JP6351720B2 - 炭素被覆された硫化リチウム - Google Patents
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Description
バッテリー用、例えば電気自動車のバッテリーのための適用又は再生エネルギー(例えば風力エネルギー、太陽光エネルギー等)用の貯蔵技術のための適用は、今まで使用していたバッテリー又は市場で入手可能なバッテリーよりも明らかに高い比エネルギーを有する再充電可能なバッテリーのために新たな技術開発を必要とする。
リチウム−硫黄−電池は、この適用範囲にとって、極めて将来性のある技術である。
従って、硫化リチウムを基礎とする活物質を準備することが先行技術で試された。WO 2013/057023からは、硫化リチウムを炭素層で覆うことは公知であり、ここで、炭素層は、ポリアクリルニトリル又はスクロースから製造される。
更に、先行技術において、硫化リチウムを基礎とするのではなく、他のリチウム化合物を基礎とする、リチウムを基礎とする系が調査された。例えば、L. Zhao et al.著, Adv. Mater. 2011, 23, 1385-1388からは、特にLi4Ti5O12を炭素層で覆い、ここでこの炭素層はイオン液体から製造されることが明らかにされている。この皮膜の好ましい特性は、ここでは、特にTiを有する界面相形成に要因がある。
Paraknowitsch et al.著, Macromol. Chem. Phys. 2012, 213, 1132-1145も、イオン液体から出発する多様な炭素材料を記載している。
本発明の課題は、先行技術から公知の系と比べて改善された特性を示すバッテリー用の活物質を提供することである。
従って、特に、バッテリー用の活物質を製造する、安価で、有効でかつ確実な方法を見つけ出すことが好ましく、特にこの方法を後に場合による大規模工業的利用を考慮しながら見つけ出すことが好ましい。
更に、この課題は、バッテリー用の相応する好ましい活物質、相応する電極及びバッテリー自体を提供することであった。
更に、本発明の課題は、本発明による活物質のための相応する使用を見つけ出すことであった。
本発明の他の課題は、本発明による活物質を利用するカソード材料の準備であった。
この課題は、本発明による方法、本発明による使用及び本発明による材料により解決される。
本発明の範囲内で、全ての量の記載は、他に記載がない限り、質量の記載として解釈される。
本発明の範囲内で、「室温」の概念は、20℃の温度を意味する。温度の記載は、他の記載がない限り、摂氏度(℃)である。
他に記載がない限り、挙げられた反応又は方法工程は、常圧/大気圧、つまり1013mbarで実施される。
他に記載がない限り、ナノメートル範囲又はマイクロメートル範囲でのサイズの表示は走査電子顕微鏡(SEM)によって決定された/決定される、若しくは決定することができる。
「イオン液体」の概念とは、本発明の範囲内で、専らカチオンとアニオンとからなる液体であると解釈される。このイオン液体は、100℃未満の低い融点を示す。このイオン液体は、室温で蒸気圧が事実上ない。関与するイオンのサイズ及び対称性は、この場合、強い結晶格子の形成を妨害する。従って、格子エネルギーを克服しかつ固体の結晶構造を壊すために、既に低い熱エネルギーで十分である。特に、本発明の範囲内で、イオン液体とは、−10〜80℃の温度、特に室温で液体であるものであると解釈される。本発明の範囲内で、イオン液体は、ILとも省略される。
本発明の範囲内で、「及び/又は」の表現は、その都度列挙して記載された構成要素の、個々の任意の組み合わせも、全ての組み合わせも含める。
本発明の主題は、特に、次の工程a)〜e):
a) 硫化リチウム、好ましくはLi2Sを準備する工程、
b) 任意に、この硫化リチウムを乾燥及び/又は、特に2μm未満、殊に1μm未満のサイズに粉砕する工程、
c) 少なくとも1種のイオン液体、任意に適切な有機溶媒中のイオン液体を添加、及び混合する工程、
d) この混合物を、保護ガス下で、イオン液体の分解限度を超えかつLi2S粒子の分解温度を下回る温度に加熱し、これにより、この少なくとも1種のイオン液体を、炭素に分解し、かつこの炭素を、Li2S粒子の表面上に均質な層として堆積させる工程、
e)任意に、凝集体を分割するために、得られた生成物を粉砕する工程
を有するか又はこれらの工程からなる、バッテリー用の活物質の製造方法である。
