JP6758679B2 - 水酸化鉄(FeOOH)の製造方法及び水酸化鉄を含むリチウム−硫黄電池用正極 - Google Patents
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Description
Fe(NO3)3・9H2OまたはFeCl3・6H2O;及び
下記化学式1で表される還元剤;を混合して反応させる段階を含む水酸化鉄(FeOOH)の製造方法を提供する。
(化学式1)
M1(BH4)X
前記化学式1において、M1はLi、Na、Mg、K及びCaの中で選択されるいずれか一つで、Xは1または2である。
本発明の一具体例は、前記化学式1で表される還元剤が0.2ないし0.5Mの水溶液である。
本発明の一具体例は、前記反応温度が20ないし25℃である。
本発明の一具体例は、前記反応時間が10分ないし10時間である。
本発明の一具体例は、前記反応段階以後、濾過及び乾燥段階をさらに含むことである。
本発明の一具体例は、前記乾燥が70ないし90℃で6ないし12時間行われることである。
本発明の一具体例は、前記水酸化鉄(FeOOH)が結晶性である。
本発明の一具体例は、前記水酸化鉄(FeOOH)が板状型である。
本発明の一具体例は、前記水酸化鉄(FeOOH)が粒径50ないし500nmのものである。
活物質、導電材及びバインダーを含むリチウム−硫黄電池用正極であって、
前記正極は、水酸化鉄(FeOOH)を含むリチウム−硫黄電池用正極を提供する。
本発明の一具体例は、前記水酸化鉄(FeOOH)が結晶性である。
本発明の一具体例は、前記水酸化鉄(FeOOH)の平均粒径が50ないし500nmである。
本発明の一具体例は、前記活物質が硫黄−炭素複合体である。
正極、負極、これらの間に介在された分離膜及び電解質を備え、
前記正極は、上述したリチウム−硫黄電池用正極であるリチウム−硫黄電池を提供する。
本発明は、水酸化鉄(FeOOH)の製造方法に係り、リチウム−硫黄電池の正極材に適用して放電容量を向上させることができる形態及び物性を持つ水酸化鉄(FeOOH)を製造することができる方法に関する。
下記化学式1で表される表示される還元剤;を混合して反応させる段階を含んでもよい:
(化学式1)
M1(BH4)X
前記化学式1において、M1はLi、Na、Mg、K及びCaの中で選択されるいずれか一つで、Xは1または2である。
Fe(NO3)3・9H2O水溶液またはFeCl3・6H2OとNaBH4水溶液を反応させる場合、Fe3+陽イオンがFe金属形態に切り換えられた後、水溶液相で自然に水酸化鉄(FeOOH)が合成されることがある。
前記濾過させる段階は、当業界で通常利用する濾過工程によって実施されてもよく、例えば、濾紙を利用してもよい。
前記乾燥温度が70℃未満であるか、乾燥時間が6時間未満であれば、完全に乾燥されないため、粒子形態の水酸化鉄(FeOOH)を得ることができず、90℃超であるか、12時間超であれば、残っている水が沸いて水酸化鉄(FeOOH)の物性が変性されることがある。
本発明は活物質、導電材及びバインダーを含むリチウム−硫黄電池用正極であって、前記正極は、水酸化鉄(FeOOH)を含むリチウム−硫黄電池用正極を提供する。
前記集電体としては、導電性に優れたアルミニウム、ニッケルなどを使用することが好ましい。
言わば、前記正極スラリーを製造する時、先ず、水酸化鉄(FeOOH)を溶媒に分散した後、得られた溶液を活物質、導電材及びバインダーとミキシングして正極を形成のためのスラリー組成物を得る。以後、このようなスラリー組成物を集電体上でコーティングした後、乾燥して正極を完成する。この時、必要に応じて電極密度を向上するために、集電体に圧縮成形して製造することができる。
一方、本発明は、正極、負極、これらの間に介在された分離膜及び電解質を備えるものの、前記正極は前述した正極であることを特徴とする、リチウム−硫黄電池を提供する。
この時、前記負極、分離膜及び電解質は、リチウム−硫黄電池に使用されてもよい通常の物質で構成することができる。
また、前記負極は、リチウム金属の薄膜であってもよい。
[製造例1]水酸化鉄(FeOOH)の製造
0.3MのNaBH4水溶液に0.05MFe(NO3)3・9H2O水溶液を400rpmでスターリングしながら50秒間混合した。この時、NaBH4は、TCI社製として純度>95%で、Fe(NO3)3・9H2Oは、Aldrich社製として純度が98%である。
