JP7788264B2 - Positive electrode material and secondary battery using the same - Google Patents
Positive electrode material and secondary battery using the sameInfo
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Description
本発明は、正極材料およびこれを用いた二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode material and a secondary battery using the same.
近年、地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの非水電解質二次電池の開発が盛んに行われている。 In recent years, there has been a strong desire to reduce carbon dioxide emissions in order to combat global warming. The automotive industry is pinning its hopes on reducing carbon dioxide emissions through the introduction of electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), and there has been active development of non-aqueous electrolyte secondary batteries, such as motor drive secondary batteries, which hold the key to commercializing these vehicles.
モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウム二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、現実的な全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウム二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。 Secondary batteries for driving motors are required to have extremely high output characteristics and high energy compared to consumer lithium secondary batteries used in mobile phones, laptops, etc. Therefore, lithium secondary batteries, which have the highest theoretical energy of all practical batteries, are attracting attention and are currently being rapidly developed.
ここで、現在一般に普及しているリチウム二次電池は、電解質に可燃性の有機電解液を用いている。このような液系リチウム二次電池では、液漏れ、短絡、過充電などに対する安全対策が他の電池よりも厳しく求められる。 Currently widely used lithium secondary batteries use a flammable organic electrolyte. These liquid-based lithium secondary batteries require stricter safety measures against leakage, short circuits, overcharging, and other issues than other batteries.
そこで近年、電解質に酸化物系や硫化物系の固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池に関する研究開発が盛んに行われている。固体電解質は、固体中でイオン伝導が可能なイオン伝導体を主体として構成される材料である。このため、全固体リチウム二次電池においては、従来の液系リチウム二次電池のように可燃性の有機電解液に起因する各種問題が原理的に発生しない。また一般に、高電位・大容量の正極材料、大容量の負極材料を用いると電池の出力密度およびエネルギー密度の大幅な向上が図れる。例えば、硫黄単体(S8)は、1670mAh/g程度と極めて大きい理論容量を有し、低コストで資源が豊富であるという利点を備えている。 Therefore, in recent years, research and development on all-solid-state lithium secondary batteries using oxide-based or sulfide-based solid electrolytes has been actively conducted. Solid electrolytes are materials primarily composed of ion conductors capable of ion conduction in solids. Therefore, all-solid-state lithium secondary batteries, unlike conventional liquid-based lithium secondary batteries, do not inherently encounter various problems caused by flammable organic electrolytes. In general, the use of high-potential, large-capacity positive electrode materials and large-capacity negative electrode materials can significantly improve the output density and energy density of batteries. For example, elemental sulfur (S 8 ) has an extremely large theoretical capacity of approximately 1670 mAh/g and has the advantages of being low cost and abundant in resources.
一方で、硫黄の電子伝導性が低いことなどに起因して、硫黄含有正極活物質の高容量であるという特性を十分に活かすことはできていないのが現状である。 However, due to factors such as the low electronic conductivity of sulfur, the high capacity properties of sulfur-containing positive electrode active materials have not yet been fully utilized.
硫黄単体などの正極活物質の放電容量およびレート特性を改善することを目的として、例えば特許文献1には、1800m2/g以上のBET比表面積を有する活性炭を、硫黄溶液に浸漬した後、硫黄溶液から分離することを含み、膜厚0.2~1.4nmの硫黄で被覆された薄膜硫黄被覆活性炭の製造方法が開示されている。当該文献によると、得られた薄膜硫黄被覆活性炭は、硫黄内部において電子およびリチウムイオンの拡散が起こりやすいため、これを正極合剤として用いることで、放電容量およびレート特性に優れた全固体型リチウム硫黄電池を提供できるとしている。 For the purpose of improving the discharge capacity and rate characteristics of positive electrode active materials such as elemental sulfur, for example, Patent Document 1 discloses a method for producing a thin film sulfur-coated activated carbon, which is coated with sulfur to a film thickness of 0.2 to 1.4 nm, by immersing activated carbon having a BET specific surface area of 1800 m 2 /g or more in a sulfur solution and then separating it from the sulfur solution. According to this document, the obtained thin film sulfur-coated activated carbon is prone to diffusion of electrons and lithium ions within the sulfur, and therefore, by using this as a positive electrode mixture, it is possible to provide an all-solid-state lithium-sulfur battery with excellent discharge capacity and rate characteristics.
