、かつ、BET比表面積が大きいことから、アセチレンブラック、ケッチェンブラック及び活性炭が好ましい。
1-3. Conductive material (C)
The positive electrode mixture of the present invention contains a conductive material (C) as an electron conductor.
Although it does not specifically limit as said electrically conductive material (C), For example, acetylene black, activated carbon, carbon black (henceforth Ketjen black (trademark)) which has a hollow shell structure, furnace black, a carbon nanotube, graphene etc. are mentioned. It is done.
Among these, acetylene black, ketjen black, and activated carbon are preferable because they are excellent in conductivity and have a large BET specific surface area.

上記中空シェル構造を有するカーボンブラックとは、導電性カーボンブラックの一種であり、空隙率は60〜80%程度の中空シェル状の構造を持つものをいう。ここで「中空シェル構造」とは、黒鉛結晶が薄く寄り集まって粒子形態の外殻を形成し、外殻の内側に空隙を有する構造をいう。上記中空シェル構造を有するカーボンブラックとしては、例えば、ケッチェンブラック(ライオン社製)等が挙げられる。   The carbon black having a hollow shell structure is a kind of conductive carbon black and has a hollow shell structure with a porosity of about 60 to 80%. Here, the “hollow shell structure” refers to a structure in which graphite crystals are thinly gathered to form an outer shell in the form of particles and have voids inside the outer shell. Examples of the carbon black having the hollow shell structure include ketjen black (manufactured by Lion Corporation).

上記導電材(C)のBET比表面積は、特に限定されないが、10m/g以上であることが好ましく、100m/g以上であることがより好ましい。
上記BET比表面積が10m/g未満であると、正極合材内の電子伝導性が不十分となり、充放電効率が低下することがある。
Although the BET specific surface area of the said electrically conductive material (C) is not specifically limited, It is preferable that it is 10 m < 2 > / g or more, and it is more preferable that it is 100 m < 2 > / g or more.
When the BET specific surface area is less than 10 m 2 / g, the electron conductivity in the positive electrode mixture becomes insufficient, and the charge / discharge efficiency may be lowered.

本明細書において、BET比表面積とは、Brenauer−Emmet−Telle(BET)法により求めた比表面積をいい、具体的には、導電性カーボンのサンプルを液体窒素温度下において、サンプルに窒素ガスを吸着して得られる窒素吸着等温線を用いて求めた比表面積をいう。
上記BET比表面積を求めるための測定装置としては、例えば、自動比表面積/細孔分布測定装置(日本ベル株式会社製、BELSORP−mini II)を用いることができる。
In this specification, the BET specific surface area refers to the specific surface area determined by the Brenauer-Emmet-Telle (BET) method. Specifically, a conductive carbon sample is subjected to nitrogen gas at a liquid nitrogen temperature. The specific surface area determined using a nitrogen adsorption isotherm obtained by adsorption.
As a measuring device for obtaining the BET specific surface area, for example, an automatic specific surface area / pore distribution measuring device (BELSORP-mini II manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.) can be used.

上記導電材(C)の含有量は特に限定されないが、正極合材中の硫黄又はその放電生成物(A)100重量部に対して、5〜200重量部であることが好ましく、10〜100重量部であることがより好ましい。
上記導電材(C)の含有量が5重量部未満であると、正極へ移動可能な電子の量が減少し十分な放電容量が得られないことがあり、200重量部を超えると、イオン伝導性物質(A)及び硫黄又はその放電生成物(B)の正極合材に占める割合が小さくなり、充放電効率が低下することがある。
Although content of the said electrically conductive material (C) is not specifically limited, It is preferable that it is 5-200 weight part with respect to 100 weight part of sulfur or its discharge product (A) in positive electrode compound material, 10-100 More preferred are parts by weight.
If the content of the conductive material (C) is less than 5 parts by weight, the amount of electrons that can move to the positive electrode may decrease, and a sufficient discharge capacity may not be obtained. The proportion of the active substance (A) and sulfur or its discharge product (B) in the positive electrode mixture is reduced, and the charge / discharge efficiency may be reduced.

1−4.固体電解質(D)
本発明の正極合材は、LiSとMとの複合化物(ここで、Mは、P、Si、Ge、B及びAlからなる群より選択される元素のうち少なくとも一つであり、x及びyは、独立して、Mの種類に応じて決定される化学量論比を与える整数を表わす)であって、その組成比(モル比)がLiS:M=70:30〜85:15であり、0.1mS/cm以上の導電率を有する固体電解質(D)(但し、PがLiSとPの総量に対してモル比で30%であるLiSとPとの複合化物は除く)を固体電解質として含有する。本発明の正極合材において、上記固体電解質(D)を上記硫黄界面反応向上剤と組み合わせて使用することで、全固体型リチウム硫黄電池とした場合の充放電容量をさらに向上させることができる。
また、上記固体電解質(D)は、後述する固体電解質層の作製にも用いられる。
1-4. Solid electrolyte (D)
The positive electrode composite of the present invention is a composite of Li 2 S and M x S y (where M is at least one element selected from the group consisting of P, Si, Ge, B, and Al). X and y each independently represents an integer giving a stoichiometric ratio determined according to the type of M), and the composition ratio (molar ratio) is Li 2 S: M x S y = 70:30 to 85:15, solid electrolyte (D) having a conductivity of 0.1 mS / cm or more (provided that P 2 S 5 is a molar ratio with respect to the total amount of Li 2 S and P 2 S 5 (Except for a composite of Li 2 S and P 2 S 5 , which is 30%) as a solid electrolyte. In the positive electrode mixture of the present invention, by using the solid electrolyte (D) in combination with the sulfur interface reaction improver, the charge / discharge capacity in the case of an all solid lithium-sulfur battery can be further improved.
Moreover, the said solid electrolyte (D) is used also for preparation of the solid electrolyte layer mentioned later.

上記固体電解質(D)としては、導電率が0.1mS/cm以上であるものであれば特に限定されないが、LiSとMとの複合化物(ここで、Mは、P、Si、Ge、B及びAlからなる群より選択される元素のうち少なくとも一つであり、x及びyは、独立して、Mの種類に応じて決定される化学量論比を与える整数を表わす)であって、その組成比(モル比)がLiS:M=70:30〜85:15であるもの(但し、PがLiSとPの総量に対してモル比で30%であるLiSとPとの複合化物は除く)を好ましく使用することができる。本発明の正極合材では、全固体型リチウム硫黄電池とした場合の充放電容量をより向上させる観点から、上記固体電解質(D)として、LiS:P=75:25〜85:15であるLiSとPとの複合化物、又はLiS:P:GeS=70〜80:20〜10:10〜0であるLiSとPとGeSとの複合化物がより好ましく使用される。
これらの固体電解質(D)は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
The solid electrolyte (D) is not particularly limited as long as the electrical conductivity is 0.1 mS / cm or more, but a composite of Li 2 S and M x S y (where M is P, It is at least one element selected from the group consisting of Si, Ge, B and Al, and x and y independently represent an integer giving a stoichiometric ratio determined according to the type of M And the composition ratio (molar ratio) is Li 2 S: M x S y = 70: 30 to 85:15 (provided that P 2 S 5 is the total amount of Li 2 S and P 2 S 5 ) (Excluding a composite of Li 2 S and P 2 S 5 having a molar ratio of 30% to the other) can be preferably used. In the positive electrode composite of the present invention, Li 2 S: P 2 S 5 = 75: 25 to 85 is used as the solid electrolyte (D) from the viewpoint of further improving the charge / discharge capacity in the case of an all solid lithium-sulfur battery. : composite compound of Li 2 S and P 2 S 5 is 15, or Li 2 S: P 2 S 5 : GeS 2 = 70~80: 20~10: 10~0 a is Li 2 S and P 2 S A composite of 5 and GeS 2 is more preferably used.
These solid electrolytes (D) may be used independently and may use 2 or more types together.

上記LiSとMとの複合化物を得る方法としては、例えば、遊星ボールミルを用いて、自転速度150〜500rpm、公転速度200〜1000rpm(自転と逆回転)で0.5〜10時間処理する方法等が挙げられる。
ここで、LiSとMとが複合化したものか、又はLiSとMとが単に混合しただけのものかは、ラマン分光法により確認することができる。例えば、LiSとPとが複合化した場合、ラマン分光法による測定において、単に混合したものと比べて、P由来の300cm−1付近のピークが消失するか、又は400cm−1付近の主ピークに対して相対的に小さくなるが、このことを指標に、LiSとPとが複合化したか否かを判断することができる。
As a method of obtaining a composite of Li 2 S and M x S y , for example, using a planetary ball mill, a rotation speed of 150 to 500 rpm, a revolution speed of 200 to 1000 rpm (rotation and reverse rotation) is 0.5 to 10 For example, a time processing method may be used.
Here, it can be confirmed by Raman spectroscopy whether Li 2 S and M x S y are complexed or Li 2 S and M x S y are simply mixed. For example, when Li 2 S and P 2 S 5 are complexed, the peak near 300 cm −1 derived from P 2 S 5 disappears in the measurement by Raman spectroscopy, as compared with the case of simply mixing, or Although it becomes relatively small with respect to the main peak in the vicinity of 400 cm −1, it can be determined whether or not Li 2 S and P 2 S 5 are combined using this as an index.

