JP5754606B2 - Non-aqueous electrolyte secondary battery positive electrode material, non-aqueous electrolyte secondary battery, and method for producing positive electrode material for non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン二次電池、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に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery represented by a lithium ion secondary battery, a lithium secondary battery, a sodium secondary battery and the like.
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。つまり、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サイクル特性に劣る。 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. That is, a lithium ion secondary battery using sulfur as a positive electrode active material is inferior in 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(PAN)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、PANおよび硫黄を材料とする硫黄系正極活物質(以下、硫黄変性PANと略する)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。 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 (PAN) and sulfur (see Patent Document 1). By using a sulfur-based positive electrode active material (hereinafter abbreviated as sulfur-modified PAN) made of PAN 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. improves.
ところで、硫黄変性PANは、質量当たりの充放電容量は高いものの、質量密度(嵩密度)が小さいために嵩高い。このため体積エネルギー密度の高い(例えば従来電池比で2倍、3倍等)電池を作製するためには、硫黄変性PANを含む正極合剤を集電体上に150μm以上の厚さに塗工する必要がある。正極合剤をこのように厚く塗工すると、電極表面と集電体表面とが大きく離間し、電気抵抗が大きくなる恐れがある。電気抵抗が過大であれば、電池特性の低下が懸念される。 By the way, although sulfur-modified PAN has a high charge / discharge capacity per mass, it is bulky because of its low mass density (bulk density). For this reason, in order to produce a battery having a high volumetric energy density (for example, 2 times or 3 times the conventional battery), a positive electrode mixture containing sulfur-modified PAN is coated on the current collector to a thickness of 150 μm or more. There is a need to. When the positive electrode material mixture is applied in such a thick manner, the electrode surface and the current collector surface are largely separated from each other, which may increase the electric resistance. If the electrical resistance is excessive, there is a concern about deterioration of battery characteristics.
したがって、正極合剤を厚く塗工した場合にも電気抵抗の増大を抑制できるよう、硫黄変性PANを含む正極材料であって導電性に優れるものが望まれている。 Therefore, a positive electrode material containing sulfur-modified PAN and having excellent conductivity is desired so that an increase in electric resistance can be suppressed even when the positive electrode mixture is applied thickly.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、正極活物質として硫黄変性PANを含み、かつ、導電性に優れる非水電解質二次電池用正極材料を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, and it aims at providing the positive electrode material for nonaqueous electrolyte secondary batteries which contains sulfur modified PAN as a positive electrode active material, and is excellent in electroconductivity.
本発明の発明者等は、鋭意研究を重ねた結果、硫黄変性PANが凝集体状で存在すること、および、凝集体状の硫黄変性PANを解砕することで小径の硫黄変性PAN粒子を得ることができ、この粒子の表面に導電助剤を付着させることで、凝集体状の硫黄変性PANに直接導電助剤を付着させる場合に比べて正極材料中で導電助剤を高分散させ得ることを見出した。 As a result of extensive research, the inventors of the present invention have obtained sulfur-modified PAN particles having a small diameter by the presence of sulfur-modified PAN in the form of aggregates and by crushing the aggregated sulfur-modified PAN. It is possible to disperse the conductive aid in the positive electrode material by attaching the conductive aid to the surface of the particles, compared to the case where the conductive aid is directly attached to the aggregated sulfur-modified PAN. I found.
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の製造方法は、ポリアクリロニトリルに由来する炭素骨格と該炭素骨格と硫黄(S)とからなる硫黄系正極活物質を解砕する解砕工程と、
解砕された該硫黄系正極活物質の表面に導電助剤を付着させる助剤添加工程と、
該助剤添加工程後に該硫黄系正極活物質を再凝集させる再凝集工程と、を備えることを特徴とする。That is, the method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention that solves the above-described problem is a solution for crushing a sulfur-based positive electrode active material comprising a carbon skeleton derived from polyacrylonitrile and the carbon skeleton and sulfur (S). Crushing process;
An auxiliary agent adding step of attaching a conductive auxiliary agent to the surface of the pulverized sulfur-based positive electrode active material;
A reaggregation step of reaggregating the sulfur-based positive electrode active material after the auxiliary agent addition step.
また、このような方法で得られる本発明の非水電解質二次電池用正極材料は、非水電解質二次電池用の正極材料であって、
ポリアクリロニトリルに由来する炭素骨格と該炭素骨格と硫黄(S)とからなる硫黄系正極活物質と、導電助剤と、を材料とし、
該硫黄系正極活物質の粒度分布において、全体の粒子の50頻度%以上が粒子径2μm以下の粒子であることを特徴とする。Moreover, the positive electrode material for a nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention obtained by such a method is a positive electrode material for a nonaqueous electrolyte secondary battery,
Using a carbon skeleton derived from polyacrylonitrile, a sulfur-based positive electrode active material comprising the carbon skeleton and sulfur (S), and a conductive additive,
In the particle size distribution of the sulfur-based positive electrode active material, 50% or more of the total particles are particles having a particle diameter of 2 μm or less.
また、上記課題を解決する本発明の非水電解質二次電池は、本発明の非水電解質二次電池用正極材料を正極に含むことを特徴とする。 Moreover, the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention that solves the above-described problems includes the positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention in a positive electrode.
本発明の非水電解質二次電池は、車両用の非水電解質二次電池として好ましく使用できる。 The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention can be preferably used as a nonaqueous electrolyte secondary battery for vehicles.
