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JP7737826B2 - Positive electrode composition for all-solid-state battery and all-solid-state battery using the same - Google Patents
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JP7737826B2 - Positive electrode composition for all-solid-state battery and all-solid-state battery using the same - Google Patents

Positive electrode composition for all-solid-state battery and all-solid-state battery using the same

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Description

本開示は、一般に電池の分野に関し、特に全固体電池に関する。本開示は、特に全固体電池における正極組成物に関する。 This disclosure relates generally to the field of batteries, and more particularly to all-solid-state batteries. This disclosure particularly relates to positive electrode compositions in all-solid-state batteries.

リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く、長寿命であるため、ハイブリッド車用や電気自動車用として選択される。リチウムイオン電池の中でも、比エネルギーが高く、低コストで、可撓性のあるリチウム・硫黄電池が、将来のフレキシブルでウェアラブルな電子機器を可能にする有望な電源として大きな注目を集めている。硫黄は、理論比容量が1672mAhg-1と高いので、正極材料の候補として非常に魅力的であり、硫黄の利点として、豊富にある資源であり、安価で、そして環境適合性もある。このため、リチウム・硫黄電池は、次世代電力貯蔵システムにおいて重要な役割を担う。しかしながら、対応を要する様々な課題のために、大規模な商業的利用はこれまでのところ制限されている。 Lithium-ion batteries (Li-ion) are the battery of choice for hybrid and electric vehicles (HEVs) due to their high energy density and long life. Among Li-ion batteries, Li-S batteries, with their high specific energy, low cost, and flexibility, have attracted considerable attention as a promising power source for future flexible and wearable electronics. Sulfur, with its high theoretical specific capacity of 1672 mAh g-1 , is a highly attractive candidate cathode material. Sulfur also has the advantages of being abundant, inexpensive, and environmentally friendly. Therefore, Li-S batteries will play an important role in next-generation energy storage systems. However, various challenges have limited their large-scale commercial deployment to date.

硫黄を正極として使用することを制限している主要な問題の中に、硫黄の絶縁性があり、この結果、硫黄の電気化学的利用率が低減され、出力特性が制限される。このため、正極粒子間の緊密な接触を可能にする様々な導電性添加剤の使用が必要である。多大な努力がリチウム-硫黄系の改良に傾注され、導電性炭素材料や導電性高分子の様々な種類が、正極複合体の電子伝導度を高めるために使用されてきた。現在に至るまで、比容量が高く、サイクル特性が良好な硫黄正極を開発するために、数多くの興味深いアプローチが成功裏に探究されている。 Among the major issues limiting the use of sulfur as a cathode is its insulating properties, which reduces the electrochemical utilization of sulfur and limits power output characteristics. This necessitates the use of various conductive additives that enable intimate contact between cathode particles. Significant efforts have been devoted to improving the lithium-sulfur system, and various types of conductive carbon materials and conductive polymers have been used to enhance the electronic conductivity of the cathode composite. To date, a number of interesting approaches have been successfully explored to develop sulfur cathodes with high specific capacity and good cycling characteristics.

しかしながら、硫黄複合体中の硫黄含有量または電極上の硫黄積載質量によって、硫黄正極材料の電気化学的性能の向上が損なわれ、このことがリチウム/硫黄電池の全体のエネルギー密度を大幅に低減している。硫黄含有量を増加させると、通常、硫黄複合体の導電性の大幅な低下につながり、一方で、多孔性構造複合体中の硫黄の最適な積載は、容量の増大を達成する要望と、正極の安定性を確保するための体積変化の許容量との間の均衡によってもたらされる。 However, the sulfur content in the sulfur composite or the sulfur loading mass on the electrode compromises the electrochemical performance enhancement of sulfur cathode materials, significantly reducing the overall energy density of lithium/sulfur batteries. Increasing the sulfur content typically leads to a significant decrease in the conductivity of the sulfur composite, while optimal sulfur loading in the porous structure composite is determined by a balance between the desire to achieve increased capacity and the allowable volume change to ensure cathode stability.

特許文献1は、電子伝導度を高めるためのカーボン添加剤を含む金属硫化物および金属ハロゲン化物の複合体を開示している。特許文献2は、添加剤としてカーボンブラックを含む金属多硫化物複合体を開示している。カーボン系添加剤に加え、科学者はまた、イオン伝導度を高めるために固体電解質も使用してきた。特許文献3は、全固体電池の用途のためのLi系固体電解質を含む金属硫化物および非金属硫化物の使用を開示している。 Patent Document 1 discloses metal sulfide and metal halide composites containing carbon additives to enhance electronic conductivity. Patent Document 2 discloses metal polysulfide composites containing carbon black as an additive. In addition to carbon-based additives, scientists have also used solid electrolytes to enhance ionic conductivity. Patent Document 3 discloses the use of metal sulfides and non-metal sulfides containing Li-based solid electrolytes for all-solid-state battery applications.

国際公開第201663877号International Publication No. 201663877 米国特許第6200704号明細書U.S. Patent No. 6,200,704 特開2001-006674号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-006674

硫黄を電極として用いつつ、全固体電池の導電性を改良し、理論比容量を達成することのできる、全固体電池における実用化のための好適な電極の改変を特定する取組みが続けられている。 Efforts are ongoing to identify suitable electrode modifications for practical use in all-solid-state batteries that can improve the conductivity and achieve theoretical specific capacity while using sulfur as an electrode.

本開示の一態様において、a)式Iの複合体であって、
式I S-C-PX
式中、Sが元素状硫黄(elemental sulphur)であり;Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり;PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され;nが、3~5から選択される整数である、式Iの複合体と、b)少なくとも1種の添加剤と、
を含む、全固体電池用正極組成物が提供される。
In one aspect of the present disclosure, there is provided a) a conjugate of formula I,
Formula I SC-PX n
a) a composite of formula I, wherein S is elemental sulfur; C is at least one conductive carbon; and PX n is a phosphorus halide, wherein X is selected from Cl, Br, or I; and n is an integer selected from 3 to 5; and b) at least one additive.
A positive electrode composition for an all-solid-state battery is provided, comprising:

本開示の他の態様において、a)硫黄粉末を少なくとも1種の導電性カーボンと接触させて第1の混合物を得る工程と;b)第1の混合物と一緒にハロゲン化リンを粉砕して、第2の混合物を得る工程と;c)第2の混合物を少なくとも1種の添加剤に接触させて全固体電池用正極組成物を得る工程と、を含む、全固体電池用正極組成物の調製方法が提供される。 In another aspect of the present disclosure, there is provided a method for preparing a positive electrode composition for an all-solid-state battery, comprising: a) contacting sulfur powder with at least one type of conductive carbon to obtain a first mixture; b) grinding a phosphorus halide with the first mixture to obtain a second mixture; and c) contacting the second mixture with at least one additive to obtain a positive electrode composition for an all-solid-state battery.

本開示のさらに他の態様において、a)式Iの複合体であって、
式I S-C-PX
式中、Sが元素状硫黄であり;Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり;PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され;nが、3~5から選択される整数である、式Iの複合体と、少なくとも1種の添加剤と、を含む、正極組成物と、b)負極と、c)少なくとも1種の固体電解質と、を含む、全固体電池が提供される。
In yet another aspect of the present disclosure, there is provided a) a conjugate of formula I,
Formula I SC-PX n
Provided is an all-solid-state battery comprising: a) a positive electrode composition comprising a composite of Formula I, where S is elemental sulfur; C is at least one conductive carbon; and PX 1 n is a phosphorus halide, where X is selected from Cl, Br, or I; and n is an integer selected from 3 to 5, and at least one additive; b) a negative electrode; and c) at least one solid electrolyte.

本発明の主題のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の記載および添付の特許請求の範囲を参照することで、よりよく理解されるであろう。本概要は、概念の選択を簡略された形式で紹介するために提供される。本概要は、特許請求の範囲に記載された主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図したものではなく、また特許請求の範囲に記載された主題の範囲を限定するために使用されることを意図したものでもない。 These and other features, aspects, and advantages of the present subject matter will become better understood with reference to the following description and appended claims. This Summary is provided to introduce a selection of concepts in a simplified form. This Summary is not intended to identify key features or essential features of the claimed subject matter, nor is it intended to be used to limit the scope of the claimed subject matter.

添付の図面を参照して、詳細な説明を記載する。図中、参照番号の左端の桁は、当該参照番号が最初に記載される図を特定する。同様の特徴および構成要素を参照するために図面全体を通して、同一の番号が使用される。 The detailed description is provided with reference to the accompanying drawings, in which the leftmost digit(s) of a reference number identifies the figure in which the reference number first appears. The same numbers are used throughout the drawings to reference like features and components.

図1は、本開示の一実施形態に係る、正極組成物1の透過電子顕微鏡(TEM)像を示す。FIG. 1 shows a transmission electron microscope (TEM) image of positive electrode composition 1 according to one embodiment of the present disclosure. 図2は、本開示の一実施形態に係る、正極組成物2の透過電子顕微鏡(TEM)像を示す。FIG. 2 shows a transmission electron microscope (TEM) image of positive electrode composition 2, according to one embodiment of the present disclosure. 図3は、本開示の一実施形態に係る、全固体電池セルの作製を示す。FIG. 3 illustrates the fabrication of an all-solid-state battery cell according to one embodiment of the present disclosure. 図4は、本開示の一実施形態に係る、正極組成物のイオン抵抗を示す。FIG. 4 shows the ionic resistance of a positive electrode composition according to one embodiment of the present disclosure. 図5は、本開示の一実施形態に係る、正極組成物の電荷移動抵抗を示す。FIG. 5 shows the charge transfer resistance of a positive electrode composition according to one embodiment of the present disclosure. 図6は、本開示の一実施形態に係る、正極組成物の(100%SOCおよび0%SOCでの)電気化学的インピーダンススペクトルのナイキスト線図を示す。FIG. 6 shows a Nyquist plot of electrochemical impedance spectra (at 100% SOC and 0% SOC) of a positive electrode composition according to one embodiment of the present disclosure. 図7は、本開示の一実施形態に係る、1/30Cのレートでの定電流充放電の初回のサイクルを示す。FIG. 7 shows the first cycle of constant current charging and discharging at a rate of 1/30 C according to one embodiment of the present disclosure. 図8は、本開示の一実施形態に係る、正極組成物のレート性能を示す。FIG. 8 shows the rate performance of a positive electrode composition according to one embodiment of the present disclosure. 図9は、本開示の一実施形態に係る、正極組成物のより広い範囲のレート性能を示す。FIG. 9 shows a broader range of rate capabilities for a positive electrode composition according to one embodiment of the present disclosure. 図10は、本開示の一実施形態に係る、1/30Cの放電レートでの正極組成物の3回目のサイクルの容量電圧曲線を示す。FIG. 10 shows the capacity-voltage curves for the third cycle of a positive electrode composition at a discharge rate of 1/30C, according to one embodiment of the present disclosure. 図11は、本開示の一実施形態に係る、1/10Cの放電レートでの正極組成物の容量電圧曲線を示す。FIG. 11 shows the capacity-voltage curves of a positive electrode composition at a discharge rate of 1/10 C, according to one embodiment of the present disclosure. 図12は、本開示の一実施形態に係る、1/3Cの放電レートでの正極組成物の容量電圧曲線を示す。FIG. 12 shows the capacity-voltage curves of a positive electrode composition at a discharge rate of 1/3 C, according to one embodiment of the present disclosure. 図13は、本開示の一実施形態に係る、正極組成物を有する電池の直流内部抵抗を示す。FIG. 13 shows the DC internal resistance of a battery having a positive electrode composition according to one embodiment of the present disclosure. 図14は、本開示の一実施形態に係る、様々な放電レートでの電池の直流内部抵抗を示す。FIG. 14 shows the DC internal resistance of a battery at various discharge rates, according to one embodiment of the present disclosure. 図15は、本開示の一実施形態に係る、様々な正極組成物を有する電池の直流内部抵抗を示す。FIG. 15 shows the DC internal resistance of batteries having various positive electrode compositions, according to one embodiment of the present disclosure.