しかしながら、本発明者らの検討によれば、特許文献1に記載の薄膜硫黄被覆活性炭を二次電池に適用したところ、内部抵抗を充分に低減させることができない場合があることが判明した。 However, the inventors' investigations have revealed that when the thin-film sulfur-coated activated carbon described in Patent Document 1 is applied to secondary batteries, it may not be possible to sufficiently reduce internal resistance.
そこで本発明は、硫黄を含む正極活物質を用いた二次電池において、当該二次電池の内部抵抗をよりいっそう低減させうる手段を提供することを目的とする。 The present invention therefore aims to provide a means for further reducing the internal resistance of secondary batteries that use a positive electrode active material containing sulfur.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、多孔質カーボン粒子の細孔内に硫黄を含む正極活物質およびリンを含む硫化物固体電解質を充填させた正極材料において、硫化物固体電解質を粒子の内部と比較して表面側において濃度が高くなるように充填させることで上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The inventors conducted extensive research to solve the above-mentioned problems. As a result, they discovered that the above-mentioned problems can be solved by filling a cathode material in which the pores of porous carbon particles are filled with a sulfur-containing cathode active material and a phosphorus-containing sulfide solid electrolyte, and by filling the particles with a higher concentration of sulfide solid electrolyte on the surface side than inside, which led to the completion of the present invention.
本発明の一形態は、硫黄を含む正極活物質およびリンを含む硫化物固体電解質が多孔質カーボン粒子の細孔内に充填されてなる正極材料であって、多孔質カーボン粒子の断面を走査型電子顕微鏡を用いて観察した画像において、断面の中心を定点とした相似比1/2の領域Aよりも、断面から領域Aを除いた領域Bの方が、リン原子の濃度が高いことを特徴とする、正極材料である。 One aspect of the present invention is a cathode material in which the pores of porous carbon particles are filled with a cathode active material containing sulfur and a sulfide solid electrolyte containing phosphorus, and the cathode material is characterized in that, in an image of a cross section of the porous carbon particle observed using a scanning electron microscope, the concentration of phosphorus atoms is higher in region B, which is obtained by excluding region A from the cross section and has a similarity ratio of 1/2 with the center of the cross section as a fixed point, than in region A.
本発明によれば、硫黄を含む正極活物質を用いた二次電池において、当該二次電池の内部抵抗をよりいっそう低減させることができる。 According to the present invention, the internal resistance of a secondary battery using a positive electrode active material containing sulfur can be further reduced.
以下、図面を参照しながら、上述した本発明の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。以下では、二次電池の一形態である、積層型(内部並列接続型)の全固体リチウム二次電池を例に挙げて本発明を説明する。 The above-mentioned embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the claims and is not limited to the following embodiments. Note that the dimensional proportions in the drawings have been exaggerated for the convenience of explanation and may differ from the actual proportions. The present invention will be described below using as an example a stacked-type (internal parallel connection) all-solid-state lithium secondary battery, which is one form of secondary battery.
上述したように、全固体リチウム二次電池を構成する固体電解質は、固体中でイオン伝導が可能なイオン伝導体を主体として構成される材料である。このため、全固体リチウム二次電池においては、従来の液系リチウム二次電池のように可燃性の有機電解液に起因する各種問題が原理的に発生しないという利点がある。また一般に、高電位・大容量の正極材料、大容量の負極材料を用いると電池の出力密度およびエネルギー密度の大幅な向上が図れるという利点もある。 As mentioned above, the solid electrolyte that makes up all-solid-state lithium secondary batteries is a material composed primarily of ion conductors that are capable of conducting ions in a solid state. Therefore, all-solid-state lithium secondary batteries have the advantage that, in principle, they do not encounter the various problems that arise from flammable organic electrolytes, as occurs in conventional liquid-based lithium secondary batteries. Another advantage is that, in general, the use of high-potential, high-capacity positive electrode materials and high-capacity negative electrode materials can significantly improve the battery's output density and energy density.