固体電解質(D)は、リチウム塩又はリチウム窒化物をさらに含んでいてもよい。
上記リチウム塩としては特に限定されないが、例えば、LiPO、LiSiO、LiO、LiI、LiN、LiBH等を挙げることができる。
また、上記リチウム窒化物としては特に限定されないが、例えば、LiN等が挙げられる。
固体電解質(D)にリチウム塩又はリチウム窒化物を含めることで、固体電解質(D)の導電率をさらに高め、全固体型リチウム硫黄電池とした場合の充放電容量をより向上させることができる場合があるからである。
The solid electrolyte (D) may further contain a lithium salt or lithium nitride.
Examples of the lithium salt is not particularly limited, examples thereof include Li 3 PO 4, Li 4 SiO 4, Li 2 O, LiI, Li 3 N, the LiBH 4 or the like.
Although not particularly restricted but includes lithium nitride, for example, Li 3 N and the like.
When the lithium electrolyte or lithium nitride is included in the solid electrolyte (D), the electrical conductivity of the solid electrolyte (D) can be further increased, and the charge / discharge capacity in the case of an all-solid-state lithium-sulfur battery can be further improved. Because there is.

上記固体電解質(D)の含有量は、特に限定されないが、正極合材中の硫黄又はその放電生成物(A)100重量部に対して、5〜100重量部であることが好ましく、10〜80重量部であることがより好ましい。   Although content of the said solid electrolyte (D) is not specifically limited, It is preferable that it is 5-100 weight part with respect to 100 weight part of sulfur in the positive electrode compound material or its discharge product (A), More preferably, it is 80 parts by weight.

1−5.任意に添加し得る成分
本発明の正極合材は、必要に応じて、バインダー、溶媒等の任意成分を含んでいてもよい。
1-5. Components that can be optionally added The positive electrode mixture of the present invention may contain optional components such as a binder and a solvent, if necessary.

1−5−1.バインダー
本発明で使用し得るバインダーとしては、特に限定されないが、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂等を挙げることができ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、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)、スチレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体等が挙げられる。これらのバインダーは、単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
上記バインダーの含有量は、特に限定されないが、上記正極合材中に、0.01〜10重量%含有されていることが好ましい。
1-5-1. Binder The binder that can be used in the present invention is not particularly limited, and examples thereof include thermoplastic resins and thermosetting resins. Examples thereof include polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyvinylidene fluoride (PVDF). ), Styrene butadiene rubber, tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), vinylidene fluoride- Hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE resin), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinyl Vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride -Perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-acrylic acid copolymer and the like. These binders may be used alone or in combination of two or more.
Although content of the said binder is not specifically limited, It is preferable to contain 0.01 to 10weight% in the said positive electrode compound material.

1−5−2.溶媒
本発明で使用し得る溶媒としては、特に限定されないが、例えば、N,N―ジメチルアミノプロピルアミン、ジエチレントリアミン等のアミン系溶媒、テトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒、メチルエチルケトン等のケトン系溶媒、酢酸メチル等のエステル系溶媒、ジメチルアセトアミド、1−メチル−2−ピロリドン等のアミド系溶媒、トルエン、キシレン、n−ヘキサン、シクロヘキサン等の炭化水素系溶媒等が挙げられる。これらの溶媒は、単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
上記溶媒の含有量は、特に限定されないが、上記正極合材中に、10〜99重量%含有されていることが好ましい。
上記溶媒を含有する正極合材を用いることにより、正極合材層の作製を容易にすることができる。上記溶媒は、正極合材層を作製する際、乾燥により除去される。
1-5-2. Solvent The solvent that can be used in the present invention is not particularly limited, but examples thereof include amine solvents such as N, N-dimethylaminopropylamine and diethylenetriamine, ether solvents such as tetrahydrofuran, ketone solvents such as methyl ethyl ketone, and methyl acetate. And ester solvents such as dimethylacetamide and 1-methyl-2-pyrrolidone, and hydrocarbon solvents such as toluene, xylene, n-hexane and cyclohexane. These solvents may be used alone or in combination of two or more.
Although content of the said solvent is not specifically limited, It is preferable that 10 to 99 weight% is contained in the said positive electrode compound material.
By using the positive electrode mixture containing the solvent, the production of the positive electrode mixture layer can be facilitated. The solvent is removed by drying when the positive electrode mixture layer is produced.

本発明の正極合材は、上記硫黄又はその放電生成物(A)、上記硫黄界面反応向上剤(B)、上記導電材(C)及び上記固体電解質(D)、必要に応じてバインダー、溶媒等の任意成分を含んでいれば特に限定されるものではないが、上記硫黄又はその放電生成物(A)、上記硫黄界面反応向上剤(B)、上記導電材(C)及び上記固体電解質(D)の4成分について、上記硫黄又はその放電生成物(A)、上記硫黄界面反応向上剤(B)及び上記導電材(C)を混合する第1混合処理の後で、上記固体電解質(D)を添加し、さらに混合する第2混合処理を行うことにより得られたものであることが好ましい。
この理由は、2段階で混合することにより、第1混合処理にて上記硫黄界面反応向上剤(B)を上記硫黄又はその放電生成物(A)の近傍に配置し、さらに第2混合処理にて高い導電率を有する固体電解質(D)を当該第1混合処理により得られた混合物の表面及びその周辺に配置することにより、全固体型リチウム硫黄電池とした場合の充放電容量をさらに向上させることができるからである。
上記任意成分は、第1混合処理の間又は後で添加してもよいし、第2混合処理の間又は後で添加してもよい。
The positive electrode mixture of the present invention comprises the above sulfur or its discharge product (A), the above sulfur interface reaction improver (B), the above conductive material (C) and the above solid electrolyte (D), and a binder and a solvent as necessary. The sulfur or its discharge product (A), the sulfur interfacial reaction improver (B), the conductive material (C) and the solid electrolyte ( For the four components of D), after the first mixing treatment in which the sulfur or its discharge product (A), the sulfur interface reaction improver (B), and the conductive material (C) are mixed, the solid electrolyte (D It is preferable that it is obtained by performing the 2nd mixing process which adds and mixes.
The reason for this is that by mixing in two stages, the sulfur interface reaction improver (B) is arranged in the vicinity of the sulfur or its discharge product (A) in the first mixing process, and further in the second mixing process. In addition, the solid electrolyte (D) having a high conductivity is disposed on the surface of the mixture obtained by the first mixing treatment and the periphery thereof, thereby further improving the charge / discharge capacity in the case of an all-solid-state lithium-sulfur battery. Because it can.
The optional component may be added during or after the first mixing process, or may be added during or after the second mixing process.

