WO2023210232A1 - リチウム硫黄電池用正極、リチウム硫黄電池及びその充放電方法 - Google Patents

リチウム硫黄電池用正極、リチウム硫黄電池及びその充放電方法 Download PDF

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淳吾 若杉
昌明 久保田
英俊 阿部
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Definitions

  • the present invention relates to a positive electrode for a lithium-sulfur battery, a lithium-sulfur battery, and a method for charging and discharging the same.
  • Nonaqueous electrolyte secondary batteries such as lithium ion secondary batteries
  • Non-aqueous electrolyte secondary batteries are required to have even higher energy density and longer life as these power sources.
  • the positive electrode includes, for example, a sulfur composite layer containing a positive electrode active material made of sulfur and/or a sulfur compound, a conductive additive, and a binder, and a positive electrode current collector supporting the sulfur composite layer.
  • the negative electrode includes, for example, lithium metal and a negative electrode current collector supporting the lithium metal.
  • a separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • An electrode plate group including a positive electrode, a negative electrode, and a separator is housed in a battery container together with a nonaqueous electrolyte.
  • a nonaqueous electrolyte a non-aqueous electrolyte in which an electrolyte such as a lithium salt is dissolved in a non-aqueous solvent is generally used.
  • lithium-sulfur batteries have the problem of not achieving sufficient charge-discharge cycle characteristics and reaching the end of their lifespan prematurely.
  • One specific cause of this is a phenomenon called the redox shuttle effect.
  • lithium polysulfide Li 2 S 8 , Li 2 S 6 , etc.
  • Li 2 S 8 Li 2 S 6
  • This electrochemical reaction proceeds until the lithium polysulfide becomes Li 2 S, causing self-discharge of the battery.
  • lithium-sulfur batteries have the problem that sufficient discharge rate characteristics cannot be obtained, and the discharge capacity is particularly low when high current is applied.
  • positive electrode active materials made of sulfur and/or sulfur compounds have low ionic conductivity and low electronic conductivity.
  • Non-Patent Document 1 considers a method of wrapping a sulfur/carbon composite material with a nitrogen-containing organic compound, specifically, cyclic polyacrylonitrile.
  • Non-Patent Document 2 considers a sulfur composite layer containing both sulfur and graphene in which some of the carbon atoms are replaced with nitrogen atoms (nitrogen-doped graphene). Cyclic polyacrylonitrile and nitrogen-doped graphene have the role of adsorbing polysulfide and suppressing its elution.
  • the manufacturing process of wrapping a composite material with a nitrogen-containing organic compound and the manufacturing process of nitrogen-doped graphene are extremely complicated and expensive.
  • Non-Patent Document 3 considers forming a graphite/Li 4 Ti 5 O 12 double layer on the surface of a sulfur composite layer of a lithium-sulfur battery.
  • This double layer has the role of trapping polysulfide dissolved in the electrolytic solution therein and suppressing its diffusion to the surface of the negative electrode. As a result, the redox shuttle effect can be suppressed and charge/discharge cycle characteristics can be improved.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 there was a problem that the ionic conductivity within the sulfur composite layer was insufficient, the internal resistance of the battery was high, and the discharge capacity was reduced.
  • the lithium-sulfur battery disclosed in Non-Patent Document 3 the presence of the double layer prevents the supply of lithium ions from the non-aqueous electrolyte, and the ionic conductivity in the sulfur composite layer decreases. There was a problem of increased internal resistance.
  • the present invention solves the above problems and provides a positive electrode for a lithium-sulfur battery, a lithium-sulfur battery, and a method for charging and discharging the same, which can simultaneously improve discharge rate characteristics and charge/discharge cycle characteristics. be.
  • a positive electrode for a lithium-sulfur battery comprising a positive electrode current collector and a sulfur composite layer laminated on the surface of the positive electrode current collector,
  • the sulfur composite layer contains sulfur and/or a sulfur compound as the main positive electrode active material, a lithium-containing oxide, and a nitrogen-containing organic compound, and the nitrogen-containing organic compound is a nitrogen-containing heterocyclic compound.
  • a positive electrode for a lithium-sulfur battery is provided.
  • one embodiment is characterized by comprising the above-described positive electrode for a lithium-sulfur battery, a negative electrode capable of intercalating and deintercalating lithium ions, and a separator impregnated with a non-aqueous electrolyte.
  • a lithium sulfur battery is provided.
  • discharge is performed with the lower limit of the discharge voltage being 1.0 V (vs. Li/Li + ) or more and 1.5 V (vs. Li/Li + ) or less.
  • a method for charging and discharging a lithium-sulfur battery is provided.
  • a positive electrode for a lithium-sulfur battery a lithium-sulfur battery, and a method for charging and discharging the same, which can simultaneously improve discharge rate characteristics and charge/discharge cycle characteristics.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a lithium-sulfur battery according to a first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a lithium-sulfur battery according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a charge-discharge curve of Example 20.
  • the positive electrode includes a positive electrode current collector and a sulfur mixture layer laminated on the surface of the positive electrode current collector.
  • the sulfur composite layer contains sulfur and/or a sulfur compound as the main positive electrode active material, a lithium-containing oxide, and a nitrogen-containing organic compound.
  • the nitrogen-containing organic compound is a nitrogen-containing heterocyclic compound. According to the positive electrode for a lithium-sulfur battery according to such an embodiment, it is possible to simultaneously improve discharge rate characteristics and charge/discharge cycle characteristics.
  • the sulfur composite layer contains both a lithium-containing oxide and a nitrogen-containing organic compound, and the nitrogen-containing organic compound is a nitrogen-containing heterocyclic compound, reaction intermediates are generated on the positive electrode side by repeated charging and discharging.
  • Lithium polysulfide which is a substance, can be efficiently captured inside the sulfur composite layer, suppressing the redox shuttle effect and improving the charge/discharge cycle characteristics of the battery.
  • both the lithium-containing oxide and the nitrogen-containing organic compound have a high effect of adsorbing lithium polysulfide, a sufficient effect was not obtained when only one of them was included.
  • the present inventors have discovered that by including both of these in the sulfur mixture layer, the above effects can be significantly obtained due to their synergistic effect.
  • the lithium-containing oxide in the sulfur composite layer it is possible to improve the ionic conductivity within the sulfur composite layer and reduce the resistance (charge transfer resistance) at the interface between the positive electrode and the electrolyte. resistance can be lowered. Thereby, the internal resistance of the battery in which the positive electrode is incorporated can be reduced, and the discharge capacity can be particularly improved when high current is applied. Furthermore, by including the nitrogen-containing organic compound, the wettability of the electrolytic solution to the sulfur composite layer is improved, and the ionic conductivity within the sulfur composite layer is improved.
  • the positive electrode includes a positive electrode current collector and a sulfur mixture layer formed on one or both surfaces of the positive electrode current collector.
  • the positive electrode current collector is not particularly limited, and any known or commercially available one can be used.
  • the positive electrode current collector for example, a rolled foil made of aluminum, nickel, copper, or an alloy thereof, or stainless steel, an electrolytic foil, a metal mesh, a porous metal body, an expanded grid, a punched metal, etc. can be used.
  • carbon coated aluminum foil should be used to improve the electrical conductivity between the sulfur mixture layer and the adhesion between the sulfur mixture layer and the positive electrode current collector. is preferred.
  • the sulfur composite layer contains sulfur and/or a sulfur compound, a lithium-containing oxide, and a nitrogen-containing organic compound. It may further contain a binder and/or a conductive aid.
  • Sulfur and/or sulfur compounds are the main positive electrode active materials capable of intercalating and deintercalating lithium ions.
  • Sulfur and/or sulfur compounds may be a single substance or a mixture of a plurality of them, and the combination and ratio thereof can be arbitrarily selected depending on the purpose.
  • the sulfur and/or sulfur compound is preferably particulate sulfur, more preferably colloidal sulfur.
  • the conductive aid is not particularly limited as long as it is a material that can improve the electronic conductivity of the sulfur composite layer, and any known conductive agent can be used.
  • the conductive aid include carbon black such as Ketjenblack and acetylene black, carbon nanotubes, graphene, porous carbon, artificial graphite, natural graphite, and activated carbon.
  • a conductive additive By including a conductive additive, high rate characteristics and charge/discharge cycle characteristics can be improved, and polarization can be reduced.
  • the conductive aid one having a specific surface area of 500 to 2500 m 2 g -1 is preferable because these effects are high.
  • the conductive aid may be a single substance or a mixture of a plurality of these, and the combination and ratio thereof can be arbitrarily selected depending on the purpose. Among these, porous carbon is preferred.
  • part or all of the sulfur and/or sulfur compound be compounded with part or all of a carbon-based conductive additive such as carbon black to form a sulfur-carbon composite material.
  • a carbon-based conductive additive such as carbon black
  • methods for producing the sulfur-carbon composite material include melt impregnation, electrolytic deposition, vapor deposition, immersion, and mechanical mixing, with melt impregnation being preferred.
  • melt impregnation By forming a sulfur-carbon composite material, the electronic conductivity of sulfur and/or sulfur compounds can be improved.
  • the sulfur-carbon composite material may be, for example, an S/KB composite material prepared by mixing sulfur (S) and Ketjenblack (KB) at a weight ratio of 70:30 and heat-treating the mixture for 12 hours.
  • sulfur and/or a sulfur compound and a sulfur-carbon composite material may be used together.
  • the composite carbon-based conductive aid may be the same as the conductive aid.
  • the binder is not particularly limited as long as it is a material that binds the materials contained in the sulfur composite layer to each other, and any known or commercially available binder can be used.
  • the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride-propylene hexafluoride copolymer (PVDF-HFP), polyacrylic acid (PAA), polylithium acrylate (PAALi), polytetrafluoroethylene ( PTFE), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl chloride (PVC), polyethylene (PE), polypropylene (PP), ethylene-propylene copolymer, styrene-butadiene rubber (SBR), polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene oxide (PEO) ), polyethylene glycol (PEG), carboxymethyl cellulose (CMC), polyacrylonitrile (PAN), polyimide (PI), acrylic resin, and the like.
  • the binder may be
  • the lithium-containing oxide adsorbs lithium polysulfide and supplies lithium ions into the sulfur composite layer, improving the ionic conductivity within the sulfur composite layer and further increasing the resistance (charge transfer) at the interface between the positive electrode and the electrolyte. resistance) can be reduced.
  • the lithium-containing oxide may be a single substance or a mixture of a plurality of these, and the combination and
  • the lithium-containing oxide has high adsorption properties for lithium polysulfide, can be expected to have a high effect of trapping lithium polysulfide in the sulfur composite layer, and has high lithium ion conductivity.
  • the lithium-containing oxide in the sulfur composite layer is preferably a lithium-titanium composite oxide, more preferably Li 4 Ti 5 O 12 .
  • lithium titanium composite oxide can efficiently trap lithium polysulfide, which is an intermediate product of the reaction on the positive electrode side, suppressing the redox shuttle effect and improving the charge-discharge cycle characteristics of the battery. It can be improved.
  • the charge-discharge cycle characteristics of a battery incorporating the positive electrode can be further improved.
  • the lithium-containing oxide is preferably a compound that charges and discharges within a potential range of greater than 1.0 V (vs. Li/Li + ) and less than 3.0 V (vs. Li/Li + ).
  • Examples of such compounds include lithium titanium complex oxides, and specific examples include Li 4 Ti 5 O 12 , LiTiO 4 , Li 2 Ti 3 O 7 and the like.
  • the lithium-containing oxide can function as a sub-positive electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium. This is because sulfur and/or sulfur compounds, which are the main positive electrode active materials, are also charged and discharged within the potential range. Thereby, the discharge capacity of the battery can be increased, and the weight energy density of the battery can be improved.
  • the potential range for charging and discharging is more preferably greater than 1.2V and less than 2.8V, more preferably greater than 1.3V and less than 2.7V, more preferably greater than 1.4V and less than 2.6V, even more preferably It is 1.5V or more and less than 2.5V.
  • the total content of the lithium-containing oxide and the nitrogen-containing organic compound is preferably 1% by weight or more and 20% by weight or less based on the weight of the sulfur composite layer. If the total amount is less than 1% by weight, the adsorption effect of lithium polysulfide cannot be obtained, and there is a possibility that the charge/discharge cycle characteristics of the battery may deteriorate. On the other hand, if the total amount exceeds 20% by weight, the content of the positive electrode active material in the sulfur composite layer will be relatively reduced, and there is a possibility that the weight energy density of the battery will be reduced.
  • the total content of the lithium-containing oxide and the nitrogen-containing organic compound is more preferably 4 to 20% by weight, more preferably 5 to 15% by weight, and even more preferably 6 to 12% by weight.
  • the content of the lithium-containing oxide is preferably greater than 0% by weight and less than 20% by weight based on the weight of the sulfur composite layer.
  • the sulfur composite layer contains the lithium-containing oxide in the above content, its high ionic conductivity reduces the internal resistance of the sulfur composite layer, and particularly improves high rate characteristics. This is because the lithium-containing oxide conducts lithium ions into the sulfur composite layer during repeated charging and discharging. Thereby, the internal resistance of the battery in which the positive electrode is incorporated can be reduced, and particularly the high rate characteristics can be improved.
  • the content of the lithium-containing oxide is more preferably 5% by weight or more and 10% by weight or less based on the weight of the sulfur composite layer.
  • the nitrogen-containing organic compound is a nitrogen-containing heterocyclic compound, and is a compound containing a nitrogen-containing heterocyclic skeleton.
  • the nitrogen-containing organic compound adsorbs lithium polysulfide inside it and suppresses the redox shuttle effect. Furthermore, the wettability of the electrolytic solution to the sulfur composite layer is improved, and the ionic conductivity within the sulfur composite layer is improved. This improves the discharge rate characteristics and cycle characteristics of a lithium-sulfur battery including the positive electrode.
  • the nitrogen-containing heterocyclic skeleton may be, for example, a monocyclic or polycyclic skeleton containing a 4- to 6-membered aromatic heterocyclic skeleton or an aliphatic heterocyclic skeleton.
  • Examples of the nitrogen-containing heterocyclic skeleton include skeletons made of pyridine, pyrrole, pyrimidine, carbazole, benzimidazole, and derivatives thereof.
  • nitrogen-containing heterocyclic compounds include cyclic polyacrylonitrile and its derivatives, poly(N-vinylcarbazole) and its derivatives, poly(benzimidazobenzophenanthroline) and its derivatives, poly(N-vinylpyridine) and its derivatives, Examples include poly(N-vinylpyrrolidone) and its derivatives, tetraphenylporphyrin and its derivatives, and the like.
  • n is a natural number from 3 to 15.
  • the nitrogen-containing heterocyclic compound is preferably a material that is difficult to dissolve in the nonaqueous electrolyte.
