JP7771582B2 - Sulfur-based active material, electrode, and lithium-ion secondary battery manufacturing method, and modified polymer, sulfur-based active material, electrode, and lithium-ion secondary battery - Google Patents
Sulfur-based active material, electrode, and lithium-ion secondary battery manufacturing method, and modified polymer, sulfur-based active material, electrode, and lithium-ion secondary batteryInfo
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Description
本開示は、硫黄系活物質、電極およびリチウムイオン二次電池の新規な製造方法、並びに、これら製造方法に係る新規な変性ポリマー、硫黄系活物質、電極およびリチウムイオン二次電池に関する。 This disclosure relates to novel methods for producing sulfur-based active materials, electrodes, and lithium-ion secondary batteries, as well as novel modified polymers, sulfur-based active materials, electrodes, and lithium-ion secondary batteries related to these production methods.
リチウムイオン二次電池は充放電容量が大きいため、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使用量が増加しており、性能の向上が期待されている。 Lithium-ion secondary batteries have a large charge/discharge capacity and are therefore primarily used as batteries for portable electronic devices. Their use as batteries for electric vehicles is also increasing, and improvements in their performance are expected.
特許文献1には、硫黄粉末とポリアクリロニトリル粉末を含む原料粉末を非酸化性雰囲気下で加熱して得た、リチウムイオン二次電池用の正極活物質が記載されている。また、特許文献2には、工業用のゴムを使用した安価な正極活物質が記載されている。 Patent Document 1 describes a positive electrode active material for lithium-ion secondary batteries obtained by heating raw material powders containing sulfur powder and polyacrylonitrile powder in a non-oxidizing atmosphere. Furthermore, Patent Document 2 describes an inexpensive positive electrode active material that uses industrial rubber.
一方、負極活物質としては、ケイ素(Si)、スズ(Sn)などのより多くのリチウムイオンを吸蔵および放出可能な材料を用いることで、リチウムイオン二次電池の電池容量を増加させることが提案されている。 On the other hand, it has been proposed to increase the battery capacity of lithium-ion secondary batteries by using materials capable of absorbing and releasing more lithium ions, such as silicon (Si) and tin (Sn), as the negative electrode active material.
しかし、特許文献1の正極活物質は、原料であるポリアクリロニトリルが高価であること、特に、品質が安定したポリアクリロニトリルはより高価であるため、リチウムイオン二次電池を安価に提供し難いという問題がある。特許文献2の正極活物質は、サイクル特性の十分な向上になお課題がある。負極活物質として提案されている上記材料は、リチウムイオンの吸蔵および放出に伴う体積変化が大きいため、充放電を繰り返した際のサイクル特性が良好ではないという問題がある。また、硫黄系材料は総じて導電性が低く、出力特性に課題がある。 However, the positive electrode active material in Patent Document 1 has the problem that the raw material, polyacrylonitrile, is expensive, and polyacrylonitrile with stable quality is even more expensive, making it difficult to provide lithium-ion secondary batteries at low cost. The positive electrode active material in Patent Document 2 still has issues in sufficiently improving cycle characteristics. The above materials proposed as negative electrode active materials have the problem of poor cycle characteristics when repeatedly charged and discharged due to large volume changes associated with the absorption and release of lithium ions. Furthermore, sulfur-based materials generally have low conductivity, posing issues with output characteristics.
本開示は、リチウムイオン二次電池の出力特性を向上できる、硫黄系活物質、当該硫黄系活物質を含んでなる電極、すなわち、正極または負極、および、当該電極を含んでなるリチウムイオン二次電池の新規な製造方法、並びに、これら製造方法に係る新規な変性ポリマー、硫黄系活物質、電極およびリチウムイオン二次電池を提供しようとするものである。 The present disclosure seeks to provide a sulfur-based active material that can improve the output characteristics of lithium-ion secondary batteries, an electrode containing the sulfur-based active material (i.e., a positive electrode or negative electrode), and a new method for manufacturing a lithium-ion secondary battery containing the electrode, as well as new modified polymers, sulfur-based active materials, electrodes, and lithium-ion secondary batteries related to these manufacturing methods.
本発明者らは、鋭意検討した結果、所定の結晶型の酸化チタン(IV)を用いることにより、上記課題を解決できることを見出し、さらに検討を重ねて、本開示を完成した。すなわち、本開示は、以下の硫黄系活物質の製造方法に関する。 After extensive research, the inventors discovered that the above-mentioned problems could be solved by using titanium(IV) oxide of a specific crystalline form, and after further research, they completed the present disclosure. Specifically, the present disclosure relates to the following method for producing a sulfur-based active material.
変性ポリマーを含んでなる硫黄系活物質の製造方法であって、
ポリマーと、硫黄と、アナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)とを混合して、焼成原料を得る工程(1)、および、
前記焼成原料を焼成して、ポリマーを硫黄およびアナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)で変性して、変性ポリマーを得る工程(2)
を含む硫黄系活物質の製造方法。
A method for producing a sulfur-based active material containing a modified polymer,
(1) mixing a polymer, sulfur, and anatase-type tetragonal titanium (IV) oxide to obtain a calcined raw material; and
(2) a step of calcining the calcined raw material and modifying the polymer with sulfur and anatase-type tetragonal titanium(IV) oxide to obtain a modified polymer;
A method for producing a sulfur-based active material comprising:
本開示によれば、出力特性を向上できる、硫黄系活物質、当該硫黄系活物質を含んでなる電極、すなわち、正極または負極、および、当該電極を含んでなるリチウムイオン二次電池の新規な製造方法、並びに、これら製造方法に係る新規な変性ポリマー、硫黄系活物質、電極およびリチウムイオン二次電池を提供することができる。 This disclosure provides a sulfur-based active material that can improve output characteristics, an electrode containing the sulfur-based active material (i.e., a positive electrode or negative electrode), and a new method for manufacturing a lithium-ion secondary battery containing the electrode, as well as new modified polymers, sulfur-based active materials, electrodes, and lithium-ion secondary batteries related to these manufacturing methods.
本明細書において、「出力特性」とは、高い時間率(Cレート)で充放電させても、二次電池の放電容量が維持される特性をいう。したがって、出力特性の高い二次電池は、Cレートを増加させても放電容量の低下の度合いが小さく、逆に、出力特性の低い二次電池は、Cレートを増加させると放電容量の低下の度合いが大きい。 In this specification, "output characteristics" refers to the characteristic of a secondary battery that maintains its discharge capacity even when charged and discharged at a high hourly rate (C rate). Therefore, a secondary battery with high output characteristics will experience a small decrease in discharge capacity even when the C rate is increased, and conversely, a secondary battery with low output characteristics will experience a large decrease in discharge capacity when the C rate is increased.
本開示において、数値範囲の記載に関する「以上」、「以下」、「~」にかかる上限および下限の数値は任意に組合せできる数値であり、加えて、実施例における数値を該上限および下限と組合せることもできる。また、「~」によって数値範囲を特定する場合、特に断りのない限り、その両端の数値も含む意味である。さらに、本開示において、両端の値を含むものとして示された数値範囲は、本開示の趣旨に反しない限り、その両端の値のうちいずれか一端の値を含まない数値範囲、さらには両端の値の双方を含まない数値範囲をも同時に示しているものと解される。 In this disclosure, the upper and lower limit values of "greater than or equal to," "less than or equal to," and "to" used to describe a range of values can be arbitrarily combined, and the values in the examples can also be combined with the upper and lower limit values. Furthermore, when a range of values is specified by "to," unless otherwise specified, both end values are included. Furthermore, in this disclosure, a range of values indicated as including both end values is understood to simultaneously indicate a range that does not include either end value, or even a range that does not include both end values, as long as it does not contradict the spirit of this disclosure.
本開示の一の実施形態は、変性ポリマーを含んでなる硫黄系活物質の製造方法であって、ポリマーと硫黄とアナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)とを混合して焼成原料を得る工程(1)、および、前記焼成原料を焼成してポリマーを硫黄およびアナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)で変性して変性ポリマーを得る工程(2)を含む硫黄系活物質の製造方法である。 One embodiment of the present disclosure is a method for producing a sulfur-based active material containing a modified polymer, the method including: step (1) of mixing the polymer, sulfur, and anatase-type tetragonal titanium(IV) oxide to obtain a firing raw material; and step (2) of firing the firing raw material to modify the polymer with sulfur and anatase-type tetragonal titanium(IV) oxide to obtain a modified polymer.
前記ポリマーは、下記式(1)で示されるアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種を重合したポリマー、下記式(1)で示されるアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種と下記式(2)で示されるジアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種とを重合したポリマー、および、メタクリロニトリルを含むモノマーを重合したポリマーからなる群から選択される少なくとも一のポリマーを含むものであることが好ましい。
CH2=C(R11)COOR12 (1)
(ここで、R11は水素原子またはメチル基であり、R12はアルキル基である。)
CH2=C(R21)COO-Y-OCO(R22)C=CH2 (2)
(ここで、R21とR22は同一または異なって、水素原子またはメチル基であり、Yはヒドロカルビレン基であり、該ヒドロカルビレン基は水酸基およびアルキル基からなる群から選択される少なくとも一つの置換基を有していてもよく、かつ、ヒドロカルビレン基を構成する炭素骨格は酸素原子によるエーテル結合を有していてもよい。但し、当該エーテル結合が2以上あるとき隣接する酸素原子間には常に2以上の炭素原子が介在する。)
The polymer preferably includes at least one polymer selected from the group consisting of a polymer obtained by polymerizing at least one compound selected from the group consisting of acrylate compounds represented by the following formula (1), a polymer obtained by polymerizing at least one compound selected from the group consisting of acrylate compounds represented by the following formula (1) and at least one compound selected from the group consisting of diacrylate compounds represented by the following formula (2), and a polymer obtained by polymerizing a monomer containing methacrylonitrile.
CH2 =C( R11 ) COOR12 (1)
(wherein R 11 is a hydrogen atom or a methyl group, and R 12 is an alkyl group.)
CH 2 =C(R 21 )COO-Y-OCO(R 22 )C=CH 2 (2)
(wherein R 21 and R 22 are the same or different and each represent a hydrogen atom or a methyl group; Y is a hydrocarbylene group; the hydrocarbylene group may have at least one substituent selected from the group consisting of a hydroxyl group and an alkyl group; and the carbon skeleton constituting the hydrocarbylene group may have an ether bond via an oxygen atom; however, when there are two or more ether bonds, there are always two or more carbon atoms between adjacent oxygen atoms.)
本開示の効果が発揮され易いからである。 This is because the effects of this disclosure are more easily realized.
R12は炭素数1~6のアルキル基であり、Yは炭素数2~6のヒドロカルビレン基であり、該ヒドロカルビレン基において、置換基の数は1~4であり、置換基であるアルキル基の炭素数は1~4であり、ヒドロカルビレン基を構成する炭素骨格が有するエーテル結合の数は1~2であることが好ましい。 It is preferred that R 12 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, Y is a hydrocarbylene group having 2 to 6 carbon atoms, the hydrocarbylene group having 1 to 4 substituents, the alkyl group as the substituent having 1 to 4 carbon atoms, and the carbon skeleton constituting the hydrocarbylene group having 1 or 2 ether bonds.
本開示の効果が発揮され易いからである。 This is because the effects of this disclosure are more easily realized.
前記焼成は、非酸化性雰囲気下で実施されることが好ましい。 The firing is preferably carried out in a non-oxidizing atmosphere.
本開示の効果が発揮され易いからである。 This is because the effects of this disclosure are more easily realized.
前記ポリマーに対する前記硫黄の量は、ポリマー100質量部に対して、硫黄50~1000質量部であることが好ましい。 The amount of sulfur relative to the polymer is preferably 50 to 1,000 parts by mass of sulfur per 100 parts by mass of polymer.
本開示の効果が発揮され易いからである。 This is because the effects of this disclosure are more easily realized.
前記焼成の温度は、250~550℃であることが好ましい。 The firing temperature is preferably 250 to 550°C.
本開示の効果が発揮され易いからである。 This is because the effects of this disclosure are more easily realized.
前記ポリマーの粒子径は、0.1~300.0μmであることが好ましい。 The particle size of the polymer is preferably 0.1 to 300.0 μm.
本開示の効果が発揮され易いからである。 This is because the effects of this disclosure are more easily realized.
本開示の他の実施形態は、電極の製造方法であって、上記のいずれかの製造方法により硫黄系活物質を製造する工程、および、前記硫黄系活物質を用いて電極を製造する工程(3)を含む電極の製造方法である。 Another embodiment of the present disclosure is a method for manufacturing an electrode, comprising the steps of manufacturing a sulfur-based active material by any of the manufacturing methods described above, and manufacturing an electrode using the sulfur-based active material (3).
本開示の他の実施形態は、リチウムイオン二次電池の製造方法であって、上記の製造方法により電極を製造する工程、および、前記電極を用いてリチウムイオン二次電池を製造する工程(4)を含むリチウムイオン二次電池の製造方法である。 Another embodiment of the present disclosure is a method for manufacturing a lithium ion secondary battery, the method including the step of manufacturing an electrode by the above-described manufacturing method, and the step (4) of manufacturing a lithium ion secondary battery using the electrode.
