JP6981184B2 - 金属イオン二次電池 - Google Patents
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Description
[1]硫黄を含有する化合物を負極活物質として有する負極と、正極と、電解液とを含み、正極表面に高分子ゲル層を有する金属イオン二次電池、
[2]電解液がスルホランを溶媒として含有するものである上記[1]記載の金属イオン二次電池、
[3]正極が、リチウムを吸蔵・放出し得る正極活物質を有する上記[1]または[2]記載の金属イオン二次電池、
[4]正極活物質が、リチウム遷移金属酸化物およびリチウム遷移金属酸化物誘導体からなる群から選択される少なくとも一つである上記[3]記載の金属イオン二次電池、
[5]正極活物質がリチウムマンガン系複合酸化物である上記[3]記載の金属イオン二次電池、
[6]リチウムマンガン系複合酸化物が、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4、およびLi2MnO3−LiMO2(ここで、MはNi、CoおよびMnからなる群より選択される1種以上である)からなる群から選択される少なくとも1種である上記[5]記載の金属イオン二次電池、
[7]負極活物質が、ゴムおよびヘテロ原子含有部位を有するモノマー単位からなる重合体からなる群から選択される少なくとも1種の高分子化合物と硫黄とを含む原料を、非酸化性雰囲気下で熱処理することにより得られるものであって、
ヘテロ原子含有部位が、O、S、PおよびNからなる群から選択される少なくとも一つのヘテロ原子を含有する一価の官能基、O、S、PおよびNからなる群から選択される少なくとも一つのヘテロ原子を含有する複素環式基および−Sa−(但し、aは2〜4の整数)で示される基からなる群から選択される基を有する部位である
上記[1]〜[6]のいずれかに記載の金属イオン二次電池、
[8]高分子化合物の重量平均分子量が、2000〜1500000、好ましくは2000〜1300000、より好ましくは2000〜1200000、さらに好ましくは2000〜1100000、さらに好ましくは2000〜1000000である上記[7]記載の金属イオン二次電池、
[9]熱処理の原料が、導電性炭素材料をさらに含むものである上記[7]または[8]記載の金属イオン二次電池、
[10]導電性炭素材料がグラファイト構造を有する炭素材料である上記[9]記載の金属イオン二次電池、ならびに
[11]負極活物質中の総硫黄量が50.0質量%以上、好ましくは51.0質量%以上、より好ましくは52.0質量%以上、さらに好ましくは53.0質量%以上、さらに好ましくは54.0質量%以上、さらに好ましくは55.0質量%以上である[1]〜[10]のいずれかに記載の金属イオン二次電池
に関する。
本発明の金属イオン二次電池に用いられる正極は、例えば、リチウムイオンまたはナトリウムイオンなどを吸蔵・放出し得る正極活物質を有することが好ましい。正極は、集電体と、集電体の表面を被覆する正極活物質を有する正極活物質層とから作製することができる。正極活物質は、バインダおよび/または導電助剤とともに正極材料として用いることができる。集電体、バインダおよび導電助剤は、特に限定されるものではなく、例えば後述する負極材料に用いられるものと同様のものを用いることができる。
高分子ゲル層に使用する高分子は、特に制限されるものではなく、溶媒により膨潤してゲル化する高分子であれば使用することができる。高分子ゲル層に使用する高分子の具体的な例としては、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリルアミド、ポリアセタール、ポリアクリル酸ナトリウム、カルボキシメチルセルロース、ポリ塩化ビニル、ポリカルボシランなどの高分子、メタクリル酸2−ヒドロキシエチルなどのモノマーを共重合させた高分子、ゼラチンや寒天などの天然高分子などが挙げられる。
本発明の金属イオン二次電池に用いる負極は、負極活物質として後述する硫黄系活物質を用いること以外は、一般的なリチウムイオン二次電池用負極と同様にして、作製することができる。例えば、該負極は、粒子状にした硫黄系活物質を、導電助剤、バインダ、および溶媒と混合してペースト状の負極材料を調製し、当該負極材料を集電体に塗布した後、乾燥させることによって作製することができる。また、その他の方法として、該負極は、例えば、硫黄系活物質を、導電助剤、バインダ、および少量の溶媒とともに、乳鉢などを用いて混練し、かつフィルム状にしたのち、プレス機等を用いて集電体に圧着して、作製することもできる。
