JP7313046B2 - lithium sulfur secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、硫黄系正極活物質を含む正極を具備するリチウム硫黄二次電池に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a lithium-sulfur secondary battery having a positive electrode containing a sulfur-based positive electrode active material.
携帯電話端末の普及、および、環境問題に対応した電気自動車の研究開発に伴い、高容量の二次電池が要望されている。二次電池としては、リチウムイオン二次電池が普及している。 With the popularization of mobile phone terminals and the research and development of electric vehicles that deal with environmental problems, high-capacity secondary batteries are in demand. As a secondary battery, a lithium-ion secondary battery is in widespread use.
リチウムイオン二次電池よりも、さらに高容量の二次電池として、正極活物質として硫黄を有するリチウム硫黄電池が注目されている。硫黄は理論容量が1670mAh/g程度であり、リチウムイオン電池の代表的な正極活物質であるLiCoO2(約140mAh/g)よりも、理論容量が10倍程度高い。また、硫黄は低コストかつ資源が豊富である。 As a secondary battery with a higher capacity than the lithium ion secondary battery, a lithium-sulfur battery containing sulfur as a positive electrode active material is attracting attention. Sulfur has a theoretical capacity of about 1670 mAh/g, which is about 10 times higher than LiCoO 2 (about 140 mAh/g), which is a typical positive electrode active material for lithium ion batteries. Sulfur is also low cost and abundant in resources.
以下の(反応式1~5)に示すように、リチウム硫黄電池においては、放電時には正極において例えば、単体硫黄(S8)からS8 2-(1), S6 2-(2), S4 2-(3), S2 2-(3)へと順次、還元され多硫化物アニオンとなり、最終的にLi2Sが生成する(5)。一方、負極では、負極中のリチウムがリチウムイオンとして放出され、電解液を経由して正極へと到達し、Li2S生成のためのLi源となる。 As shown in the following (reaction formulas 1 to 5), in a lithium-sulfur battery, at the time of discharge, for example, elemental sulfur (S 8 ) is sequentially reduced to S 8 2- (1), S 6 2- (2), S 4 2- (3), S 2 2- (3) to become polysulfide anions, and finally Li 2 S is generated (5). On the other hand, at the negative electrode, lithium in the negative electrode is released as lithium ions, reaches the positive electrode via the electrolyte, and becomes a Li source for Li 2 S generation.
(反応式1~5)
(Reaction formulas 1 to 5)
ここで、硫黄の還元生成物である、S8 2-, S6 2-, S4 2-, S2 2-等の多硫化物とリチウムとからなる多硫化リチウムは有機溶媒に溶解しやすく電池の電解液にも溶出する。 Lithium polysulfides composed of polysulfides such as S 8 2- , S 6 2- , S 4 2- , and S 2 2- , which are reduction products of sulfur, and lithium are easily soluble in organic solvents and are also eluted into the battery electrolyte.
充電中に、電解液に溶出した多硫化アニオンは、負極表面に到達すると還元され、正極表面に到達すると酸化され、電解液中で、物質移動による短絡が起こる。すると、充電電流を加え続けても充電されないという、いわゆるシャトル効果によってクーロン効率(放電容量/充電容量)が低下してしまう。 During charging, the polysulfide anions eluted into the electrolyte are reduced when they reach the surface of the negative electrode, and are oxidized when they reach the surface of the positive electrode, causing a short circuit due to mass transfer in the electrolyte. Then, the coulomb efficiency (discharge capacity/charge capacity) decreases due to the so-called shuttle effect, in which charging is not performed even if the charging current is continuously applied.
特開2012-109223号公報には、グライムとリチウム塩との錯体からなるグライム系イオン液体を電解液として用いたリチウム硫黄二次電池が開示されている。グライム系イオン液体は、多硫化リチウムの溶解度が低いため、クーロン効率の低下等が防止されている。しかし、更にクーロン効率を改善した電池が求められていた。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-109223 discloses a lithium-sulfur secondary battery using, as an electrolyte, a glyme-based ionic liquid composed of a complex of glyme and a lithium salt. Since the glyme-based ionic liquid has a low solubility of lithium polysulfide, a decrease in coulombic efficiency is prevented. However, a battery with further improved coulombic efficiency has been desired.
