JPWO2012132173A1 - Nonaqueous electrolyte secondary battery and vehicle - Google Patents

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Abstract

本発明は、硫黄系正極活物質を用いサイクル特性のさらに向上した非水電解質二次電池を提供することを目的とする。本発明は、正極と、負極と、非水電解質とを備え、該正極は、正極活物質として、炭素(C)および硫黄(S)を含有する硫黄系正極活物質を含み、該負極は、負極活物質として、金属リチウムまたは金属ナトリウムを含む排水電解液二次電池に係るものである。An object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery using a sulfur-based positive electrode active material and further improved in cycle characteristics. The present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. The positive electrode includes a sulfur-based positive electrode active material containing carbon (C) and sulfur (S) as a positive electrode active material. The present invention relates to a drain electrolyte secondary battery containing metallic lithium or metallic sodium as a negative electrode active material.

Description

本発明は、リチウム二次電池、ナトリウム二次電池等に代表される非水電解質二次電池、および非水電解質二次電池を搭載した車両に関する。   The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery represented by a lithium secondary battery, a sodium secondary battery, and the like, and a vehicle equipped with the non-aqueous electrolyte secondary battery.

非水電解質二次電池の一種であるリチウム二次電池、リチウムイオン二次電池は、充放電容量の大きな電池であり、主として携帯電子機器用の電池として用いられている。また、リチウムイオン二次電池は、電気自動車用の電池としても期待されている。非水電解質二次電池の一種であるナトリウム二次電池、ナトリウムイオン二次電池は、リチウムに代えて入手容易なナトリウムを用いるため、安価に提供できる利点がある。ナトリウムは、リチウムに比べて標準酸化還元電位が0.33V低く、密度が約80%高いが、セル全体ではリチウムイオン二次電池の70〜80%の性能が発現できると考えられている。   A lithium secondary battery and a lithium ion secondary battery, which are types of non-aqueous electrolyte secondary batteries, are batteries having a large charge / discharge capacity, and are mainly used as batteries for portable electronic devices. Lithium ion secondary batteries are also expected as batteries for electric vehicles. A sodium secondary battery and a sodium ion secondary battery, which are a kind of non-aqueous electrolyte secondary battery, have an advantage that they can be provided at low cost because they use easily available sodium instead of lithium. Sodium has a standard oxidation-reduction potential of 0.33 V lower than lithium and a density of about 80%, but it is considered that the entire cell can develop 70 to 80% of the performance of a lithium ion secondary battery.

これらの非水電解質二次電池の正極活物質としては、コバルトやニッケル等のレアメタルを含有するものが一般的である。しかし、これらの金属は流通量が少なく高価であるため、近年では、これらのレアメタルにかわる物質を用いた正極活物質が求められている。   As the positive electrode active material of these non-aqueous electrolyte secondary batteries, those containing rare metals such as cobalt and nickel are generally used. However, since these metals have a small circulation amount and are expensive, in recent years, a positive electrode active material using a substance replacing these rare metals has been demanded.

リチウムイオン二次電池の正極活物質として、硫黄を用いる技術が知られている。硫黄を正極活物質として用いることで、リチウムイオン二次電池の充放電容量を大きくできる。しかし、正極活物質として単体硫黄を用いたリチウムイオン二次電池においては、放電時に硫黄とリチウムとの化合物が生成する。この硫黄とリチウムとの化合物は、リチウムイオン二次電池の非水系電解液(例えば、エチレンカーボネートやジメチルカーボネート等)に可溶である。このため、正極活物質として硫黄を用いたリチウムイオン二次電池は、充放電を繰り返すと、硫黄の電解液への溶出により次第に劣化し、電池容量が低下する問題がある。以下、充放電の繰り返しに伴って充放電容量が低下するリチウムイオン二次電池の特性を「サイクル特性」と呼ぶ。この充放電容量低下の小さいリチウムイオン二次電池はサイクル特性に優れるリチウムイオン二次電池であり、この充放電容量低下の大きなリチウムイオン二次電池はサイクル特性に劣るリチウムイオン二次電池である。   As a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery, a technique using sulfur is known. By using sulfur as the positive electrode active material, the charge / discharge capacity of the lithium ion secondary battery can be increased. However, in a lithium ion secondary battery using elemental sulfur as the positive electrode active material, a compound of sulfur and lithium is generated during discharge. This compound of sulfur and lithium is soluble in a non-aqueous electrolyte solution (for example, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, etc.) of a lithium ion secondary battery. For this reason, a lithium ion secondary battery using sulfur as a positive electrode active material has a problem that, when charging and discharging are repeated, it gradually deteriorates due to elution of sulfur into the electrolytic solution, and the battery capacity decreases. Hereinafter, the characteristic of the lithium ion secondary battery in which the charge / discharge capacity decreases with repeated charge / discharge is referred to as “cycle characteristic”. The lithium ion secondary battery having a small decrease in charge / discharge capacity is a lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics, and the lithium ion secondary battery having a large decrease in charge / discharge capacity is a lithium ion secondary battery having inferior cycle characteristics.

本発明の発明者等は、鋭意研究の結果、ポリアクリロニトリルと硫黄との混合物を熱処理して得られる正極活物質を発明した(特許文献1参照)。正極活物質として、ポリアクリロニトリル等の炭素材料および硫黄を材料とする硫黄系正極活物質を用いることで、リチウムイオン二次電池の充放電容量は大きくなり、かつ、サイクル特性も向上する。しかしサイクル特性は二次電池にとって非常に重要な特性であるため、さらにサイクル特性が向上した非水電解質二次電池の開発が望まれている。   As a result of intensive studies, the inventors of the present invention have invented a positive electrode active material obtained by heat-treating a mixture of polyacrylonitrile and sulfur (see Patent Document 1). By using a sulfur-based positive electrode active material made of a carbon material such as polyacrylonitrile and sulfur as the positive electrode active material, the charge / discharge capacity of the lithium ion secondary battery is increased and the cycle characteristics are also improved. However, since the cycle characteristics are very important characteristics for the secondary battery, it is desired to develop a non-aqueous electrolyte secondary battery having further improved cycle characteristics.

国際公開第2010/044437号International Publication No. 2010/044437

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、硫黄系正極活物質を用い、より一層サイクル特性に優れる非水電解質二次電池、およびこの非水電解質二次電池を搭載した車両を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a non-aqueous electrolyte secondary battery that uses a sulfur-based positive electrode active material and is further excellent in cycle characteristics, and a vehicle equipped with the non-aqueous electrolyte secondary battery. For the purpose.

非水電解質二次電池の一種として、硫黄系正極活物質以外の正極活物質を用い、金属リチウムまたは金属ナトリウムを負極活物質として用いたものが知られている。この種の非水電解質二次電池はサイクル特性に劣る。例えば、正極活物質としてLiCoOを用い、負極活物質として金属リチウムを用いた非水電解質二次電池においては、充放電を繰り返すと負極の金属リチウム表面が劣化するために、サイクル特性に劣ると考えられる。このため金属リチウムは、通常は、リチウムイオン二次電池の性能を評価するための評価用電池(半電池とも呼ぶ)の負極として用いられるに留まっていた。As a kind of non-aqueous electrolyte secondary battery, one using a positive electrode active material other than a sulfur-based positive electrode active material and using metallic lithium or metallic sodium as a negative electrode active material is known. This type of non-aqueous electrolyte secondary battery is inferior in cycle characteristics. For example, in a non-aqueous electrolyte secondary battery using LiCoO 2 as a positive electrode active material and metallic lithium as a negative electrode active material, if the charge / discharge is repeated, the surface of the metal lithium of the negative electrode deteriorates, and therefore the cycle characteristics are inferior. Conceivable. For this reason, metallic lithium has usually only been used as a negative electrode of an evaluation battery (also called a half battery) for evaluating the performance of a lithium ion secondary battery.

本発明の発明者等は、鋭意研究を重ねた結果、硫黄系正極活物質を正極活物質として用い、かつ、金属リチウムまたは金属ナトリウムを負極活物質として用いることで、非水電解質二次電池のサイクル特性を大きく向上させ得ることを見出した。   As a result of extensive research, the inventors of the present invention have used a sulfur-based positive electrode active material as a positive electrode active material and metal lithium or metal sodium as a negative electrode active material. It has been found that the cycle characteristics can be greatly improved.

すなわち、上記課題を解決する本発明の非水電解質二次電池は、
正極と、負極と、非水電解質とを備え、
該正極は、正極活物質として、炭素(C)および硫黄(S)を含有する硫黄系正極活物質を含み、
該負極は、負極活物質として、金属リチウムまたは金属ナトリウムを含むことを特徴とする。
上記課題を解決する本発明の車両は、本発明の非水電解質二次電池を搭載したことを特徴とする。
That is, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention that solves the above problems is
A positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte;
The positive electrode includes a sulfur-based positive electrode active material containing carbon (C) and sulfur (S) as a positive electrode active material,
The negative electrode includes metallic lithium or metallic sodium as a negative electrode active material.
The vehicle of the present invention that solves the above problems is characterized by mounting the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention.

本発明の非水電解質二次電池はサイクル特性に優れる。その理由は定かではないが、硫黄系正極活物質に由来する皮膜が負極の表面に形成され、この皮膜により金属リチウムや金属ナトリウムの劣化が抑制されるのではないかと考えられる。また、硫黄系正極活物質が硫黄を安定して捕捉することで、硫黄による負極の汚染が抑制され、上記の皮膜が安定化されると考えられる。また、負極活物質を金属リチウムまたは金属ナトリウムで構成することで、初期充放電後の不可逆容量に対抗できる充分な量のリチウムまたはナトリウムを、非水電解質二次電池に含有させることができる。これらの協働により、本発明の非水電解質二次電池は非常に優れたサイクル特性を発揮すると考えられる。また、サイクル特性に優れる本発明の非水電解質二次電池を搭載した本発明の車両は、電力を必要とする各種特性に優れる。   The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is excellent in cycle characteristics. Although the reason is not certain, it is thought that the film | membrane derived from a sulfur type positive electrode active material is formed in the surface of a negative electrode, and deterioration of metal lithium and metal sodium is suppressed by this film | membrane. Moreover, it is thought that the negative electrode contamination by sulfur is suppressed by the sulfur-based positive electrode active material stably capturing sulfur, and the above film is stabilized. Further, when the negative electrode active material is composed of metal lithium or metal sodium, a sufficient amount of lithium or sodium that can counter the irreversible capacity after the initial charge / discharge can be contained in the nonaqueous electrolyte secondary battery. By these cooperation, it is considered that the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention exhibits extremely excellent cycle characteristics. In addition, the vehicle of the present invention equipped with the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention having excellent cycle characteristics is excellent in various characteristics that require electric power.

硫黄変性ポリアクリロニトリルをX線回折した結果を表すグラフである。It is a graph showing the result of having carried out X-ray diffraction of sulfur modification polyacrylonitrile. 硫黄変性ポリアクリロニトリルをラマンスペクトル分析した結果を表すグラフである。It is a graph showing the result of having performed a Raman spectrum analysis of sulfur-modified polyacrylonitrile. 実施例の硫黄変性ポリアクリロニトリルの製造方法で用いた反応装置を模式的に表す説明図である。It is explanatory drawing which represents typically the reaction apparatus used with the manufacturing method of the sulfur modified polyacrylonitrile of an Example. 実施例1の非水電解質二次電池のサイクル特性を表すグラフである。3 is a graph showing cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1. FIG. 実施例2の非水電解質二次電池のサイクル特性を表すグラフである。6 is a graph showing cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 2. 実施例3の非水電解質二次電池のサイクル特性を表すグラフである。6 is a graph showing cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 3. 比較例の非水電解質二次電池のサイクル特性を表すグラフである。It is a graph showing the cycle characteristic of the nonaqueous electrolyte secondary battery of a comparative example.

(硫黄系正極活物質)
本発明の非水電解質二次電池は、硫黄系正極活物質を正極に含有する。硫黄系正極活物質としては、ポリ硫化カーボン、単体硫黄、コーヒー豆や海草等の植物原料と硫黄を熱処理したもの、またはこれらの複合体等を挙げることもできるが、炭素源化合物として、〔1〕ポリアクリロニトリル、〔2〕ピッチ類、〔3〕ポリイソプレン、および、〔4〕3環以上の六員環が縮合してなる多環芳香族炭化水素から選ばれる少なくとも一種を用いたものが、特に好ましく用いられる。これらの硫黄系正極活物質は、上記した何れかの炭素源化合物に由来する炭素骨格と、この炭素骨格と結合した硫黄(S)とで構成される。以下、炭素源化合物としてポリアクリロニトリルを用いた硫黄系正極活物質を硫黄変性PANと呼ぶ。炭素源化合物としてピッチ類を用いた硫黄系正極活物質を硫黄変性ピッチと呼ぶ。炭素源化合物としてポリイソプレンを用いた硫黄系正極活物質を硫黄変性ポリイソプレンと呼ぶ。炭素源化合物として3環以上の六員環が縮合してなる多環芳香族炭化水素を用いた硫黄系正極活物質を硫黄変性PAHと呼ぶ。
(Sulfur-based positive electrode active material)
The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention contains a sulfur-based positive electrode active material in the positive electrode. Examples of the sulfur-based positive electrode active material include polysulfide carbon, elemental sulfur, heat-treated sulfur and plant materials such as coffee beans and seaweed, and composites thereof. As the carbon source compound, [1 ] Using at least one selected from polyacrylonitrile, [2] pitches, [3] polyisoprene, and [4] polycyclic aromatic hydrocarbons formed by condensation of six or more 6-membered rings, Particularly preferably used. These sulfur-based positive electrode active materials are composed of a carbon skeleton derived from any of the carbon source compounds described above and sulfur (S) bonded to the carbon skeleton. Hereinafter, a sulfur-based positive electrode active material using polyacrylonitrile as a carbon source compound is referred to as sulfur-modified PAN. A sulfur-based positive electrode active material using pitches as a carbon source compound is called sulfur-modified pitch. A sulfur positive electrode active material using polyisoprene as a carbon source compound is called sulfur-modified polyisoprene. A sulfur-based positive electrode active material using a polycyclic aromatic hydrocarbon formed by condensation of three or more six-membered rings as a carbon source compound is referred to as sulfur-modified PAH.

〔1〕硫黄変性PAN
硫黄変性PANは、上記の特許文献1に開示されたものと同様のものである。硫黄変性PAN用の材料としてのポリアクリロニトリル(PAN)は、粉末状であるのが好ましく、質量平均分子量が10〜3×10程度であるのが好ましい。また、PANの粒径は、電子顕微鏡によって観察した際に、0.5〜50μm程度であるのが好ましく、1〜10μm程度であるのがより好ましい。PANの分子量および粒径がこれらの範囲内であれば、PANと硫黄との接触面積を大きくでき、PANと硫黄とを信頼性高く反応させ得る。このため、電解液への硫黄の溶出をより信頼性高く抑制できる。
[1] Sulfur modified PAN
The sulfur-modified PAN is the same as that disclosed in Patent Document 1 above. Polyacrylonitrile (PAN) as a material for sulfur-modified PAN is preferably in the form of powder and preferably has a mass average molecular weight of about 10 4 to 3 × 10 5 . Further, the particle size of PAN is preferably about 0.5 to 50 μm, more preferably about 1 to 10 μm, when observed with an electron microscope. If the molecular weight and particle size of PAN are within these ranges, the contact area between PAN and sulfur can be increased, and PAN and sulfur can be reacted with high reliability. For this reason, the elution of sulfur to the electrolytic solution can be more reliably suppressed.

非水電解質二次電池の正極活物質として硫黄変性PANを用いることで、硫黄が本来有する高容量を維持でき、かつ、硫黄の電解液への溶出が抑制されるため、サイクル特性が大きく向上する。これは、硫黄変性PAN中で硫黄が単体として存在するのでなくPANと結合した安定な状態で存在するためだと考えられる。特許文献1に開示されている硫黄系正極活物質の製造方法において、硫黄はPANとともに加熱処理されている。PANを加熱すると、PANが3次元的に架橋して縮合環(主として六員環)を形成しつつ閉環すると考えられる。このため硫黄は、閉環の進行したPANと結合した状態で硫黄変性PAN中に存在していると考えられる。換言すると、硫黄変性PANはPANに由来する炭素骨格を持つ。PANと硫黄とが結合することで、硫黄の電解液への溶出を抑制でき、サイクル特性を向上させ得る。   By using sulfur-modified PAN as the positive electrode active material of the non-aqueous electrolyte secondary battery, the high capacity inherent in sulfur can be maintained, and the elution of sulfur into the electrolyte is suppressed, so the cycle characteristics are greatly improved. . This is probably because sulfur does not exist as a simple substance in the sulfur-modified PAN, but exists in a stable state combined with PAN. In the manufacturing method of the sulfur type positive electrode active material currently disclosed by patent document 1, sulfur is heat-processed with PAN. When PAN is heated, it is considered that PAN is three-dimensionally cross-linked and closed while forming a condensed ring (mainly a six-membered ring). For this reason, it is considered that sulfur is present in the sulfur-modified PAN in a state of being bonded to the PAN that has progressed in the ring closure. In other words, sulfur-modified PAN has a carbon skeleton derived from PAN. By combining PAN and sulfur, elution of sulfur into the electrolyte can be suppressed, and cycle characteristics can be improved.