以下、特に断りのない場合、本発明の非水電解質二次電池用正極材料を単に本発明の正極材料と略し、本発明の非水電解質二次電池用正極材料の製造方法を単に本発明の製造方法と略する。 Hereinafter, unless otherwise specified, the positive electrode material for a nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is simply abbreviated as the positive electrode material of the present invention, and the method for producing the positive electrode material for a nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is simply referred to as the present invention. Abbreviated as manufacturing method.
硫黄変性PANは、多数の硫黄変性PAN粒子が凝集した状態(二次粒子状)で存在している。このため、このような凝集体状の硫黄変性PANに直接導電助剤を付着させると、凝集体状の硫黄変性PANの表面のみに導電助剤が付着し、凝集体の中心部に位置する硫黄変性PAN粒子は導電助剤と大きく離間する。このため、多量の導電助剤を添加しなければ正極材料の導電性を大きく向上させ難い問題があった。本発明の製造方法によると、一旦解砕した(つまり、細かい粒子状にほぐした)後の硫黄変性PANに導電助剤を付着させることで、個々の硫黄変性PAN粒子の表面に導電助剤が付着する。このため、この硫黄変性PAN粒子が再凝集しても、凝集体の内部に導電助剤が存在する。換言すると、導電助剤は正極材料中において非常に小さい間隔で分散し、導電助剤と凝集体内部に位置する硫黄変性PAN粒子との距離は小さい。したがって、このような本発明の製造方法で得られた本発明の正極材料においては、導電助剤に由来する導電性が充分に発揮される。つまり、本発明の製造方法によると導電性に優れる正極材料を製造できる。 The sulfur-modified PAN exists in a state where a large number of sulfur-modified PAN particles are aggregated (secondary particles). For this reason, when a conductive additive is directly attached to such an aggregated sulfur-modified PAN, the conductive additive is attached only to the surface of the aggregated sulfur-modified PAN, and sulfur located at the center of the aggregate The modified PAN particles are greatly separated from the conductive assistant. For this reason, there is a problem that it is difficult to greatly improve the conductivity of the positive electrode material unless a large amount of conductive aid is added. According to the production method of the present invention, the conductive assistant is attached to the surface of each sulfur-modified PAN particle by attaching the conductive assistant to the sulfur-modified PAN after being crushed (that is, loosened into fine particles). Adhere to. For this reason, even if the sulfur-modified PAN particles are re-agglomerated, the conductive assistant is present inside the aggregate. In other words, the conductive assistant is dispersed at very small intervals in the positive electrode material, and the distance between the conductive assistant and the sulfur-modified PAN particles located inside the aggregate is small. Therefore, in the positive electrode material of the present invention obtained by such a production method of the present invention, the conductivity derived from the conductive additive is sufficiently exhibited. That is, according to the manufacturing method of the present invention, a positive electrode material having excellent conductivity can be manufactured.
また、後述するように、解砕した硫黄変性PANは、その粒度分布において、全体の粒子の50%頻度以上が粒子径2μm以下の粒子である。すなわち、本発明の正極材料の原料たる硫黄変性PANは、その粒度分布において、全体の粒子の50頻度%以上が粒子径2μm以下の粒子である。このように小径な硫黄変性PAN粒子に導電助剤を付着させれば、導電助剤が正極材料中に高分散する。このため導電助剤から硫黄変性PAN粒子の中心部までの距離は小さくなり、正極材料中における導電助剤同士の距離も小さくなる。これらの距離が小さければ正極材料の導電性は必然的に向上し、正極材料を含む正極合剤を厚く塗工した場合にも電気抵抗の増大を抑制できる。 Further, as will be described later, the pulverized sulfur-modified PAN is a particle having a particle size of 50% or more of the total particle size and having a particle size of 2 μm or less. That is, the sulfur-modified PAN, which is a raw material of the positive electrode material of the present invention, has a particle size distribution in which 50% by frequency or more of the total particles are particles having a particle size of 2 μm or less. Thus, if a conductive support agent is made to adhere to small diameter sulfur modified PAN particle | grains, a conductive support agent will disperse | distribute highly in positive electrode material. For this reason, the distance from the conductive assistant to the center of the sulfur-modified PAN particles is reduced, and the distance between the conductive assistants in the positive electrode material is also reduced. If these distances are small, the conductivity of the positive electrode material inevitably improves, and an increase in electrical resistance can be suppressed even when a positive electrode mixture containing the positive electrode material is applied thickly.
(正極活物質)
本発明の非水電解質二次電池における正極活物質は、上述した硫黄変性PANであり、PANに由来する炭素骨格と硫黄(S)とからなる。(Positive electrode active material)
The positive electrode active material in the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is the above-described sulfur-modified PAN, which is composed of a carbon skeleton derived from PAN and sulfur (S).
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PANは、粉末状であるのが好ましく、質量平均分子量が104〜3×105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。The sulfur-modified PAN is the same as that disclosed in
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い容量を維持でき、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の構造中に取り込まれ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との構造中に存在していると考えられる。硫黄変性PAN中で硫黄はPANと結合した安定な状態で存在するか、または、硫黄が単体として存在するものの、PANが加熱により閉環する際の架橋構造中に閉じ込められているために電解液と接触し難く、たとえ電解液と接触しても反応生成物が溶出し難い状態にあると考えられる。このことにより、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 that the cycle characteristics are greatly improved. . This is considered to be because sulfur does not exist as a simple substance in the sulfur-modified PAN but exists in a stable state taken into the structure of PAN. In the production method disclosed in
ところで、単体の無機硫黄を活物質とした電極をもつリチウムイオン二次電池は、初期容量は大きいが、充放電を繰り返すと電解液に可溶なLi2Sxが生成する。このLi2Sxが電解液に溶出すると、サイクル特性に代表される電池性能が急激に劣化する。By the way, a lithium ion secondary battery having an electrode using a single inorganic sulfur as an active material has a large initial capacity, but Li 2 S x soluble in the electrolyte is generated when charging and discharging are repeated. When this Li 2 S x elutes into the electrolytic solution, the battery performance represented by the cycle characteristics deteriorates rapidly.