当業者であれば、本開示が、具体的に記載された形態以外の変形および修正を受けることを認識するであろう。本開示がそのような変形および修正のすべてを包含することを理解すべきである。本開示はまた、本明細書において、個別にもしくは集合的に言及されたまたは示された、工程、特徴、組成物、および化合物のすべてと、そのような工程または特徴のいずれかの1つ以上の任意の組合せおよびすべての組合せと、を包含する。 Those skilled in the art will recognize that the present disclosure is susceptible to variations and modifications other than those specifically described. It is to be understood that the present disclosure encompasses all such variations and modifications. The present disclosure also encompasses all of the steps, features, compositions, and compounds referred to or indicated herein, individually or collectively, and any and all combinations of one or more of any such steps or features.

定義:
便宜上、本開示のさらなる説明の前に、本明細書において用いられる特定の用語、および例をここにまとめる。これらの定義は、本開示の残りの部分に照らして読まれ、当業者がするように理解されるべきである。本明細書において使用される用語は、当業者に認識され、周知されている意味を有するが、便宜上および完全性を期するために、特定の用語およびその意味を以下に記載する。
Definition:
For convenience, before further description of the present disclosure, specific terms and examples used herein are summarized here.These definitions should be read in light of the remaining part of the present disclosure and understood as those skilled in the art would.Terms used herein have the meanings that are recognized and well-known to those skilled in the art, but for convenience and completeness, specific terms and their meanings are described below.

冠詞「a(ある)」、「an(ある)」、および「the(前記)」は、冠詞の文法的対象の1つまたは複数(すなわち、少なくとも1つ)を指すために使用される。 The articles "a," "an," and "the" are used to refer to one or to more than one (i.e., to at least one) of the grammatical object of the article.

「comprise(含む)」および「comprising(含んでいる)」という用語は、包括的、非限定的意味で使用され、追加の要素が含まれ得ることを意味する。この用語は、「consists of only(のみからなる)」と解されることを意図しない。 The terms "comprise" and "comprising" are used in an inclusive, open-ended sense to mean that additional elements may be included. This term is not intended to be construed as "consists of only."

本明細書の全体を通し、文脈上他の意味に解すべき場合を除き、語句「comprise(含む)」、および「comprises(含む)」および「comprising(含んでいる)」といった変形は、記載された要素や工程、または要素や工程のグループを含み、それ以外の要素または工程を排除しないことを意味すると理解される。 Throughout this specification, unless the context requires otherwise, the words "comprise" and variations such as "comprises" and "comprising" shall be understood to mean the inclusion of stated elements, steps, or groups of elements or steps, but not the exclusion of other elements or steps.

「including(包含している)」という用語は、「including but not limited to(包含しているが、それに限定されない)」という意味で使用され、「including(包含している)」と「including but not limited to(包含しているが、それに限定されない)」とは、互換的に使用される。 The term "including" is used to mean "including but not limited to," and "including" and "including but not limited to" are used interchangeably.

「固体電解質(solid electrolyte)」という用語は、カチオンおよびアニオンの移動によって、高いイオン伝導性を示す固体を指す。例えば、本開示において、固体電解質は、全固体電池セル/全固体電池内で使用される電解質を指す。全固体電池セル/全固体電池内の固体電解質は、液体、または電極を隔てる柔軟な膜を必要とすることなく、イオンの移動を可能にする。 The term "solid electrolyte" refers to a solid that exhibits high ionic conductivity through the movement of cations and anions. For example, in this disclosure, solid electrolyte refers to the electrolyte used in all-solid-state battery cells/batteries. The solid electrolyte in all-solid-state battery cells/batteries allows for the movement of ions without the need for a liquid or a flexible membrane separating the electrodes.

「活性化剤(activator)」という用語は、反応速度を向上させることが可能な触媒を指す。本開示において、活性化剤という用語は、多硫化リチウムから硫化リチウムへの変換の反応速度を触媒することによって、Liイオンの伝導を媒介するハロゲン化リンを指す。 The term "activator" refers to a catalyst capable of enhancing the reaction rate. In this disclosure, the term activator refers to a phosphorus halide that mediates the conduction of Li ions by catalyzing the reaction rate of the conversion of lithium polysulfide to lithium sulfide.

別段の定義がある場合を除き、本明細書において使用される技術用語および科学用語のすべては、本開示が属する技術分野における当業者が通常理解するのと同一の意味を有する。本明細書に記載の方法および材料と類似または等価な方法および材料を、本開示の実用または試験において使用することができるが、好適な方法および材料を以下に記載する。本明細書で言及するすべての刊行物は、参照により本明細書において援用される。 Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this disclosure belongs. Although methods and materials similar or equivalent to those described herein can be used in the practice or testing of this disclosure, suitable methods and materials are described below. All publications mentioned herein are incorporated by reference.

本明細書においては、比、濃度、量、および他の数値データを範囲の形式で提示することがある。このような範囲の形式は便宜上および簡略化のためにのみに使用していることを理解すべきであり、範囲の端点として明示された数値のみではなく、その範囲内に含まれる個々の数値または部分的な範囲のすべてがあたかも明示されているかのように、個々の数値または部分的な範囲のそれぞれを包含するものと柔軟に解釈すべきである。例えば、約50%~約75%の重量範囲とは、約50%~約75%の明示された端点のみでなく、50%~70%、55%~65%などのような部分的な範囲をも包含すると解すべきであり、また特定された範囲内にある、例えば、50.5%、58.2%、および74.5%のような端数を含む個々の量も同様に包含すると解すべきである。 Ratios, concentrations, amounts, and other numerical data may be presented herein in a range format. It should be understood that such range format is used for convenience and brevity only and should be interpreted flexibly to include each individual numerical value or subrange, as if each and every individual numerical value or subrange contained within the range were expressly stated, rather than just the numerical values stated as the range endpoints. For example, a weight range of about 50% to about 75% should be understood to include not only the stated endpoints of about 50% to about 75%, but also subranges such as 50% to 70%, 55% to 65%, etc., and to similarly include individual amounts within the specified range, including fractions such as 50.5%, 58.2%, and 74.5%.

本明細書に記載された特定の実施形態は例示の目的のみを意図しており、本開示は、それら特定の実施形態による範囲に限定されない。本明細書に記載されるのと機能的に等価な製品、組成物、および方法は、明らかに本開示の範囲内にある。 The specific embodiments described herein are intended for illustrative purposes only, and the present disclosure is not limited in scope by those specific embodiments. Products, compositions, and methods that are functionally equivalent to those described herein are clearly within the scope of the present disclosure.

背景技術において述べた課題に対処する目的上、硫黄系正極の電子伝導度およびイオン伝導度を高めるために、導電性炭素材料および活性化剤成分を硫黄系正極に組み込む必要がある。Li/S電池の動作の電気化学的過程に関連する主要な問題は、元素状硫黄がリチウムイオンと反応してLiSを形成するときに、多硫化リチウムが大部分の有機電解質に容易に溶解することである。これらの中間生成物は、「硫黄シャトルメカニズム」に関与する可能性があり、これにより、溶解した多硫化物がLi負極に移動して、リチウムの多硫化物から構成される電気化学的に不活性な層をLi負極の表面上に形成する可能性がある。これらの問題は、活物質の利用率を低下させ、サイクル寿命の短期化、およびシステム効率の低下をもたらし、また負極の動作にも悪影響をもたらす。こういった問題を回避するために、リチウム多硫化物の形成を回避するか、または多硫化物を転化することにより、電気化学的に不活性な層の形成を排除することのできる活性化剤成分が必要とされる。活性化剤は、極性のある多硫化物に対する強力な吸着部位および活性化部位を有し、これらの部位で、多硫化物から硫化リチウムへの酸化還元反応の触媒が可能となる。活性化剤は、ある意味で、Liイオンの伝導をも高める。本開示では、カーボン添加剤と、活性化剤成分であるハロゲン化リンと、を有する、全固体電池の正極用硫黄系複合体が開示されている。活性化剤成分は、多硫化物から硫化リチウムへの転化を触媒する際に二つの役割を果たし、これにより、電気化学的不活性層の形成を回避するとともに、Liイオンの伝導を媒介する。本開示の正極用複合体は、電子伝導度およびイオン伝導度が向上した格段の電気化学的性能を実現することができる。 To address the issues discussed in the background section, it is necessary to incorporate conductive carbon materials and activator components into sulfur-based positive electrodes to enhance their electronic and ionic conductivity. A major problem associated with the electrochemical process of Li/S battery operation is the easy dissolution of lithium polysulfides in most organic electrolytes when elemental sulfur reacts with lithium ions to form Li 2 S. These intermediate products may participate in a "sulfur shuttle mechanism," whereby dissolved polysulfides migrate to the Li negative electrode and form an electrochemically inactive layer composed of lithium polysulfides on the surface of the Li negative electrode. These problems result in reduced active material utilization, shorter cycle life, and reduced system efficiency, as well as adversely affecting the operation of the negative electrode. To avoid these problems, an activator component is needed that can either prevent the formation of lithium polysulfides or convert them to eliminate the formation of the electrochemically inactive layer. The activator has strong adsorption and activation sites for polar polysulfides, which can catalyze the redox reaction of polysulfides to lithium sulfide. The activator also enhances Li-ion conduction in some ways. The present disclosure discloses a sulfur-based composite for use in a cathode of an all-solid-state battery, which contains a carbon additive and a phosphorus halide activator component. The activator component serves two roles in catalyzing the conversion of polysulfides to lithium sulfide, thereby avoiding the formation of an electrochemically inactive layer and mediating Li-ion conduction. The cathode composite of the present disclosure can achieve exceptional electrochemical performance with improved electronic and ionic conductivity.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体であって、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5から選択される整数である、式Iの複合体と、b)少なくとも1種の添加剤と、を含む、全固体電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a positive electrode composition for an all-solid-state battery, comprising: a) a composite of formula I S-C-PX n , where S is elemental sulfur, C is at least one type of conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide, where X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer selected from 3 to 5; and b) at least one additive.

本開示の一実施形態において、式I S-C-PXの複合体であって、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、XがBrであり、nが、3~5から選択される整数である、式Iの複合体と、少なくとも1種の添加剤と、を含む、電池用正極組成物が提供される。本開示の他の実施形態において、本明細書において開示される全固体電池用正極組成物であって、式中、XがClであり、nが、3~5から選択される整数である、全固体電池用正極組成物が提供される。本開示のさらに他の実施形態において、本明細書において開示される電池用正極組成物であって、式中、XがIであり、nが、3~5から選択される整数である、電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a battery positive electrode composition comprising: a composite of formula I S-C-PX n , where S is elemental sulfur, C is at least one conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide, where X is Br and n is an integer selected from 3 to 5; and at least one additive. In another embodiment of the present disclosure, there is provided an all-solid-state battery positive electrode composition disclosed herein, where X is Cl and n is an integer selected from 3 to 5. In yet another embodiment of the present disclosure, there is provided an all-solid-state battery positive electrode composition disclosed herein, where X is I and n is an integer selected from 3 to 5.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体であり、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5から選択される整数である、式Iの複合体と、少なくとも1種の添加剤と、を含む、全固体電池用正極組成物であって、式Iの複合体が、正極組成物に対して50%~75%の範囲の重量百分率を有する、全固体電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a positive electrode composition for an all-solid-state battery, comprising: a) a composite of formula I S-C-PX n , where S is elemental sulfur, C is at least one type of conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide, where X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer selected from 3 to 5; and at least one additive, wherein the composite of formula I has a weight percentage in the range of 50% to 75% relative to the positive electrode composition.