本開示の他の実施形態は、硫黄とアナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)とで変性された変性ポリマーであって、前記変性ポリマーは、硫化チタン、および、硫黄35.0質量%以上を含む変性ポリマーである。 Another embodiment of the present disclosure is a modified polymer modified with sulfur and anatase tetragonal titanium(IV) oxide, the modified polymer containing titanium sulfide and 35.0% by mass or more of sulfur.
前記変性ポリマーは、下記式(1)で示されるアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種を重合したポリマー、下記式(1)で示されるアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種と下記式(2)で示されるジアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種とを重合したポリマー、および、メタクリロニトリルを含むモノマーを重合したポリマーからなる群から選択される少なくとも一のポリマーが硫黄とアナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)とで変性されたものであることが好ましい。
CH2=C(R11)COOR12 (1)
(ここで、R11は水素原子またはメチル基であり、R12はアルキル基である。)
CH2=C(R21)COO-Y-OCO(R22)C=CH2 (2)
(ここで、R21とR22は同一または異なって、水素原子またはメチル基であり、Yはヒドロカルビレン基であり、該ヒドロカルビレン基は水酸基およびアルキル基からなる群から選択される少なくとも一つの置換基を有していてもよく、かつ、ヒドロカルビレン基を構成する炭素骨格は酸素原子によるエーテル結合を有していてもよい。但し、当該エーテル結合が2以上あるとき隣接する酸素原子間には常に2以上の炭素原子が介在する。)
The modified polymer is preferably at least one polymer selected from the group consisting of polymers obtained by polymerizing at least one compound selected from the group consisting of acrylate compounds represented by the following formula (1), polymers obtained by polymerizing at least one compound selected from the group consisting of acrylate compounds represented by the following formula (1) and at least one compound selected from the group consisting of diacrylate compounds represented by the following formula (2), and polymers obtained by polymerizing a monomer containing methacrylonitrile, modified with sulfur and anatase tetragonal titanium(IV) oxide.
CH2 =C( R11 ) COOR12 (1)
(wherein R 11 is a hydrogen atom or a methyl group, and R 12 is an alkyl group.)
CH 2 =C(R 21 )COO-Y-OCO(R 22 )C=CH 2 (2)
(wherein R 21 and R 22 are the same or different and each represent a hydrogen atom or a methyl group; Y is a hydrocarbylene group; the hydrocarbylene group may have at least one substituent selected from the group consisting of a hydroxyl group and an alkyl group; and the carbon skeleton constituting the hydrocarbylene group may have an ether bond via an oxygen atom; however, when there are two or more ether bonds, there are always two or more carbon atoms between adjacent oxygen atoms.)
本開示の効果が発揮され易いからである。 This is because the effects of this disclosure are more easily realized.
R12は炭素数1~6のアルキル基であり、Yは炭素数2~6のヒドロカルビレン基であり、該ヒドロカルビレン基において、置換基の数は1~4であり、置換基であるアルキル基の炭素数は1~4であり、ヒドロカルビレン基を構成する炭素骨格が有するエーテル結合の数は1~2であることが好ましい。 It is preferred that R 12 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, Y is a hydrocarbylene group having 2 to 6 carbon atoms, the hydrocarbylene group having 1 to 4 substituents, the alkyl group as the substituent having 1 to 4 carbon atoms, and the carbon skeleton constituting the hydrocarbylene group having 1 or 2 ether bonds.
本開示の効果が発揮され易いからである。 This is because the effects of this disclosure are more easily realized.
本開示の他の実施形態は、上記の変性ポリマーを含む硫黄系活物質である。 Another embodiment of the present disclosure is a sulfur-based active material containing the above-described modified polymer.
本開示の他の実施形態は、上記の硫黄系活物質を含んでなる電極である。 Another embodiment of the present disclosure is an electrode comprising the above-described sulfur-based active material.
本開示の他の実施形態は、上記の電極を含んでなるリチウムイオン二次電池である。 Another embodiment of the present disclosure is a lithium-ion secondary battery comprising the above-described electrode.
[硫黄系活物質の製造方法]
本開示の、変性ポリマーを含んでなる硫黄系活物質の製造方法について以下説明する。
[Method of manufacturing sulfur-based active material]
A method for producing a sulfur-based active material containing a modified polymer according to the present disclosure will be described below.
<ポリマー>
ポリマーは、非酸化性熱雰囲気下で、硫黄およびアナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)と熱処理した場合に、硫黄を取り込むとともに、アナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)の作用により灰分(金属成分)を生成し、その結果、出力特性が向上した変性ポリマーを形成するものであれば、特に限定されない。
<Polymer>
The polymer is not particularly limited as long as, when heat-treated with sulfur and anatase tetragonal titanium(IV) oxide in a non-oxidizing thermal atmosphere, it takes in sulfur and generates ash (metallic components) through the action of the anatase tetragonal titanium(IV) oxide, thereby forming a modified polymer with improved output characteristics.
そのようなポリマーとしては、例えば、下記式(1)で示されるアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種を重合したポリマー、下記式(1)で示されるアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種と下記式(2)で示されるジアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種とを重合したポリマー、および、メタクリロニトリルを含むモノマーを重合したポリマーからなる群から選択される少なくとも一のポリマーを含むもの、あるいは、同群から選択される少なくとも一つのポリマーのみからなるものが挙げられる。
CH2=C(R11)COOR12 (1)
(ここで、R11は水素原子またはメチル基であり、R12はアルキル基である。)
CH2=C(R21)COO-Y-OCO(R22)C=CH2 (2)
(ここで、R21とR22は同一または異なって、水素原子またはメチル基であり、Yはヒドロカルビレン基であり、該ヒドロカルビレン基は水酸基およびアルキル基からなる群から選択される少なくとも一つの置換基を有していてもよく、かつ、ヒドロカルビレン基を構成する炭素骨格は酸素原子によるエーテル結合を有していてもよい。但し、当該エーテル結合が2以上あるとき隣接する酸素原子間には常に2以上の炭素原子が介在する。)
Examples of such polymers include those containing at least one polymer selected from the group consisting of a polymer obtained by polymerizing at least one compound selected from the group consisting of acrylate compounds represented by the following formula (1), a polymer obtained by polymerizing at least one compound selected from the group consisting of acrylate compounds represented by the following formula (1) and at least one compound selected from the group consisting of diacrylate compounds represented by the following formula (2), and a polymer obtained by polymerizing a monomer containing methacrylonitrile, or those consisting only of at least one polymer selected from the same group.
CH2 =C( R11 ) COOR12 (1)
(wherein R 11 is a hydrogen atom or a methyl group, and R 12 is an alkyl group.)
CH 2 =C(R 21 )COO-Y-OCO(R 22 )C=CH 2 (2)
(wherein R 21 and R 22 are the same or different and each represent a hydrogen atom or a methyl group; Y is a hydrocarbylene group; the hydrocarbylene group may have at least one substituent selected from the group consisting of a hydroxyl group and an alkyl group; and the carbon skeleton constituting the hydrocarbylene group may have an ether bond via an oxygen atom; however, when there are two or more ether bonds, there are always two or more carbon atoms between adjacent oxygen atoms.)
(アクリレート化合物(1))
式(1)において、R11はメチル基が好ましく、R12は炭素数1~6のアルキル基であることが好ましく、炭素数1~4のアルキル基であることがより好ましく、なかでも、メチル基、n-ブチル基、i-ブチル基またはt-ブチル基が好ましい。式(1)で示される化合物としては、例えば、メチル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート等が挙げられ、より好ましくは、メチルメタクリレート、ブチルメタクリレートが挙げられる。ここで、メチル(メタ)アクリレートおよびブチル(メタ)アクリレートの「(メタ)アクリレート」とは、「アクリレート」または「メタクリレート」のいずれかであることを表すものである(以下同様)。このうち、メタクリレートのものが好ましい。式(1)で示される化合物として、さらに好ましい例は、ブチルメタクリレートである。
(Acrylate Compound (1))
In formula (1), R 11 is preferably a methyl group, and R 12 is preferably an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, more preferably an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, with a methyl group, an n-butyl group, an i-butyl group, or a t-butyl group being preferred. Examples of compounds represented by formula (1) include methyl (meth)acrylate and butyl (meth)acrylate, and more preferably methyl methacrylate and butyl methacrylate. Here, the "(meth)acrylate" in methyl (meth)acrylate and butyl (meth)acrylate refers to either "acrylate" or "methacrylate" (the same applies hereinafter). Of these, methacrylate is preferred. An even more preferred example of a compound represented by formula (1) is butyl methacrylate.
(ジアクリレート化合物(2))
式(2)において、R21とR22は、いずれも、メチル基が好ましい。Yのヒドロカルビレン基の炭素数は、2~6であることが好ましく、2または3であることがより好ましい。Yの置換基の数は、1~4であることが好ましく、1または2であることがより好ましい。Yの置換基としては、水酸基および炭素数1~4のアルキル基からなる群から選択される1以上の置換基であることが好ましく、この炭素数1~4のアルキル基としてはメチル基が好ましい。Yの炭素骨格が酸素原子によるエーテル結合を有する場合としては、例えば、-Y-O-に相当する部分が、下記式(3)で表されるものであることが好ましい(但し、式(3)においては、Yの置換基は考慮していない。)。
-(CH2)l-(CH2CH2O)m-(CH2CH2CH2O)n- (3)
(ここで、lは0~6であり、mは0~3であり、nは0~2である。但し、lとmとnが同時に0となることはない。)
(Diacrylate Compound (2))
In formula (2), both R 21 and R 22 are preferably methyl groups. The number of carbon atoms in the hydrocarbylene group of Y is preferably 2 to 6, and more preferably 2 or 3. The number of substituents in Y is preferably 1 to 4, and more preferably 1 or 2. The substituents in Y are preferably one or more substituents selected from the group consisting of hydroxyl groups and alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms, and the alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms are preferably methyl groups. When the carbon skeleton of Y has an ether bond via an oxygen atom, for example, the portion corresponding to -Y-O- is preferably represented by formula (3) below (however, in formula (3), the substituents in Y are not taken into consideration).
-(CH 2 ) l -(CH 2 CH 2 O) m -(CH 2 CH 2 CH 2 O) n - (3)
(Here, l is a number from 0 to 6, m is a number from 0 to 3, and n is a number from 0 to 2. However, l, m, and n cannot all be 0 at the same time.)
式(3)において、lが1、2、3、4、5または6であって、かつ、mとnが0であること;あるいは、mが1、2または3であって、かつ、lとnが0であること;あるいは、nが1または2であって、かつ、lとmが0であることが好ましい。 In formula (3), it is preferred that l is 1, 2, 3, 4, 5, or 6, and m and n are 0; alternatively, m is 1, 2, or 3, and l and n are 0; or alternatively, n is 1 or 2, and l and m are 0.
式(2)で示される化合物としては、例えば、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチングリコールジ(メタ)アクリレート、グリセリンジ(メタ)アクリレート等が挙げられる。このうち、エチレングリコールジメタクリレートが好ましい。 Examples of compounds represented by formula (2) include ethylene glycol di(meth)acrylate, diethylene glycol di(meth)acrylate, triethylene glycol di(meth)acrylate, 1,6-hexanediol di(meth)acrylate, neopentyne glycol di(meth)acrylate, and glycerin di(meth)acrylate. Of these, ethylene glycol dimethacrylate is preferred.
(メタクリロニトリルを含むモノマー)
メタクリロニトリルを含むモノマーについて、メタクリロニトリル以外のモノマー成分としては、アクリロニトリル、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸エステル、(メタ)アクリルアミド等の公知の(メタ)アクリルモノマーを好適に使用可能である。なかでも、アクリロニトリルおよび(メタ)アクリル酸エステルからなる群から選ばれる1以上が好ましく、アクリロニトリルおよびメタクリル酸メチルからなる群から選ばれる1以上がより好ましく、アクリロニトリルおよびメタクリル酸メチルがさらに好ましい。ここで、「(メタ)アクリル」は、「アクリル」または「メタクリル」を意味する。また、メタクリロニトリル以外のモノマー成分として、ブタジエン、イソプレン等の共役ジエン化合物も使用可能である。
(Methacrylonitrile-containing monomers)
For the monomer containing methacrylonitrile, known (meth)acrylic monomers such as acrylonitrile, (meth)acrylic acid, (meth)acrylic acid esters, and (meth)acrylamide can be suitably used as monomer components other than methacrylonitrile. Among these, one or more selected from the group consisting of acrylonitrile and (meth)acrylic acid esters are preferred, one or more selected from the group consisting of acrylonitrile and methyl methacrylate are more preferred, and acrylonitrile and methyl methacrylate are even more preferred. Here, "(meth)acrylic" means "acrylic" or "methacrylic." Furthermore, conjugated diene compounds such as butadiene and isoprene can also be used as monomer components other than methacrylonitrile.