製造例1と同様に製造するが、反応時間を12時間にして水酸化鉄(FeOOH)を製造した。
濃度が0.8M/Lである塩化第1鉄水溶液40Lに濃度が1.6M/Lの水酸化ナトリウム水溶液10Lを添加して水酸化第1鉄を製造した後、25℃の反応温度で酸化反応させた。この時、水酸化第1鉄の酸化速度を異にして種結晶生成反応を進行させた。
先ず、溶媒として水に、製造例1で製造した水酸化鉄(FeOOH)を投入するベース固形分(活物質、導電材及びバインダー)にベース固形分の総重量(100重量部)に対して10重量部の水酸化鉄(FeOOH)を投入して溶解した。以後、得られた溶液に対して、ベース固形分総100重量部、つまり、活物質として硫黄−炭素複合体(S/C7:3)を90重量部、導電材としてデンカブラックを5重量部、バインダーとしてスチレンブタジエンゴム/カルボキシメチルセルロース(SBR/CMC7:3)5重量部を投入し、ミキシングして正極スラリー組成物を製造した。
水酸化鉄(FeOOH)を5重量部投入したことを除き、実施例1と同様に進めた。
溶媒として水にベース固形分総100重量部、つまり、活物質で硫黄−炭素複合体(S/C 7:3)を90重量部、導電材でデンカブラックを5重量部、バインダーでスチレンブタジエンゴム/カルボキシメチルセルロース(SBR/CMC 7:3)5重量部を投入し、ミキシングして正極スラリー組成物を製造した。
水酸化鉄(FeOOH)の代わりにFe(NO3)3/CoCl2とNaBH4を混合して製造したγ−FeOOH/Coを使用したことを除き、実施例1と同様に進めた。
水酸化鉄(FeOOH)の代わりにFe(OH)3を使用したことを除き、実施例1と同様に進めた。
製造例1及び比較製造例1でそれぞれ製造された水酸化鉄(FeOOH)であるレピドクロサイトに対してSEM分析(Hitachi社のS−4800FE−SEM)を実施した。
図1を参照すれば、倍率をそれぞれ50k及び100kにしてSEM分析した結果、反応時間が40分の製造例1の場合、数百nmの板状型レピドクロサイトが観察されたが、反応時間が12時間の比較製造例1の場合、板状型構造が殆ど消えたことが分かった。
製造例1及び比較製造例1でそれぞれ製造された水酸化鉄(FeOOH)であるレピドクロサイトに対してXRD分析(Bruker社のD4 Endeavor)を実施した。
図3は、製造例1及び比較製造例1でそれぞれ製造されたレピドクロサイトに対するXRD分析結果を示すグラフである。
比較製造例1のレピドクロサイトの場合、XRDピークが消えたものと確認され、これによって結晶性が殆ど消えたことが分かる。
前記実施例1及び2、比較例1ないし3で製造したリチウム−硫黄電池を用いて正極材の種類による放電容量を測定した。実施例1の正極は、硫黄−炭素複合体と水酸化鉄(FeOOH)10重量部を含み、実施例2の正極は、硫黄−炭素複合体と水酸化鉄(FeOOH)5重量部を含む。比較例1の正極は、硫黄−炭素複合体を含ませ、比較例2の正極は、硫黄−炭素複合体とγ−FeOOH/Co10重量部を含ませ、比較例3の正極は、硫黄−炭素複合体とFe(OH)310重量部を含ませた。この時、測定電流は0.1C、電圧範囲1.8〜2.5Vにした。
測定された放電容量データを表1及び図8に示す。
正極材の種類によるリチウム−硫黄電池の放電容量を実験するために、下記表2に記載のように、リチウム−硫黄電池の正極及び負極を構成した後、放電容量を測定した。
実施例1、実施例2及び比較例1によるリチウム−硫黄電池を利用して電池のサイクルによる放電容量の変化模様及び90サイクルでの充/放電効率を測定した。この時、初期放電/充電は2.5サイクルの間は0.1C/0.1Cで進行し、以後からは0.5C/0.3Cで進行した。また、電圧範囲は1.8〜2.5Vにした。
電池サイクルの進行によって測定された放電容量値は、図10のグラフに示した。
結果、水酸化鉄(FeOOH)を含む場合、初期放電容量値をよく維持できることが確認される。
正極材の種類によるリチウム−硫黄電池の寿命特性を実験するために、下記表3に記載のように、リチウム−硫黄電池の正極及び負極を構成した後、放電容量を測定した。