  • the nitrogen-containing heterocyclic compound is preferably a polymer containing a nitrogen-containing heterocyclic skeleton in its repeating structural unit, such as the compounds listed above.
  • the nitrogen-containing heterocyclic compound may be, for example, a polymer of monomers containing a nitrogen-containing heterocyclic skeleton.
  • the nitrogen-containing heterocyclic compound may be a single substance or a mixture of a plurality of them, and the combination and ratio thereof can be arbitrarily selected depending on the purpose.
  • the nitrogen-containing heterocyclic compound is preferably a compound containing a pyridine ring skeleton, such as cyclic polyacrylonitrile and its derivatives, and poly(N-vinylpyridine) and its derivatives.
  • a compound containing a pyridine ring skeleton has a high property of adsorbing lithium polysulfide, and can be expected to have a high effect of trapping it in the sulfur composite layer.
  • the nitrogen-containing heterocyclic compound is sulfur-modified polyacrylonitrile.
  • the pyridine ring skeleton can be identified, for example, by X-ray photoelectron spectroscopy.
  • Sulfur-modified polyacrylonitrile is a type of cyclic polyacrylonitrile derivative, and is a cyclic polyacrylonitrile modified with sulfur.
  • Sulfur-modified polyacrylonitrile can be produced by, for example, mixing sulfur powder with polyacrylonitrile powder and heating it in a non-oxidizing atmosphere in a state that prevents sulfur from flowing out. Simultaneously with the ring-closing reaction of polyacrylonitrile, sulfur vapor is released into the polyacrylonitrile. It can be a sulfur-modified polyacrylonitrile obtained by reacting with acrylonitrile.
  • the positive electrode active material includes another sulfur or a sulfur compound.
  • the estimated structural formula of sulfur-modified polyacrylonitrile is shown below.
  • the sulfur-modified polyacrylonitrile may be a compound containing the following structure in part or in whole. For example, n is a natural number from 3 to 15.
  • the nitrogen-containing organic compound is preferably a compound that charges and discharges within a potential range of greater than 1.0 V (vs. Li/Li + ) and less than 3.0 V (vs. Li/Li + ).
  • Such compounds include sulfur-modified polyacrylonitrile and derivatives thereof.
  • the nitrogen-containing organic compound can function as a sub-positive electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium. This is because sulfur and/or sulfur compounds, which are the main positive electrode active materials, are also charged and discharged within the potential range. Thereby, the discharge capacity of the battery can be increased, and the energy density of the battery can be improved.
  • the potential range for charging and discharging is more preferably greater than 1.2V and less than 2.8V, more preferably greater than 1.3V and less than 2.7V, more preferably greater than 1.4V and less than 2.6V, even more preferably It is 1.5V or more and less than 2.5V.
  • the content of the lithium-containing oxide is A and the content of the nitrogen-containing organic compound is B, it is preferable that A ⁇ B.
  • the lithium-containing oxide in the above content in the sulfur composite layer its high ionic conductivity lowers the internal resistance of the sulfur composite layer, reduces polarization, and particularly improves high rate characteristics. .
  • the content shall be determined in terms of weight.
  • the content ratio of the lithium-containing oxide to the nitrogen-containing organic compound (A:B) is preferably 5:5 to 9:1, more preferably 6:4 to 9:1, and more preferably is 7:3 to 9:1, more preferably 8:2 to 9:1.
  • the content of sulfur and/or sulfur compounds is preferably 50% by weight or more, more preferably 55 to 90% by weight, and even more preferably 55 to 65% by weight, based on the weight of the sulfur composite layer. It is. If the content of sulfur and/or sulfur compounds is less than 50% by weight, the content of the positive electrode active material in the sulfur composite layer will be low, which may reduce the weight energy density of the battery, which is not preferable.
  • the sulfur composite layer contains 60 to 90% by weight of sulfur, sulfur compound and sulfur carbon composite material, 0 to 25% by weight of conductive additive, 3 to 5% by weight of binder, lithium-containing oxide and nitrogen.
  • the total amount of organic compounds contained is preferably in the range of 1 to 20% by weight. More preferably, the amount of the conductive additive is 4 to 25% by weight. In addition, it is sufficient that one or more of sulfur, a sulfur compound, and a sulfur-carbon composite material are contained.
  • the sulfur composite layer preferably includes nitrogen-containing compound particles dispersed within the sulfur composite layer as particles separate from the positive electrode active material particles. More preferably, the sulfur composite layer is a sulfur composite material in which particles of a sulfur carbon composite material, which is a composite of a positive electrode active material and a carbon-based conductive additive, lithium-containing oxide particles, and nitrogen-containing compound particles are formed as separate particles. They have a structure in which they are mutually dispersed within the layer and are bound together.
  • the sulfur composite layer is formed by a simple process of dispersing these particles in a solvent to prepare a sulfur composite layer slurry, applying the sulfur composite layer slurry to the positive electrode current collector, and then drying it. It can be made.
  • Such a positive electrode can achieve particularly high rate characteristics and improved charge/discharge cycle characteristics at the same time.
  • the thickness of the sulfur mixture layer may be any standard thickness, for example, 20 ⁇ m to 300 ⁇ m when measured from an electrode taken from a battery with 100% SOC.
  • the positive electrode further includes a ceramic layer laminated on the surface of the sulfur composite material layer, in addition to the positive electrode current collector and the sulfur composite material layer. Since the ceramic layer is laminated on the surface of the sulfur composite material layer, lithium polysulfide, which is a reaction intermediate product on the positive electrode side that is generated due to repeated charging and discharging, can be efficiently captured inside the ceramic layer, thereby reducing redox. It is possible to suppress the shuttle effect and improve the charge/discharge cycle characteristics of the battery. If there is another layer such as a graphite layer between the sulfur mixture layer and the ceramic layer, the supply of lithium ions from the non-aqueous electrolyte is hindered, and the ionic conductivity within the sulfur mixture layer decreases. This is not preferable because there is a possibility that the internal resistance of the battery will increase.
  • the ceramic powder is preferably made of a compound that charges and discharges within a potential range of greater than 1.0 V (vs. Li/Li + ) and less than 3.0 V (vs. Li/Li + ).
  • the ceramic powder can function as a sub-positive electrode active material that can insert and release lithium.
  • Sulfur and/or sulfur compounds which are the main positive electrode active materials of the positive electrode, are generally charged and discharged within a potential range of 2.4 to 1.8 V (vs. Li/Li + ), so the ceramic powder is also charged and discharged at the same time. This is because it can be charged and discharged. Thereby, the discharge capacity of the battery can be significantly increased, and the energy density of the battery can be improved.
  • the ceramic powder is made of a compound that charges and discharges in the above potential range, and the ceramic layer is laminated on the surface of the sulfur composite layer, the sulfur compounds dissolved from the sulfur composite layer during discharge are captured on the ceramic powder. Furthermore, sulfur compounds are reduced on the ceramic powder. During the reduction of the ceramic powder, the discharge can be continued until the sulfur compound is also sufficiently reduced (discharged) at the same time, improving the efficiency of sulfur utilization and improving the discharge capacity of the battery incorporating the positive electrode. I can do it.
  • Examples of compounds that charge and discharge in the above potential range include TiO 2 , Li 4 Ti 5 O 12 , TiNb 2 O 7 , LiTiO 4 , Li 2 Ti 3 O 7 , La 0.57 Li 0.29 TiO 3 , and Examples include titanium oxide or titanium-based composite oxides such as Li 1+x+y Al x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1), preferably Li 4 Ti 5 O 12 .
  • the ceramic powder is preferably made of a compound that undergoes a reduction reaction at a potential lower than 1.8 V (vs. Li/Li + ).
  • Li 4 Ti 5 O 12 is a compound that discharges at a potential of about 1.55 V (vs. Li/Li + ).
  • the ceramic layer preferably contains a binder in order to improve binding between the ceramic powders.
  • the binder is not particularly limited as long as it is a material that binds the materials included in the ceramic layer to each other, and any known binder can be used.
  • the binder for example, the same binder as mentioned as the binder for the sulfur mixture layer can be used.
  • the ceramic layer preferably contains a conductive aid in order to improve electronic conductivity.
  • the conductive agent is not particularly limited as long as it is a material that can improve the electronic conductivity of the ceramic layer, and any known conductive agent can be used.
  • As the conductive aid for example, the same conductive aids as those listed as the conductive aid for the sulfur composite layer can be used.
  • the content of the ceramic powder is preferably 80% by weight or more and 98% by weight or less, more preferably 85% by weight or more and 95% by weight or less, based on the weight of the ceramic layer.
  • lithium polysulfide which is a reaction intermediate product on the positive electrode side and is generated by repeated charging and discharging
  • the redox shuttle effect can be suppressed and the charging/discharging characteristics of the battery can be improved.
  • the ceramic powder content is less than 80%, the ionic/electronic conductivity decreases and there is a possibility that lithium polysulfide may not be trapped inside, which is not preferable.
  • the ceramic layer preferably contains 80 to 98% by weight of ceramic powder, 0 to 10% by weight of a conductive aid, and 1 to 10% by weight of a binder.
  • the ceramic layer further includes a nitrogen-containing heterocyclic compound.
  • the nitrogen-containing heterocyclic compound efficiently adsorbs lithium polysulfide therein. Therefore, by including it together with the ceramic powder, the redox shuttle effect can be suppressed more efficiently and the charging and discharging characteristics of the battery can be improved.
  • the nitrogen-containing heterocyclic compound for example, those similar to those listed as the material for the sulfur composite layer can be used.
  • the ceramic layer contains, for example, a titanium-based composite oxide, which is a ceramic powder, and a nitrogen-containing heterocyclic compound in a content ratio of 5:5.
  • the thickness of the ceramic layer may be any standard thickness, for example, 1 ⁇ m to 50 ⁇ m based on the value of an electrode taken from a battery with 100% SOC.
  • the positive electrode can be produced, for example, by the following method. First, sulfur and/or a sulfur compound, a lithium-containing oxide, a nitrogen-containing organic compound, a conductive agent, and a binder, which are the main positive electrode active materials described above, are dispersed in a solvent to prepare a sulfur composite layer slurry. Next, a sulfur composite layer slurry is applied to one or both surfaces of the positive electrode current collector, and then dried to obtain a sulfur composite layer. Thereby, a positive electrode including a positive electrode current collector and a sulfur composite layer can be manufactured. Examples of the solvent used to prepare the sulfur composite layer slurry and the ceramic layer slurry include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or water.
  • NMP N-methyl-2-pyrrolidone
  • a slurry for a ceramic layer is prepared by dispersing the above-mentioned ceramic material, conductive additive, and binder in a solvent. Next, a slurry for a ceramic layer is applied onto the dried sulfur mixture layer, and then dried to form a ceramic layer.
  • a lithium-sulfur battery includes the above-described positive electrode for a lithium-sulfur battery, a negative electrode capable of intercalating and deintercalating lithium ions, and a separator impregnated with a non-aqueous electrolyte.
  • the negative electrode includes a negative electrode active material. It may also include a negative electrode current collector.
  • the negative electrode current collector is not particularly limited, and any known one can be used.
  • rolled foil, electrolytic foil, etc. made of copper or copper alloy can be used. Specifically, it can be selected from the group consisting of copper, aluminum, stainless steel, titanium, silver, palladium, nickel, alloys thereof, and combinations thereof.
  • Stainless steel may be surface treated with carbon, nickel, titanium or silver; alloys include aluminum-cadmium alloys and the like.
  • baked carbon, a non-conductive polymer surface-treated with a conductive material, a conductive polymer, or the like can be used as the negative electrode current collector.
  • the negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a material that can occlude/desorb lithium ions, and any known material can be used.
  • the negative electrode active material may be a metal material such as metallic lithium, metallic sodium, lithium aluminum alloy, lithium tin alloy, lithium silicon alloy, sodium silicon alloy, lithium antimony alloy, sodium antimony alloy, or, for example, natural graphite, artificial graphite, It is selected from carbon materials such as carbon black, acetylene black, graphite, activated carbon, carbon fiber, coke, soft carbon and hard carbon, and oxide materials such as lithium titanate.
  • One or more of the negative electrode active materials may be used. When using two or more, their combination and ratio can be arbitrarily selected depending on the purpose.
  • the negative electrode active material is preferably metallic lithium or a lithium alloy.
  • the negative electrode may further include a conductive additive to allow electrons to move smoothly within the negative electrode, together with the negative electrode active material.
  • conductive additives include carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, carbon nanotubes (CNT), graphene, and reduced graphene oxide, or highly conductive materials such as polyaniline, polythiophene, polyacetylene, and polypyrrole. molecules can be used.
  • the conductive additive is preferably contained in an amount of 0 to 20% by mass based on the total weight of the negative electrode active material layer. Moreover, when the content of the conductive aid exceeds 20% by mass, the content of the negative electrode active material becomes relatively small, and there is a possibility that the capacity characteristics of the battery may deteriorate.
  • the negative electrode contains a binder that can make the negative electrode active material into a paste, improve the adhesion between the active materials or between the active material and the negative electrode current collector, and provide a buffering effect against expansion and contraction of the active material. It may further contain. Specifically, the same binder as used for the sulfur mixture layer can be used as the binder.
  • the negative electrode does not include a separate negative electrode current collector and consists only of a rolled foil made of lithium metal or a lithium alloy.
  • the non-aqueous electrolyte includes an electrolyte comprising a lithium salt and a non-aqueous solvent.
  • Examples of the electrolyte include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium bromide (LiBr), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium bisoxalate borate (LiB(C 2 O 4 )), and fluoroborate.
  • One or more lithium salts selected from the group of lithium salts such as lithium (LiBF 4 ), lithium nitrate (LiNO 3 ), lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), etc.
  • LiPF 6 lithium hexafluorophosphate
  • LiBr lithium bromide
  • LiClO 4 lithium perchlorate
  • LiB(C 2 O 4 ) lithium bisoxalate borate
  • fluoroborate LiB(C 2 O 4 )
  • LiB(C 2 O 4 ) lithium bisoxalate borate
  • the nonaqueous solvent contains a cyclic ether and a chain ether as a main component.
  • the cyclic ether include 1,3-dioxolane (DOL).
  • chain ethers include dimethoxyethane (DME).
  • the non-aqueous solvent may be, for example, a mixture of DOL and DME at a volume ratio of 1:1. When the non-aqueous solvent is a mixture of 1,3-dioxolane and dimethoxyethane, the high rate properties are particularly good.
  • a mixture of 1,3-dioxolane and dimethoxyethane, in which lithium polysulfide easily dissolves, has had problems with cycle characteristics in conventional lithium-sulfur batteries, but the electrode of the present invention prevents the elution of lithium polysulfide. We were able to solve the problem.
  • the non-aqueous solvent contains sulfolane (SL), dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethyl sulfone, etc. as a main component.