本発明の金属イオン二次電池の負極には、硫黄系負極活物質を用いる。硫黄系負極活物質は、硫黄を含有する化合物を用いるものであれば特に限定されるものではないが、ゴムおよびヘテロ原子含有部位を有するモノマー単位からなる重合体からなる群から選択される少なくとも1種の高分子化合物と硫黄とを含む原料を、非酸化性雰囲気下で熱処理することにより得られるものであって、ヘテロ原子含有部位が、O、S、PおよびNからなる群から選択される少なくとも一つのヘテロ原子を含有する一価の官能基、O、S、PおよびNからなる群から選択される少なくとも一つのヘテロ原子を含有する複素環式基および−Sa−(但し、aは2〜4の整数)で示される基からなる群から選択される基を有する部位であるものである。
本発明における高分子化合物は、ゴムおよびヘテロ原子含有部位を有するモノマー単位からなる重合体からなる群から選択される少なくとも1種の高分子化合物である。
ゴムとしては、好ましくは、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム等のジエン系ゴムが挙げられる。ゴムは1種または2種以上を組み合わせて使用することができる。中でも、天然ゴムやハイシスポリブタジエンゴムが特に好ましい。両ゴムは、分子鎖が折れ曲がった不規則な構造をとりやすく、隣り合う分子鎖間の分子間力を比較的小さくして結晶化を生じにくくできるので、硫黄系活物質の柔軟性、加工性を向上できる。特に、ハイシスポリブタジエンゴム等のブタジエンゴムを用いるのが好ましい。ここで、ハイシスポリブタジエンゴムとは、シス1,4結合含量が95質量%以上のポリブタジエンゴムである。また、シス1,4結合含量は、赤外吸収スペクトル分析により算出される。
本発明において、「ヘテロ原子含有部位」とは、O、S、PおよびNからなる群から選択される少なくとも一つのヘテロ原子を含有する一価の官能基、O、S、PおよびNからなる群から選択される少なくとも一つのヘテロ原子を含有する複素環式基および−Sa−(但し、aは2〜4の整数)で示される基からなる群から選択される基を有する部位である。
高分子化合物のMwは2000〜1500000であることが好ましい。2000以上であることで、熱処理を通して高分子化合物に由来する炭素骨格に取り込まれる硫黄の量が増える傾向にあり、一方、1500000を超えても該硫黄の量は向上しにくく、1500000以下であることで好適な硫黄含有量を達成することができる傾向にある。また、高分子化合物のMwが1500000以下であることで、硫黄との混合がより容易であるなどプロセス的に有利となる。高分子化合物のMwのより好ましい範囲は2000〜1300000、より好ましくは2000〜1200000、さらに好ましくは2000〜1100000、さらに好ましくは2000〜1000000である。Mwは、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により測定される値(ポリスチレンにより較正)である。
高分子化合物は、商業的に入手可能であるか、あるいは、当業者の知識の範囲内である、常法により、製造することができる。
硫黄としては粉末硫黄、不溶性硫黄、沈降硫黄、コロイド硫黄等の種々の形態のものをいずれも使用できるが、このうち、沈降硫黄、コロイド硫黄が好ましい。硫黄の配合量は、高分子化合物100質量部に対して、250質量部以上が好ましく、より好ましくは300質量部以上である。250質量部以上であることで充放電容量やサイクル特性を向上できる傾向がある。一方、硫黄の配合量について、上限は特にないが、通常は、1500質量部以下、好ましくは1250質量部以下である。1500質量部を超えても充放電容量やサイクル特性はさらに向上しにくく、1500質量部以下であることがコスト的に有利な傾向がある。
本発明において、加硫促進剤は特に限定されるものではなく各種の加硫促進剤を使用することができる。なかでも、高速加硫が可能な加硫促進剤である超促進性加硫促進剤を用いることが好ましい。
本発明においては、得られる硫黄系活物質の導電性を向上させる目的で、熱処理の原料に、導電性を有する炭素材料をさらに添加してもよい。このような導電性炭素材料としては、グラファイト構造を有する炭素材料が好ましい。炭素材料としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンファイバー(CF)、グラフェン、フラーレンなどの縮合芳香環構造を有するものが使用できる。導電性炭素材料としては1種または2種以上を使用することができる。
熱処理の原料には、この分野で通常使用されるその他の材料を、所望により、添加することができる。