本発明の一形態は、硫黄を含む正極活物質およびリンを含む硫化物固体電解質が多孔質カーボン粒子の細孔内に充填されてなる正極材料であって、多孔質カーボン粒子の断面を走査型電子顕微鏡を用いて観察した画像において、断面の中心を定点とした相似比1/2の領域Aよりも、断面から領域Aを除いた領域Bの方が、リン原子の濃度が高いことを特徴とする、正極材料である。本形態に係る正極材料によれば、硫黄を含む正極活物質を用いた二次電池において、当該二次電池の内部抵抗をよりいっそう低減させることができる。 One aspect of the present invention is a cathode material in which the pores of porous carbon particles are filled with a cathode active material containing sulfur and a sulfide solid electrolyte containing phosphorus, and the cathode material is characterized in that, in an image of a cross section of the porous carbon particle observed using a scanning electron microscope, the concentration of phosphorus atoms is higher in region B of the cross section excluding region A, which has a similarity ratio of 1/2 and is set at the center of the cross section as a fixed point. The cathode material of this aspect can further reduce the internal resistance of a secondary battery that uses a cathode active material containing sulfur.
図1は、本発明の一実施形態である扁平積層型の全固体リチウム二次電池の外観を表した斜視図である。図2は、図1に示す2-2線に沿う断面図である。積層型とすることで、電池をコンパクトにかつ高容量化することができる。なお、本明細書においては、図1および図2に示す扁平積層型の双極型でないリチウム二次電池(以下、単に「積層型電池」とも称する)を例に挙げて詳細に説明する。ただし、本形態に係るリチウム二次電池の内部における電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、非双極型(内部並列接続タイプ)電池および双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用しうるものである。 Figure 1 is a perspective view showing the appearance of a flat-layered all-solid-state lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention. Figure 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 in Figure 1. The layered structure allows the battery to be compact and have a high capacity. This specification will be described in detail using the flat-layered, non-bipolar lithium secondary battery shown in Figures 1 and 2 (hereinafter simply referred to as a "layered battery"). However, when viewed from the perspective of the internal electrical connection configuration (electrode structure) of the lithium secondary battery according to this embodiment, it can be applied to both non-bipolar (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries.
図1に示すように、積層型電池10aは、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための負極集電板25、正極集電板27が引き出されている。発電要素21は、積層型電池10aの電池外装材(ラミネートフィルム29)によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素21は、負極集電板25および正極集電板27を外部に引き出した状態で密封されている。 As shown in Figure 1, the stacked battery 10a has a flat, rectangular shape, with a negative electrode current collector 25 and a positive electrode current collector 27 extending from both sides for extracting power. The power generating element 21 is wrapped in the battery exterior material (laminate film 29) of the stacked battery 10a, and its periphery is heat-sealed, sealing the power generating element 21 with the negative electrode current collector 25 and positive electrode current collector 27 extending to the outside.
なお、本形態に係るリチウム二次電池は、積層型の扁平な形状のものに制限されるものではない。巻回型のリチウム二次電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装材にラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムを含むラミネートフィルムの内部に収容される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 The lithium secondary battery according to this embodiment is not limited to a laminated, flat shape. A wound lithium secondary battery may be cylindrical, or may be a cylindrical battery modified to have a flat, rectangular shape, and is not particularly limited. The cylindrical battery may use a laminate film or a conventional cylindrical can (metal can) as its exterior material, and is not particularly limited. Preferably, the power generating element is housed inside a laminate film containing aluminum. This configuration can achieve weight reduction.
また、図1に示す集電板(25、27)の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。負極集電板25と正極集電板27とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、負極集電板25と正極集電板27をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図1に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウム電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 Furthermore, there are no particular limitations on how the current collectors (25, 27) shown in Figure 1 are removed. The negative current collector 25 and the positive current collector 27 may be pulled out from the same side, or the negative current collector 25 and the positive current collector 27 may each be divided into multiple pieces and removed from each side; they are not limited to what is shown in Figure 1. Furthermore, in wound-type lithium batteries, terminals may be formed using, for example, a cylindrical can (metal can) instead of tabs.