  • non-aqueous solvents include ethylene carbonate, ethylmethyl carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dimethoxyethane, sulfolane, oxolane, tetraglyme, triglyme, fluoroethylene carbonate, ionic liquids, and the like. It will be done.
  • the ionic liquid include 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, 1-butyl-3-methylimidazoliumbis(trifluoromethanesulfonyl)imide, and 1-methyl-3-propylimidazolium.
  • the non-aqueous electrolyte preferably includes a small amount of lithium nitrate as a secondary electrolyte separate from the primary electrolyte, if the primary electrolyte is different from lithium nitrate.
  • lithium nitrate is reductively decomposed on the negative electrode to form a film derived from lithium nitrate, so the film can suppress reductive decomposition of lithium polysulfide, suppress deterioration of the negative electrode, and improve charge-discharge cycle characteristics. It can be improved.
  • the electrolyte may contain, for example, 1 mol ⁇ dm ⁇ 3 of LiTFSI as a main electrolyte and 1% by weight of lithium nitrate as a sub-electrolyte based on the weight of the non-aqueous solvent.
  • the separator may be either an organic polymer separator or an inorganic separator, and is made of a material that does not react with the positive electrode active material, negative electrode active material, non-aqueous electrolyte, and the like.
  • the organic polymer separator include polyolefin resins such as polyethylene resin and polypropylene resin, microporous membranes such as nitrocellulose resin, and polyimide resin, or nonwoven fabrics.
  • the inorganic separator include silica glass nonwoven fabric.
  • the separator may be subjected to treatments such as ceramic coating and structural control. One type or two or more types of the processing may be performed, and a combination thereof can be arbitrarily selected depending on the purpose.
  • the microporous membrane or nonwoven fabric may have a single layer or a multilayer structure. Further, it may be a single sheet or may have other shapes such as a meandering shape.
  • the lithium sulfur battery discharges with a discharge cutoff potential of 1.0-1.5V (vs. Li/Li + ).
  • Discharging with the discharge cut-off potential in the above potential range means charging and discharging with the above potential range as the lower limit of the discharge voltage.
  • the discharge cut-off potential is within the above range, for example, when the ceramic powder contained in the ceramic layer is Li 4 Ti 5 O 12 , it is a compound that generally discharges at 1.55 V (vs. Li/Li + ). Therefore, it can function as a sub-positive electrode active material that occludes lithium.
  • sulfur and/or a sulfur compound, which is the main positive electrode active material of the positive electrode is generally discharged within a potential range of 2.4 to 1.8 V (vs. Li/Li + ).
  • Li 4 Ti 5 O 12 is discharged simultaneously with sulfur and/or sulfur compound which is the main positive electrode active material of the sulfur composite layer, the discharge capacity of the battery can be increased.
  • sulfur and/or sulfur compounds can react for a long time. This improves the utilization efficiency of sulfur as a positive electrode active material, allows discharge to continue until the main positive electrode active material is fully discharged, and improves the discharge capacity of a battery incorporating the positive electrode. .
  • the shape of the lithium-sulfur battery is not particularly limited, and includes, for example, a coin shape, a button shape, a sheet shape, a stacked type, a cylindrical shape, a square shape, a flat shape, and the like.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a lithium-sulfur battery according to a first embodiment.
  • the lithium-sulfur battery 1 includes a positive electrode 2, a negative electrode 3, and a separator 4 disposed between the positive electrode 2 and the negative electrode 3. These positive electrode 2, negative electrode 3, and separator 4 are housed in an exterior body (not shown).
  • the positive electrode 2 is composed of a positive electrode current collector 21 and a sulfur mixture layer 22 provided on the surface thereof facing the separator 4.
  • the negative electrode 3 includes a negative electrode current collector 31 and a negative electrode layer 32 provided on the surface thereof facing the separator 4 .
  • the separator 4 is impregnated with, for example, a non-aqueous electrolyte.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a lithium-sulfur battery according to the second embodiment.
  • the lithium-sulfur battery according to the second embodiment differs from the first embodiment in that the positive electrode 2 further includes a ceramic layer 23 laminated on the surface of the sulfur composite layer 22.
  • Example 1 Sulfur (S) and Ketjenblack (KB) were mixed at a weight ratio of 70:30. Next, the obtained mixture was heat-treated at 155°C for 12 hours under an inert gas atmosphere to infiltrate sulfur into the pores of Ketjen black and form a sulfur-carbon composite material (S/KB composite material). Created.
  • a sulfur carbon composite material (S/KB composite material), acetylene black (AB) and carbon nanotube (CNT) as conductive aids, carboxymethyl cellulose (CMC) as a binder, and Li 4 Ti as a lithium-containing oxide.
  • S/KB composite material acetylene black (AB) and carbon nanotube (CNT) as conductive aids
  • CMC carboxymethyl cellulose
  • Li 4 Ti Li 4 Ti as a lithium-containing oxide.
  • 5 O 12 and sulfur-modified polyacrylonitrile, which is a nitrogen-containing organic compound were added to ultrapure water, which was a solvent, and mixed and dispersed to prepare a positive electrode slurry.
  • a defoaming stirring device "Awatori Rentaro" manufactured by Thinky Co., Ltd. was used.
  • the prepared positive electrode slurry was applied onto a carbon-coated aluminum foil serving as a positive electrode current collector using a coating machine and dried to form a sulfur composite material layer.
  • the positive electrode slurry was applied so that the amount of sulfur supported in the sulfur composite layer was 3.5 mg cm -2 . Drying was carried out under vacuum at 60° C. overnight.
  • the sulfur content is 60% by weight based on the weight of the sulfur composite layer.
  • the positive electrode of Example 6 was manufactured by the same manufacturing method as the positive electrode of Example 1, except that the lithium-containing oxide in the sulfur composite layer was changed to Li 7 La 3 Zr 2 O 12 .
  • the positive electrode of Example 7 was manufactured by the same manufacturing method as the positive electrode of Example 1 above.
  • the positive electrode of Comparative Example 1 was manufactured by the same method as the positive electrode of Example 1, except that the contents of the lithium-containing oxide and the nitrogen-containing organic compound in the sulfur composite layer were changed to 0% by weight, respectively. Created.
  • the sulfur content was 64% by weight based on the weight of the sulfur composite layer.
  • the positive electrodes of Comparative Examples 4, 5, and 6 were the same as those of Example 1, except that the organic compounds in the sulfur composite layer were changed to polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, and polyethyleneimine, which were not nitrogen-containing heterocyclic compounds, respectively. It was manufactured using the same manufacturing method.
  • the positive electrode of Comparative Example 7 was manufactured by the same manufacturing method as the positive electrode of Example 1, except that the oxide in the sulfur composite layer was changed to Al 2 O 3 , which is a lithium-free oxide.
  • Example 8 The positive electrode of Example 8 was manufactured in the same manner as the positive electrode of Example 1, except that the positive electrode slurry was applied so that the amount of sulfur supported in the sulfur composite layer was 5.0 mg cm -2 . It was made by By increasing the supported amount of sulfur compared to Examples 1 to 7, it becomes difficult for a lithium-sulfur battery equipped with the positive electrode to obtain a sufficient discharge capacity, especially when high current is applied. Experiments were conducted under these conditions in order to obtain results that varied depending on the composition (weight ratio) of the lithium-containing oxide and the nitrogen-containing organic compound.
  • the positive electrode of Example 13 was produced in the same manner as the positive electrode of Example 10, except that the lithium-containing oxide in the sulfur composite layer was changed to Li 7 La 3 Zr 2 O 12 .
  • the positive electrode was manufactured using the same manufacturing method as the positive electrode of Example 1 above, except that the positive electrode was changed to % by weight and 20% by weight.
  • the composition (weight ratio) of the sulfur composite layer was 0.2:0.3 in Example 17 and 0.4:0.6 in Example 18 for Li 4 Ti 5 O 12 :nitrogen-containing organic compound. In Example 19, the ratio is 1.3:1.7, in Example 20, 4.3:5.7, in Example 21, 6.4:8.6, and in Example 22, 8.6:11.4.
  • the positive electrode of Example 23 differs from the positive electrode of Example 8 in that it further includes a ceramic layer laminated on the surface of the sulfur mixture layer.
  • the positive electrode of Example 23 was manufactured by the same manufacturing method as the positive electrode of Example 1 above, except as described below.
  • the positive electrode slurry was applied so that the amount of sulfur supported in the sulfur composite layer was 5.0 mg cm -2 .
  • vacuum drying was performed at 60° C. for 1 hour.
  • Li 4 Ti 5 O 12 powder which is a ceramic powder
  • AB which is a conductive aid
  • CMC which is a binder
  • ultrapure water which is a solvent
  • ultrapure water which is a solvent
  • the prepared slurry for a ceramic layer was applied onto the dried sulfur mixture layer using a coating machine and dried to form a ceramic layer. Drying was carried out under vacuum at 60° C. overnight.
  • Example 27 used sulfur-modified polyacrylonitrile
  • Example 28 used poly(N-vinylcarbazole)
  • Example 29 used poly(N-vinylpyridine).
  • the positive electrode of Comparative Example 8 was produced by the same method as the positive electrode of Example 23, except that the contents of the lithium-containing oxide and the nitrogen-containing organic compound in the sulfur composite layer were each changed to 0% by weight. Created.
  • the sulfur content was 64% by weight based on the weight of the sulfur composite layer.
  • Non-aqueous electrolytes other than Example 7 contained a main electrolyte of lithium bis(trifluoromethane)sulfonimide (LiTFSI) at 1 mol/dm 3 and a sub-electrolyte of LiNO 3 based on the weight of the non-aqueous solvent. It was prepared by mixing 1% by weight. As the nonaqueous solvent, a mixture of 1,3-dioxolane (DOL) and 1,2-dimethoxyethane (DME) at a volume ratio of 1:1 was used. The nonaqueous electrolyte of Example 7 was prepared in the same manner as the above nonaqueous electrolyte except that LiNO 3 as a subelectrolyte was not added.
  • LiTFSI lithium bis(trifluoromethane)sulfonimide
  • DME 1,2-dimethoxyethane
  • a coin-shaped test cell was prepared using the positive and negative electrodes of Examples 1 to 29 and Comparative Examples 1 to 10.
  • the negative electrode used was one in which lithium metal, which was a negative electrode active material, was deposited on copper foil, which was a negative electrode current collector. Inside the exterior body, each positive electrode and negative electrode were arranged with a separator impregnated with an electrolytic solution interposed therebetween. The electrode area of each positive electrode is 1.583 cm 2 .
  • a PP separator manufactured by Celgard was used as the separator, and was impregnated with the prepared non-aqueous electrolyte.
  • Table 1 below lists the oxide and organic compound materials contained in the sulfur composite layers of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 7, their contents, the results of the discharge capacity evaluation test below, and the following charge The results of the discharge cycle test are shown.
  • the amount of sulfur supported in the sulfur composite layer was 3.5 mg cm -2 .
  • Table 2 below shows the oxide and organic compound materials contained in the sulfur composite layers of Examples 8 to 16, their contents, and the results of the following discharge capacity evaluation test.
  • the amount of sulfur supported in the sulfur composite layer was 5.0 mg cm -2 .
  • Table 3 below lists the materials of the oxides and organic compounds contained in the sulfur mixture layers of Examples 17 to 22, their contents, the total content of oxides and organic compounds, and the contents of the sulfur mixture layers in Examples 17 to 22.
  • the ratio of sulfur contained in the battery, the results of the discharge capacity evaluation test below, and the results of the charge/discharge cycle test below are shown.
  • the amount of sulfur supported in the sulfur composite layer is all 3.5 mg cm -2 , and the thickness of the sulfur composite layer is different.
  • Table 4 below lists the materials of oxides and organic compounds contained in the sulfur composite layers of Examples 23 to 29 and Comparative Examples 8 to 10, their contents, the materials contained in the ceramic layers, and the following discharge capacity. The results of the evaluation test and the results of the charge/discharge cycle test are shown below. In the positive electrode shown in Table 3, the amount of sulfur supported in the sulfur composite layer was 5.0 mg cm -2 .
  • ⁇ Discharge capacity evaluation test> As shown in Tables 1 to 4, a discharge capacity evaluation test was conducted for each evaluation cell of Examples 1 to 29 and Comparative Examples 1 to 10. The test was conducted at an ambient temperature of 60°C. In each evaluation cell in Table 1, constant current discharge was performed at 0.9 mA (0.1 C), 4.5 mA (0.5 C), and 9.0 mA (1.0 C) until reaching 1.0 V. . In each evaluation cell in Table 2, constant current discharge was performed at 1.3 mA (0.1 C) and 6.5 mA (0.5 C) until reaching 1.0 V. In each evaluation cell in Table 3, constant current discharge was performed at 0.9 mA (0.1 C), 4.5 mA (0.5 C), and 9.0 mA (1.0 C) until reaching 1.0 V. . In each evaluation cell in Table 4, constant current discharge was performed at 1.3 mA (0.1 C) until reaching 1.0 V. These results are shown in Tables 1 to 4. The discharge capacity was shown as a value normalized by the weight of the positive electrode.
  • each test cell in Table 1 was subjected to constant current discharge at 0.9 mA (0.1 C) until reaching 1.0 V.
  • each test cell was charged with constant current until reaching 3.0V at the same current density. This charging and discharging was regarded as one cycle, and charging and discharging were repeated 100 cycles. Thereafter, the capacity retention rate was calculated using the following formula. The results are shown in Table 1.
  • Capacity retention rate (%) Discharge capacity at 100th cycle/Discharge capacity at 1st cycle
  • the test was conducted in the same manner as in Table 1.
  • the test was conducted in the same manner, except that the constant current charging and constant current discharging were performed at a current density of 1.3 mA (0.1 C).
  • the sulfur composite layer contained both a lithium-containing oxide and a nitrogen-containing organic compound, and the nitrogen-containing organic compound was a nitrogen-containing heterocyclic compound. Due to this, a high discharge capacity was exhibited at any current value, and a good capacity retention rate was obtained.
  • Example 1 in which the lithium-containing oxide is Li 4 Ti 5 O 12 , a better discharge capacity is obtained due to its higher lithium ion conductivity than in Example 6 in which the lithium-containing oxide is Li 7 La 3 Zr 2 O 12 . Obtained.
  • Comparative Example 7 containing Al 2 O 3 which is a lithium-free oxide the discharge capacity when high current was applied was significantly reduced compared to Examples 1 to 7.
  • Comparative Examples 4 to 6 in which the sulfur composite layer did not contain a nitrogen-containing heterocyclic compound but contained other polymers the discharge capacity when high current was applied was significantly reduced compared to Examples 1 to 7.