本開示の一実施形態において、本明細書において開示される全固体電池用正極組成物であって、式Iの複合体が正極組成物に対して50%~75%の範囲の重量百分率を有する、全固体電池用正極組成物が提供される。本開示の他の実施形態において、式Iの複合体は、正極組成物に対して55%~70%の範囲の重量百分率を有する。本開示のさらに他の実施形態において、式Iの複合体は、正極組成物に対して58%~65%の範囲の重量百分率を有する。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a positive electrode composition for an all-solid-state battery disclosed herein, wherein the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 50% to 75% relative to the positive electrode composition. In another embodiment of the present disclosure, the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 55% to 70% relative to the positive electrode composition. In yet another embodiment of the present disclosure, the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 58% to 65% relative to the positive electrode composition.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体であり、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5から選択される整数である、式Iの複合体と、b)少なくとも1種の添加剤と、を含む、電池用正極組成物であって、式Iの複合体のSが、複合体に対して35%~45%の範囲の重量百分率を有し;式Iの複合体のCが、複合体に対して10%~25%の範囲の重量百分率を有し;式Iの複合体のPXが、複合体に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有する、電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a battery positive electrode composition comprising: a) a composite of formula I S-C-PX n , where S is elemental sulfur, C is at least one conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide, where X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer selected from 3 to 5; and b) at least one additive, wherein S of the composite of formula I has a weight percentage in the range of 35% to 45% of the composite; C of the composite of formula I has a weight percentage in the range of 10% to 25% of the composite; and PX n of the composite of formula I has a weight percentage in the range of 1% to 5% of the composite.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体であり、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5から選択される整数である、式Iの複合体と、b)少なくとも1種の添加剤と、を含む、電池用正極組成物であって、式Iの複合体のSが、正極組成物に対して35%~45%の範囲の重量百分率を有し;式Iの複合体のCが、正極組成物に対して10%~25%の範囲の重量百分率を有し;式Iの複合体のPXが、正極組成物に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有する、電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a positive electrode composition for a battery, comprising: a) a composite of formula I S-C-PX n , where S is elemental sulfur, C is at least one conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide, where X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer selected from 3 to 5; and b) at least one additive, wherein S of the composite of formula I has a weight percentage in the range of 35% to 45% relative to the positive electrode composition; C of the composite of formula I has a weight percentage in the range of 10% to 25% relative to the positive electrode composition; and PX n of the composite of formula I has a weight percentage in the range of 1% to 5% relative to the positive electrode composition.

本開示の一実施形態において、本明細書において開示される電池用正極組成物であって、式Iの複合体のSが複合体に対して38%~45%の範囲の重量百分率を有し;式Iの複合体のCが複合体に対して11%~22%の範囲の重量百分率を有し;式Iの複合体のPXが複合体に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有する、電池用正極組成物が提供される。本開示の他の実施形態において、式Iの複合体のSは、複合体に対して40%~44%の範囲の重量百分率を有し;式Iの複合体のCは、複合体に対して13%~20%の範囲の重量百分率を有し;式Iの複合体のPXは、複合体に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有する。本開示のさらに他の実施形態において、式Iの複合体のSは、複合体に対して42%の重量百分率を有し;式Iの複合体のCは、複合体に対して13%~17%の範囲の重量百分率を有し;式Iの複合体のPXは、複合体に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有する。好ましくは、式Iの複合体のPXは、複合体に対して1%以上5%未満の範囲の重量百分率を有する。より好ましくは、式Iの複合体のPXは、複合体に対して1%以上4%以下の範囲の重量百分率を有する。さらに好ましくは、式Iの複合体のPXは、複合体に対して1%以上3%以下の範囲の重量百分率を有する。特に好ましくは、式Iの複合体のPXは、複合体に対して1%以上2%以下の範囲の重量百分率を有する。最も好ましくは、式Iの複合体のPXは、複合体に対して1%以上2%未満の範囲の重量百分率を有する。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a battery positive electrode composition disclosed herein, wherein S of the composite of Formula I has a weight percentage ranging from 38% to 45% of the composite; C of the composite of Formula I has a weight percentage ranging from 11% to 22% of the composite; and PX n of the composite of Formula I has a weight percentage ranging from 1% to 5% of the composite. In another embodiment of the present disclosure, S of the composite of Formula I has a weight percentage ranging from 40% to 44% of the composite; C of the composite of Formula I has a weight percentage ranging from 13% to 20% of the composite; and PX n of the composite of Formula I has a weight percentage ranging from 1% to 5% of the composite. In yet another embodiment of the present disclosure, S in the conjugate of Formula I has a weight percentage of 42% relative to the complex; C in the conjugate of Formula I has a weight percentage in the range of 13% to 17% relative to the complex; and PX n in the conjugate of Formula I has a weight percentage in the range of 1% to 5% relative to the complex. Preferably, PX n in the conjugate of Formula I has a weight percentage in the range of 1% to less than 5% relative to the complex. More preferably, PX n in the conjugate of Formula I has a weight percentage in the range of 1% to 4% relative to the complex. Even more preferably, PX n in the conjugate of Formula I has a weight percentage in the range of 1% to 3% relative to the complex. Particularly preferably, PX n in the conjugate of Formula I has a weight percentage in the range of 1% to 2% relative to the complex. Most preferably, PX n in the conjugate of Formula I has a weight percentage in the range of 1% to less than 2% relative to the complex.

本開示の一実施形態において、本明細書において開示される電池用正極組成物であって、式Iの複合体のSが正極組成物に対して38%~45%の範囲の重量百分率を有し;式Iの複合体のCが正極組成物に対して11%~22%の範囲の重量百分率を有し;式Iの複合体のPXが正極組成物に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有する、電池用正極組成物が提供される。本開示の他の実施形態において、式Iの複合体のSは、正極組成物に対して40%~44%の範囲の重量百分率を有し;式Iの複合体のCは、正極組成物に対して13%~20%の範囲の重量百分率を有し;式Iの複合体のPXは、正極組成物に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有する。本開示のさらに他の実施形態において、式Iの複合体のSは、正極組成物に対して42%の重量百分率を有し;式Iの複合体のCは、正極組成物に対して13%~17%の範囲の重量百分率を有し;式Iの複合体のPXは、正極組成物に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有する。好ましくは、式Iの複合体のPXは、正極組成物に対して1%以上5%未満の範囲の重量百分率を有する。より好ましくは、式Iの複合体のPXは、正極組成物に対して1%以上4%以下の範囲の重量百分率を有する。さらに好ましくは、式Iの複合体のPXは、正極組成物に対して1%以上3%以下の範囲の重量百分率を有する。特に好ましくは、式Iの複合体のPXは、正極組成物に対して1%以上2%以下の範囲の重量百分率を有する。最も好ましくは、式Iの複合体のPXは、正極組成物に対して1%以上2%未満の範囲の重量百分率を有する。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a battery positive electrode composition disclosed herein, wherein S of the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 38% to 45% relative to the positive electrode composition; C of the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 11% to 22% relative to the positive electrode composition; and PX n of the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 1% to 5% relative to the positive electrode composition. In another embodiment of the present disclosure, S of the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 40% to 44% relative to the positive electrode composition; C of the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 13% to 20% relative to the positive electrode composition; and PX n of the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 1% to 5% relative to the positive electrode composition. In yet another embodiment of the present disclosure, S of the composite of Formula I has a weight percentage of 42% relative to the positive electrode composition; C of the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 13% to 17% relative to the positive electrode composition; and PX n of the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 1% to 5% relative to the positive electrode composition. Preferably, PX n of the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 1% to less than 5% relative to the positive electrode composition. More preferably, PX n of the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 1% to 4% relative to the positive electrode composition. Even more preferably, PX n of the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 1% to 3% relative to the positive electrode composition. Particularly preferably, PX n of the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 1% to 2% relative to the positive electrode composition. Most preferably, PX n of the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 1% to less than 2% relative to the positive electrode composition.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体であり、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5から選択される整数である、複合体と、b)少なくとも1種の添加剤と、を含む、電池用正極組成物であって、少なくとも1種の導電性カーボンが、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、バルカンXC-72、多層カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブ、グラフェン、およびそれらの組合せからなる群から選択される、電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a positive electrode composition for a battery, comprising: a) a composite of formula I S-C-PX n , where S is elemental sulfur, C is at least one type of conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide, where X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer selected from 3 to 5; and b) at least one additive, wherein the at least one type of conductive carbon is selected from the group consisting of Ketjen black, acetylene black, Vulcan XC-72, multi-walled carbon nanotubes, single-walled carbon nanotubes, graphene, and combinations thereof.

本開示の一実施形態において、本明細書において開示される電池用正極組成物であって、少なくとも1種の導電性カーボンが、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、バルカンXC-72、多層カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブ、グラフェン、およびそれらの組合せからなる群から選択される、電池用正極組成物が提供される。本開示の他の実施形態において、本明細書において開示される電池用正極組成物であって、少なくとも1種の導電性カーボンが、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、およびそれらの組合せからなる群から選択される、電池用正極組成物が提供される。本開示のさらに他の実施形態において、少なくとも1種の導電性カーボンは、ケッチェンブラックである。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a battery positive electrode composition as disclosed herein, wherein the at least one conductive carbon is selected from the group consisting of ketjen black, acetylene black, Vulcan XC-72, multi-walled carbon nanotubes, single-walled carbon nanotubes, graphene, and combinations thereof. In another embodiment of the present disclosure, there is provided a battery positive electrode composition as disclosed herein, wherein the at least one conductive carbon is selected from the group consisting of ketjen black, acetylene black, and combinations thereof. In yet another embodiment of the present disclosure, the at least one conductive carbon is ketjen black.

本開示の一実施形態において、式I S-C-PXの複合体と、少なくとも1種の添加剤と、を含む電池用正極組成物であって、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5から選択される整数であり、少なくとも1種の添加剤が、LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せからなる群から選択される、電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a positive electrode composition for a battery comprising a composite of formula I S-C-PX n and at least one additive, wherein S is elemental sulfur, C is at least one conductive carbon, PX n is a phosphorus halide, wherein X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer selected from 3 to 5, and the at least one additive is selected from the group consisting of Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and combinations thereof.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体および少なくとも1種の固体電解質であり、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5から選択される整数である、式Iの複合体および少なくとも1種の固体電解質と、b)少なくとも1種の添加剤と、を含む、電池用正極組成物であって、少なくとも1種の添加剤が、正極組成物に対して、25%~50%の範囲の重量百分率を有する、電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a positive electrode composition for a battery, comprising: a) a composite of Formula I S-C-PX n and at least one solid electrolyte, wherein S is elemental sulfur, C is at least one conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide, wherein X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer selected from 3 to 5; and b) at least one additive, wherein the at least one additive has a weight percentage in the range of 25% to 50% relative to the positive electrode composition.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体と、b)少なくとも1種の添加剤と、を含む電池用正極組成物であって、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5から選択される整数であり、式Iの複合体が、正極組成物に対して、50%~75%の範囲の重量百分率を有し、少なくとも1種の添加剤が、正極組成物に対して、25%~50%の範囲の重量百分率を有する、電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a positive electrode composition for a battery comprising: a) a composite of formula I S-C-PX n ; and b) at least one additive, wherein S is elemental sulfur, C is at least one conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide, wherein X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer selected from 3 to 5; the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 50% to 75% relative to the positive electrode composition; and the at least one additive has a weight percentage in the range of 25% to 50% relative to the positive electrode composition.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体と、b)LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1種の添加剤と、を含む電池用正極組成物であって、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5から選択される整数であり、式Iの複合体が、正極組成物に対して、50%~75%の範囲の重量百分率を有し、少なくとも1種の添加剤が、正極組成物に対して、25%~50%の範囲の重量百分率を有する、電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a positive electrode composition for a battery comprising: a) a composite of formula I S-C-PX n ; and b) at least one additive selected from the group consisting of Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and combinations thereof, wherein S is elemental sulfur, C is at least one conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide, wherein X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer selected from 3 to 5; the composite of formula I has a weight percentage in the range of 50% to 75% of the positive electrode composition; and the at least one additive has a weight percentage in the range of 25% to 50% of the positive electrode composition.