ここで、高い比表面積を達成するために、硫化リチウムの平均粒径は、2μm未満、特に1μm未満である場合が好ましい。
使用される硫化リチウムが既に、2μm未満、特に1μm未満の平均粒径を示す限り、磨砕は必要ではない(がそれでも可能である)。
ここで、使用されたILが窒素含有の黒鉛状の炭素被覆を生じる場合が好ましい。
このような誘導体は、当業者に公知である。
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム(BMIM)、
1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(EMIM)、
1−ブチル−1−メチルピロリジニウム(Pyr14)、
3−メチル−N−ブチルピリジニウム(3MBP)、
1−デシル−3−メチルイミダゾリウム(DMIM)、
1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウム(HMIM)、
1−シアノメチル−3−メチルイミダゾリウム(MCNIM)、
1,3−ビス(シアノメチル)−イミダゾリウム(BCNIM)、
N−(2−メトキシエチル)−N−メチルピロリジニウム(Pyr12O1)。
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム ジシアナミド(BMIM DCA)、
1−エチル−3−メチルイミダゾリウム トリシアノメタニド(EMIM TCM)、
1−ブチル−1−メチルピロリジニウム トリシアノメタニド(Pyr14 TCM)、
3−メチル−N−ブチルピリジニウム ジシアナミド(3MBP DCA)、
1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ジシアナミド(EMIM DCA)
からなる群から選択されるILである。
好ましくは、このための有機溶媒として、アセトニトリル、N−メチルピロリドン(NMP)、1,3−ジオキソラン、ジメチルエーテル(DME)、DME誘導体、特に導入された1つ以上のエトキシ基を有するDME誘導体、例えばトリエチレングリコールジメチルエーテル(TEG−DME)、C6〜C12−アルカン及びこれらの混合物、好ましくはアセトニトリルからなる群から選択される有機溶媒を使用する。
分解温度への加熱は、この場合、被覆の形成に影響を及ぼすことがあり、従って炭素皮膜の形成を制御する可能性が生じる。
実際の理由から、しばしば、約2〜4℃/分、特に3℃/分の温度上昇が選択される。
本発明の実施態様の場合、まず、2.5℃/分で300℃まで、引き続き3.3℃/分で最終温度まで加熱することができる。
i) 上記の本発明による方法により製造された活物質を準備する工程、
ii) 少なくとも1種の導電性添加物を、場合により少なくとも1種の適切な結合剤の添加下で、添加する工程、
iia) 任意に、他の添加剤を添加する工程、
iii) これらの材料を混合する工程、
iv) 得られる混合物を、好ましくは引き延ばし及び/又はキャスティングにより加工する工程、
v) 得られた材料を乾燥する工程、
を有するか又はこれらの工程からなり、ここで、工程i)〜iv)において、好ましくは溶媒、特に好ましくはNMPを使用する。
工程iv)におけるキャスティングは、機械的方法であり、スリットキャスティングともいうこともできる。この場合、定義された供給流をキャビティ及びスリットを通して均質化して、かつ慎重に層状に間隙中で集電体上に塗工する。
その他の点で、2つの方法は当業者に公知である。
使用可能な導電性添加物の例は、例えば炭素含有材料である。
好ましい使用可能な炭素含有材料は、カーボンブラック、合成又は天然の黒鉛、グラフェン、カーボンナノ粒子、フラーレン又はこれらの混合物からなる群から選択される。
使用可能なカーボンブラックは、例えばKetjenblack(登録商標)の名称で入手可能である。
好ましい使用可能なカーボンブラックは、例えばSuper P(登録商標)C 65の商品名で入手可能である。
好ましくは、本発明の範囲内で、ポリビニリデンフルオリド(PVdF)、PAN及び/又はPEO、特に好ましくはPANが、結合剤として使用される。
この結合剤は、この方法で使用する前に溶媒中に、好ましくは工程i)〜iv)中で使用される溶媒と同じ溶媒中に、特にNMP中に溶かされる。
しかしながら、通常では、他の添加剤の添加は行わなくてもよい。
別の実施態様の場合に、活物質の割合を明らかに高めることができる。