  • Example 17 Although the total content of the lithium-containing oxide and the nitrogen-containing organic compound was as small as 0.5% by weight, Comparative Example 2 contained only the lithium-containing oxide at 7.0% by weight. The same capacity retention rate was obtained. Further, in Example 17, a capacity retention rate of about 75% was obtained compared to the capacity retention rate of Comparative Example 3, which contained only a nitrogen-containing organic compound at 7.0% by weight.
  • Example 18 in which the total content of the lithium-containing oxide and the nitrogen-containing organic compound was 1% by weight, a capacity retention rate higher than that of Comparative Example 3 was obtained. Therefore, by including both a lithium-containing oxide and a nitrogen-containing organic compound in the sulfur composite layer, if the content is equivalent, it will be better than the case where either the lithium-containing oxide or the nitrogen-containing organic compound is included. It can be seen that a capacity maintenance rate can be obtained. In addition, it can be seen that Examples 18 to 22 in which the content is 1% by weight or more have better capacity retention rates. Further, by comparing the results of the test cells of Examples 17 to 22, it can be seen that the lower the proportion of sulfur contained in the sulfur composite layer, the lower the discharge capacity per positive electrode weight.
  • the total content of the lithium-containing oxide and the nitrogen-containing organic compound is preferably 1% by weight or more and 20% by weight or less based on the weight of the sulfur composite layer.
  • Example 26 The charge-discharge curve of Example 26 is shown in FIG. Since the ceramic powder contained in the ceramic layer is Li 4 Ti 5 O 12 , it is hereinafter referred to as a Li 4 Ti 5 O 12 layer. In the charge/discharge curve of a lithium-sulfur battery incorporating 12 layers of Li 4 Ti 5 O, a potential flat portion where the potential becomes constant around 1.55 V (vs. Li/Li + ) can be confirmed.
  • the oxidation-reduction potential of Li 4 Ti 5 O 12 is 1.55V, and the charging/discharging curve shifts to the high potential side when charging current is passed due to overvoltage of the battery, and to the low potential side when discharging current is passed, so 1.54V It can be inferred that the potential flat part of the discharge curve at 1.57 V and the potential flat part of the charging curve at 1.57 V originate from the oxidation-reduction of Li 4 Ti 5 O 12 . Focusing on the discharge capacity of the charge/discharge curve near 1.55V (vs. Li/Li + ), the discharge curve shows that at 1.54V (vs. Li/Li + ), the discharge capacity per positive electrode weight is 137 mAhg -1 Capacity components can be confirmed. On the other hand, from the charging curve, at 1.57 V (vs. Li/Li + ), a capacity component of 47 mAhg ⁇ 1 can be confirmed as the charging capacity per positive electrode weight. These results show that the discharge capacity is larger than the charge capacity.
  • the capacitance component of Li 4 Ti 5 O 12 in this test corresponds to about 47 mAhg -1 in the curve, so the capacitance component of 1.54 (vs. Li/Li + ) in the charging curve is Li 4 Ti 5 O 12 It can be inferred that this is a capacity component derived from the oxidation of On the other hand, from the discharge curve, it was confirmed that the capacity was higher than the capacitance component ( approximately 47 mAhg -1 ) possessed by Li 4 Ti 5 O 12 . It can be assumed that in addition to the reduction of sulfur, a volume component is added in which unreacted sulfur and sulfur compounds reacted simultaneously.
  • the sulfur utilization rate was improved by the Li 4 Ti 5 O 12 reduced during discharge reacting with unreacted sulfur. It will be done. Additionally, if the ceramic material is a material that oxidizes and reduces in the potential range of 1.0V (vs. Li/Li + ) to 3.0V (vs. Li/Li + ), unreacted sulfur will react in the same way. Therefore, similar effects can be expected. From the above results, in the positive electrode with a ceramic layer introduced, the voltage is 1.0V (vs. Li/Li + ) or more and 1.5V (vs. Li/Li + ) or less, at which the ceramic powder contained in the ceramic layer can be sufficiently reduced. It was suggested that the capacity increases significantly by discharging to this value.
  • the configuration of the present invention it is possible to provide a positive electrode for a lithium-sulfur battery and a lithium-sulfur battery that can simultaneously improve discharge rate characteristics and charge/discharge cycle characteristics.
  • a positive electrode for a lithium-sulfur battery includes a positive electrode current collector and a sulfur composite layer laminated on the surface of the positive electrode current collector, and the sulfur composite layer includes: It contains sulfur and/or a sulfur compound as a main positive electrode active material, a lithium-containing oxide, and a nitrogen-containing organic compound, and the nitrogen-containing organic compound is a nitrogen-containing heterocyclic compound.
  • the nitrogen-containing heterocyclic compound may be a compound containing a pyridine ring skeleton.
  • the lithium-containing oxide has a voltage higher than 1.0V (vs. Li/Li + ) and 3.0V (vs. Li /Li + ).
  • the lithium-containing oxide may be a lithium-titanium-based composite oxide.
  • the nitrogen-containing organic compound has a voltage higher than 1.0V (vs.
  • the nitrogen-containing organic compound may be sulfur-modified polyacrylonitrile or a derivative thereof.
  • the sulfur composite layer may further include a carbon-based conductive additive.
  • the total content of the lithium-containing oxide and the nitrogen-containing organic compound is based on the weight of the sulfur composite layer. The amount may be 1% by weight or more and 20% by weight or less.
  • the positive electrode for a lithium-sulfur battery further includes a ceramic layer laminated on the sulfur composite layer, and the ceramic layer may contain ceramic powder as a main component.
  • the ceramic powder may be made of titanium oxide or a titanium-based composite oxide.
  • the ceramic layer may further contain a nitrogen-containing heterocyclic compound.
  • the lithium-sulfur battery includes a positive electrode for a lithium-sulfur battery that satisfies any one of the first to twelfth aspects, a negative electrode that can insert and release lithium ions, and Equipped with a separator impregnated with a non-aqueous electrolyte.
  • the non-aqueous electrolyte in addition to being the lithium-sulfur battery according to the thirteenth aspect, includes an electrolyte made of a lithium salt and a non-aqueous solvent, and the non-aqueous solvent comprises: , 3-dioxolane and dimethoxyethane.
  • the non-aqueous electrolyte is a sub-electrolyte separate from the main electrolyte that is the main component of the electrolyte. It may further contain lithium nitrate as a solvent.
  • the lower limit of the discharge voltage is set to 1.0 V (vs. Li /Li + ) or more and 1.5 V (vs. Li/Li + ) or less for discharging.

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Abstract

レート特性の改善と充放電サイクル特性の向上とを同時に実現することが可能な、リチウム硫黄電池用正極を提供する。　一つの実施形態によると、正極集電体、及び正極集電体の表面に積層される硫黄合材層を備え、硫黄合材層は、主正極活物質である硫黄及び／又は硫黄化合物と、リチウム含有酸化物と窒素含有有機化合物とを含み、窒素含有有機化合物は、含窒素ヘテロ環化合物であることを特徴とする、リチウム硫黄電池用正極が提供される。

Description

リチウム硫黄電池用正極、リチウム硫黄電池及びその充放電方法
　本発明は、リチウム硫黄電池用正極、リチウム硫黄電池及びその充放電方法に関する。
　近年、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池の用途は、携帯電話等の携帯機器、電動工具、電気自動車等の電源として大きく拡大している。非水電解質二次電池は、これらの電源として、更なる高エネルギー密度化、長寿命化等が求められている。
　現在、次世代電池の一つとして、高エネルギー密度化のため、リチウム硫黄電池が注目されている。このようなリチウム硫黄電池は、正極と負極との間でリチウムイオンを移動させて充放電を行う。正極は、例えば、硫黄及び／又は硫黄化合物からなる正極活物質、導電助剤、及びバインダーを含む硫黄合材層と、硫黄合材層を担持する正極集電体を備える。負極は、例えば、リチウム金属と、リチウム金属を担持する負極集電体を備える。正極と負極との間には、セパレータが介在されている。正極、負極及びセパレータを含む極板群は、電池容器内に非水電解質とともに収容されている。非水電解質は、一般的には、非水溶媒にリチウム塩等の電解質を溶解した非水電解液が使用されている。
　しかしながら、現状、リチウム硫黄電池は、十分な充放電サイクル特性が得られず、早期寿命を迎える問題がある。この原因の具体的な一つには、レドックスシャトル効果と呼ばれる現象が挙げられる。このような現象では、充放電の繰り返しにより、正極側での反応中間生成物であるリチウムポリスルフィド（Ｌｉ２Ｓ８、Ｌｉ２Ｓ６等）が電解液に溶解及び拡散する。拡散したリチウムポリスルフィドは、充電時に電気泳動して負極上で還元され、更に拡散して正極側で酸化される。この電気化学反応は、リチウムポリスルフィドがＬｉ２Ｓになるまで進行し、電池の自己放電を生じさせる。リチウム硫黄電池の充放電サイクル特性を向上するには、レドックスシャトル効果を抑制することが必要である。
　また、リチウム硫黄電池には、十分な放電レート特性が得られず、特に高電流印加時における放電容量が低いという問題がある。この原因の一つには、硫黄及び／又は硫黄化合物からなる正極活物質は、イオン伝導性及び電子伝導性が低いことが挙げられる。また、高エネルギー密度を得るためには、正極活物質を含む正極スラリーを正極集電体に多量に塗工（担持ともいう）する必要があるが、そのような場合硫黄合材層中の内部抵抗が増加するため、更に正極重量あたりの放電容量が減少する。
