JP7077793B2 - 正極合材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
さらに特許文献3には、(A)硫黄又はその放電生成物、(B)Li2SとP2S5を出発原料(Li2S:P2S5=65:35の組成比(モル比))とし、予め遊星型ボールミルを用いて作製した硫黄界面反応向上剤、(C)導電材を混合する工程(1)と、予め遊星型ボールミルを用いて作製した80Li2S-20P2S5硫化物固体電解質と、工程(1)で得られた混合物を混合する工程(2)による正極合材の作製方法が記載されている。
本開示の正極合材及びその製造方法は、硫黄電池に用いられる正極合材の製造方法であって、Li2S及びMxSy(MはP、Si、Ge、B、AlまたはSnから選択され、x及びyはMの種類に応じてSとの電気的中性を与える整数)と、単体硫黄を含む正極活物質と、炭素材料を含む導電助剤と、を含む原料混合物をメカニカルミリング処理によって作製することを特徴とする。
単体硫黄を全固体電池の正極活物質として用いる場合、活物質である硫黄の表面上にLiイオンパスとなる固体電解質と、電子パスとなる導電助剤が共存している三相界面でのみ充放電反応が進行する。
本開示では、Li2S及びMxSy(MはP、Si、Ge、B、AlまたはSnから選択され、x及びyはMの種類に応じてSとの電気的中性を与える整数)と、単体硫黄を含む正極活物質と、炭素材料を含む導電助剤と、を含む原料混合物をメカニカルミリング処理することによって正極合材を作製しているため、硫黄に対して固体電解質及び導電助剤との良好な前記三相界面を形成することができる。
そのため充放電時に充放電反応を進行させることができ、硫黄の利用率が向上し、硫黄電池の充放電容量を大きくすることが可能になったと推測される。
Li2S及びMxSy(MはP、Si、Ge、B、AlまたはSnから選択され、x及びyはMの種類に応じてSとの電気的中性を与える整数)と、単体硫黄を含む正極活物質と、炭素材料を含む導電助剤と、を含む原料混合物がメカニカルミリング処理され、固体電解質が合成される過程において、単体硫黄の一部、もしくは単体硫黄とLi2Sが反応することによって生成した多硫化リチウム(LixS)が、固体電解質の構造内に取り込まれると考えられる。その後、固体電解質中で単体硫黄や多硫化リチウムが固溶限界となり、単体硫黄やLi2Sが固体電解質の表面上に再析出し、固体電解質と単体硫黄、及び固体電解質とLi2Sの接触性が向上することによって、正極合材中の硫黄の利用率が向上し、充放電容量が大きくなると推測される。
一方従来技術では、予め遊星型ボールミルを用いて作製した硫化物固体電解質と、正極活物質である単体硫黄及びその放電生成物、導電助剤をメカニカルミリングやボールミル等によって混合し、正極合材を作製しているため、上記のような現象が生じないためと推測される。
原料混合物は、硫化物固体電解質の出発原料と、単体硫黄を含む正極活物質と、炭素材料を含む導電助剤と、を含む混合物である。すなわち、原料混合物は、Li2S及びMxSy(MはP、Si、Ge、B、AlまたはSnから選択され、x及びyはMの種類に応じてSとの電気的中性を与える整数)と、単体硫黄を含む正極活物質と、炭素材料を含む導電助剤と、を含む。
硫化物固体電解質の出発原料から作製される硫化物固体電解質は、Li及びSを少なくとも含有するイオン伝導体から構成されるものであり、Li2S及びMxSyを含む。MはP、Si、Ge、B、AlまたはSnから選択され、x及びyはMの種類に応じてSとの電気的中性を与える整数である。なお、Mは、P、Si、Ge、B、AlまたはSnから選択される1種であってもよく、P、Si、Ge、B、AlまたはSnから選択される2種以上であってもよいが、前者であることが好ましい。MxSyの具体例としては、P2S5、SiS2、GeS2、B2S3、Al2S3、SnS2等が挙げられ、Li2SとMxSyの組み合わせとしては、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-GeS2、Li2S-B2S3、Li2S-Al2S3、Li2S-SnS2が挙げられる。
またMxSy(MはP、Si、Ge、B、AlまたはSnから選択され、x及びyはMの種類に応じてSとの電気的中性を与える整数)は、上記から2つ以上選択し、複数のMxSyを用いた場合もある。具体的には、Li2S-P2S5-GeS2、Li2S-P2S5-SiS2、Li2S-SiS2-Al2S3等が挙げられる。