(アクリレート化合物(1)を重合したポリマー)
式(1)で示されるアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種を重合したポリマーとしては種々のものを使用できるが、このうち、1種類のアクリレート化合物を重合したホモポリマーが好ましい。そのようなホモポリマーの例としては、メチル(メタ)アクリレートのホモポリマー、ブチル(メタ)アクリレートのホモポリマーなどが挙げられる。
(Polymer obtained by polymerizing acrylate compound (1))
Although various polymers can be used as the polymer obtained by polymerizing at least one selected from the group consisting of acrylate compounds represented by formula (1), among them, a homopolymer obtained by polymerizing one kind of acrylate compound is preferred. Examples of such homopolymers include a homopolymer of methyl (meth)acrylate and a homopolymer of butyl (meth)acrylate.
(アクリレート化合物(1)とジアクリレート化合物(2)とのポリマー)
式(1)で示されるアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種と式(2)で示されるジアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種とを重合したポリマーとしては種々のものを使用できるが、好ましい具体例としては、メチル(メタ)アクリレートとエチレングリコールジ(メタ)アクリレートとのコポリマー、ブチル(メタ)アクリレートとエチレングリコールジ(メタ)アクリレートとのコポリマーなどが挙げられる。より好ましい例としては、ブチルメタクリレートとエチレングリコールジメタクリレートとのコポリマーが挙げられる。
(Polymer of acrylate compound (1) and diacrylate compound (2))
Various polymers can be used as the polymer obtained by polymerizing at least one compound selected from the group consisting of acrylate compounds represented by formula (1) and at least one compound selected from the group consisting of diacrylate compounds represented by formula (2), but preferred examples include a copolymer of methyl (meth)acrylate and ethylene glycol di(meth)acrylate, a copolymer of butyl (meth)acrylate and ethylene glycol di(meth)acrylate, etc. A more preferred example is a copolymer of butyl methacrylate and ethylene glycol dimethacrylate.
(メタクリロニトリルを含むモノマーを重合したポリマー)
メタクリロニトリルを含むモノマーを重合したポリマーとしては、メタクリロニトリルを単独重合したポリマー(ポリメタクリロニトリル)の他、メタクリロニトリルとメタクリロニトリル以外の1種以上のモノマー成分とのポリマーが挙げられる。メタクリロニトリル以外のモノマー成分としては上述のものを使用することができ、アクリロニトリルおよび(メタ)アクリル酸エステルが好ましい。したがって、メタクリロニトリル、アクリロニトリルおよび(メタ)アクリル酸エステルを含むポリマーが好ましい。ここで、(メタ)アクリル酸エステルとしては(メタ)アクリル酸メチルが好ましく、この場合の「(メタ)アクリル」としてはメタクリルが好ましい。メタクリロニトリルとメタクリロニトリル以外の1種以上のモノマー成分とのポリマーにおいて、メタクリロニトリルの共重合比は、通常1~99モル%、好ましくは10~95モル%、より好ましくは20~90モル%、さらに好ましくは30~80モル%である。
(Polymer obtained by polymerizing a monomer containing methacrylonitrile)
Examples of polymers obtained by polymerizing a monomer containing methacrylonitrile include polymers obtained by homopolymerizing methacrylonitrile (polymethacrylonitrile) and polymers of methacrylonitrile and one or more monomer components other than methacrylonitrile. The monomer components other than methacrylonitrile can be those mentioned above, with acrylonitrile and (meth)acrylic acid esters being preferred. Therefore, polymers containing methacrylonitrile, acrylonitrile, and (meth)acrylic acid esters are preferred. Here, methyl (meth)acrylate is preferred as the (meth)acrylic acid ester, and in this case, methacrylic is preferred as the "(meth)acrylic." In polymers of methacrylonitrile and one or more monomer components other than methacrylonitrile, the copolymerization ratio of methacrylonitrile is typically 1 to 99 mol%, preferably 10 to 95 mol%, more preferably 20 to 90 mol%, and even more preferably 30 to 80 mol%.
(ポリマーの製造)
ポリマーの製造において、各モノマーを重合させる順序において特に限定はなく、例えば、すべてのモノマーを一度にランダム重合させてもよいし、あるいは、あらかじめ特定のモノマーを重合させた後に、残りのモノマーを加えて重合させたり、特定のモノマー毎に予め重合させたものをブロック共重合させてもよい。
(Production of polymers)
In producing a polymer, the order in which the monomers are polymerized is not particularly limited. For example, all the monomers may be randomly polymerized at once, or specific monomers may be polymerized in advance and then the remaining monomers may be added and polymerized, or specific monomers may be polymerized in advance and then block copolymerized.
重合は、例えば、アニオン重合反応、配位重合反応等の常法により実施することができる。重合方法については特に制限はなく、溶液重合法、乳化重合法、気相重合法、バルク重合法のいずれをも用いることができる。また、重合形式は、バッチ式および連続式のいずれであってもよい。 Polymerization can be carried out by conventional methods such as anionic polymerization or coordination polymerization. There are no particular restrictions on the polymerization method, and any of solution polymerization, emulsion polymerization, gas phase polymerization, and bulk polymerization can be used. Furthermore, the polymerization method may be either batch or continuous.
(ポリマーの形態)
ポリマーは、微粒子の形態のものが好ましい。ここで、微粒子とは、粒子径が300.0μm以下の粒子をいう。該粒子径は270.0μm以下が好ましく、200.0μm以下がより好ましく、100.0μm以下がさらに好ましく、50.0μm以下がさらに好ましく、20.0μm以下がさらに好ましく、15.0μm以下がさらに好ましく、13.0μm以下がさらに好ましく、10.0μm以下がさらに好ましく、6.0μm以下がさらに好ましい。一方、該粒子径の下限は特に限定されないが、通常、例えば、0.1μm以上であり、好ましくは1.0μm以上である。該粒子径は、ベックマン・コールター(株)製の精密粒度分布測定装置Multisizer3により測定される値である。
(Polymer morphology)
The polymer is preferably in the form of fine particles. Here, fine particles refer to particles having a particle diameter of 300.0 μm or less. The particle diameter is preferably 270.0 μm or less, more preferably 200.0 μm or less, even more preferably 100.0 μm or less, even more preferably 50.0 μm or less, even more preferably 20.0 μm or less, even more preferably 15.0 μm or less, even more preferably 13.0 μm or less, even more preferably 10.0 μm or less, and even more preferably 6.0 μm or less. On the other hand, the lower limit of the particle diameter is not particularly limited, but is usually, for example, 0.1 μm or more, preferably 1.0 μm or more. The particle diameter is a value measured using a precision particle size distribution analyzer, Multisizer 3, manufactured by Beckman Coulter, Inc.
ポリマーは、球状の微粒子であってもよく、多孔質状の微粒子であってもよい。ポリマーが多孔質状である場合、その吸油量は、100mL/100g以上であることが好ましく、110mL/100g以上であることがより好ましく、120mL/100g以上であることがさらに好ましく、130mL/100g以上であることがさらに好ましく、140mL/100g以上であることがさらに好ましい。該吸油量は、JIS K 5101-13-2:2004に準じて測定される値である。より詳細には、特開2017-88501号公報の段落0069の方法により測定できる。 The polymer may be spherical microparticles or porous microparticles. When the polymer is porous, its oil absorption is preferably 100 mL/100 g or more, more preferably 110 mL/100 g or more, even more preferably 120 mL/100 g or more, even more preferably 130 mL/100 g or more, and even more preferably 140 mL/100 g or more. The oil absorption is a value measured in accordance with JIS K 5101-13-2:2004. More specifically, it can be measured by the method described in paragraph 0069 of JP 2017-88501 A.
(ポリマーの重量平均分子量(Mw))
ポリマーは、上記構造を有する限り、Mwは特に限定されない。但し、ポリマーのMwは、通常、1,000~1,500,000の範囲内であり、好ましくは2,000~1,000,000、より好ましくは10,000~300,000である。Mwは、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により測定される値(ポリスチレンにより較正)である。
(Polymer weight average molecular weight (Mw))
The Mw of the polymer is not particularly limited as long as it has the above structure. However, the Mw of the polymer is usually within the range of 1,000 to 1,500,000, preferably 2,000 to 1,000,000, and more preferably 10,000 to 300,000. The Mw is a value measured by gel permeation chromatography (GPC) (calibrated with polystyrene).
(ポリマーの入手または製造)
ポリマーは、商業的に入手可能であるか、あるいは、当業者の知識の範囲内である常法により、製造することができる。商業的に入手可能なポリマーとしては、例えば、積水化成品工業(株)製のもの、(株)クラレ製のもの、アイカ工業(株)製のものなどが挙げられる。
(Obtaining or manufacturing polymers)
The polymers are commercially available or can be prepared by conventional methods within the knowledge of one skilled in the art, such as those manufactured by Sekisui Plastics Co., Ltd., Kuraray Co., Ltd., and Aica Kogyo Co., Ltd.
<硫黄>
硫黄としては粉末硫黄、不溶性硫黄、沈降硫黄、コロイド硫黄等の種々の形態のものをいずれも使用できるが、このうち、沈降硫黄、コロイド硫黄が好ましい。これら硫黄はいずれも、元素硫黄として製造または販売されているものである。硫黄の配合量は、ポリマー100質量部に対して、50質量部以上が好ましく、100質量部以上がより好ましく、さらに好ましくは150質量部以上であり、さらに好ましくは200質量部以上であり、さらに好ましくは250質量部以上である。100質量部以上であることで出力特性や、充放電容量、サイクル特性を向上できる傾向がある。一方、硫黄の配合量について、上限は特にないが、通常は、1000質量部以下が好ましく、より好ましくは800質量部以下、さらに好ましくは700質量部以下、さらに好ましくは600質量部以下である。1000質量部以下であることで、コスト的に有利な傾向がある。硫黄は1種または2種以上を使用することができる。
<Sulfur>
Sulfur can be used in various forms, such as powdered sulfur, insoluble sulfur, precipitated sulfur, and colloidal sulfur. Of these, precipitated sulfur and colloidal sulfur are preferred. All of these sulfurs are manufactured or sold as elemental sulfur. The amount of sulfur added is preferably 50 parts by mass or more, more preferably 100 parts by mass or more, even more preferably 150 parts by mass or more, even more preferably 200 parts by mass or more, and even more preferably 250 parts by mass or more, per 100 parts by mass of polymer. An amount of sulfur of 100 parts by mass or more tends to improve output characteristics, charge/discharge capacity, and cycle characteristics. On the other hand, there is no particular upper limit to the amount of sulfur added, but it is usually preferably 1000 parts by mass or less, more preferably 800 parts by mass or less, even more preferably 700 parts by mass or less, and even more preferably 600 parts by mass or less. An amount of sulfur of 1000 parts by mass or less tends to be cost-effective. One or more types of sulfur can be used.
<アナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)>
本開示のアナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)は、TiO2で表される酸化チタンのうち、結晶構造がアナターゼ型正方晶であるものである。かかる本開示の酸化チタンは、商業的に入手可能であり、例えば、東京化成工業(株)製のものなどが挙げられる。
<Tetragonal Anatase Titanium Oxide (IV)>
The anatase-type tetragonal titanium(IV) oxide of the present disclosure is a titanium oxide represented by TiO2 , which has an anatase-type tetragonal crystal structure. Such titanium oxide of the present disclosure is commercially available, and examples thereof include those manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.
アナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)の配合量は、本開示の効果の観点から、所定の範囲内であることが好ましい。当該配合量は、ポリマー100質量部に対して、10質量部以上であることが好ましく、より好ましくは20質量部以上、さらに好ましくは30質量部以上、さらに好ましくは40質量部以上、さらに好ましくは50質量部以上である。一方、該配合量は、300質量部以下であることが好ましく、より好ましくは200質量部以下、さらに好ましくは150質量部以下である。 From the perspective of the effects of the present disclosure, the amount of anatase tetragonal titanium(IV) oxide blended is preferably within a specified range. The blended amount is preferably 10 parts by mass or more, more preferably 20 parts by mass or more, even more preferably 30 parts by mass or more, even more preferably 40 parts by mass or more, and even more preferably 50 parts by mass or more, per 100 parts by mass of polymer. On the other hand, the blended amount is preferably 300 parts by mass or less, more preferably 200 parts by mass or less, and even more preferably 150 parts by mass or less.
<その他の材料>
ポリマーを硫黄により変性する場合、焼成原料に予めこの分野で通常使用されるその他の材料を、所望により、添加しておいてもよい。そのような材料としては、例えば、導電性炭素材料が挙げられる。導電性炭素材料を使用することで、変性ポリマーの導電性を向上させることができる。
<Other ingredients>
When modifying a polymer with sulfur, other materials commonly used in this field may be added to the raw materials to be fired in advance, if desired. Examples of such materials include conductive carbon materials. The use of conductive carbon materials can improve the conductivity of the modified polymer.