　このような問題を解決するため、リチウム硫黄電池の電池特性の向上に向けて、様々な研究が進められている。
　非特許文献１では、窒素含有有機化合物、具体的には環状ポリアクリロニトリルで硫黄／カーボン複合材料を包み込む方法が検討されている。非特許文献２では、硫黄と炭素原子の一部を窒素原子に置換したグラフェン（窒素ドープグラフェン）とを共に含む硫黄合材層が検討されている。環状ポリアクリロニトリル及び窒素ドープグラフェンは、ポリスルフィドを吸着してその溶出を抑制する役割を有している。非特許文献１及び２に開示されたリチウム硫黄電池では、窒素含有有機化合物で複合材料を包み込む製造プロセスや窒素ドープグラフェンの製造プロセスが非常に複雑で高コストである。
　非特許文献３では、リチウム硫黄電池の硫黄合材層の表面において、グラファイト／Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２二重層を形成することが検討されている。この二重層は、電解液に溶解したポリスルフィドを、その内部に捕捉して、負極表面への拡散を抑制する役割を有している。その結果、レドックスシャトル効果を抑制して、充放電サイクル特性を改善することができる。
Ｚｈｉ Ｃｈａｎｇ他，Ｎｅｗ Ｊ. Ｃｈｅｍ．，２０１６， ４０, ｐ．７６８０－７６８６ Ｈｕａｄｏｎｇ Ｙｕａｎ他，Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ. ２０１８, １０, ｐ．１－９ Ｊｕｎ　Ｍｉｎｇ他，ＡＣＳ Ｎａｎｏ，２０１６，Ｖоｌ．１０，ｐ．６０３７－６０４４
　しかしながら、非特許文献１及び２では、硫黄合材層内のイオン伝導性が十分ではなく、電池の内部抵抗が高く、放電容量が低下する問題があった。また、非特許文献３に開示されたリチウム硫黄電池では、二重層の存在により非水電解液からのリチウムイオンの供給が妨げられ、硫黄合材層内のイオン伝導性が低下して、電池の内部抵抗が増加する問題があった。
　このため、これら電池では、硫黄合材層の内部抵抗を低減して放電容量の低下を抑制し、かつ更なる充放電サイクル特性の改善が要求されていた。
　本発明は上記課題を解決し、放電レート特性の改善と充放電サイクル特性の向上とを同時に実現することが可能な、リチウム硫黄電池用正極、リチウム硫黄電池及びその充放電方法を提供するものである。
　上記の課題を解決するために、一つの実施形態によると、リチウム硫黄電池用正極であって、正極集電体、及び前記正極集電体の表面に積層される硫黄合材層を備え、前記硫黄合材層は、主正極活物質である硫黄及び／又は硫黄化合物と、リチウム含有酸化物と窒素含有有機化合物とを含み、前記窒素含有有機化合物は、含窒素ヘテロ環化合物であることを特徴とする、リチウム硫黄電池用正極が提供される。
　上記の課題を解決するために、一つの実施形態によると、上述するリチウム硫黄電池用正極、リチウムイオンを吸蔵及び放出できる負極、及び非水電解液を含侵したセパレータを備えることを特徴とするリチウム硫黄電池が提供される。
　上記課題を解決するために、一つの実施形態によると、放電電圧の下限を１．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）以上１．５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）以下として放電を行うことを特徴とする、リチウム硫黄電池の充放電方法が提供される。
　本発明によれば、放電レート特性の改善と充放電サイクル特性の向上とを同時に実現することが可能な、リチウム硫黄電池用正極、リチウム硫黄電池及びその充放電方法を提供できる。
第１の実施形態に係るリチウム硫黄電池の一例を示す断面図である。 第２の実施形態に係るリチウム硫黄電池の一例を示す断面図である。 実施例２０の充放電曲線を示す図である。
　以下、実施形態に係るリチウム硫黄電池用正極を詳細に説明する。
　＜正極＞
　正極は、正極集電体、及び前記正極集電体の表面に積層される硫黄合材層を備えている。硫黄合材層は、主正極活物質である硫黄及び／又は硫黄化合物と、リチウム含有酸化物と窒素含有有機化合物とを含む。窒素含有有機化合物は、含窒素ヘテロ環化合物である。
　このような実施形態に係るリチウム硫黄電池用正極によれば、放電レート特性の改善と充放電サイクル特性の向上とを同時に実現することができる。
　硫黄合材層がリチウム含有酸化物と窒素含有有機化合物との両方を含み、窒素含有有機化合物が含窒素ヘテロ環化合物であることによって、充放電の繰り返しにより発生する、正極側での反応中間生成物であるリチウムポリスルフィドを、硫黄合材層内部に効率的に捕捉でき、レドックスシャトル効果を抑制して電池の充放電サイクル特性を改善することができる。リチウム含有酸化物及び窒素含有有機化合物は、いずれもリチウムポリスルフィドを吸着する高い効果を有するものの、一方のみを含む場合には十分な効果が得られなかった。本発明者らは、これら両方を硫黄合材層内に含むことにより、その相乗効果により、上記効果を顕著に得ることができることを見出した。
　また、特に硫黄合材層がリチウム含有酸化物を含むことによって、硫黄合材層内のイオン伝導性を向上させることや、正極と電解液界面の抵抗（電荷移動抵抗）を低減できるため、内部抵抗を低下させることができる。これにより、当該正極が組み込まれる電池の内部抵抗を低減でき、特に高電流印加時における放電容量を改善することができる。
　さらに、窒素含有有機化合物を含むことによって、硫黄合材層への電解液の濡れ性が良くなり、硫黄合材層内のイオン伝導性を向上させる。
　いくつかの実施形態において、正極は、正極集電体と、正極集電体の一方又は両方の面に形成された硫黄合材層とを備えている。
　正極集電体は、特に限定されるものではなく、公知又は市販のものを使用できる。正極集電体としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、銅、或いはそれらの合金、又はステンレス鋼からなる圧延箔、電解箔、金属メッシュ、金属多孔質体、エキスパンドグリッド、パンチングメタル等を使用できる。正極集電体には、硫黄合材層との間の電気伝導性を良好にすることや、硫黄合材層と正極集電体の密着性を向上するため、カーボンコートアルミ箔を使用することが好ましい。
　硫黄合材層は、上述するように、硫黄及び／又は硫黄化合物、リチウム含有酸化物、窒素含有有機化合物を含んでいる。バインダー及び／又は導電助剤を更に含み得る。
　硫黄及び／又は硫黄化合物は、リチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な主正極活物質である。硫黄及び／又は硫黄化合物としては、例えば、結晶状硫黄、粒状硫黄、コロイド状硫黄、硫化リチウム、多硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓｘ、ｘ＝４～８）、有機硫黄化合物又は炭素－硫黄ポリマー（（Ｃ２Ｓｘ）ｎ、ｘ＝２．５～５０、ｎ≧２）等が挙げられる。硫黄及び／又は硫黄化合物は、これらの単体又は複数の混合物であってよく、その組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。硫黄及び／又は硫黄化合物は、好ましくは粒状硫黄、より好ましくはコロイド状硫黄である。
　導電助剤は、硫黄合材層の電子伝導性を向上できる材料であれば特に限定されるものではなく、公知のものを使用することができる。導電助剤としては、例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、多孔質カーボン、人造黒鉛、天然黒鉛、活性炭等のカーボン系導電助剤が挙げられる。導電助剤を含むことにより、高レート特性及び充放電サイクル特性を改善し、かつ分極を小さくすることができる。導電助剤としては、これら効果が高いことから、比表面積が５００～２５００ｍ２ｇ－１のものが好ましい。導電助剤は、これらの単体又は複数の混合物であってよく、その組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。中でも、多孔質カーボンが好ましい。
　硫黄及び／又は硫黄化合物の一部または全部は、カーボンブラック等のカーボン系導電助剤の一部又は全部と複合化して、硫黄カーボン複合材料として配合することが好ましい。硫黄カーボン複合材料の作製方法としては、溶融含侵法、電解析出法、蒸着法、浸漬法、メカニカルミキシング法等が挙げられ、好ましくは溶融含侵法である。硫黄カーボン複合材料にすることにより、硫黄及び／又は硫黄化合物の電子伝導性を改善することができる。硫黄カーボン複合材料は、例えば、硫黄（Ｓ）と、ケッチェンブラック（ＫＢ）とを重量比７０：３０で混合して、１２時間熱処理して作製されるＳ／ＫＢ複合材料であり得る。また、硫黄及び／又は硫黄化合物と硫黄カーボン複合材料は併用してもよい。更に、複合化されたカーボン系導電助剤は、導電助剤と同様のものを使用しても良い。
　バインダーは、硫黄合材層が含む材料を相互に結着する材料であれば特に限定されるものではなく、公知又は市販のものを使用することができる。バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデン－六フッ化プロピレン共重合体（ＰＶＤＦ－ＨＦＰ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリアクリル酸リチウム（ＰＡＡＬｉ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレン－プロピレン共重合体、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、アクリル樹脂等が挙げられる。バインダーは、これらの単体又は複数の混合物であってよく、その組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。バインダーは、好ましくは、ＰＶＤＦ、ＳＢＲ、及びＣＭＣである。
　リチウム含有酸化物は、リチウムポリスルフィドを吸着し、かつ硫黄合材層内にリチウムイオンを供給して、硫黄合材層内のイオン伝導性を向上させ、さらに正極と電解液界面の抵抗（電荷移動抵抗）を低減できる。リチウム含有酸化物としては、公知のものを使用でき、例えば、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、ＬｉＴｉＯ４、Ｌｉ２Ｔｉ３Ｏ７、Ｌｉ０．３５Ｌａ０．５５ＴｉＯ３、Ｌｉ１＋ｘ＋ｙＡｌｘ（Ｔｉ，Ｇｅ）２－ｘＳｉｙＰ３－ｙＯ１２（０≦ｘ≦２、０≦ｙ≦３）等のリチウムチタン系複合酸化物、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＮｉＣｏＭｎＯ２、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２、ＬｉＭＰＯ４（Ｍ＝Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の遷移金属）、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５Ｏ２、ＬｉＭｎｘＦｅ１－ｘＰＯ４（０＜ｘ＜１）、ＬｉＮｉ１－ｘ－ｙＣｏｘＭｎｙＯ２（０＜ｘ，ｙ，ｚ＜１)、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２等が挙げられる。リチウム含有酸化物は、これらの単体又は複数の混合物であってよく、その組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。
　リチウム含有酸化物は、リチウムポリスルフィドの高い吸着性を有し、硫黄合材層中にリチウムポリスルフィドを捕捉する高い効果が期待でき、高いリチウムイオン伝導性を有する。
　硫黄合材層中のリチウム含有酸化物は、好ましくはリチウムチタン系複合酸化物であり、更に好ましくはＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２である。リチウムチタン系複合酸化物は、充放電の繰り返しにより、正極側での反応中間生成物であるリチウムポリスルフィドをその内部に効率的に捕捉でき、レドックスシャトル効果を抑制して電池の充放電サイクル特性を改善することができる。リチウム含有酸化物としてリチウムチタン系複合酸化物を使用することによって、当該正極を組み込んだ電池の充放電サイクル特性を更に改善することができる。
　リチウム含有酸化物は、好ましくは、１．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）より大きく３．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）未満の電位範囲内で充放電する化合物である。このような化合物としては、リチウムチタン系複合酸化物が挙げられ、具体的にはＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、ＬｉＴｉＯ４、Ｌｉ２Ｔｉ３Ｏ７等が挙げられる。このような化合物である場合、リチウム含有酸化物がリチウムを吸蔵及び放出することが可能な副正極活物質として機能することができる。これは、主正極活物質である硫黄及び／又は硫黄化合物も当該電位範囲内で充放電するためである。これにより、電池の放電容量を増加することができ、電池の重量エネルギー密度を向上することができる。上記充放電する電位範囲は、より好ましくは１．２Ｖより大きく２．８Ｖ未満、より好ましくは１．３Ｖより大きく２．７Ｖ未満、より好ましくは１．４Ｖより大きく２．６Ｖ未満、更に好ましくは１．５Ｖ以上で２．５Ｖ未満である。
　リチウム含有酸化物及び窒素含有有機化合物の合計の含有量は、好ましくは、硫黄合材層の重量に対して、１重量％以上２０重量％以下である。当該合計量が１重量％未満であると、リチウムポリスルフィドの吸着効果が得られず、電池の充放電サイクル特性が低下する虞がある。一方、当該合計量が２０重量％を超えると、硫黄合材層中の正極活物質の含有量が相対的に低下して、電池の重量エネルギー密度が低下する虞がある。
　リチウム含有酸化物及び窒素含有有機化合物の合計の含有量は、より好ましくは４～２０重量％であり、より好ましくは５～１５重量％であり、更に好ましくは６～１２重量％である。
　リチウム含有酸化物の含有量は、好ましくは、硫黄合材層の重量に対して、０重量％より大きく２０重量％未満である。硫黄合材層がリチウム含有酸化物を上記含有量で含むことによって、その高いイオン伝導性により硫黄合材層の内部抵抗を低下させ、特に高レート特性を改善することができる。これは、リチウム含有酸化物が、充放電の繰り返し時に、硫黄合材層内にリチウムイオンを伝導させるためである。これにより、当該正極が組み込まれる電池の内部抵抗を低減でき、特に高レート特性を改善することができる。
　リチウム含有酸化物の含有量は、より好ましくは、硫黄合材層の重量に対して、５重量％以上１０重量％以下である。
　窒素含有有機化合物は、含窒素ヘテロ環化合物であり、含窒素ヘテロ環骨格を含む化合物である。窒素含有有機化合物は、その内部にリチウムポリスルフィドを吸着し、レドックスシャトル効果を抑制する。さらに、硫黄合材層への電解液の濡れ性が良くなり、硫黄合材層内のイオン伝導性を向上させる。このことにより、当該正極を備えるリチウム硫黄電池の放電レート特性及びサイクル特性を改善する。
　窒素含有ヘテロ環骨格としては、例えば、４～６員環の芳香族ヘテロ環骨格又は脂肪族ヘテロ環骨格を含む、単環式又は多環式骨格であり得る。窒素含有ヘテロ環骨格には、例えば、ピリジン、ピロール、ピリミジン、カルバゾール、ベンゾイミダゾール及びそれらの誘導体からなる骨格が挙げられる。
　含窒素ヘテロ環化合物としては、例えば、環状ポリアクリロニトリルとその誘導体、ポリ（Ｎ－ビニルカルバゾール）とその誘導体、ポリ（ベンゾイミダゾベンゾフェナントロリン）とその誘導体、ポリ（Ｎ－ビニルピリジン）とその誘導体、ポリ（Ｎ－ビニルピロリドン）とその誘導体、テトラフェニルポルフィリンとその誘導体等が挙げられる。これら化合物の構造式を、以下に示す。ｎは、例えば、３～１５の自然数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
　含窒素ヘテロ環化合物は、非水電解液に溶解しにくい材料が好ましい。含窒素ヘテロ環化合物は、繰り返し構造単位中に含窒素ヘテロ環骨格を含むポリマーであることが好ましく、例えば上記列挙した化合物が挙げられる。含窒素ヘテロ環化合物は、例えば、含窒素ヘテロ環骨格を含むモノマーの重合体であり得る。含窒素ヘテロ環化合物は、これらの単体又は複数の混合物であってよく、その組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。
　含窒素ヘテロ環化合物としては、ピリジン環骨格を含む化合物が好ましく、例えば、環状ポリアクリロニトリルとその誘導体、ポリ（Ｎ－ビニルピリジン）とその誘導体が挙げられる。ピリジン環骨格を含む化合物は、リチウムポリスルフィドを吸着する性質が高く、硫黄合材層中にそれを捕捉する高い効果が期待できるためである。含窒素ヘテロ環化合物は、更に好ましくは硫黄変性ポリアクリロニトリルである。
　ピリジン環骨格の特定は、例えば、Ｘ線光電子分光により行うことができる。
　硫黄変性ポリアクリロニトリルとは、環状ポリアクリロニトリルの誘導体の一種であり、硫黄によって変性された環状ポリアクリロニトリルである。硫黄変性ポリアクリロニトリルは、例えば硫黄粉末をポリアクリロニトリル粉末と混合し、硫黄の流出を防止できる状態で、非酸化性雰囲気下で加熱する方法により、ポリアクリロニトリルの閉環反応と同時に、硫黄の蒸気がポリアクリロニトリルと反応して得られる、硫黄によって変性されたポリアクリロニトリルであり得る。硫黄変性ポリアクリロニトリルを含窒素ヘテロ環化合物として使用する場合、正極活物質としては別の硫黄又は硫黄化合物を含む。推定される硫黄変性ポリアクリロニトリルの構造式を以下に示す。硫黄変性ポリアクリロニトリルは、以下の構造を一部又は全部に含む化合物であり得る。ｎは、例えば、３～１５の自然数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
　窒素含有有機化合物は、好ましくは、１．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）より大きく３．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）未満の電位範囲内で充放電する化合物である。このような化合物としては、硫黄変性ポリアクリロニトリルとその誘導体が挙げられる。このような化合物である場合、窒素含有有機化合物がリチウムを吸蔵及び放出することが可能な副正極活物質として機能することができる。これは、主正極活物質である硫黄及び／又は硫黄化合物も当該電位範囲内で充放電するためである。これにより、電池の放電容量を増加することができ、電池のエネルギー密度を向上することができる。上記充放電する電位範囲は、より好ましくは１．２Ｖより大きく２．８Ｖ未満、より好ましくは１．３Ｖより大きく２．７Ｖ未満、より好ましくは１．４Ｖより大きく２．６Ｖ未満、更に好ましくは１．５Ｖ以上２．５Ｖ未満である。