本発明において、硫黄系負極活物質は、高分子化合物および硫黄、任意には加硫促進剤を含む原料を非酸化性雰囲気下に熱処理する工程を含んでなる製造方法により製造することができる。該熱処理工程においては、所定の昇温速度、かつ、所定の熱処理温度が採用される。
〈原料の混練・微細化〉
熱処理にあたり、原料を構成する材料は、予め混練しておくことが望ましい。また、こうして得た混練物は、微細化しておくことが望ましい。微細化は、原料を粉砕したり、あるいは、はさみを用いて細かく刻むことなどをいう。混練および微細化は、熱処理における反応性を高める上で有効な手段である。
非酸化性雰囲気とは、酸素を実質的に含まない雰囲気をいい、構成成分の酸化劣化や過剰な熱分解を抑制するために採用されるものである。具体的には、窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気をいう。したがって、熱処理は、例えば、不活性ガス雰囲気下の石英管中で実施される。
昇温速度とは、熱処理工程において原料を加熱していく際の、温度の上昇速度である。本発明において、該昇温速度は所定の範囲、すなわち、50〜1200℃/hの範囲内であることが好ましく、より好ましくは100〜1150℃/h、さらに好ましくは130〜1100℃/hである。昇温速度がこのような範囲内にあることで、充放電容量やサイクル特性を向上させるという目的を達成し易い傾向がある。また、加硫促進剤を用いる場合には、加硫促進剤の種類に合わせて、昇温速度を変更することが好ましい。超促進性加硫促進剤を用いる場合には、昇温速度は300〜1200℃/hの範囲内であることが好ましく、遅効性加硫促進剤を用いる場合には、昇温速度は50〜250℃/hの範囲内であることが好ましい。
熱処理の温度とは、原料の昇温完了後の到達温度であって、原料の熱処理のために一定時間維持される温度をいう。熱処理の温度は、250〜550℃の範囲が好ましい。250℃以上であることで、硫化反応が不十分となることを避け、目的物の充放電容量の低下を防止できる傾向がある。一方、550℃以下とすることで、原料の分解を防ぎ、収率の低下や、充放電容量の低下を防止できる傾向がある。熱処理の温度は、300℃以上がより好ましく、450℃以下がより好ましい。熱処理の時間は、原料の種類、熱処理温度等に応じて適宜設定すればよいが、例えば、1〜6時間であることが好ましい。1時間以上であることで、熱処理を十分に進行させることができる傾向があり、6時間以下であることで、構成成分の過剰な熱分解を防止できる傾向がある。
熱処理工程は、例えば、二軸押出機等の連続式の装置を用いて実施することもできる。この場合、該装置内で、原料を混練して粉砕・混合しながら、熱処理も施すなど、硫黄系活物質を一連の操作により連続して製造できるというメリットがある。
熱処理後に得られる処理物中には、熱処理時に昇華した硫黄が冷えて析出した未反応硫黄などが残留している。これら残留物はサイクル特性を低下させる要因となるため、できるだけ除去することが望ましい。残留物の除去は、例えば、減圧加熱乾燥、温風乾燥、溶媒洗浄などの常法に従い、実施することができる。
得られた硫黄系活物質は、所定の粒度となるように粉砕し、分級して、電極の製造に適したサイズの粒子とすることができる。粒子の好ましい粒度分布としては、メジアン径で5〜25μm程度である。なお、先に説明した二軸押出機を用いた熱処理方法では、混練時のせん断によって、硫黄系活物質の製造と同時に、製造した硫黄系活物質の粉砕も行うことができる。
バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidene DiFluoride: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)、アクリル系共重合体等が例示される。これらのバインダは、1種または2種以上を使用することができる。
溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルホルムアルデヒド、アルコール、ヘキサン、水等が例示される。これら溶媒は、1種または2種以上を使用することができる。
これら負極を構成する材料の配合量は、特に問わないが、例えば、負極活物質100質量部に対して、導電助剤20〜100質量部、バインダ10〜20質量部、および適量の溶媒とすることが好ましい。
集電体としては、二次電池用電極に一般に用いられるものを使用すればよい。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、カーボン不織布、カーボン織布等からなるものが例示される。このうち、黒鉛化度の高いカーボンで構成されたカーボン不織布やカーボン織布からなる集電体は、水素を含まず、硫黄との反応性が低いために、本発明の硫黄系活物質を負極活物質とする場合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)やポリアクリロニトリル繊維(PAN)等を用いることができる。