導電性炭素材料としては、グラファイト構造を有する炭素材料が好ましい。このような炭素材料としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンファイバー(CF)、グラフェン、フラーレンなどの縮合芳香環構造を有するものが使用できる。導電性炭素材料は1種または2種以上を使用することができる。 Conductive carbon materials are preferably carbon materials with a graphite structure. Examples of such carbon materials that can be used include those with a condensed aromatic ring structure, such as carbon black, acetylene black, ketjen black, graphite, carbon nanotubes (CNT), carbon fiber (CF), graphene, and fullerene. One or more types of conductive carbon materials can be used.
中でも安価で分散性に優れることから、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラックが好ましい。また、アセチレンブラックやカーボンブラックやケッチェンブラックに、CNTやグラフェンなどを少量併用してもよい。かかる併用系により、コストを大幅に上昇させることなく、リチウムイオン二次電池のサイクル特性をさらに向上させることが可能となる。なお、CNTやグラフェンの併用量は、導電性炭素材料の総量の8質量%以上、12質量%以下であるのが好ましい。 Among these, acetylene black, carbon black, and ketjen black are preferred because they are inexpensive and have excellent dispersibility. Furthermore, small amounts of CNTs or graphene may be used in combination with acetylene black, carbon black, or ketjen black. Such combinations can further improve the cycle characteristics of lithium-ion secondary batteries without significantly increasing costs. The amount of CNTs or graphene used in combination is preferably 8% by mass or more and 12% by mass or less of the total amount of conductive carbon material.
該導電性炭素材料の配合量は、ポリマー100質量部に対して、5質量部以上が好ましく、より好ましくは10質量部以上である。配合量が5質量部以上であることで、充放電容量やサイクル特性を一層向上させ易い傾向がある。一方、該配合量は、50質量部以下が好ましく、より好ましくは40質量部以下である。50質量部以下であることで、変性ポリマーにおける硫黄を含む構造の割合が相対的に低下せず、充放電容量やサイクル特性を向上させ易い傾向がある。 The amount of the conductive carbon material is preferably 5 parts by mass or more, and more preferably 10 parts by mass or more, per 100 parts by mass of polymer. A blending amount of 5 parts by mass or more tends to further improve charge/discharge capacity and cycle characteristics. On the other hand, the blending amount is preferably 50 parts by mass or less, and more preferably 40 parts by mass or less. A blending amount of 50 parts by mass or less tends to prevent a relative decrease in the proportion of sulfur-containing structures in the modified polymer, and tends to facilitate improvement of charge/discharge capacity and cycle characteristics.
<工程(1)>
工程(1)は、ポリマーと、硫黄と、アナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)とを混合して、焼成原料を得る工程である。ポリマーと硫黄とアナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)との混合は、十分に実施しておくことが望ましい。その他の材料を含む場合には、当該材料も含めて混合する。混合は、常法により実施することができ、例えば、高速ブレンダー等を用いて行うことができる。
<Step (1)>
Step (1) is a step of mixing a polymer, sulfur, and anatase-type tetragonal titanium dioxide (IV) to obtain a calcined raw material. It is desirable to thoroughly mix the polymer, sulfur, and anatase-type tetragonal titanium dioxide (IV). If other materials are included, they are also mixed. Mixing can be carried out by a conventional method, for example, using a high-speed blender.
<工程(2)>
工程(2)は、前記焼成原料を焼成して、ポリマーを硫黄およびアナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)で変性して、変性ポリマーを得る工程である。
<Step (2)>
Step (2) is a step of calcining the calcined raw material to modify the polymer with sulfur and anatase-type tetragonal titanium(IV) oxide to obtain a modified polymer.
(焼成)
焼成は常法により行うことができ、例えば、焼成原料を、非酸化性雰囲気下で、所定の温度に到達するまで所定の昇温速度で加熱し、当該所定の温度で所定の時間維持し、その後、自然に冷却することにより行うことができる。
(Firing)
The calcination can be carried out by a conventional method, for example, by heating the calcination raw material in a non-oxidizing atmosphere at a predetermined temperature increase rate until a predetermined temperature is reached, maintaining the temperature at the predetermined temperature for a predetermined time, and then allowing it to cool naturally.
(非酸化性雰囲気)
非酸化性雰囲気とは、酸素を実質的に含まない雰囲気をいい、構成成分の酸化劣化や過剰な熱分解を抑制するために採用されるものである。具体的には、窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気、硫黄ガス雰囲気等をいう。焼成は、例えば、不活性ガス雰囲気下で、好適に実施することができる。
(Non-oxidizing atmosphere)
The non-oxidizing atmosphere refers to an atmosphere that is substantially free of oxygen and is adopted to suppress oxidative deterioration of the constituent components and excessive thermal decomposition. Specifically, it refers to an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, a sulfur gas atmosphere, etc. Calcination can be suitably carried out, for example, in an inert gas atmosphere.
(昇温速度)
昇温速度は、例えば、50~500℃/hの範囲内であることが好ましい。該昇温速度は、100℃/h以上であることがより好ましい。一方、該昇温速度は、400℃/h以下であることがより好ましく、300℃/h以下であることがさらに好ましく、200℃/h以下であることがさらに好ましい。昇温速度がこのような範囲内にあることで、本開示の効果を達成し易い傾向がある。
(Temperature increase rate)
The temperature rise rate is preferably, for example, within the range of 50 to 500°C/h. The temperature rise rate is more preferably 100°C/h or higher. On the other hand, the temperature rise rate is more preferably 400°C/h or lower, even more preferably 300°C/h or lower, and even more preferably 200°C/h or lower. When the temperature rise rate is within such a range, the effects of the present disclosure tend to be easily achieved.
(焼成温度・時間)
焼成温度とは、焼成原料の昇温完了後の温度であって、焼成原料の焼成のために一定時間維持される温度をいう。該温度は、250~550℃の範囲であることが好ましい。250℃以上であることで、硫化反応が不十分となることを避け、目的物の充放電容量の低下を防止できる傾向がある。一方、550℃以下とすることで、焼成原料の分解を防ぎ、収率の低下や、充放電容量の低下を防止できる傾向がある。該温度は、300℃以上がより好ましく、350℃以上がさらに好ましい。一方、該温度は、500℃以下がより好ましく、450℃以下がより好ましい。
(Baking temperature and time)
The calcination temperature refers to the temperature after the temperature rise of the calcination raw material is completed, and is maintained for a certain period of time to calcinate the calcination raw material. The temperature is preferably in the range of 250 to 550°C. A temperature of 250°C or higher tends to avoid insufficient sulfurization reaction and prevent a decrease in the charge/discharge capacity of the target product. On the other hand, a temperature of 550°C or lower tends to prevent decomposition of the calcination raw material and prevent a decrease in yield and a decrease in charge/discharge capacity. The temperature is more preferably 300°C or higher, and even more preferably 350°C or higher. On the other hand, the temperature is more preferably 500°C or lower, and more preferably 450°C or lower.
焼成温度で維持する時間は、焼成原料の種類、焼成温度等に応じて適宜設定すればよいが、例えば、1~6時間であることが好ましい。1時間以上であることで、焼成を十分に進行させることができる傾向があり、6時間以下であることで、構成成分の過剰な熱分解を防止できる傾向がある。 The time for which the firing temperature is maintained can be set appropriately depending on the type of firing raw material, the firing temperature, etc., but is preferably 1 to 6 hours, for example. A time of 1 hour or more tends to allow firing to proceed sufficiently, while a time of 6 hours or less tends to prevent excessive thermal decomposition of the constituent components.
(装置)
焼成は、マッフル炉を用いて実施できる他、例えば、二軸押出機等の連続式の装置を用いて実施することもできる。連続式の装置を用いる場合、該装置内で、焼成原料を混練して粉砕・混合しながら、焼成も施すなど、変性ポリマーを一連の操作により連続して製造できるというメリットがある。一方、マッフル炉は、熱源(ヒーター)が炉内に露出しないように熱板などで仕切った炉である。マッフル炉を用いることで、被焼成物への汚染を防止できる他、炉内雰囲気の変化を抑え、より精密な焼成に資することができる。
(Device)
The calcination can be carried out using a muffle furnace, or alternatively, using a continuous device such as a twin-screw extruder. The use of a continuous device has the advantage that the modified polymer can be continuously produced through a series of operations, such as kneading, pulverizing, and mixing the calcination raw materials while calcining them. On the other hand, a muffle furnace is a furnace partitioned by a hot plate or the like so that the heat source (heater) is not exposed inside the furnace. The use of a muffle furnace can prevent contamination of the calcined material and also suppress changes in the atmosphere inside the furnace, contributing to more precise calcination.
<残留物除去工程>
焼成後に得られる処理物中には、焼成時に昇華した硫黄が冷えて析出した未反応硫黄等が残留している。これら残留物はサイクル特性を低下させる要因となるため、できるだけ除去することが望ましい。残留物の除去は、例えば、減圧加熱乾燥、温風乾燥、溶媒洗浄などの常法に従い、実施することができる。
<Residue removal process>
The treated product obtained after calcination contains unreacted sulfur, which is the sulfur that sublimed during calcination and then cooled and precipitated. These residues are a factor in reducing cycle characteristics, so it is desirable to remove them as much as possible. The removal of residues can be carried out by conventional methods, such as reduced-pressure heating drying, hot air drying, and solvent washing.
<粉砕、分級>
得られた変性ポリマーは、所定の粒度となるように粉砕し、分級して、電極の製造に適したサイズの粒子とすることができる。粒子の好ましい粒度分布としては、メジアン径で5~40μm程度である。なお、先に説明した二軸押出機を用いた焼成方法では、混練時のせん断によって、変性ポリマーの製造と同時に、製造した変性ポリマーの粉砕も行うことができる。
<Crushing and classification>
The resulting modified polymer can be pulverized to a predetermined particle size and classified to obtain particles of a size suitable for the production of electrodes. The preferred particle size distribution is a median diameter of about 5 to 40 μm. In the firing method using the twin-screw extruder described above, the modified polymer can be pulverized simultaneously with the production of the modified polymer by shearing during kneading.
<硫黄系活物質>
上記の工程で得られた変性ポリマーは、そのまま硫黄系活物質として使用することができる。本開示の硫黄系活物質は、上記変性ポリマーを含むものであればよく、所望により、本開示の効果に影響を与えない範囲で、上記変性ポリマー以外の硫黄系活物質を含むものであってもよい。また、本開示の硫黄系活物質は、上記変性ポリマーのみからなるものであってもよい。
<Sulfur-based active material>
The modified polymer obtained by the above process can be used as a sulfur-based active material as it is. The sulfur-based active material of the present disclosure may contain the modified polymer, and may optionally contain a sulfur-based active material other than the modified polymer, as long as the effect of the present disclosure is not affected. Furthermore, the sulfur-based active material of the present disclosure may consist solely of the modified polymer.
[電極の製造方法]
本開示の電極は、本開示の硫黄系活物質を、リチウムイオン二次電池の電極活物質として、すなわち、正極活物質または負極活物質として使用して、製造することができる。すなわち、本開示の電極は、本開示の硫黄系活物質を用いること以外は一般的なリチウムイオン二次電池用電極を製造する場合と同様にして、製造することができる。
[Electrode manufacturing method]
The electrode of the present disclosure can be produced by using the sulfur-based active material of the present disclosure as an electrode active material for a lithium-ion secondary battery, i.e., as a positive electrode active material or a negative electrode active material. That is, the electrode of the present disclosure can be produced in the same manner as in the production of a general electrode for a lithium-ion secondary battery, except that the sulfur-based active material of the present disclosure is used.
<正極の製造方法>
本開示の硫黄系活物質をリチウムイオン二次電池の正極活物質として用いる場合において、当該正極は、正極活物質として、本開示の硫黄系活物質を用いること以外は、一般的なリチウムイオン二次電池用正極と同様にして、製造することができる。例えば、該正極は、粒子状にした硫黄系活物質を、導電助剤、バインダ、および溶媒と混合してペースト状の正極材料を調製し、当該正極材料を集電体に塗布した後、乾燥させることによって製造することができる。また、その他の方法として、該正極は、例えば、本開示の硫黄系活物質を、導電助剤、バインダ、および少量の溶媒とともに、乳鉢などを用いて混練し、かつフィルム状にしたのち、プレス機等を用いて集電体に圧着して、製造することもできる。
<Method of manufacturing positive electrode>
When the sulfur-based active material of the present disclosure is used as a positive electrode active material for a lithium-ion secondary battery, the positive electrode can be manufactured in the same manner as a typical positive electrode for a lithium-ion secondary battery, except that the sulfur-based active material of the present disclosure is used as the positive electrode active material. For example, the positive electrode can be manufactured by mixing particulate sulfur-based active material with a conductive additive, a binder, and a solvent to prepare a paste-like positive electrode material, applying the positive electrode material to a current collector, and drying it. Alternatively, the positive electrode can be manufactured by kneading the sulfur-based active material of the present disclosure together with a conductive additive, a binder, and a small amount of solvent in a mortar or the like, forming it into a film, and then pressing it onto a current collector using a press or the like.