　前記硫黄合材層において、リチウム含有酸化物の含有量をＡ、窒素含有有機化合物の含有量をＢとしたとき、Ａ≧Ｂであることが好ましい。硫黄合材層がリチウム含有酸化物を上記含有量で含むことによって、その高いイオン伝導性により硫黄合材層の内部抵抗を低下させ、分極が小さくなり、特に高レート特性を改善することができる。なお、含有量は重量換算で求めるものとする。
　リチウム含有酸化物の含有量と窒素含有有機化合物との含有比率（Ａ：Ｂ）は、好ましくは５：５～９：１であり、より好ましくは６：４～９：１であり、より好ましくは７：３～９：１であり、更に好ましくは８：２～９：１である。
　硫黄及び／又は硫黄化合物の含有量は、硫黄合材層の重量に対して、好ましくは、５０重量％以上であり、より好ましくは５５～９０重量％であり、更に好ましくは５５～６５重量％である。硫黄及び／又は硫黄化合物が５０重量％未満であると、硫黄合材層中の正極活物質の含有量が低くなるため、電池の重量エネルギー密度が低下する虞があるため好ましくない。
　硫黄合材層は、硫黄及び硫黄化合物及び硫黄カーボン複合材料の合計量が６０～９０重量％、導電助剤が０～２５重量％、及びバインダーが３～５重量％、リチウム含有酸化物と窒素含有有機化合物の合計量が１～２０重量％の範囲で含むことが好ましい。より好ましくは導電助剤が４～２５重量％である。なお、硫黄及び硫黄化合物及び硫黄カーボン複合材料は１つ以上含有していれば良い。
　硫黄合材層は、好ましくは、正極活物質粒子とは別個の粒子として硫黄合材層内で分散している窒素含有化合物粒子を含む。硫黄合材層は、更に好ましくは、正極活物質とカーボン系導電助剤とを複合化した硫黄カーボン複合材料の粒子、リチウム含有酸化物粒子、及び窒素含有化合物粒子が別個の粒子として硫黄合材層内で互いに分散しており、互いに結着している構造を有する。このような正極では、これら粒子を溶剤に分散させて硫黄合材層スラリーを調製し、正極集電体に硫黄合材層スラリーを塗布した後、乾燥するという簡便なプロセスで硫黄合材層を作製することができる。このような正極は、特に高レート特性と充放電サイクル特性の向上とを同時に実現することが可能である。
　硫黄合剤層の厚みは、一般的な厚みであればよく、例えば、ＳＯＣ１００％の電池から取り出した電極の値で２０μｍ～３００μｍである。
　いくつかの実施形態おいて、正極は、正極集電体及び硫黄合材層に加え、硫黄合材層の表面に積層されるセラミックス層を更に備える。
　セラミックス層が硫黄合材層の表面に積層されていることによって、充放電の繰り返しにより発生する、正極側での反応中間生成物であるリチウムポリスルフィドを、セラミックス層内部に効率的に捕捉でき、レドックスシャトル効果を抑制して電池の充放電サイクル特性を改善することができる。硫黄合材層とセラミックス層との間にグラファイト層等の他の層がある場合、非水電解液からのリチウムイオンの供給が妨げられ、硫黄合材層内のイオン伝導性が低下して、電池の内部抵抗が増加する虞があるため好ましくない。
　セラミックス層は、主成分としてセラミックス粉末を含んでいる。バインダー及び導電助剤を含むこともある。
　セラミックス粉末は、リチウムポリスルフィドをその内部に捕捉できる化合物である。セラミックス粉末としては、例えば、ＴｉＯ２、ＴｉＮ、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、ＴｉＮｂ２Ｏ７、ＬｉＴｉＯ４、Ｌｉ２Ｔｉ３Ｏ７、Ｌｉ１＋ｘ＋ｙＡｌｘ（Ｔｉ，Ｇｅ）２－ｘＳｉｙＰ３－ｙＯ１２（０≦ｘ≦２、０≦ｙ≦３）、Ｌａ０．５７Ｌｉ０．２９ＴｉＯ３、及びＬｉ１+ｘ+ｙＡｌｘＴｉ２-ｘＳｉｙＰ３-ｙＯ１２（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）等の酸化チタン、窒化チタン又はチタン系複合酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＮｉＣｏＭｎＯ２、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２、ＬｉＭＰＯ４（Ｍ＝Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の遷移金属）、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５Ｏ２、Ｌｉ０．３５Ｌａ０．５５ＴｉＯ３、ＬｉＭｎｘＦｅ１－ｘＰＯ４（０＜ｘ＜１）、ＬｉＮｉ１－ｘ－ｙＣｏｘＭｎｙＯ２（０＜ｘ，ｙ，ｚ＜１)、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２等が挙げられる。
　セラミックス粉末は、好ましくは、１．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）より大きく３．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）未満の電位範囲内で充放電する化合物からなる。
　セラミックス粉末に上記電位範囲で充放電する化合物を使用することにより、セラミックス粉末がリチウムを吸蔵及び放出することが可能な副正極活物質として機能することができる。正極の主正極活物質である硫黄及び／又は硫黄化合物は、一般的には、２．４～１．８Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内で充放電するので、セラミックス粉末も同時に充放電できるためである。これにより、電池の放電容量を著しく増加することができ、電池のエネルギー密度を向上することができる。
　セラミックス粉末が上記電位範囲で充放電する化合物からなり、かつ硫黄合材層の表面にセラミックス層が積層されていることによって、放電中に硫黄合材層から溶解した硫黄化合物がセラミックス粉末上に捕捉、更にはセラミックス粉末上で硫黄化合物は還元される。セラミックス粉末の還元中に硫黄化合物も同時に十分に還元された（放電された）状態になるまで放電を続行でき、硫黄の利用効率を向上させ、当該正極を組み込んだ電池の放電容量を改善することができる。
　上記電位範囲で充放電する化合物としては、例えば、ＴｉＯ２、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、ＴｉＮｂ２Ｏ７、ＬｉＴｉＯ４、Ｌｉ２Ｔｉ３Ｏ７、Ｌａ０．５７Ｌｉ０．２９ＴｉＯ３、及びＬｉ１+ｘ+ｙＡｌｘＴｉ２-ｘＳｉｙＰ３-ｙＯ１２（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）等の酸化チタン又はチタン系複合酸化物が挙げられ、好ましくはＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２である。
　セラミックス粉末は、より好ましくは、１．８Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）よりも低い電位で還元反応する化合物からなる。例えば、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２は、約１．５５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位で放電する化合物である。
　セラミックス層は、セラミックス粉末間の結着性を向上させるため、好ましくはバインダーを含む。バインダーは、セラミックス層が含む材料を相互に結着する材料であれば特に限定されるものではなく、公知のものを使用することができる。バインダーとしては、例えば、硫黄合材層のバインダーとして挙げたものと同様のものを使用することができる。
　セラミックス層は、電子伝導性を向上させるため、好ましくは導電助剤を含む。導電助剤は、セラミックス層の電子伝導性を向上できる材料であれば特に限定されるものではなく、公知のものを使用することができる。導電助剤としては、例えば、硫黄合材層の導電助剤として挙げたものと同様のものを使用することができる。
　セラミックス粉末の含有量は、セラミックス層の重量に対して、８０重量％以上９８重量％以下であることが好ましく、より好ましくは８５重量％以上９５重量％以下である。
　セラミックス層がセラミックス粉末を上記含有量で含むことで、充放電の繰り返しによって生成される、正極側での反応中間生成物であるリチウムポリスルフィドを、セラミックス層に効率的に捕捉できる。これにより、レドックスシャトル効果を抑制して電池の充放電特性を改善することができる。セラミックス粉末が８０％未満であると、イオン／電子伝導性が低下し、かつリチウムポリスルフィドをその内部に捕捉できない虞があるため好ましくない。
　セラミックス層は、セラミックス粉末が８０～９８重量％、導電助剤が０～１０重量％、かつバインダーが１～１０重量％の範囲で含むことが好ましい。
　いくつかの実施形態において、セラミックス層は、含窒素ヘテロ環化合物を更に含む。含窒素ヘテロ環化合物は、リチウムポリスルフィドをその内部に効率的に吸着する。そのため、セラミックス粉末と共に含むことにより、レドックスシャトル効果を更に効率的に抑制して電池の充放電特性を改善することができる。含窒素ヘテロ環化合物としては、例えば、硫黄合材層での材料として挙げたものと同様のものを使用することができる。
　セラミックス層は、例えば、セラミックス粉末であるチタン系複合酸化物と、含窒素ヘテロ環化合物とを、５：５の含有比率で含む。
　セラミックス層の厚みは、一般的な厚みであればよく、例えば、ＳＯＣ１００％の電池から取り出した電極の値で１μｍ～５０μｍである。
　なお、正極は、例えば以下の方法で作製することができる。最初に、前述した主正極活物質である硫黄及び／又は硫黄化合物、リチウム含有酸化物、窒素含有有機化合物、導電助剤及びバインダーを溶剤に分散させて、硫黄合材層スラリーを調製する。次に、正極集電体の一方又は両方の面に硫黄合材層スラリーを塗布した後、乾燥して硫黄合材層を得る。これにより、正極集電体と硫黄合材層とを備える正極を作製することができる。硫黄合材層スラリー及びセラミックス層用のスラリーの調製に使用される溶剤としては、例えば、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）又は水が挙げられる。
　セラミックス層を更に備える正極を作製する場合、例えば以下のように作製することができる。前述したセラミックス材、導電助剤及びバインダーを溶剤に分散させて、セラミックス層用スラリーを調製する。次に、乾燥した硫黄合材層上にセラミックス層用スラリーを塗布した後、乾燥してセラミックス層を形成する。
　＜リチウム硫黄電池＞
　いくつかの実施形態において、リチウム硫黄電池は、上述するリチウム硫黄電池用正極、リチウムイオンを吸蔵及び放出できる負極、及び非水電解液を含侵したセパレータを備える。
　＜負極＞
　いくつかの実施形態において、負極は、負極活物質を含む。負極集電体を含むこともある。
　負極集電体は、特に限定されるものではなく、公知のものを使用できる。例えば、銅又は銅合金からなる圧延箔、電解箔等を使用できる。具体的に、銅、アルミニウム、ステンレススチール、チタン、銀、パラジウム、ニッケル、これらの合金およびこれらの組み合わせからなる群から選ぶことができる。ステンレススチールは、カーボン、ニッケル、チタンまたは銀で表面処理されてもよく、合金としては、アルミニウム－カドミウム合金等が挙げられる。その他にも、負極集電体としては、焼成炭素、導電材で表面処理された非伝導性高分子、または伝導性高分子等を使用することができる。
　負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵／放出できる材料であれば特に限定されず、公知のものを使用できる。例えば、負極活物質は、金属リチウム、金属ナトリウム、リチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウムケイ素合金、ナトリウムケイ素合金、リチウムアンチモン合金、ナトリウムアンチモン合金等の金属材料、また、例えば天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン及びハードカーボン等の炭素材料、更にはチタン酸リチウムなどの酸化物材料などから選ばれる。前記負極活物質は１つまたは２つ以上を用いることができる。２つ以上を用いる場合、それらの組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。負極活物質としては、好ましくは、金属リチウム又はリチウム合金である。
　また、負極は、負極活物質と共に、電子が負極内で円滑に移動するようにするための導電助剤を更に含んでもよい。
　導電助剤としては、例えばカーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン、還元型酸化グラフェンのような炭素系物質、またはポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリピロールのような伝導性高分子を用いることができる。導電助剤は、負極活物質層の全重量に対して、０～２０質量％含まれることが好ましい。また、導電助剤の含有量が２０質量％を超えると、負極活物質の含有量が相対的に少なくなり、電池の容量特性が低下する虞がある。
　また、負極は、負極活物質のペースト化、活物質間または活物質と負極集電体と間の決着力の向上、活物質の膨張および収縮に対する緩衝効果などの役割を果たすことのできるバインダーを更に含んでもよい。具体的には、硫黄合剤層に用いるバインダーと同じものをバインダーとして使用することができる。
　いくつかの実施形態において、負極は、別途の負極集電体を備えず、リチウム金属又はリチウム合金からなる圧延箔のみからなる。
　＜非水電解液＞
　いくつかの実施形態において、非水電解液は、リチウム塩からなる電解質と、非水溶媒とを含む。
　電解質は、例えば、６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、臭化リチウム（ＬｉＢｒ）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、リチウムビスオキサレートボラート（ＬｉＢ（Ｃ２Ｏ４））、ホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ４）、硝酸リチウム（ＬｉＮＯ３）、リチウムビス（フルオロスルホニル）イミド（ＬｉＦＳＩ）、リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳＩ）等のリチウム塩の群から選ばれる１つまたは２つ以上の混合物が挙げられる。混合物を用いる場合、それらの組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。
　いくつかの実施形態では、非水溶媒は、環状エーテル及び鎖状エーテルを主成分として含む。環状エーテルとしては、例えば、１，３－ジオキソラン（ＤОＬ）等が挙げられる。鎖状エーテルとしては、例えば、ジメトキシエタン（ＤＭＥ）等が挙げられる。非水溶媒は、例えば、ＤОＬとＤＭＥとを体積比で、１：１で混合したものであり得る。非水溶媒は、１，３－ジオキソランとジメトキシエタンとの混合物である場合、特に高レート特性が良好になる。
　リチウムポリスルフィドの溶解しやすい１，３－ジオキソランとジメトキシエタンとの混合物は、従来のリチウム硫黄電池ではサイクル特性に課題を抱えていたが、本発明による電極によってリチウムポリスルフィドの溶出を防ぐことで、その課題を解決できることとなった。
　いくつかの実施形態では、非水溶媒は、スルホラン（ＳＬ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳО）、ジメチルスルホン等を主成分として含む。
　いくつかの実施形態では、非水溶媒は、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、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、ジメトキシエタン、スルホラン、オキソラン、テトラグライム、トリグライム、フルオロエチレンカーボネート、及びイオン液体等が挙げられる。イオン液体としては、例えば、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、１－メチル－３－プロピルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、１－ヘキシル－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムクロリド、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムクロリド、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムメタンスルホナート、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムメタンスルホナート、１，２，３－トリメチルイミダゾリウムメチルスルファート、メチルイミダゾリウムクロリド、メチルイミダゾリウムハイドロジェンスルファート、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムハイドロジェンスルファート、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムハイドロジェンスルファート、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムテトラクロロアルミナート、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムテトラクロロアルミナート、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムアセタート、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムアセタート、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムエチルスルファート、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムメチルスルファート、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムチオシアナート、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムチオシアナート、１－エチル－２，３－ジメチルイミダゾリウムエチルスルファート、１－ブチルピリジニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、１－ブチル－３－メチルピリジニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、１－メチル－１－プロピルピロリジニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、１－ブチル－１－メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、テトラブチルホスホニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、トリブチルドデシルホスホニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、メチルトリブチルアンモニウムメチルサルフェート、ブチルトリメチルアンモニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、トリメチルへキシルアンモニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド等を含む。非水溶媒は、上記の群から選ばれる１つまたは２つ以上の混合物を用いることができ、混合物を用いる場合、それらの組み合わせ及び比率は、目的に応じて任意に選択できる。