硫黄変性PANに用いられる硫黄は、PANと同様に、粉末状であるのが好ましい。硫黄の粒径については特に限定しないが、篩いを用いて分級した際に、篩目開き40μmの篩を通過せず、かつ、150μmの篩を通過する大きさの範囲内にあるものが好ましく、篩目開き40μmの篩を通過せず、かつ、100μmの篩を通過する大きさの範囲内にあるものがより好ましい。   Sulfur used for sulfur-modified PAN is preferably in the form of a powder, like PAN. Although it does not specifically limit about the particle size of sulfur, when classified using a sieve, those that do not pass through a sieve with a sieve opening of 40 μm and are within a size range that passes through a 150 μm sieve are preferable, It is more preferable that the mesh size does not pass through a 40 μm sieve and is within a size range that passes through a 100 μm sieve.

硫黄変性PANに用いるPAN粉末と硫黄粉末との配合比については特に限定しないが、質量比で、1:0.5〜1:10であるのが好ましく、1:0.5〜1:7であるのがより好ましく、1:2〜1:5であるのがさらに好ましい。   The compounding ratio of the PAN powder and sulfur powder used for the sulfur-modified PAN is not particularly limited, but is preferably 1: 0.5 to 1:10 by mass ratio, and 1: 0.5 to 1: 7. More preferably, it is 1: 2 to 1: 5.

硫黄変性PANは、以下の方法で製造できる。   Sulfur-modified PAN can be produced by the following method.

PAN粉末と硫黄粉末とを混合した混合原料を加熱する(熱処理工程)。混合原料は、乳鉢やボールミル等の一般的な混合装置で混合すれば良い。混合原料としては、硫黄とPANとを単に混合したものを用いても良いが、例えば、混合原料をペレット状に成形して用いても良い。混合原料は、PANおよび硫黄のみで構成しても良いし、正極活物質に配合可能な一般的な材料(導電助剤等)を配合しても良い。これは、後述する他の硫黄系正極活物質に関しても同様である。   A mixed raw material in which PAN powder and sulfur powder are mixed is heated (heat treatment step). What is necessary is just to mix a mixing raw material with common mixing apparatuses, such as a mortar and a ball mill. As the mixed raw material, a material obtained by simply mixing sulfur and PAN may be used. For example, the mixed raw material may be formed into a pellet shape. The mixed raw material may be composed only of PAN and sulfur, or may be blended with a general material (such as a conductive aid) that can be blended with the positive electrode active material. The same applies to other sulfur-based positive electrode active materials described later.

熱処理工程において混合原料を加熱することで、混合原料に含まれる硫黄とPANとが結合する。熱処理工程は、密閉系でおこなっても良いし開放系でおこなっても良いが、硫黄蒸気の散逸を抑制するためには、密閉系で行うのが好ましい。また、熱処理工程を如何なる雰囲気で行うかについては特に問わないが、PANと硫黄との結合を妨げない雰囲気(例えば、水素を含有しない雰囲気、非酸化性雰囲気)下で行うのが好ましい。例えば、雰囲気中に水素が存在すると、反応系中の硫黄が水素と反応して硫化水素となるため、反応系中の硫黄が失われる場合がある。また、非酸化性雰囲気下で熱処理することで、PANの閉環反応と同時に、蒸気状態の硫黄がPANと反応して、硫黄によって変性されたPANが得られると考えられる。ここでいう非酸化性雰囲気とは、酸化反応が進行しない程度の低酸素濃度とした減圧状態、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気、硫黄ガス雰囲気等を含む。   By heating the mixed raw material in the heat treatment step, sulfur and PAN contained in the mixed raw material are combined. The heat treatment step may be performed in a closed system or an open system, but in order to suppress the dissipation of sulfur vapor, it is preferably performed in a closed system. In addition, the atmosphere in which the heat treatment step is performed is not particularly limited, but it is preferably performed in an atmosphere that does not hinder the binding of PAN and sulfur (for example, an atmosphere containing no hydrogen or a non-oxidizing atmosphere). For example, when hydrogen is present in the atmosphere, sulfur in the reaction system reacts with hydrogen to form hydrogen sulfide, so that sulfur in the reaction system may be lost. Further, it is considered that by performing heat treatment in a non-oxidizing atmosphere, vapor-state sulfur reacts with PAN simultaneously with the PAN ring-closing reaction, and PAN modified with sulfur is obtained. The non-oxidizing atmosphere referred to here includes a reduced pressure state in which the oxygen concentration is low enough not to cause an oxidation reaction, an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, a sulfur gas atmosphere, and the like.

密閉状態の非酸化性雰囲気とするための具体的な方法については特に限定はなく、例えば、硫黄蒸気が散逸しない程度の密閉性が保たれる容器中に混合原料を入れて、容器内を減圧または不活性ガス雰囲気にして加熱すれば良い。その他、混合原料を硫黄蒸気と反応し難い材料(例えばアルミニウムラミネートフィルム等)で真空包装した状態で加熱しても良い。この場合、発生した硫黄蒸気によって包装材料が破損しないように、例えば、水を入れたオートクレーブ等の耐圧容器中に、包装された原料を入れて加熱し、発生した水蒸気で包装材の外部から加圧することが好ましい。この方法によれば、包装材料の外部から水蒸気によって加圧されるので、硫黄蒸気によって包装材料が膨れて破損することが防止される。   There is no particular limitation on the specific method for creating a non-oxidizing atmosphere in a sealed state. For example, the mixed raw material is placed in a container that is kept tight enough not to dissipate sulfur vapor, and the inside of the container is decompressed. Alternatively, heating may be performed in an inert gas atmosphere. In addition, the mixed raw material may be heated in a vacuum packaged state with a material that does not easily react with sulfur vapor (for example, an aluminum laminate film). In this case, in order to prevent the packaging material from being damaged by the generated sulfur vapor, for example, the packaged raw material is put in a pressure vessel such as an autoclave containing water and heated, and the generated steam is added from the outside of the packaging material. It is preferable to press. According to this method, since pressure is applied by water vapor from the outside of the packaging material, the packaging material is prevented from being swollen and damaged by sulfur vapor.

熱処理工程における混合原料の加熱時間は、加熱温度に応じて適宜設定すれば良く、特に限定しない。上述した好ましい加熱温度は、硫黄とPANとの結合が進行し、かつ、伝導材が変質しないような温度であれば良い。具体的には、加熱温度は、250℃以上500℃以下とすることが好ましく、250℃以上450℃以下とすることがより好ましく、250℃以上400℃以下とすることがさらに好ましい。   What is necessary is just to set suitably the heating time of the mixed raw material in a heat processing process according to heating temperature, and it does not specifically limit it. The preferable heating temperature mentioned above should just be a temperature which the coupling | bonding of sulfur and PAN advances, and a conductive material does not change in quality. Specifically, the heating temperature is preferably 250 ° C. or more and 500 ° C. or less, more preferably 250 ° C. or more and 450 ° C. or less, and further preferably 250 ° C. or more and 400 ° C. or less.

熱処理工程においては、硫黄を還流するのが好ましい。この場合、混合原料の一部が気体となり、一部が液体となるように混合原料を加熱すれば良い。換言すると、混合原料の温度は、硫黄が気化する温度以上の温度であれば良い。ここで言う気化とは、硫黄が液体または固体から気体に相変化することを指し、沸騰、蒸発、昇華の何れによっても良い。参考までに、α硫黄(斜方硫黄、常温付近で最も安定な構造である)の融点は112.8℃、β硫黄(単斜硫黄)の融点は119.6℃、γ硫黄(単斜硫黄)の融点は106.8℃である。硫黄の沸点は444.7℃である。ところで、硫黄の蒸気圧は高いため、混合原料の温度が150℃以上になると、硫黄の蒸気の発生が目視でも確認できる。したがって、混合原料の温度が150℃以上であれば硫黄の還流は可能である。なお、熱処理工程において硫黄を還流する場合には、既知構造の還流装置を用いて硫黄を還流すれば良い。     In the heat treatment step, sulfur is preferably refluxed. In this case, the mixed raw material may be heated so that a part of the mixed raw material becomes a gas and a part becomes a liquid. In other words, the temperature of the mixed raw material may be a temperature equal to or higher than the temperature at which sulfur is vaporized. Vaporization here refers to the phase change of sulfur from a liquid or solid to a gas, and may be any of boiling, evaporation, and sublimation. For reference, the melting point of α sulfur (orthogonal sulfur, which is the most stable structure near room temperature) is 112.8 ° C., the melting point of β sulfur (monoclinic sulfur) is 119.6 ° C., and γ sulfur (monoclinic sulfur). ) Has a melting point of 106.8 ° C. The boiling point of sulfur is 444.7 ° C. By the way, since the vapor pressure of sulfur is high, generation | occurrence | production of sulfur vapor | steam can also be confirmed visually when the temperature of a mixed raw material will be 150 degreeC or more. Therefore, if the temperature of the mixed raw material is 150 ° C. or higher, sulfur can be refluxed. In addition, what is necessary is just to recirculate | reflux sulfur using the reflux apparatus of a known structure, when recirculating | refluxing sulfur in a heat treatment process.

混合原料中の硫黄の配合量が過大である場合にも、熱処理工程においてPANに充分な量の硫黄を取り込むことができる。このため、PANに対して硫黄を過大に配合する場合には、熱処理工程後の被処理体から単体硫黄を除去することで、上述した単体硫黄による悪影響を抑制できる。詳しくは、混合原料中のPANと硫黄との配合比を、質量比で1:2〜1:10とする場合、熱処理工程後の被処理体を、減圧しつつ200℃〜250℃で加熱する(単体硫黄除去工程)ことで、PANに充分な量の硫黄を取り込みつつ、残存する単体硫黄による悪影響を抑制できる。熱処理工程後の被処理体に単体硫黄除去工程を施さない場合には、この被処理体をそのまま硫黄変性PANとして用いれば良い。また、熱処理工程後の被処理体に単体硫黄除去工程を施す場合には、単体硫黄除去工程後の被処理体を硫黄変性PANとして用いれば良い。単体硫黄除去工程の時間は特に限定しないが、1〜6時間程度であるのが好ましい。   Even when the amount of sulfur in the mixed raw material is excessive, a sufficient amount of sulfur can be taken into the PAN in the heat treatment step. For this reason, when adding sulfur excessively with respect to PAN, the bad influence by the elemental sulfur mentioned above can be suppressed by removing elemental sulfur from the to-be-processed body after a heat treatment process. Specifically, when the mixing ratio of PAN and sulfur in the mixed raw material is 1: 2 to 1:10 by mass ratio, the target object after the heat treatment step is heated at 200 ° C. to 250 ° C. while reducing the pressure. (Single element sulfur removal step) By taking a sufficient amount of sulfur into the PAN, it is possible to suppress adverse effects due to the remaining single sulfur. When the single sulfur removal step is not performed on the target object after the heat treatment step, this target object may be used as it is as the sulfur-modified PAN. Moreover, what is necessary is just to use the to-be-processed body after a single sulfur removal process as sulfur modified PAN, when performing the single-piece | unit sulfur removal process to the to-be-processed body after a heat treatment process. The time for the elemental sulfur removal step is not particularly limited, but is preferably about 1 to 6 hours.

硫黄変性PANは、元素分析の結果、炭素、窒素、および硫黄を含み、更に、少量の酸素および水素を含む場合もある。また、図1に示すように、硫黄変性PANをCuKα線によりX線回折した結果、回折角(2θ)20〜30°の範囲では、25°付近にピーク位置を有するブロードなピークのみが確認された。参考までに、X線回折は、粉末X線回折装置(MAC Science社製、型番:M06XCE)により、CuKα線を用いてX線回折測定を行なった。測定条件は、電圧:40kV、電流:100mA、スキャン速度:4°/分、サンプリング:0.02°、積算回数:1回、測定範囲:回折角(2θ)10°〜60°であった。   As a result of elemental analysis, sulfur-modified PAN contains carbon, nitrogen, and sulfur, and may contain small amounts of oxygen and hydrogen. Further, as shown in FIG. 1, as a result of X-ray diffraction of sulfur-modified PAN with CuKα rays, only a broad peak having a peak position in the vicinity of 25 ° was confirmed in the diffraction angle (2θ) range of 20-30 °. It was. For reference, X-ray diffraction was measured by X-ray diffraction using CuKα rays with a powder X-ray diffractometer (manufactured by MAC Science, model number: M06XCE). The measurement conditions were voltage: 40 kV, current: 100 mA, scan speed: 4 ° / min, sampling: 0.02 °, number of integrations: 1, measurement range: diffraction angle (2θ) 10 ° -60 °.

さらに硫黄変性PANを、室温から900℃まで20℃/分の昇温速度で加熱した際の熱重量分析による質量減は400℃時点で10%以下である。これに対して、硫黄粉末とPAN粉末の混合物を同様の条件で加熱すると120℃付近から質量減少が認められ、200℃以上になると急激に硫黄の消失に基づく大きな質量減が認められる。   Furthermore, the mass loss by thermogravimetric analysis when sulfur-modified PAN is heated from room temperature to 900 ° C. at a rate of temperature increase of 20 ° C./min is 10% or less at 400 ° C. On the other hand, when a mixture of sulfur powder and PAN powder is heated under the same conditions, a mass decrease is observed from around 120 ° C., and when the temperature is 200 ° C. or higher, a large mass loss due to the disappearance of sulfur is recognized.

すなわち、硫黄変性PANにおいて、硫黄は単体としては存在せず、閉環の進行したPANと結合した状態で存在していると考えられる。   That is, in sulfur-modified PAN, it is considered that sulfur does not exist as a simple substance, but exists in a state of being combined with PAN that has advanced ring closure.

硫黄変性PANのラマンスペクトルの一例を図2に示す。図2に示すラマンスペクトルにおいて、ラマンシフトの1331cm−1付近に主ピークが存在し、かつ、200cm−1〜1800cm−1の範囲で1548cm−1、939cm−1、479cm−1、381cm−1、317cm−1付近にピークが存在する。上記したラマンシフトのピークは、PANに対する単体硫黄の比率を変更した場合にも同様の位置に観測される。このためこれらのピークは硫黄変性PANを特徴づけるものである。上記した各ピークは、上記したピーク位置を中心としては、ほぼ±8cm−1の範囲内に存在する。なお、本明細書において、「主ピーク」とは、ラマンスペクトルで現れた全てのピークのなかでピーク高さが最大となるピークを指す。An example of the Raman spectrum of sulfur-modified PAN is shown in FIG. In the Raman spectrum shown in FIG. 2, there are major peak near 1331cm -1 of Raman shift, and, 1548cm -1 in the range of 200cm -1 ~1800cm -1, 939cm -1, 479cm -1, 381cm -1, There is a peak near 317 cm −1 . The above-described Raman shift peak is observed at the same position even when the ratio of elemental sulfur to PAN is changed. Thus, these peaks characterize sulfur-modified PAN. Each of the above-described peaks exists in a range of approximately ± 8 cm −1 with the above-described peak position as the center. In the present specification, the “main peak” refers to a peak having the maximum peak height among all peaks appearing in the Raman spectrum.

参考までに、上記したラマンシフトは、日本分光社製 RMP−320(励起波長λ=532nm、グレーチング:1800gr/mm、分解能:3cm−1)で測定したものである。なお、ラマンスペクトルのピークは、入射光の波長や分解能の違いなどにより、数が変化したり、ピークトップの位置がずれたりすることがある。したがって正極活物質として硫黄変性PANを用いた本発明の正極のラマンスペクトルを測定すると、上記のピークと同じピーク、または、上記のピークとは数やピークトップの位置が僅かに異なるピークが確認される。For reference, the Raman shift described above was measured with RMP-320 (excitation wavelength λ = 532 nm, grating: 1800 gr / mm, resolution: 3 cm −1 ) manufactured by JASCO Corporation. Note that the number of Raman spectrum peaks may change or the position of the peak top may be shifted depending on the wavelength of incident light or the difference in resolution. Therefore, when the Raman spectrum of the positive electrode of the present invention using sulfur-modified PAN as the positive electrode active material is measured, the same peak as the above peak, or a peak slightly different from the above peak in number and peak top position is confirmed. The

〔2〕硫黄変性ピッチ
炭素源化合物としてピッチ類を用いた硫黄系正極活物質は、ピッチ類由来の炭素骨格と、その炭素骨格と結合した硫黄(S)と、からなる。ピッチ類としては、石炭ピッチ、石油ピッチ、メソフェーズピッチ、アスファルト、コールタール、コールタールピッチ、縮合多環芳香族炭化水素化合物の重縮合で得られる有機合成ピッチ、ヘテロ原子含有縮合多環芳香族炭化水素化合物の重縮合で得られる有機合成ピッチからなる群から選ばれる少なくとも一種を用いることができる。
[2] Sulfur Modified Pitch A sulfur-based positive electrode active material using pitches as a carbon source compound is composed of a carbon skeleton derived from pitches and sulfur (S) bonded to the carbon skeleton. Pitches include coal pitch, petroleum pitch, mesophase pitch, asphalt, coal tar, coal tar pitch, organic synthetic pitch obtained by polycondensation of condensed polycyclic aromatic hydrocarbon compounds, and heteroatom-containing condensed polycyclic aromatic carbonization. At least one selected from the group consisting of organic synthetic pitches obtained by polycondensation of hydrogen compounds can be used.