特開2005-79096号公報には、非水電解質を含むモノマーをコーティングしてから重合することによって、正極の表面が高分子フィルムに被覆されたリチウム硫黄二次電池が開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-79096 discloses a lithium-sulfur secondary battery in which the surface of the positive electrode is coated with a polymer film by coating a monomer containing a non-aqueous electrolyte and then polymerizing it.
本発明の実施形態は、エネギー密度が高く、クーロン効率のよいリチウム硫黄二次電池を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a lithium-sulfur secondary battery with high energy density and good coulomb efficiency.
本発明の実施形態のリチウム硫黄二次電池は、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、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と、を具備し、前記セパレータが、電解液を含んでいる固体電解質である紫外線硬化型の樹脂を有し、前記電解液が、グライム系溶媒和イオン液体である
本発明の実施形態のリチウム硫黄二次電池は、 正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、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と、を具備し、前記セパレータが、電解液を含んでいる固体電解質である紫外線硬化型の樹脂を有し、前記樹脂の中の前記電解液の重量比が、75wt%以上95wt%以下である。
A lithium-sulfur secondary battery according to an embodiment of the present invention comprises a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode , wherein the separator has an ultraviolet curable resin that is a solid electrolyte containing an electrolytic solution, and the electrolytic solution is a glyme-based solvated ionic liquid.
A lithium-sulfur secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, the separator having an ultraviolet curing resin that is a solid electrolyte containing an electrolytic solution, and the weight ratio of the electrolytic solution in the resin is 75 wt% or more and 95 wt% or less.
本発明の実施形態によれば、エネギー密度が高く、クーロン効率のよいリチウム硫黄二次電池を提供できる。 According to the embodiments of the present invention, it is possible to provide a lithium-sulfur secondary battery with high energy density and good coulomb efficiency.
図1に示すように、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、硫黄系正極活物質を含む正極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。
As shown in FIG. 1, a lithium-sulfur secondary battery 10 (hereinafter also referred to as a "battery") of the embodiment includes a
電池10は、正極20と負極40とを、セパレータ30を介して離間して配置されることによって単位セルが構成されている。すなわち、コインセルケース51/ガスケット52/負極40/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。
A unit cell of the
<セパレータ>
図2および図3に示すように、セパレータ30は、多孔体31と、多孔体31の内部空間を充填している樹脂32と、を含む。セパレータ機構を有する多孔体31に用いたセルメット(登録商標)は、気孔率98%、比表面積8500m2/m3、孔径0.45mm、厚さ1.4mmの発泡アルミニウムである(図3参照)。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、多孔体31として用いられた。圧縮処理されている多孔体31は、気孔率85%であった。
<Separator>
As shown in FIGS. 2 and 3,
多孔体31は、気孔率が50%以上で、連続気孔を有し、さらに、閉気孔をほとんど含まないことが好ましい。なお、空孔率が98%超の多孔体31は機械的強度が弱く取り扱いが容易ではない。
The