強度比=Li2S(111)面の回折ピーク強度/M2 xSy(111)面の回折ピーク強度
具体的に、M2 xSyがGeS2である場合には、
強度比=I(27°)-I(26°)/I(15.5°)-I(14.5°)
により強度比を求めることができる。なお、上記式で用いる回折ピーク(I(27°)等)は、±0.05°の範囲内におけるピーク強度の平均値を用いることができる。
硫化物固体電解質は通常、Liイオン伝導性を有する。
正極活物質は、通常、単体硫黄である。単体硫黄は、純度ができるだけ高い物を使用することが好ましい。単体硫黄としては、例えば、S8硫黄が挙げられる。具体的には、α硫黄(斜方硫黄)、β硫黄(単斜硫黄)、γ硫黄(単斜硫黄)が挙げられる。
導電助剤は、混合工程に用いられる炭素材料である。導電助剤は、正極合材の電子伝導性を向上させる機能を有する。また、導電助剤は、混合物を混合する際に、単体硫黄を還元する還元剤として機能すると推測される。
混合工程は、硫化物固体電解質の出発原料と、単体硫黄を含む正極活物質と、炭素材料を含む導電助剤と、を含む原料混合物を混合し、正極合材を得ることである。原料混合物の混合方法としては、例えば、メカニカルミリングを挙げることができる。メカニカルミリングは、乾式メカニカルミリングであっても良く、湿式メカニカルミリングであっても良い。
本開示における正極合材は、上述した材料および方法を用いて得られる材料である。具体的に、本開示における正極合材は、硫黄電池に用いられ、Li2S及びMxSy(MはP、Si、Ge、B、AlまたはSnから選択され、x及びyはMの種類に応じてSとの電気的中性を与える整数)と、単体硫黄を含む正極活物質と、炭素材料を含む導電助剤と、を含む原料混合物をメカニカルミリング処理によって得られた複合体からなることを特徴とする。
正極合材に対してX線回折(XRD)測定を行う場合、粉末試料に対して、不活性雰囲気下、CuKα線使用の条件で行った。XRD測定に用いた粉末試料は、上記記載の作製方法によって作製した正極合材、作製した電池を2.2 V(vs Li/Li+)以上、2.5V(vs Li/Li+)以下の開回路電圧(OCV)に調整した後、もしくは電池を充電状態にした正極合材等を用いる。
(正極合材の作製)
硫化物固体電解質の出発原料であるLi2S(ロックウッドリチウム製)及びP2S5(アルドリッチ製)、単体硫黄粉末(高純度化学製)、VGCF(導電助剤)を準備した。これら原料混合物の出発原料を、表1記載の重量比となるように秤量し、各材料をメノウ乳鉢で15分間混練した。これら原料混合物を遊星ボールミルの容器(45cc、ZrO2製)に投入し、さらにZrO2ボール(φ=4mm、96g)を投入し、容器を完全に密封した。この容器を遊星ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、台盤回転数500rpmで、1時間メカニカルミリング後、15分停止のサイクルを繰り返し、合計48時間メカニカルミリングを行なった。以上により、正極合材を得た。
なお、実施例1による正極合材の作製方法(合成フロー)は、1stepと称し、作製方法の流れは図1に示す。
負極層としてLi金属箔を準備した。
1cm2のセラミックス製の型に固体電解質を100mgを入れ、1ton/cm2でプレスし固体電解質層を圧粉成形した。その片側に正極合材を7.8mgを入れ、6ton/cm2でプレスして正極層を作製した。その逆側に、負極層であるリチウム金属箔を配置して、1ton/cm2でプレスすることで、発電要素を得た。正極層側にAl箔(正極集電体)、負極層側にCu箔(負極集電体)を配置した。以上の手順により電池を作製した。
(固体電解質の作製)
Li2S(ロックウッドリチウム製)及びP2S5(アルドリッチ製)を出発原料とした。モル比で、Li2S:P2S5が、75:25となるように、表1記載の重量比で秤量し、各材料をメノウ乳鉢で15分間混合した。その混合物を遊星型ボールミルの容器(45cc、ZrO2製)に投入し、さらにZrO2ボール(φ=4mm、96g)を投入し、容器を完全に密閉した。この容器を遊星型ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、台盤回転数500rpmで、1時間メカニカルミリング後、15分停止のサイクルを繰り返し、合計24時間メカニカルミリングを行なった。以上により、固体電解質を得た。