しかしながら、この専門分野で公知の他の集電体を使用することもできる。
好ましくは、1−ブチル−1−メチルピロリジニウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド中のリチウム−ビス(フルオロスルホニル)イミド又はリチウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、LiTFSIを含むポリエチレンオキシド、LiTFSI及びPYR14TFSIを含むポリエチレンオキシド、TEGDME中のLiCF3SO3、エチレンカルボナート/ジメチルカルボナート/ジエチルカルボナート/プロピレンカルボナートからなる任意の混合物中のLiPF6、ジメトキシエタン/1,3−ジオキソラン中のLiTFSI、ジメトキシエタン/1,3−ジオキソラン中のLiPF6、ジメトキシエタン/1,3−ジオキソラン中のLiBF4、3:7のテトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)/1,3−ジオキソラン中のLiCF3SO3及びこれらの混合物からなる群から選択される電解質を使用することができる。
例示される電解質は、3:7のテトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)/1,3−ジオキソラン中のLiCF3SO3である。
高分子電解質並びに固体電解質の場合には、これらを同時にセパレータとして利用することもできる。
好ましくは、例えばCelgard(登録商標)2500として提供される単層のポリプロピレンセパレータ、又は、特にILを基礎とする電解質を使用する場合にセラミックセパレータ又はガラス繊維を基礎とするセパレータを使用することができる。
最も好ましくは、DE 10 2013 105 678.8に記載されているような、片面が被覆されたセパレータ、特に片面がPEOで被覆されたPETセパレータが使用される。一実施態様の場合に、セラミックで被覆されたPETセパレータを使用することが最も好ましい。このセパレータによって、特に良好な結果が達成された。
− カソード表面又はアノード側への可溶性ポリスルフィドの拡散及びそれらへの堆積の防止(パッシベーション及び「シャトルメカニズム」)。
− 充電工程及び放電工程の間の粒子の凝集の防止。
− 集電体への電気的接触の保証。
加えて、リチウム化及び脱リチウム化による公知の体積変化を考慮した。
本発明による方法は、大工業的規模に容易に転用可能である。
まず、Li2Sを1〜2グラム準備し、アセトニトリルの存在でボールミル中で粉砕して、二次粒子を破壊し、次いで120℃で24時間乾燥して、活物質を製造した。
引き続き、このLi2Sを、第1表から読み取れるように、IL又はIL/アセトニトリルの、Li2Sとの混合物を、記載された多様な比率で、それぞれ30分間乳鉢ですりつぶすことにより濡らした。
次の工程で、まず300℃まで加熱し、この温度を1時間保持することにより、保護ガス雰囲気(アルゴン)下で炭化を行った。次いで、1分当たり2.5℃で300℃にまで加熱し、次いで1分当たり3.3℃で700℃にまで加熱し、この温度を3時間保持した。
室温に冷却後に、凝集体の分割のために乳鉢ですりつぶした。
生じる材料は黒色であり、これは、硫化リチウムが完全に取り囲まれていることについての証拠である。これは、SEM画像により確かめられる(図3)。
例1に一般的に記載されたように行うが、ここで、次のILを使用した:
表6行目のBMIM DCA(例1a−比率Li2S:IL=5:1)、
表5行目のEMIM TCM(例1b−比率Li2S:IL=5:1)、
表2行目のPyr14 TCM(例1c−比率Li2S:IL=1:1)。
例1で製造した活物質それぞれ40gを、Super P(登録商標)Li 40g及び10%のPVdF溶液20gと、ミキサー(ボールミル)中で200〜400rpmで1時間混合し、次いで10分間休止した。これを3回繰り返した。
WO 2013/057023の例1と同様に行った。
例2の記載と同様に行うが、活物質として例3aの活物質を使用した。
例2と同様に行った。
電極として、Li2S/C EMIM−TCM:SuperP:PVdF(40:20:20)を使用した(PVdF=ポリビニリデンフルオリド)。
セパレータは、ポリエチレンオキシド被覆したSeparionセパレータであり、電解質としてPyr14 TFSI:LiTFSI(9:1)を使用した。