なお、多孔体31には、発泡金属、金属不織布、金属繊維集合体、または金属粒子集合体等を用いる。例えば、発泡樹脂の表面に金属層をコーティングした後、発泡樹脂を分解することで多孔体31は作製される。発泡樹脂としては、気孔率が高く、セル径の均一性が高く、熱分解性に優れている発泡ウレタンが好ましい。多孔体31がニッケルの場合には、発泡樹脂の表面にカーボン粉末等を塗布して導電化処理したり、ダイレクトめっき法を用いたりして、ニッケルめっき膜がコーティングされる。水溶液を用いた電気めっき法により成膜困難な金属層、例えばアルミニウム層は、溶融塩浴を用いた電気めっき法により行われる。
For the
多孔体31は、ガラス繊維製セパレータ、樹脂からなる不織布等の樹多孔シートを用いてもよい。多孔シートを構成する樹脂としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン;PP/PE/PPの3層構造をした積層体、ポリイミド、アラミドが挙げられる。特にポリオレフィン系多孔セパレータおよびガラス繊維セパレータは、有機溶媒に対して化学的に安定であるという性質があり、電解液との反応性を低く抑えることができることから好ましい。
The
多孔体31の厚みは限定されないが、車両のモータ駆動用二次電池の用途においては、単層または多層で全体の厚み4μm~60μmであることが好ましい。また、多孔体31の微細孔径は、最大で10μm以下(通常、10μm~100nm程度)、空孔率は50%~98%であることが好ましい。
The thickness of the
電解液35は、リチウム塩と溶媒のグライムとが錯体を構成しているグライム系溶媒和イオン液体である。リチウム塩は、Li-TFSI(リチウム(トリフルオロメタンスルフォニル)イミドである。溶媒は、リチウム塩1モルに対して、G1(モノグライム)0.5モルと、G3(トリグライム)モルと、フッ素系溶媒であるハイドロフルオロエーテル(HFE)、HF2CF2CH2C-O-CF2CF2H、4モルである。HEFは希釈剤である。
The
樹脂32は、リチウム塩が溶解している電解液35を含有する固体電解質である紫外線硬化型樹脂である。樹脂32は、エトキシル化トリメチロールプロパントリアクリレート(ETPTA)である。
The
樹脂32の、電解液35/ETPTA/重合開始剤の重量比は、85/15/0.15である。重合開始剤は、紫外線によってラジカルを形成する、例えば、2-ヒドロキシ2-メチル-1-フェニル-プロパン-1-オン(HMPP)である。
The weight ratio of the
樹脂32の中の電解液35の重量比は、電気抵抗低減のために、75wt%以上95wt%以下が好ましい。
The weight ratio of the
未硬化のため、液体である樹脂32は、多孔体31の主面に滴下されると界面張力によって内部の空間(void)に充填される。
Since the
紫外線ランプを用いて、樹脂32が内部に充填されている多孔体31に、365nm、280mW/cm2の紫外線を20秒間照射することによって、ETPTAが重合して、固体電解質である樹脂32となる。
By using an ultraviolet lamp to irradiate the
すなわち、電池10は、第1の主面と第2の主面とを有する平板の多孔体の内部空間に電解液を含有している未硬化の紫外線硬化型の樹脂を充填する工程と、前記樹脂を硬化処理し固体化する工程と、を具備する製造方法によって製造される。
That is, the
樹脂32は硬化処理されているために安定であり、電解液35によって膨潤したりすることがない。また、紫外線硬化は、熱硬化に比べて、低温かつ短時間の処理である。このため、電解液35が蒸発したり変性したりすることがない。
Since the
なお、樹脂32が紫外線硬化型樹脂であることを、立証することは、適切な測定および解析の手段が存在していないためにおよそ実際的ではなかった。また、紫外線硬化型以外の樹脂との相違に係る構造または特性を特定する文言を見いだすことができなかった。
In addition, it was almost impractical to prove that the
なお、電解液35としては、リチウム塩とグライムとが錯体を構成している各種のグライム系溶媒和イオン液体を用いることができる。また、複数の種類のグライムを混合して用いてもよい。一般的なリチウム電池の電解液に用いられている溶媒を電解液35に用いてもよい。ただし、多硫化リチウムの溶解度の低いグライム系溶媒和イオン液体を電解液35に用いることが、クーロン効率改善のために好ましい。
As the
また、樹脂としては、アクリル系、トリメチロールプロパントリアクリラート、ビニル系、非ビニル系、および、ETPT等の紫外線により硬化する樹脂を用いる。重合開始剤はベンゾインエーテル(benzoin ether)、ジアルキルアセトフェノン(dialkyl acetophenone)、ヒドロキシルアルキルケトン(hydroxylalkylketone)、フェニルグリオキシレート(phenyl glyoxylate)、ベンジルジメチルケタル(benzyl dimethyl ketal)、アシルホスフィン(acyl phosphine)およびアルファ-アミノケトン(α-aminoketone)からなる群から選択される1以上を使用する。 As the resin, acrylic, trimethylolpropane triacrylate, vinyl, non-vinyl, and UV curable resin such as ETPT are used. The polymerization initiator used is one or more selected from the group consisting of benzoin ether, dialkyl acetophenone, hydroxylalkylketone, phenyl glyoxylate, benzyl dimethyl ketal, acyl phosphine and α-aminoketone.