単体硫黄粉末(高純度化学製)、VGCF(導電助剤)を準備した。これらの出発原料を、表1記載の重量比となるように秤量し、前記固体電解質を作製した遊星型ボールミルの容器へ投入し、容器を完全に密閉した。この容器を遊星型ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、台盤回転数500rpmで、1時間メカニカルミリング後、15分停止のサイクルを繰り返し、合計24時間メカニカルミリングを行なった。以上により、正極合材を得た。
なお、比較例による正極合材の作製方法(合成フロー)は、2stepと称し、作製方法の流れは図2に示す。
電池の組立は実施例1と同様に作製し、電池を得た。
(開回路電圧測定)
作製した電池は、作製した1分以上経った後に電池の開回路電圧(OCV)を測定した。実施例1及び比較例の電池の各OCVの値は表1に記載した。
実施例1及び比較例で作製した各正極合材を用いて、X線回折(XRD)測定を行った。XRD測定は、粉末試料に対して、不活性雰囲気下、CuKα線使用の条件で行った。XRD測定に用いた粉末試料は、実施例1及び比較例記載の作製方法によって作製した正極合材を用いた。
実施例1及び比較例で得た全固体電池に対して、一定の電流値(C/10:456 μA/cm2)で、1サイクル目に1.5V(vs Li/Li+)まで放電し、3.1V(vs Li/Li+)まで充電、その後2サイクル目に1.5V (vs Li/Li+)まで放電した。図4に、2サイクル目に1.5Vまで放電した際の容量密度(可逆容量密度:mAh/g)の値を示す。充放電は、温度25℃で行った。なおCレートとは、電池の容量を1時間で放電する電流値を指し、本開示で作製した電池の1Cにおける電流値は4.56 mA/cm2である。
実施例1及び比較例で得た全固体電池に対して、電流値がC/10で充電後、異なるCレート(電流値がC/3、1C及び2C)で放電した。図5に、上記記載の異なるCレートで放電した際の放電容量を分子、上記可逆容量密度測定時の2サイクル目の放電容量(電流値C/10で1.5Vまで放電)を分母とした値を放電特性(高率放電特性:%)の値を示す。
充放電は、温度25℃、1.5V~3.1V(vs Li/Li+)の電位範囲で行った。
実施例1による合成フロー(1step)を硫黄電池の正極合材の作製プロセスに適用することによって、硫黄粒子が正極合材中で高分散し、硫黄の結晶性が低下したことがXRD測定の結果から認められる。そのため実施例1による正極合材作製時に、一部の硫黄もしくは硫黄とLi2Sが反応した多硫化リチウム(LiXS)が、固体電解質が合成される際に、固体電解質の構造内に取り込まれ、固溶限界となった硫黄もしくはLi2Sが固体電解質上に再析出することによって、固体電解質と活物質間の接触部が増加したためであると推測される。
(正極合材の作製)
硫化物固体電解質の出発原料であるLi2S(ロックウッドリチウム製)及びP2S5(アルドリッチ製)、単体硫黄粉末(高純度化学製)、GeS2、VGCF(導電助剤)を準備した。これら原料混合物の出発原料を、表2記載の重量比となるように秤量し、各材料をメノウ乳鉢で15分間混練した。これら原料混合物を、予め150℃で終夜減圧乾燥させた遊星ボールミルの容器(45cc、ZrO2製)に投入し、さらに予め150℃で終夜減圧乾燥させたZrO2ボール(φ=4mm、96g、500個)を投入し、容器を完全に密封した。この容器を遊星ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、台盤回転数500rpmで、1時間メカニカルミリング後、15分停止のサイクルを繰り返し、合計48時間メカニカルミリングを行なった。メカニカルミリング後は、容器をグローブボックス内へ移動し、試料を回収した。なお、ZrO2ボールに付着した試料は、ふるいに投入して振ることで回収し、容器内に付着した試料は、薬匙で掻き落として回収した。以上により、正極合材を得た。
なお、実施例2~7による正極合材の作製方法(合成フロー)は、1stepと称し、作製方法の流れは図6に示す。
得られた正極合材を用いて、実施例1と同様にして電池を作製した。
(正極合材の作製)
原料混合物がGeS2を含まなかったこと以外は、実施例2~7と同様にして正極合材を得た。