試験セルは40℃でのパウチバッグであった。
この結果は図5中に示されている。
この場合、高い効率を達成したことを読み取ることができ;シャトル効果は、添加剤なしでも抑制された。
Claims (12)
- 次の工程a)〜e):
a) 硫化リチウムを準備する工程、
b) 任意に、前記硫化リチウムを乾燥及び/又は粉砕する工程、
c) 少なくとも1種のイオン液体、任意に適切な有機溶媒中のイオン液体を添加、及び混合する工程、その際、前記少なくとも1種のイオン液体は、ピリジニウム、ピリジニウム誘導体、ピロリジニウム、ピロリジニウム誘導体、イミダゾリウム、イミダゾリウム誘導体及びこれらの混合物からなる群から選択される窒素含有カチオンを有し、かつジシアナミド、トリシアノメタニド及びこれらの混合物からなる群から選択されるアニオンを有する、
d) 前記混合物を、場合により保護ガス下で、前記イオン液体の分解限度を超えかつ硫化リチウム粒子の分解温度を下回る温度に加熱し、それにより前記少なくとも1種のイオン液体を炭素に分解し、かつ前記炭素を硫化リチウム粒子の表面上に均質な層として堆積させる工程、
e)任意に、凝集体を分割するために、得られた生成物を粉砕する工程
を有するか又はこれらの工程からなる、バッテリー用の活物質の製造方法。 - 前記硫化リチウムは、Li2Sであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 工程b)において、前記乾燥を50〜150℃の温度で、5時間〜2日間行う、及び/又は硫化リチウム粒子の粉砕を、磨砕により行うことを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記窒素含有カチオンは、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム及び1−ブチル−1−メチルピロリジニウムから選択されることを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記少なくとも1種のイオン液体は、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム ジシアナミド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム トリシアノメタニド、1−ブチル−1−メチルピロリジニウム トリシアノメタニド及びこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項に記載の方法。
- 溶媒として、アセトニトリル及び/又はN−メチルピロリドンを使用することを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1項に記載の方法。
- 工程d)において、850℃までに加熱し、この温度を2〜5時間保持することを特徴とする、請求項1から6までのいずれか1項に記載の方法。
- 工程d)において、まず250〜350℃に加熱し、次いでこの温度で0.5〜3時間保持し、その後850℃までに加熱し、この温度を2〜5時間保持することを特徴とする、請求項1から7までのいずれか1項に記載の方法。
- 電極及び/又はバッテリー中での、請求項1から8までのいずれか1項に記載の方法により製造された活物質の使用。
- リチウム−金属バッテリー及び/又はリチウム−イオンバッテリー中でのカソード材料としての、請求項1から8までのいずれか1項に記載の方法により製造された活物質の使用。
- 次の工程
i) 請求項1から8までのいずれか1項に記載の方法により製造された活物質を準備する工程、
ii) 少なくとも1種の導電性添加物を、場合により少なくとも1種の適切な結合剤の添加下で、添加する工程、
iia) 任意に、他の添加剤を添加する工程、
iii) これらの材料を混合する工程、
iv) 得られた混合物を、引き延ばし及び/又はキャスティングにより加工する工程、
v) 得られた材料を乾燥する工程
を有し、ここで前記工程i)〜iv)において、溶媒を使用する、カソード材料の製造方法。 - 前記方法は、工程i)〜v)からなることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
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