これらを混合する手段としては、特に限定されないが、例えば、遊星ボールミル(フリッチュ社製)、ハイブリダイゼーションシステム(奈良機械製作所社製)、コスモス(川崎重工業社製)、メカノフュージョンシステム(ホソカワミクロン社製)、メカノミル(岡田精工社製)、シータコンポーザ(徳寿工作所社製)、ナノソニックミル(井上製作所社製)、ニーダー(井上製作所社製)、スーパーマスコロイダー(増幸産業社製)、ナノメック・リアクター(テクノアイ社製)、コーネルデスパ(浅田鉄工所社製)、プラネタリミキサ(浅田鉄工所社製)等を用いて混合する方法が挙げられる。
遊星ボールミルを用いて混合する場合、上記第1混合処理は、公転速度100〜600rpm、0.1〜15時間の条件下で行われることが好ましく、また、上記第2混合処理は、公転速度50〜500rpm、0.1〜15時間の条件下で行うことが好ましい。
この理由は、第1混合処理において、上述の条件の場合と比べ弱いエネルギーしか加えられない条件の場合、上記硫黄又はその放電生成物(A)と上記硫黄界面反応向上剤(B)との間の接点が十分に確保できないために、全固体型リチウム硫黄電池とした場合のこれらの成分の間での反応性が低下する場合があり、逆に、上述の条件の場合と比べ強いエネルギーが加えられる条件の場合、当該混合処理の際に、上記硫黄又はその放電生成物(A)と上記硫黄界面反応向上剤(B)とが意図せず反応してしまう場合があるためである。また、第2混合処理においても、上述の条件の場合と比べ弱いエネルギーしか加えられない条件の場合、上記硫黄又はその放電生成物(A)及び上記硫黄界面反応向上剤(B)と、固体電解質(D)との間の接点が十分に確保できず、リチウムイオンの移動が不十分となる結果、全固体型リチウム硫黄電池とした場合の充放電容量が低下する場合があり、逆に、上述の条件の場合と比べ強いエネルギーが加えられる条件の場合、上記硫黄界面反応向上剤(B)と固体電解質(D)の各組成が均等化し、導電率が低下する結果、全固体型リチウム硫黄電池とした場合の特性に悪影響を及ぼす場合があるからである。
The means for mixing these is not particularly limited, but for example, planetary ball mill (Fritsch), hybridization system (Nara Machinery Co., Ltd.), cosmos (Kawasaki Heavy Industries), mechanofusion system (Hosokawa Micron) , Mechano Mill (Okada Seiko Co., Ltd.), Theta Composer (Tokusu Kosakusho Co., Ltd.), Nano Sonic Mill (Inoue Seisakusho Co., Ltd.), Kneader (Inoue Seisakusho Co., Ltd.), Super Mass Colloid (Masako Sangyo Co., Ltd.), Nanomec Reactor (Techno Eye Co., Ltd.), Cornell Despa (Asada Iron Works Co., Ltd.), Planetary Mixer (Asada Iron Works Co., Ltd.) and the like can be used.
When mixing using a planetary ball mill, the first mixing process is preferably performed under conditions of a revolution speed of 100 to 600 rpm and 0.1 to 15 hours, and the second mixing process is performed at a revolution speed of 50. It is preferable to carry out under the conditions of ~ 500 rpm and 0.1 to 15 hours.
The reason for this is that, in the first mixing process, when only weak energy is applied compared to the above-described conditions, the sulfur or its discharge product (A) and the sulfur interfacial reaction improver (B) are used. In this case, the reactivity between these components may be reduced when an all-solid-state lithium-sulfur battery is used. On the contrary, stronger energy is applied than in the above conditions. This is because the sulfur or its discharge product (A) and the sulfur interface reaction improver (B) may react unintentionally during the mixing process. Also, in the second mixing treatment, in the condition where only weak energy is applied compared to the case of the above condition, the sulfur or its discharge product (A) and the sulfur interface reaction improver (B), and the solid electrolyte As a result of insufficient contact of lithium ions with insufficient contact with (D), the charge / discharge capacity in the case of an all-solid-state lithium-sulfur battery may be reduced. In the case of a condition in which stronger energy is applied than in the case of the above condition, as a result of equalization of the respective compositions of the sulfur interface reaction improver (B) and the solid electrolyte (D) and a decrease in conductivity, an all-solid-state lithium-sulfur battery This is because it may adversely affect the characteristics.

2.正極合材の製造方法
本発明の正極合材は、上記硫黄又はその放電生成物(A)、上記硫黄界面反応向上剤(B)、上記導電材(C)及び上記固体電解質(D)、必要に応じてバインダー、溶媒等の任意成分を混合することにより得ることができる。
2. Method for Producing Positive Electrode Mixture The positive electrode composite of the present invention comprises the sulfur or its discharge product (A), the sulfur interfacial reaction improver (B), the conductive material (C) and the solid electrolyte (D), necessary. Depending on the case, it can be obtained by mixing optional components such as a binder and a solvent.

本発明の正極合材の製造方法は、以下の工程を含むことが好ましい:
(1)硫黄又はその放電生成物(A)、P、又はPがLiSとPの総量に対してモル比で30%以上であるLiSとPとの複合化物である、硫黄界面反応向上剤(B)、及び導電材(C)を混合する工程;並びに
(2)工程(1)で得られた混合物に、LiSとMとの複合化物(ここで、Mは、P、Si、Ge、B及びAlからなる群より選択される元素のうち少なくとも一つであり、x及びyは、独立して、Mの種類に応じて決定される化学量論比を与える整数を表わす)であって、その組成比(モル比)がLiS:M=70:30〜85:15であり、0.1mS/cm以上の導電率を有する固体電解質(但し、PがLiSとPの総量に対してモル比で30%であるLiSとPとの複合化物は除く)を添加し、さらに混合する工程。
この理由は、2段階で混合することにより、第1混合処理にて上記硫黄界面反応向上剤(B)を上記硫黄又はその放電生成物(A)の近傍に配置し、さらに第2混合処理にて高い導電率を有する固体電解質(D)を当該第1混合処理により得られた混合物の表面及びその周辺に配置することにより、全固体型リチウム硫黄電池とした場合の充放電容量をさらに向上させることができるからである。
上記任意成分は、上記工程(1)の間又は後で添加してもよいし、上記工程(2)の間又は後で添加してもよい。
The method for producing a positive electrode mixture of the present invention preferably includes the following steps:
(1) Sulfur or discharge products (A), P 2 S 5 , or P 2 S 5 is more than 30% by molar ratio relative to the total amount of Li 2 S and P 2 S 5 Li 2 S and P A step of mixing a sulfur interfacial reaction improver (B) and a conductive material (C), which is a composite with 2 S 5 ; and (2) adding Li 2 S and M to the mixture obtained in step (1) x S y complex (wherein M is at least one element selected from the group consisting of P, Si, Ge, B, and Al, and x and y are independently M Represents a stoichiometric ratio determined according to the type), and the composition ratio (molar ratio) is Li 2 S: M x S y = 70: 30 to 85:15; a solid electrolyte having 1 mS / cm or more conductivity (however, mode P 2 S 5 is the total amount of Li 2 S and P 2 S 5 Was added composite compound is excluded) between Li 2 S and P 2 S 5 is 30% in the ratio, further mixing step.
The reason for this is that by mixing in two stages, the sulfur interface reaction improver (B) is arranged in the vicinity of the sulfur or its discharge product (A) in the first mixing process, and further in the second mixing process. In addition, the solid electrolyte (D) having a high conductivity is disposed on the surface of the mixture obtained by the first mixing treatment and the periphery thereof, thereby further improving the charge / discharge capacity in the case of an all-solid-state lithium-sulfur battery. Because it can.
The optional component may be added during or after the step (1), or may be added during or after the step (2).

上記工程(1)及び工程(2)にて各成分を混合する手段としては、特に限定されないが、例えば、遊星ボールミル(フリッチュ社製)、ハイブリダイゼーションシステム(奈良機械製作所社製)、コスモス(川崎重工業社製)、メカノフュージョンシステム(ホソカワミクロン社製)、メカノミル(岡田精工社製)、シータコンポーザ(徳寿工作所社製)、ナノソニックミル(井上製作所社製)、ニーダー(井上製作所社製)、スーパーマスコロイダー(増幸産業社製)、ナノメック・リアクター(テクノアイ社製)、コーネルデスパ(浅田鉄工所社製)、プラネタリミキサ(浅田鉄工所社製)等を用いて混合する方法が挙げられる。   The means for mixing each component in the above step (1) and step (2) is not particularly limited. For example, planetary ball mill (manufactured by Fritsch), hybridization system (manufactured by Nara Machinery Co., Ltd.), cosmos (Kawasaki) Heavy Industries Co., Ltd.), Mechano-Fusion System (Hosokawa Micron Corp.), Mechano Mill (Okada Seiko Co., Ltd.), Theta Composer (Tokusu Kosakusho Co., Ltd.), Nano Sonic Mill (Inoue Seisakusho Co., Ltd.), Kneader (Inoue Seisakusho Co., Ltd.), Examples of the mixing method include a super mass collider (manufactured by Masuko Sangyo Co., Ltd.), a nanomec reactor (manufactured by Techno Eye Co., Ltd.), Cornell Despa (manufactured by Asada Iron Works Co., Ltd.), and a planetary mixer (manufactured by Asada Iron Works Co., Ltd.).