比較実験例(1)の正極は、硫黄−炭素複合体、実験例(1)の正極は、硫黄−炭素複合体と製造例1の水酸化鉄(FeOOH)を含ませ、0.1C 2.5cycles、0.2C 3cycles、0.3C/0.5C 10cyclesを繰り返して寿命特性を実験し、その結果を表3及び図9に示す。
また、充電容量と放電容量の割合を示すクーロン効率(Coulombic Efficiency)また100%で維持されることが分かる。
前記製造例1で製造した水酸化鉄(FeOOH)のリチウムポリスルフィド吸着能の紫外線(UV、Agilent社のAgilent 8453 UV−visible spectrophotometer)吸光度の結果と肉眼比較実験結果を通して確認し、図5及び図6に示す。
Claims (20)
- Fe(NO3)3・9H2 O;及び
下記化学式1で表される還元剤;を混合して反応させる段階を含み、
前記反応時間は、10分ないし10時間である、水酸化鉄(FeOOH)の製造方法。
(化学式1)
M1(BH4)X
前記化学式1において、M1はLi、Na、Mg、K及びCaの中で選択されるいずれか一つで、Xは1または2である。 - 前記Fe(NO3)3・9H2 Oは、0.04ないし0.08Mの水溶液であることを特徴とする請求項1に記載の水酸化鉄(FeOOH)の製造方法。
- 前記化学式1で表される還元剤は、0.2ないし0.5Mの水溶液であることを特徴とする請求項1に記載の水酸化鉄(FeOOH)の製造方法。
- 前記混合は、10ないし120秒間行われることを特徴とする請求項1に記載の水酸化鉄(FeOOH)の製造方法。
- 前記反応温度は、20ないし25℃であることを特徴とする請求項1に記載の水酸化鉄(FeOOH)の製造方法。
- 前記反応時間は、40分ないし2時間であることを特徴とする請求項1に記載の水酸化鉄(FeOOH)の製造方法。
- 前記反応段階以後に濾過及び乾燥段階をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の水酸化鉄(FeOOH)の製造方法。
- 前記乾燥は、70ないし90℃で6ないし12時間行われることを特徴とする請求項7に記載の水酸化鉄(FeOOH)の製造方法。
- 前記水酸化鉄(FeOOH)は、レピドクロサイト(γ−FeOOH)であることを特徴とする請求項1に記載の水酸化鉄(FeOOH)の製造方法。
- 前記水酸化鉄(FeOOH)は、結晶性であることを特徴とする請求項1に記載の水酸化鉄(FeOOH)の製造方法。
- 前記水酸化鉄(FeOOH)は、板状型であることを特徴とする請求項1に記載の水酸化鉄(FeOOH)の製造方法。
- 前記水酸化鉄(FeOOH)は、粒径50ないし500nmであることを特徴とする請求項1に記載の水酸化鉄(FeOOH)の製造方法。
- 活物質、導電材及びバインダーを含むリチウム−硫黄電池用正極であって、前記正極は、水酸化鉄(FeOOH)を含み、
前記水酸化鉄(FeOOH)は、平均粒径が50ないし500nmである、リチウム−硫黄電池用正極。 - 前記水酸化鉄(FeOOH)は、レピドクロサイト(γ−FeOOH)であることを特徴とする請求項13に記載のリチウム−硫黄電池用正極。
- 前記水酸化鉄(FeOOH)は結晶性であることを特徴とする請求項13に記載のリチウム−硫黄電池用正極。
- 前記水酸化鉄(FeOOH)は、(200)、(210)、(301)及び(020)面のXRDピークがそれぞれ2θ=14.1±0.1゜、27.0±0.1゜、36.3±0.1゜及び46.9±0.1゜で表されることを特徴とする請求項13に記載のリチウム−硫黄電池用正極。
- 前記水酸化鉄(FeOOH)は、板状型であることを特徴とする請求項13に記載のリチウム−硫黄電池用正極。
- 前記リチウム−硫黄電池用正極に含まれる水酸化鉄(FeOOH)の含量は、ベース固形分100重量部に対して0.1ないし15重量部であることを特徴とする請求項13に記載のリチウム−硫黄電池用正極。
- 前記活物質は、硫黄−炭素複合体であることを特徴とする請求項13に記載のリチウム−硫黄電池用正極。
- 正極、負極、これらの間に介在される分離膜及び電解質を備え、
前記正極は、請求項13ないし19のいずれか一項に記載のリチウム−硫黄電池用正極であるリチウム−硫黄電池。
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