　いくつかの実施形態では、非水電解液は、主電解質が硝酸リチウムと異なる場合、主電解質とは別の副電解質として少量の硝酸リチウムを含むことが好ましい。これにより、硝酸リチウムは負極上で還元分解され、硝酸リチウム由来の被膜を形成するため、前記被膜によってリチウムポリスルフィドの還元分解を抑制し、負極の劣化を抑制することができ、充放電サイクル特性を改善することができる。電解質は、例えば、主電解質としてＬｉＴＦＳＩを１ｍоｌ・ｄｍ－３、副電解質として硝酸リチウムを非水溶媒重量に対して１重量％含むものであり得る。
　＜セパレータ＞
　セパレータは、有機高分子系セパレータ及び無機系セパレータのいずれであってもよく、正極活物質、負極活物質、非水電解液等と反応しない物質から構成される。有機高分子系セパレータとしては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等のポリオレフィン樹脂、ニトロセルロース樹脂、ポリイミド樹脂等の微多孔膜または不織布が挙げられる。無機系セパレータとしては、例えば、シリカガラスの不織布等が挙げられる。セパレータには、セラミックスコーティングや、構造制御等の処理が行われてもよい。当該処理については、１種又は２種以上行われてよく、それらの組み合わせは、目的に応じて任意に選択できる。微多孔膜又は不織布等は単層であっても、多層構造であってもよい。また、枚葉であっても、つづら折りのようなその他の形状でもよい。
　＜放電条件＞
　いくつかの実施形態では、リチウム硫黄電池は、放電カットオフ電位を１．０～１．５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）として放電する。放電カットオフ電位を上記電位範囲として放電するとは、上記電位範囲を放電電圧の下限として充放電を行うことを意味する。
　放電カットオフ電位が上記範囲内であることにより、例えばセラミックス層に含まれるセラミックス粉末がＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の場合、一般的に１．５５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）で放電する化合物であるため、リチウムを吸蔵する副正極活物質として機能することができる。なお、正極の主正極活物質である硫黄及び／又は硫黄化合物は、一般的には、２．４～１．８Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内で放電する。これにより、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２は、硫黄合材層の主正極活物質である硫黄及び／又は硫黄化合物と同時に放電するため、電池の放電容量を増加することができる。
　さらに、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２が放電する電位で同時に硫黄及び／又は硫黄化合物の放電は継続、つまり定電圧放電されるため硫黄及び／又は硫黄化合物が長く反応できる。これにより、正極活物質としての硫黄の利用効率を向上させ、主正極活物質が十分に放電された状態になるまで放電を続行でき、当該正極を組み込んだ電池の放電容量を改善することができる。
　リチウム硫黄電池の形状は、特に限定されず、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、角形、扁平型等が挙げられる。
　以下、図面を参照して、実施形態に係るリチウム硫黄電池を説明する。
　図１は、第１の実施形態に係るリチウム硫黄電池の一例を示す断面図である。
　リチウム硫黄電池１は、正極２と、負極３と、それら正極２及び負極３の間に配置されたセパレータ４とを備える。これら正極２、負極３及びセパレータ４は、外装体（図示せず）内に収納されている。
　正極２は、正極集電体２１と、そのセパレータ４と対向する面に設けられた硫黄合材層２２と、とから構成されている。負極３は、負極集電体３１と、そのセパレータ４と対向する面に設けられた負極層３２とから構成されている。セパレータ４は、例えば非水電解液を含侵している。
　図２は、第２の実施形態に係るリチウム硫黄電池の一例を示す断面図である。
　第２の実施形態に係るリチウム硫黄電池は、正極２が硫黄合材層２２の表面に積層されたセラミックス層２３を更に備える点で、第１の実施形態と相違する。
　なお、本発明の実施形態について、具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく種々の変更が可能である。
　以下、実施例及び比較例により本発明をより詳細に説明する。
　［実施例及び比較例］
　［実施例１の正極の作製］
　硫黄（Ｓ）と、ケッチェンブラック（ＫＢ）とを重量比７０：３０で混合した。次に、得られた混合物を不活性ガス雰囲気下で、１５５℃で１２時間熱処理して、硫黄をケッチェンブラックの細孔内に浸透させて、硫黄カーボン複合材料（Ｓ／ＫＢ複合材料）を作製した。
　硫黄カーボン複合材料（Ｓ／ＫＢ複合材料）と、導電助剤であるアセチレンブラック（ＡＢ）及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）と、バインダーであるカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）と、リチウム含有酸化物であるＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２と窒素含有有機化合物である硫黄変性ポリアクリロニトリルとを、溶剤である超純水に加えて混合して分散させ、正極スラリーを調製した。混合には、株式会社シンキー製の脱泡攪拌装置「あわとり練太郎」を使用した。
　次に、調製した正極スラリーを、正極集電体であるカーボンコートアルミ箔上に塗工機によって塗工して乾燥して硫黄合材層を形成した。正極スラリーの塗工は、硫黄合材層中の硫黄の担持量が３．５ｍｇｃｍ－２になるように行った。乾燥は、６０℃で一晩真空乾燥した。硫黄合材層の組成（重量比）は、Ｓ／ＫＢ複合材料：ＡＢ：ＣＮＴ：バインダー：Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２：硫黄変性ポリアクリロニトリル＝８５：１：２：５：３：４であった。硫黄の含有量は、硫黄合材層の重量に対して、６０重量％である。
　［実施例２～５の正極の作製］
　実施例２、３、４及び５の正極は、硫黄合材層中の窒素含有有機化合物を、それぞれ含窒素ヘテロ環化合物である環状ポリアクリロニトリル、ポリ（Ｎ－ビニルカルバゾール）、ポリ（Ｎ－ビニルピリジン）及びポリ（Ｎ－ビニルピロリドン）に変更したこと以外は、上記実施例１の正極と同様の作製方法により作製した。
　［実施例６、７の正極の作製］
　実施例６の正極は、硫黄合材層中のリチウム含有酸化物をＬｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２に変更したこと以外は、上記実施例１の正極と同様の作製方法により作製した。
　実施例７の正極は、上記実施例１の正極と同様の作製方法により作製した。
　［比較例１の正極の作製］
　比較例１の正極は、硫黄合材層中のリチウム含有酸化物及び窒素含有有機化合物の含有量を、それぞれ０重量％に変更すること以外は、上記実施例１の正極と同様の作製方法により作製した。硫黄合材層の組成（重量比）は、Ｓ／ＫＢ複合材料：ＡＢ：ＣＮＴ：バインダー＝９２：１：２：５であった。硫黄の含有量は、硫黄合材層の重量に対して、６４重量％である。
　［比較例２及び３の正極の作製］
　比較例２及び３の正極は、硫黄合材層中のリチウム含有酸化物の含有量をそれぞれ７重量％及び０重量％に変更し、窒素含有有機化合物の含有量をそれぞれ０重量％及び７重量％に変更すること以外は、上記実施例１の正極と同様の作製方法により作製した。
　硫黄合材層の組成（重量比）は、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２：窒素含有有機化合物について、比較例２では７：０、比較例３では０：７である。
　［比較例４～６の正極の作製］
　比較例４、５及び６の正極は、硫黄合材層中の有機化合物を、それぞれ含窒素ヘテロ環化合物ではないポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル及びポリエチレンイミンに変更したこと以外は、上記実施例１の正極と同様の作製方法により作製した。
　［比較例７の正極の作製］
　比較例７の正極は、硫黄合材層中の酸化物をリチウム非含有酸化物であるＡｌ２Ｏ３に変更したこと以外は、上記実施例１の正極と同様の作製方法により作製した。
　［実施例８の正極の作製］
　実施例８の正極は、硫黄合材層中の硫黄の担持量が５．０ｍｇｃｍ－２になるように正極スラリーの塗工を行ったこと以外は、上記実施例１の正極と同様の作製方法により作製した。硫黄の担持量を実施例１～７と比較して増加することにより、当該正極を備えるリチウム硫黄電池では、特に高電流印加時における放電容量が得られにくくなる。リチウム含有酸化物と窒素含有有機化合物の組成（重量比）による結果の変動を得るため、このような条件で実験をした。
　［実施例９～１２の正極の作製］
　実施例９、１０、１１及び１２の正極は、硫黄合材層中のリチウム含有酸化物の含有量をそれぞれ３．５重量％、４重量％、５重量％及び６重量％に変更し、窒素含有有機化合物の含有量をそれぞれ３．５重量％、３重量％、２重量％及び１重量％に変更すること以外は、上記実施例８の正極と同様の作製方法により作製した。硫黄合材層の組成（重量比）は、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２：窒素含有有機化合物について、実施例９では３．５：３．５、実施例１０では４：３、実施例１１では５：２、実施例１２では６：１である。
　［実施例１３の正極の作製］
　実施例１３の正極は、硫黄合材層中のリチウム含有酸化物をＬｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２に変更したこと以外は、上記実施例１０の正極と同様の作製方法により作製した。
　［実施例１４～１６の正極の作製］
　実施例１４、１５及び１６の正極は、硫黄合材層中の窒素含有有機化合物を、それぞれ環状ポリアクリロニトリル、ポリ（Ｎ－ビニルカルバゾール）、ポリ（Ｎ－ビニルピリジン）に変更したこと以外は、上記実施例１０の正極と同様の作製方法により作製した。
　［実施例１７～２２の正極の作製］
　実施例１７～２２の正極は、硫黄合材層中のリチウム含有酸化物の含有量をそれぞれ０．２重量％、０．４重量％、１．３重量％、４．３重量％、６．４重量％、及び８．６重量％に変更し、窒素含有有機化合物の含有量をそれぞれ０．３重量％、０．６重量％、１．７重量％、５．７重量％、８．６重量％、及び１１．４重量％に変更し、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２及び窒素含有有機化合物の合計の含有量をそれぞれ０．５重量％、１重量％、３重量％、１０重量％、１５重量％、及び２０重量％に変更すること以外は、上記実施例１の正極と同様の作製方法により作製した。硫黄合材層の組成（重量比）は、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２：窒素含有有機化合物について、実施例１７では０．２：０．３、実施例１８では０．４：０．６、実施例１９では１．３：１．７、実施例２０では４．３：５．７、実施例２１では６．４：８．６、実施例２２では８．６：１１．４である。
　［実施例２３の正極の作製］
　実施例２３の正極は、硫黄合材層の表面に積層されたセラミックス層を更に備える点で、実施例８の正極と相違する。実施例２３の正極は、以下に説明すること以外は、上記実施例１の正極と同様の作製方法により作製した。
　正極スラリーの塗工は、硫黄合材層中の硫黄の担持量が５．０ｍｇｃｍ－２になるように行った。正極スラリーの塗工後の乾燥では、６０℃で１時間真空乾燥した。
　次に、セラミックス粉末であるＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２粉末と、導電助剤であるＡＢと、バインダーであるＣＭＣとを、溶剤である超純水に加えて混合して分散させ、セラミックス層用スラリーを調製した。次に、調製したセラミックス層用スラリーを、乾燥した硫黄合材層上に塗工機によって塗工して乾燥して、セラミックス層を形成した。乾燥は、６０℃で一晩真空乾燥した。セラミックス層の組成（重量比）は、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２：ＡＢ：バインダー＝９０：５：５であった。次に、プレス加工して、打ち抜き成形をした。
　以上の工程により、硫黄合材層と、硫黄合材層表面に積層されたセラミックス層とを備える実施例２３の正極を作製した。
　［実施例２４～２６の正極の作製］
　実施例２４、２５及び２６の正極は、硫黄合材層中のリチウム含有酸化物の含有量をそれぞれ３．５重量％、４重量％及び６重量％に変更し、窒素含有有機化合物の含有量をそれぞれ３．５重量％、３重量％及び１重量％に変更すること以外は、上記実施例２３の正極と同様の作製方法により作製した。
　硫黄合材層の組成（重量比）は、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２：窒素含有有機化合物について、実施例２４では３．５：３．５、実施例２５では４：３、実施例２６では６：１である。
　［実施例２７～２９の正極の作製］
　実施例２７、２８及び２９の正極は、セラミックス層中のセラミックス材料の含有量を４５重量％、含窒素ヘテロ環化合物の含有量を４５重量％に変更すること以外は、上記実施例２６の正極と同様の作製方法により作製した。セラミックス層中の含窒素ヘテロ環化合物としては、実施例２７は硫黄変性ポリアクリロニトリル、実施例２８はポリ（Ｎ－ビニルカルバゾール）、実施例２９はポリ（Ｎ－ビニルピリジン）を使用した。
　セラミックス層の組成（重量比）は、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２：含窒素ヘテロ環化合物：ＡＢ：バインダー＝４５：４５：５：５であった。
　［比較例８の正極の作製］
　比較例８の正極は、硫黄合材層中のリチウム含有酸化物及び窒素含有有機化合物の含有量を、それぞれ０重量％に変更すること以外は、上記実施例２３の正極と同様の作製方法により作製した。
　硫黄合材層の組成（重量比）は、Ｓ／ＫＢ複合材料：ＡＢ：ＣＮＴ：バインダー＝９２：１：２：５であった。硫黄の含有量は、硫黄合材層の重量に対して、６４重量％である。
　［比較例９及び１０の正極の作製］
　比較例９及び１０の正極は、硫黄合材層中のリチウム含有酸化物の含有量をそれぞれ７重量％及び０重量％に変更し、窒素含有有機化合物の含有量をそれぞれ０重量％及び７重量％に変更すること以外は、上記実施例２３の正極と同様の作製方法により作製した。
　硫黄合材層の組成（重量比）は、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２：窒素含有有機化合物について、比較例９では７：０、比較例１０では０：７であった。
　［非水電解液の調製］
　実施例７以外の非水電解液は、非水溶媒に、リチウムビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド（ＬｉＴＦＳＩ）である主電解質を１ｍоｌ／ｄｍ３、副電解質であるＬｉＮＯ３を非水溶媒重量に対して１重量％混合して調製した。非水溶媒には、１，３－ジオキソラン（ＤОＬ）と１，２－ジメトキシエタン（ＤＭＥ）を１：１の体積比で混合したものを使用した。
　実施例７の非水電解液は、副電解質であるＬｉＮＯ３を添加しないこと以外は、上記非水電解液と同様に調製した。
　［試験セルの組立て］
　作製した実施例１～２９及び比較例１～１０の正極、負極を使用して、コイン型試験セルを作製した。負極には、負極集電体である銅箔上に、負極活物質であるリチウム金属を蒸着したものを使用した。外装体内には、各正極と負極とをそれらの間に電解液を含侵したセパレータを介在させて配置した。各正極の電極面積は、１．５８３ｃｍ２である。セパレータには、Ｃｅｌｇａｒｄ社製のＰＰセパレータを使用し、調製した非水電解液を含侵させた。
　以下の表１には、実施例１～７及び比較例１～７の硫黄合材層に含まれる酸化物及び有機化合物の材料、それらの含有量、下記放電容量の評価試験の結果、下記充放電サイクル試験の結果を示す。表１の正極は、硫黄合材層中の硫黄の担持量が３．５ｍｇｃｍ－２である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　以下の表２には、実施例８～１６の硫黄合材層に含まれる酸化物及び有機化合物の材料、それらの含有量、下記放電容量の評価試験の結果を示す。表２の正極は、硫黄合材層中の硫黄の担持量が５．０ｍｇｃｍ－２である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　以下の表３には、実施例１７～２２の硫黄合材層に含まれる酸化物及び有機化合物の材料、それらの含有量、酸化物及び有機化合物の合計の含有量、硫黄合材層に含まれる硫黄の割合、下記放電容量の評価試験の結果、下記充放電サイクル試験の結果を示す。表３において、硫黄合材層中の硫黄の担持量は、全て３．５ｍｇｃｍ－２であり、硫黄合材層の厚みがそれぞれ異なる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　以下の表４には、実施例２３～２９及び比較例８～１０の硫黄合材層中に含まれる酸化物及び有機化合物の材料、それらの含有量、セラミックス層に含まれる材料、下記放電容量の評価試験の結果、下記充放電サイクル試験の結果を示す。表３の正極は、硫黄合材層中の硫黄の担持量が５．０ｍｇｃｍ－２である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　＜放電容量の評価試験＞