遊星ボールミルを用いて混合する場合、上記第1混合処理は、公転速度50〜600rpm、0.1〜15時間の条件下で行われることが好ましく、また、上記第2混合処理は、公転速度50〜600rpm、0.1〜15時間の条件下で行うことが好ましい。
この理由は、上記工程(1)の混合において、上述の条件の場合と比べ弱いエネルギーしか加えられない条件の場合、上記硫黄又はその放電生成物(A)と上記硫黄界面反応向上剤(B)との間の接点が十分に確保できないために、全固体型リチウム硫黄電池とした場合のこれらの成分の間での反応性が低下する傾向にあり、逆に、上述の条件の場合と比べ強いエネルギーが加えられる条件の場合、当該混合処理の際に、上記硫黄又はその放電生成物(A)と上記硫黄界面反応向上剤(B)とが意図せず反応してしまう場合がある。また、上記工程(2)の混合においても、上述の条件の場合と比べ弱いエネルギーしか加えられない条件の場合、上記硫黄又はその放電生成物(A)及び上記硫黄界面反応向上剤(B)と、固体電解質(D)との間の接点が十分に確保できず、リチウムイオンの移動が不十分となる結果、全固体型リチウム硫黄電池とした場合の充放電容量が低下する場合があり、逆に、上述の条件の場合と比べ強いエネルギーが加えられる条件の場合、上記硫黄界面反応向上剤(B)と固体電解質(D)の各組成が均等化し、導電率が低下する結果、全固体型リチウム硫黄電池とした場合の特性に悪影響を及ぼす場合があるからである。
When mixing using a planetary ball mill, the first mixing process is preferably performed under conditions of a revolution speed of 50 to 600 rpm and 0.1 to 15 hours, and the second mixing process is performed at a revolution speed of 50. It is preferable to carry out under the conditions of ~ 600 rpm and 0.1 to 15 hours.
This is because, in the mixing of the step (1), in the case where only weak energy is added compared to the case of the above-mentioned condition, the sulfur or its discharge product (A) and the sulfur interfacial reaction improver (B). Insufficient contact can be ensured, and the reactivity between these components tends to decrease when an all-solid-state lithium-sulfur battery is used. In the case where the energy is applied, the sulfur or the discharge product (A) and the sulfur interface reaction improver (B) may react unintentionally during the mixing process. Also, in the mixing in the step (2), in the case where only weak energy is applied compared to the above-described conditions, the sulfur or its discharge product (A) and the sulfur interface reaction improver (B) As a result of insufficient contact between the solid electrolyte (D) and insufficient movement of lithium ions, the charge / discharge capacity of an all-solid-state lithium-sulfur battery may be reduced. In addition, in the case of a condition where stronger energy is applied than in the case of the above condition, the respective compositions of the sulfur interface reaction improver (B) and the solid electrolyte (D) are equalized and the conductivity is lowered. This is because there may be an adverse effect on the characteristics of the lithium-sulfur battery.

上記正極合材の作製では、上記第1混合処理及び/又は上記第2混合処理を行った後で、加熱処理を行ってもよい。
この理由は、加熱処理により、正極合材に含まれる各成分の接触界面を強固となる結果、反応界面での抵抗をさらに低減することができるからである。
上記加熱処理は、特に限定されないが、例えば、アルゴン、窒素、空気等の雰囲気下、80〜250℃、好ましくは100〜200℃の条件で、1秒間〜10時間の条件で行ってもよい。
上記加熱処理は、従来公知の加熱手段を用いて行えばよく、具体的には、例えば、定温乾燥機、送風乾燥機、減圧乾燥機、赤外線乾燥機等を用いて行えばよい。
In the production of the positive electrode mixture, heat treatment may be performed after the first mixing process and / or the second mixing process.
The reason for this is that the resistance at the reaction interface can be further reduced as a result of the heat treatment strengthening the contact interface of each component contained in the positive electrode mixture.
Although the said heat processing is not specifically limited, For example, you may perform on 80-250 degreeC, preferably 100-200 degreeC conditions for 1 second-10 hours conditions, such as argon, nitrogen, air.
The heat treatment may be performed using a conventionally known heating means. Specifically, for example, a constant temperature dryer, an air dryer, a vacuum dryer, an infrared dryer, or the like may be used.

3.全固体型リチウム硫黄電池
次に、本発明の全固体型リチウム硫黄電池について説明する。
本発明の全固体型リチウム硫黄電池は、本発明の正極合材を含む正極合材層、固体電解質層、負極及び集電体を備えた全固体型リチウム硫黄電池である。
3. Next, the all solid-state lithium-sulfur battery of the present invention will be described.
The all-solid-state lithium-sulfur battery of the present invention is an all-solid-state lithium-sulfur battery including a positive electrode mixture layer including the positive electrode mixture of the present invention, a solid electrolyte layer, a negative electrode, and a current collector.

本明細書において、「全固体型」とは、電解質として高分子固体電解質及び/又は無機固体電解質を用いたものであり、負極、固体電解質層及び正極合材層に実質的に溶媒を含有しないものをいう。
なお、本明細書において、「実質的に溶媒を含有しない」とは、溶媒が微量に残存してもよいことを意味する。
以下、集電体(負極集電体、正極集電体)、負極、固体電解質層、正極合材層のそれぞれについて順に説明する。
In the present specification, the “all solid type” means a polymer solid electrolyte and / or an inorganic solid electrolyte as an electrolyte, and contains substantially no solvent in the negative electrode, the solid electrolyte layer, and the positive electrode mixture layer. Say things.
In the present specification, “substantially no solvent” means that a trace amount of the solvent may remain.
Hereinafter, each of the current collector (negative electrode current collector, positive electrode current collector), negative electrode, solid electrolyte layer, and positive electrode mixture layer will be described in order.

3−1.集電体
上記集電体としては、特に限定されないが、例えば、Al、Cu、Ni、ステンレス等を用いることができる。
負極集電体としては、リチウムと合金を作り難い点、及び、薄膜に加工しやすい点から、Cuを用いることが好ましい。また、正極集電体としては、薄膜に加工しやすく、安価であるという点でAlを用いることが好ましい。
3-1. Current collector The current collector is not particularly limited. For example, Al, Cu, Ni, stainless steel, or the like can be used.
As the negative electrode current collector, Cu is preferably used because it is difficult to make an alloy with lithium and it can be easily processed into a thin film. As the positive electrode current collector, Al is preferably used because it is easy to process into a thin film and is inexpensive.

3−2.負極
上記負極としては、リチウムイオンを吸蔵放出する材料を負極活物質として含んでいるものであれば、特に限定されるものではない。ここで、リチウムイオンを吸蔵放出する材料としては、例えば、金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素質物質等が挙げられる。
上記リチウム合金としては、例えば、アルミニウム、シリコン、スズ、マグネシウム、インジウム、カルシウム等とリチウムとの合金等が挙げられる。
上記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等が挙げられる。
上記金属硫化物としては、例えば、スズ硫化物やチタン硫化物等が挙げられる。
上記リチウムイオン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、樹脂焼成炭素等が挙げられる。
3-2. Examples of the negative electrode The negative electrode, as long as it comprises a material capable of absorbing and releasing lithium ions as a negative electrode active material, is not particularly limited. Here, examples of the material that occludes and releases lithium ions include metallic lithium, lithium alloy, metal oxide, metal sulfide, and a carbonaceous substance that occludes and releases lithium ions.
Examples of the lithium alloy include alloys of lithium, 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 carbonaceous material that absorbs and releases lithium ions include graphite, coke, mesophase pitch-based carbon fiber, spherical carbon, and resin-fired carbon.

上記負極を得る方法としては、特に限定されないが、上記リチウムイオンを吸蔵放出する材料をプレスする方法、上記リチウムイオンを吸蔵放出する材料と溶媒とを含む負極前駆体分散液を負極集電体に塗布、乾燥後プレスする方法等が挙げられる。
上記負極前駆体分散液に含まれる溶媒としては、上述の正極合材に用いられるものと同様のものを用いることができる。
なお、溶媒は負極前駆体分散液の塗布を助けるために使用され、塗布後は乾燥により除去される。
The method of obtaining the negative electrode is not particularly limited, but a method of pressing the material that absorbs and releases lithium ions, and a negative electrode precursor dispersion containing the material that absorbs and releases lithium ions and a solvent are used as a negative electrode current collector. Examples thereof include a method of pressing after coating and drying.
As the solvent contained in the negative electrode precursor dispersion, the same solvents as those used for the positive electrode mixture can be used.
The solvent is used to assist the application of the negative electrode precursor dispersion and is removed by drying after the application.