ピッチ類の一種であるコールタールは、石炭を高温乾留(石炭乾留)して得られる黒い粘稠な油状液体である。コールタールを精製・熱処理(重合)することで、石炭ピッチを得ることができる。   Coal tar, a kind of pitch, is a black viscous oily liquid obtained by high-temperature carbonization (coal carbonization) of coal. Coal pitch can be obtained by refining and heat treating (polymerizing) coal tar.

アスファルトは、黒褐色ないし黒色の固体あるいは半固体の可塑性物質である。アスファルトは、石油(原油)を減圧蒸留したときに釜残として得られるものと、天然に存在するものとに大別される。アスファルトはトルエン、二硫化炭素等に可溶である。アスファルトを精製・熱処理(重合)することで、石油ピッチを得ることができる。   Asphalt is a black-brown to black solid or semi-solid plastic material. Asphalt is broadly classified into what is obtained as a kettle residue when petroleum (crude oil) is distilled under reduced pressure and that which exists in nature. Asphalt is soluble in toluene, carbon disulfide and the like. Petroleum pitch can be obtained by refining and heat treating (polymerizing) asphalt.

ピッチは、通常、無定形であり光学的に等方性である(等方性ピッチ)。等方性ピッチを不活性雰囲気中で熱処理することで、光学的に異方性のピッチ(異方性ピッチ、メソフェーズピッチ)を得ることができる。ピッチは、ベンゼン、トルエン、二硫化炭素等の有機溶剤に部分的に可溶である。   The pitch is usually amorphous and optically isotropic (isotropic pitch). An optically anisotropic pitch (anisotropic pitch, mesophase pitch) can be obtained by heat-treating the isotropic pitch in an inert atmosphere. Pitch is partially soluble in organic solvents such as benzene, toluene, carbon disulfide.

ピッチ類は様々な化合物の混合物であり、上述したように縮合多環芳香族を含む。ピッチ類に含まれる縮合多環芳香族は、単一種であっても良いし、複数種であっても良い。例えば、ピッチ類の一種である石炭ピッチの主成分は、縮合多環芳香族である。この縮合多環芳香族は、環の中に、炭素と水素以外にも、窒素や硫黄を含み得る。このため、石炭ピッチの主成分は、炭素と水素のみから成る縮合多環芳香族炭化水素と縮合環に窒素や硫黄等を含む複素芳香族化合物との混合物と考えられる。   Pitches are a mixture of various compounds and contain fused polycyclic aromatics as described above. The condensed polycyclic aromatic contained in the pitch may be a single species or a plurality of species. For example, the main component of coal pitch, which is a kind of pitches, is a condensed polycyclic aromatic. The condensed polycyclic aromatic can contain nitrogen and sulfur in addition to carbon and hydrogen in the ring. For this reason, the main component of coal pitch is considered to be a mixture of a condensed polycyclic aromatic hydrocarbon composed only of carbon and hydrogen and a heteroaromatic compound containing nitrogen, sulfur, etc. in the condensed ring.

ピッチ類由来の炭素骨格と、その炭素骨格と結合した硫黄(S)と、からなる硫黄系正極活物質(硫黄変性ピッチ)は、上述した硫黄変性PANと同様の方法で製造できる。硫黄変性ピッチを製造する場合、熱処理工程において、ピッチ類の少なくとも一部と硫黄の少なくとも一部とが液体となるように構成する。換言すると、熱処理工程において、ピッチ類の少なくとも一部と硫黄の少なくとも一部とは、液状で接触する。このため、熱処理工程におけるピッチ類と硫黄との接触面積を充分に大きくでき、硫黄を充分に含みかつ硫黄の脱離が抑制された硫黄変性ピッチを得ることができる。なお、熱処理工程において硫黄を還流する場合には、ピッチ類と硫黄との接触頻度を高めることができ、硫黄をより含有しかつ硫黄の脱離がさらに抑制された硫黄変性ピッチを得ることができる。   A sulfur-based positive electrode active material (sulfur-modified pitch) comprising a carbon skeleton derived from pitches and sulfur (S) bonded to the carbon skeleton can be produced by the same method as the above-described sulfur-modified PAN. When producing a sulfur-modified pitch, in the heat treatment step, at least a part of pitches and at least a part of sulfur are configured to be liquid. In other words, in the heat treatment step, at least a part of the pitches and at least a part of the sulfur are in liquid contact. For this reason, the contact area between pitches and sulfur in the heat treatment step can be made sufficiently large, and a sulfur-modified pitch that contains sulfur sufficiently and suppresses the elimination of sulfur can be obtained. In addition, when sulfur is refluxed in the heat treatment step, the contact frequency between pitches and sulfur can be increased, and a sulfur-modified pitch that further contains sulfur and further suppresses the elimination of sulfur can be obtained. .

なお、得られた硫黄変性ピッチにおいて、硫黄とピッチ類とがどのように結合しているか、は定かではないが、ピッチ類のグラフェン層間に硫黄が取り込まれているか、或いは、縮合多環芳香族の環に含まれる水素が硫黄に置換されて、C−S結合となっていると推測される。   In the obtained sulfur-modified pitch, it is not clear how sulfur and pitches are bonded, but sulfur is taken in between the graphene layers of the pitches, or condensed polycyclic aromatics. It is presumed that hydrogen contained in the ring is substituted with sulfur to form a C—S bond.

熱処理工程における温度は、ピッチ類の少なくとも一部と硫黄の少なくとも一部が液体となる温度であれば良い。なお、ピッチ類に関しては、全体が液体となる温度であるのが好ましい。また、硫黄に関しては、全体が液体となる温度であるのが好ましく、一部が気体となり残りが液体となる温度(すなわち、還流できる温度)であるのがより好ましい。熱処理工程における温度は、200℃以上であるのが好ましく、300℃以上であるのがより好ましく、350℃以上であるのがさらに好ましい。参考までに、石炭ピッチの軟化点は200〜350℃程度である。このため、ピッチ類として石炭ピッチを用いる場合には、熱処理工程を350℃以上で行うのが好ましい。また、350℃以上であれば、石炭ピッチ以外のピッチ類を用いる場合にも、ピッチ類の少なくとも一部が軟化(液体化)する。   The temperature in the heat treatment step may be a temperature at which at least a part of pitches and at least a part of sulfur become liquid. In addition, regarding pitches, it is preferable that the temperature is such that the whole becomes a liquid. Further, regarding sulfur, the temperature is preferably such that the whole becomes a liquid, and more preferably a temperature at which a part becomes a gas and the rest becomes a liquid (that is, a temperature at which reflux is possible). The temperature in the heat treatment step is preferably 200 ° C. or higher, more preferably 300 ° C. or higher, and further preferably 350 ° C. or higher. For reference, the softening point of the coal pitch is about 200 to 350 ° C. For this reason, when using coal pitch as pitches, it is preferable to perform a heat treatment process at 350 degreeC or more. Moreover, if it is 350 degreeC or more, also when using pitches other than coal pitch, at least one part of pitches will soften (liquefy).

ところで、熱処理工程における温度が過剰に高いと、ピッチ類が変性(黒鉛化)する場合がある。この場合、ピッチ類に硫黄を充分に取り込めなくなる。このため、熱処理工程における温度は、ピッチ類の変性温度よりも低い温度であることが好ましい。熱処理工程における温度が600℃以下であれば、ピッチ類の変性を抑制できる。熱処理工程における温度は600℃以下であるのがより好ましく、500℃以下であるのがさらに好ましい。さらに、上述したピッチ類の軟化を考慮すると、熱処理工程における温度は200℃以上600℃以下であるのが好ましく、300℃以上500℃以下であるのがより好ましく、350℃以上500℃以下であるのがさらに好ましい。   By the way, when the temperature in the heat treatment process is excessively high, the pitches may be modified (graphitized). In this case, sulfur cannot be sufficiently taken into pitches. For this reason, it is preferable that the temperature in the heat treatment step is lower than the modification temperature of the pitches. If the temperature in the heat treatment step is 600 ° C. or lower, the modification of pitches can be suppressed. The temperature in the heat treatment step is more preferably 600 ° C. or less, and further preferably 500 ° C. or less. Furthermore, considering the above-mentioned softening of pitches, the temperature in the heat treatment step is preferably 200 ° C. or more and 600 ° C. or less, more preferably 300 ° C. or more and 500 ° C. or less, and 350 ° C. or more and 500 ° C. or less. Is more preferable.

熱処理工程において硫黄を還流する場合、混合原料の一部が気体となり、一部が液体となるように混合原料を加熱すれば良い。換言すると、混合原料の温度は、硫黄が気化する温度以上の温度であれば良い。ここで言う気化とは、硫黄が液体または固体から気体に相変化することを指し、沸騰、蒸発、昇華の何れによっても良い。   When sulfur is refluxed in the heat treatment step, the mixed raw material may be heated so that part of the mixed raw material becomes gas and part becomes liquid. In other words, the temperature of the mixed raw material may be a temperature equal to or higher than the temperature at which sulfur is vaporized. Vaporization here refers to the phase change of sulfur from a liquid or solid to a gas, and may be any of boiling, evaporation, and sublimation.

熱処理工程は、硫黄変性PANを製造する場合と同様に、非酸化性雰囲気下で行うのが好ましい。   The heat treatment step is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere as in the case of producing sulfur-modified PAN.

ピッチ類および硫黄の形状、粒径等は特に問わない。熱処理工程においてピッチ類と硫黄とを液体状で接触させるため、例えばピッチ類の粒径が不均一であったり大きかったりする場合にも、ピッチ類と硫黄とが充分接触するためである。また、混合原料中のピッチ類と硫黄とは、均一に分散しているのが好ましいが、不均一であっても良い。混合原料は、ピッチ類および硫黄のみで構成しても良いし、正極活物質に配合可能な一般的な材料(導電助剤等)を配合しても良い。   The shape of the pitches and sulfur, the particle size, etc. are not particularly limited. This is because the pitches and sulfur are brought into contact with each other in a liquid state in the heat treatment step, so that the pitches and sulfur are in sufficient contact even when the pitches have a non-uniform or large particle size. The pitches and sulfur in the mixed raw material are preferably uniformly dispersed, but may be non-uniform. The mixed raw material may be composed only of pitches and sulfur, or may be blended with a general material (such as a conductive aid) that can be blended with the positive electrode active material.

熱処理工程における加熱時間は、加熱温度に応じて適宜設定すれば良く、特に限定しない。上述した好ましい温度で加熱する場合には、10分〜10時間程度加熱するのが好ましく、30分〜6時間加熱するのがより好ましい。   The heating time in the heat treatment step may be appropriately set according to the heating temperature, and is not particularly limited. When heating at the preferable temperature mentioned above, it is preferable to heat about 10 minutes-10 hours, and it is more preferable to heat for 30 minutes-6 hours.

混合原料中のピッチ類と硫黄との配合比にも好ましい範囲が存在する。ピッチ類に対する硫黄の配合量が過小であると、ピッチ類に充分量の硫黄を取り込めず、ピッチ類に対する硫黄の配合量が過大であると、硫黄変性ピッチ中に遊離の硫黄(単体硫黄)が多く残存して、非水電解質二次電池内の特に電解液を汚染するためである。混合原料中のピッチ類と硫黄との配合比は、質量比で1:0.5〜1:10であるのが好ましく、1:1〜1:7であるのがより好ましく、1:2〜1:5であるのが特に好ましい。   There is also a preferred range for the mixing ratio of pitches and sulfur in the mixed raw material. If the amount of sulfur added to the pitches is too small, a sufficient amount of sulfur cannot be taken into the pitches. If the amount of sulfur added to the pitches is too large, free sulfur (single sulfur) is contained in the sulfur-modified pitch. This is because a large amount remains to contaminate the electrolytic solution in the nonaqueous electrolyte secondary battery. The mixing ratio of pitches and sulfur in the mixed raw material is preferably 1: 0.5 to 1:10 by mass ratio, more preferably 1: 1 to 1: 7, and 1: 2 A ratio of 1: 5 is particularly preferred.

なお、ピッチ類に対する硫黄の配合量が過大である場合にも、熱処理工程においてピッチ類に充分な量の硫黄を取り込むことができる。このため、ピッチ類に対して硫黄を過大に配合する場合には、上述した硫黄変性PANの製造方法と同様に、熱処理工程後の被処理体に単体硫黄除去工程を施せば良い。   Even when the amount of sulfur added to pitches is excessive, a sufficient amount of sulfur can be taken into the pitches in the heat treatment step. For this reason, when adding sulfur excessively with respect to pitches, the single-piece | unit sulfur removal process should just be given to the to-be-processed body after a heat processing process similarly to the manufacturing method of the sulfur modified PAN mentioned above.

上記製造方法により得られる硫黄変性ピッチをラマンスペクトル分析すると、ラマンシフトの1557cm−1付近に主ピークが存在し、かつ、200cm−1〜1800cm−1の範囲内で1371cm−1、1049cm−1、994cm−1、842cm−1、612cm−1、412cm−1、354cm−1、314cm−1付近にそれぞれピークが存在する。なお、硫黄変性ピッチのラマンスペクトルは、前述した硫黄変性PANのラマンスペクトルとは異なる。When Raman spectroscopy of sulfur-modified pitch obtained by the above production method, there is a major peak in the vicinity of 1557cm -1 of Raman shift, and, 1371cm -1 in the range of 200cm -1 ~1800cm -1, 1049cm -1, 994cm -1, 842cm -1, 612cm -1 , 412cm -1, 354cm -1, the peak respectively is present in the vicinity of 314 cm -1. Note that the Raman spectrum of sulfur-modified pitch is different from the Raman spectrum of sulfur-modified PAN described above.

硫黄変性ピッチは、硫黄変性PANを第二硫黄系正極活物質としてさらに含むことが望ましい。この第二硫黄系正極活物質をさらに含むことで、非水電解質二次電池に用いた時にサイクル特性がさらに向上する。その理由は明らかではないが、PANと硫黄との結合力が大きいために硫黄が固定化されるためと考えられている。   It is desirable that the sulfur-modified pitch further includes sulfur-modified PAN as a second sulfur-based positive electrode active material. By further including this second sulfur-based positive electrode active material, the cycle characteristics are further improved when used in a non-aqueous electrolyte secondary battery. The reason is not clear, but it is considered that sulfur is immobilized because of the large binding force between PAN and sulfur.

この第二硫黄系正極活物質をさらに含む硫黄変性ピッチを製造するには、硫黄変性ピッチと第二硫黄系正極活物質(すなわち硫黄変性PAN)とを物理的に混合することもできる。しかし安定性が懸念される場合があるため、安定性を高めるためには、ピッチ類と、PAN粉末と、硫黄粉末とを含む原料を混合して混合原料とする混合工程と、この混合原料を加熱する熱処理工程と、を行うことが望ましい。PAN粉末としては、質量平均分子量が10000〜300000程度の範囲内にあるものが好ましい。また、PANの粒径については、電子顕微鏡によって観察した際に、0.5〜50μm程度の範囲内にあるものが好ましく、1〜10μm程度の範囲内にあるものがより好ましい。   In order to produce a sulfur-modified pitch further containing the second sulfur-based positive electrode active material, the sulfur-modified pitch and the second sulfur-based positive electrode active material (that is, sulfur-modified PAN) can be physically mixed. However, since stability may be a concern, in order to increase the stability, a mixing step of mixing raw materials containing pitches, PAN powder, and sulfur powder to form a mixed raw material, It is desirable to perform a heat treatment step of heating. As the PAN powder, those having a mass average molecular weight in the range of about 10,000 to 300,000 are preferable. Moreover, about the particle size of PAN, when it observes with an electron microscope, what is in the range of about 0.5-50 micrometers is preferable, and what is in the range of about 1-10 micrometers is more preferable.