−C−S結合によって硫黄を固定化した有機スルフィドを活物質として用いる場合にも、−C−S結合が切断されるとLi2Sxが生成して電解液に溶出する。また、一旦切断された−C−S結合は元に戻り難い。したがってこの場合にも、サイクル特性の劣化は避け難い。Even when an organic sulfide in which sulfur is immobilized by a —C—S bond is used as an active material, Li 2 S x is generated and eluted into the electrolyte when the —C—S bond is cleaved. In addition, once cut, the -CS bond is hard to return. Therefore, also in this case, it is difficult to avoid deterioration of cycle characteristics.
さらに、カーボン材料の細孔中に硫黄を固定した硫黄系活物質を用いても、細孔に硫黄の出入り口が残っており、硫黄と電解液とは容易に接触するため、Li2Sxが電解液中に溶出してしまう。Furthermore, even with sulfur-based active material with a fixed sulfur in the pores of the carbon material, the pores are left doorway of sulfur in order to easily contact the sulfur and the electrolyte solution, Li 2 S x is It elutes in the electrolyte.
ところが、硫黄変性PANを用いたリチウムイオン二次電池は、何れもサイクル特性に優れ、充放電を繰り返した後にも高い容量を維持している。これは、正極または負極からの硫黄の脱離が抑制されていることによる効果であると考えられる。つまり、硫黄変性PANを用いたリチウムイオン二次電池においては、硫黄と電解液との接触が抑制されていると考えられる。 However, all lithium ion secondary batteries using sulfur-modified PAN have excellent cycle characteristics and maintain a high capacity even after repeated charge and discharge. This is considered to be an effect due to suppression of sulfur desorption from the positive electrode or the negative electrode. That is, in a lithium ion secondary battery using sulfur-modified PAN, it is considered that contact between sulfur and the electrolytic solution is suppressed.
すなわち硫黄変性PANにおいては、PANの閉環反応が起こる温度で、PANと硫黄とが共存しているため、硫黄がPANの架橋構造中に取り込まれ、出口のない細孔中に硫黄が閉じ込められていると考えられる。そのため電解液と硫黄との直接接触が抑制され、Li2Sxの溶出が防止されることで、硫黄変性PANを用いた電池はサイクル特性に優れると考えられる。なお一部の硫黄が電解液と直接接触可能であっても、その硫黄が初回の充放電時にLi2Sxとして電解液に溶出した後は、安定した充放電容量が維持される。That is, in sulfur-modified PAN, since PAN and sulfur coexist at the temperature at which the PAN ring-closing reaction occurs, sulfur is taken into the PAN cross-linked structure, and sulfur is trapped in the pores having no outlet. It is thought that there is. Therefore, direct contact between the electrolytic solution and sulfur is suppressed, and elution of Li 2 S x is prevented, so that a battery using sulfur-modified PAN is considered to have excellent cycle characteristics. Even if some sulfur can be in direct contact with the electrolytic solution, a stable charge / discharge capacity is maintained after the sulfur is eluted into the electrolytic solution as Li 2 S x during the first charge / discharge.
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。 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.
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がPANの構造中に取り込まれる。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に硫黄が取り込まれるのを妨げない雰囲気(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 contained in the mixed raw material is taken into the PAN structure. 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. The atmosphere in which the heat treatment process is performed is not particularly limited, but it is preferably performed in an atmosphere that does not prevent sulfur from being taken into PAN (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、硫黄のPANへの取り込みが進行し、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400℃以下とすることがより好ましく、250以上300℃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 described above may be a temperature at which the incorporation of sulfur into the PAN proceeds and the conductive material does not deteriorate. Specifically, the heating temperature is preferably 250 to 500 ° C., more preferably 250 to 400 ° C., and further preferably 250 to 300 ° C.
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、及び硫黄を含み、更に、少量の酸素及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。
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に取り込まれた状態で存在していると考えられる。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.
That is, in the sulfur-modified PAN, it is considered that sulfur does not exist as a simple substance but is present in a state of being taken into the PAN that has progressed in the 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、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 peaks described above exists in a range of approximately ± 8 cm −1 with the above 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
(非水電解質二次電池用正極材料)
本発明の非水電解質二次電池用正極材料は、正極活物質としての硫黄変性PANと、導電助剤とを含有する。硫黄変性PANに関しては上述した。(Positive electrode material for non-aqueous electrolyte secondary battery)
The positive electrode material for a nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention contains sulfur-modified PAN as a positive electrode active material and a conductive additive. The sulfur-modified PAN has been described above.
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.
この導電助剤の粒径は0.005μm〜1μmであるのが好ましく、0.01μm〜0.1μmであるのがより好ましい。導電助剤の配合量が同じ場合、導電助剤の粒径が小さい方が正極中に多くの導電パスを形成できるためである。
(正極材料の製造方法)
上述した正極材料を製造する本発明の製造方法は、解砕工程と、助剤添加工程と、再凝集工程とを備える。The particle size of the conductive assistant is preferably 0.005 μm to 1 μm, and more preferably 0.01 μm to 0.1 μm. This is because when the blending amount of the conductive assistant is the same, a smaller conductive assistant particle size can form many conductive paths in the positive electrode.