3−3.固体電解質層
上記固体電解質層としては、高分子固体電解質及び/又は無機固体電解質からなるものが挙げられる。
上記無機固体電解質からなる固体電解質層は、例えば、上記固体電解質(D)を加圧成形する方法、上記固体電解質(D)を溶媒に分散させた後塗布・乾燥させる方法等により得ることができる。
上記固体電解質(D)を加圧成形する方法としては、特に限定されないが、例えば、負極集電体と正極集電体とで固体電解質(D)を挟み込んでプレスする方法、加圧成形機の治具でプレスする方法等が挙げられる。
上記固体電解質(D)を溶媒に分散させた後塗布・乾燥させる方法により固体電解質層を得る場合には、乾燥後の固体電解質層を上記と同様の方法でプレスしてもよい。
上記固体電解質(D)を分散させる溶媒としては、上述の正極合材に用いられるものと同様のものを用いることができる。
これらの方法により固体電解質層を得る際、固体電解質層の界面抵抗の低減、及び、緻密性の向上を目的に、任意のタイミングで加熱処理を行ってもよい。
また、上記高分子固体電解質からなる固体電解質層としては、例えば、過塩素酸リチウムやリチウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド等のリチウム塩を含むポリエチレンオキシド系ポリマー等が挙げられる。
3-3. Solid electrolyte layer Examples of the solid electrolyte layer include those made of a polymer solid electrolyte and / or an inorganic solid electrolyte.
The solid electrolyte layer made of the inorganic solid electrolyte can be obtained by, for example, a method of pressure-molding the solid electrolyte (D), a method of dispersing and solidifying the solid electrolyte (D) in a solvent, and the like. .
The method for pressure forming the solid electrolyte (D) is not particularly limited. For example, a method of pressing the solid electrolyte (D) between a negative electrode current collector and a positive electrode current collector, The method etc. which press with a jig | tool are mentioned.
When the solid electrolyte layer is obtained by a method in which the solid electrolyte (D) is dispersed in a solvent and then applied and dried, the dried solid electrolyte layer may be pressed by the same method as described above.
As the solvent for dispersing the solid electrolyte (D), the same solvents as those used for the positive electrode mixture can be used.
When a solid electrolyte layer is obtained by these methods, heat treatment may be performed at an arbitrary timing for the purpose of reducing the interface resistance of the solid electrolyte layer and improving the denseness.
Examples of the solid electrolyte layer made of the polymer solid electrolyte include polyethylene oxide polymers containing lithium salts such as lithium perchlorate and lithium bistrifluoromethanesulfonylamide.

3−4.正極合材層
上記正極合材層は、例えば、正極集電体に上記正極合材を担持させる方法、上記正極合材を加圧成形する方法等により得ることができる。
正極集電体に上記正極合材を担持させる方法としては、特に限定されないが、例えば、正極合材を加圧成形する方法、有機溶媒等を用いてペースト化した正極合材を正極集電体に塗布、乾燥後プレスするなどして固着する方法等が挙げられる。
正極合材を加圧成形する方法としては、特に限定されないが、例えば、固体電解質層と正極集電体との間に正極合材を挟み込んでプレスする方法、加圧成形機の治具でプレスする方法等が挙げられる。
正極合材を正極集電体に塗布する方法としては、特に限定されないが、例えば、スリットダイ塗工法、スクリーン塗工法、カーテン塗工法、ナイフ塗工法、グラビア塗工法、静電スプレー法等が挙げられる。
これらの方法により正極合材層を得る際、正極合材層の界面抵抗の低減、及び、緻密性の向上を目的に、任意のタイミングで加熱処理を行ってもよい。
3-4. Positive electrode mixture layer The positive electrode mixture layer can be obtained by, for example, a method of supporting the positive electrode mixture on a positive electrode current collector, a method of pressure forming the positive electrode mixture, or the like.
The method of supporting the positive electrode mixture on the positive electrode current collector is not particularly limited. For example, a method of pressure-forming the positive electrode mixture, a positive electrode mixture paste using an organic solvent or the like is used as the positive electrode current collector. For example, there may be mentioned a method of fixing by applying, drying and pressing.
The method for pressure forming the positive electrode mixture is not particularly limited. For example, a method of pressing the positive electrode mixture between the solid electrolyte layer and the positive electrode current collector and pressing with a jig of the pressure molding machine And the like.
The method for applying the positive electrode mixture to the positive electrode current collector is not particularly limited, and examples thereof include a slit die coating method, a screen coating method, a curtain coating method, a knife coating method, a gravure coating method, and an electrostatic spray method. It is done.
When the positive electrode mixture layer is obtained by these methods, heat treatment may be performed at an arbitrary timing for the purpose of reducing the interface resistance of the positive electrode mixture layer and improving the denseness.

上記全固体型リチウム硫黄電池は、上述の負極集電体、負極、固体電解質層、正極合材層、正極集電体のほか、セパレータ等を有していてもよい。
上記全固体型リチウム硫黄電池の形状は、特に限定されないが、例えば、コイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型等が挙げられる。
The all solid-state lithium-sulfur battery may have a separator, in addition to the above-described negative electrode current collector, negative electrode, solid electrolyte layer, positive electrode mixture layer, and positive electrode current collector.
The shape of the all-solid-state lithium-sulfur battery is not particularly limited, and examples thereof include a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a rectangular type.

4.全固体型リチウム硫黄電池の作製方法
上記全固体型リチウム硫黄電池の作製方法は、特に限定されないが、例えば、以下の方法等が挙げられる。
まず、負極集電体と正極集電体とで固体電解質を挟み込んでプレスし、固体電解質層を作製する。次に、固体電解質層の片側に正極合材を堆積し、その両端を集電体(固体電解質層側に負極集電体、正極合材側に正極集電体)で挟み込んでプレスし、固体電解質層の一方の面に正極合材層と正極集電体とを積層し、固体電解質層のもう一方の面に負極集電体を積層する。最後に、一旦、負極集電体を取り除き、固体電解質層の正極合材層側と反対側に負極を入れ、さらに、負極側に負極集電体を入れてプレスし、固体電解質層の他方の面に負極と負極集電体とを積層する。また、上記のように一層ずつプレスしてもよいし、二層以上を堆積させて、複数層をまとめてプレスして積層させてもよい。このような方法により、全固体型リチウム硫黄電池を作製することができる。
4). Method for producing all solid-state lithium-sulfur battery The method for producing the all-solid-state lithium sulfur battery is not particularly limited, and examples thereof include the following methods.
First, a solid electrolyte is sandwiched between a negative electrode current collector and a positive electrode current collector and pressed to produce a solid electrolyte layer. Next, a positive electrode mixture is deposited on one side of the solid electrolyte layer, and both ends thereof are sandwiched between a current collector (a negative electrode current collector on the solid electrolyte layer side and a positive electrode current collector on the positive electrode mixture side), and pressed. A positive electrode mixture layer and a positive electrode current collector are laminated on one surface of the electrolyte layer, and a negative electrode current collector is laminated on the other surface of the solid electrolyte layer. Finally, once remove the negative electrode current collector, put the negative electrode on the side opposite to the positive electrode mixture layer side of the solid electrolyte layer, and further press the negative electrode current collector on the negative electrode side and press the other side of the solid electrolyte layer A negative electrode and a negative electrode current collector are stacked on the surface. Moreover, it may be pressed one layer at a time as described above, or two or more layers may be deposited, and a plurality of layers may be pressed together and laminated. By such a method, an all solid-state lithium-sulfur battery can be produced.

5.全固体型リチウム硫黄電池の用途
上記全固体型リチウム硫黄電池の用途としては、特に限定されないが、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車等、高いエネルギー密度が要求される電気製品に好適に用いることができる。
5. Application of all-solid-state lithium-sulfur battery The application of the all-solid-state lithium-sulfur battery is not particularly limited. For example, it can be suitably used for electric products that require high energy density, such as hybrid cars and electric cars. .

以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。   EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

1.測定方法
後述する実施例及び比較例において、固体電解質の導電率は、以下の方法により測定した。
1−1.導電率の測定方法
ポリカーボネート製の円筒管治具(内径10mmΦ、外径23mmΦ、高さ20mm)の下側からSUS304製の円筒治具(10mmΦ、高さ10mm)(以下、集電体2ともいう)を差し込み、ポリカーボネート製の円筒管治具の上側から固体電解質100mgを入れて、さらにSUS304製の円筒治具(10mmΦ、高さ15mm)(以下、集電体1ともいう)をポリカーボネート製の円筒管治具の上側から差し込んで固体電解質を挟み込み、200MPaの圧力で3分間プレスすることにより直径10mmΦ、厚さ約0.8mmの固体電解質層を形成することで導電率測定用の試料を作製した。
この試料をソーラトロン社製、セルテストシステム1400にて交流インピーダンス測定により抵抗値を測定し、固体電解質層の厚みと直径から導電率を算出した(印加電圧50mV、測定周波数1〜1,000,000Hz)。
1. Measurement Method In Examples and Comparative Examples described later, the conductivity of the solid electrolyte was measured by the following method.
1-1. Measuring method of conductivity Cylindrical jig made of SUS304 (10 mmφ, height 10 mm) from the lower side of a cylindrical tube jig made of polycarbonate (inner diameter 10 mmΦ, outer diameter 23 mmΦ, height 20 mm) (hereinafter also referred to as current collector 2) ) And 100 mg of solid electrolyte from the upper side of the cylindrical tube jig made of polycarbonate. Further, a cylindrical jig made of SUS304 (10 mmΦ, height 15 mm) (hereinafter also referred to as current collector 1) is made of a polycarbonate cylinder. A sample for conductivity measurement was produced by forming a solid electrolyte layer having a diameter of 10 mmΦ and a thickness of about 0.8 mm by inserting from the upper side of the tube jig, sandwiching the solid electrolyte, and pressing at a pressure of 200 MPa for 3 minutes. .
The resistance value of this sample was measured by AC impedance measurement using a cell test system 1400 manufactured by Solartron, and the conductivity was calculated from the thickness and diameter of the solid electrolyte layer (applied voltage 50 mV, measurement frequency 1 to 1,000,000 Hz). ).

