JP7485873B2 - リチウム硫黄電池、および、リチウム硫黄電池の製造方法 - Google Patents
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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」ともいう。)10は、複合正極11と、負極(アノード)12と、電池電解液14を含むスペーサ13と、を具備する。
電池10の放電特性(30℃:1stサイクル)を図2に示す。電流密度は、C/100レートである。なお、C/100レートは、電極の単位面積当たり40μA/cm2の電流密度に相当する。
次に、実施形態の電池10の製造方法について説明する。電池10の製造方法は、正極スラリー作製工程(ステップS10)と、正極シート作製工程(ステップS20)と、積層シート作製工程(ステップS30)と、組立工程(ステップS40)を具備する。
硫黄系正極活物質である単体硫黄S8と、カーボンナノチューブと、ポリマーと、リチウム塩と正極溶媒とを含む正極電解液19と、分散溶媒と、含む正極スラリーが作製される。
正極スラリーの分散溶媒を蒸発することによって、正極シートが作製される。分散溶媒を短時間で蒸発するために、真空乾燥法を用いてもよい。
正極シートと、電池電解液を含むスペーサシートと、負極活物質を含む負極シートと、を積層することによって、積層シートが作製される。
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、2032型のコインセルケース15(SUS304製の厚さ3.2mm)に積層シートを封入し、負極12の上にスプリング16を配置した。スプリング16の上から蓋17でコインセルケース15を封止した。
第1実施形態の変形例のリチウム硫黄電池10A等は、リチウム硫黄電池10と類似し、同じ効果を有しているので、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。
本変形例の電池10Aの複合正極11Aの組成物の質量比(CNT:[Li(SL)2][TFSA]:PVDF-HFP:S8)は、(2:12:3:2)である。複合正極11Aの硫黄量は、3.59mg/cm2である。また、複合正極11Aに含まれる硫黄の質量Sに対する、複合正極11Aに含まれる正極電解液19の容量Eである、E/Sは、3.8μL/mgであり、電池10Aのエネルギー密度は、100Wh/kgである。
本変形例の電池10A1の複合正極11A1の組成物の質量比(CNT:[Li(SL)2][TFSA]:PVDF-HFP:S8)は、(1:11:2.7:1)である。複合正極11Aの硫黄量は、1.02mg/cm2である。また、複合正極11Aに含まれる硫黄の質量Sに対する、複合正極11Aに含まれる正極電解液19の容量Eである、E/Sは、7μL/mgである。
本変形例の電池10A2の複合正極11A2は、炭素粒子としてカーボンナノチューブだけでなく、多孔質グラファイトであるケッチェンブラック(KB)を有する。
第2実施形態のリチウム硫黄電池10Bは、リチウム硫黄電池10と類似しているので、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リチウム硫黄電池10B1は、リチウム硫黄電池10Bと類似し、同じ効果を有しているので、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3実施形態のリチウム硫黄電池10Cは、リチウム硫黄電池10と類似しているので、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4実施形態のリチウム硫黄電池10Dは、リチウム硫黄電池10等と類似しているので、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5実施形態のリチウム硫黄電池10Eは、リチウム硫黄電池10Dと類似しているので、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。
11、11A~11E・・・複合正極
12・・・負極
13、13B、13C、13E・・・スペーサ
14・・・電池電解液
19、19D・・・正極電解液
Claims (14)
- 硫黄系正極活物質と、炭素粒子と、リチウム塩および正極溶媒を含む正極電解液と、を有する複合正極と、
負極活物質を有する負極と、
前記複合正極と前記負極との間に配設されている、リチウム塩および電池溶媒を含む電池電解液を有するスペーサと、を具備し、
前記複合正極に含まれる硫黄の質量Sに対する、前記複合正極に含まれる前記正極電解液の容量Eの比である、E/Sが、7μL/mg以下であることを特徴とするリチウム硫黄電池。 - 前記正極電解液および前記電池電解液が、グライム系溶媒和イオン液体、または、スルホニル基含有化合物系濃厚電解液であり、
前記スルホニル基含有化合物系濃厚電解液は、リチウム塩1モルに対する正極溶媒の量が、1.3モル以上5モル以下であ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。 - 前記複合正極が、ポリマーを更に有する自立性のある正極シートであり、
前記正極シートの破断伸度が5%以上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電池。 - 前記スペーサが、高分子ゲル電解質からなる自立性のあるスペーサシート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電池。
- 前記硫黄系正極活物質が、単体硫黄、多硫化リチウムまたは硫化リチウムの少なくともいずれであり、
前記炭素粒子が、多孔質グラファイトまたはアスペクト比500以上のカーボンナノチューブの少なくともいずれかであり、
前記ポリマーが、ビニリデンフルオライドとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体であり、
前記正極シートが、前記炭素粒子を、1質量%以上20質量%以下含み、前記ポリマーを、5質量%以上30質量%以下含むことを特徴とする請求項3に記載のリチウム硫黄電池。 - 前記炭素粒子が、前記カーボンナノチューブ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。
- 前記炭素粒子が、前記多孔質グラファイトおよび前記カーボンナノチューブであり、
前記正極シートが、前記カーボンナノチューブを、1質量%以上含むことを特徴とする請求項5に記載のリチウム硫黄電池。 - 前記正極電解液のリチウム塩の濃度が、前記電池電解液のリチウム塩の濃度よりも高い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。
- 前記E/Sが、0.1μL/mg以上5μL/mg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。
- 硫黄系正極活物質と、炭素粒子と、リチウム塩および正極溶媒とを含む正極電解液と、分散溶媒と、ポリマーと、を含む正極スラリーを作製する工程と、
前記正極スラリーの前記分散溶媒を蒸発することによって、自立性のある正極シートを作製する工程と、
前記正極シートと、電池電解液を含むスペーサと、負極活物質を含む負極と、を積層することによって、積層シートを作製する工程と、を具備することを特徴とするリチウム硫黄電池の製造方法。 - 前記正極電解液および前記電池電解液が、グライム系溶媒和イオン液体、または、スルホニル基含有化合物系濃厚電解液であり、
前記スルホニル基含有化合物系濃厚電解液は、リチウム塩1モルに対する正極溶媒の量が、1.3モル以上5モル以下であり、
前記分散溶媒が、メチルイソブチルケトン、アセトン、メチルエチルケトン、テトラヒドロフランまたは、N-メチルピロリドンであることを特徴とする請求項10に記載のリチウム硫黄電池の製造方法。 - 前記正極スラリーを作製する工程において、
前記硫黄系正極活物質と、前記炭素粒子と、を含む複合粒子が作製され、
前記複合粒子に前記正極電解液を加えられ、混練されることを特徴とする請求項10または請求項11に記載のリチウム硫黄電池の製造方法。 - 前記炭素粒子が、アスペクト比500以上のカーボンナノチューブを含み、
前記複合粒子と前記正極電解液との混練物に、さらに、前記ポリマーが加えられ、
前記正極シートは、破断伸度が5%以上であることを特徴とする請求項12に記載のリチウム硫黄電池の製造方法。 - 前記炭素粒子が、多孔質グラファイトおよびアスペクト比500以上のカーボンナノチューブであり、
前記正極シートは、前記カーボンナノチューブを、1質量%以上含んでいることを特徴とする請求項10から請求項13のいずれか1項に記載のリチウム硫黄電池の製造方法。
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