硫黄変性ピッチを元素分析した結果、炭素、窒素、および硫黄が検出された。また、場合によっては、少量の酸素および水素が検出された。したがって、硫黄変性ピッチは、C、S以外に、窒素、酸素、硫黄化合物等の少なくとも一種を不純物として含有する。   As a result of elemental analysis of the sulfur-modified pitch, carbon, nitrogen, and sulfur were detected. In some cases, small amounts of oxygen and hydrogen were detected. Accordingly, the sulfur-modified pitch contains at least one of nitrogen, oxygen, sulfur compounds and the like as impurities in addition to C and S.

〔3〕硫黄変性ポリイソプレン
ポリイソプレンとしては、天然ゴムおよび合成ポリイソプレンの何れも用いることができるが、シス型のポリイソプレンは分子鎖が折れ曲がった構造をとって不規則な形を取りやすく、分子鎖と分子鎖の間に多くの隙間を生じ分子間力が比較的小さくなる為、分子同士の結晶化が起こらず軟らかな性質を持つようになるから、トランス型よりシス型が好ましい。
[3] Sulfur-modified polyisoprene As the polyisoprene, both natural rubber and synthetic polyisoprene can be used. However, cis-type polyisoprene tends to take an irregular shape with a structure in which molecular chains are bent, A cis type is preferable to a trans type because many gaps are generated between the molecular chains and the intermolecular force is relatively small, so that the molecules do not crystallize and have a soft property.

硫黄変性ポリイソプレンは、ポリイソプレンと硫黄粉末とを含む原料を混合して混合原料とする混合工程と、混合原料を加熱する熱処理工程と、を行うことで製造することができる。混合工程は、ポリイソプレンの乾燥物を粉砕し硫黄粉末と混合しても良いし、ポリイソプレンを溶媒に溶解した溶液と硫黄粉末を混合しても良いし、天然ゴムのようなラテックスあるいは生ゴムと硫黄粉末とを混合することもできる。混合手段は、ミキサー、各種ミルなどを用いることができる。   The sulfur-modified polyisoprene can be produced by performing a mixing step of mixing a raw material containing polyisoprene and sulfur powder to make a mixed raw material, and a heat treatment step of heating the mixed raw material. In the mixing step, the dried product of polyisoprene may be pulverized and mixed with sulfur powder, a solution obtained by dissolving polyisoprene in a solvent and sulfur powder may be mixed, and latex such as natural rubber or raw rubber may be mixed. It is also possible to mix with sulfur powder. A mixer, various mills, etc. can be used for a mixing means.

熱処理工程では、ポリイソプレンと硫黄とを反応させる。この反応は、一般には加硫と称されているが、ポリイソプレンの量に対して硫黄の量を過大として反応させ、硫黄を高濃度で含む正極活物質とすることが望ましい。この熱処理工程の温度は、ポリイソプレンの少なくとも一部と硫黄の少なくとも一部とが液体となる条件で行うことが望ましい。このようにすることで、ポリイソプレンと硫黄との接触面積を充分に大きくでき、硫黄を充分に含みかつ硫黄の脱離が抑制された硫黄変性ポリイソプレンを得ることができる。   In the heat treatment step, polyisoprene and sulfur are reacted. This reaction is generally referred to as vulcanization, but it is desirable to react with an excessive amount of sulfur relative to the amount of polyisoprene to obtain a positive electrode active material containing sulfur at a high concentration. The temperature of this heat treatment step is desirably performed under the condition that at least a part of polyisoprene and at least a part of sulfur are liquid. By doing so, it is possible to obtain a sulfur-modified polyisoprene in which the contact area between polyisoprene and sulfur can be sufficiently increased, sulfur is sufficiently contained and sulfur desorption is suppressed.

熱処理工程では、あまり高温にすると硫黄が気化するため反応系内の硫黄濃度が低くなる場合がある。そのような場合には、硫黄を還流しながら反応させることが望ましい。このようにすることで、硫黄を充分に含む硫黄変性ポリイソプレンを得やすくなる。熱処理工程において硫黄を還流する場合、ポリイソプレンの融点は約30℃と低いので、硫黄が気化する温度以上の温度であれば良い。   In the heat treatment process, if the temperature is too high, sulfur vaporizes, so the sulfur concentration in the reaction system may be lowered. In such a case, it is desirable to react while refluxing sulfur. By doing in this way, it becomes easy to obtain sulfur-modified polyisoprene that contains sulfur sufficiently. When sulfur is refluxed in the heat treatment step, since the melting point of polyisoprene is as low as about 30 ° C., the temperature may be higher than the temperature at which sulfur vaporizes.

なお、一般的なゴム材料の加硫は、100℃〜190℃の温度領域で行われる。120℃前後での加硫は低温加硫と呼ばれ、180℃辺りからは高温過加硫と呼ばれる。本発明で行う熱処理の温度は上述の温度領域より高く、加熱温度としては250℃〜500℃が好ましく、300℃〜450℃がより好ましい。また熱処理雰囲気は、上記したピッチ類の場合と同様に行うことができる。   Note that vulcanization of a general rubber material is performed in a temperature range of 100 ° C to 190 ° C. Vulcanization at around 120 ° C. is called low-temperature vulcanization, and from around 180 ° C. is called high-temperature over-vulcanization. The temperature of the heat treatment performed in the present invention is higher than the above temperature range, and the heating temperature is preferably 250 ° C to 500 ° C, more preferably 300 ° C to 450 ° C. The heat treatment atmosphere can be performed in the same manner as in the case of the pitches described above.

混合原料におけるポリイソプレンおよび硫黄の形状、粒径等は特に問わない。熱処理工程においてポリイソプレンと硫黄とが液体状で接触するのが好ましいため、ポリイソプレンや硫黄の粒径が不均一であったり大きかったりする場合にも、ポリイソプレンと硫黄とが液体状で接触する条件とすれば、ポリイソプレンと硫黄とが充分接触するためである。また、混合原料中のポリイソプレンと硫黄とは、均一に分散しているのが好ましいが、不均一であっても良い。   There are no particular limitations on the shape, particle size, etc. of polyisoprene and sulfur in the mixed raw material. Since it is preferable that polyisoprene and sulfur come into contact with each other in the heat treatment step, polyisoprene and sulfur come into contact with each other even when the particle size of polyisoprene or sulfur is uneven or large. This is because the polyisoprene and sulfur are sufficiently in contact with each other. The polyisoprene and sulfur in the mixed raw material are preferably uniformly dispersed, but may be non-uniform.

熱処理工程における混合原料の加熱時間は、加熱温度に応じて適宜設定すれば良く、特に限定しない。上述した好ましい温度で混合原料を加熱する場合には、1分〜10時間程度加熱するのが好ましく、5分〜60分加熱するのがより好ましい。一般的なゴム材料の加硫の時間は、加熱温度にもよるが数分〜数十分で行われる。1時間を超えるような加硫時間は、過加硫と呼ばれ、ゴムとしての性能は下がるとされている。本発明に用いられる硫黄変性ポリイソプレンにはゴム材料に求められるような柔軟性は必要なく、加熱処理の時間は、過加硫と呼ばれる時間より長くしても問題はない。   What is necessary is just to set suitably the heating time of the mixed raw material in a heat processing process according to heating temperature, and it does not specifically limit it. When the mixed raw material is heated at the above-mentioned preferable temperature, it is preferably heated for about 1 minute to 10 hours, more preferably 5 minutes to 60 minutes. The vulcanization time for a general rubber material is several minutes to several tens of minutes depending on the heating temperature. Vulcanization time exceeding 1 hour is called over-vulcanization, and it is said that the performance as a rubber is lowered. The sulfur-modified polyisoprene used in the present invention does not need the flexibility required for rubber materials, and there is no problem even if the heat treatment time is longer than the time called overvulcanization.

上記製造方法において、混合原料中のポリイソプレンと硫黄との配合比にも好ましい範囲が存在する。ポリイソプレンに対する硫黄の配合量が過小であるとポリイソプレンに充分量の硫黄を取り込めず、ポリイソプレンに対する硫黄の配合量が過大であると、硫黄変性ポリイソプレン中に遊離の硫黄(単体硫黄)が多く残存して、非水電解質二次電池内の特に電解液を汚染するためである。混合原料中のポリイソプレンと硫黄との配合比は、質量比でポリイソプレン:硫黄が1:0.5〜1:10であるのが好ましく、1:1〜1:7であるのがより好ましく、1:2〜1:5であるのが特に好ましい。   In the above production method, there is a preferable range for the blending ratio of polyisoprene and sulfur in the mixed raw material. If the amount of sulfur in the polyisoprene is too small, sufficient amount of sulfur cannot be taken into the polyisoprene, and if the amount of sulfur in the polyisoprene is excessive, free sulfur (single sulfur) is contained in the sulfur-modified polyisoprene. This is because a large amount remains to contaminate the electrolytic solution in the nonaqueous electrolyte secondary battery. The blending ratio of polyisoprene and sulfur in the mixed raw material is preferably 1: 0.5 to 1:10, and more preferably 1: 1 to 1: 7, in terms of mass ratio. 1 to 2: 5 is particularly preferred.

なお、天然ゴムを主原料とする一般的なゴムの加硫処理は、ゴムに硫黄を加える割合を変えて、ゴムの伸び縮みを変化させる。鎖状構造の生ゴムに硫黄を約3〜6%加えて加熱処理することで弾性ゴム(例えば輪ゴム)が生成し、硫黄が約30〜40%の場合には、硬質ゴム(エボナイト、使用例:電球ソケット、万年筆)となる。通常ゴムの加硫は140℃程度の温度で行われるが、上記製造方法では250〜500℃の高温で行うため、−C=C−二重結合へのSの付加反応と、構造中の−CHなどから水素を引き抜いて硫化水素ガスが発生し、抜いた水素の代わりにSが付加する反応とが生じ、Sの含有量(含硫率)の高い物質が得られる。In addition, the general rubber vulcanization treatment using natural rubber as a main raw material changes the ratio of adding sulfur to the rubber to change the expansion and contraction of the rubber. An elastic rubber (for example, a rubber band) is produced by adding about 3 to 6% of sulfur to a chain-structured raw rubber and heat-treating it. When sulfur is about 30 to 40%, hard rubber (ebonite, use example: Light bulb socket, fountain pen). Usually, vulcanization of rubber is performed at a temperature of about 140 ° C., but in the above production method, it is performed at a high temperature of 250 to 500 ° C. Hydrogen sulfide gas is generated by extracting hydrogen from CH 2 and the like, and a reaction in which S is added instead of the extracted hydrogen occurs, and a substance having a high S content (sulfur content) is obtained.

ポリイソプレンに対する硫黄の配合量を過大とすれば、熱処理工程においてポリイソプレンに充分な量の硫黄を容易に取り込むことができる。そしてポリイソプレンに対して硫黄を必要以上の量で配合したとしても、熱処理工程後の被処理体から過剰の単体硫黄を除去する単体硫黄除去工程を行うことで、上述した単体硫黄による悪影響を抑制できる。詳しくは、混合原料中のポリイソプレンと硫黄との配合比を、質量比で1:2〜1:10とする場合、熱処理工程後の被処理体を、減圧しつつ200℃〜250℃で加熱する(単体硫黄除去工程)ことで、ポリイソプレンに充分な量の硫黄を取り込みつつ、残存する単体硫黄による悪影響を抑制できる。熱処理工程後の被処理体に単体硫黄除去工程を施さない場合には、この被処理体をそのまま硫黄変性ポリイソプレンとして用いれば良い。また、熱処理工程後の被処理体に単体硫黄除去工程を施す場合には、単体硫黄除去工程後の被処理体を硫黄変性ポリイソプレンとして用いれば良い。   If the blending amount of sulfur with respect to polyisoprene is excessive, a sufficient amount of sulfur can be easily taken into the polyisoprene in the heat treatment step. And even if the amount of sulfur added to polyisoprene is more than necessary, the above-mentioned adverse effects due to the elemental sulfur are suppressed by performing the elemental sulfur removal step for removing excess elemental sulfur from the object to be treated after the heat treatment step. it can. Specifically, when the blending ratio of polyisoprene and sulfur in the mixed raw material is 1: 2 to 1:10 by mass ratio, the workpiece after the heat treatment step is heated at 200 ° C. to 250 ° C. while reducing the pressure. By performing (single sulfur removal step), it is possible to suppress an adverse effect caused by the remaining simple sulfur while incorporating a sufficient amount of sulfur into the polyisoprene. When the single sulfur removal step is not performed on the target object after the heat treatment step, the target object may be used as it is as the sulfur-modified polyisoprene. Moreover, what is necessary is just to use the to-be-processed body after a simple sulfur removal process as sulfur modified polyisoprene, when performing the simple substance sulfur removal process to the to-be-processed body after a heat treatment process.

上記製造方法によると、正極活物質の材料としてコバルト等のレアメタルを配合するかわりにポリイソプレンと硫黄とが反応してなる物質を配合したことで、非水電解質二次電池の正極活物質を比較的容易に調達可能であるから、安価に製造できる。   According to the above manufacturing method, instead of blending rare metals such as cobalt as a material for the positive electrode active material, a material obtained by reacting polyisoprene and sulfur is compared, so that the positive electrode active material of the nonaqueous electrolyte secondary battery is compared. Since it can be procured easily, it can be manufactured at low cost.

また、天然ゴムは完全には精製されていない材料であり、非常に安価である。このため、上記製造方法によると、例えばPAN等の炭素材料を用いる場合に比べても、安価に製造できる。一般的に天然ゴムには非ゴム成分として、タンパク質、脂肪酸、炭水化物、灰分などが合わせて6〜7%程度含まれるが、このような材料を用いた場合でも硫黄系正極活物質として機能する硫黄変性ポリイソプレンを得ることができる。   Natural rubber is a material that has not been completely refined and is very inexpensive. For this reason, according to the said manufacturing method, it can manufacture cheaply compared with the case where carbon materials, such as PAN, are used, for example. Generally, natural rubber contains about 6-7% of non-rubber components such as proteins, fatty acids, carbohydrates, and ash. Even when such materials are used, sulfur functions as a sulfur-based positive electrode active material. Modified polyisoprene can be obtained.

また、ポリイソプレンは加熱することで容易に液体状にできる。このため、ポリイソプレンと硫黄とは熱処理工程において充分に接触し、ポリイソプレンや硫黄の粒径等を特に考慮する必要はない。   Also, polyisoprene can be easily converted into a liquid state by heating. For this reason, polyisoprene and sulfur are sufficiently brought into contact in the heat treatment step, and there is no need to particularly consider the particle size of polyisoprene or sulfur.

硫黄変性ポリイソプレンは、例えば、化1式で示されるようなエボナイトに類似した構造であると考えられるが、その構造は明らかではない。しかし、ポリイソプレン由来の炭素骨格を有し、FT−IRスペクトルにおいて、1452cm−1付近と、1336cm−1付近と、1147cm−1付近と、1067cm−1付近と、1039cm−1付近と、938cm−1付近と、895cm−1付近と、840cm−1付近と、810cm−1付近と、584cm−1付近と、にそれぞれ主なピークが存在する。The sulfur-modified polyisoprene is considered to have a structure similar to ebonite, for example, as represented by the chemical formula 1, but the structure is not clear. However, having a carbon skeleton derived from polyisoprene, in FT-IR spectrum, a near 1452cm -1, and around 1336cm -1, and around 1147cm -1, and around 1067cm -1, and around 1039cm -1, 938cm - and near 1, and around 895cm -1, and around 840 cm -1, and around 810 cm -1, and around 584cm -1, respectively main peak is present.

Figure 2012132173
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一方、ポリイソプレンは、FT−IRスペクトルにおいて、3279cm−1付近と、3034cm−1付近と、2996cm−1付近と、2931cm−1付近と、2864cm−1付近と、2728cm−1付近と、1653cm−1付近と、1463cm−1付近と、1378cm−1付近と、834cm−1付近と、579cm−1付近と、にそれぞれ主なピークが存在する。On the other hand, polyisoprene, in FT-IR spectrum, a near 3279cm -1, and around 3034cm -1, and around 2996cm -1, and around 2931cm -1, and around 2864cm -1, and around 2728cm -1, 1653cm - and near 1, and around 1463cm -1, and around 1378 cm -1, and around 834cm -1, and around 579cm -1, respectively main peak is present.

また、ポリイソプレンを400℃で熱処理して得た物質は、FT−IRスペクトルにおいて、2962cm−1付近と、2872cm−1付近と、2723cm−1付近と、1701cm−1付近と、1458cm−1付近と、1377cm−1付近と、968cm−1付近と、885cm−1付近と、816cm−1付近と、にそれぞれ主なピークが存在する。Moreover, the substance obtained by heat-treating polyisoprene at 400 ° C. has a FT-IR spectrum of about 2962 cm −1 , about 2872 cm −1 , about 2723 cm −1 , about 1701 cm −1 , and about 1458 cm −1. When the vicinity of 1377 cm -1, and around 968cm -1, and around 885cm -1, and around 816cm -1, respectively main peak is present.