本開示の一実施形態において、式I S-C-PXの複合体と、LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1種の添加剤と、を含む電池用正極組成物であって;式中、Sが、複合体に対して35%~45%の範囲の重量百分率を有する元素状硫黄であり、Cが、複合体に対して10%~25%の範囲の重量百分率を有する少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXが、複合体に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有するハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5から選択される整数であり、式Iの複合体が、正極組成物に対して、50%~75%の範囲の重量百分率を有し、少なくとも1種の添加剤が、正極組成物に対して、25%~50%の範囲の重量百分率を有する、電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a positive electrode composition for a battery comprising a composite of formula I S-C-PX n and at least one additive selected from the group consisting of Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and combinations thereof; wherein S is elemental sulfur having a weight percentage of the composite ranging from 35% to 45%, C is at least one conductive carbon having a weight percentage of the composite ranging from 10% to 25%, and PX n is a phosphorus halide having a weight percentage of the composite ranging from 1% to 5%, where X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer selected from 3 to 5; the composite of formula I has a weight percentage of the positive electrode composition ranging from 50% to 75%; and the at least one additive has a weight percentage of the positive electrode composition ranging from 25% to 50%.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体と、LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1種の添加剤と、を含む電池用正極組成物であって;式中、Sが、複合体に対して35%~45%の範囲の重量百分率を有する元素状硫黄であり;Cが、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、バルカンXC-72、多層カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブ、グラフェン、およびそれらの組合せからなる群から選択され、複合体に対して10%~25%の範囲の重量百分率を有する少なくとも1種の導電性カーボンであり;PXが、複合体に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有するハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され;nが、3~5から選択される整数であり、式Iの複合体が、正極組成物に対して、50%~75%の範囲の重量百分率を有し、少なくとも1種の添加剤が、正極組成物に対して、25%~50%の範囲の重量百分率を有する、電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a positive electrode composition for a battery, comprising: a) a composite of formula I S-C-PX n and at least one additive selected from the group consisting of Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and combinations thereof; wherein S is elemental sulfur having a weight percentage ranging from 35% to 45% relative to the composite; C is at least one conductive carbon selected from the group consisting of Ketjen black, acetylene black, Vulcan XC-72, multi-walled carbon nanotubes, single-walled carbon nanotubes, graphene, and combinations thereof, having a weight percentage ranging from 10% to 25% relative to the composite; and PX A positive electrode composition for a battery is provided, wherein n is a phosphorus halide having a weight percentage of the composite ranging from 1% to 5%, where X is selected from Cl, Br, or I; and n is an integer selected from 3 to 5, the composite of Formula I having a weight percentage of the positive electrode composition ranging from 50% to 75%, and the at least one additive having a weight percentage of the positive electrode composition ranging from 25% to 50%.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体であって、式中、Sが、複合体に対して42%の重量百分率を有する元素状硫黄であり;Cが、複合体に対して13%~17%の範囲の重量百分率を有するケッチェンブラックである少なくとも1種の導電性カーボンであり;PXが、複合体に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有するハロゲン化リンであり、式中、XがBrであり;nが、3~5から選択される整数であり、式Iの複合体が正極組成物に対して50%~65%の範囲の重量百分率を有する、式Iの複合体と、b)LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1種の添加剤と、を含む、電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a positive electrode composition for a battery comprising: a) a composite of Formula I S-C-PX n , where S is elemental sulfur having a weight percentage of 42% of the composite; C is at least one conductive carbon that is Ketjen black having a weight percentage in the range of 13% to 17% of the composite; PX n is a phosphorus halide having a weight percentage in the range of 1% to 5% of the composite, where X is Br; and n is an integer selected from 3 to 5, the composite of Formula I having a weight percentage in the range of 50% to 65% of the positive electrode composition; and b) at least one additive selected from the group consisting of Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and combinations thereof.

本開示の一実施形態において、式I S-C-PXの複合体であって、式中、Sが、複合体に対して42%の重量百分率を有する元素状硫黄であり;Cが、複合体に対して13%~17%の重量百分率を有するケッチェンブラックである少なくとも1種の導電性カーボンであり;PXが、複合体に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有するハロゲン化リンであり、式中、XがClであり;nが、3~5から選択される整数であり、式Iの複合体が正極組成物に対して、50%~65%の範囲の重量百分率を有する、式Iの複合体と、b)LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1種の添加剤と、を含む、電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a positive electrode composition for a battery comprising: a composite of Formula I S-C-PX n , where S is elemental sulfur having a weight percentage of 42% of the composite; C is at least one conductive carbon that is Ketjen black having a weight percentage of 13% to 17% of the composite; PX n is a phosphorus halide having a weight percentage ranging from 1% to 5% of the composite, where X is Cl; and n is an integer selected from 3 to 5, the composite of Formula I having a weight percentage ranging from 50% to 65% of the positive electrode composition; and b) at least one additive selected from the group consisting of Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and combinations thereof.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体であって、式中、Sが、複合体に対して42%の重量百分率を有する元素状硫黄であり;Cが、複合体に対して13%~17%の重量百分率を有するケッチェンブラックである少なくとも1種の導電性カーボンであり;PXが、複合体に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有するハロゲン化リンであり、式中、XがIであり;nが、3~5から選択される整数であり、式Iの複合体が、正極組成物に対して、50%~65%の範囲の重量百分率を有する、式Iの複合体と、b)LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1種の添加剤と、を含む、電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a positive electrode composition for a battery comprising: a) a composite of formula I S-C-PX n , where S is elemental sulfur having a weight percentage of 42% of the composite; C is at least one conductive carbon that is Ketjen black having a weight percentage of 13% to 17% of the composite; and PX n is a phosphorus halide having a weight percentage ranging from 1% to 5% of the composite, where X is I; and n is an integer selected from 3 to 5, the composite of Formula I having a weight percentage ranging from 50% to 65% of the positive electrode composition; and b) at least one additive selected from the group consisting of Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and combinations thereof.

本開示の一実施形態において、式I S-C-PXの複合体であり、式中、Sが、複合体に対して42%の重量百分率を有する元素状硫黄で;Cが、複合体に対して13%~17%の重量百分率を有するケッチェンブラックである少なくとも1種の導電性カーボンで;PXが、複合体に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有するハロゲン化リンであり、式中、XがBrで;nが、3~5から選択される整数であり、式Iの複合体が、正極組成物に対して、50%~65%の範囲の重量百分率を有する、式Iの複合体を含む、電池用正極組成物であって、全固体電池用正極が、正極組成物に対して、38%~42%の範囲の重量百分率を有するLiPSである少なくとも1種の添加剤をさらに含む、電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a battery positive electrode composition comprising a composite of formula I S-C-PX n , where S is elemental sulfur having a weight percentage of 42% relative to the composite; C is at least one conductive carbon which is Ketjen black having a weight percentage of 13% to 17% relative to the composite; and PX n is a phosphorus halide having a weight percentage ranging from 1% to 5% relative to the composite, where X is Br; and n is an integer selected from 3 to 5, wherein the composite of Formula I has a weight percentage ranging from 50% to 65% relative to the positive electrode composition; and the all-solid-state battery positive electrode further comprises at least one additive which is Li 3 PS 4 having a weight percentage ranging from 38% to 42% relative to the positive electrode composition.

本開示の一実施形態において、式I S-C-PXの複合体であって、式中、Sが、複合体に対して42%の重量百分率を有する元素状硫黄であり;Cが、複合体に対して13%~17%の重量百分率を有するケッチェンブラックである少なくとも1種の導電性カーボンであり;PXが、複合体に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有するハロゲン化リンであり、式中、XがClであり;nが、3~5から選択される整数であり、式Iの複合体が、正極組成物に対して、50%~65%の範囲の重量百分率を有する、式Iの複合体と、b)正極組成物に対して、38%~42%の範囲の重量百分率を有するLiPSである少なくとも1種の添加剤と、を含む、電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a positive electrode composition for a battery comprising: a composite of formula I S-C-PX n , where S is elemental sulfur having a weight percentage of 42% of the composite; C is at least one conductive carbon that is Ketjen black having a weight percentage of 13% to 17% of the composite; PX n is a phosphorus halide having a weight percentage in the range of 1% to 5% of the composite, where X is Cl; and n is an integer selected from 3 to 5, the composite of Formula I having a weight percentage in the range of 50% to 65% of the positive electrode composition; and b) at least one additive that is Li 3 PS 4 having a weight percentage in the range of 38% to 42% of the positive electrode composition.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体であって、式中、Sが、複合体に対して42%の重量百分率を有する元素状硫黄であり;Cが、複合体に対して13%~17%の範囲の重量百分率を有するケッチェンブラックである少なくとも1種の導電性カーボンであり;PXが、複合体に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有するハロゲン化リンであり、式中、XがIであり;nが、3~5から選択される整数であり、式Iの複合体が、正極組成物に対して、50%~65%の範囲の重量百分率を有する、式Iの複合体と、b)正極組成物に対して、38%~42%の範囲の重量百分率を有するLiPSである少なくとも1種の添加剤と、を含む、電池用正極組成物が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a positive electrode composition for a battery comprising: a) a composite of formula I S-C-PX n , wherein S is elemental sulfur having a weight percentage of 42% relative to the composite; C is at least one conductive carbon that is Ketjen black having a weight percentage in the range of 13% to 17% relative to the composite; and PX n is a phosphorus halide having a weight percentage in the range of 1% to 5% relative to the composite, wherein X is I; and n is an integer selected from 3 to 5, the composite of Formula I having a weight percentage in the range of 50% to 65% relative to the positive electrode composition; and b) at least one additive that is Li 3 PS 4 having a weight percentage in the range of 38% to 42% relative to the positive electrode composition.

本開示の一実施形態において、a)硫黄粉末を少なくとも1種の導電性カーボンと接触させて第1の混合物を得る工程と;b)ハロゲン化リンを第1の混合物と一緒に粉砕して第2の混合物を得る工程と;c)第2の混合物を少なくとも1種の添加剤と接触させて全固体電池用正極組成物を得る工程と、を含む、全固体電池用正極組成物の調製方法が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a method for preparing a positive electrode composition for an all-solid-state battery, the method comprising: a) contacting sulfur powder with at least one type of conductive carbon to obtain a first mixture; b) grinding a phosphorus halide together with the first mixture to obtain a second mixture; and c) contacting the second mixture with at least one additive to obtain a positive electrode composition for an all-solid-state battery.

本開示の一実施形態において、a)硫黄粉末を少なくとも1種の導電性カーボンと接触させて第1の混合物を得る工程と;b)ハロゲン化リンを第1の混合物と一緒に、8~10時間の範囲の時間にわたり、180℃~190℃の範囲の温度で粉砕して、第2の混合物を得る工程と;c)第2の混合物を少なくとも1種の添加剤と接触させて、全固体電池用正極組成物を得る工程と、を含む、全固体電池用正極組成物の調製方法が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a method for preparing a positive electrode composition for an all-solid-state battery, comprising the steps of: a) contacting sulfur powder with at least one type of conductive carbon to obtain a first mixture; b) milling a phosphorus halide together with the first mixture at a temperature in the range of 180°C to 190°C for a time in the range of 8 to 10 hours to obtain a second mixture; and c) contacting the second mixture with at least one additive to obtain a positive electrode composition for an all-solid-state battery.

本開示の一実施形態において、a)硫黄粉末を少なくとも1種の導電性カーボンと接触させて第1の混合物を得る工程と;b)ハロゲン化リンを第1の混合物と一緒に、手粉砕、ボールミリング、振動ミリング、高エネルギーミリング、およびそれらの組合せの方法で粉砕して、第2の混合物を得る工程と;c)第2の混合物を少なくとも1種の添加剤と接触させて、全固体電池用正極組成物を得る工程と、を含む、全固体電池用正極組成物の調製方法が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a method for preparing a positive electrode composition for an all-solid-state battery, comprising: a) contacting sulfur powder with at least one type of conductive carbon to obtain a first mixture; b) milling a phosphorus halide together with the first mixture by hand milling, ball milling, vibratory milling, high-energy milling, or a combination thereof to obtain a second mixture; and c) contacting the second mixture with at least one additive to obtain a positive electrode composition for an all-solid-state battery.