(導電助剤)
導電助剤としては、例えば、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、あるいは、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。これらの導電助剤は、1種または2種以上を使用することができる。
(Conductive additive)
Examples of the conductive additive include vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon powder, carbon black (CB), acetylene black (AB), ketjen black (KB), graphite, or fine powder of a metal that is stable at a positive electrode potential, such as aluminum or titanium. These conductive additives can be used alone or in combination.
(バインダ)
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)、アクリル樹脂、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。これらのバインダは、1種または2種以上を使用することができる。
(binder)
Examples of binders include polyvinylidene difluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), carboxymethyl cellulose (CMC), polyvinyl chloride (PVC), acrylic resin, methacrylic resin (PMA), polyacrylonitrile (PAN), modified polyphenylene oxide (PPO), polyethylene oxide (PEO), polyethylene (PE), polypropylene (PP), etc. These binders can be used alone or in combination of two or more.
(溶媒)
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、ヘキサン、水等が例示される。これら溶媒は、1種または2種以上を使用することができる。
(solvent)
Examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone, N,N-dimethylformaldehyde, alcohol, hexane, water, etc. These solvents can be used alone or in combination of two or more.
(配合量)
これら正極を構成する材料の配合量は、特に問わないが、例えば、硫黄系活物質100質量部に対して、導電助剤2~100質量部、バインダ2~50質量部、および適量の溶媒を配合するのが好ましい。
(Amount)
The amounts of the materials constituting the positive electrode are not particularly limited, but for example, it is preferable to mix 2 to 100 parts by mass of a conductive additive, 2 to 50 parts by mass of a binder, and an appropriate amount of a solvent with 100 parts by mass of a sulfur-based active material.
(集電体)
集電体としては、リチウムイオン二次電池用正極に一般に用いられるものを使用すればよい。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、カーボン不織布、カーボン織布等からなるものが例示される。このうち、黒鉛化度の高いカーボンで構成されたカーボン不織布やカーボン織布からなる集電体は、水素を含まず、硫黄との反応性が低いために、本開示の硫黄系活物質を正極活物質とする場合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)やポリアクリロニトリル繊維(PAN)等を用いることができる。集電体は1種を用いる他、2種以上を併用してもよい。
(Current collector)
As the current collector, a material commonly used for lithium-ion secondary battery positive electrodes may be used. Examples of 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, punched copper sheet, copper expanded sheet, titanium foil, titanium mesh, carbon nonwoven fabric, and carbon woven fabric. Among these, current collectors made of highly graphitized carbon nonwoven fabric and carbon woven fabric are suitable as current collectors when the sulfur-based active material of the present disclosure is used as a positive electrode active material because they do not contain hydrogen and have low reactivity with sulfur. As raw materials for highly graphitized carbon fibers, various pitches (i.e., by-products of petroleum, coal, coal tar, etc.) and polyacrylonitrile fiber (PAN), which are used as carbon fiber materials, can be used. One type of current collector can be used, or two or more types can be used in combination.
<負極の製造方法>
本開示の硫黄系活物質をリチウムイオン二次電池の負極活物質として用いる場合において、当該負極は、負極活物質として、本開示の硫黄系活物質を用いること以外は、一般的なリチウムイオン二次電池用負極と同様にして、製造することができる。例えば、該負極は、粒子状にした硫黄系活物質を、導電助剤、バインダ、および溶媒と混合してペースト状の負極材料を調製し、当該負極材料を集電体に塗布した後、乾燥させることによって製造することができる。また、その他の方法として、該負極は、例えば、本開示の硫黄系活物質を、導電助剤、バインダ、および少量の溶媒とともに、乳鉢などを用いて混練し、かつフィルム状にしたのち、プレス機等を用いて集電体に圧着して、製造することもできる。
<Method of manufacturing negative electrode>
When the sulfur-based active material of the present disclosure is used as the negative electrode active material of a lithium-ion secondary battery, the negative electrode can be manufactured in the same manner as a general negative electrode for a lithium-ion secondary battery, except that the sulfur-based active material of the present disclosure is used as the negative electrode active material. For example, the negative electrode can be manufactured by mixing particulate sulfur-based active material with a conductive additive, a binder, and a solvent to prepare a paste-like negative electrode material, applying the paste to a current collector, and drying the paste. Alternatively, the negative electrode can be manufactured by kneading the sulfur-based active material of the present disclosure together with the conductive additive, the binder, and a small amount of solvent in a mortar or the like, forming a film, and then pressing the film onto a current collector using a press or the like.
導電助剤、バインダ、および溶媒は、上記正極の製造方法で述べたのと同じものを使用することができ、これらの配合量も上述のとおりである。また、集電体も上記正極の製造方法で述べたのと同じものを使用することができる。 The conductive additive, binder, and solvent can be the same as those described in the positive electrode manufacturing method above, and the amounts of these ingredients are also as described above. The current collector can also be the same as those described in the positive electrode manufacturing method above.
[リチウムイオン二次電池の製造方法]
本開示のリチウムイオン二次電池は、さらに、リチウムイオン二次電池用電極として、該リチウムイオン二次電池用電極を用いること以外は、一般的なリチウムイオン二次電池を製造する場合と同様にして、製造することができる。
[Method of manufacturing lithium ion secondary battery]
The lithium ion secondary battery of the present disclosure can be manufactured in the same manner as in the manufacture of a general lithium ion secondary battery, except that the lithium ion secondary battery electrode is used as the lithium ion secondary battery electrode.
<硫黄系活物質を正極活物質として用いる場合>
本開示のリチウムイオン二次電池は、本開示の硫黄系活物質(正極活物質)を含む正極に、負極および電解質、さらには、所望により、セパレータ等の部材を使用して、常法に従い、製造することができる。
<When a sulfur-based active material is used as a positive electrode active material>
The lithium ion secondary battery of the present disclosure can be manufactured according to a conventional method using a positive electrode containing the sulfur-based active material (positive electrode active material) of the present disclosure, a negative electrode, an electrolyte, and, if desired, components such as a separator.
(負極)
負極材料としては、公知の金属リチウム、黒鉛などの炭素系材料、シリコン薄膜などのシリコン系材料、銅-錫やコバルト-錫などの合金系材料を使用できる。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内で、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、デンドライト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。但し、これらのリチウムを含まない負極材料を本開示の正極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よい。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。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、その中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。
(Negative electrode)
Examples of anode materials that can be used include known metallic lithium, carbon-based materials such as graphite, silicon-based materials such as silicon thin films, and alloy-based materials such as copper-tin and cobalt-tin. Lithium-free materials, such as carbon-based, silicon-based, and alloy-based materials among the above-mentioned anode materials, are advantageous in that they are less likely to cause short circuits between the positive and negative electrodes due to dendrite formation. However, when these lithium-free anode materials are used in combination with the positive electrode of the present disclosure, neither the positive nor negative electrodes contain lithium. Therefore, a lithium pre-doping process is required to pre-insert lithium into either the negative electrode or the positive electrode, or both. Known methods for pre-doping lithium can be used. For example, when doping lithium into the anode, lithium can be inserted into a half-cell assembled using metallic lithium as the counter electrode by electrochemical doping, or by a pre-doping method in which lithium is inserted by attaching a metallic lithium foil to the electrode and then leaving it in an electrolyte solution, thereby utilizing the diffusion of lithium into the electrode. The above-mentioned electrolytic doping method can also be used when pre-doping the positive electrode with lithium. As a lithium-free negative electrode material, a silicon-based material, which is a high-capacity negative electrode material, is particularly preferred, and among them, thin-film silicon, which has a thin electrode thickness and is advantageous in terms of capacity per volume, is more preferred.
(電解質)
リチウムイオン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、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、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiI、LiClO4等を用いることができる。電解質の濃度は、0.5mol/L~1.7mol/L程度であればよい。なお、電解質は液状に限定されない。例えば、リチウムイオン二次電池がリチウムポリマー二次電池である場合、電解質は固体状(例えば、高分子ゲル状)をなす。
(electrolyte)
The electrolyte used in lithium ion secondary batteries can be an organic solvent containing an electrolyte alkali metal salt dissolved therein. The organic solvent is preferably at least one selected from non-aqueous solvents such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dimethyl ether, γ-butyrolactone, and acetonitrile. Examples of the electrolyte that can be used include LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiI, and LiClO 4 . The electrolyte concentration may be approximately 0.5 mol/L to 1.7 mol/L. The electrolyte is not limited to a liquid form. For example, when the lithium ion secondary battery is a lithium polymer secondary battery, the electrolyte is solid (e.g., polymer gel).
(セパレータ)
リチウムイオン二次電池は、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よい。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。リチウムイオン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、ポリアクリロニトリル、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。
(separator)
In addition to the negative electrode, positive electrode, and electrolyte described above, a lithium-ion secondary battery may also include components such as a separator. The separator is interposed between the positive electrode and negative electrode, allowing ions to move between the positive electrode and negative electrode and preventing internal short-circuiting between the positive electrode and negative electrode. If the lithium-ion secondary battery is a sealed type, the separator is also required to have the function of retaining the electrolyte. As the separator, a thin, microporous or nonwoven membrane made of a material such as polyethylene, polypropylene, polyacrylonitrile, aramid, polyimide, cellulose, or glass is preferably used.
(形状)
リチウムイオン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、ボタン型等の種々の形状にできる。
(shape)
The shape of the lithium ion secondary battery is not particularly limited, and it can be in various shapes such as a cylindrical type, a laminated type, a coin type, a button type, and the like.
<硫黄系活物質を負極活物質として用いる場合>
本開示のリチウムイオン二次電池は、本開示の硫黄系活物質(負極活物質)を含む負極に、正極および電解質、さらには、所望により、セパレータ等の部材を使用して、常法に従い、製造することができる。
<When a sulfur-based active material is used as a negative electrode active material>
The lithium ion secondary battery of the present disclosure can be manufactured according to a conventional method by using a negative electrode containing the sulfur-based active material (negative electrode active material) of the present disclosure, a positive electrode, an electrolyte, and, if desired, components such as a separator.
(正極)
正極材料としては、例えば、リチウムを含む遷移金属酸化物もしくは固溶体酸化物、または電気化学的にリチウムイオンを吸蔵および放出することができる物質であれば特に制限されない。リチウムを含む遷移金属酸化物としては、例えば、LiCoO2等のLi・Co系複合酸化物、LiNixCoyMnzO2等のLi・Ni・Co・Mn系複合酸化物、LiNiO2等のLi・Ni系複合酸化物、またはLiMn2O4等のLi・Mn系複合酸化物等を例示することができる。固溶体酸化物としては、例えば、LiaMnxCoyNizO2(1.150≦a≦1.430、0.450≦x≦0.600、0.100≦y≦0.150、0.200≦z≦0.280)、LiMnxCoyNizO2(0.300≦x≦0.850、0.100≦y≦0.300、0.100≦z≦0.300)、LiMn1.5Ni0.5O4等を例示することができる。これらの化合物を単独または複数種、混合して用いてもよい。
(positive electrode)
The positive electrode material is not particularly limited as long as it is, for example, a lithium-containing transition metal oxide or solid solution oxide, or a substance capable of electrochemically absorbing and releasing lithium ions. Examples of lithium-containing transition metal oxides include Li-Co-based composite oxides such as LiCoO2 , Li - Ni-Co - Mn -based composite oxides such as LiNiO2 , Li-Ni-based composite oxides such as LiNiO2, and Li-Mn- based composite oxides such as LiMn2O4 . Examples of solid solution oxides include LiaMnxCoyNizO2 ( 1.150 ≦a≦1.430 , 0.450 ≦x≦0.600, 0.100 ≦y≦0.150, 0.200≦z≦0.280) , LiMnxCoyNizO2 (0.300≦x≦0.850, 0.100≦y≦0.300, 0.100≦z≦ 0.300 ), and LiMn1.5Ni0.5O4 . These compounds may be used alone or in combination.
電解質、セパレータおよびリチウムイオン二次電池の形状については、本開示の硫黄系活物質を正極活物質として使用する上記の場合と同様のものを同様に使用することができる。 The electrolyte, separator, and shape of the lithium-ion secondary battery can be the same as those described above when the sulfur-based active material of the present disclosure is used as the positive electrode active material.
[変性ポリマー]
本開示の変性ポリマーは、硫黄とアナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)とで変性された変性ポリマーであって、硫化チタン、および、硫黄35.0質量%以上を含むものである。
[Modified polymer]
The modified polymer of the present disclosure is a modified polymer modified with sulfur and anatase-type tetragonal titanium(IV) oxide, and contains titanium sulfide and 35.0 mass% or more of sulfur.
本開示の変性ポリマーは、硫化チタンを含む。硫化チタンは、ポリマーを硫黄とアナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)とで変性する過程で生成する。 The modified polymer of the present disclosure contains titanium sulfide, which is produced during the process of modifying the polymer with sulfur and anatase tetragonal titanium(IV) oxide.