<正極>
正極20は単体硫黄(S8)を硫黄系電極活物質とし、単体硫黄(S)50重量%と、導電剤であるケッチェンブラック(KB)50重量%とが50重量%の割合で混合されたS/KB(硫黄/ケッチェンブラック)複合体を含む。S/KB複合体に結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)が10重量%添加されたスラリーが、20μm厚のニッケル箔(集電体)に塗布されプレスされることにより、S/KBを含む正極20は作製されている。正極20の厚さは15μmから20μmで、重量比は、S/KB/PVdF=4.5/4.5/1.0である。
<Positive electrode>
The
なお、正極20は、単体硫黄、金属硫化物、金属多硫化物、及び有機硫黄化合物からなる群から選択される少なくとも一つを含む硫黄系活物質を有していればよい。金属硫化物としては、リチウム多硫化物;Li2Sn(1≦n≦8)が挙げられ、金属多硫化物としては、TSn (T=Ni, Co, Cu, Fe, Mo, Ti、1≦n≦4) が挙げられる。
The
正極20は、上記硫黄系活物質に加えて、結着剤および導電剤を含んでもよい。そして、これら電極材料のスラリー(ペースト)を、導電性の担体(集電体)に塗布して乾燥することにより、電極材料を担体に担持させて正極が製造される。集電体としては、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレス鋼などの導電性の金属を、箔、メッシュ、エキスパンドグリッド(エキスパンドメタル)、パンチドメタル、または多孔体などに加工したものが挙げられる。
The
集電体として、発泡アルミニウムであるセルメット(登録商標)を用いてもよい。正極活物質11Bは、単体硫黄(S)と結着剤と導電剤とを含む。集電体の厚さは、5μm~30μmであるが、この範囲に限定されない。 Celmet (registered trademark), which is foamed aluminum, may be used as the current collector. The positive electrode active material 11B contains elemental sulfur (S), a binder, and a conductive agent. The thickness of the current collector is 5 μm to 30 μm, but is not limited to this range.
S/KB複合体中の正極電極活物質の含有量は、好ましくは50~98質量%であり、より好ましくは80~98質量%である。活物質の含有量が前記範囲であれば、エネルギー密度を高くすることができるため好適である。電極材料の厚さ(塗布層の片面の厚さ)は、好ましくは、10μm~500μmであり、より好ましくは20μm~300μmであり、さらに好ましくは10μm~50μmである。 The content of the positive electrode active material in the S/KB composite is preferably 50-98% by mass, more preferably 80-98% by mass. If the content of the active material is within the above range, the energy density can be increased, which is preferable. The thickness of the electrode material (the thickness of one side of the coating layer) is preferably 10 μm to 500 μm, more preferably 20 μm to 300 μm, still more preferably 10 μm to 50 μm.
結着剤としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリアクリル酸リチウム(PAALi)、エチレンオキシド、もしくは、一置換エポキサイドの開環重合物などのポリアルキレンオキサイド、または、これらの混合物が挙げられる。 Binders include polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyethernitrile (PEN), polyimide (PI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic acid (PAA), lithium polyacrylate (PAALi), ethylene oxide, polyalkylene oxides such as ring-opening polymers of monosubstituted epoxides, or mixtures thereof.
<負極>
負極40は厚さ200μmの金属リチウム板である。
<Negative Electrode>
The
なお、負極としては、リチウム、リチウム合金、リチウムを吸蔵脱離可能な炭素もしくは金属、リチウム/不活性硫黄の複合物、ナトリウム合金からなる群から選択される1又は2以上の負極活物質を含んでいればよい。負極に含まれる負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵脱離するよう作用する。負極活物質としては、チタン酸リチウム、リチウム金、ナトリウム金属、リチウムアルミ合金、リチウムスズ合金、リチウムケイ素合金、ナトリウムケイ素合金、リチウムアンチモン合金等の金属材料、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボンなどの結晶性炭素材や非結晶性炭素材等の炭素材料といった従来公知の負極材料を用いることができる。このうち、容量および入出力特性に優れた電池を構成できることから、炭素材料、リチウム、または、リチウム遷移金属複合酸化物を用いるのが望ましい。 The negative electrode may contain one or more negative electrode active materials selected from the group consisting of lithium, lithium alloys, carbon or metal capable of intercalating and deintercalating lithium, lithium/inert sulfur composites, and sodium alloys. The negative electrode active material contained in the negative electrode acts to absorb and desorb lithium ions. As the negative electrode active material, conventionally known negative electrode materials such as metal materials such as lithium titanate, lithium gold, sodium metal, lithium aluminum alloy, lithium tin alloy, lithium silicon alloy, sodium silicon alloy, lithium antimony alloy, natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, graphite, activated carbon, carbon fiber, coke, soft carbon, hard carbon and other crystalline carbon materials and amorphous carbon materials can be used. Among them, it is preferable to use a carbon material, lithium, or a lithium-transition metal composite oxide because a battery having excellent capacity and input/output characteristics can be constructed.