(Method for producing positive electrode material)
The manufacturing method of the present invention for manufacturing the positive electrode material described above includes a crushing step, an auxiliary agent adding step, and a reaggregation step.
〔解砕工程〕
解砕工程は、硫黄変性PANを解砕する工程である。後述するように解砕前の硫黄変性PANは、一般に、粒径(メジアン径)10μm程度の凝集体として存在する。解砕工程においては、この凝集体を解砕し、小径の硫黄変性PANを得る。解砕工程は凝集した硫黄変性PANをほぐすことができれば良く既知の方法を用いれば良い。例えばボールミル、ビーズミル、エアジェットミル、液中衝突装置等の装置を用いても良いし、乳鉢等ですりつぶしても良い。解砕後の硫黄変性PAN粒子は、上述したように、「全体の粒子の50頻度%以上が粒子径2μm以下」にであれば良い。硫黄変性PAN粒子の粒径は、レーザ回折散乱法粒度分布測定装置によって測定できる。さらに、硫黄変性PAN粒子のレーザ回折散乱法粒度分布測定装置によるメジアン径は、4μm以下であるのが好ましく、メジアン径2μm以下であるのがより好ましい。解砕工程は、大気中や不活性ガス雰囲気下で行っても良いし、液状媒体中で行っても良いが、解砕した硫黄変性PAN粒子の再凝集を防ぐためには、液状媒体中で行うのが好ましい。またTween20(ポリオキシエチレンソルビタンモノラウラート)などの分散剤を用いても良い。液状媒体としては、水や有機溶媒等の既知の媒体を用いれば良い。[Crushing process]
The crushing step is a step of crushing the sulfur-modified PAN. As will be described later, the sulfur-modified PAN before crushing is generally present as an aggregate having a particle size (median diameter) of about 10 μm. In the crushing step, the aggregate is crushed to obtain a small-diameter sulfur-modified PAN. The crushing step may be any known method as long as the aggregated sulfur-modified PAN can be loosened. For example, a device such as a ball mill, a bead mill, an air jet mill, or a submerged collision device may be used, or mortar may be ground. As described above, the sulfur-modified PAN particles after pulverization may be “50 frequency% or more of all particles having a particle diameter of 2 μm or less”. The particle size of the sulfur-modified PAN particles can be measured by a laser diffraction scattering method particle size distribution analyzer. Furthermore, the median diameter of the sulfur-modified PAN particles measured by a laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer is preferably 4 μm or less, and more preferably 2 μm or less. The crushing step may be performed in the atmosphere or under an inert gas atmosphere, or may be performed in a liquid medium. In order to prevent re-aggregation of the crushed sulfur-modified PAN particles, the crushing process is performed in a liquid medium. Is preferred. Further, a dispersant such as Tween 20 (polyoxyethylene sorbitan monolaurate) may be used. As the liquid medium, a known medium such as water or an organic solvent may be used.
〔助剤添加工程〕
助剤添加工程は、解砕された硫黄変性PANの表面に導電助剤を付着させる工程である。助剤添加工程において、導電助剤は既知の方法で硫黄変性PAN粒子の表面に付着させれば良く、例えば、硫黄変性PAN粒子と導電助剤とを単に混合するだけでも良いし、硫黄変性PANと導電助剤とをバインダ樹脂等によって結着しても良い。何れの場合にも、解砕した硫黄変性PAN粒子の再凝集を防ぎつつ、その表面に導電助剤を付着させるためには、解砕工程と同様に液状媒体中で行うのが好ましい。なお、助剤添加工程は、上述した解砕工程後に行っても良いし、解砕工程と同時に行っても良い。また導電助剤の一部のみを解砕工程時に添加し、残部を後述の正極合材作製時に添加しても良い。[Auxiliary agent addition process]
The auxiliary agent adding step is a step of attaching a conductive auxiliary agent to the surface of the crushed sulfur-modified PAN. In the auxiliary agent adding step, the conductive auxiliary agent may be attached to the surface of the sulfur-modified PAN particles by a known method. For example, the sulfur-modified PAN particles may be simply mixed with the conductive auxiliary agent, or the sulfur-modified PAN may be mixed. And the conductive assistant may be bound by a binder resin or the like. In any case, in order to adhere the conductive assistant to the surface of the pulverized sulfur-modified PAN particles while preventing re-aggregation, it is preferable to carry out in a liquid medium as in the pulverization step. In addition, an auxiliary agent addition process may be performed after the crushing process mentioned above, and may be performed simultaneously with a crushing process. Further, only a part of the conductive auxiliary agent may be added during the crushing step, and the remainder may be added during the production of the positive electrode mixture described later.