さらに、含硫率約30%の一般的なエボナイトはFT−IRスペクトルにおいて、2928cm−1付近と、2858cm−1付近と、1735cm−1付近と、1643cm−1付近と、1599cm−1付近と、1518cm−1付近と、1499cm−1付近と、1462cm−1付近と、1454cm−1付近と、1447cm−1付近と、1375cm−1付近と、1310cm−1付近と、1277cm−1付近と、1254cm−1付近と、1194cm−1付近と、1115cm−1付近と、1088cm−1付近と、1031cm−1付近と、953cm−1付近と、835cm−1付近と、739cm−1付近と、696cm−1付近と、654cm−1付近と、592cm−1付近と、にそれぞれ主なピークが存在する。Further, general ebonite having a sulfur content of about 30% has an FT-IR spectrum of 2928 cm −1 , 2858 cm −1 , 1735 cm −1 , 1643 cm −1 , 1599 cm −1 , 1518cm and around -1, and around 1499Cm -1, and around 1462Cm -1, and around 1454Cm -1, and around 1447Cm -1, and around 1375 cm -1, and around 1310Cm -1, and around 1277cm -1, 1254cm - 1 neighborhood, 1194 cm -1 neighborhood, 1115 cm -1 neighborhood, 1088 cm -1 neighborhood, 1031 cm -1 neighborhood, 953 cm -1 neighborhood, 835 cm -1 neighborhood, 739 cm -1 neighborhood, 696 cm -1 neighborhood and, each main and around 654cm -1, and around 592cm -1, to There is a peak.

FT−IRスペクトルにおいて、1300〜650cm−1の領域は指紋領域と呼ばれており、この領域には細かいピークが多数みられ、そのパターンは物質に固有のものとなる。したがって、この領域の吸収を既知試料やスペクトルデータベースと照合することで、その物質が何かを同定することが可能である。硫黄変性ポリイソプレンと、ポリイソプレンおよびポリイソプレンを400℃で熱処理して得た物質およびエボナイトのFT−IRスペクトルは全く異なっており、特に上述の指紋領域のスペクトルなどから本発明の硫黄変性ポリイソプレンを同定することが可能である。特に、1067cm−1付近と、895cm−1付近のピークは、硫黄変性ポリイソプレンにのみ認められるもので、FT−IRスペクトルで同定することが可能である。In the FT-IR spectrum, a region of 1300 to 650 cm −1 is called a fingerprint region, and many fine peaks are observed in this region, and the pattern is unique to the substance. Therefore, it is possible to identify what the substance is by comparing the absorption in this region with known samples and spectral databases. The FT-IR spectrum of sulfur-modified polyisoprene, the material obtained by heat-treating polyisoprene and polyisoprene at 400 ° C., and ebonite are completely different from each other. Can be identified. In particular, peaks near 1067 cm −1 and 895 cm −1 are only found in sulfur-modified polyisoprene and can be identified by FT-IR spectrum.

硫黄変性ポリイソプレンを元素分析すると、硫黄(S)と炭素(C)とが大部分を占め、少量の酸素および水素が検出される。硫黄(S)と炭素(C)の組成比は、原子比(S/C)で1/5以上の範囲で含まれていることが望ましい。この範囲より硫黄が少ないと、非水電解質二次電池用正極に用いた時に充放電特性が低下する場合がある。   When elemental analysis of sulfur-modified polyisoprene is performed, sulfur (S) and carbon (C) are mostly occupied, and small amounts of oxygen and hydrogen are detected. It is desirable that the composition ratio of sulfur (S) and carbon (C) is included in the range of 1/5 or more in terms of atomic ratio (S / C). If the amount of sulfur is less than this range, the charge / discharge characteristics may be degraded when used in a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery.

硫黄変性ポリイソプレンは、前述したピッチ類を用いた場合と同様に、第二硫黄系正極活物質(硫黄変性PAN)をさらに含むことが望ましい。その混合量、製造方法などは、硫黄変性ピッチの場合と同様である。   It is desirable that the sulfur-modified polyisoprene further contains a second sulfur-based positive electrode active material (sulfur-modified PAN) as in the case where the pitches described above are used. The mixing amount, production method, and the like are the same as in the case of sulfur-modified pitch.

混合原料中のポリイソプレンとPANとの合計量と、硫黄との配合比は、質量比で1:0.5〜1:10とすることができる。ポリイソプレンとPANとの合計量に対する硫黄の配合量が過小であるとポリイソプレンおよびPANに充分量の硫黄を取り込めず、ポリイソプレンとPANとの合計量に対する硫黄の配合量が過大であると、硫黄変性ポリイソプレン中に遊離の硫黄(単体硫黄)が多く残存して、非水電解質二次電池内の特に電解液を汚染するためである。混合原料中のポリイソプレンとPANとの合計量に対する硫黄の配合比は、質量比で1:0.5〜1:10であるのが好ましく、1:1〜1:7であるのがより好ましく、1:2〜1:5であるのが特に好ましい。   The compounding ratio of the total amount of polyisoprene and PAN in the mixed raw material and sulfur can be 1: 0.5 to 1:10 by mass ratio. When the blending amount of sulfur with respect to the total amount of polyisoprene and PAN is too small, a sufficient amount of sulfur cannot be taken into polyisoprene and PAN, and when the blending amount of sulfur with respect to the total amount of polyisoprene and PAN is excessive, This is because a large amount of free sulfur (elemental sulfur) remains in the sulfur-modified polyisoprene and contaminates the electrolyte in the non-aqueous electrolyte secondary battery. The mixing ratio of sulfur with respect to the total amount of polyisoprene and PAN in the mixed raw material is preferably 1: 0.5 to 1:10, more preferably 1: 1 to 1: 7 in terms of mass ratio. 1 to 2: 5 is particularly preferred.

混合原料中にさらにPAN粉末を含む場合の熱処理工程は、前述した硫黄変性PANの製造方法と同様に行うことができる。   The heat treatment step in the case of further containing PAN powder in the mixed raw material can be performed in the same manner as the above-described method for producing sulfur-modified PAN.

第2硫黄系正極活物質の混合量は特に限定的ではないが、コストの観点からは、正極活物質全体に0〜80質量%程度とすることが好ましく、5〜60質量%程度とすることがより好ましく、10〜40質量%程度とすることが更に好ましい。   The mixing amount of the second sulfur-based positive electrode active material is not particularly limited, but from the viewpoint of cost, it is preferably about 0 to 80% by mass, and about 5 to 60% by mass with respect to the entire positive electrode active material. Is more preferable, and it is still more preferable to set it as about 10-40 mass%.

〔4〕硫黄変性PAH
硫黄変性PAHは、3環以上の六員環が縮合してなる多環芳香族炭化水素(Polycyclic aromatic hydrocarbon、PAH)の少なくとも一種に由来する炭素骨格を持つ。PAHは、ヘテロ原子や置換基を含まない芳香環が縮合した炭化水素の総称であり、四員環、五員環、六員環、そして七員環からなるものがあるが、このうち、本発明では、ベンゼン環の構造である六員環が直鎖に3環以上連なった構造をもつアセン類、および、3環以上の六員環が直鎖でなく折れ曲がった構造をもつ化合物などのうち少なくとも一種と硫黄とを用いることが好ましい。
[4] Sulfur modified PAH
Sulfur-modified PAH has a carbon skeleton derived from at least one polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) formed by condensation of three or more six-membered rings. PAH is a general term for hydrocarbons condensed with aromatic rings that do not contain heteroatoms or substituents. There are four-membered rings, five-membered rings, six-membered rings, and seven-membered rings. In the invention, among the acenes having a structure in which three or more six-membered rings that are benzene rings are connected in a straight chain, and compounds having a structure in which three or more six-membered rings are not straight but bent, etc. It is preferable to use at least one kind and sulfur.

複数の芳香環が辺を共有しながら直鎖状に連なった多環芳香族炭化水素であるアセン類としては、2環のナフタレン、3環のアントラセン、4環のテトラセン、5環のペンタセン、6環のヘキサセン、7環のヘプタセン、8環のオクタセン、9環のノナセン、および10環以上の芳香環が連なったものがあり、これらの群から選ばれる少なくとも一種を用いることができる。中でも安定性が高い3環〜6環のものが望ましい。   Examples of acenes that are polycyclic aromatic hydrocarbons in which a plurality of aromatic rings share a side and are connected in a straight chain include bicyclic naphthalene, tricyclic anthracene, tetracyclic tetracene, pentacyclic pentacene, 6 There are ring hexacene, 7 ring heptacene, 8 ring octacene, 9 ring nonacene, and 10 or more aromatic rings linked together, and at least one selected from these groups can be used. Among them, those having 3 to 6 rings having high stability are desirable.

また、3環以上の六員環が直鎖でなく折れ曲がった構造をもつ多環芳香族炭化水素としては、フェナントレン、ベンゾピレン、クリセン、ピレン、ピセン、ペリレン、トリフェニレン、コロネン、およびこれらより多くの環以上の芳香環が連なったものがあり、これらの群から選ばれる少なくとも一種を用いることができる。   Polycyclic aromatic hydrocarbons having a structure in which three or more six-membered rings are not straight but bent include phenanthrene, benzopyrene, chrysene, pyrene, picene, perylene, triphenylene, coronene, and more rings. There are those in which the above aromatic rings are linked, and at least one selected from these groups can be used.

硫黄変性PAHは、硫黄変性ピッチまたは硫黄変性ポリイソプレンと同様の方法により製造できる。   Sulfur-modified PAH can be produced by the same method as sulfur-modified pitch or sulfur-modified polyisoprene.

熱処理工程では、多環芳香族炭化水素と硫黄とを反応させる。この反応は、多環芳香族炭化水素の量に対して硫黄の量を過大として反応させ、硫黄を高濃度で含む正極活物質とすることが望ましい。この熱処理工程の温度は、多環芳香族炭化水素の少なくとも一部と硫黄の少なくとも一部とが液体となる条件で行うことが望ましい。このようにすることで、多環芳香族炭化水素と硫黄との接触面積を充分に大きくでき、硫黄を充分に含みかつ硫黄の脱離が抑制された硫黄変性PAHを得ることができる。   In the heat treatment step, the polycyclic aromatic hydrocarbon and sulfur are reacted. In this reaction, it is desirable to react with the amount of sulfur being excessive with respect to the amount of polycyclic aromatic hydrocarbons to obtain a positive electrode active material containing sulfur at a high concentration. It is desirable that the temperature of the heat treatment step be such that at least a part of the polycyclic aromatic hydrocarbon and at least a part of sulfur are liquid. By doing so, it is possible to obtain a sulfur-modified PAH in which the contact area between the polycyclic aromatic hydrocarbon and sulfur can be sufficiently increased, sulfur is sufficiently contained, and sulfur desorption is suppressed.

混合原料中の多環芳香族炭化水素と硫黄との配合比にも好ましい範囲が存在する。多環芳香族炭化水素に対する硫黄の配合量が過小であると多環芳香族炭化水素に充分量の硫黄を取り込めず、多環芳香族炭化水素に対する硫黄の配合量が過大であると、硫黄変性PAH中に遊離の硫黄(単体硫黄)が多く残存して、非水電解質二次電池内の特に電解液を汚染するためである。混合原料中の多環芳香族炭化水素と硫黄との配合比は、質量比で多環芳香族炭化水素:硫黄が1:0.5〜1:10であるのが好ましく、1:1〜1:7であるのがより好ましく、1:2〜1:5であるのが特に好ましい。   There is a preferable range for the blending ratio of the polycyclic aromatic hydrocarbon and sulfur in the mixed raw material. If the amount of sulfur in the polycyclic aromatic hydrocarbon is too small, a sufficient amount of sulfur cannot be taken into the polycyclic aromatic hydrocarbon, and if the amount of sulfur in the polycyclic aromatic hydrocarbon is excessive, sulfur modification This is because a large amount of free sulfur (single sulfur) remains in the PAH and contaminates the electrolyte solution in the non-aqueous electrolyte secondary battery. The blending ratio of the polycyclic aromatic hydrocarbon and sulfur in the mixed raw material is preferably 1: 0.5 to 1:10 of polycyclic aromatic hydrocarbon: sulfur in a mass ratio, and 1: 1 to 1 : 7 is more preferable, and 1: 2 to 1: 5 is particularly preferable.

なお、多環芳香族炭化水素に対する硫黄の配合量を過大とすれば、熱処理工程において多環芳香族炭化水素に充分な量の硫黄を容易に取り込むことができる。そして多環芳香族炭化水素に対して硫黄を必要以上の量で配合したとしても、熱処理工程後の被処理体から過剰の単体硫黄を除去する単体硫黄除去工程を行うことで、上述した単体硫黄による悪影響を抑制できる。詳しくは、混合原料中の多環芳香族炭化水素と硫黄との配合比を、質量比で1:2〜1:10とする場合、熱処理工程後の被処理体を、減圧しつつ200℃〜250℃で加熱する(単体硫黄除去工程)ことで、多環芳香族炭化水素に充分な量の硫黄を取り込みつつ、残存する単体硫黄による悪影響を抑制できる。熱処理工程後の被処理体に単体硫黄除去工程を施さない場合には、この被処理体をそのまま硫黄変性PAHとして用いれば良い。また、熱処理工程後の被処理体に単体硫黄除去工程を施す場合には、単体硫黄除去工程後の被処理体を硫黄変性PAHとして用いれば良い。   If the amount of sulfur added to the polycyclic aromatic hydrocarbon is excessive, a sufficient amount of sulfur can be easily taken into the polycyclic aromatic hydrocarbon in the heat treatment step. And even if it mix | blends sulfur more than necessary with respect to polycyclic aromatic hydrocarbon, by performing the simple substance sulfur removal process which removes excess simple sulfur from the to-be-processed object after a heat treatment process, the simple substance sulfur mentioned above The adverse effect by can be suppressed. Specifically, when the mixing ratio of the polycyclic aromatic hydrocarbon and sulfur in the mixed raw material is 1: 2 to 1:10 by mass ratio, the object to be treated after the heat treatment step is 200 ° C. to By heating at 250 ° C. (single sulfur removal step), a sufficient amount of sulfur can be taken into the polycyclic aromatic hydrocarbon, and adverse effects due to the remaining simple sulfur can be suppressed. When the single sulfur removal step is not performed on the target object after the heat treatment step, this target object may be used as it is as the sulfur-modified PAH. Moreover, what is necessary is just to use the to-be-processed body after a simple sulfur removal process as sulfur modified PAH, when performing the simple substance sulfur removal process to the to-be-processed body after a heat treatment process.

硫黄変性PAHは、例えば、出発物質である多環芳香族炭化水素としてペンタセンを選択した場合には、化2式で示されるようなヘキサチアペンタセン類似の構造となっていると考えられるが、その構造は明らかではない。また、多環芳香族炭化水素としてアントラセンを用いた硫黄正極活物質は、FT−IRスペクトルにおいて、1056cm−1付近と、840cm−1付近と、にそれぞれピークが存在し、アントラセンのFT−IRスペクトルとは全く異なっているので、FT−IRスペクトルで同定することが可能である。For example, when pentacene is selected as the polycyclic aromatic hydrocarbon that is the starting material, the sulfur-modified PAH is considered to have a structure similar to hexathiapentacene as shown in Chemical Formula 2, The structure is not clear. In addition, the sulfur positive electrode active material using anthracene as the polycyclic aromatic hydrocarbon has peaks in the vicinity of 1056 cm −1 and 840 cm −1 in the FT-IR spectrum, and the FT-IR spectrum of anthracene. Since it is completely different from FT, it can be identified by FT-IR spectrum.

Figure 2012132173
Figure 2012132173

硫黄変性PAHを元素分析すると、硫黄(S)と炭素(C)とが大部分を占め、少量の酸素および水素が検出される。硫黄(S)と炭素(C)の組成比は、原子比(S/C)で1/5以上の範囲で含まれていることが望ましい。この範囲より硫黄が少ないと、非水電解質二次電池用正極に用いた時に充放電特性が低下する場合がある。   When elemental analysis of sulfur-modified PAH is performed, sulfur (S) and carbon (C) occupy most, and small amounts of oxygen and hydrogen are detected. It is desirable that the composition ratio of sulfur (S) and carbon (C) is included in the range of 1/5 or more in terms of atomic ratio (S / C). If the amount of sulfur is less than this range, the charge / discharge characteristics may be degraded when used in a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery.