本開示の変性ポリマーは、所定の量の灰分量(金属成分量)を示す。アナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)を用いて生成した灰分量が多い程出力特性が向上する傾向にある。そのため、灰分量は多い程好ましいと推測される。一般に、灰分量の好ましい範囲としては、変性ポリマー中、10.0質量%以上であり、より好ましくは15.0質量%以上、さらに好ましくは20.0質量%以上、さらに好ましくは21.0質量%以上、さらに好ましくは22.0質量%以上、さらに好ましくは22.5質量%以上、さらに好ましくは23.0質量%以上である。灰分量の上限について、特に上限はないが、通常、例えば、50.0質量%以下程度、または45.0質量%以下程度、または42.0質量%以下程度でもよい。本開示において、灰分量は、後記実施例の欄に記載した方法により求められる。 The modified polymer of the present disclosure exhibits a predetermined amount of ash content (amount of metal components). The higher the ash content produced using anatase-type tetragonal titanium(IV) oxide, the more likely the output characteristics will improve. Therefore, it is presumed that a higher ash content is preferable. Generally, the preferred range of ash content in the modified polymer is 10.0% by mass or more, more preferably 15.0% by mass or more, even more preferably 20.0% by mass or more, even more preferably 21.0% by mass or more, even more preferably 22.0% by mass or more, even more preferably 22.5% by mass or more, and even more preferably 23.0% by mass or more. There is no particular upper limit for the ash content, but it may typically be, for example, approximately 50.0% by mass or less, approximately 45.0% by mass or less, or approximately 42.0% by mass or less. In the present disclosure, the ash content is determined by the method described in the Examples section below.
本開示の変性ポリマーは、所定の硫黄量を示す。硫黄量は、好ましくは35.0質量%以上であり、より好ましくは35.5質量%以上、さらに好ましくは36.0質量%以上、さらに好ましくは36.5質量%以上、さらに好ましくは36.8質量%以上である。硫黄量が上記範囲内であることで、本開示の効果が達成され易い傾向にある。一方、硫黄量の上限は特に限定されないが、例えば50.0質量%以下、または49.5質量%以下、または49.0質量%以下、または48.5質量%以下、または48.0質量%以下、または47.9質量%以下であってもよい。本開示において、硫黄量は、後記実施例の欄に記載した方法により求められる。 The modified polymer of the present disclosure exhibits a predetermined sulfur content. The sulfur content is preferably 35.0% by mass or more, more preferably 35.5% by mass or more, even more preferably 36.0% by mass or more, even more preferably 36.5% by mass or more, and even more preferably 36.8% by mass or more. Having a sulfur content within the above range tends to make it easier to achieve the effects of the present disclosure. Meanwhile, the upper limit of the sulfur content is not particularly limited, but may be, for example, 50.0% by mass or less, 49.5% by mass or less, 49.0% by mass or less, 48.5% by mass or less, 48.0% by mass or less, or 47.9% by mass or less. In the present disclosure, the sulfur content is determined by the method described in the Examples section below.
本開示の変性ポリマーは、上記硫黄系活物質の製造方法で説明した方法で製造されるものである。したがって、上記硫黄系活物質の製造方法の欄の説明は、変性ポリマーの説明としても、矛盾のない限り援用できるものである。 The modified polymer of the present disclosure is produced by the method described above in the section on the method for producing a sulfur-based active material. Therefore, the explanation in the section on the method for producing a sulfur-based active material above can also be used to explain the modified polymer, provided there is no contradiction.
[硫黄系活物質]
本開示の硫黄系活物質は、上記変性ポリマーを含むものである。したがって、本開示の硫黄系活物質は、所望により、上記変性ポリマー以外の硫黄系活物質を含むものであってもよく、あるいは、上記変性ポリマーのみからなるものであってもよい。
[Sulfur-based active material]
The sulfur-based active material of the present disclosure contains the modified polymer. Therefore, the sulfur-based active material of the present disclosure may contain a sulfur-based active material other than the modified polymer, or may consist solely of the modified polymer, as desired.
本開示の硫黄系活物質は、上記硫黄系活物質の製造方法で説明した方法で製造されるものである。したがって、上記硫黄系活物質の製造方法の欄の説明は、硫黄系活物質の説明としても、矛盾のない限り援用できるものである。 The sulfur-based active material of the present disclosure is manufactured by the method described above in the section on manufacturing methods for sulfur-based active materials. Therefore, the explanation in the section on manufacturing methods for sulfur-based active materials above can also be used to describe sulfur-based active materials, as long as there are no contradictions.
[電極]
本開示の電極は、本開示の硫黄系活物質を含んでなるものである。
[electrode]
The electrode of the present disclosure comprises the sulfur-based active material of the present disclosure.
本開示の電極は、上記電極の製造方法で説明した方法で製造されるものである。したがって、上記電極の製造方法の欄の説明は、電極の説明としても、矛盾のない限り援用できるものである。 The electrodes disclosed herein are manufactured using the method described in the electrode manufacturing method section above. Therefore, the explanation in the electrode manufacturing method section above can also be used to describe the electrodes, provided there are no contradictions.
[リチウムイオン二次電池]
本開示のリチウムイオン二次電池は、本開示の電極を含んでなるものである。
[Lithium-ion secondary battery]
The lithium ion secondary battery of the present disclosure comprises the electrode of the present disclosure.
本開示のリチウムイオン二次電池は、上記リチウムイオン二次電池の製造方法で説明した方法で製造されるものである。したがって、上記リチウムイオン二次電池の製造方法の欄の説明は、リチウムイオン二次電池の説明としても、矛盾のない限り援用できるものである。 The lithium-ion secondary battery disclosed herein is manufactured by the method described above in the section on manufacturing methods for lithium-ion secondary batteries. Therefore, the explanation in the section on manufacturing methods for lithium-ion secondary batteries above can also be used to describe lithium-ion secondary batteries, provided there are no contradictions.
本開示を実施例に基づいて説明するが、本開示は、実施例にのみ限定されるものではない。 This disclosure will be described based on examples, but is not limited to these examples.
以下に、実施例および比較例において使用した各種薬品をまとめて示す。各種薬品は必要に応じて常法に従い精製した。 The various chemicals used in the examples and comparative examples are listed below. Where necessary, the various chemicals were purified according to standard methods.
[試験に使用した材料]
ポリマー1:ブチルメタクリレートとエチレングリコールジメタクリレートコポリマーから成る球状アクリル樹脂(積水化成品工業(株)製のテクポリマーBM30X-5、粒子径:5μm)
ポリマー2:メチルメタクリレートのホモポリマーから成る球状アクリル樹脂(積水化成品工業(株)製のテクポリマーMB-8、粒子径:8μm)
硫黄:鶴見化学工業(株)製の沈降硫黄
酸化チタン(アナターゼ):東京化成工業(株)製のアナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)
酸化チタン(ルチル):東京化成工業(株)製のルチル型正方晶の酸化チタン(IV)
[Materials used in the test]
Polymer 1: Spherical acrylic resin consisting of butyl methacrylate and ethylene glycol dimethacrylate copolymer (Techpolymer BM30X-5 manufactured by Sekisui Plastics Co., Ltd., particle size: 5 μm)
Polymer 2: Spherical acrylic resin consisting of a homopolymer of methyl methacrylate (Techpolymer MB-8 manufactured by Sekisui Plastics Co., Ltd., particle size: 8 μm)
Sulfur: precipitated sulfur manufactured by Tsurumi Chemical Industry Co., Ltd. Titanium oxide (anatase): tetragonal anatase titanium(IV) oxide manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.
Titanium oxide (rutile): rutile-type tetragonal titanium(IV) oxide manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.
[実施例1]
<原料の製造>
表1の配合に従い、材料をブレンダーで混合し、焼成のための原料(焼成原料)を得た。
[Example 1]
<Production of raw materials>
According to the formulation in Table 1, the materials were mixed in a blender to obtain a raw material for firing (a raw material for firing).
(反応装置)
焼成原料の焼成には、マッフル炉を用いた。マッフル炉は、試料の汚染を防止すべく、熱源(ヒーター)が炉内に露出しないように熱板などで仕切った炉である。使用したマッフル炉は、炉の下部にヒーターを有しており、該ヒーターは熱板で仕切られている。炉前面には、蓋が設置されており、炉内を不活性ガス雰囲気で保持できる構造となっている。該蓋には熱電対が取り付けられており、焼成中の炉内の温度を測定することができる。炉内には、焼成原料を焼成するための、SUS製の直方体のトレイが、上段および下段に、二段設置されている。
(Reaction Apparatus)
A muffle furnace was used to sinter the raw materials. A muffle furnace is a furnace that is partitioned with a hot plate or the like so that the heat source (heater) is not exposed inside the furnace to prevent contamination of the samples. The muffle furnace used has a heater at the bottom of the furnace, which is partitioned with a hot plate. A lid is installed on the front of the furnace, and the furnace is designed to maintain an inert gas atmosphere inside. A thermocouple is attached to the lid, which allows the temperature inside the furnace to be measured during sintering. Two tiers of SUS rectangular trays, an upper tier and a lower tier, are installed inside the furnace to sinter the raw materials.
炉内には、ガス導入管およびガス排出菅を通じて、外部からガス(例えば、アルゴン(Ar)ガス)を継続的に供給し、かつ、排出できるようになっている。ガス排出管は、水酸化ナトリウム水溶液を収容したトラップ槽に接続されており、マッフル炉からガス排出管を通って外部へ出ようとする排気は、一旦、トラップ槽内の水酸化ナトリウム水溶液を通ったのちに外部へ放出される。そのため、排気中に、反応によって発生する硫化水素ガスが含まれていても、水酸化ナトリウム水溶液と中和されて排気からは除去される。 Gas (e.g., argon (Ar) gas) can be continuously supplied to and discharged from the furnace from outside through a gas inlet pipe and a gas outlet pipe. The gas outlet pipe is connected to a trap tank containing an aqueous sodium hydroxide solution, and exhaust gas attempting to escape from the muffle furnace through the gas outlet pipe first passes through the aqueous sodium hydroxide solution in the trap tank before being released to the outside. Therefore, even if the exhaust gas contains hydrogen sulfide gas generated by the reaction, it is neutralized by the aqueous sodium hydroxide solution and removed from the exhaust gas.
(焼成工程)
まず、焼成原料をSUS容器に収容した状態で、マッフル炉内の雰囲気を、真空ポンプを用いて、Arガスで3回置換した。その後、ガス導入菅から、100mL/分の流量でArガスを継続的に供給しながら、供給開始30分後に、マッフル炉の加熱を開始した。5℃/分の昇温速度で昇温し、焼成原料の温度が400℃に達した時点で、400℃を維持しながら2時間熱処理をした。次いで、Arガスの流量を調製しながら、Arガス雰囲気下、焼成物の温度を25℃まで自然冷却させたのち、該焼成物をマッフル炉内から取り出した。
(Firing process)
First, with the firing raw materials contained in a SUS container, the atmosphere in the muffle furnace was replaced with Ar gas three times using a vacuum pump. Then, Ar gas was continuously supplied from the gas inlet tube at a flow rate of 100 mL/min, and 30 minutes after the start of supply, heating of the muffle furnace began. The temperature was increased at a rate of 5 ° C/min, and when the temperature of the firing raw materials reached 400 ° C, heat treatment was performed for 2 hours while maintaining the temperature at 400 ° C. Next, while adjusting the flow rate of Ar gas, the temperature of the fired product was naturally cooled to 25 ° C under an Ar gas atmosphere, and the fired product was then removed from the muffle furnace.
(未反応硫黄の除去)
焼成物に残存する未反応硫黄(遊離した状態の単体硫黄)を除去するために、以下の工程をおこなった。すなわち、該焼成物を乳鉢で粉砕し、粉砕物2gをガラスチューブオーブンに収容して、真空吸引しながら250℃で3時間加熱して、未反応硫黄が除去された(または、微量の未反応硫黄しか含まない)焼成物を得た。昇温速度は10℃/分とした。
(Removal of unreacted sulfur)
To remove unreacted sulfur (free elemental sulfur) remaining in the calcined product, the following process was carried out. The calcined product was pulverized in a mortar, and 2 g of the pulverized product was placed in a glass tube oven and heated at 250°C for 3 hours while evacuating to obtain a calcined product from which unreacted sulfur had been removed (or which contained only a trace amount of unreacted sulfur). The heating rate was 10°C/min.
(分級作業)
焼成物の粗大粒子を除去するために、32μmメッシュのステンレスふるいを用いて分級して、変性ポリマー1を得た。
(Classification work)
In order to remove coarse particles from the fired product, the fired product was classified using a 32 μm mesh stainless steel sieve to obtain Modified Polymer 1.
<リチウムイオン二次電池の製造>
以下のとおり、リチウムイオン二次電池を製造した。
<Manufacturing of lithium-ion secondary batteries>
A lithium ion secondary battery was manufactured as follows.