<評価>
上記方法で作製した実施形態の電池10のサイクル特性を評価した。なお、比較のため、電池10と類似の構成の比較例の電池110も作製し、同様に評価、解析を行った。電池110は、多孔体31の内部空間に液体の電解液35が充填されているセパレータを有する。
<Evaluation>
The cycle characteristics of the
充放電評価は、カットオフ電位を、1.5V-3.0V(vs.Li/Li+)、充放電速度を3.0C、電流密度25μA/cm2とした。サイクリックボルタンメトリー測定(CV)は、カットオフ電位を、1.5V-3.0V(vs.Li/Li+)、走査速度を0.1mV/sとした。 The charge/discharge evaluation was performed with a cutoff potential of 1.5 V-3.0 V (vs. Li/Li + ), a charge/discharge rate of 3.0 C, and a current density of 25 μA/cm 2 . Cyclic voltammetry measurements (CV) were performed with a cutoff potential of 1.5 V-3.0 V (vs. Li/Li + ) and a scanning rate of 0.1 mV/s.
電池10の2サイクル目の容量は、700mAh/g-Sであった。電池110の2サイクル目の容量は、同様の700mAh/g-Sであった。
The capacity of
電池10は、10サイクル後のクーロン効率が100%であったのに対して、電池110の10サイクル後のクーロン効率は、80%以下であった。
電池10は、セパレータ30の固体電解質である樹脂32によって、負極40への硫黄の流出が防止されているためにクーロン効率がよい。
The
<第1実施形態の変形例>
第1実施形態の変形例のリチウム硫黄二次電池10Aは、リチウム硫黄二次電池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。
<Modified Example of First Embodiment>
Since the lithium-sulfur
電池10Aのセパレータ30は、第1の主面と第1の主面の裏面である第2の主面とを有するシート状の樹脂32である。電解液35を含む固体電解質であり、紫外線によって硬化処理された樹脂32の厚さは、10μm以上500μm以下が好ましい。
The
なお、シート状の樹脂32の少なくともいずれかの主面に、多孔シートが配設されており、多孔シートの内部空間に、電解液35、または、電解液35を含む固体電解質である紫外線硬化型の樹脂32が充填されていてもよい。
A porous sheet is disposed on at least one of the main surfaces of the sheet-shaped
なお、以上の説明では、簡単な構造の電池10について説明した。しかし、電池10のような単位セルを複数個、積層した構造の組電池、または、同じ積層構造のセルを巻回してケースに収容した構造の電池等であってもよい。また電解液35は、ゲル電解質または固体電解質であってもよい。
In the above description, the
本発明は、上述した実施形態等に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、組み合わせ、および応用が可能であることは勿論である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and of course various modifications, combinations, and applications are possible without departing from the scope of the invention.
10、10A・・・リチウム硫黄二次電池
11B 正極活物質
20・・・正極
30・・・セパレータ
31・・・多孔体
32・・・樹脂
35・・・電解液
40・・・負極
10, 10A Lithium-sulfur secondary battery 11B Positive electrode
Claims (5)
前記セパレータが、電解液を含んでいる固体電解質である紫外線硬化型の樹脂を有し、
前記電解液が、グライム系溶媒和イオン液体であることを特徴とするリチウム硫黄二次電池。 A positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode,
The separator has an ultraviolet curable resin that is a solid electrolyte containing an electrolytic solution,
A lithium-sulfur secondary battery , wherein the electrolytic solution is a glyme-based solvated ionic liquid .
前記セパレータが、電解液を含んでいる固体電解質である紫外線硬化型の樹脂を有し、
前記樹脂の中の前記電解液の重量比が、75wt%以上95wt%以下であることを特徴とするリチウム硫黄二次電池。 A positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode,
The separator has an ultraviolet curable resin that is a solid electrolyte containing an electrolytic solution,
A lithium-sulfur secondary battery , wherein the weight ratio of the electrolyte in the resin is 75 wt % or more and 95 wt % or less .
前記多孔体は、空孔率が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。 The separator includes a porous body and the resin disposed in the internal space of the porous body,
3. The lithium-sulfur secondary battery according to claim 1, wherein said porous body has a porosity of 50% or more and 98% or less.
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