硫黄変性PAHは、前述したポリイソプレンを用いた場合と同様に、第二硫黄系正極活物質(硫黄変性PAN)をさらに含むことが望ましい。その混合量、製造方法などは、硫黄変性ポリイソプレンの場合と同様である。   It is desirable that the sulfur-modified PAH further contains a second sulfur-based positive electrode active material (sulfur-modified PAN) as in the case of using the polyisoprene described above. The mixing amount, production method, and the like are the same as in the case of sulfur-modified polyisoprene.

(非水電解質二次電池用正極)
本発明の非水電解質二次電池における正極は、正極活物質として上述した硫黄系正極活物質を含有する。正極は、正極活物質以外は、一般的な非水電解質二次電池用正極と同様の構造にできる。例えば、硫黄変性PAN、導電助剤、バインダ、および溶媒を混合した正極材料を、集電体に塗布することによって正極を製作できる。或いは、硫黄粉末およびPAN粉末を混合した混合原料を、正極用集電体に充填した後に加熱する(熱処理工程を施す)こともできる。この方法によれば、PANと硫黄とを反応させ硫黄変性PANを得ると同時に、バインダを用いることなく、硫黄変性PANと集電体とを一体化させることができる。バインダを用いなければ、正極質量あたり正極活物質の量を増大させることができ、正極質量当たりの容量を向上させることができる。硫黄変性ピッチ、硫黄変性ポリイソプレン、硫黄変性PAH等に関しても同様である。
(Positive electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery)
The positive electrode in the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention contains the sulfur-based positive electrode active material described above as the positive electrode active material. The positive electrode can have the same structure as that of a general positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery except for the positive electrode active material. For example, a positive electrode can be manufactured by applying a positive electrode material mixed with sulfur-modified PAN, a conductive additive, a binder, and a solvent to a current collector. Alternatively, the mixed raw material in which the sulfur powder and the PAN powder are mixed can be heated (a heat treatment step is performed) after filling the positive electrode current collector. According to this method, PAN and sulfur are reacted to obtain sulfur-modified PAN, and at the same time, sulfur-modified PAN and the current collector can be integrated without using a binder. If no binder is used, the amount of the positive electrode active material per positive electrode mass can be increased, and the capacity per positive electrode mass can be improved. The same applies to sulfur-modified pitch, sulfur-modified polyisoprene, sulfur-modified PAH and the like.

導電助剤としては、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber:VGCF)、炭素粉末、カーボンブラック(CB)、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、黒鉛、アルミニウムやチタンなどの正極電位において安定な金属の微粉末等が例示される。   Examples of the conductive assistant include vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon powder, carbon black (CB), acetylene black (AB), ketjen black (KB), graphite, positive electrodes such as aluminum and titanium. Examples thereof include fine metal powders stable in potential.

バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidene DiFluoride:PVDF)、ポリ四フッ化エチレン(PTFE)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリ塩化ビニル(PVC)、メタクリル樹脂(PMA)、ポリアクリロニトリル(PAN)、変性ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等が例示される。   As the binder, polyvinylidene difluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), carboxymethylcellulose (CMC), polychlorinated Examples include vinyl (PVC), methacrylic resin (PMA), polyacrylonitrile (PAN), modified polyphenylene oxide (PPO), polyethylene oxide (PEO), polyethylene (PE), and polypropylene (PP).

溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアルデヒド、アルコール、水等が例示される。これら導電助剤、バインダおよび溶媒は、それぞれ複数種を混合して用いても良い。これらの材料の配合量は特に問わないが、例えば、硫黄変性PAN100質量部に対して、導電助剤20〜100質量部程度、バインダ10〜20質量部程度を配合するのが好ましい。また、その他の方法として、上記の硫黄系正極活物質と上述した導電助剤およびバインダとの混合物を乳鉢やプレス機などで混練しかつフィルム状にし、フィルム状の混合物をプレス機等で集電体に圧着することで、非水電解質二次電池用正極を製造することもできる。   Examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformaldehyde, alcohol, water and the like. These conductive assistants, binders and solvents may be used as a mixture of plural kinds. The blending amount of these materials is not particularly limited. For example, it is preferable to blend about 20 to 100 parts by mass of the conductive additive and about 10 to 20 parts by mass of the binder with respect to 100 parts by mass of the sulfur-modified PAN. As another method, a mixture of the above-described sulfur-based positive electrode active material, the above-described conductive additive and binder is kneaded with a mortar or a press to form a film, and the film-like mixture is collected with a press or the like. A positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery can also be produced by pressure bonding to the body.

集電体としては、非水電解質二次電池用正極に一般に用いられるものを使用すれば良い。例えば集電体としては、アルミニウム箔、アルミニウムメッシュ、パンチングアルミニウムシート、アルミニウムエキスパンドシート、ステンレススチール箔、ステンレススチールメッシュ、パンチングステンレススチールシート、ステンレススチールエキスパンドシート、発泡ニッケル、ニッケル不織布、銅箔、銅メッシュ、パンチング銅シート、銅エキスパンドシート、チタン箔、チタンメッシュ、カーボンペーパー(不織布/織布)等が例示される。このうち黒鉛化度の高いカーボンからなるカーボンペーパー集電体は、水素を含まず、硫黄との反応性が低いために、硫黄系正極活物質用の集電体として好適である。黒鉛化度の高い炭素繊維の原料としては、カーボン繊維の材料となる各種のピッチ(すなわち、石油、石炭、コールタールなどの副生成物)やPAN繊維等を用いることができる。   What is necessary is just to use what is generally used for the positive electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries as a collector. For example, current collectors include aluminum foil, aluminum mesh, punched aluminum sheet, aluminum expanded sheet, stainless steel foil, stainless steel mesh, punched stainless steel sheet, stainless steel expanded sheet, foamed nickel, nickel nonwoven fabric, copper foil, copper mesh Punching copper sheet, copper expanded sheet, titanium foil, titanium mesh, carbon paper (nonwoven fabric / woven fabric) and the like are exemplified. Among these, a carbon paper current collector made of carbon having a high degree of graphitization does not contain hydrogen and has low reactivity with sulfur, and thus is suitable as a current collector for a sulfur-based positive electrode active material. As a raw material for carbon fiber having a high degree of graphitization, various pitches (that is, by-products such as petroleum, coal, coal tar, etc.), PAN fibers, etc., which are carbon fiber materials can be used.

本発明の非水電解質二次電池は、正極に伝導材を含むのが好ましい。伝導材とは、自身が高い電気伝導性を示すか、あるいは、正極のイオン伝導性を大きく向上させ得る材料を指す。正極に伝導材を含むことで、正極全体の電気伝導度および/またはイオン伝導性を向上させることができ、非水電解質二次電池の放電レート特性を向上させ得る。伝導材の材料(伝導材材料)としては、硫化物の状態で上記の機能を示すものを用いるのが好ましい。硫黄系正極活物質の原料たる硫黄によって硫化されても、伝導材の機能を損なわないためである。   The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention preferably contains a conductive material in the positive electrode. The conductive material refers to a material that exhibits high electrical conductivity or that can greatly improve the ionic conductivity of the positive electrode. By including a conductive material in the positive electrode, the electrical conductivity and / or ionic conductivity of the entire positive electrode can be improved, and the discharge rate characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be improved. As the material for the conductive material (conductive material), it is preferable to use a material that exhibits the above function in the state of sulfide. This is because the function of the conductive material is not impaired even if it is sulfided by sulfur as a raw material of the sulfur-based positive electrode active material.

伝導材材料としては、第4周期金属、第5周期金属、第6周期金属および希土類元素からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属、またはその硫化物を用いることができる。なお、本明細書でいう第4周期金属、第5周期金属および第6周期金属とは、周期律表によるものである。例えば第4周期金属とは、周期律表における第4周期元素に含まれる金属を指す。伝導材材料としては、硫化物の状態で自身が高い電気伝導性を示すか、あるいは、正極のイオン伝導性を大きく向上させ得るものが好ましく、例えば、Ti、Fe、La、Ce、Pr、Nd、Sm、V、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ta、W、Pbからなる群から選ばれる少なくとも一種、またはその硫化物であるのが好ましい。なお伝導材は、正極中においては、上記金属とその硫化物との両方からなるか、或いは、上記金属の硫化物のみからなる。これらの伝導材材料は硫化物を多く含むのが好ましく、硫化物のみからなるのがより好ましい。上記金属を硫化物の状態で正極に配合することで、伝導材と硫黄系正極活物質とがなじみ易くなり、伝導材と正極活物質とが略均一に分散するためである。また、伝導材材料として硫化物を用いることで、伝導材における上記金属と硫黄との比率を所望する範囲に容易に制御できる利点もある。   As the conductive material, at least one metal selected from the group consisting of a fourth periodic metal, a fifth periodic metal, a sixth periodic metal, and a rare earth element, or a sulfide thereof can be used. In addition, the 4th periodic metal, the 5th periodic metal, and the 6th periodic metal as used in this specification are based on a periodic table. For example, the fourth periodic metal refers to a metal included in the fourth periodic element in the periodic table. The conductive material is preferably one that exhibits high electrical conductivity in the state of sulfide or that can greatly improve the ionic conductivity of the positive electrode. For example, Ti, Fe, La, Ce, Pr, Nd Sm, V, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Ta, W, Pb, or a sulfide thereof is preferable. . In the positive electrode, the conductive material consists of both the metal and its sulfide, or consists only of the metal sulfide. These conductive material materials preferably contain a large amount of sulfide, and more preferably consist only of sulfide. This is because the conductive material and the sulfur-based positive electrode active material are easily blended by blending the metal into the positive electrode in the form of sulfide, and the conductive material and the positive electrode active material are dispersed substantially uniformly. Further, by using sulfide as the conductive material, there is an advantage that the ratio of the metal and sulfur in the conductive material can be easily controlled within a desired range.

詳しくは、電気伝導度および/またはイオン伝導性(より具体的には、リチウムイオン伝導性、ナトリウムイオン伝導性)の高い伝導材としては、TiS、FeS、Me(式中、MeはTi、La、Ce、Pr、Nd、Smから選ばれる一種である)、MeS(式中、MeはTi、La、Ce、Pr、Nd、Smから選ばれる一種である)、Me(式中、MeはTi、La、Ce、Pr、Nd、Smから選ばれる一種である)、Me(式中、MeはTi、Fe、V、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ta、W、Pbから選ばれる一種であり、x、yは任意の整数である)が挙げられる。この場合、伝導材材料としてはTi、Fe、La、Ce、Pr、Nd、Sm、V、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ta、W、Pbから選ばれる少なくとも一種を、そのまま、または、上記の伝導材のような硫化物の状態で用いれば良い。これらの伝導材材料を用いることで、正極全体の電気伝導度および/またはイオン伝導性を向上させることができ、非水電解質二次電池の放電レート特性を向上させ得る。なお、原料コストや調達のし易さ、資源量を鑑みると、TiS(式中、zは0.1〜2である)を用いるのがより好ましく、TiSを用いるのが特に好ましい。Specifically, as a conductive material having high electrical conductivity and / or ionic conductivity (more specifically, lithium ion conductivity, sodium ion conductivity), TiS 2 , FeS 2 , Me 2 S 3 (wherein, Me is a kind selected from Ti, La, Ce, Pr, Nd, and Sm), MeS (wherein Me is a kind selected from Ti, La, Ce, Pr, Nd, and Sm), Me 3 S 4 (wherein Me is a kind selected from Ti, La, Ce, Pr, Nd, Sm), Me x S y (wherein Me is Ti, Fe, V, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Ta, W, and Pb, and x and y are arbitrary integers. In this case, as the conductive material, Ti, Fe, La, Ce, Pr, Nd, Sm, V, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Ta, W, What is necessary is just to use at least 1 type chosen from Pb as it is or in the state of sulfides like said conductive material. By using these conductive material materials, the electrical conductivity and / or ionic conductivity of the entire positive electrode can be improved, and the discharge rate characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be improved. In view of the raw material cost, ease of procurement, and the amount of resources, TiS z (wherein z is 0.1 to 2) is more preferably used, and TiS 2 is particularly preferably used.

上記の硫黄系正極活物質と伝導材との配合比は、質量比で、10:0.5〜10:5であるのが好ましく、10:1〜10:3であるのがより好ましい。伝導材の配合量が過大であれば、正極全体に対する正極活物質の量が過小になるためである。伝導材を硫黄系正極活物質中に略均一に分散させるためには、伝導材は粉末状であるのが好ましい。伝導材は、電子顕微鏡などを用いて測定した粒径が0.1〜100μmであるのが好ましく、0.1〜50μmであるのがより好ましく、0.1〜20μmであるのがさらに好ましい。   The mixing ratio of the above-mentioned sulfur-based positive electrode active material and conductive material is preferably 10: 0.5 to 10: 5, more preferably 10: 1 to 10: 3, in terms of mass ratio. This is because if the blending amount of the conductive material is excessive, the amount of the positive electrode active material relative to the entire positive electrode is excessively small. In order to disperse the conductive material substantially uniformly in the sulfur-based positive electrode active material, the conductive material is preferably in the form of powder. The conductive material preferably has a particle size measured with an electron microscope or the like of 0.1 to 100 μm, more preferably 0.1 to 50 μm, and even more preferably 0.1 to 20 μm.

なお、硫黄系正極活物質と伝導材との混合を同定するには、以下のようにX線回折分析により行うことができる。   In addition, in order to identify mixing of a sulfur type positive electrode active material and a conductive material, it can carry out by X-ray diffraction analysis as follows.

ASTMカードによるLaの主な回折ピーク位置は、24.7、25.1、26.9、33.5、37.2、42.8°等である。TiSの主な回折ピーク位置は、15.5、34.2、44.1、53.9°等である。Tiの主な回折ピーク位置は、35.1、38.4、40.2、53.0°等である。MoSの主な回折ピーク位置は、14.4、32.7、33.5、35.9、39.6、44.2、49.8、56.0、58.4°等である。Feの主な回折ピーク位置は、44.7、65.0、82.3°等である。PANを用いた硫黄系正極活物質では、回折角(2θ)が20〜30°の範囲で、25°付近にブロードな単一ピークが認められる。これに対して、伝導材を配合した硫黄系正極活物質−伝導材複合体では、伝導材に由来するピークが現れる。例えば伝導材材料としてLaを用いた場合、24.7、25.1、33.5、37.2°付近にLaのピークが現れる。このピークにより、伝導材材料としてLaを用いたこと(すなわち正極が伝導材としてLaを含むこと)を確認できる。また、伝導材材料としてTiSを用いた場合には、殆どピークが確認できなかった。伝導材材料としてTiを用いた場合には、35.1、38.4、40.2、53.0°付近にTiのピークが現れる。このピークにより、伝導材材料としてTiを用いたことを確認できる。上記したように伝導材材料としてTiSを用いた場合には、X線回折ではその存在を確認できないが、他の分析方法、例えばICP元素分析や蛍光X線分析などの方法を用いればTiを検出できるため、X線回折でピークが確認されない場合にもTiSの添加を推測できる。また伝導材材料としてMoSを用いた場合、14.4、32.7、33.5、35.9、39.6、44.2、49.8、56.0、58.4°付近にMoSのピークが現れる。このピークにより、伝導材材料としてMoSを用いたこと(すなわち正極が伝導材としてMoSを含むこと)を確認できる。伝導材材料としてFeを用いた場合には、28.5、33.0、37.1、40.8、47.4、56.3、59.0°付近にFeSのピークが現れる。このピークにより、伝導材材料としてFeを用いたこと(すなわち正極が伝導材としてFeS、FeS、Feの少なくとも一種を含むこと)を確認できる。The main diffraction peak positions of La 2 S 3 by ASTM card are 24.7, 25.1, 26.9, 33.5, 37.2, 42.8 °, and the like. The main diffraction peak positions of TiS 2 are 15.5, 34.2, 44.1, 53.9 °, and the like. The main diffraction peak positions of Ti are 35.1, 38.4, 40.2, 53.0 °, and the like. The main diffraction peak positions of MoS 2 are 14.4, 32.7, 33.5, 35.9, 39.6, 44.2, 49.8, 56.0, 58.4 °, and the like. The main diffraction peak positions of Fe are 44.7, 65.0, 82.3 °, and the like. In the sulfur-based positive electrode active material using PAN, a broad single peak is observed in the vicinity of 25 ° when the diffraction angle (2θ) is in the range of 20 to 30 °. In contrast, in a sulfur-based positive electrode active material-conductive material composite containing a conductive material, a peak derived from the conductive material appears. For example, when La 2 S 3 is used as the conductive material, La 2 S 3 peaks appear in the vicinity of 24.7, 25.1, 33.5, and 37.2 °. This peak can be confirmed using the La 2 S 3 as conductive material (i.e. the positive electrode contains La 2 S 3 as conductive material). Further, when TiS 2 was used as the conductive material, almost no peak was confirmed. When Ti is used as the conductive material, Ti peaks appear in the vicinity of 35.1, 38.4, 40.2, and 53.0 °. From this peak, it can be confirmed that Ti was used as the conductive material. As described above, when TiS 2 is used as the conductive material, its presence cannot be confirmed by X-ray diffraction. However, if other analysis methods such as ICP elemental analysis and fluorescent X-ray analysis are used, Ti is not present. Since it can be detected, addition of TiS 2 can be estimated even when no peak is confirmed by X-ray diffraction. Further, when MoS 2 is used as the conductive material, it is around 14.4, 32.7, 33.5, 35.9, 39.6, 44.2, 49.8, 56.0, 58.4 °. The peak of MoS 2 appears. This peak can be confirmed with MoS 2 as a conductive material (i.e. the positive electrode contains MoS 2 as conductive material). When Fe is used as the conductive material, FeS 2 peaks appear in the vicinity of 28.5, 33.0, 37.1, 40.8, 47.4, 56.3, and 59.0 °. From this peak, it can be confirmed that Fe is used as the conductive material (that is, the positive electrode includes at least one of FeS, FeS 2 , and Fe 2 S 3 as the conductive material).