得られた正極合材を用いて、実施例1と同様にして電池を作製した。
(正極合材の特性評価)
実施例2~7および参考例で得られた電池について、正極合材の特性評価を行った。特性評価フローは、以下の通りである。
(1)OCV測定(1分)
(2)C/10で1.5Vまで放電後、10分間休止する。
(3)C/10で3.1Vまで充電後、10分間休止し、その後、C/10で1.5Vまで放電後、10分間休止するサイクルを計5回行う。
(4)C/10で3.1Vまで充電後、10分間休止する。次いで、C/3で1.5Vまで放電後、10分間休止し、その後、C/10で1.5Vまで放電後、10分間休止する。
(5)C/10で3.1Vまで充電後、10分間休止する。次いで、1Cで1.5Vまで放電後、10分間休止し、その後、C/10で1.5Vまで放電後、10分間休止する。
(6)C/10で3.1Vまで充電後、10分間休止する。次いで、2Cで1.5Vまで放電後、10分間休止し、その後、C/10で1.5Vまで放電後、10分間休止する。
(7)C/10で3.1Vまで充電後、10分間休止し、その後、C/10で1.5Vまで放電後、10分間休止する。
なお、本開示で作製した電池の1Cにおける電流値は4.56 mA/cm2である。
実施例2~7および参考例で得られた正極合材について、RIGAKU製のXRD回折測定装置を用いて構造解析を行った。CuKa線を用いて、2θ=10°~80°でキャンレート10°/minで3回積算で測定した。実施例2~7および参考例で得られた正極合材のXRDパターンを図9に示し、Li2S(111)/GeS2(111)強度比を表3および図10に示した。なお、強度比の算出方法については、上記「1)原料混合物 (iv)M2 xSy」の項に記載した内容と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
Claims (11)
- 硫黄電池に用いられる正極合材の製造方法であって、
Li2S及びMxSy(MはP、Si、Ge、B、AlまたはSnから選択され、x及びyはMの種類に応じてSとの電気的中性を与える整数)と、
単体硫黄を含む正極活物質と、
炭素材料を含む導電助剤と、
を含む原料混合物をメカニカルミリング処理によって作製する、
正極合材の製造方法。 - 前記MxSyはP2S5である、請求項1に記載の正極合材の製造方法。
- 前記原料混合物は、前記Li2Sと前記P2S5を、60:40~90:10(モル比)の割合で備える、請求項2に記載の正極合材の製造方法。
- 前記原料混合物は、前記MxSyとして、M1 xSyおよびM2 xSy(M1およびM2は異なる元素である)を含む、請求項1に記載の正極合材の製造方法。
- 前記M1 xSyはP2S5であり、
前記M2 xSyにおける前記M2は、Si、Ge、B、AlまたはSnから選択される、請求項4に記載の正極合材の製造方法。 - 前記原料混合物は、前記Li2Sと前記P2S5を、70:30~90:10(モル比)の割合で備える請求項5に記載の正極合材の製造方法。
- 前記M2 xSyはGeS2である、請求項5または請求項6に記載の正極合材の製造方法。
- 前記原料混合物は、前記Pに対する前記M2のモル比が0.08以上1.23以下である、請求項5から請求項7までのいずれか1項に記載の正極合材の製造方法。
- 前記正極合材は、前記M2 xSy(111)面の回折ピークに対する前記Li2S(111)面の回折ピークの強度比が0.9以上10.4以下である、請求項5から請求項8までのいずれか1項に記載の正極合材の製造方法。
- 前記メカニカルミリング処理が、遊星型ボールミルを用いて行われる請求項1から請求項9までのいずれか1項に記載の正極合材の製造方法。
- 硫黄電池に用いられる正極合材であって、
Li、M(MはP、Si、Ge、B、AlまたはSnから選択される)及びSを有するイオン伝導体と、単体硫黄を含む正極活物質と、炭素材料を含む導電助剤と、を有する複合体を含み、
CuKα線を用いたX線回折測定における2θ=23.05°±1.00°のピークの回折強度をI A とし、前記2θ=27.05°±1.00°のピークの回折強度をI B とした場合に、I B の値がI A の値よりも大きい、正極合材。
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