2.正極合材の作製
(実施例1)
LiS(フルウチ化学株式会社製)とP(アルドリッチ社製)を65:35のモル比となるように秤量し、乳鉢で混合したものを遊星ボールミルにて、自転速度250rpm、公転速度500rpm(自転と逆回転)で10時間処理することで複合化し、LiS:P=65:35の組成比(モル比)を有する複合化物(硫黄界面反応向上剤)を得た。
この硫黄界面反応向上剤と、硫黄(正極活物質;アルドリッチ社製)、ケッチェンブラック(導電材;比表面積1200m/g、ライオン株式会社製、EC600JD)とを用い、その組成比(重量比)が40:40:10となるように硫黄界面反応向上剤120mg、正極活物質120mg、導電材30mgを秤量し、遊星ボールミル(Frilsch社製premium line P−7、公転半径0.07m、自転半径0.0235m、自転と公転の比=−2)にて5mmのジルコニアボール約40gとともに45mlのポットにて公転速度370rpmで2時間複合化し、正極合材の前駆体を得た。
2. Production of positive electrode mixture (Example 1)
Li 2 S (manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.) and P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) were weighed to a molar ratio of 65:35 and mixed in a mortar with a planetary ball mill at a rotational speed of 250 rpm. It is compounded by treating at a speed of 500 rpm (autorotation and reverse rotation) for 10 hours to obtain a compound (sulfur interface reaction improver) having a composition ratio (molar ratio) of Li 2 S: P 2 S 5 = 65: 35. It was.
Using this sulfur interfacial reaction improver, sulfur (positive electrode active material; manufactured by Aldrich), ketjen black (conductive material; specific surface area 1200 m 2 / g, manufactured by Lion Corporation, EC600JD), the composition ratio (weight ratio) ) Was measured so that the sulfur interfacial reaction improver 120 mg, the positive electrode active material 120 mg, and the conductive material 30 mg, and planetary ball mill (Premium line P-7 manufactured by Filsch, revolution radius 0.07 m, rotation radius) The precursor of the positive electrode mixture was obtained by compounding at about 235 rpm in a 45 ml pot at a revolution speed of 370 rpm together with about 40 g of 5 mm zirconia balls at 0.0235 m, the ratio of rotation to revolution = -2).

次に、LiS(フルウチ化学株式会社製)とP(アルドリッチ社製)を80:20のモル比となるように秤量し、乳鉢で混合したものを遊星ボールミルにて、自転速度250rpm、公転速度500rpm(自転と逆回転)で10時間処理することにより、LiS:P=80:20の組成比(モル比)を有する複合化物を得た(固体電解質;導電率0.48mS/cm)。
得られた正極合材の前駆体と、固体電解質を用い、その組成比(重量比)が90:10となるように、前駆体180mg、固体電解質20mgを秤量し、遊星ボールミル(Frilsch社製premium line P−7、公転半径0.07m、自転半径0.0235m、自転と公転の比=−2)にて5mmのジルコニアボール約40gとともに45mlのポットにて公転速度250rpmで30分間混合することにより、全固体型リチウム硫黄電池用の正極合材を得た。
Next, Li 2 S (manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.) and P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) were weighed so as to have a molar ratio of 80:20, and mixed in a mortar with a planetary ball mill. A composite having a composition ratio (molar ratio) of Li 2 S: P 2 S 5 = 80: 20 was obtained by treating at 250 rpm and a revolution speed of 500 rpm (rotation and reverse rotation) for 10 hours (solid electrolyte; conductive (Rate 0.48 mS / cm).
Using the obtained positive electrode mixture precursor and a solid electrolyte, 180 mg of the precursor and 20 mg of the solid electrolyte were weighed so that the composition ratio (weight ratio) was 90:10, and a planetary ball mill (premium manufactured by Filsch) was measured. By mixing for 30 minutes at a revolution speed of 250 rpm in a 45 ml pot with a line P-7, a revolution radius of 0.07 m, a revolution radius of 0.0235 m, a ratio of revolution to revolution = -2) and about 40 g of 5 mm zirconia balls. A positive electrode mixture for an all-solid-state lithium-sulfur battery was obtained.

(実施例2)
実施例1にて得られた硫黄界面反応向上剤と、硫黄(正極活物質;アルドリッチ社製)、アセチレンブラック(導電材;比表面積70m/g、アルドリッチ社製)を用い、その組成比(重量比)が30:25:25となるように硫黄界面反応向上剤90mg、正極活物質75mg、導電材75mgを秤量し、遊星ボールミル(Frilsch社製premium line P−7、公転半径0.07m、自転半径0.0235m、自転と公転の比=−2)にて5mmのジルコニアボール約40gとともに45mlのポットにて公転速度370rpmで2時間複合化し、正極合材の前駆体を得た。
(Example 2)
Using the sulfur interface reaction improver obtained in Example 1, sulfur (positive electrode active material; manufactured by Aldrich), and acetylene black (conductive material; specific surface area 70 m 2 / g, manufactured by Aldrich), the composition ratio ( 90 mg of sulfur interfacial reaction improver, positive electrode active material 75 mg, and conductive material 75 mg were weighed so that the weight ratio was 30:25:25, and planetary ball mill (Premium line P-7 manufactured by Filsch, revolution radius 0.07 m, A precursor of a positive electrode mixture was obtained by compounding at a revolution speed of 370 rpm in a 45 ml pot together with about 40 g of 5 mm zirconia balls at a revolution radius of 0.0235 m and a ratio of rotation to revolution = -2).

得られた前駆体と、実施例1にて得られた固体電解質を用い、その組成比(重量比)が80:20となるように、前駆体160mg、固体電解質40mgを秤量し、遊星ボールミル(Frilsch社製premium line P−7、公転半径0.07m、自転半径0.0235m、自転と公転の比=−2)にて5mmのジルコニアボール約40gとともに45mlのポットにて公転速度250rpmで30分間混合することにより、全固体型リチウム硫黄電池用の正極合材を得た。   Using the obtained precursor and the solid electrolyte obtained in Example 1, 160 mg of the precursor and 40 mg of the solid electrolyte were weighed so that the composition ratio (weight ratio) was 80:20, and a planetary ball mill ( Premium line P-7 manufactured by Frillsch, revolution radius 0.07m, revolution radius 0.0235m, rotation to revolution ratio = -2) and about 40g of 5mm zirconia balls in 45ml pot at revolution speed 250rpm for 30 minutes By mixing, a positive electrode mixture for an all-solid-state lithium-sulfur battery was obtained.

(実施例3)
固体電解質としてLiSとPを75:25の組成比(モル比)で複合化したもの(導電率:0.30mS/cm)を用いたこと以外、実施例2と同様の操作により正極合材を得た。
Example 3
The same operation as in Example 2 except that Li 2 S and P 2 S 5 were combined at a composition ratio (molar ratio) of 75:25 (conductivity: 0.30 mS / cm) as the solid electrolyte. Thus, a positive electrode mixture was obtained.

(比較例1)
固体電解質(実施例1にて作製)、硫黄(正極活物質;アルドリッチ社製)、及びケッチェンブラック(導電材;比表面積1200m/g、ライオン株式会社製、EC600JD)を用い、その組成比(重量比)が50:40:10となるように固体電解質100mg、正極活物質80mg、導電材20mgを秤量し、遊星ボールミル(Frilsch社製premium line P−7、公転半径0.07m、自転半径0.0235m、自転と公転の比=−2)にて5mmのジルコニアボール約40gとともに45mlのポットにて公転速度370rpmで2時間混合することにより、全固体型リチウム硫黄電池用の正極合材を得た。
(Comparative Example 1)
Using a solid electrolyte (prepared in Example 1), sulfur (positive electrode active material; manufactured by Aldrich), and ketjen black (conductive material; specific surface area 1200 m 2 / g, manufactured by Lion Corporation, EC600JD), the composition ratio A solid electrolyte 100 mg, a positive electrode active material 80 mg, and a conductive material 20 mg were weighed so that (weight ratio) was 50:40:10, and a planetary ball mill (Premium line P-7 manufactured by Filsch, revolution radius 0.07 m, rotation radius) A mixture of positive electrodes for an all-solid-state lithium-sulfur battery is prepared by mixing for 2 hours at a revolution speed of 370 rpm in a 45 ml pot together with about 40 g of a 5 mm zirconia ball at 0.0235 m, the ratio of rotation to revolution = -2). Obtained.