本開示の一実施形態において、a)硫黄粉末を少なくとも1種の導電性カーボンと接触させて第1の混合物を得る工程と;b)ハロゲン化リンを第1の混合物と一緒に粉砕して第2の混合物を得る工程と;c)第2の混合物を少なくとも1種の添加剤と、7~9時間の時間にわたり接触させて、全固体電池用正極組成物を得る工程と、を含む、全固体電池用正極組成物の調製方法が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a method for preparing a positive electrode composition for an all-solid-state battery, comprising the steps of: a) contacting sulfur powder with at least one type of conductive carbon to obtain a first mixture; b) grinding a phosphorus halide together with the first mixture to obtain a second mixture; and c) contacting the second mixture with at least one additive for a period of 7 to 9 hours to obtain a positive electrode composition for an all-solid-state battery.

本開示の一実施形態において、a)硫黄粉末を少なくとも1種の導電性カーボンと接触させて第1の混合物を得る工程と;b)ハロゲン化リンを第1の混合物と一緒に、8~10時間の範囲の時間にわたり、180℃~190℃の範囲の温度で、手粉砕、ボールミリング、振動ミリング、高エネルギーミリング、およびそれらの組合せの方法で粉砕して、第2の混合物を得る工程と;c)第2の混合物を少なくとも1種の添加剤と、7~9時間の時間にわたり接触させて、全固体電池用正極組成物を得る工程と、を含む、全固体電池用正極組成物の調製方法が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a method for preparing a positive electrode composition for an all-solid-state battery, comprising: a) contacting sulfur powder with at least one type of conductive carbon to obtain a first mixture; b) milling a phosphorus halide together with the first mixture by hand milling, ball milling, vibratory milling, high-energy milling, or a combination thereof at a temperature ranging from 180°C to 190°C for a time ranging from 8 to 10 hours to obtain a second mixture; and c) contacting the second mixture with at least one additive for a time ranging from 7 to 9 hours to obtain a positive electrode composition for an all-solid-state battery.

本開示の一実施形態において、a)硫黄粉末を少なくとも1種の導電性カーボンと接触させて第1の混合物を得る工程と;b)ハロゲン化リンを第1の混合物と一緒に、9時間の時間にわたり、180℃の温度で、手粉砕により粉砕して第2の混合物を得る工程と;c)第2の混合物を少なくとも1種の添加剤と8時間の時間にわたり、250~300rpmの範囲の速度で接触させて、全固体電池用正極組成物を得る工程と、を含む、全固体電池用正極組成物の調製方法が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a method for preparing a positive electrode composition for an all-solid-state battery, comprising: a) contacting sulfur powder with at least one type of conductive carbon to obtain a first mixture; b) grinding a phosphorus halide together with the first mixture by hand milling at a temperature of 180°C for a period of 9 hours to obtain a second mixture; and c) contacting the second mixture with at least one additive for a period of 8 hours at a speed in the range of 250 to 300 rpm to obtain a positive electrode composition for an all-solid-state battery.

本開示の一実施形態において、式I S-C-PXの複合体および少なくとも1種の固体電解質であり、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され;nが、3~5から選択される整数である、式Iの複合体および少なくとも1種の固体電解質を含む全固体電池用正極組成物の調製方法であって:a)硫黄粉末を少なくとも1種の導電性カーボンと接触させて第1の混合物を得る工程と;b)ハロゲン化リンを第1の混合物と一緒に粉砕して第2の混合物を得る工程と;c)第2の混合物を少なくとも1種の添加剤と接触させて全固体電池用正極組成物を得る工程と、を含む、全固体電池用正極組成物の調製方法が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a method for preparing a positive electrode composition for an all-solid-state battery, comprising a composite of Formula I S-C-PX n , where S is elemental sulfur, C is at least one type of conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide, where X is selected from Cl, Br, or I; and n is an integer selected from 3 to 5, and at least one solid electrolyte, the method comprising: a) contacting sulfur powder with the at least one type of conductive carbon to obtain a first mixture; b) grinding the phosphorus halide with the first mixture to obtain a second mixture; and c) contacting the second mixture with at least one additive to obtain the positive electrode composition for an all-solid-state battery.

本開示の一実施形態において、式I S-C-PXの複合体および少なくとも1種の添加剤であり、式中、Sが元素状硫黄で;Cが少なくとも1種の導電性カーボンで;PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され;nが、3~5から選択される整数である、式Iの複合体および少なくとも1種の添加剤を含む全固体電池用正極組成物の調製方法であって:a)硫黄粉末を、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、バルカンXC-72、多層カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブ、グラフェン、およびそれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1種の導電性カーボンと接触させて第1の混合物を得る工程と;b)ハロゲン化リンを第1の混合物と一緒に粉砕して第2の混合物を得る工程と;c)第2の混合物を、LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1種の添加剤と接触させて全固体電池用正極組成物を得る工程と、を含む、全固体電池用正極組成物の調製方法が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, a method for preparing a positive electrode composition for an all-solid-state battery, comprising a composite of formula I S-C-PX n and at least one additive, wherein S is elemental sulfur; C is at least one conductive carbon; PX n is a phosphorus halide, wherein X is selected from Cl, Br, or I; and n is an integer selected from 3 to 5, and at least one additive, comprises: a) contacting sulfur powder with at least one conductive carbon selected from the group consisting of Ketjen black, acetylene black, Vulcan XC-72, multi-walled carbon nanotubes, single-walled carbon nanotubes, graphene, and combinations thereof to obtain a first mixture; b) grinding the phosphorus halide with the first mixture to obtain a second mixture; and c) grinding the second mixture into a mixture of Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 and contacting the composition with at least one additive selected from the group consisting of:

本開示の一実施形態において、式I S-C-PXの複合体および少なくとも1種の添加剤であり、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され;nが、3~5から選択される整数である、式Iの複合体および少なくとも1種の添加剤を含む全固体電池用正極組成物の調製方法であって:a)複合体に対して35%~45%の範囲の重量百分率を有する硫黄粉末を、複合体に対して10%~25%の範囲の重量百分率を有する少なくとも1種の導電性カーボンと接触させて第1の混合物を得る工程と;b)複合体に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有するハロゲン化リンを、第1の混合物と一緒に粉砕して第2の混合物を得る工程と;c)50%~75%の重量百分率を有する第2の混合物を、25%~50%の範囲の重量百分率を有する少なくとも1種の添加剤と接触させて、全固体電池用正極組成物を得る工程と、を含む、全固体電池用正極組成物の調製方法が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, a composite of formula I SC-PX n and at least one additive, wherein S is elemental sulfur, C is at least one conductive carbon, and PX The present invention provides a method for preparing a cathode composition for an all-solid-state battery, comprising a composite of Formula I, wherein n is a phosphorus halide, and X is selected from Cl, Br, or I; and n is an integer selected from 3 to 5, and at least one additive, the method comprising: a) contacting sulfur powder having a weight percentage in the range of 35% to 45% of the composite with at least one conductive carbon having a weight percentage in the range of 10% to 25% of the composite to obtain a first mixture; b) grinding the phosphorus halide having a weight percentage in the range of 1% to 5% of the composite with the first mixture to obtain a second mixture; and c) contacting the second mixture having a weight percentage in the range of 50% to 75% with at least one additive having a weight percentage in the range of 25% to 50% to obtain the cathode composition for an all-solid-state battery.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体と、LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せから選択される少なくとも1種の添加剤と、を含む正極組成物であって、式中、Sが元素状硫黄であり;Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり;PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され;nが、3~5から選択される整数である、正極組成物と;b)負極と;c)少なくとも1種の固体電解質と、を含む、全固体電池が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided an all-solid-state battery comprising: a) a positive electrode composition comprising a composite of formula I S-C-PX n and at least one additive selected from Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and combinations thereof, where S is elemental sulfur; C is at least one conductive carbon; and PX n is a phosphorus halide, where X is selected from Cl, Br, or I; and n is an integer selected from 3 to 5; b) a negative electrode; and c) at least one solid electrolyte.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体と、LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せから選択される少なくとも1種の添加剤と、を含む正極組成物であって、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5から選択される整数である、正極組成物と;b)リチウム、リチウム-インジウム、リチウム-アルミニウム、リチウム-スズ、およびそれらの組合せからなる群から選択される負極と;c)少なくとも1種の固体電解質と、を含む、全固体電池が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided an all-solid-state battery comprising: a) a positive electrode composition comprising a composite of formula I S-C-PX n and at least one additive selected from Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and combinations thereof, where S is elemental sulfur, C is at least one conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide, where X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer selected from 3 to 5; b) a negative electrode selected from the group consisting of lithium, lithium-indium, lithium-aluminum, lithium-tin, and combinations thereof; and c) at least one solid electrolyte.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体と、LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1種の添加剤と、を含む正極組成物であって、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5から選択される整数である、正極組成物と;b)リチウム、リチウム-インジウム、リチウム-アルミニウム、リチウム-スズ、およびそれらの組合せからなる群から選択される負極と;c)LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1種の固体電解質と、を含む、全固体電池が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided an all-solid- state battery comprising: a) a positive electrode composition comprising a composite of formula I S-C-PX n and at least one additive selected from the group consisting of Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and combinations thereof, where S is elemental sulfur, C is at least one conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide, where X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer selected from 3 to 5; b) a negative electrode selected from the group consisting of lithium, lithium-indium, lithium-aluminum, lithium-tin, and combinations thereof; and c) at least one solid electrolyte selected from the group consisting of Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and combinations thereof.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体と、LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せから選択される少なくとも1種の添加剤と、を含む正極であって、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5から選択される整数である、正極と;b)負極と;c)少なくとも1種の固体電解質と、を含む、全固体電池であって、放電容量が、1/30Cの放電レートで、1700~2200mAh/gの範囲にある、全固体電池が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided an all-solid-state battery comprising: a) a positive electrode comprising a composite of formula I S-C-PX n and at least one additive selected from Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and combinations thereof, wherein S is elemental sulfur, C is at least one conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide, wherein X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer selected from 3 to 5; b) a negative electrode; and c) at least one solid electrolyte, wherein the all-solid-state battery has a discharge capacity in the range of 1700 to 2200 mAh/g at a discharge rate of 1/30 C.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体と、LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せから選択される少なくとも1種の添加剤と、を含む正極組成物であって、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5から選択される整数である、正極組成物と;b)負極と;c)少なくとも1種の固体電解質と、を含む、全固体電池であって、正極組成物が、10e-8S/cm~10e-9S/cmの範囲の電子伝導度を有する、全固体電池が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided an all-solid-state battery comprising: a) a positive electrode composition comprising a composite of formula I S-C-PX n and at least one additive selected from Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and combinations thereof, where S is elemental sulfur, C is at least one conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide, where X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer selected from 3 to 5; b) a negative electrode; and c) at least one solid electrolyte, wherein the positive electrode composition has an electronic conductivity in the range of 10e -8 S/cm to 10e -9 S/cm.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体と、LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せから選択される少なくとも1種の添加剤と、を含む正極組成物であって、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5から選択される整数である、正極組成物と;b)負極と;c)少なくとも1種の固体電解質と、を含む、全固体電池であって、正極組成物が、300Ω~430Ωの範囲の拡散抵抗を有する、全固体電池が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided an all-solid-state battery comprising: a) a positive electrode composition comprising a composite of formula I S-C-PX n and at least one additive selected from Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and combinations thereof, where S is elemental sulfur, C is at least one conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide, where X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer selected from 3 to 5; b) a negative electrode; and c) at least one solid electrolyte, wherein the positive electrode composition has a diffusion resistance in the range of 300 Ω to 430 Ω.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体と、LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せから選択される少なくとも1種の添加剤と、を含む正極組成物であって、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5から選択される整数である、正極組成物と;b)負極と;c)少なくとも1種の固体電解質と、を含む、全固体電池であって、正極組成物が、220Ω~370Ωの範囲の反応抵抗を有する、全固体電池が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided an all-solid-state battery comprising: a) a positive electrode composition comprising a composite of formula I S-C-PX n and at least one additive selected from Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and combinations thereof, where S is elemental sulfur, C is at least one conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide, where X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer selected from 3 to 5; b) a negative electrode; and c) at least one solid electrolyte, wherein the positive electrode composition has a reaction resistance in the range of 220 Ω to 370 Ω.