図2に示すように、本実施形態の積層型電池10aは、実際に充放電反応が進行する扁平略矩形の発電要素21が、電池外装材であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極と、固体電解質層17と、負極とを積層した構成を有している。正極は、正極集電体11”の両面に本発明の一形態に係る正極材料を含有する正極活物質層15が配置された構造を有する。これにより、積層型電池10aにおいて、内部抵抗が低減される。負極は、負極集電体11’の両面に負極活物質を含有する負極活物質層13が配置された構造を有する。具体的には、1つの正極活物質層15とこれに隣接する負極活物質層13とが、固体電解質層17を介して対向するようにして、正極、固体電解質層および負極がこの順に積層されている。これにより、隣接する正極、固体電解質層および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図2に示す積層型電池10aは、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。 As shown in Figure 2, the stacked battery 10a of this embodiment has a structure in which a flat, approximately rectangular power generating element 21, where the actual charge/discharge reaction takes place, is sealed inside a laminate film 29, which is the battery exterior material. Here, the power generating element 21 has a structure in which a positive electrode, a solid electrolyte layer 17, and a negative electrode are stacked. The positive electrode has a structure in which positive electrode active material layers 15 containing a positive electrode material according to one embodiment of the present invention are disposed on both sides of a positive electrode current collector 11". This reduces the internal resistance of the stacked battery 10a. The negative electrode has a structure in which negative electrode active material layers 13 containing a negative electrode active material are disposed on both sides of a negative electrode current collector 11'. Specifically, the positive electrode, solid electrolyte layer, and negative electrode are stacked in this order so that one positive electrode active material layer 15 faces the adjacent negative electrode active material layer 13 with the solid electrolyte layer 17 interposed therebetween. As a result, the adjacent positive electrode, solid electrolyte layer, and negative electrode constitute a single cell layer 19. Therefore, the stacked battery 10a shown in FIG. 2 can be said to have a structure in which a plurality of cell layers 19 are stacked and electrically connected in parallel.
図2に示すように、発電要素21の両最外層に位置する最外層負極集電体には、いずれも片面のみに負極活物質層13が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、場合によっては、集電体(11’,11”)を用いることなく、負極活物質層13および正極活物質層15をそれぞれ負極および正極として用いてもよい。 As shown in FIG. 2, the outermost negative electrode current collectors located on both outermost layers of the power generating element 21 each have a negative electrode active material layer 13 disposed on only one side, but active material layers may be provided on both sides. In other words, instead of using a current collector exclusively for the outermost layer with an active material layer provided on only one side, a current collector with active material layers on both sides may be used as the outermost current collector. In some cases, the negative electrode active material layer 13 and the positive electrode active material layer 15 may be used as the negative electrode and positive electrode, respectively, without using current collectors (11', 11").
負極集電体11’および正極集電体11”は、各電極(正極および負極)と導通される負極集電板(タブ)25および正極集電板(タブ)27がそれぞれ取り付けられ、電池外装材であるラミネートフィルム29の端部に挟まれるようにしてラミネートフィルム29の外部に導出される構造を有している。正極集電板27および負極集電板25はそれぞれ、必要に応じて正極リードおよび負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体11”および負極集電体11’に超音波溶接や抵抗溶接などにより取り付けられていてもよい。 The negative electrode current collector 11' and the positive electrode current collector 11" are respectively fitted with a negative electrode current collector (tab) 25 and a positive electrode current collector (tab) 27 that are electrically connected to the respective electrodes (positive and negative electrodes), and are structured so as to be sandwiched between the edges of the laminate film 29, which is the battery outer casing, and extend to the outside of the laminate film 29. The positive electrode current collector 27 and the negative electrode current collector 25 may be attached to the positive electrode current collector 11" and the negative electrode current collector 11' of each electrode via a positive electrode lead and a negative electrode lead (not shown) by ultrasonic welding, resistance welding, or the like, as necessary.
以下、本形態に係る二次電池の主要な構成部材について説明する。 The main components of the secondary battery according to this embodiment are described below.
[集電体]
集電体は、電極活物質層からの電子の移動を媒介する機能を有する。集電体を構成する材料に特に制限はない。集電体の構成材料としては、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
[Current collector]
The current collector has a function of mediating the transfer of electrons from the electrode active material layer. There are no particular limitations on the material constituting the current collector. For example, metals and conductive resins can be used as the material constituting the current collector.
具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材などが用いられてもよい。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specific examples of metals include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. Other materials that may be used include clad materials of nickel and aluminum, and clad materials of copper and aluminum. Foils in which the metal surface is coated with aluminum may also be used. Among these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferred from the standpoints of electronic conductivity, battery operating potential, and adhesion of the negative electrode active material to the current collector by sputtering.
また、導電性を有する樹脂としては、非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。 Another example of a conductive resin is a resin in which a conductive filler is added to a non-conductive polymer material.