(比較例2)
固体電解質(実施例1にて作製)、硫黄(正極活物質;アルドリッチ社製)、及びアセチレンブラック(導電材;比表面積70m/g、アルドリッチ社製)を用い、その組成比(重量比)が50:25:25となるように固体電解質100mg、正極活物質50mg、導電材50mgを秤量した以外は、比較例1と同様の操作により正極合材を得た。
(Comparative Example 2)
Using a solid electrolyte (produced in Example 1), sulfur (positive electrode active material; manufactured by Aldrich), and acetylene black (conductive material; specific surface area 70 m 2 / g, manufactured by Aldrich), the composition ratio (weight ratio) A positive electrode mixture was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that 100 mg of the solid electrolyte, 50 mg of the positive electrode active material, and 50 mg of the conductive material were weighed so as to be 50:25:25.

(実施例4)
LiS(フルウチ化学株式会社製)とP(アルドリッチ社製)を50:50のモル比となるように秤量し、乳鉢で混合したものを遊星ボールミルにて、自転速度250rpm、公転速度500rpm(自転と逆回転)で10時間処理することで複合化し、LiS:P=50:50の組成比(モル比)を有する複合化物(硫黄界面反応向上剤)を得た。
この硫黄界面反応向上剤と、硫黄(正極活物質;アルドリッチ社製)、ケッチェンブラック(導電材;比表面積1200m/g、ライオン株式会社製、EC600JD)とを用い、その組成比(重量比)が30:50:10となるように硫黄界面反応向上剤72mg、正極活物質120mg、導電材24mgを秤量し、遊星ボールミル(Frilsch社製premium line P−7、公転半径0.07m、自転半径0.0235m、自転と公転の比=−2)にて5mmのジルコニアボール約40gとともに45mlのポットにて公転速度370rpmで2時間複合化し、正極合材の前駆体を得た。
Example 4
Li 2 S (manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.) and P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) were weighed to a molar ratio of 50:50, and mixed in a mortar with a planetary ball mill at a rotational speed of 250 rpm. Compounding by treating for 10 hours at a speed of 500 rpm (autorotation and reverse rotation), a composite (sulfur interface reaction improver) having a composition ratio (molar ratio) of Li 2 S: P 2 S 5 = 50: 50 is obtained. It was.
Using this sulfur interfacial reaction improver, sulfur (positive electrode active material; manufactured by Aldrich), ketjen black (conductive material; specific surface area 1200 m 2 / g, manufactured by Lion Corporation, EC600JD), the composition ratio (weight ratio) ) 72 mg of sulfur interfacial reaction improver, 120 mg of positive electrode active material, and 24 mg of conductive material were weighed so that the ratio would be 30:50:10. Planetary ball mill (Premium line P-7 manufactured by Filsch, revolution radius 0.07 m, rotation radius) The precursor of the positive electrode mixture was obtained by compounding at about 235 rpm in a 45 ml pot at a revolution speed of 370 rpm together with about 40 g of 5 mm zirconia balls at 0.0235 m, the ratio of rotation to revolution = -2).

得られた正極合材の前駆体と、固体電解質(実施例1にて作製)を用い、その組成比(重量比)が90:10となるように、前駆体180mg、固体電解質20mgを秤量し、遊星ボールミル(Frilsch社製premium line P−7、公転半径0.07m、自転半径0.0235m、自転と公転の比=−2)にて5mmのジルコニアボール約40gとともに45mlのポットにて公転速度300rpmで30分間混合することにより、全固体型リチウム硫黄電池用の正極合材を得た。   Using the obtained positive electrode mixture precursor and a solid electrolyte (produced in Example 1), 180 mg of the precursor and 20 mg of the solid electrolyte were weighed so that the composition ratio (weight ratio) was 90:10. , Revolving speed in a 45 ml pot with a planetary ball mill (Premium line P-7 manufactured by Filsch, revolution radius 0.07 m, rotation radius 0.0235 m, rotation to revolution ratio = -2) and about 40 g of 5 mm zirconia balls By mixing at 300 rpm for 30 minutes, a positive electrode mixture for an all solid-state lithium-sulfur battery was obtained.

(実施例5)
硫黄界面反応向上剤としてLiS(フルウチ化学株式会社製)とP(アルドリッチ社製)を40:60のモル比となるように調整した以外、実施例4と同様の操作により正極合材を得た。
(Example 5)
The positive electrode was operated in the same manner as in Example 4 except that Li 2 S (manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.) and P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) were adjusted as a sulfur interface reaction improver to a molar ratio of 40:60. A mixture was obtained.

(実施例6)
硫黄界面反応向上剤としてLiS(フルウチ化学株式会社製)とP(アルドリッチ社製)を30:70のモル比となるように調整した以外、実施例4と同様の操作により正極合材を得た。
(Example 6)
The positive electrode was operated in the same manner as in Example 4 except that Li 2 S (manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.) and P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) were adjusted to a molar ratio of 30:70 as the sulfur interface reaction improver. A mixture was obtained.

(実施例7)
硫黄界面反応向上剤としてLiS(フルウチ化学株式会社製)とP(アルドリッチ社製)を20:80のモル比となるように調整した以外、実施例4と同様の操作により正極合材を得た。
(Example 7)
The positive electrode was operated in the same manner as in Example 4 except that Li 2 S (manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.) and P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) were adjusted to a molar ratio of 20:80 as a sulfur interface reaction improver. A mixture was obtained.

(実施例8)
硫黄界面反応向上剤としてLiS(フルウチ化学株式会社製)とP(アルドリッチ社製)を10:90のモル比となるように調整した以外、実施例4と同様の操作により正極合材を得た。
(Example 8)
The positive electrode was operated in the same manner as in Example 4 except that Li 2 S (manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.) and P 2 S 5 (manufactured by Aldrich Co.) were adjusted as the sulfur interface reaction improver to a molar ratio of 10:90. A mixture was obtained.

(実施例9)
硫黄界面反応向上剤としてP(アルドリッチ社製)を用いた以外、実施例4と同様の操作により正極合材を得た。
Example 9
A positive electrode mixture was obtained in the same manner as in Example 4, except that P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) was used as the sulfur interface reaction improver.

(実施例10)
固体電解質としてLiS(フルウチ化学株式会社製)とP(アルドリッチ社製)とGeSを5:1:1のモル比となるように秤量し、乳鉢で混合したものを遊星ボールミルにて、自転速度250rpm、公転速度500rpm(自転と逆回転)で10時間処理し、さらにアルゴン雰囲気下で510℃で8時間加熱することにより、LiS:P:GeS=5:1:1の組成比(モル比)を有する複合化物を得た(固体電解質;導電率5.8mS/cm)。この固体電解質を用いた以外、実施例9と同様の操作により正極合材を得た。
(Example 10)
A planetary ball mill prepared by weighing Li 2 S (manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.), P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) and GeS 2 as a solid electrolyte so as to have a molar ratio of 5: 1: 1 and mixing them in a mortar. Then, Li 2 S: P 2 S 5 : GeS 2 = 5 by treating at a rotation speed of 250 rpm and a revolution speed of 500 rpm (rotation and reverse rotation) for 10 hours and further heating at 510 ° C. for 8 hours in an argon atmosphere. A composite having a composition ratio (molar ratio) of 1: 1 was obtained (solid electrolyte; conductivity 5.8 mS / cm). A positive electrode mixture was obtained in the same manner as in Example 9, except that this solid electrolyte was used.

(比較例3)
固体電解質(実施例1にて作製)、硫黄(正極活物質;アルドリッチ社製)、及びケッチェンブラック(導電材;比表面積1200m/g、ライオン株式会社製、EC600JD)を用い、その組成比(重量比)が40:50:10となるように固体電解質80mg、正極活物質100mg、導電材20mgを秤量した以外、比較例1と同様の操作により正極合材を得た。
(Comparative Example 3)
Using a solid electrolyte (produced in Example 1), sulfur (positive electrode active material; manufactured by Aldrich), and ketjen black (conductive material; specific surface area 1200 m 2 / g, manufactured by Lion Corporation, EC600JD), the composition ratio A positive electrode mixture was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that 80 mg of the solid electrolyte, 100 mg of the positive electrode active material, and 20 mg of the conductive material were weighed so that the (weight ratio) was 40:50:10.