本開示の一実施形態において、a)式I S-C-PXの複合体と、LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せから選択される少なくとも1種の添加剤と、を含む正極組成物であって、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり、PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5から選択される整数である、正極組成物と;b)リチウム、リチウム-インジウム、リチウム-アルミニウム、リチウム-スズ、およびそれらの組合せからなる群から選択される負極と;c)LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1種の固体電解質と、を含む、全固体電池であって、放電容量が、1/30Cの放電レートで1700~2200mAh/gの範囲にあり、正極組成物が、10e-8S/cm~10e-9S/cmの範囲の電子伝導度を有し、拡散抵抗が、300Ω~430Ωの範囲にあり、反応抵抗が、220Ω~370Ωの範囲にある、全固体電池が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided a cathode composition comprising: a) a composite of formula I S-C-PX n and at least one additive selected from Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and combinations thereof, where S is elemental sulfur, C is at least one conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide, where X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer selected from 3 to 5; b) an anode selected from the group consisting of lithium, lithium-indium, lithium-aluminum, lithium-tin, and combinations thereof; and c) a cathode composition comprising Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 and at least one solid electrolyte selected from the group consisting of :

本開示の一実施形態において、電気自動車における使用のための、本明細書において開示される、全固体電池が提供される。 In one embodiment of the present disclosure, there is provided an all-solid-state battery as disclosed herein for use in an electric vehicle.

本発明の主題を、その特定の好適な実施形態を参照して、かなり詳細に記載してきたが、他の実施形態も可能である。 Although the subject matter of the present invention has been described in considerable detail with reference to certain preferred embodiments thereof, other embodiments are possible.

本開示を、実施例を用いて以下に説明するが、実施例は、本開示の実施を説明することを意図しており、本開示の範囲に関する何らかの制限を含意すると制限的に理解されることを意図していない。別段の定義がある場合を除き、本明細書において使用される技術用語および科学用語のすべては、本開示が属する技術分野における当業者が通常理解するのと同じ意味を有する。本明細書に記載の方法および材料と類似または等価な方法および材料を、開示される方法および組成物の実用化において使用することができるが、例示的な方法、装置、および材料を以下に記載する。本開示は、そのような方法および条件が適用され得るような、特定の方法、および記載した実験条件に制限されないことを理解すべきである。 The present disclosure is described below using examples. However, the examples are intended to illustrate the practice of the present disclosure and are not intended to be limiting and should not be construed as implying any limitations on the scope of the disclosure. Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present disclosure belongs. Although methods and materials similar or equivalent to those described herein can be used in the practice of the disclosed methods and compositions, exemplary methods, devices, and materials are described below. It should be understood that the present disclosure is not limited to the specific methods and experimental conditions described, such that such methods and conditions may be applied.

背景技術において述べたように、電気化学的に不活性な層を阻害することのできる活性化剤成分を含有する正極組成物が必要とされている。本開示は、硫黄、導電性カーボン、および活性化剤成分であるハロゲン化リンを含む、正極用複合体を提供する。本開示は、式I S-C-PXの複合体であって、式中、Sが元素状硫黄であり、Cが導電性カーボンであり、PXが、Xが、Cl、Br、またはIから選択され、nが、3~5の範囲の整数であるハロゲン化リンである、式Iの複合体と、LiPS、Li10GeP12から選択される少なくとも1種の添加剤と、を含む、全固体電池用正極組成物を開示する。本開示の正極組成物は、向上した放電容量および電子伝導度を有した。正極の拡散抵抗値および反応抵抗値は、電気化学的性能が改善されたことを示した。 As noted in the Background section, there is a need for a positive electrode composition containing an activator component capable of inhibiting electrochemically inactive layers. The present disclosure provides a positive electrode composite comprising sulfur, conductive carbon, and a phosphorus halide activator component. The present disclosure also discloses a positive electrode composition for an all-solid-state battery, comprising a composite of formula I S-C-PX n , where S is elemental sulfur, C is conductive carbon, and PX n is a phosphorus halide where X is selected from Cl, Br, or I, and n is an integer ranging from 3 to 5, and at least one additive selected from Li 3 PS 4 and Li 10 GeP 2 S 12. The positive electrode composition of the present disclosure exhibited improved discharge capacity and electronic conductivity. The diffusion resistance and reaction resistance values of the positive electrode indicated improved electrochemical performance.

[実施例1]
本開示の正極組成物の調製
本開示の正極組成物は、式 S-C-PXの複合体であって、式中、PXがハロゲン化リンである複合体と、添加剤であるLiPS(LPS)とを含んでいた。実際の調製方法では、前駆物質である硫黄粉末およびケッチェンブラックを最初に混合して第1の混合物を得た。この第1の混合物に、ハロゲン化リンを様々な重量比で添加した。三つの成分すべてを含有するこの混合物を手粉砕して、9時間の時間にわたり185℃の温度で加熱することにより、第2の混合物を得た。次いで、第2の混合物を添加剤と混合し、約8時間にわたり280rpmで粉砕した。こうして、本開示の正極組成物を得た。出発成分から調製された本開示の様々な正極組成物を、出発成分の重量比と共に、下記の表1に列挙する。
[Example 1]
Preparation of the Cathode Composition of the Present Disclosure The cathode composition of the present disclosure included a composite of the formula S-C- PXn , where PXn is a phosphorus halide, and an additive, Li3PS4 ( LPS ). In the actual preparation method, the precursors, sulfur powder and Ketjen black, were first mixed to obtain a first mixture. The phosphorus halide was added to the first mixture in various weight ratios. The mixture containing all three components was hand-ground and heated at 185°C for 9 hours to obtain a second mixture. The second mixture was then mixed with the additive and ground at 280 rpm for approximately 8 hours. Thus, the cathode composition of the present disclosure was obtained. Various cathode compositions of the present disclosure prepared from the starting components, along with the weight ratios of the starting components, are listed in Table 1 below.

表1に、重量比を変え、様々なハロゲン化リンを用いて得た、様々な正極組成物を示す。例えば、正極組成物1は、硫黄粉末を42%、ケッチェンブラックを18%、LPSを40%含有する混合物から得られた。正極組成物1は、上述の方法によって調製され、式S-LPS-Cの組成物が得られた。 Table 1 shows various positive electrode compositions obtained using various phosphorus halides at different weight ratios. For example, positive electrode composition 1 was obtained from a mixture containing 42% sulfur powder, 18% Ketjen black, and 40% LPS. Positive electrode composition 1 was prepared by the method described above, resulting in a composition of formula S-LPS-C.

同様に、式S-C-PBr-LPS(1)、式S-C-PBr-LPS(2)、式S-C-PBr-LPS(5)、式S-C-PCl-LPS(1)、および式S-C-PI-LPS(1)にそれぞれ対応する、正極組成物2、3、4、5、および6を、表1に記載の相対重量および上述の方法を用いて調製した。得られた正極組成物をその電気化学的性能のさらなる試験に供した。 Similarly, positive electrode compositions 2, 3, 4, 5, and 6, corresponding to the formulas S-C-PBr 5 -LPS(1), S-C-PBr 5 -LPS(2), S-C-PBr 5 -LPS(5), S-C-PCl 5 -LPS(1), and S-C-PI 3 -LPS(1), respectively, were prepared using the relative weights and methods described above in Table 1. The resulting positive electrode compositions were subjected to further testing of their electrochemical performance.

正極組成物の透過電子顕微鏡調査
本明細書において記載した方法によって調製された正極組成物S-C-PBr-LPS(1)を透過電子顕微鏡(TEM)下で調査した。特性評価および構成成分の同定のために組成物のTEM像を取得した。図1に、正極組成物1であるS-LPS-CのTEM像を示すが、カーボンのみが存在していることが明らかである。一方、正極組成物2のTEM像には、臭化リンの存在(図2)も示された。これらの画像は、正極組成物内にハロゲン化リンが包含されていることを示した。
Transmission Electron Microscopy Investigation of Positive Electrode Compositions The positive electrode composition S-C-PBr 5 -LPS (1) prepared by the method described herein was investigated under a transmission electron microscope (TEM). TEM images of the composition were obtained for characterization and component identification. Figure 1 shows a TEM image of positive electrode composition 1, S-LPS-C, which clearly shows the presence of only carbon. Meanwhile, the TEM image of positive electrode composition 2 also showed the presence of phosphorus bromide (Figure 2). These images indicated the inclusion of phosphorus halide within the positive electrode composition.

[実施例2]
本開示の全固体電池セルの作製
本開示の正極組成物の調製方法は、全固体電池セルの集合体である全固体電池における用途を目的として実施された。正極組成物を解析するために、全固体電池セルが作製された。本明細書に記載した本開示の一例において、全固体電池セルは、実施例1の正極組成物、負極であるリチウム-インジウム合金、そして固体電解質であるLGPS(Li10GeP12)から構成されていた。
[Example 2]
Fabrication of All-Solid-State Battery Cells of the Present Disclosure The method for preparing a positive electrode composition of the present disclosure was implemented for use in an all-solid-state battery, which is an assembly of all-solid-state battery cells. To analyze the positive electrode composition, an all-solid-state battery cell was fabricated. In one example of the present disclosure described herein, the all-solid-state battery cell was composed of the positive electrode composition of Example 1, a lithium-indium alloy anode, and LGPS (Li 10 GeP 2 S 12 ) solid electrolyte.

全固体電池セルの作製手順を以下に説明する。80mgの固体電解質LGPSを400MPaのプレス圧で、約3分間にわたり加圧して、固体電解質ペレットを得た。実施例1からの正極組成物の約7.5mgを、200MPaのプレス圧で3分間にわたり固体電解質ペレットの一方の面に加圧して、正極-固体電解質ペレットを作製した。Li/Inのモル比0.79で50μmの厚さのリチウム箔と200μmの厚さのインジウム箔を固体電解質ペレットの他方の面に載置した結果、固体電解質は、負極と正極の両方に接合される。図3に、本開示の正極、負極、および固体電解質を含む、本開示の全固体電池セルの作製を示す。次いで、本開示の正極組成物を含む、作製された全固体電池セルを、電気化学的試験に供した。 The fabrication procedure for the all-solid-state battery cell is described below. 80 mg of the solid electrolyte LGPS was pressed at a pressure of 400 MPa for approximately 3 minutes to obtain a solid electrolyte pellet. Approximately 7.5 mg of the positive electrode composition from Example 1 was pressed onto one side of the solid electrolyte pellet at a pressure of 200 MPa for 3 minutes to produce a positive electrode-solid electrolyte pellet. A 50 μm-thick lithium foil and a 200 μm-thick indium foil with a Li/In molar ratio of 0.79 were placed on the other side of the solid electrolyte pellet, resulting in the solid electrolyte being bonded to both the negative electrode and the positive electrode. Figure 3 shows the fabrication of an all-solid-state battery cell of the present disclosure, including the positive electrode, negative electrode, and solid electrolyte of the present disclosure. The fabricated all-solid-state battery cell, including the positive electrode composition of the present disclosure, was then subjected to electrochemical testing.

[実施例3]
電気化学的インピーダンススペクトル
本開示の正極組成物の電極抵抗の調査では、全固体電池セルの電気化学的インピーダンススペクトルを用いた解析がなされた。実施例2からの本開示の全固体電池セルを、100%の充電状態(SOC)で10mVの振幅で100MHz~10Hzの周波数範囲の電気化学的インピーダンスの調査に供した。図4に、正極組成物1および2(すなわち)S-C-LPSおよびS-C-PBr-LPSを正極として含む全固体電池セルのイオン抵抗曲線を示す。
[Example 3]
Electrochemical Impedance Spectroscopy [0049] To investigate the electrode resistance of the positive electrode compositions of the present disclosure, the all-solid-state battery cells were analyzed using electrochemical impedance spectroscopy. The all-solid-state battery cells of the present disclosure from Example 2 were subjected to electrochemical impedance investigations in the frequency range of 100 MHz to 10 Hz at 100% state of charge (SOC) with an amplitude of 10 mV. Figure 4 shows the ionic resistance curves of all-solid-state battery cells containing positive electrode compositions 1 and 2 (i.e., S-C-LPS and S-C-PBr5-LPS) as the positive electrode.