〔再凝集工程〕
再凝集工程は、上述した助剤添加工程後の硫黄変性PAN(すなわち導電助剤が付着した硫黄変性PAN)を再凝集させる工程である。上述したように、助剤添加工程において導電助剤は硫黄変性PAN粒子の表面に付着するため、再凝集工程で得られた凝集体においては、表面だけでなく内部にまで導電助剤が存在する。再凝集工程において得られる凝集体の粒径は特に問わないが、1〜10μm(メジアン径)程度であるのが好ましい。また、再凝集工程において得られる凝集体の粒径は均一であるのが好ましい。均一または略均一粒径の凝集体を得るためには、スプレードライ、流動層造粒等、凝集体の粒径を制御できる方法で硫黄変性PANを再凝集させるのが望ましい。なお、液状媒体中で解砕し、かつ、再凝集工程にスプレードライ等の乾燥と凝集とを同時に行い得る方法を用いない場合には、再凝集工程の前に助剤添加工程後の硫黄変性PANを乾燥する工程が必要である。この乾燥工程は加熱乾燥、真空乾燥など液状媒体に応じた既知の方法で良い。[Re-aggregation process]
The reaggregation step is a step of reaggregating the sulfur-modified PAN (that is, the sulfur-modified PAN with the conductive auxiliary agent attached) after the auxiliary agent addition step described above. As described above, since the conductive auxiliary agent adheres to the surface of the sulfur-modified PAN particles in the auxiliary agent adding step, the conductive auxiliary agent exists not only on the surface but also inside the aggregate obtained in the re-aggregating step. . The particle size of the aggregate obtained in the reaggregation step is not particularly limited, but is preferably about 1 to 10 μm (median diameter). Moreover, it is preferable that the particle size of the aggregate obtained in the reaggregation step is uniform. In order to obtain an aggregate having a uniform or substantially uniform particle size, it is desirable to reaggregate the sulfur-modified PAN by a method capable of controlling the particle size of the aggregate, such as spray drying or fluidized bed granulation. In addition, when not using a method that can disintegrate in a liquid medium and simultaneously perform drying and agglomeration such as spray drying in the reaggregation step, sulfur modification after the auxiliary agent addition step is performed before the reaggregation step. A step of drying PAN is required. This drying process may be a known method according to the liquid medium, such as heat drying or vacuum drying.
(非水電解質二次電池)
以下、本発明の非水電解質二次電池の構成について説明する。(Non-aqueous electrolyte secondary battery)
Hereinafter, the configuration of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention will be described.
〔正極〕
本発明の非水電解質二次電池における正極は、正極材料以外は、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、上述した正極材料、バインダ、および溶媒を混合した正極合剤を集電体に塗布することによって本発明の非水電解質二次電池における正極を製作できる。また、その他の方法として、上述した正極材料およびバインダ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、正極を製造することもできる。[Positive electrode]
The positive electrode in the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention can have the same structure as a general positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery except for the positive electrode material. For example, the positive electrode in the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention can be manufactured by applying a positive electrode mixture in which the above-described positive electrode material, binder, and solvent are mixed to a current collector. As another method, the positive electrode material and binder mixture described above are kneaded with a mortar or a press and formed into a film, and the film-like mixture is pressure-bonded to a current collector with a press or the like to produce a positive electrode. You can also
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5〜100質量部程度、バインダ5〜20質量部程度を配合するのが好ましい。 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 5 to 100 parts by mass of a conductive additive and about 5 to 20 parts by mass of a binder with respect to 100 parts by mass of sulfur-modified PAN.
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、本発明の非水電解質二次電池における正極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 is therefore suitable as a current collector for a positive electrode in the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention. It is. 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.
〔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、リチウムイオンを吸蔵・放出可能であって、リチウムと合金化可能な元素および/またはリチウムと合金化可能な元素を有する元素化合物からなるものが好ましく用いられる。或いは、ナトリウムイオンを吸蔵・放出可能であって、ナトリウムと合金化可能な元素および/またはアトリウムと合金化可能な元素を有する元素化合物からなるものが好ましく用いられる。例えば、リチウムと合金化可能な元素としては、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Ti、Ag、Zn、Cd、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Biから選ばれる少なくとも一種が挙げられる。このうち、ケイ素(Si)またはスズ(Sn)を用いるのが特に好ましい。また、リチウムと合金化反応可能な元素を有する元素化合物は、ケイ素化合物またはスズ化合物であるのが好ましい。ケイ素化合物としては、SiOx(0.5≦x≦1.5)が挙げられる。スズ化合物としては、例えば、スズ合金(Cu−Sn合金、Co−Sn合金等)、スズ合金(Cu−Sn合金、Co−Sn合金等)などが挙げられる。その他、公知の金属リチウム、金属ナトリウム、黒鉛などの炭素系材料を使用することもできる。なお、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。負極材料として、リチウムを含まない材料、例えば、上記した負極材料のなかで、炭素系材料、シリコン系材料、合金系材料等を用いる場合には、デンドライドの発生による正負極間の短絡を生じ難い点で有利である。ただし、これらのリチウムを含まない負極材料を本発明の正極材料と組み合わせて用いる場合には、正極および負極が何れもリチウムを含まない。このため、負極および正極の何れか一方、または両方にあらかじめリチウムを挿入するリチウムプリドープ処理が必要となる。リチウムのプリドープ法としては公知の方法に従えば良い。例えば負極にリチウムをドープする場合には、対極に金属リチウムを用いて半電池を組み、電気化学的にリチウムをドープする電解ドープ法によってリチウムを挿入する方法や、金属リチウム箔を電極に貼り付けたあと電解液の中に放置し電極へのリチウムの拡散を利用してドープする貼り付けプリドープ法によりリチウムを挿入する方法が挙げられる。また、正極にリチウムをプリドープする場合にも、上記した電解ドープ法を利用することができる。[Negative electrode]
As the negative electrode active material for the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, an element compound capable of occluding and releasing lithium ions and having an element that can be alloyed with lithium and / or an element that can be alloyed with lithium is used. Is preferably used. Or what consists of an element compound which can occlude / release sodium ion and has an element which can be alloyed with sodium and / or an element which can be alloyed with atrium is used preferably. For example, elements that can be alloyed with lithium include Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Ti, Ag, Zn, Cd, Al, Ga, In, Si, Examples thereof include at least one selected from Ge, Sn, Pb, Sb, and Bi. Among these, it is particularly preferable to use silicon (Si) or tin (Sn). The elemental compound having an element capable of alloying with lithium is preferably a silicon compound or a tin compound. Examples of the silicon compound include SiO x (0.5 ≦ x ≦ 1.5). Examples of the tin compound include a tin alloy (Cu—Sn alloy, Co—Sn alloy, etc.), a tin alloy (Cu—Sn alloy, Co—Sn alloy, etc.), and the like. In addition, known carbon-based materials such as metallic lithium, metallic sodium, and graphite can also 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). When a negative electrode material that does not contain lithium, for example, a carbon-based material, a silicon-based material, an alloy-based material, etc., among the negative electrode materials described above, short-circuiting between the positive and negative electrodes due to the generation of dendrites is unlikely to occur. This is advantageous. However, when these negative electrode materials not containing lithium are used in combination with the positive electrode material of the present invention, neither the positive electrode nor the negative electrode contains lithium. For this reason, a lithium pre-doping process in which lithium is inserted in advance into either one or both of the negative electrode and the positive electrode is necessary. The lithium pre-doping method may be a known method. For example, when lithium is doped into the negative electrode, a half-cell is assembled using metallic lithium as the counter electrode, and lithium is inserted by an electrolytic doping method in which lithium is electrochemically doped, or a metallic lithium foil is attached to the electrode After that, there is a method in which lithium is inserted by a pasting pre-doping method in which it is left in an electrolytic solution and doped using diffusion of lithium to the electrode. Also, when the positive electrode is predoped with lithium, the above-described electrolytic doping method can be used.