　表１～表４に示すように、実施例１～２９及び比較例１～１０各評価セルに対して、放電容量の評価試験を行った。試験は雰囲気温度６０℃の環境下で行った。
　表１の各評価セルでは、０．９ｍＡ（０．１Ｃ）、４．５ｍＡ（０．５Ｃ）、９．０ｍＡ（１．０Ｃ）にて１．０Ｖに到達するまで、定電流放電を行った。
　表２の各評価セルでは、１．３ｍＡ（０．１Ｃ）、６．５ｍＡ（０．５Ｃ）にて、１．０Ｖに到達するまで、定電流放電を行った。
　表３の各評価セルでは、０．９ｍＡ（０．１Ｃ）、４．５ｍＡ（０．５Ｃ）、９．０ｍＡ（１．０Ｃ）にて１．０Ｖに到達するまで、定電流放電を行った。
　表４の各評価セルでは、１．３ｍＡ（０．１Ｃ）にて、１．０Ｖに到達するまで、定電流放電を行った。
　これら結果を表１～４に示す。放電容量は、正極の重量で規格化した数値として示した。
　＜充放電サイクル試験＞
　表１の実施例１～７及び比較例１～７、表３の実施例１７～２２、表４の実施例２３～２９及び比較例８～１０の各評価セルに対して、充放電サイクル試験を行った。試験は、雰囲気温度６０℃の環境下で行った。
　まず、表１の各試験セルは、０．９ｍＡ（０．１Ｃ）にて１．０Ｖに到達するまで、定電流放電を行った。次に、各試験セルは、同じ電流密度で３．０Ｖに到達するまで定電流充電を行った。この充放電を１サイクルとして、充放電を１００サイクル繰り返した。その後、下記計算式により、容量維持率を算出した。この結果を表１に示す。
　容量維持率（％）＝１００サイクル目の放電容量／１サイクル目の放電容量
　表３の各試験セルでは、表１と同様に試験を行った。
　表４の各試験セルでは、上記定電流充電及び定電流放電を１．３ｍＡ（０．１Ｃ）の電流密度で行ったこと以外、同様に試験を行った。
　これら結果を表１及び３に示す。
　表１～４の結果より、実施例１～２９の試験セルでは、特に、硫黄合材層がリチウム含有酸化物と窒素含有有機化合物とを共に含み、窒素含有有機化合物が含窒素ヘテロ環化合物であることによって、いずれの電流値でも高い放電容量を示し、良好な容量維持率が得られた。
　表１の結果より、比較例１～３の試験セルでは、硫黄合材層がリチウム含有酸化物と窒素含有有機化合物とを共に含まないことによって、実施例１～７と比較して、特に高電流印加時における放電容量が大きく低下した。
　なお、リチウム含有酸化物がＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２である実施例１では、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２である実施例６よりも、その高いリチウムイオン伝導性によって、更に良好な放電容量が得られた。一方、リチウム非含有酸化物であるＡｌ２Ｏ３を含む比較例７では、実施例１～７と比較して、高電流印加時における放電容量が大きく低下した。また、硫黄合材層が含窒素ヘテロ環化合物を含まず、他のポリマーを含む比較例４～６では、実施例１～７と比較して、高電流印加時における放電容量が大きく低下した。これら結果より、硫黄合材層がリチウム含有酸化物及び含窒素ヘテロ環化合物を含むことにより、高レート特性が改善することがわかる。
　表２の結果より、実施例８～１６の試験セルでは、リチウム含有酸化物の含有量をＡ、窒素含有有機化合物の含有量をＢとしたとき、Ａ≧Ｂであることによって、高電流印加時（６．５ｍＡ）においてより良好な放電容量が得られた。実施例１３～１６の試験セルでは、実施例８～１２とは硫黄合材層中の酸化物又は有機化合物の材料を変更しているが、同様の結果が得られた。
　また、実施例８～１６の試験セルの結果を比較することにより、硫黄合材層のリチウム含有酸化物の含有量（Ａ）の比率が大きいほど、高電流印加時の放電容量が良好であることがわかる。
　表３の結果より、硫黄合材層に含まれるリチウム含有酸化物及び窒素含有有機化合物の合計の含有量が０．５～２０重量％の範囲である実施例１７～２２の全てにおいて、表１の比較例１と比較して、良好な容量維持率が得られた。実施例１７では、リチウム含有酸化物及び窒素含有有機化合物の合計の含有量が０．５重量％と少量であるにもかかわらず、リチウム含有酸化物のみを７．０重量％含有する比較例２と同等の容量維持率が得られた。また、実施例１７では、窒素含有有機化合物のみを７．０重量％含有する比較例３の容量維持率に対して、７５％程度の容量維持率が得られた。さらに、リチウム含有酸化物及び窒素含有有機化合物の合計の含有量が１重量％である実施例１８では、比較例３を上回る容量維持率が得られた。従って、硫黄合材層にリチウム含有酸化物及び窒素含有有機化合物の両方を含むことによって、同等の含有量であれば、リチウム含有酸化物又は窒素含有有機化合物の一方を含む場合に比べて良好な容量維持率が得られることがわかる。
　加えて、前記含有量が１重量％以上である実施例１８～２２は容量維持率がより良好であることもわかる。また、実施例１７～２２の試験セルの結果を比較することにより、硫黄合材層に含まれる硫黄の割合が低いほど、正極重量当たりの放電容量が低下する傾向にあることがわかる。放電容量を増加させるためには、硫黄の単位面積当たりの担持量が少ないほど硫黄合材層を厚く塗工する必要があるが、硫黄合材層を厚くするほど硫黄合材層の内部へリチウムイオンが伝導しにくくなるため、放電容量は低下することが推測される。従って、リチウム含有酸化物及び窒素含有有機化合物の合計の含有量は、硫黄合材層の重量に対して、１重量％以上２０重量％以下とすることが好ましい。
　表４の結果より、硫黄合材層の表面にセラミックス層が積層される実施例２３～２９では、表１の実施例１～７と比較して、更に良好な容量維持率が得られた。
　一方、比較例８～１０の試験セルでは、硫黄合材層がリチウム含有酸化物と窒素含有有機化合物とを共に含まないことによって、実施例２３～２９と比較して、容量維持率が大きく低下した。
　実施例２６の充放電曲線を図３に示す。セラミックス層に含まれるセラミックス粉末はＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２であることから、以下Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２層とする。Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２層を導入したリチウム硫黄電池の充放電曲線では、１．５５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）付近に電位が一定となる電位平坦部分が確認できる。Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の酸化還元電位は１．５５Ｖであり、電池の過電圧により充電電流を流すと高電位側、放電電流を流すと低電位側に充放電曲線がシフトするため、１．５４Ｖでの放電曲線の電位平坦部と１．５７Ｖの充電曲線の電位平坦部は、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の酸化還元に由来することが推測できる。１．５５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）付近の充放電曲線の放電容量に着目すると、放電曲線からは１．５４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）において、正極重量あたり放電容量として、１３７ｍＡｈｇ－１の容量成分が確認できる。一方、充電曲線からは１．５７Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）において、正極重量あたり充電容量として、４７ｍＡｈｇ－１の容量成分を確認できる。これら結果より、放電容量が充電容量よりも大きいことが分かる。
　本試験におけるＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の容量成分は、曲線中の４７ｍＡｈｇ－１程度に相当するため、充電曲線の１．５４（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の容量成分はＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の酸化に由来する容量成分であることが推察できる。一方、放電曲線からは、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の有する容量成分（４７ｍＡｈｇ－１程度）以上の容量が確認できたことから、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２層の形成により、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の還元に加えて、未反応だった硫黄および硫黄化合物が同時に反応した容量成分が加わっていると推測できる。以上のことから、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２層を導入した正極においては、放電途中に還元したＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２が未反応の硫黄と反応することで、硫黄の利用率が向上したと考えられる。また、セラミックス材料が１．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）～３．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲で酸化還元する材料であれば、未反応の硫黄が同様に反応することが予想されるため、同様の効果が期待できる。
　上記の結果より、セラミックス層を導入した正極において、セラミックス層に含まれるセラミックス粉末が十分に還元できる１．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）以上１．５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）以下の値まで放電することで容量が大きく増加することが示唆された。
　以上より、本発明の構成によれば、放電レート特性の改善と充放電サイクル特性の向上とを同時に実現することが可能な、リチウム硫黄電池用正極及びリチウム硫黄電池を提供できる。
　本発明は、以下の特徴を備えるものであり得る。
　一つの実施形態に係るリチウム硫黄電池用正極は、第一の観点として、正極集電体、及び前記正極集電体の表面に積層される硫黄合材層を備え、前記硫黄合材層は、主正極活物質である硫黄及び／又は硫黄化合物と、リチウム含有酸化物と窒素含有有機化合物とを含み、前記窒素含有有機化合物は、含窒素ヘテロ環化合物である。
　第二の観点では、第一の観点に加えて、前記含窒素ヘテロ環化合物は、ピリジン環骨格を含む化合物であり得る。
　第三の観点では、第一の観点または第二の観点に加えて、前記硫黄合材層において、前記リチウム含有酸化物の含有量をＡ、前記窒素含有有機化合物の含有量をＢとしたとき、Ａ≧Ｂであり得る。
　第四の観点では、第一乃至第三の観点のいずれか一点の観点に加えて、前記リチウム含有酸化物は、１．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）より大きく３．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）未満の電位範囲内で充放電する化合物からなり得る。
　第五の観点では、第一乃至第四の観点のいずれか一点の観点に加えて、前記リチウム含有酸化物は、リチウムチタン系複合酸化物であり得る。
　第六の観点では、第一乃至第五の観点のいずれか一点の観点に加えて、前記窒素含有有機化合物は、１．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）より大きく３．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）未満の電位範囲内で充放電する化合物からなり得る。
　第七の観点では、第一乃至第六の観点のいずれか一点の観点に加えて、前記窒素含有有機化合物は、硫黄変性ポリアクリロニトリル又はその誘導体であり得る。
　第八の観点では、第一乃至第七の観点のいずれか一点の観点に加えて、前記硫黄合材層は、カーボン系導電助剤を更に含み得る。
　第九の観点では、第一乃至第八の観点のいずれか一点の観点に加えて、前記リチウム含有酸化物及び前記窒素含有有機化合物の合計の含有量は、前記硫黄合材層の重量に対して、１重量％以上２０重量％以下であり得る。
　第十の観点では、第一乃至第九の観点のいずれか一点の観点に加えて、前記リチウム硫黄電池用正極は、前記硫黄合材層上に積層されるセラミックス層を更に備え、前記セラミックス層はセラミックス粉末を主成分として含み得る。
　第十一の観点では、第一乃至第十の観点のいずれか一点の観点に加えて、前記セラミックス粉末は、酸化チタン又はチタン系複合酸化物からなり得る。
　第十二の観点では、第一乃至第十一の観点のいずれか一点の観点に加えて、前記セラミックス層は、含窒素ヘテロ環化合物を更に含み得る。
　一つの実施形態に係るリチウム硫黄電池は、第十三の観点では、第一乃至第十二の観点のいずれか一点の観点を満たすリチウム硫黄電池用正極、リチウムイオンを吸蔵及び放出できる負極、及び非水電解液を含侵したセパレータを備える。
　第十四の観点では、第十三の観点のリチウム硫黄電池であることに加えて、前記非水電解液は、リチウム塩からなる電解質と非水溶媒とを含み、前記非水溶媒は、１，３－ジオキソランとジメトキシエタンとの混合物であり得る。
　第十五の観点では、第十三の観点又は第十四の観点のリチウム硫黄電池であることに加えて、前記非水電解液は、電解質の主成分である主電解質とは別個の副電解質として硝酸リチウムを更に含み得る。
　一つの実施形態に係る上述するリチウム硫黄電池の充放電方法では、第十三乃至第十五の観点のいずれか一点を満たすリチウム硫黄電池に対し、放電電圧の下限を１．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）以上１．５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）以下として放電を行う。
　１…リチウム硫黄電池、２…正極、２１…正極集電体、２２…硫黄合材層、２３…セラミックス層、３…負極、３１…負極集電体、３２…負極層、４…セパレータ

Claims (17)

  1. 　リチウム硫黄電池用正極であって、
    　正極集電体、及び前記正極集電体の表面に積層される硫黄合材層を備え、
    　前記硫黄合材層は、主正極活物質である硫黄及び／又は硫黄化合物と、リチウム含有酸化物と窒素含有有機化合物とを含み、
    　前記窒素含有有機化合物は、含窒素ヘテロ環化合物であることを特徴とする、リチウム硫黄電池用正極。
  2. 　前記含窒素ヘテロ環化合物は、ピリジン環骨格を含む化合物であることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム硫黄電池用正極。
  3. 　前記硫黄合材層において、前記リチウム含有酸化物の含有量をＡ、前記窒素含有有機化合物の含有量をＢとしたとき、Ａ≧Ｂであることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム硫黄電池用正極。
  4. 　前記リチウム含有酸化物は、１．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）より大きく３．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）未満の電位範囲内で充放電する化合物からなることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム硫黄電池用正極。
  5. 　前記リチウム含有酸化物は、リチウムチタン系複合酸化物であることを特徴とする、請求項４に記載のリチウム硫黄電池用正極。
  6. 　前記窒素含有有機化合物は、１．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）より大きく３．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）未満の電位範囲内で充放電する化合物からなることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム硫黄電池用正極。
  7. 　前記窒素含有有機化合物は、硫黄変性ポリアクリロニトリル又はその誘導体であることを特徴とする、請求項６に記載のリチウム硫黄電池用正極。
  8. 　前記硫黄合材層は、カーボン系導電助剤を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のリチウム硫黄電池用正極。
  9. 　前記カーボン系導電助剤は、多孔質カーボンであることを特徴とする、請求項８に記載のリチウム硫黄電池用正極。
  10. 　前記リチウム含有酸化物及び前記窒素含有有機化合物の合計の含有量は、前記硫黄合材層の重量に対して、１重量％以上２０重量％以下であることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム硫黄電池用正極。
  11. 　前記リチウム硫黄電池用正極は、前記硫黄合材層上に積層されるセラミックス層を更に備え、前記セラミックス層はセラミックス粉末を主成分として含むことを特徴とする、請求項１に記載のリチウム硫黄電池用正極。
  12. 　前記セラミックス粉末は、酸化チタン又はチタン系複合酸化物からなることを特徴とする、請求項１１に記載のリチウム硫黄電池用正極。
  13. 　前記セラミックス層は、含窒素ヘテロ環化合物を更に含むことを特徴とする、請求項１１に記載のリチウム硫黄電池用正極。
  14. 　請求項１に記載のリチウム硫黄電池用正極、リチウムイオンを吸蔵及び放出できる負極、及び非水電解液を含侵したセパレータを備えることを特徴とする、リチウム硫黄電池。
  15. 　前記非水電解液は、リチウム塩からなる電解質と非水溶媒とを含み、
    　前記非水溶媒は、１，３－ジオキソランとジメトキシエタンとの混合物であることを特徴とする、請求項１４に記載のリチウム硫黄電池。
  16. 　前記非水電解液は、電解質の主成分である主電解質とは別個の副電解質として硝酸リチウムを更に含むことを特徴とする、請求項１４に記載のリチウム硫黄電池。
  17. 　請求項１４～１６のいずれか１項に記載のリチウム硫黄電池の充放電方法であって、
    　１．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）以上１．５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）以下を放電電圧の下限として放電を行うことを特徴とする、リチウム硫黄電池の充放電方法。
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