(非水電解質二次電池)
以下、上述の硫黄系正極活物質を正極に用いた非水電解質二次電池の構成について説明する。正極に関しては、上述したとおりである。
(Non-aqueous electrolyte secondary battery)
Hereinafter, the configuration of a non-aqueous electrolyte secondary battery using the above-described sulfur-based positive electrode active material for the positive electrode will be described. The positive electrode is as described above.

〔負極〕
本発明の非水電解質二次電池用における負極活物質としては、金属リチウムまたは金属ナトリウムを用いることができる。金属リチウムを負極活物質に用いる場合、本発明の非水電解質二次電池はリチウム二次電池である。金属ナトリウムを負極活物質に用いる場合、本発明の非水電解質二次電池はナトリウム二次電池(所謂ナトリウム硫黄電池)である。
[Negative electrode]
As the negative electrode active material for the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, metallic lithium or metallic sodium can be used. When metallic lithium is used for the negative electrode active material, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is a lithium secondary battery. When metallic sodium is used for the negative electrode active material, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is a sodium secondary battery (so-called sodium sulfur battery).

負極用の集電体としては、アルミニウム箔、アルミニウムメッシュ、パンチングアルミニウムシート、アルミニウムエキスパンドシート、ステンレススチール箔、ステンレススチールメッシュ、パンチングステンレススチールシート、ステンレススチールエキスパンドシート、発泡ニッケル、ニッケル不織布、銅箔、銅メッシュ、パンチング銅シート、銅エキスパンドシート、チタン箔、チタンメッシュ、カーボンペーパー(不織布/織布)等が例示される。   As the current collector for the negative electrode, aluminum foil, aluminum mesh, punched aluminum sheet, aluminum expanded sheet, stainless steel foil, stainless steel mesh, punched stainless steel sheet, stainless steel expanded sheet, nickel foam, nickel non-woven fabric, copper foil, Examples include copper mesh, punched copper sheet, copper expanded sheet, titanium foil, titanium mesh, carbon paper (nonwoven fabric / woven fabric) and the like.

〔電解質〕
非水電解質二次電池に用いる電解質としては、有機溶媒に電解質であるアルカリ金属塩を溶解させたものを用いることができる。有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルエーテル、イソプロピルメチルカーボネート、ビニレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル等の非水系溶媒から選ばれる少なくとも一種を用いるのが好ましい。電解質としては、負極活物質としてリチウムを用いる場合には、LiPF、LiBF、LiAsF、LiCFSO、LiI、LiClO等を用いることができる。負極活物質としてナトリウムを用いる場合には、NaPF、NaBF、NaClO、NaAsF、NaSbF、NaCFSO、NaN(SOCF、低級脂肪酸ナトリウム塩、NaAlCl等から選ばれる一種または複数種を用いることができる。なかでもLiPF、LiBF、LiAsF、LiCFSO、NaPF、NaBF、NaAsF、NaSbF、NaCFSO、NaN(SOCF等は、フッ素(F)を含むために好ましく用いられる。電解質の濃度は、0.5mol/L〜1.7mol/L程度であれば良い。なお、電解質は液状に限定されず、固体状(例えば高分子ゲル状)であっても良い。
〔Electrolytes〕
As the electrolyte used for the nonaqueous electrolyte secondary battery, an electrolyte obtained by dissolving an alkali metal salt as an electrolyte in an organic solvent can be used. As the organic solvent, it is preferable to use at least one selected from non-aqueous solvents such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dimethyl ether, isopropyl methyl carbonate, vinylene carbonate, γ-butyrolactone, and acetonitrile. . As the electrolyte, LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiI, LiClO 4 or the like can be used when lithium is used as the negative electrode active material. When sodium is used as the negative electrode active material, it is selected from NaPF 6 , NaBF 4 , NaClO 4 , NaAsF 6 , NaSbF 6 , NaCF 3 SO 3 , NaN (SO 2 CF 3 ) 2 , lower fatty acid sodium salt, NaAlCl 4 and the like. One kind or a plurality of kinds can be used. Among them, LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , NaPF 6 , NaBF 4 , NaAsF 6 , NaSbF 6 , NaCF 3 SO 3 , NaN (SO 2 CF 3 ) 2 and the like contain fluorine (F). Therefore, it is preferably used. The concentration of the electrolyte may be about 0.5 mol / L to 1.7 mol / L. Note that the electrolyte is not limited to liquid, and may be solid (for example, a polymer gel).

〔その他〕
非水電解質二次電池は、上述した負極、正極、電解質以外にも、セパレータ等の部材を備えても良い。セパレータは、正極と負極との間に介在し、正極と負極との間のイオンの移動を許容するとともに、正極と負極との内部短絡を防止する。非水電解質二次電池が密閉型であれば、セパレータには電解液を保持する機能も求められる。セパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、PAN、アラミド、ポリイミド、セルロース、ガラス等を材料とする薄肉かつ微多孔性または不織布状の膜を用いるのが好ましい。非水電解質二次電池の形状は特に限定されず、円筒型、積層型、コイン型等、種々の形状にできる。
[Others]
The nonaqueous electrolyte secondary battery may include a member such as a separator in addition to the above-described negative electrode, positive electrode, and electrolyte. The separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode, allows ions to move between the positive electrode and the negative electrode, and prevents an internal short circuit between the positive electrode and the negative electrode. If the non-aqueous electrolyte secondary battery is a sealed type, the separator is also required to have a function of holding an electrolytic solution. As the separator, it is preferable to use a thin, microporous or non-woven membrane made of polyethylene, polypropylene, PAN, aramid, polyimide, cellulose, glass or the like. The shape of the nonaqueous electrolyte secondary battery is not particularly limited, and can be various shapes such as a cylindrical shape, a stacked shape, and a coin shape.

以下、本発明の非水電解質二次電池を具体的に説明する。   Hereinafter, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention will be specifically described.

(実施例1)
実施例1の非水電解質二次電池はリチウム二次電池である。実施例1の非水電解質二次電池は以下のように作製した。
Example 1
The nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1 is a lithium secondary battery. The nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1 was produced as follows.

〔1〕混合原料
硫黄粉末として、篩いを用いて分級した際に粒径50μm以下となるものを準備した。PAN粉末として、電子顕微鏡で確認した場合に粒径が0.2μm〜2μmの範囲にあるものを準備した。硫黄粉末5質量部と、PAN粉末1質量部とを乳鉢で混合・粉砕して、混合原料を得た。
[1] Mixed raw material A sulfur powder having a particle size of 50 μm or less when classified using a sieve was prepared. A PAN powder having a particle size in the range of 0.2 μm to 2 μm when prepared with an electron microscope was prepared. 5 parts by mass of sulfur powder and 1 part by mass of PAN powder were mixed and pulverized in a mortar to obtain a mixed raw material.

〔2〕装置
図3に示すように、反応装置1は、反応容器2、蓋3、熱電対4、アルミナ保護管40、2つのアルミナ管(ガス導入管5、ガス排出管6)、アルゴンガス配管50、アルゴンガスを収容したガスタンク51、トラップ配管60、水酸化ナトリウム水溶液61を収容したトラップ槽62、電気炉7、電気炉に接続されている温度コントローラ70を持つ。
[2] Apparatus As shown in FIG. 3, the reaction apparatus 1 includes a reaction vessel 2, a lid 3, a thermocouple 4, an alumina protective tube 40, two alumina tubes (gas introduction tube 5, gas discharge tube 6), argon gas It has a pipe 50, a gas tank 51 containing argon gas, a trap pipe 60, a trap tank 62 containing a sodium hydroxide aqueous solution 61, an electric furnace 7, and a temperature controller 70 connected to the electric furnace.

反応容器2としては、有底筒状をなすガラス管(石英ガラス製)を用いた。後述する熱処理工程において、反応容器2には混合原料9を収容した。反応容器2の開口部は、3つの貫通孔を持つガラス製の蓋3で閉じた。貫通孔の1つには、熱電対4を収容したアルミナ保護管40(アルミナSSA−S、株式会社ニッカトー製)を取り付けた。貫通孔の他の1つには、ガス導入管5(アルミナSSA−S、株式会社ニッカトー製)を取り付けた。貫通孔の残りの1つには、ガス排出管6(アルミナSSA−S、株式会社ニッカトー製)を取り付けた。なお、反応容器2は、外径60mm、内径50mm、長さ300mmであった。アルミナ保護管40は、外径4mm、内径2mm、長さ250mmであった。ガス導入管5およびガス排出管6は、外径6mm、内径4mm、長さ150mmであった。ガス導入管5およびガス排出管6の先端は、蓋3の外部(反応容器2内)に露出した。この露出した部分の長さは3mmであった。ガス導入管5およびガス排出管6の先端は、後述する熱処理工程においてほぼ100℃以下となる。このため、熱処理工程において生じる硫黄蒸気は、ガス導入管5およびガス排出管6から流出せず、反応容器2に戻される(還流する)。   As the reaction vessel 2, a bottomed cylindrical glass tube (made of quartz glass) was used. In the heat treatment step described later, the mixed raw material 9 was accommodated in the reaction vessel 2. The opening of the reaction vessel 2 was closed with a glass lid 3 having three through holes. An alumina protective tube 40 (alumina SSA-S, manufactured by Nikkato Co., Ltd.) accommodating the thermocouple 4 was attached to one of the through holes. A gas introduction pipe 5 (alumina SSA-S, manufactured by Nikkato Corporation) was attached to the other one of the through holes. A gas exhaust pipe 6 (alumina SSA-S, manufactured by Nikkato Corporation) was attached to the remaining one of the through holes. The reaction vessel 2 had an outer diameter of 60 mm, an inner diameter of 50 mm, and a length of 300 mm. The alumina protective tube 40 had an outer diameter of 4 mm, an inner diameter of 2 mm, and a length of 250 mm. The gas introduction pipe 5 and the gas discharge pipe 6 had an outer diameter of 6 mm, an inner diameter of 4 mm, and a length of 150 mm. The tips of the gas introduction pipe 5 and the gas discharge pipe 6 were exposed to the outside of the lid 3 (inside the reaction vessel 2). The length of this exposed portion was 3 mm. The tips of the gas introduction pipe 5 and the gas discharge pipe 6 become approximately 100 ° C. or less in a heat treatment process described later. For this reason, the sulfur vapor generated in the heat treatment step does not flow out of the gas introduction pipe 5 and the gas discharge pipe 6 but is returned (refluxed) to the reaction vessel 2.

アルミナ保護管40に入れた熱電対4の先端は、間接的に反応容器2中の混合原料9の温度を測定した。熱電対4で測定した温度は、電気炉7の温度コントローラ70にフィードバックした。   The tip of the thermocouple 4 placed in the alumina protective tube 40 indirectly measured the temperature of the mixed raw material 9 in the reaction vessel 2. The temperature measured by the thermocouple 4 was fed back to the temperature controller 70 of the electric furnace 7.

ガス導入管5にはアルゴンガス配管50を接続した。アルゴンガス配管50はアルゴンガスを収容したガスタンク51に接続した。ガス排出管6にはトラップ配管60の一端を接続した。トラップ配管60の他端は、トラップ槽62中の水酸化ナトリウム水溶液61に挿入した。なお、トラップ配管60およびトラップ槽62は、後述する熱処理工程で生じる硫化水素ガスのトラップである。   An argon gas pipe 50 was connected to the gas introduction pipe 5. The argon gas pipe 50 was connected to a gas tank 51 containing argon gas. One end of a trap pipe 60 was connected to the gas discharge pipe 6. The other end of the trap pipe 60 was inserted into the sodium hydroxide aqueous solution 61 in the trap tank 62. The trap pipe 60 and the trap tank 62 are traps for hydrogen sulfide gas generated in a heat treatment process to be described later.

〔3〕熱処理工程
混合原料9を収容した反応容器2を、電気炉7(ルツボ炉、開口幅φ80mm、加熱高さ100mm)に収容した。このとき、ガス導入管5を介して反応容器2の内部にアルゴンを導入した。このときのアルゴンガスの流速は100ml/分であった。アルゴンガスの導入開始10分後に、アルゴンガスの導入を継続しつつ反応容器2中の混合原料9の加熱を開始した。このときの昇温速度は5℃/分であった。混合原料9が100℃になった時点で、混合原料9の加熱を継続しつつアルゴンガスの導入を停止した。混合原料9が約200℃になるとガスが発生した。混合原料9が360℃になった時点で加熱を停止した。加熱停止後、混合原料9の温度は400℃にまで上昇し、その後低下した。したがって、この熱処理工程において、混合原料9は400℃にまで加熱された。その後、混合原料9を自然冷却し、混合原料9が室温(約25℃)にまで冷却された時点で反応容器2から生成物(すなわち、熱処理工程後の被処理体)を取り出した。なお、このときの加熱時間は400℃で約10分であり、硫黄は還流された。
[3] Heat treatment step The reaction vessel 2 containing the mixed raw material 9 was placed in an electric furnace 7 (crucible furnace, opening width φ80 mm, heating height 100 mm). At this time, argon was introduced into the reaction vessel 2 through the gas introduction tube 5. The flow rate of argon gas at this time was 100 ml / min. Ten minutes after the start of the introduction of the argon gas, heating of the mixed raw material 9 in the reaction vessel 2 was started while continuing the introduction of the argon gas. The temperature rising rate at this time was 5 ° C./min. When the mixed raw material 9 reached 100 ° C., the introduction of argon gas was stopped while continuing to heat the mixed raw material 9. Gas was generated when the mixed raw material 9 reached about 200 ° C. The heating was stopped when the mixed raw material 9 reached 360 ° C. After stopping the heating, the temperature of the mixed raw material 9 increased to 400 ° C. and then decreased. Therefore, in this heat treatment step, the mixed raw material 9 was heated to 400 ° C. Thereafter, the mixed raw material 9 was naturally cooled, and when the mixed raw material 9 was cooled to room temperature (about 25 ° C.), the product (that is, the object to be treated after the heat treatment step) was taken out from the reaction vessel 2. The heating time at this time was about 10 minutes at 400 ° C., and sulfur was refluxed.

〔4〕単体硫黄除去工程
熱処理工程後の被処理体に残存する単体硫黄(遊離の硫黄)を除去するために、以下の工程をおこなった。
[4] Elemental sulfur removal step In order to remove elemental sulfur (free sulfur) remaining in the object to be treated after the heat treatment step, the following steps were performed.

熱処理工程後の被処理体を乳鉢で粉砕した。粉砕物2gをガラスチューブオーブンに入れ、真空吸引しつつ200℃で3時間加熱した。このときの昇温温度は10℃/分であった。この工程により、熱処理工程後の被処理体に残存する単体硫黄が蒸発・除去され、単体硫黄を含まない(または、ほぼ含まない)実施例1の硫黄変性PANを得た。   The object to be treated after the heat treatment step was pulverized in a mortar. 2 g of the pulverized product was placed in a glass tube oven and heated at 200 ° C. for 3 hours while being vacuumed. The temperature elevation temperature at this time was 10 ° C./min. By this process, the elemental sulfur remaining in the object to be treated after the heat treatment process was evaporated and removed, and the sulfur-modified PAN of Example 1 not including (or substantially not including) elemental sulfur was obtained.

<リチウム二次電池の製作>
〔1〕正極
単体硫黄除去工程で得られた硫黄系正極活物質60質量部と、ケッチェンブラック(KB)20質量部と、ポリイミド(PI)20質量部と、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)と、を混合してスラリーを作製した。
<Production of lithium secondary battery>
[1] Positive electrode 60 parts by mass of the sulfur-based positive electrode active material obtained in the elemental sulfur removal step, 20 parts by mass of ketjen black (KB), 20 parts by mass of polyimide (PI), N-methyl-2-pyrrolidone ( NMP) to prepare a slurry.