リチウムを含まない負極材料としては、特に、高容量の負極材料であるシリコン系材料が好ましく、そのなかでも電極厚さが薄くて体積当りの容量で有利となる薄膜シリコンがより好ましい。 As the negative electrode material that does not contain lithium, a silicon-based material that is a high-capacity negative electrode material is particularly preferable, and among these, thin-film silicon that has a thin electrode thickness and is advantageous in terms of capacity per volume is more preferable.
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、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiI、LiClO4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、NaPF6、NaBF4、NaClO4、NaAsF6、NaSbF6、NaCF3SO3、NaN(SO2CF3)2、低級脂肪酸ナトリウム塩、NaAlCl4等から選ばれる一種又は複数種を用いることができる。なかでもLiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、NaPF6、NaBF4、NaAsF6、NaSbF6、NaCF3SO3、NaN(SO2CF3)2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。
以下、本発明の非水電解質二次電池およびその製造方法を具体的に説明する。[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.
Hereinafter, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention and the manufacturing method thereof will be specifically described.
(実施例)
実施例の非水電解質二次電池はリチウムイオン二次電池である。実施例の非水電解質二次電池は以下のように作製した。(Example)
The nonaqueous electrolyte secondary battery of an Example is a lithium ion secondary battery. The non-aqueous electrolyte secondary battery of the example was produced as follows.
<硫黄変性PAN>
〔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。<Sulfur modified PAN>
[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
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
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
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
〔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
〔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)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 a sulfur-modified PAN not including (or substantially not including) elemental sulfur was obtained.
<正極材料>
〔1〕解砕工程
図4Aに示すように、上記の工程で得られた硫黄変性PAN80は、硫黄変性PAN粒子の一次粒子81が凝集した凝集体状をなす。解砕工程においては、この凝集体状の硫黄変性PAN80を、水中に分散させ、スギノマシン社製スターバーストラボHJP−25005(斜向衝突チャンバー、245MPa加圧)を用いて液中衝突解砕処理を施し、水中で凝集体状の硫黄変性PAN80同士を衝突させた。図4Bに示すように、この工程により、凝集体状の硫黄変性PAN80が解砕された硫黄変性PAN粒子82を得た。<Positive electrode material>
[1] Crushing step As shown in FIG. 4A, the sulfur-modified
〔2〕助剤添加工程
解砕工程が1サイクル完了した後、上記解砕装置の試料タンクに、導電助剤83としてのアセチレンブラック(AB)を添加した。ABの配合量は、硫黄変性PAN100質量部に対して6質量部であった。このABの粒径は0.02μm(メジアン値)であった。図4Cに示すように、導電助剤83の添加後、解砕サイクルを4サイクル繰り返すことで、硫黄変性PAN粒子82の表面に導電助剤83を付着させた。[2] Auxiliary agent adding step After the crushing step was completed for one cycle, acetylene black (AB) as the conductive
〔3〕再凝集工程
助剤添加工程で得られた硫黄変性PAN粒子82と導電助剤83との水分散物を、藤崎電機製スプレードライ装置 MDL−050Bを用いて、スプレードライした。この工程により、水が蒸発すると共に粒径略一定の凝集体が得られた。この凝集体は実施例の正極材料84である。図4Dに示すように、実施例の正極材料84において、導電助剤83は正極材料84の表面および内部に存在する。[3] Re-aggregation step The aqueous dispersion of the sulfur-modified
<リチウム二次電池> <Lithium secondary battery>
〔1〕正極
上記の工程で得られた正極材料80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。[1]
一方、カーボンペーパー(東レ社製;TGP−H−030)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 obtained by punching carbon paper (manufactured by Toray Industries Inc .; TGP-H-030) to a diameter of φ11 mm was prepared, and after filling the slurry, dried at 200 ° C. under reduced pressure for 2 hours to produce a positive electrode. .
〔2〕負極
負極としては、金属リチウム箔を直径φ11mmのサイズに打ち抜いたものを用いた。[2] Negative electrode As the negative electrode, a metal lithium foil punched into a diameter of φ11 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、LiPF6を溶解した非水電解質を用いた。電解液中のLiPF6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 the example.
