JP7112073B2 - リチウム硫黄電池の活物質の製造方法、リチウム硫黄電池の電極、および、リチウム硫黄電池 - Google Patents
リチウム硫黄電池の活物質の製造方法、リチウム硫黄電池の電極、および、リチウム硫黄電池 Download PDFInfo
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Description
図1に示すように本実施形態のリチウム硫黄電池(以下「電池」という)10は、正極11と、負極12と、セパレータ13と、電解液14と、を具備する二次電池である。正極11は硫化リチウム-炭素複合体(以下、「LSKB」という。)を含む正極活物質11Aと集電体11Bとからなる。負極12は単体炭素を含む負極活物質12Aと集電体12Bとを有する。単体炭素はリチウム化していない炭素を意味する。
図2に示すフローチャートに沿って、実施形態のリチウム硫黄電池10の活物質の製造方法について説明する。
多環芳香族炭化水素(polycyclic aromatic hydrocarbon:以下、「PAH」という。)と、炭素粒子と、リチウムと、第1の溶媒と、を含む第1の溶液54(図3C参照)が調製される。
第1工程では、PAHが第1の溶媒に溶解され、多環芳香族炭化水素溶液(PAH溶液)が調製される。
第2工程では、PAH溶液に金属リチウムが加えられて、PAHとリチウムイオンとを含むリチウム溶液が調製される。すなわち、本明細書におけるリチウム溶液は、リチウムイオン(Li+)と、PAH(PAH-)と、第1の溶媒とを含む。
第3工程では、リチウム溶液52に炭素粒子が加えられて、超音波処理によって炭素粒子が分散された炭素粒子分散溶液である第1の溶液54が調製される。すなわち、第1の溶液54は、リチウムイオン(Li+)と、PAH(PAH-)と、炭素粒子と、第1の溶媒とを含む。
単体硫黄と、第2の溶媒と、を含む第2の溶液(硫黄溶液)が調製される。例えば、図3Dに示すように、第2の溶媒として、トルエンを用いて、硫黄が1モル/Lの第2の溶液56が調製される。
図3Eに示すように、第1の溶液54と第2の溶液56とを混合することによって、図3Fに示す、LSKBを含む第3の溶液58が調製される。
第3の溶液58から、PAHおよび第1の溶媒および第2の溶媒が除去され、図3Gに示すように、リチウム硫黄電池の活物質11AとしてLSKBが得られる。
図4に、本製造方法で製造された、LSKBのXPSスペクトルを示す。Li2Sに相当する162.2eV、160.0eVのピークと、硫黄に相当する166.7eVのピークが確認された。
次に、上述の製造方法で製造された、硫化リチウム-炭素複合体(LSKB)を正極活物質11Aとしアルミニウム箔を集電体11Bとする正極11を用いて電池10が作製され、充放電特性が評価された。
11・・・正極
11A・・・正極活物質
11B・・・集電体
12・・・負極
12A・・・負極活物質
12B・・・集電体
13・・・セパレータ
14・・・電解液
20・・・コインセルケース
21・・・スペーサ
22・・・スプリング
23・・・蓋
24・・・ガスケット
50・・・PAH溶液
52・・・リチウム溶液
54・・・第1の溶液(炭素粒子分散溶液)
56・・・第2の溶液
58・・・第3の溶液
Claims (14)
- 多環芳香族炭化水素と、炭素粒子と、リチウムと、第1の溶媒と、を含む第1の溶液を調製する第1の溶液調製工程と、
単体硫黄と、第2の溶媒と、を含む第2の溶液を調製する第2の溶液調製工程と、
前記第1の溶液と前記第2の溶液とを混合することによって、硫化リチウム-炭素複合体を含む第3の溶液を調製する第3の溶液調製工程と、
前記第3の溶液から、前記多環芳香族炭化水素および前記第1の溶媒および前記第2の溶媒を除去する除去工程と、を具備することを特徴とするリチウム硫黄電池の活物質の製造方法。 - 全ての工程が、100℃以下で行われることを特徴とする請求項1に記載のリチウム硫黄電池の活物質の製造方法。
- 前記除去工程が、減圧処理であることを特徴とする請求項2に記載のリチウム硫黄電池の活物質の製造方法。
- 前記除去工程が、導電体に塗布された前記第3の溶液に対して行われることを特徴とする請求項1に記載のリチウム硫黄電池の活物質の製造方法。
- 前記多環芳香族炭化水素の縮合芳香環の数が6個以下であることを特徴する請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のリチウム硫黄電池の活物質の製造方法。
- 前記多環芳香族炭化水素が、ナフタレン、フェナントレン、および、アントラセンの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項5に記載のリチウム硫黄電池の活物質の製造方法。
- 前記炭素粒子または前記炭素粒子の凝集体が、2nm以上50nm以下の空孔がある多孔体であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のリチウム硫黄電池の活物質の製造方法。
- 前記炭素粒子が、多孔質グラファイト、グラフェン、および、カーボンナノチューブの少なくともいずれか、または、それらの凝集体であることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のリチウム硫黄電池の活物質の製造方法。
- 前記硫化リチウム-炭素複合体の、硫化リチウム含有量が、67重量%(炭素:硫化リチウム=1:2)以上、95重量%(炭素:硫化リチウム=1:20)以下であることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のリチウム硫黄電池の活物質の製造方法。
- 前記第1の溶液調製工程が、前記多環芳香族炭化水素を前記第1の溶媒に溶解することによって多環芳香族炭化水素溶液を調製する第1工程と、前記多環芳香族炭化水素溶液に金属リチウムを加えることによってリチウム溶液を調製する第2工程と、前記リチウム溶液に前記炭素粒子を加えことによって前記第1の溶液を調製する第3工程と、をこの順に具備することを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載のリチウム硫黄電池の活物質の製造方法。
- 前記第3の溶液調製工程が、前記第1の溶液に前記第2の溶液を滴下する工程、または、前記第2の溶液に前記第1の溶液を滴下する工程、であることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1項に記載のリチウム硫黄電池の活物質の製造方法。
- 前記第1の溶液が、0.1モル/L以上溶解限度以下の前記多環芳香族炭化水素と、前記多環芳香族炭化水素1モルに対して、0.5モル以上2モル以下のリチウムを含み、
前記第2の溶液が、前記第2の溶液と混合される前記第1の溶液が含む前記リチウム1モルに対して、0.25モル以上0.75モル以下の硫黄を含むことを特徴とする請求項1から請求項11のいずれか1項に記載のリチウム硫黄電池の活物質の製造方法。 - 請求項1から請求項12のいずれか1項に記載のリチウム硫黄電池の活物質の製造方法により製造された前記硫化リチウム-炭素複合体を含むことを特徴とするリチウム硫黄電池の電極。
- 請求項13に記載のリチウム硫黄電池の電極を具備することを特徴とするリチウム硫黄電池。
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