図5に、組成物1および2(すなわち)S-C-LPSおよびS-C-PBr-LPSを正極に用いて作製された全固体電池セルの電荷移動抵抗を示す。図4および図5は、本開示の正極組成物が、より低いイオン抵抗およびより低い電荷移動抵抗を呈することを明確に示している。本開示の正極組成物は、300Ω~430Ωの範囲の拡散抵抗、および220Ω~370Ωの範囲の反応抵抗を有すると算出された。 Figure 5 shows the charge transfer resistance of all-solid-state battery cells fabricated using compositions 1 and 2 (i.e., S-C-LPS and S-C-PBr 5 -LPS) in the cathode. Figures 4 and 5 clearly demonstrate that the cathode compositions of the present disclosure exhibit lower ionic resistance and lower charge transfer resistance. The cathode compositions of the present disclosure were calculated to have diffusion resistances in the range of 300 Ω to 430 Ω and reaction resistances in the range of 220 Ω to 370 Ω.

図6は、本開示の正極組成物1および2の(100%SOCおよび0%SOCでの)電気化学的インピーダンススペクトルのナイキスト線図を示す。ナイキスト線図から、正極組成物1であるS-C-LPSを有する全固体電池セルは、より高い抵抗値を有したことを観察することができ、一方、正極組成物2(S-C-PBr-LPS)を有する全固体電池セルのナイキスト線図からは、より低い抵抗値を有したことを観察することができる。100%SOCおよび0%SOCでの正極組成物2の半円曲線に大きな変化はなかったが、このことから、正極と電解質との界面の安定性が明らかになった。また、抵抗値がより低いことは、10e-8S/cm~10e-9S/cmの範囲にある、正極のより高い電子伝導度を示した。 FIG. 6 shows the Nyquist plots of the electrochemical impedance spectra (at 100% SOC and 0% SOC) of cathode compositions 1 and 2 of the present disclosure. From the Nyquist plots, it can be observed that the all-solid-state battery cell having cathode composition 1 (S-C-LPS) had a higher resistance value, while the Nyquist plot of the all-solid-state battery cell having cathode composition 2 (S-C-PBr 5 -LPS) had a lower resistance value. There was no significant change in the semicircular curve of cathode composition 2 at 100% SOC and 0% SOC, which revealed the stability of the interface between the cathode and the electrolyte. The lower resistance value also indicated a higher electronic conductivity of the cathode, ranging from 10e -8 S/cm to 10e -9 S/cm.

[実施例4]
本開示の全固体電池の定電流充放電サイクル
実施例2において作製した全固体電池セルを、様々なレートおよび様々な充放電サイクルで定電流充放電サイクルに供した。図7は、正極組成物1、2、3、および4を有する全固体電池セルの1/30Cのレートでの定電流充放電の初回のサイクルを示す。全固体電池セルの充放電容量を0.5~2.5Vの電圧範囲で得た。表2に、それぞれの正極組成物に対する容量値をmAh/g単位で示す。これらの値は、ハロゲン化リンを含有する正極組成物が、ハロゲン化リンを含有しない正極組成物と比較すると、より高い容量を有したことを明らかに示している。
[Example 4]
Constant Current Charge-Discharge Cycles of the All-Solid-State Battery of the Present Disclosure The all-solid-state battery cells prepared in Example 2 were subjected to constant current charge-discharge cycles at various rates and various charge-discharge cycles. FIG. 7 shows the first cycle of constant current charge-discharge at a rate of 1/30 C for all-solid-state battery cells having positive electrode compositions 1, 2, 3, and 4. The charge-discharge capacities of the all-solid-state battery cells were obtained in the voltage range of 0.5 to 2.5 V. Table 2 shows the capacity values for each positive electrode composition in mAh/g. These values clearly show that the positive electrode compositions containing phosphorus halide had higher capacities compared to positive electrode compositions not containing phosphorus halide.

図8に、0.01~0.1の範囲でレートを変化させ、対応する出力特性を測定した際の様々な充放電レートにおける正極組成物の性能を示す。図8から、正極のレート性能が、S-C-PBr-LPS(2)>S-C-PBr-LPS(1)>S-LPS-C>S-C-PBr-LPS(5)の傾向にあったことを理解することができる。本開示の正極組成物のレート性能の明確な増大が示された。 Figure 8 shows the performance of the positive electrode compositions at various charge/discharge rates when the rate was changed in the range of 0.01 to 0.1 and the corresponding output characteristics were measured. From Figure 8, it can be seen that the rate performance of the positive electrodes tended to be S-C-PBr 5 -LPS(2) > S-C-PBr 5 -LPS(1) > S-LPS-C > S-C-PBr 5 -LPS(5). A clear increase in the rate performance of the positive electrode composition of the present disclosure was demonstrated.

図9に、充放電レートを0.01~0.3で変えた際の正極組成物1、2、および3のより広い範囲のレート性能を示す。レートの範囲を広げた正極の性能が、S-C-PBr-LPS(2)>S-C-PBr-LPS(1)>S-LPS-Cの傾向を保持していることが明らかになった。正極組成物S-C-PBr-LPS(2)は、1/10Cのレートで、放電容量の90%の保持を示した一方、1/3Cのレートでの放電容量の保持は44%であったことが示された。 Figure 9 shows the rate performance over a wider range of positive electrode compositions 1, 2, and 3 when the charge/discharge rate was changed from 0.01 to 0.3. It was revealed that the positive electrode performance over a wider rate range maintained the following trend: S-C-PBr 5 -LPS(2) > S-C-PBr 5 -LPS(1) > S-LPS-C. The positive electrode composition S-C-PBr 5 -LPS(2) showed 90% retention of discharge capacity at a rate of 1/10C, while the retention of discharge capacity at a rate of 1/3C was 44%.

図10に、1/30Cの充放電レートにおける正極組成物1、2、3、および4の3回目のサイクルの容量-電圧曲線を示す。表3に、1/30Cの充放電レートにおける対応する容量の測定値を示す。 Figure 10 shows the capacity-voltage curves for the third cycle of positive electrode compositions 1, 2, 3, and 4 at a charge-discharge rate of 1/30C. Table 3 shows the corresponding capacity measurements at a charge-discharge rate of 1/30C.

表3から、本開示の正極組成物が、単体のS-C-LPS正極と比較した場合、より高い容量を有することが明らかである。 Table 3 clearly shows that the positive electrode composition of the present disclosure has higher capacity when compared to a standalone S-C-LPS positive electrode.

図11に、1/30Cの充電レートおよび1/10Cの放電レートにおける正極組成物1、2、3、および4の容量-電圧曲線を示す。表4に、1/10Cの放電レートにおける対応する容量の測定値を示す。 Figure 11 shows the capacity-voltage curves for positive electrode compositions 1, 2, 3, and 4 at a charge rate of 1/30C and a discharge rate of 1/10C. Table 4 shows the corresponding capacity measurements at a discharge rate of 1/10C.

表4は、本開示の正極組成物が、単体の正極と比較した場合、向上した容量を有することを示した。 Table 4 shows that the positive electrode composition of the present disclosure has improved capacity when compared to a single positive electrode.

図12に、1/30Cの充電レートおよび1/3Cの放電レートにおける正極組成物1、2、3、および4の容量-電圧曲線を示す。表5に、本開示の正極の向上した容量値を示した、1/3Cの放電レートにおける対応する容量の測定値を示す。 Figure 12 shows the capacity-voltage curves for positive electrode compositions 1, 2, 3, and 4 at a charge rate of 1/30C and a discharge rate of 1/3C. Table 5 shows the corresponding capacity measurements at a discharge rate of 1/3C, demonstrating the improved capacity values of the positive electrodes of the present disclosure.

本明細書で説明した容量測定から、正極組成物のPXの量が0から5%へと増大するにつれて、容量も同じく増大の傾向にあることに注目することができる。正極複合体にPXを導入した場合、すなわち、正極組成物2の場合には、正極組成物1と比較すると、容量が増大し、PXの重量百分率が増加するにともないさらに増大した。その一方で、PXを5%有する正極組成物4において、容量は減少した。このことは、PXが5%を超えると、正極複合体は、正極の所望の特性を生じさせなかったことを実証した。したがって、正極複合体は、正極組成物に対して1~5%の範囲にPXの最適な重量百分率を有する。この容量の減少は、PXが主として、それぞれの重量百分率の分だけ正極複合体中の導電性カーボンに置き換わったために、それに対応して正極複合体の導電性カーボンが減少したことの結果であると考えられた。 From the capacity measurements described herein, it can be noted that as the amount of PXn in the positive electrode composition increases from 0 to 5%, the capacity also tends to increase. When PXn was introduced into the positive electrode composite, i.e., in the case of positive electrode composition 2, the capacity increased compared to positive electrode composition 1, and further increased as the weight percentage of PXn increased. On the other hand, in positive electrode composition 4, which had 5% PXn , the capacity decreased. This demonstrated that when PXn exceeded 5%, the positive electrode composite did not produce the desired characteristics of the positive electrode. Therefore, the positive electrode composite has an optimal weight percentage of PXn in the range of 1 to 5% relative to the positive electrode composition. This decrease in capacity was believed to be the result of PXn primarily replacing conductive carbon in the positive electrode composite by its respective weight percentage, resulting in a corresponding decrease in conductive carbon in the positive electrode composite.

[実施例5]
正極抵抗
直流内部抵抗法
電池の直流内部抵抗(DCIR)とは、電池を貫流する電流の抵抗であり、DCIRの変化は、電池の放電性能に重要な影響を及ぼす。一般に、電池が改良されるほど、内部抵抗は低下する。それゆえ、DCIR法は、電池の品質を評価するための重要な指標として使用することができる。DCIR測定の方法は、電池の負極と正極に高電流を短時間注入し、次いで電池の電圧の変化および充放電電流の変化を記録する。
[Example 5]
Positive Electrode Resistance DC Internal Resistance Method The direct current internal resistance (DCIR) of a battery is the resistance to current flowing through the battery, and changes in DCIR have a significant impact on the battery's discharge performance. Generally, the more improved the battery, the lower the internal resistance. Therefore, the DCIR method can be used as an important indicator for evaluating battery quality. The DCIR measurement method involves injecting a high current into the negative and positive electrodes of the battery for a short period of time, and then recording the changes in the battery's voltage and charge/discharge current.

本開示において、Alを負極とする正極組成物1および2に対してDCIR試験を実施した。図13は、正極組成物1および2のDCIR曲線を表し、これは、対応する正極を含む全固体電池セルを貫流する電流-時間のグラフを示す。正極S-C-PBr-LPSの測定された電気抵抗値は、3.06×10Ωであり、S-C-LPSの測定された電気抵抗値は、6.09×10Ωであると分かった。このことにより、本開示の正極組成物2の電気抵抗値の低下および電気伝導率の上昇が実証された。 In the present disclosure, DCIR tests were conducted on positive electrode compositions 1 and 2 using Al as the negative electrode. Figure 13 shows the DCIR curves of positive electrode compositions 1 and 2, which are graphs of current-time flowing through an all-solid-state battery cell including the corresponding positive electrodes. The measured electrical resistance of the positive electrode S-C-PBr 5 -LPS was found to be 3.06 x 10 Ω, and the measured electrical resistance of S-C-LPS was found to be 6.09 x 10 Ω. This demonstrates the reduced electrical resistance and increased electrical conductivity of positive electrode composition 2 of the present disclosure.