(正極)
硫黄系活物質として変性ポリマー1、導電助剤としてアセチレンブラック、バインダとしてアクリル樹脂を用いた。これらを、割合が、活物質:導電助剤:バインダ=90:5:5(質量%)になるよう秤量し、容器に入れ、分散剤にmilliQ水を使用して自転公転ミキサー((株)シンキー製のARE-250)を用いて攪拌、混合を行い、均一なスラリーを製造した。製造したスラリーを20μmのアルミ箔上に、スリット幅60μmのアプリケーターを使用して塗工し、ロールプレスを用いて圧縮した電極を120℃で3時間、乾燥機で加熱し、乾燥後、φ11に打ち抜くことで電極(正極)を得た。その後、電極の重量を測定し、上述の比率から電極中の活物質量を算出した。
(positive electrode)
Modified polymer 1 was used as the sulfur-based active material, acetylene black as the conductive additive, and acrylic resin as the binder. These were weighed so that the ratio of active material: conductive additive: binder = 90:5:5 (mass%), placed in a container, and stirred and mixed using a centrifugal mixer (ARE-250 manufactured by Thinky Corporation) using milliQ water as a dispersant to produce a uniform slurry. The produced slurry was applied to a 20 μm aluminum foil using an applicator with a slit width of 60 μm, and the compressed electrode was heated in a dryer at 120 ° C. for 3 hours, dried, and punched out to φ11 to obtain an electrode (positive electrode). Then, the weight of the electrode was measured, and the amount of active material in the electrode was calculated from the above ratio.
(負極)
負極としては、金属リチウム箔(直径14mm、厚さ500μmの円盤状、本城金属(株)製)を用いた。
(Negative electrode)
As the negative electrode, a metallic lithium foil (disk-shaped, 14 mm in diameter and 500 μm in thickness, manufactured by Honjo Metals Co., Ltd.) was used.
(電解液)
電解液としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒に、LiPF6を溶解した非水電解質を用いた。エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとは体積比1:1で混合した。電解液中のLiPF6の濃度は、1.0mol/Lであった。
(electrolyte)
The electrolyte used was a non-aqueous electrolyte prepared by dissolving LiPF6 in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate. The ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 1:1. The concentration of LiPF6 in the electrolyte was 1.0 mol/L.
(リチウムイオン二次電池)
上記正極および負極を用いて、コイン電池を製作した。詳しくは、ドライルーム内で、セパレータ(Celgard社製のCelgard2400、厚さ25μmのポリプロピレン微孔質膜)と、ガラス不織布フィルタ(厚さ440μm、ADVANTEC社製のGA100)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)製)に収容した。電池ケースには上記電解液を注入した。電池ケースをカシメ機で密閉して、実施例1のリチウムイオン二次電池を得た。
(lithium ion secondary battery)
A coin battery was fabricated using the above positive and negative electrodes. Specifically, in a dry room, a separator (Celgard 2400, a 25 μm thick polypropylene microporous membrane manufactured by Celgard) and a glass nonwoven fabric filter (440 μm thick, GA100 manufactured by Advantec) were sandwiched between the positive and negative electrodes to form an electrode battery. This electrode battery was housed in a battery case (CR2032 type coin battery material, manufactured by Hosen Co., Ltd.) made of a stainless steel container. The above electrolyte solution was poured into the battery case. The battery case was sealed using a crimping machine to obtain the lithium ion secondary battery of Example 1.
[実施例2~6並びに比較例1~3]
表1の配合・条件に従って適宜変更を加えた以外は、実施例1と同様に処理して、それぞれの焼成原料、変性ポリマー、および、リチウムイオン二次電池を製造した。
[Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3]
Except for making appropriate changes according to the formulations and conditions in Table 1, the same procedures as in Example 1 were carried out to produce the respective firing raw materials, modified polymers, and lithium ion secondary batteries.
[評価]
<硫黄量分析>
変性ポリマー中の硫黄量は、ダイオネクス(Dionex)社製のイオンクロマトグラフ装置DX-320に、同社製のカラム(IonPac AS12A)を用いて測定した質量から、変性ポリマーの総量中に占める質量比(%)を算出して、求めた。
[evaluation]
<Sulfur content analysis>
The amount of sulfur in the modified polymer was determined by calculating the mass ratio (%) of the sulfur content to the total amount of the modified polymer from the mass measured using an ion chromatograph DX-320 manufactured by Dionex Corporation and a column (IonPac AS12A) manufactured by the same company.
<灰分量(金属成分量)>
実施例、比較例で製造した変性ポリマーを熱重量測定(thermogravimetry)に付し、灰分量(%)を求めた。
<Ash content (metal content)>
The modified polymers produced in the examples and comparative examples were subjected to thermogravimetry to determine the ash content (%).
熱重量測定に用いた装置はティー・エイ・インスツルメント(TA Instruments)社製のTGA Q500である。測定条件は、Ar雰囲気で750℃まで70℃/分の昇温速度で加熱後、大気を導入して、さらに5分間同温度で維持して、変性ポリマーを分解するというものであった。残量を灰分量(金属成分量)とし、灰分量(%)を算出した。 The thermogravimetric measurement was performed using a TGA Q500 manufactured by TA Instruments. The measurement conditions were as follows: heating to 750°C in an Ar atmosphere at a temperature increase rate of 70°C/min, then introducing air and maintaining the same temperature for an additional 5 minutes to decompose the modified polymer. The remaining amount was taken as the ash content (amount of metal components), and the ash content (%) was calculated.
<充放電容量測定試験>
各実施例、比較例で製造したコイン型のリチウムイオン二次電池について、試験温度30℃、放電終止電圧1.0V、充電終止電圧3.0Vの条件下で、正極活物質1gあたり50mA(0.1C)に相当する電流値で充放電させ、10回目までの放電容量(mAh)を観察した。
<Charge/discharge capacity measurement test>
The coin-type lithium ion secondary batteries produced in each of the Examples and Comparative Examples were charged and discharged at a current value equivalent to 50 mA (0.1 C) per 1 g of positive electrode active material under the conditions of a test temperature of 30°C, a discharge cut-off voltage of 1.0 V, and a charge cut-off voltage of 3.0 V, and the discharge capacity (mAh) up to the 10th charge was observed.
また0.5Cでは250mAに相当する電流値で、1.0Cでは500mAに相当する電流値で、2.0Cでは1000mAに相当する電流値で、それぞれ、同様に充放電させ、10回目までの放電容量(mAh)を観察した。 The battery was also charged and discharged in the same manner at a current value equivalent to 250 mA at 0.5 C, a current value equivalent to 500 mA at 1.0 C, and a current value equivalent to 1000 mA at 2.0 C, and the discharge capacity (mAh) up to the 10th cycle was observed.
表1より、本開示の実施例では、0.5C、1.0C、2.0Cと高い電流値で充放電させた際にも、電池容量の減少幅が少なく、出力特性に優れている。 As can be seen from Table 1, the examples of the present disclosure show little decrease in battery capacity and excellent output characteristics even when charged and discharged at high current values of 0.5C, 1.0C, and 2.0C.
<実施形態>
本開示の実施形態の例を以下に示す。
<Embodiment>
Examples of embodiments of the present disclosure are provided below.
[1]変性ポリマーを含んでなる硫黄系活物質の製造方法であって、
ポリマーと、硫黄と、アナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)とを混合して、焼成原料を得る工程(1)、および、
前記焼成原料を焼成して、ポリマーを硫黄およびアナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)で変性して、変性ポリマーを得る工程(2)
を含む硫黄系活物質の製造方法。
[2]前記ポリマーが、
下記式(1)で示されるアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種を重合したポリマー、
下記式(1)で示されるアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種と下記式(2)で示されるジアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種とを重合したポリマー、および、
メタクリロニトリルを含むモノマーを重合したポリマー
からなる群から選択される少なくとも一のポリマーを含むものである、上記[1]記載の硫黄系活物質の製造方法。
CH2=C(R11)COOR12 (1)
(ここで、R11は水素原子またはメチル基であり、R12はアルキル基である。)
CH2=C(R21)COO-Y-OCO(R22)C=CH2 (2)
(ここで、R21とR22は同一または異なって、水素原子またはメチル基であり、Yはヒドロカルビレン基であり、該ヒドロカルビレン基は水酸基およびアルキル基からなる群から選択される少なくとも一つの置換基を有していてもよく、かつ、ヒドロカルビレン基を構成する炭素骨格は酸素原子によるエーテル結合を有していてもよい。但し、当該エーテル結合が2以上あるとき隣接する酸素原子間には常に2以上の炭素原子が介在する。)
[3]R12が炭素数1~6、好ましくは1~4のアルキル基であり、Yが炭素数2~6、好ましくは2または3のヒドロカルビレン基であり、該ヒドロカルビレン基において、置換基の数が1~4、好ましくは1または2であり、置換基であるアルキル基の炭素数が1~4、好ましくは1であり、ヒドロカルビレン基を構成する炭素骨格が有するエーテル結合の数が1~2である、上記[1]または[2]記載の硫黄系活物質の製造方法。
[4]前記焼成が非酸化性雰囲気下で実施される、上記[1]~[3]のいずれかに記載の硫黄系活物質の製造方法。
[5]前記ポリマーに対する前記硫黄の量が、ポリマー100質量部に対して、硫黄50~1000質量部、好ましくは100~800質量部、より好ましくは150~700質量部、さらに好ましくは200~600質量部、さらに好ましくは250~600質量部である、上記[1]~[4]のいずれかに記載の硫黄系活物質の製造方法。
[6]前記焼成の温度が250~550℃、好ましくは300~500℃、より好ましくは350~450℃である、上記[1]~[5]のいずれかに記載の硫黄系活物質の製造方法。
[7]前記ポリマーの粒子径が、0.1~300.0μm、好ましくは0.1~270.0μm、より好ましくは0.1~200.0μm、さらに好ましくは0.1~100.0μm、さらに好ましくは0.1~50.0μm、さらに好ましくは0.1~20.0μm、さらに好ましくは0.1~15.0μm、さらに好ましくは0.1~13.0μm、さらに好ましくは0.1~10.0μm、さらに好ましくは0.1~6.0μm、さらに好ましくは1.0~6.0μmである、上記[1]~[6]のいずれかに記載の硫黄系活物質の製造方法。
[8]電極の製造方法であって、
上記[1]~[7]のいずれかに記載の製造方法により硫黄系活物質を製造する工程、および、
前記硫黄系活物質を用いて電極を製造する工程(3)
を含む電極の製造方法。
[9]リチウムイオン二次電池の製造方法であって、
上記[8]記載の製造方法により電極を製造する工程、および、
前記電極を用いてリチウムイオン二次電池を製造する工程(4)
を含むリチウムイオン二次電池の製造方法。
[10]硫黄とアナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)とで変性された変性ポリマーであって、
前記変性ポリマーは、硫化チタンを含み、硫黄量が35.0質量%以上、好ましくは35.5質量%以上、より好ましくは36.0質量%以上、さらに好ましくは36.5質量%以上、さらに好ましくは36.8質量%以上である変性ポリマー。
[11]前記変性ポリマーが、
下記式(1)で示されるアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種を重合したポリマー、
下記式(1)で示されるアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種と下記式(2)で示されるジアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種とを重合したポリマー、および、
メタクリロニトリルを含むモノマーを重合したポリマー
からなる群から選択される少なくとも一のポリマーが、硫黄とアナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)とで変性されたものである、上記[10]記載の変性ポリマー。
CH2=C(R11)COOR12 (1)
(ここで、R11は水素原子またはメチル基であり、R12はアルキル基である。)
CH2=C(R21)COO-Y-OCO(R22)C=CH2 (2)
(ここで、R21とR22は同一または異なって、水素原子またはメチル基であり、Yはヒドロカルビレン基であり、該ヒドロカルビレン基は水酸基およびアルキル基からなる群から選択される少なくとも一つの置換基を有していてもよく、かつ、ヒドロカルビレン基を構成する炭素骨格は酸素原子によるエーテル結合を有していてもよい。但し、当該エーテル結合が2以上あるとき隣接する酸素原子間には常に2以上の炭素原子が介在する。)
[12]R12が炭素数1~6、好ましくは1~4のアルキル基であり、Yが炭素数2~6、好ましくは2または3のヒドロカルビレン基であり、該ヒドロカルビレン基において、置換基の数が1~4、好ましくは1または2であり、置換基であるアルキル基の炭素数が1~4、好ましくは1であり、ヒドロカルビレン基を構成する炭素骨格が有するエーテル結合の数が1~2である、上記[10]または[11]記載の変性ポリマー。
[13]上記[10]~[12]のいずれか1項に記載の変性ポリマーを含む硫黄系活物質。
[14]上記[13]記載の硫黄系活物質を含んでなる電極。
[15]上記[14]記載の電極を含んでなるリチウムイオン二次電池。
[1] A method for producing a sulfur-based active material containing a modified polymer,
(1) mixing a polymer, sulfur, and anatase-type tetragonal titanium (IV) oxide to obtain a calcined raw material; and
(2) a step of calcining the calcined raw material and modifying the polymer with sulfur and anatase-type tetragonal titanium(IV) oxide to obtain a modified polymer;
A method for producing a sulfur-based active material comprising:
[2] The polymer is
A polymer obtained by polymerizing at least one compound selected from the group consisting of acrylate compounds represented by the following formula (1):
A polymer obtained by polymerizing at least one compound selected from the group consisting of acrylate compounds represented by the following formula (1) and at least one compound selected from the group consisting of diacrylate compounds represented by the following formula (2), and
The method for producing a sulfur-based active material according to [1] above, which contains at least one polymer selected from the group consisting of polymers obtained by polymerizing a monomer containing methacrylonitrile.