金属イオン二次電池に用いる電解液としては、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、水分をできるだけ低減した非水溶媒に電解質を溶解させてなる非水電解液であることが、充電時のガス発生を抑制する観点から好ましい。
高分子化合物2:オクチルフェノールと塩化硫黄の縮合体(田岡化学工業(株)製のタッキロール(Tackirol)V200)(硫黄含量:24質量%、重量平均分子量:9千)
導電性炭素材料:アセチレンブラック(電気化学工業(株)製のデンカブラック(登録商標))
加硫促進剤:テトラメチルチウラムモノスルフィド(大内新興化学工業(株)製のノクセラーTS)
硫黄:鶴見化学工業(株)製のコロイド硫黄
<原料の作製>
高分子化合物1を100質量部に、コロイド硫黄1000質量部、および加硫促進剤25質量部を混練機(混練試験装置ミックスラボ、(株)モリヤマ製)で混練することにより、原料を得た。こうして得た原料は、はさみで3mm以下となるように細かく刻み、熱処理工程に供した。
原料の熱処理には、図2に示す反応装置1を用いた。反応装置1は、原料2を収容して熱処理するための、有底筒状をなす石英ガラス製の、外径60mm、内径50mm、高さ300mmの反応容器3、当該反応容器3の上部開口を閉じるシリコーン製の蓋4、当該蓋4を貫通する1本のアルミナ保護管5((株)ニッカトー製の「アルミナSSA−S」、外径4mm、内径2mm、長さ250mm)と、2本のガス導入管6とガス排出管7(いずれも、(株)ニッカトー製の「アルミナSSA−S」、外径6mm、内径4mm、長さ150mm)、および反応容器3を底部側から加熱する電気炉8(ルツボ炉、開口幅φ80mm、加熱高さ100mm)を備えている。
まず原料2を反応容器3の底に収容した状態で、ガスの供給系から、80ml/分の流量でAr(アルゴン)ガスを継続的に供給しながら、供給開始30分後に、電気炉8による加熱を開始した。昇温速度は300℃/hで実施した。そして原料化合物の温度が450℃に達した時点で、450℃を維持しながら2時間熱処理をした。次いでArガスの流量を調整しながら、Arガス雰囲気下、反応生成物の温度を25℃まで自然冷却させたのち、生成物を反応容器3から取り出した。
熱処理工程後の生成物に残存する未反応硫黄(遊離した状態の単体硫黄)を除去するために、以下の工程をおこなった。すなわち、該生成物を乳鉢で粉砕し、粉砕物2gをガラスチューブオーブンに収容して、真空吸引しながら250℃で3時間加熱して、未反応硫黄が除去された(または、微量の未反応硫黄しか含まない)硫黄系活物質を得た。昇温速度は10℃/分とした。
(硫黄系負極)
上記で得た硫黄系活物質に、導電助剤としてのアセチレンブラック、バインダとしてのアクリル系共重合体(住友精化(株)製の「アクアチャージ」)とを混合した。混合物の混合質量比は、硫黄系活物質:アセチレンブラック:アクアチャージ=90:5:5とした。混合物に、粘度調整用のNMP溶媒を添加してスラリーを調製した。このスラリーをアルミニウム箔からなる集電体に塗工し、大気中、80℃で20分間仮乾燥した。さらに、減圧下150℃で3時間乾燥させて硫黄系負極を得た。これを直径11mmの電極サイズに打ち抜いて、試作電池に適用した。
正極活物質として、LiNi0.5Mn1.5O4と導電助剤としてのアセチレンブラック、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを混合した。混合物の混合質量比は、LiNi0.5Mn1.5O4:アセチレンブラック:PVdF=90:5:5とした。混合物に粘度調整用のNMP溶媒を添加してスラリーを調製した。このスラリーをアルミニウム箔からなる集電体に塗工し、大気中、80℃で20分間仮乾燥した。さらに減圧下150℃で3時間乾燥させて電極を得た。
上記正極と負極とを用いて全電池を作製した。ステンレス容器からなるCR2032型コイン電池用部材(宝泉(株)製)内に、上記正極と負極とをセパレータにガラスフィルタ(ADVANTEC製、GA100)を、電解液に1mol/LのLiN(SO2CF3)2とスルホランからなる非水系電解液を用い、カシメ機で密閉して、CR2032型コイン型のリチウムイオン二次電池を得た。
実施例2は、実施例1で得られた負極活物質を用い、正極活物質をLiMn2O4に変更した以外は、実施例1と同様の処理を行い、二次電池を作製した。