図14は、0.03C、0.05C、0.1C、および0.3Cの様々な充電レートでの30秒間の、正極組成物1および2の反応抵抗を、レート毎にそれぞれ示し、その値は表6にまとめてある。初期状態を50%SOCで保持し、1時間静置した。次いで、様々なレートでの放電を残りの4時間実施した。図14から、本開示の正極組成物2が、単体の正極組成物1との比較において反応抵抗が低下したことが理解できる。したがって、DCIR法によって、本開示の正極が向上した導電性を有し、品質が改善したことが示された。 Figure 14 shows the reaction resistance of positive electrode compositions 1 and 2 for 30 seconds at various charge rates of 0.03C, 0.05C, 0.1C, and 0.3C, respectively, and the values are summarized in Table 6. The initial state was maintained at 50% SOC and allowed to stand for 1 hour. Discharge at various rates was then performed for the remaining 4 hours. From Figure 14, it can be seen that positive electrode composition 2 of the present disclosure had a lower reaction resistance compared to positive electrode composition 1 alone. Therefore, the DCIR method demonstrated that the positive electrode of the present disclosure has improved conductivity and quality.

同様のDCIR試験を、正極組成物5および6、S-C-PCl-LPSおよびS-C-PI-LPSに実施し、正極組成物1および2と比較した。図15は、50%SOCおよび0.1Cの放電レートにおける30秒間の正極組成物1、2、5、および6の電子-反応抵抗を示し、表7は、上述の正極組成物の反応抵抗値を示す。便宜上、本試験用に作製された全固体電池セルは、本開示の正極組成物と、リチウム-インジウムの負極とを有した。単体の正極は、正極組成物4および5と比較した場合、より高い抵抗を有した。したがって、これらの結果は、本開示の正極がより低い反応抵抗を有し、対応する電池の電気化学的品質が向上したことを実証した。 Similar DCIR tests were performed on cathode compositions 5 and 6, S-C-PCl 5 -LPS, and S-C-PI 3 -LPS, and compared with cathode compositions 1 and 2. FIG. 15 shows the electron-reaction resistances of cathode compositions 1, 2, 5, and 6 for 30 seconds at 50% SOC and a 0.1 C discharge rate, and Table 7 shows the reaction resistance values of the aforementioned cathode compositions. For convenience, the all-solid-state battery cells fabricated for this test had the cathode composition of the present disclosure and a lithium-indium anode. The stand-alone cathode had a higher resistance when compared to cathode compositions 4 and 5. Therefore, these results demonstrated that the cathode of the present disclosure had a lower reaction resistance and improved the electrochemical quality of the corresponding batteries.

上記の実施例のすべてから、正極組成物2、3、4、5、および6は、より低い抵抗値およびより高い導電性を示した。ハロゲン化リンを有さない正極組成物1は、抵抗値がより高く、導電性がより低かった。活性化剤成分としてハロゲン化リンを有する正極組成物2~6は、ハロゲン化リンを有さない単体の正極よりも電気化学的に改善されていることが分かった。 From all of the above examples, positive electrode compositions 2, 3, 4, 5, and 6 exhibited lower resistance and higher conductivity. Positive electrode composition 1, which did not contain a phosphorus halide, exhibited higher resistance and lower conductivity. Positive electrode compositions 2 to 6, which contained a phosphorus halide as an activator component, were found to be electrochemically improved over the positive electrodes alone without a phosphorus halide.

特定の実施例およびその実施形態を参照して、本発明の主題をかなり詳細に記載してきたが、他の実施形態も可能である。 Although the subject matter of the present invention has been described in considerable detail with reference to specific examples and embodiments thereof, other embodiments are possible.

本開示の利点
本開示は、式I S-C-PXで表され、元素状硫黄、導電性カーボン、およびハロゲン化リンを含む正極組成物であって、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択されるハロゲンであり、nが、3~5の間の整数である、正極組成物と、少なくとも1種の添加剤と、を提供する。本開示の全固体電池用正極組成物は、電解質電極間の界面に電気化学的に不活性な層が形成するのを回避または低減することのできる活性化剤成分を有する。ハロゲン化リンは、界面において多硫化物から硫化リチウムへの転化を触媒する活性化剤として作用するとともに、Liイオン伝導を媒介する。本開示の正極組成物は、10e-8S/cm~10e-9S/cmの範囲の電子伝導度を有する。正極組成物は、220Ω~370Ωの範囲にあるより低い反応抵抗を呈する。本開示の正極組成物は、300Ω~430Ωの範囲にある拡散抵抗を有する。正極組成物を含む全固体電池は、1/30Cの放電レートにおいて1700~2200mAh/gの範囲にある放電容量を有する。
Advantages of the Present Disclosure The present disclosure provides a positive electrode composition represented by the formula I S-C-PX n , comprising elemental sulfur, conductive carbon, and a phosphorus halide, wherein X is a halogen selected from Cl, Br, or I, and n is an integer between 3 and 5, and at least one additive. The positive electrode composition for an all-solid-state battery disclosed herein has an activator component that can prevent or reduce the formation of an electrochemically inactive layer at the interface between an electrolyte electrode and an electrolyte electrode. The phosphorus halide acts as an activator that catalyzes the conversion of polysulfides to lithium sulfide at the interface and mediates Li-ion conduction. The positive electrode composition of the present disclosure has an electronic conductivity in the range of 10e -8 S/cm to 10e -9 S/cm. The positive electrode composition exhibits a lower reaction resistance in the range of 220 Ω to 370 Ω. The positive electrode composition of the present disclosure has a diffusion resistance in the range of 300 Ω to 430 Ω. An all-solid-state battery including the positive electrode composition has a discharge capacity in the range of 1700 to 2200 mAh/g at a discharge rate of 1/30C.

本出願は、2020年7月27日に出願されたインド特許出願番号202041032190に基づいており、その開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。 This application is based on Indian Patent Application No. 202041032190, filed on July 27, 2020, the disclosure of which is hereby incorporated by reference in its entirety.

Claims (13)

a)式Iの複合体であって、
式I S-C-PX
式中、Sが元素状硫黄であり;
Cが少なくとも1種の導電性カーボンであり;
PXがハロゲン化リンであり、式中、Xが、Cl、Br、またはIから選択され;nが、3~5から選択される整数である、複合体と、
b)少なくとも1種の添加剤と、
を含み、
前記少なくとも1種の添加剤が、Li PS 、Li 10 GeP 12 、およびそれらの組合せからなる群から選択される、全固体電池用正極組成物。
a) a conjugate of formula I,
Formula I SC-PX n
wherein S is elemental sulfur;
C is at least one conductive carbon;
a complex wherein PX n is a phosphorus halide, where X is selected from Cl, Br, or I; and n is an integer selected from 3 to 5;
b) at least one additive; and
Including,
The positive electrode composition for an all-solid-state battery, wherein the at least one additive is selected from the group consisting of Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , and combinations thereof.
式Iの前記複合体が正極組成物に対して50%~75%の範囲の重量百分率を有し、前記少なくとも1種の添加剤が正極組成物に対して25%~50%の範囲の重量百分率を有する、請求項1に記載の全固体電池用正極組成物。 The positive electrode composition for an all-solid-state battery according to claim 1, wherein the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 50% to 75% relative to the positive electrode composition, and the at least one additive has a weight percentage in the range of 25% to 50% relative to the positive electrode composition. 式Iの前記複合体のSが複合体に対して35%~45%の範囲の重量百分率を有し;式Iの前記複合体のCが複合体に対して10%~25%の範囲の重量百分率を有し;式Iの前記複合体のPXが複合体に対して1%~5%の範囲の重量百分率を有する、請求項1または2に記載の全固体電池用正極組成物。 3. The positive electrode composition for an all-solid-state battery according to claim 1 or 2, wherein S of the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 35% to 45% relative to the composite; C of the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 10% to 25% relative to the composite; and PX n of the composite of Formula I has a weight percentage in the range of 1% to 5% relative to the composite. 前記少なくとも1種の導電性カーボンが、アセチレンブラック、多層カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブ、グラフェン、およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項1~3のいずれか1項に記載の全固体電池用正極組成物。 The positive electrode composition for an all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the at least one type of conductive carbon is selected from the group consisting of acetylene black, multi-walled carbon nanotubes, single-walled carbon nanotubes, graphene, and combinations thereof. a)硫黄粉末を前記少なくとも1種の導電性カーボンと接触させて第1の混合物を得る工程と;
b)前記第1の混合物と一緒にハロゲン化リンを粉砕して、第2の混合物を得る工程と;
c)前記第2の混合物を少なくとも1種の添加剤に接触させて前記全固体電池用正極組成物を得る工程と、
を含む、請求項1~のいずれか1項に記載の全固体電池用正極組成物の調製方法。
a) contacting sulfur powder with the at least one conductive carbon to obtain a first mixture;
b) grinding a phosphorus halide with the first mixture to obtain a second mixture;
c) contacting the second mixture with at least one additive to obtain the all-solid-state battery positive electrode composition;
The method for preparing the positive electrode composition for an all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 4 , comprising:
前記第1の混合物と一緒に前記ハロゲン化リンを粉砕する前記工程が、8~10時間の時間にわたり180℃~190℃の範囲の温度において実施される、請求項に記載の方法。 6. The method of claim 5 , wherein the step of grinding the phosphorus halide with the first mixture is carried out at a temperature in the range of 180°C to 190°C for a period of 8 to 10 hours. 前記第1の混合物と一緒にハロゲン化リンを粉砕する前記工程が、手粉砕、ボールミリング、振動ミリング、高エネルギーミリング、およびそれらの組合せの方法で実施される、請求項またはに記載の方法。 7. The method of claim 5 or 6 , wherein the step of milling a phosphorus halide with the first mixture is carried out by hand milling, ball milling, vibratory milling, high energy milling, and combinations thereof. 前記第2の混合物を前記少なくとも1種の添加剤に接触させる工程が、7~9時間の時間にわたり実施される、請求項のいずれか1項に記載の方法。 8. The method of claim 5 , wherein the step of contacting the second mixture with the at least one additive is carried out for a period of 7 to 9 hours. i.請求項1~のいずれか1項に記載の正極組成物と;
ii.負極と;
iii.少なくとも1種の固体電解質と、
を含む、全固体電池。
i. The positive electrode composition according to any one of claims 1 to 4 ;
ii. a negative electrode;
iii. at least one solid electrolyte;
Including solid-state batteries.
前記負極が、リチウム、リチウム-インジウム、リチウム-アルミニウム、リチウム-スズ、およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項に記載の全固体電池。 10. The all-solid-state battery of claim 9 , wherein the negative electrode is selected from the group consisting of lithium, lithium-indium, lithium-aluminum, lithium-tin, and combinations thereof. 前記少なくとも1種の固体電解質が、LiPS、Li10GeP12、およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項または10に記載の全固体電池。 11. The all-solid-state battery according to claim 9 or 10 , wherein the at least one solid electrolyte is selected from the group consisting of Li3PS4 , Li10GeP2S12 , and combinations thereof . 1/30Cのレートでの定電流充放電の初回のサイクルにおいて、0.5~2.5Vの電圧範囲で得た放電容量が1700~2200mAh/gであり、かつ前記正極組成物の電子伝導度が10e-8S/cm~10e-9S/cmの範囲にある、請求項11のいずれか1項に記載の全固体電池。 12. The all-solid-state battery according to claim 9 , wherein the discharge capacity obtained in a voltage range of 0.5 to 2.5 V in an initial cycle of constant-current charge and discharge at a rate of 1/30 C is 1700 to 2200 mAh/g, and the electronic conductivity of the positive electrode composition is in the range of 10e - 8 S/cm to 10e -9 S/cm. 前記正極組成物が、300Ω~430Ωの範囲にある拡散抵抗を有し、かつ220Ω~370Ωの範囲にある反応抵抗を有する、請求項12のいずれか1項に記載の全固体電池。 The all-solid-state battery according to any one of claims 9 to 12 , wherein the positive electrode composition has a diffusion resistance in the range of 300Ω to 430Ω and a reaction resistance in the range of 220Ω to 370Ω.
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