CH2 =C( R11 ) COOR12 (1)
(wherein R 11 is a hydrogen atom or a methyl group, and R 12 is an alkyl group.)
CH 2 =C(R 21 )COO-Y-OCO(R 22 )C=CH 2 (2)
(wherein R 21 and R 22 are the same or different and each represent a hydrogen atom or a methyl group; Y is a hydrocarbylene group; the hydrocarbylene group may have at least one substituent selected from the group consisting of a hydroxyl group and an alkyl group; and the carbon skeleton constituting the hydrocarbylene group may have an ether bond via an oxygen atom; however, when there are two or more ether bonds, there are always two or more carbon atoms between adjacent oxygen atoms.)
[3] R 12 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, preferably 1 to 4, and Y is a hydrocarbylene group having 2 to 6 carbon atoms, preferably 2 or 3, and in the hydrocarbylene group, the number of substituents is 1 to 4, preferably 1 or 2, the number of carbon atoms in the alkyl group that is the substituent is 1 to 4, preferably 1, and the number of ether bonds in the carbon skeleton that constitutes the hydrocarbylene group is 1 to 2. The method for producing a sulfur-based active material according to [1] or [2] above.
[4] The method for producing a sulfur-based active material according to any one of [1] to [3] above, wherein the firing is carried out in a non-oxidizing atmosphere.
[5] The amount of sulfur relative to the polymer is 50 to 1000 parts by mass, preferably 100 to 800 parts by mass, more preferably 150 to 700 parts by mass, still more preferably 200 to 600 parts by mass, and still more preferably 250 to 600 parts by mass, relative to 100 parts by mass of the polymer. [1] to [4] The method for producing a sulfur-based active material according to any one of the above.
[6] The method for producing a sulfur-based active material according to any one of [1] to [5] above, wherein the firing temperature is 250 to 550 ° C, preferably 300 to 500 ° C, more preferably 350 to 450 ° C.
[7] The particle diameter of the polymer is 0.1 to 300.0 μm, preferably 0.1 to 270.0 μm, more preferably 0.1 to 200.0 μm, even more preferably 0.1 to 100.0 μm, even more preferably 0.1 to 50.0 μm, even more preferably 0.1 to 20.0 μm, even more preferably 0.1 to 15.0 μm, even more preferably 0.1 to 13.0 μm, even more preferably 0.1 to 10.0 μm, even more preferably 0.1 to 6.0 μm, even more preferably 1.0 to 6.0 μm. [1] The method for producing a sulfur-based active material according to any one of [6] to [6] above.
[8] A method for manufacturing an electrode, comprising:
A step of producing a sulfur-based active material by the production method according to any one of [1] to [7] above; and
Step (3) of producing an electrode using the sulfur-based active material
A method for manufacturing an electrode comprising the steps of:
[9] A method for manufacturing a lithium ion secondary battery, comprising:
A step of producing an electrode by the production method described in [8] above; and
(4) producing a lithium ion secondary battery using the electrode;
A method for manufacturing a lithium ion secondary battery comprising:
[10] A modified polymer modified with sulfur and anatase-type tetragonal titanium(IV) oxide,
The modified polymer contains titanium sulfide and has a sulfur content of 35.0% by mass or more, preferably 35.5% by mass or more, more preferably 36.0% by mass or more, even more preferably 36.5% by mass or more, and still more preferably 36.8% by mass or more.
[11] The modified polymer is
A polymer obtained by polymerizing at least one compound selected from the group consisting of acrylate compounds represented by the following formula (1):
A polymer obtained by polymerizing at least one compound selected from the group consisting of acrylate compounds represented by the following formula (1) and at least one compound selected from the group consisting of diacrylate compounds represented by the following formula (2), and
The modified polymer according to [10] above, wherein at least one polymer selected from the group consisting of polymers obtained by polymerizing a monomer containing methacrylonitrile is modified with sulfur and anatase-type tetragonal titanium(IV) oxide.
CH2 =C( R11 ) COOR12 (1)
(wherein R 11 is a hydrogen atom or a methyl group, and R 12 is an alkyl group.)
CH 2 =C(R 21 )COO-Y-OCO(R 22 )C=CH 2 (2)
(wherein R 21 and R 22 are the same or different and each represent a hydrogen atom or a methyl group; Y is a hydrocarbylene group; the hydrocarbylene group may have at least one substituent selected from the group consisting of a hydroxyl group and an alkyl group; and the carbon skeleton constituting the hydrocarbylene group may have an ether bond via an oxygen atom; however, when there are two or more ether bonds, there are always two or more carbon atoms between adjacent oxygen atoms.)
[12] The modified polymer according to the above [10] or [11], wherein R 12 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, preferably 1 to 4, and Y is a hydrocarbylene group having 2 to 6 carbon atoms, preferably 2 or 3, and the hydrocarbylene group has 1 to 4, preferably 1 or 2, substituents, the alkyl group as the substituent has 1 to 4, preferably 1, carbon atom, and the carbon skeleton constituting the hydrocarbylene group has 1 or 2 ether bonds.
[13] A sulfur-based active material comprising the modified polymer according to any one of [10] to [12] above.
[14] An electrode comprising the sulfur-based active material according to [13] above.
[15] A lithium ion secondary battery comprising the electrode according to [14] above.
Claims (15)
ポリマーと、硫黄と、アナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)とを混合して、焼成原料を得る工程(1)、および、
前記焼成原料を焼成して、ポリマーを硫黄およびアナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)で変性して、変性ポリマーを得る工程(2)
を含む硫黄系活物質の製造方法であって、
前記ポリマーが、
下記式(1)で示されるアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種を重合したポリマー、
下記式(1)で示されるアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種と下記式(2)で示されるジアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種とを重合したポリマー、および、
メタクリロニトリルを含むモノマーを重合したポリマー
からなる群から選択される少なくとも一のポリマーを含むものである、硫黄系活物質の製造方法。
CH 2 =C(R 11 )COOR 12 (1)
(ここで、R 11 は水素原子またはメチル基であり、R 12 はアルキル基である。)
CH 2 =C(R 21 )COO-Y-OCO(R 22 )C=CH 2 (2)
(ここで、R 21 とR 22 は同一または異なって、水素原子またはメチル基であり、Yはヒドロカルビレン基であり、該ヒドロカルビレン基は水酸基およびアルキル基からなる群から選択される少なくとも一つの置換基を有していてもよく、かつ、ヒドロカルビレン基を構成する炭素骨格は酸素原子によるエーテル結合を有していてもよい。但し、当該エーテル結合が2以上あるとき隣接する酸素原子間には常に2以上の炭素原子が介在する。) A method for producing a sulfur-based active material containing a modified polymer,
(1) mixing a polymer, sulfur, and anatase-type tetragonal titanium (IV) oxide to obtain a calcined raw material; and
(2) a step of calcining the calcined raw material and modifying the polymer with sulfur and anatase-type tetragonal titanium(IV) oxide to obtain a modified polymer;
A method for producing a sulfur-based active material comprising:
The polymer
A polymer obtained by polymerizing at least one compound selected from the group consisting of acrylate compounds represented by the following formula (1):
A polymer obtained by polymerizing at least one compound selected from the group consisting of acrylate compounds represented by the following formula (1) and at least one compound selected from the group consisting of diacrylate compounds represented by the following formula (2), and
Polymers made by polymerizing monomers containing methacrylonitrile
A method for producing a sulfur-based active material, comprising:
CH2 =C(R11 ) COOR12 ( 1 )
(wherein R 11 is a hydrogen atom or a methyl group, and R 12 is an alkyl group.)
CH 2 =C(R 21 )COO-Y-OCO(R 22 )C=CH 2 (2)
(wherein R 21 and R 22 are the same or different and each represent a hydrogen atom or a methyl group; Y is a hydrocarbylene group; the hydrocarbylene group may have at least one substituent selected from the group consisting of a hydroxyl group and an alkyl group; and the carbon skeleton constituting the hydrocarbylene group may have an ether bond via an oxygen atom; however, when there are two or more ether bonds, there are always two or more carbon atoms between adjacent oxygen atoms.)
前記メタクリロニトリル以外のモノマー成分が、アクリロニトリル、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸エステル、(メタ)アクリルアミドから選択されるものである、請求項1記載の硫黄系活物質の製造方法。 the polymer obtained by polymerizing a monomer containing methacrylonitrile is a polymer obtained by homopolymerizing methacrylonitrile or a polymer of methacrylonitrile and one or more monomer components other than methacrylonitrile,
2. The method for producing a sulfur-based active material according to claim 1, wherein the monomer component other than methacrylonitrile is selected from the group consisting of acrylonitrile, (meth)acrylic acid, (meth)acrylic acid esters, and (meth)acrylamide .
請求項1~7のいずれか1項に記載の製造方法により硫黄系活物質を製造する工程、および、
前記硫黄系活物質を用いて電極を製造する工程(3)
を含む電極の製造方法。 A method for manufacturing an electrode, comprising:
A step of producing a sulfur-based active material by the production method according to any one of claims 1 to 7; and
Step (3) of producing an electrode using the sulfur-based active material
A method for manufacturing an electrode comprising the steps of:
請求項8記載の製造方法により電極を製造する工程、および、
前記電極を用いてリチウムイオン二次電池を製造する工程(4)
を含むリチウムイオン二次電池の製造方法。 A method for manufacturing a lithium ion secondary battery, comprising:
producing an electrode by the method of claim 8; and
(4) producing a lithium ion secondary battery using the electrode;
A method for manufacturing a lithium ion secondary battery comprising:
前記変性ポリマーは、硫化チタンを含み、硫黄量が35.0質量%以上であり、
前記変性ポリマーが、
下記式(1)で示されるアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種を重合したポリマー、
下記式(1)で示されるアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種と下記式(2)で示されるジアクリレート化合物からなる群から選択される少なくとも1種とを重合したポリマー、および、
メタクリロニトリルを含むモノマーを重合したポリマー
からなる群から選択される少なくとも一のポリマーが、硫黄とアナターゼ型正方晶の酸化チタン(IV)とで変性されたものである変性ポリマー。
CH 2 =C(R 11 )COOR 12 (1)
(ここで、R 11 は水素原子またはメチル基であり、R 12 はアルキル基である。)
CH 2 =C(R 21 )COO-Y-OCO(R 22 )C=CH 2 (2)
(ここで、R 21 とR 22 は同一または異なって、水素原子またはメチル基であり、Yはヒドロカルビレン基であり、該ヒドロカルビレン基は水酸基およびアルキル基からなる群から選択される少なくとも一つの置換基を有していてもよく、かつ、ヒドロカルビレン基を構成する炭素骨格は酸素原子によるエーテル結合を有していてもよい。但し、当該エーテル結合が2以上あるとき隣接する酸素原子間には常に2以上の炭素原子が介在する。) A modified polymer modified with sulfur and anatase tetragonal titanium(IV) oxide,
The modified polymer contains titanium sulfide and has a sulfur content of 35.0% by mass or more,
The modified polymer is
A polymer obtained by polymerizing at least one compound selected from the group consisting of acrylate compounds represented by the following formula (1):
A polymer obtained by polymerizing at least one compound selected from the group consisting of acrylate compounds represented by the following formula (1) and at least one compound selected from the group consisting of diacrylate compounds represented by the following formula (2), and
Polymers made by polymerizing monomers containing methacrylonitrile
1. A modified polymer , wherein at least one polymer selected from the group consisting of: is modified with sulfur and anatase-type tetragonal titanium(IV) oxide .
CH2 =C(R11 ) COOR12 ( 1 )
(wherein R 11 is a hydrogen atom or a methyl group, and R 12 is an alkyl group.)
CH 2 =C(R 21 )COO-Y-OCO(R 22 )C=CH 2 (2)
(wherein R 21 and R 22 are the same or different and each represent a hydrogen atom or a methyl group; Y is a hydrocarbylene group; the hydrocarbylene group may have at least one substituent selected from the group consisting of a hydroxyl group and an alkyl group; and the carbon skeleton constituting the hydrocarbylene group may have an ether bond via an oxygen atom; however, when there are two or more ether bonds, there are always two or more carbon atoms between adjacent oxygen atoms.)
前記メタクリロニトリル以外のモノマー成分が、アクリロニトリル、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸エステル、(メタ)アクリルアミドから選択されるものである、請求項10記載の変性ポリマー。 the polymer obtained by polymerizing a monomer containing methacrylonitrile is a polymer obtained by homopolymerizing methacrylonitrile or a polymer of methacrylonitrile and one or more monomer components other than methacrylonitrile,
The modified polymer according to claim 10, wherein the monomer component other than methacrylonitrile is selected from the group consisting of acrylonitrile, (meth)acrylic acid, (meth)acrylic acid esters, and (meth)acrylamide .
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