(比較例)
比較例の非水電解質二次電池用正極材料は、解砕前の硫黄変性PAN凝集体に直接導電助剤を付着させたこと以外は、実施例の非水電解質二次電池用正極材料と同じものである。比較例の非水電解質二次電池用正極材料は、解砕前の硫黄変性PAN凝集体と導電助剤とを、めのう製乳鉢で混合することで得られた。図5Aに示すように、比較例で用いた硫黄変性PAN80は凝集体状である。この凝集体状の硫黄変性PAN80に直接導電助剤83を付着させると、図5Bに示すように導電助剤83は凝集体状の硫黄変性PAN80の表面のみに付着する。比較例の非水電解質二次電池は、正極材料以外は実施例の非水電解質二次電池と同じものである。(Comparative example)
The positive electrode material for the nonaqueous electrolyte secondary battery of the comparative example is the same as the positive electrode material for the nonaqueous electrolyte secondary battery of the example, except that the conductive auxiliary was directly attached to the sulfur-modified PAN aggregate before crushing. Is. The positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the comparative example was obtained by mixing the sulfur-modified PAN aggregate before crushing and the conductive additive in an agate mortar. As shown in FIG. 5A, the sulfur-modified
<硫黄変性PANの粒度分布>
解砕前の硫黄変性PANおよび解砕後の硫黄変性PANの粒度分布を測定した。解砕後の硫黄変性PANとしては、実施例と同じ解砕工程後の硫黄変性PAN水分散物を解砕装置の試料タンクから分取したものを用いた。<Particle size distribution of sulfur-modified PAN>
The particle size distribution of sulfur-modified PAN before pulverization and sulfur-modified PAN after pulverization was measured. As the sulfur-modified PAN after pulverization, the one obtained by separating the sulfur-modified PAN aqueous dispersion after the same pulverization step as that of the example from the sample tank of the pulverizer was used.
各硫黄変性PANの粒度分布は、堀場製作所製粒度分布測定装置 LA−910Wを用いたレーザ回折散乱法粒度分布法により測定した。測定結果を図6、図7および表1に示す。詳しくは、図6は解砕前の硫黄変性PANの粒度分布を表し、図7は解砕後の硫黄変性PANの粒度分布を表す。 The particle size distribution of each sulfur-modified PAN was measured by a laser diffraction scattering method particle size distribution method using a particle size distribution measuring apparatus LA-910W manufactured by Horiba. The measurement results are shown in FIGS. Specifically, FIG. 6 shows the particle size distribution of sulfur-modified PAN before crushing, and FIG. 7 shows the particle size distribution of sulfur-modified PAN after crushing.
図6、図7および表1に示すように、解砕工程により、メジアン径10μm以上の大径な硫黄変性PAN凝集体からメジアン径2μm以下の小径な硫黄変性PAN粒子を得ることができる。また解砕工程により粒子径の略均一な硫黄変性PAN粒子を得ることができる。解砕工程前の硫黄変性PAN凝集体において、粒径2μm以下の粒子は全体の1頻度%未満(約0.6頻度%)であるのに対し、解砕工程後の硫黄変性PAN粒子において、粒径2μm以下の粒子は全体の50頻度%以上(約70頻度%)である。 As shown in FIGS. 6 and 7 and Table 1, small-sized sulfur-modified PAN particles having a median diameter of 2 μm or less can be obtained from a large-sized sulfur-modified PAN aggregate having a median diameter of 10 μm or more by the crushing step. Further, sulfur-modified PAN particles having a substantially uniform particle diameter can be obtained by the crushing step. In the sulfur-modified PAN aggregate before the crushing step, particles having a particle size of 2 μm or less are less than 1 frequency% (about 0.6 frequency%), whereas in the sulfur-modified PAN particles after the crushing step, Particles having a particle size of 2 μm or less are 50% or more (about 70%) of the whole.
このような硫黄変性PAN粒子の表面に導電助剤を付着させた実施例の正極材料では、導電助剤が硫黄変性PAN粒子の粒径程度の間隔で分散配置される。上述したように、解砕後の硫黄変性PAN粒子の粒度分布において、粒径2μm以下の粒子は全体の約70頻度%である。このため、実施例の正極材料においては、導電助剤が2μm以上の範囲で存在していない領域は、正極材料全体の30%未満となる。つまり、正極材料を分析した際に、導電助剤が2μm以上の範囲で存在していない領域が正極材料全体の30%未満であれば、実施例の正極材料(つまり本発明の正極材料)であると判断できる。換言すると、隣接する導電助剤同士が2μm以上離間している領域が正極材料全体の30%未満であれば、本発明の正極材料であると判断できる。
<SEMによる正極材料の観察>In the positive electrode material of the example in which the conductive auxiliary agent is adhered to the surface of such sulfur-modified PAN particles, the conductive auxiliary agent is dispersed and arranged at intervals of about the particle size of the sulfur-modified PAN particles. As described above, in the particle size distribution of the sulfur-modified PAN particles after pulverization, particles having a particle size of 2 μm or less account for about 70 frequency% of the total. For this reason, in the positive electrode material of an Example, the area | region where the conductive support agent does not exist in the range of 2 micrometers or more becomes less than 30% of the whole positive electrode material. That is, when the positive electrode material is analyzed and the region where the conductive auxiliary agent is not present in the range of 2 μm or more is less than 30% of the total positive electrode material, the positive electrode material of the example (that is, the positive electrode material of the present invention) It can be judged that there is. In other words, if the region where the adjacent conductive assistants are separated by 2 μm or more is less than 30% of the entire positive electrode material, it can be determined that the positive electrode material of the present invention.