3.全固体型リチウム硫黄電池の作製
ポリカーボネート製の円筒管治具(内径10mmΦ、外径23mmΦ、高さ20mm)の下側から負極集電体としてSUS304製の円筒治具(10mmΦ、高さ10mm)を差し込み、ポリカーボネート製の円筒管治具の上側から固体電解質(80LiS−20Pを240℃で1時間焼成した複合化物)70mgを入れて、さらに正極集電体としてSUS304製の円筒治具(10mmΦ、高さ15mm)をポリカーボネート製の円筒管治具の上側から差し込んで固体電解質を挟み込み、200MPaの圧力で3分間プレスすることにより直径10mmΦ、厚さ約0.6mmの固体電解質層を形成した。
3. Production of an all-solid-state lithium-sulfur battery A cylindrical jig made of SUS304 (10 mmΦ, height 10 mm) is used as a negative electrode current collector from the lower side of a polycarbonate cylindrical tube jig (inner diameter 10 mmΦ, outer diameter 23 mmΦ, height 20 mm). 70 mg of a solid electrolyte (composite of 80Li 2 S-20P 2 S 5 baked at 240 ° C. for 1 hour) is put from the upper side of the cylindrical tube jig made of polycarbonate, and a cylindrical treatment made of SUS304 is used as a positive electrode current collector. A solid electrolyte layer having a diameter of 10 mmΦ and a thickness of about 0.6 mm is formed by inserting a tool (10 mmΦ, height 15 mm) from the upper side of a cylindrical tube jig made of polycarbonate, sandwiching the solid electrolyte, and pressing at a pressure of 200 MPa for 3 minutes. Formed.

次に、上側から差し込んだSUS304製の円筒治具(正極集電体)を一旦抜き取り、ポリカーボネート製の円筒管内の固体電解質層の上に実施例1〜10及び比較例1〜3で作製した正極合材を硫黄重量として3.75mgとなるように入れ、再び上側からSUS304製の円筒治具(正極集電体)を差し込み、200MPaの圧力で3分間プレスすることで、直径10mmΦ、厚さ約0.1mmの正極合材層を形成した。   Next, the cylindrical jig (positive electrode current collector) made of SUS304 inserted from the upper side was once extracted, and the positive electrodes produced in Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3 on the solid electrolyte layer in the polycarbonate cylindrical tube. Insert the compound material to a sulfur weight of 3.75 mg, insert a SUS304 cylindrical jig (positive electrode current collector) from the upper side again, and press it at a pressure of 200 MPa for 3 minutes. A 0.1 mm positive electrode mixture layer was formed.

次いで、下側から差し込んだSUS304製の円筒治具(負極集電体)を抜き取り、負極として厚さ0.25mmのリチウムシート(フルウチ化学社製)を穴あけポンチで直径8mmΦに打ち抜いたものと厚さ0.3mmのインジウムシート(フルウチ化学社製)を穴あけポンチで直径9mmΦに打ち抜いたものを重ねてポリカーボネート製の円筒管治具の下側から入れて、再び下側からSUS304製の円筒治具(負極集電体)を差し込み、80MPaの圧力で3分間プレスすることでリチウム−インジウム合金負極を形成した。
以上のようにして、下側から順に、負極集電体、リチウム−インジウム合金負極、固体電解質層、正極合材層、正極集電体が積層された全固体型リチウム硫黄電池を作製した。
Next, the cylindrical jig made of SUS304 (negative electrode current collector) inserted from the lower side was extracted, and a lithium sheet (manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.) having a thickness of 0.25 mm as a negative electrode was punched into a diameter of 8 mmΦ with a punch. A 0.3 mm thick indium sheet (manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.) is punched with a punch and punched to a diameter of 9 mm and is inserted from the lower side of the polycarbonate cylindrical tube jig, and again from the lower side, the cylindrical jig made of SUS304 (Negative electrode current collector) was inserted and pressed at 80 MPa for 3 minutes to form a lithium-indium alloy negative electrode.
As described above, an all-solid-state lithium-sulfur battery in which the negative electrode current collector, the lithium-indium alloy negative electrode, the solid electrolyte layer, the positive electrode mixture layer, and the positive electrode current collector were stacked in this order from the bottom was produced.

4.全固体型リチウム硫黄電池の評価
(充放電試験)
作製した全固体型リチウム硫黄電池を用い、充放電装置(ACD−M01A、アスカ電子株式会社製)にて0.64mA/cmの電流密度で充放電を繰り返した。10サイクル目の正極合材当たりの容量を表1に示す。
4). Evaluation of all solid-state lithium-sulfur batteries
(Charge / discharge test)
Using the produced all solid-state lithium-sulfur battery, charging / discharging was repeated at a current density of 0.64 mA / cm 2 using a charging / discharging device (ACD-M01A, manufactured by Asuka Electronics Co., Ltd.). Table 1 shows the capacity per positive electrode composite at the 10th cycle.

Figure 0006061139
Figure 0006061139

5.結果と考察
上記実験例及び比較例より、硫黄界面反応向上剤(B)及び固体電解質(D)を組み合わせた正極合材を全固体型リチウム硫黄電池の正極合材層に用いることにより、充放電容量に優れた全固体型リチウム硫黄電池を得ることができることが明らかとなった。
5. Results and Discussion From the above experimental examples and comparative examples, charge / discharge is achieved by using a positive electrode mixture in which the sulfur interface reaction improver (B) and the solid electrolyte (D) are combined in the positive electrode mixture layer of an all-solid-state lithium-sulfur battery. It became clear that an all-solid-state lithium-sulfur battery excellent in capacity can be obtained.

Claims (5)

以下の工程を含む、全固体型リチウム硫黄電池の正極合材層に用いられることを特徴とする正極合材の製造方法:
(1)硫黄又はその放電生成物(A)、P、又はPがLiSとPの総量に対してモル比で30%以上であるLiSとPとの複合化物である、硫黄界面反応向上剤(B)、及び導電材(C)を複合化する工程;並びに
(2)工程(1)で得られた複合化物に、LiSとMとの複合化物(ここで、Mは、P、Si、Ge、B及びAlからなる群より選択される元素のうち少なくとも一つであり、x及びyは、独立して、Mの種類に応じて決定される化学量論比を与える整数を表わす)であって、その組成比(モル比)がLiS:M=70:30〜85:15であり、0.1mS/cm以上の導電率を有する固体電解質(D)(但し、PがLiSとPの総量に対してモル比で30%であるLiSとPとの複合化物は除く)を添加し、さらに混合する工程。
A method for producing a positive electrode mixture, which is used for a positive electrode mixture layer of an all-solid-state lithium-sulfur battery, including the following steps:
(1) Sulfur or discharge products (A), P 2 S 5 , or P 2 S 5 is more than 30% by molar ratio relative to the total amount of Li 2 S and P 2 S 5 Li 2 S and P 2 is a composite compound with S 5, sulfur interfacial reaction improver (B), and a conductive material of step (C) conjugating; the composite material obtained in well (2) step (1), Li 2 Compound of S and M x S y (where M is at least one element selected from the group consisting of P, Si, Ge, B and Al, and x and y are independently Represents a stoichiometric ratio determined according to the type of M, and the composition ratio (molar ratio) is Li 2 S: M x S y = 70: 30 to 85:15 , Solid electrolyte (D) having a conductivity of 0.1 mS / cm or more (provided that P 2 S 5 is the total amount of Li 2 S and P 2 S 5 And a mixture of Li 2 S and P 2 S 5 having a molar ratio of 30% with respect to the mixture.
前記固体電解質(D)の含有量が、前記硫黄又はその放電生成物(A)100重量部に対して、5〜100重量部である、請求項に記載の製造方法。 The content of the solid electrolyte (D) is, relative to the sulfur or discharge products thereof (A) 100 parts by weight of a 5 to 100 parts by weight The process of claim 1. 前記工程(1)の複合化が公転速度100〜600rpm、0.1〜15時間の条件下で遊星型ボールミルを用いて行われ、前記工程(2)の混合が公転速度50〜500rpm、0.1〜15時間の条件下で遊星型ボールミルを用いて行われる、請求項又はに記載の製造方法。 Composite is revolving speed 100~600rpm of the step (1) is performed using a planetary ball mill under the conditions of 0.1 to 15 hours, mixing of the step (2) is revolving speed 50 to 500 rpm, 0. The manufacturing method of Claim 1 or 2 performed using a planetary ball mill on the conditions for 1 to 15 hours. 前記固体電解質(D)が、LiS:P=75:25〜85:15であるLiSとPとの複合化物、又はLiS:P:GeS=70〜80:20〜10:10〜0であるLiSとPとGeSとの複合化物である、請求項のいずれか1項に記載の製造方法。 The solid electrolyte (D) is a composite of Li 2 S and P 2 S 5 in which Li 2 S: P 2 S 5 = 75: 25 to 85:15, or Li 2 S: P 2 S 5 : GeS 2 = 70-80: 20 to 10: 10 to 0 is a complex compound of Li 2 S and P 2 S 5 and GeS 2 is a method according to any one of claims 1 to 3. 前記固体電解質(D)がLiPO,LiSiO、LiO、LiI、LiBH及びLiNからなる群より選択される少なくとも1つのリチウム塩をさらに含む、請求項のいずれか1項に記載の製造方法。 The solid electrolyte (D) is LiPO 4, LiSiO 4, Li 2 O, LiI, further comprising at least one lithium salt selected from the group consisting of LiBH 4 and Li 3 N, either of claims 1 to 4, 1 The production method according to item.
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