なお、集電体は、単独の材料からなる単層構造であってもよいし、あるいは、これらの材料からなる層を適宜組み合わせた積層構造であっても構わない。集電体の軽量化の観点からは、少なくとも導電性を有する樹脂からなる導電性樹脂層を含むことが好ましい。また、単電池層間のリチウムイオンの移動を遮断する観点からは、集電体の一部に金属層を設けてもよい。さらに、後述する負極活物質層や正極活物質層がそれ自体で導電性を有し集電機能を発揮できるのであれば、これらの電極活物質層とは別の部材としての集電体を用いなくともよい。このような形態においては、後述する負極活物質層がそのまま負極を構成し、後述する正極活物質層がそのまま正極を構成することとなる。 The current collector may have a single layer structure made of a single material, or a laminate structure made of an appropriate combination of layers made of these materials. From the perspective of reducing the weight of the current collector, it is preferable for it to contain at least a conductive resin layer made of a conductive resin. Furthermore, from the perspective of blocking the movement of lithium ions between the cell layers, a metal layer may be provided on part of the current collector. Furthermore, if the negative electrode active material layer and positive electrode active material layer described below are themselves conductive and can perform a current collecting function, it is not necessary to use a current collector as a separate component from these electrode active material layers. In such a configuration, the negative electrode active material layer described below directly constitutes the negative electrode, and the positive electrode active material layer described below directly constitutes the positive electrode.
[負極(負極活物質層)]
図1および図2に示す実施形態に係る積層型電池において、負極活物質層13は、負極活物質を含む。負極活物質の種類としては、特に制限されないが、炭素材料、金属酸化物および金属活物質が挙げられる。また、負極活物質として、リチウムを含有する金属を用いてもよい。このような負極活物質は、リチウムを含有する活物質であれば特に限定されず、金属リチウムのほか、リチウム含有合金が挙げられる。リチウム含有合金としては、例えば、Liと、In、Al、SiおよびSnの少なくとも1種との合金が挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。負極活物質は、金属リチウムもしくはリチウム含有合金、ケイ素系負極活物質またはスズ系負極活物質を含むことが好ましく、金属リチウムまたはリチウム含有合金を含むことが特に好ましい。なお、負極活物質が金属リチウムまたはリチウム含有合金を用いる場合、電気デバイスとしてのリチウム二次電池は、充電過程において負極集電体上に負極活物質としてのリチウム金属を析出させる、いわゆるリチウム析出型のものでありうる。したがって、このような形態では、充電過程の進行に伴って負極活物質層の厚さは大きくなり、放電過程の進行に伴って負極活物質層の厚さは小さくなる。完全放電時には負極活物質層は存在していなくともよいが、場合によってはある程度のリチウム金属からなる負極活物質層を完全放電時において配置しておいてもよい。
[Negative electrode (negative electrode active material layer)]
In the stacked battery according to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 , the negative electrode active material layer 13 contains a negative electrode active material. The type of negative electrode active material is not particularly limited, but examples include carbon materials, metal oxides, and metal active materials. Furthermore, a lithium-containing metal may also be used as the negative electrode active material. Such a negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a lithium-containing active material, and examples thereof include metallic lithium and lithium-containing alloys. Examples of lithium-containing alloys include alloys of Li with at least one of In, Al, Si, and Sn. In some cases, two or more negative electrode active materials may be used in combination. Of course, negative electrode active materials other than those described above may also be used. The negative electrode active material preferably contains metallic lithium or a lithium-containing alloy, a silicon-based negative electrode active material, or a tin-based negative electrode active material, and particularly preferably contains metallic lithium or a lithium-containing alloy. When metallic lithium or a lithium-containing alloy is used as the negative electrode active material, the lithium secondary battery as an electrical device may be a so-called lithium deposition type in which lithium metal as the negative electrode active material is deposited on the negative electrode current collector during charging. Therefore, in this configuration, the thickness of the negative electrode active material layer increases as the charging process progresses and decreases as the discharging process progresses. The negative electrode active material layer does not need to be present during full discharge, but in some cases, a negative electrode active material layer made of a certain amount of lithium metal may be present during full discharge.
負極活物質層における負極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40~99質量%の範囲内であることが好ましく、50~90質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 40 to 99% by mass, and more preferably in the range of 50 to 90% by mass.
負極活物質層は、固体電解質をさらに含むことが好ましい。負極活物質層が固体電解質を含むことにより、負極活物質層のイオン伝導性を向上させることができる。固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質や酸化物固体電解質が挙げられるが、硫化物固体電解質であることが好ましい。 The negative electrode active material layer preferably further contains a solid electrolyte. By including a solid electrolyte in the negative electrode active material layer, the ionic conductivity of the negative electrode active material layer can be improved. Examples of solid electrolytes include sulfide solid electrolytes and oxide solid electrolytes, but a sulfide solid electrolyte is preferred.
硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-Li2S-SiS2、LiI-Li2S-P2O5、LiI-Li3PO4-P2S5、Li2S-P2S5、LiI-Li3PS4、LiI-LiBr-Li3PS4、Li3PS4、Li2S-P2S5-LiI、Li2S-P2S5-Li2O、Li2S-P2S5-Li2O-LiI、Li2S-SiS2、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-LiBr、Li2S-SiS2-LiCl、Li2S-SiS2-B2S3-LiI、Li2S-SiS2-P2S5-LiI、Li2S-B2S3、Li2S-P2S5-ZmSn(ただし、m、nは正の数であり、Zは、Ge、Zn、Gaのいずれかである)、Li2S-GeS2、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-SiS2-LixMOy(ただし、x、yは正の数であり、Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれかである)等が挙げられる。なお、「Li2S-P2S5」の記載は、Li2SおよびP2S5を含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。 Examples of the sulfide solid electrolyte include LiI-Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 SP 2 O 5 , LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 , LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4 , Li 3 PS 4 , Li 2 S-P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S—SiS 2 —LiCl, Li 2 S—SiS 2 —B 2 S 3 —LiI, Li 2 S—SiS 2 —P 2 S 5 —LiI, Li 2 S—B 2 S 3 , Li 2 S—P 2 S 5 —Z m S n (where m and n are positive numbers and Z is Ge, Zn or Ga), Li 2 S—GeS 2 , Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 , Li 2 S—SiS 2 —Li x MO y (where x and y are positive numbers and M is P, Si, Ge, B, Al, Ga or In), etc. The term "Li 2 S-P 2 S 5 " means a sulfide solid electrolyte obtained using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5 , and the same applies to other terms.
硫化物固体電解質は、例えば、Li3PS4骨格を有していてもよく、Li4P2S7骨格を有していてもよく、Li4P2S6骨格を有していてもよい。Li3PS4骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-Li3PS4、LiI-LiBr-Li3PS4、Li3PS4が挙げられる。また、Li4P2S7骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LPSと称されるLi-P-S系固体電解質(例えば、Li7P3S11)が挙げられる。また、硫化物固体電解質として、例えば、Li(4-x)Ge(1-x)PxS4(xは、0<x<1を満たす)で表されるLGPS等を用いてもよい。なかでも、P元素を含む硫化物固体電解質であることが好ましく、Li2S-P2S5を主成分とする材料であることがより好ましい。さらに、硫化物固体電解質は、ハロゲン(F、Cl、Br、I)を含有していてもよい。好ましい一実施形態において、硫化物固体電解質はLi6PS5X(ここで、XはCl、BrもしくはIであり、好ましくはClである)を含む。 The sulfide solid electrolyte may have, for example, a Li 3 PS 4 skeleton, a Li 4 P 2 S 7 skeleton, or a Li 4 P 2 S 6 skeleton. Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 3 PS 4 skeleton include LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4 , and Li 3 PS 4 . Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 4 P 2 S 7 skeleton include Li-P-S solid electrolytes known as LPS (for example, Li 7 P 3 S 11 ). Examples of sulfide solid electrolytes that may be used include LGPS, which is represented by Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (where x satisfies 0<x<1). Among these, a sulfide solid electrolyte containing P element is preferred, and a material containing Li 2 S—P 2 S 5 as a main component is more preferred. Furthermore, the sulfide solid electrolyte may contain a halogen (F, Cl, Br, I). In a preferred embodiment, the sulfide solid electrolyte contains Li 6 PS 5 X (where X is Cl, Br, or I, preferably Cl).
また、硫化物固体電解質がLi2S-P2S5系である場合、Li2SおよびP2S5の割合は、モル比で、Li2S:P2S5=50:50~100:0の範囲内であることが好ましく、なかでもLi2S:P2S5=70:30~80:20であることが好ましい。 Furthermore, when the sulfide solid electrolyte is a Li 2 S—P 2 S 5 system, the molar ratio of Li 2 S and P 2 S 5 is preferably within the range of Li 2 S:P 2 S 5 = 50:50 to 100:0, and particularly preferably Li 2 S:P 2 S 5 = 70:30 to 80:20.