一方、カーボンペーパー(「TGP−H−030」東レ社製)を直径φ11mmに打ち抜いた集電体を用意し、上記スラリーを充填した後に200℃で2時間、減圧下で乾燥して正極を作製した。   On the other hand, a current collector prepared by punching carbon paper (“TGP-H-030” manufactured by Toray Industries, Inc.) to a diameter of 11 mm is prepared, and after filling the slurry, dried at 200 ° C. under reduced pressure for 2 hours to produce a positive electrode. did.

〔2〕負極
負極には、金属リチウムを厚さ約0.5mm、直径φ13mmに成形した円盤状のリチウム箔を用いた。
[2] Negative electrode As the negative electrode, a disc-shaped lithium foil formed of metallic lithium with a thickness of about 0.5 mm and a diameter of 13 mm was used.

〔3〕電解液
電解液としては、プロピレンカーボネートに、LiPFを溶解した非水電解質を用いた。電解液中のLiPFの濃度は、1.0mol/Lであった。
[3] Electrolytic Solution As the electrolytic solution, a nonaqueous electrolyte in which LiPF 6 was dissolved in propylene carbonate was used. The concentration of LiPF 6 in the electrolytic solution was 1.0 mol / L.

〔4〕電池
上記〔1〕、〔2〕、〔3〕で得た正極、負極および電解液を用いて、コイン電池を製作した。詳しくは、ドライルーム内で、厚さ25μmのポリプロピレン微多孔質膜からなるセパレータ(「Celgard2400」Celgard社製)と、厚さ500μmのガラス不織布フィルタと、を正極と負極との間に挟装して、電極体電池とした。この電極体電池を、ステンレス容器からなる電池ケース(CR2032型コイン電池用部材、宝泉株式会社製)に収容した。電池ケースには〔3〕で得られた電解液を注入した。電池ケースをカシメ機で密閉して、実施例1の非水電解質二次電池を得た。
[4] Battery A coin battery was manufactured using the positive electrode, the negative electrode and the electrolytic solution obtained in [1], [2] and [3] above. Specifically, in a dry room, a separator made of a polypropylene microporous membrane having a thickness of 25 μm (“Celgard 2400” manufactured by Celgard) and a glass nonwoven fabric filter having a thickness of 500 μm are sandwiched between a positive electrode and a negative electrode. Thus, an electrode body battery was obtained. This electrode body battery was accommodated in a battery case (CR2032-type coin battery member, manufactured by Hosen Co., Ltd.) made of a stainless steel container. The electrolyte solution obtained in [3] was injected into the battery case. The battery case was sealed with a caulking machine to obtain the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1.

(実施例2)
実施例2の非水電解質二次電池はナトリウム二次電池である。実施例2の非水電解質二次電池は、負極および電解液の組成以外は実施例1と同じものである。負極としては、金属ナトリウムをスライスし、厚さ約0.5mm、直径φ13mmに成形した円盤状のナトリウム箔を用いた。電解液としては、プロピレンカーボネートに、NaClOを溶解した非水電解質を用いた。なお電解液中のNaClOの濃度は、1.0mol/Lであった。
(Example 2)
The nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 2 is a sodium secondary battery. The nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 2 is the same as Example 1 except for the composition of the negative electrode and the electrolytic solution. As the negative electrode, a disc-shaped sodium foil formed by slicing metallic sodium and forming a thickness of about 0.5 mm and a diameter of 13 mm was used. As the electrolytic solution, a non-aqueous electrolyte in which NaClO 4 was dissolved in propylene carbonate was used. The concentration of NaClO 4 in the electrolytic solution was 1.0 mol / L.

(実施例3)
実施例3の非水電解質二次電池は、正極用の集電体としてカーボンペーパーではなくSUS(ステンレススチール)箔を用いたものである。詳しくは、実施例1と同じ硫黄系正極活物質70質量部と、KB15質量部と、PI15質量部と、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)と、を混合してスラリーを作製した。このスラリーを直径φ11mm、厚さ20mmのSUS箔に塗布したものを、80℃で一晩乾燥させて正極を作製した。それ以外は、実施例3の非水電解質二次電池は実施例1の非水電解質二次電池と同じものである。
(Example 3)
The non-aqueous electrolyte secondary battery of Example 3 uses SUS (stainless steel) foil instead of carbon paper as a positive electrode current collector. Specifically, 70 parts by mass of the same sulfur-based positive electrode active material as in Example 1, 15 parts by mass of KB, 15 parts by mass of PI, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) were mixed to prepare a slurry. A slurry prepared by applying this slurry to a SUS foil having a diameter of 11 mm and a thickness of 20 mm was dried at 80 ° C. overnight to produce a positive electrode. Other than that, the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 3 is the same as the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1.

(比較例)
比較例の非水電解質二次電池は、負極活物質として酸化ケイ素(SiO)を用い負極用の集電体としてカーボンペーパーを用いたこと以外は実施例1の非水電解質二次電池と同じものである。比較例の非水電解質二次電池における負極は、以下のように製造した。
(Comparative example)
The nonaqueous electrolyte secondary battery of the comparative example is the same as the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1 except that silicon oxide (SiO) is used as the negative electrode active material and carbon paper is used as the current collector for the negative electrode. It is. The negative electrode in the nonaqueous electrolyte secondary battery of the comparative example was manufactured as follows.

〔1〕負極
先ずSiO粉末(大阪チタニウムテクノロジーズ社製、平均粒径6μm)と、導電助剤としてのKBとバインダとしてのPIとを混合し、スラリーを調製した。スラリー中の各成分の組成比は、固形分として、SiO粉末:KB:PI:=80:5:15(質量比)であった。このスラリーを、厚さ20μmの銅箔(集電体)表面に塗布し、80℃で20分間仮乾燥した後に、300℃で1時間、減圧中で熱処理した後、直径φ11mmのサイズで打ち抜いて負極を得た。
[1] Negative electrode First, SiO powder (manufactured by Osaka Titanium Technologies, average particle size 6 μm), KB as a conductive additive and PI as a binder were mixed to prepare a slurry. The composition ratio of each component in the slurry was SiO powder: KB: PI: = 80: 5: 15 (mass ratio) as a solid content. This slurry was applied to the surface of a 20 μm thick copper foil (current collector), temporarily dried at 80 ° C. for 20 minutes, heat treated at 300 ° C. for 1 hour in a reduced pressure, and then punched out to a diameter of 11 mm in diameter. A negative electrode was obtained.

<サイクル試験>
実施例1〜3および比較例の非水電解質二次電池のサイクル特性を評価した。詳しくは、実施例1については正極活物質1gあたりの電流値を0.1C(500mAh/g換算)で550サイクル繰り返し充放電を行った。実施例2については、11サイクルまでを0.1Cで、12サイクル以降15サイクルまでを0.05Cで、16サイクル以降を再び0.1Cで繰り返し充放電した。実施例3については、1.0Cで265サイクル繰り返し充放電した。比較例については、0.1Cで630サイクル繰り返し充放電した。このときのカットオフ電圧は実施例1で3.0〜1.0V、実施例2で2.67〜0.67V、実施例3で3.0〜1.0V、比較例で3.0〜0.6Vであった。温度は25℃であった。実施例1の非水電解質二次電池のサイクル特性を図4に示す。実施例2の非水電解質二次電池のサイクル特性を図5に示す。実施例3の非水電解質二次電池のサイクル特性を図6に示す。比較例の非水電解質二次電池のサイクル特性を図7に示す。
<Cycle test>
The cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary batteries of Examples 1 to 3 and the comparative example were evaluated. Specifically, for Example 1, the current value per 1 g of the positive electrode active material was charged and discharged repeatedly for 550 cycles at 0.1 C (500 mAh / g conversion). For Example 2, charge and discharge were repeated at 0.1 C for up to 11 cycles, 0.05 C for 12 cycles and 15 cycles, and again at 0.1 C for 16 cycles and thereafter. About Example 3, it charged / discharged repeatedly at 265 cycles at 1.0C. About the comparative example, it charged / discharged repeatedly for 630 cycles at 0.1C. The cut-off voltages at this time are 3.0 to 1.0 V in Example 1, 2.67 to 0.67 V in Example 2, 3.0 to 1.0 V in Example 3, and 3.0 to 1.0 in Comparative Example. It was 0.6V. The temperature was 25 ° C. The cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1 are shown in FIG. The cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 2 are shown in FIG. The cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 3 are shown in FIG. FIG. 7 shows the cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the comparative example.

図3〜6に示すように、各非水電解質二次電池は可逆的に充放電した。しかし、図7に示すように比較例の非水電解質二次電池は450サイクル経過後に徐々に容量が低下した。これに対して、各実施例の非水電解質二次電池は殆ど容量低下がみられなかった。特に図3に示すように、実施例1の非水電解質二次電池は550サイクル後にも非常に高い容量(544mAh/g)を維持した。実施例1の非水電解質二次電池と比較例の非水電解質二次電池との違いは負極活物質である。このため実施例1の非水電解質二次電池は、負極活物質として金属リチウムを用いることでサイクル特性が向上したと考えられる。   As shown in FIGS. 3 to 6, each non-aqueous electrolyte secondary battery was reversibly charged and discharged. However, as shown in FIG. 7, the capacity of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the comparative example gradually decreased after 450 cycles. In contrast, the non-aqueous electrolyte secondary battery of each example hardly experienced a decrease in capacity. In particular, as shown in FIG. 3, the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1 maintained a very high capacity (544 mAh / g) even after 550 cycles. The difference between the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1 and the nonaqueous electrolyte secondary battery of the comparative example is the negative electrode active material. For this reason, the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1 is considered to have improved cycle characteristics by using metallic lithium as the negative electrode active material.

また、図4に示すように、実施例2の非水電解質二次電池は15サイクル以上でも550mAh/g以上の非常に高い容量を維持した。実施例2の非水電解質二次電池は実施例1の非水電解質二次電池の負極活物質を金属リチウムから金属ナトリウムに置き換えたものである。このように実施例2の非水電解質二次電池は負極活物質として金属ナトリウムを用いることで優れたサイクル特性を発揮した。そして、非水電解質二次電池に特に優れたサイクル特性を付与するためには、負極活物質として金属リチウムまたは金属ナトリウムを選択すること、または、正極用の集電体としてカーボンペーパーを用いることが特に有効だと考えられる。なお、正極用の集電体としてカーボンペーパーを用い、かつ、負極活物質として金属リチウムまたは金属ナトリウムを用いることで、金属箔集電体を用いた場合と比較して、活物質と集電体との距離が一定の範囲になり、電極の組成は厚さ方向に均一になる。このため、サイクル劣化の少ない電極が得られる。また、カーボンペーパーは空隙を有するため、カーボンペーパー集電体を用いた電極は、箔集電体に電極材料を塗工して製造した電極と比べて、電極内における電解液の保持性が良く、電解液の枯渇による劣化が生じ難い。   Further, as shown in FIG. 4, the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 2 maintained a very high capacity of 550 mAh / g or more even at 15 cycles or more. The nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 2 is obtained by replacing the negative electrode active material of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1 with metal sodium from metal lithium. Thus, the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 2 exhibited excellent cycle characteristics by using metallic sodium as the negative electrode active material. In order to give particularly excellent cycle characteristics to the nonaqueous electrolyte secondary battery, it is necessary to select metallic lithium or metallic sodium as the negative electrode active material, or to use carbon paper as the current collector for the positive electrode. It seems to be particularly effective. In addition, by using carbon paper as the current collector for the positive electrode and using metal lithium or metal sodium as the negative electrode active material, the active material and the current collector are compared with the case where the metal foil current collector is used. And the electrode composition is uniform in the thickness direction. For this reason, an electrode with little cycle deterioration is obtained. Also, since carbon paper has voids, the electrode using the carbon paper current collector has better retention of the electrolyte in the electrode than the electrode manufactured by applying the electrode material to the foil current collector. Deterioration due to electrolyte depletion is unlikely to occur.

また、図6に示すように、実施例3の非水電解質二次電池は、260サイクル以上においても600mAh/g以上の非常に高い容量を維持した。実施例3の非水電解質二次電池は実施例1の非水電解質二次電池の集電体をSUS箔に置き換えて硫黄系正極活物質のスラリーを塗工して得た電極を用いたものである。このように、一般的な塗工法による正極を用いた場合でも、負極活物質として金属リチウムまたは金属ナトリウムを用いることで優れたサイクル特性が得られた。   As shown in FIG. 6, the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 3 maintained a very high capacity of 600 mAh / g or more even at 260 cycles or more. The nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 3 uses an electrode obtained by replacing the current collector of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1 with SUS foil and applying a slurry of a sulfur-based positive electrode active material. It is. Thus, even when the positive electrode by a general coating method was used, excellent cycle characteristics were obtained by using metallic lithium or metallic sodium as the negative electrode active material.

さらに、本発明の非水電解質二次電池は容易に製造できる利点もある。つまり、正極活物質が硫黄系正極活物質であり、かつ、負極活物質としてリチウムやナトリウムを含有しない非水電解質二次電池は、製造過程でリチウムまたはナトリウムをドープする必要がある。これに対して本発明の非水電解質二次電池はドープを行う必要がないため、容易に製造できる。さらに、負極活物質として金属リチウムまたは金属ナトリウムを用いることで、初回充放電時に生じる不可逆容量を打ち消し得る量のリチウムまたはナトリウムを負極に含有させることができ、非水電解質二次電池の容量低下を抑制できる。   Further, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention has an advantage that it can be easily manufactured. That is, the non-aqueous electrolyte secondary battery in which the positive electrode active material is a sulfur-based positive electrode active material and does not contain lithium or sodium as the negative electrode active material needs to be doped with lithium or sodium during the manufacturing process. On the other hand, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention does not need to be doped and can be easily manufactured. Furthermore, by using metallic lithium or metallic sodium as the negative electrode active material, an amount of lithium or sodium capable of canceling the irreversible capacity that occurs during the first charge / discharge can be contained in the negative electrode, thereby reducing the capacity of the nonaqueous electrolyte secondary battery. Can be suppressed.

1:反応装置 2:反応容器 3:蓋 4:熱電対
5:ガス導入管 6:ガス排出管 7:電気炉
1: Reactor 2: Reaction vessel 3: Lid 4: Thermocouple 5: Gas introduction pipe 6: Gas discharge pipe 7: Electric furnace

Claims (6)

正極と、負極と、非水電解質とを備え、
該正極は、正極活物質として、炭素(C)および硫黄(S)を含有する硫黄系正極活物質を含み、
該負極は、負極活物質として、金属リチウムまたは金属ナトリウムを含むことを特徴とする非水電解質二次電池。
A positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte;
The positive electrode includes a sulfur-based positive electrode active material containing carbon (C) and sulfur (S) as a positive electrode active material,
The non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the negative electrode contains metallic lithium or metallic sodium as a negative electrode active material.
前記硫黄系正極活物質は、ポリアクリロニトリル、ピッチ類、ポリイソプレンおよび3環以上の六員環が縮合してなる多環芳香族炭化水素から選ばれる炭素源化合物に由来する炭素骨格と、該炭素骨格と結合した硫黄(S)と、からなる請求項1に記載の非水電解質二次電池。   The sulfur-based positive electrode active material includes a carbon skeleton derived from a carbon source compound selected from polyacrylonitrile, pitches, polyisoprene, and a polycyclic aromatic hydrocarbon formed by condensation of three or more six-membered rings, and the carbon The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, comprising sulfur (S) bonded to a skeleton. 前記硫黄系正極活物質はポリアクリロニトリルに由来する炭素骨格を有し、ラマンスペクトルにおいて、ラマンシフトの1331cm−1付近に主ピークが存在し、かつ、200cm−1〜1800cm−1の範囲内で1548cm−1、939cm−1、479cm−1、381cm−1、317cm−1付近にそれぞれピークが存在する請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。The sulfur-based positive electrode active material has a carbon skeleton derived from polyacrylonitrile, 1548Cm in the Raman spectrum, the main peak is present near 1331cm -1 of Raman shift, and within the range of 200cm -1 ~1800cm -1 -1 , 939 cm −1 , 479 cm −1 , 381 cm −1 , and 317 cm −1 , respectively, have peaks in the vicinity of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 or 2. 前記負極活物質は金属リチウムである請求項1〜3の何れか一つに記載の非水電解質二次電池。   The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode active material is metallic lithium. 前記正極は、集電体として、カーボンペーパーを含む請求項1〜4の何れか一つに記載の非水電解質二次電池。   The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode includes carbon paper as a current collector. 請求項1〜5の何れか一つに記載の非水電解質二次電池を搭載したことを特徴とする車両。   A vehicle comprising the nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 5.
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