実施例3は、負極活物質の製造において、高分子化合物1を高分子化合物2に変更した以外は、実施例1と同様にして、二次電池を作製した。
実施例1で得られた負極活物質を用い、正極へのゲルコート処理を行わなかった以外は、実施例1と同様の処理を行い、二次電池を作製した。
実施例1で得られた負極活物質を用い、電解液にエチレンカーボネート(EC)/ジエチルカーボネート(DEC)=1/1(容量)を用いた以外は実施例1と同様の処理を行い、二次電池を作製した。
実施例1、実施例3、比較例1および比較例2で作製した電池は、上限値3.7V、下限値1.5Vの間で、実施例2で作製した電池は上限値2.8V、下限値0.7Vの間で充放電を繰り返した。電流値は0.5C率(実施例1、実施例3、比較例1および比較例2では正極活物質1gあたり70mA、実施例2では正極活物質1gあたり55mA)とした。試験時の温度は30℃とした。
実施例1および実施例3で製造した硫黄系負極活物質の硫黄量を測定した結果、それぞれ55.2%および53.8%であった。なお、測定にはエレメンタール社(Elementar)製の全自動元素分析装置 vario MICRO cubeを用いた。
2 原料
3 反応容器
4 シリコーン製の蓋
5 アルミナ保護管
6 ガス導入管
7 ガス排出管
8 電気炉
9 熱電対
10 温度コントローラ
11 水酸化ナトリウム水溶液
12 トラップ槽
Claims (14)
- 硫黄を含有する化合物を負極活物質として有する負極と、正極と、電解液とを含み、正極表面に高分子ゲル層を有する金属イオン二次電池であって、
負極活物質中の総硫黄量が、50.0質量%以上であり、
負極活物質が、ゴムおよび所定のヘテロ原子含有部位を有するモノマー単位からなる重合体からなる群から選択される少なくとも1種の高分子化合物と硫黄とを含む原料を、非酸化性雰囲気下で、250℃〜550℃の温度で熱処理することにより得られるものであって、
ヘテロ原子含有部位が、O、S、PおよびNからなる群から選択される少なくとも一つのヘテロ原子を含有する一価の官能基、O、S、PおよびNからなる群から選択される少なくとも一つのヘテロ原子を含有する複素環式基および−S a −(但し、aは2〜4の整数)で示される基からなる群から選択される基を有する部位である、金属イオン二次電池。 - 電解液がスルホランを溶媒として含有するものである請求項1記載の金属イオン二次電池。
- 正極が、リチウムを吸蔵・放出し得る正極活物質を有する請求項1または2記載の金属イオン二次電池。
- 正極活物質が、リチウム遷移金属酸化物およびリチウム遷移金属酸化物誘導体からなる群から選択される少なくとも一つである請求項3記載の金属イオン二次電池。
- 正極活物質がリチウムマンガン系複合酸化物である請求項3記載の金属イオン二次電池。
- リチウムマンガン系複合酸化物が、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4、およびLi2MnO3−LiMO2(ここで、MはNi、CoおよびMnからなる群より選択される1種以上である)からなる群から選択される少なくとも1種である請求項5記載の金属イオン二次電池。
- 高分子ゲル層を構成する高分子が、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリルアミド、ポリアセタール、ポリアクリル酸ナトリウム、カルボキシメチルセルロース、ポリ塩化ビニル、ポリカルボシラン、メタクリル酸2−ヒドロキシエチルの共重合体、ゼラチン、寒天から選択されるものである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の金属イオン二次電池。
- 高分子化合物の重量平均分子量が、2000〜1500000である請求項7記載の金属イオン二次電池。
- 熱処理の原料が、導電性炭素材料をさらに含むものである請求項7または8記載の金属イオン二次電池。
- 導電性炭素材料がグラファイト構造を有する炭素材料である請求項9記載の金属イオン二次電池。
- 負極活物質中の総硫黄量が、53.0質量%以上である請求項1〜10のいずれか1項に記載の金属イオン二次電池。
- 熱処理の原料が、加硫促進剤をさらに含むものである請求項1〜11のいずれか1項に記載の金属イオン二次電池。
- ヘテロ原子含有部位を有するモノマー単位からなる重合体が、ポリビニルピリジン、ホスホリルコリン重合体、アルキルフェノール・塩化硫黄縮合物またはポリスチレンスルホン酸である請求項1〜12のいずれか1項に記載の金属イオン二次電池。
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