<Observation of positive electrode material by SEM>
実施例の正極材料および解砕前の硫黄変性PANを、走査型電子顕微鏡(SEM;Scanning Electron Microscope)により表面観察した。このときの加速電圧は5kVであり倍率は5000倍であった。解砕前の硫黄変性PANのSEM像を図8に示し、実施例の正極材料のSEM像を図9に示す。 The surface of the positive electrode material of Example and the sulfur-modified PAN before crushing was observed with a scanning electron microscope (SEM). The acceleration voltage at this time was 5 kV, and the magnification was 5000 times. FIG. 8 shows an SEM image of the sulfur-modified PAN before crushing, and FIG. 9 shows an SEM image of the positive electrode material of the example.
図8および図9に示すように、実施例の正極材料は解砕前の硫黄変性PANに比べて小径である。また、小径化した硫黄変性PANの表面に導電助剤であるアセチレンブラックの粒子が観察できる。 As shown in FIGS. 8 and 9, the positive electrode material of the example has a smaller diameter than the sulfur-modified PAN before crushing. Moreover, the particle | grains of the acetylene black which is a conductive support agent can be observed on the surface of sulfur-modified PAN reduced in diameter.
<充放電特性>
実施例および比較例の非水電解質二次電池の充放電特性を測定した。詳しくは、各非水電解質二次電池で繰り返し充放電を行った。このときの放電レートは0.1C、カットオフ電圧は3.0V〜1.0Vであった。温度は25〜30℃であった。充放電特性試験のうち、2サイクル目の放電試験結果を図10、図11に示す。図10は実施例の非水電解質二次電池に関し、図11は比較例の非水電解質二次電池に関する。<Charge / discharge characteristics>
The charge / discharge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary batteries of Examples and Comparative Examples were measured. In detail, charging / discharging was repeatedly performed with each nonaqueous electrolyte secondary battery. At this time, the discharge rate was 0.1 C, and the cut-off voltage was 3.0 V to 1.0 V. The temperature was 25-30 ° C. Of the charge / discharge characteristic test, the results of the discharge test in the second cycle are shown in FIGS. 10 relates to the non-aqueous electrolyte secondary battery of the example, and FIG. 11 relates to the non-aqueous electrolyte secondary battery of the comparative example.
比較例の非水電解質二次電池(図11)では放電開始直後の電池電圧が2.53Vであった。これに対して、実施例の非水電解質二次電池(図10)では、放電開始直後の電池電圧は2.68Vであった。図10および図11に示す充放電特性測定試験の結果から、実施例の非水電解質二次電池が比較例の非水電解質二次電池に比べて内部抵抗が低減していることが分かる。これは、実施例の正極材料が比較例の正極材料よりも導電性に優れることを示している。つまり、解砕された硫黄変性PANに導電助剤を付着させた場合には、解砕前の硫黄変性PANに導電助剤を付着させた場合に比べて、同じ導電助剤の量でも導電率を向上させ得ると言える。 In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the comparative example (FIG. 11), the battery voltage immediately after the start of discharge was 2.53 V. In contrast, in the nonaqueous electrolyte secondary battery (FIG. 10) of the example, the battery voltage immediately after the start of discharge was 2.68 V. From the results of the charge / discharge characteristic measurement test shown in FIG. 10 and FIG. 11, it can be seen that the non-aqueous electrolyte secondary battery of the example has a lower internal resistance than the non-aqueous electrolyte secondary battery of the comparative example. This has shown that the positive electrode material of an Example is more excellent in electroconductivity than the positive electrode material of a comparative example. That is, when the conductive assistant is attached to the pulverized sulfur-modified PAN, the conductivity is increased even with the same amount of conductive assistant as compared to the case where the conductive assistant is attached to the sulfur-modified PAN before pulverization. It can be said that it can improve.
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
80:凝集体状の硫黄変性PAN 81:硫黄変性PAN粒子の一次粒子
82:硫黄変性PAN粒子 83:導電助剤 84:正極材料1: Reactor 2: Reaction vessel 3: Lid 4: Thermocouple 5: Gas introduction pipe 6: Gas discharge pipe 7: Electric furnace 80: Aggregated sulfur-modified PAN 81:
Claims (9)
解砕された該硫黄系正極活物質の表面に導電助剤を付着させる助剤添加工程と、
該助剤添加工程後に該硫黄系正極活物質を再凝集させる再凝集工程と、
を備えることを特徴とする非水電解質二次電池用正極材料の製造方法。A crushing step of crushing a sulfur-based positive electrode active material comprising a carbon skeleton derived from polyacrylonitrile and the carbon skeleton and sulfur (S);
An auxiliary agent adding step of attaching a conductive auxiliary agent to the surface of the pulverized sulfur-based positive electrode active material;
A reaggregation step of reaggregating the sulfur-based positive electrode active material after the auxiliary agent addition step;
A method for producing a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
ポリアクリロニトリルに由来する炭素骨格と該炭素骨格と硫黄(S)とからなる硫黄系正極活物質と、導電助剤と、を材料とし、
該硫黄系正極活物質の粒度分布において、全体の粒子の50頻度%以上が粒子径2μm以下の粒子であることを特徴とする非水電解質二次電池用正極材料。A positive electrode material manufactured by the method for manufacturing a non-aqueous electrolyte secondary battery positive electrode material according to any one of claims 1 to 5,
Using a carbon skeleton derived from polyacrylonitrile, a sulfur-based positive electrode active material comprising the carbon skeleton and sulfur (S), and a conductive additive,
A positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein, in the particle size distribution of the sulfur-based positive electrode active material, 50 frequency% or more of the total particles are particles having a particle diameter of 2 μm or less.
Priority Applications (1)
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