JP7313045B2 - リチウム硫黄二次電池、および、リチウム硫黄二次電池の製造方法 - Google Patents
リチウム硫黄二次電池、および、リチウム硫黄二次電池の製造方法 Download PDFInfo
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Description
本発明の実施形態のリチウム硫黄二次電池は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配設されているセパレータ電解液を含むセパレータと、を具備し、前記正極が、多孔金属の内部の壁面に配設されている正極活物質と、前記正極活物質を覆っている、第1の正極電解液を含有している固体電解質である紫外線硬化型の樹脂と、を含み、前記セパレータが、前記セパレータ電解液を含有している固体電解質である前記樹脂を含む。
<電池の構成>
図1に示すように、本実施形態のリチウム硫黄二次電池10(以下、「電池」ともいう。)は、多孔集電体を含む正極20と、セパレータ30と、リチウムイオンを吸蔵脱離する負極活物質を含む負極40と、を主要構成要素として具備する。電池10は、コインセルケース51/ガスケット52/負極40/セパレータ電解液35を含むセパレータ30/正極20/スペーサ53/スプリングワッシャー54/上蓋55が、順に配置されている。
集電体11Aに用いたセルメットは、気孔率98%、比表面積8500m2/m3、孔径0.45mm、厚さ1.4mmである。強度を改善するとともに、所定の大きさのコインセルケース51に収納するために、セルメットは、切断され、厚さ0.3mm程度に圧縮されて、集電体11Aとして用いられた。圧縮処理されている集電体11Aは、気孔率85%であった。
正極活物質11Bは、硫黄系活物質である単体硫黄(S)と導電剤であるKBとを含むケッチェンブラック(KB)複合体である。KB複合体の重量比は、(S/KB=6/4)である。結着剤は、CMC(カルボキシメチルセルロース)およびSBR(スチレン・ブタジエン・ラバー)を含み、重量比は、(CMC/SBR=2/1)である。結着剤は、正極電解液25と反応しないものであれば特に限定されることはなく、例えば、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、または、ポリテトラフルオロエチレンでもよい。正極活物質11Bの重量比は、(KB複合体/KB/結着剤=60/30/3)である。
リチウム塩が溶解している第1の正極電解液25を含有する、未硬化のため流動性のある紫外線硬化型の樹脂11Cが、多孔の集電体11Aの活物質11Bの上に配設される。すなわち、正極活物質11Bと同じように、液状の樹脂11Cは界面張力により、多孔の集電体11Aの孔(空隙部)の内部に浸透する。
紫外線ランプを用いて、集電体11Aに、365nm、280mW/cm2の紫外線を20秒間照射することによって、ETPTAは重合し、活物質11Bを覆う固体電解質である樹脂11Cとなる。
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、正極20に第2の正極電解液25Aを滴下してから、正極20の上にセパレータ30が配設される。セパレータ30にセパレータ電解液35を適量加えてから、60℃で60分間保持することによってセパレータ電解液35をセパレータ30に浸漬させた。
上記方法で作製した実施形態の電池10の特性評価結果を以下に示す。なお、比較のため、電池10と同じ構成で、正極20に樹脂11Cが配設されていない比較例の電池110も作製し、同様に評価した。
第1実施形態の変形例1の電池10Aは、電池10と類似し同じ効果を有するため、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
第1実施形態の変形例2の電池10Bは、電池10と類似し同じ効果を有するため、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
樹脂11Cが硬化処理され、第2の正極電解液25Aが注入された平板の正極20の第1の主面に、金属リチウム板が当接される。正極20と金属リチウム板との間の隙間にはセパレータ電解液35等の導電性液体が注入されていることが好ましい。
正極20の第1の主面と、第2の主面と金属リチウム板との間に電流が印加される。金属リチウムはリチウムイオンとなり、正極20の硫黄は硫化リチウムに酸化される。
第1の主面から金属リチウム板が剥離される。
第2実施形態の電池10Cは、電池10と類似し同じ効果を有するため、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
第2実施形態の変形例の電池10Cは、電池10A、10Bと類似し同じ効果を有するため、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
11A・・・集電体(多孔金属)
11B・・・正極活物質
11C・・・樹脂
20・・・正極
25・・・第1の正極電解液
25A・・・第2の正極電解液
30・・・セパレータ
35・・・セパレータ電解液
40・・・負極
Claims (9)
- 正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配設されているセパレータ電解液を含むセパレータと、を具備し、
前記正極が、多孔金属の内部の壁面に配設されている正極活物質と、前記正極活物質を覆っている、第1の正極電解液を含有している固体電解質である紫外線硬化型の樹脂と、を含み、
前記樹脂の周囲に、前記第1の正極電解液よりも低粘度の第2の正極電解液が充填されていることを特徴とするリチウム硫黄二次電池。 - 正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配設されているセパレータ電解液を含むセパレータと、を具備し、
前記正極が、多孔金属の内部の壁面に配設されている正極活物質と、前記正極活物質を覆っている、第1の正極電解液を含有している固体電解質である紫外線硬化型の樹脂と、を含み、
前記セパレータが、前記セパレータ電解液を含有している固体電解質である前記樹脂を含むことを特徴とするリチウム硫黄二次電池。 - 前記多孔金属が、アルミニウムまたはニッケルを主成分とし、気孔率が50%以上98%以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のリチウム硫黄二次電池。
- 前記第1の正極電解液が、グライム系溶媒和イオン液体であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のリチウム硫黄二次電池。
- 前記正極の硫黄担持量が、4mg/cm 2 以上であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のリチウム硫黄二次電池。
- 前記正極活物質の周囲に、前記第1の正極電解液を含有する前記固体電解質である前記樹脂が隙間無く充填されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のリチウム硫黄二次電池。
- 前記セパレータが、多孔体と、前記多孔体の内部の空間を充填している前記固体電解質である前記樹脂と、を含むことを特徴とする請求項2から請求項6のいずれか1項に記載のリチウム硫黄二次電池。
- 前記セパレータ電解液が、前記第1の正極電解液よりも、低粘度であることを特徴とする請求項2から請求項7のいずれか1項に記載のリチウム硫黄二次電池。
- 正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配設されている、セパレータ電解液を含むセパレータと、を具備し、前記正極が、多孔金属と、前記多孔金属の内部の壁面に配設されている正極活物質と、前記正極活物質を覆っている、第1の正極電解液を含有している固体電解質である紫外線硬化型の樹脂と、を含むリチウム硫黄二次電池の製造方法であって、
第1の主面と第2の主面とを有する平板の前記多孔金属の内部の壁面に硫黄を配設する工程と、
前記硫黄を覆うように、前記第1の正極電解液を含有している未硬化の前記樹脂を配設する工程と、
前記樹脂を硬化処理し固体化する工程と、
前記正極の前記多孔金属の前記第1の主面に金属リチウム板を当接する工程と、
前記多孔金属の前記第2の主面と前記金属リチウム板との間に電流を印加し、前記正極の硫黄を硫化リチウムに酸化する工程と、
前記第1の主面から前記金属リチウム板を剥離する工程と、
前記正極活物質として硫化リチウムを含む前記正極と、負極活物質として炭素を含む前記負極とを、前記セパレータを間に挾んだ状態において封止する組立工程と、を具備することを特徴とするリチウム硫黄二次電池の製造方法。
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