また、硫化物固体電解質は、硫化物ガラスであってもよく、結晶化硫化物ガラスであってもよく、固相法により得られる結晶質材料であってもよい。なお、硫化物ガラスは、例えば原料組成物に対してメカニカルミリング(ボールミル等)を行うことにより得ることができる。また、結晶化硫化物ガラスは、例えば硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で熱処理を行うことにより得ることができる。また、硫化物固体電解質の常温(25℃)におけるイオン伝導度(例えば、Liイオン伝導度)は、例えば、1×10-5S/cm以上であることが好ましく、1×10-4S/cm以上であることがより好ましい。なお、固体電解質のイオン伝導度の値は、交流インピーダンス法により測定することができる。 The sulfide solid electrolyte may be sulfide glass, crystallized sulfide glass, or a crystalline material obtained by a solid-phase method. Sulfide glass can be obtained, for example, by mechanical milling (ball mill, etc.) a raw material composition. Crystallized sulfide glass can be obtained, for example, by heat treating sulfide glass at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature. The ionic conductivity (e.g., Li ion conductivity) of the sulfide solid electrolyte at room temperature (25°C) is preferably, for example, 1×10 −5 S/cm or more, and more preferably 1×10 −4 S/cm or more. The ionic conductivity value of the solid electrolyte can be measured by an AC impedance method.
酸化物固体電解質としては、例えば、NASICON型構造を有する化合物等が挙げられる。NASICON型構造を有する化合物の一例としては、一般式Li1+xAlxGe2-x(PO4)3(0≦x≦2)で表される化合物(LAGP)、一般式Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(0≦x≦2)で表される化合物(LATP)等が挙げられる。また、酸化物固体電解質の他の例としては、LiLaTiO(例えば、Li0.34La0.51TiO3)、LiPON(例えば、Li2.9PO3.3N0.46)、LiLaZrO(例えば、Li7La3Zr2O12)等が挙げられる。 Examples of oxide solid electrolytes include compounds having a NASICON structure. Examples of compounds having a NASICON structure include compounds (LAGP) represented by the general formula Li1 + xAlxGe2 -x ( PO4 ) 3 (0≦x≦2) and compounds (LATP) represented by the general formula Li1 + xAlxTi2 -x ( PO4 ) 3 ( 0≦ x ≦2). Other examples of oxide solid electrolytes include LiLaTiO (e.g., Li0.34La0.51TiO3), LiPON (e.g., Li2.9PO3.3N0.46 ) , and LiLaZrO ( e.g., Li7La3Zr2O12 ) .
負極活物質層における固体電解質の含有量は、例えば、1~60質量%の範囲内であることが好ましく、10~50質量%の範囲内であることがより好ましい。 The solid electrolyte content in the negative electrode active material layer is preferably within the range of 1 to 60 mass%, and more preferably within the range of 10 to 50 mass%.
負極活物質層は、上述した負極活物質および固体電解質に加えて、導電助剤およびバインダの少なくとも1つをさらに含有していてもよい。 In addition to the above-mentioned negative electrode active material and solid electrolyte, the negative electrode active material layer may further contain at least one of a conductive additive and a binder.
負極活物質層の厚さは、目的とする二次電池の構成によっても異なるが、例えば、0.1~1000μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the negative electrode active material layer varies depending on the configuration of the desired secondary battery, but is preferably within the range of 0.1 to 1000 μm, for example.
[固体電解質層]
図1および図2に示す実施形態に係る積層型電池において、固体電解質層は、上述した正極活物質層と負極活物質層との間に介在し、固体電解質を必須に含有する層である。
[Solid electrolyte layer]
In the stacked battery according to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 , the solid electrolyte layer is interposed between the above-described positive electrode active material layer and negative electrode active material layer, and is a layer that essentially contains a solid electrolyte.
固体電解質層に含有される固体電解質の具体的な形態について特に制限はなく、負極活物質層の欄において例示した固体電解質およびその好ましい形態が同様に採用されうる。場合によっては、上述した固体電解質以外の固体電解質が併用されてもよい。 There are no particular restrictions on the specific form of the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer, and the solid electrolytes and their preferred forms exemplified in the section on the negative electrode active material layer can be used. In some cases, solid electrolytes other than those mentioned above may be used in combination.
固体電解質層は、上述した所定の固体電解質に加えて、バインダをさらに含有していてもよい。 The solid electrolyte layer may further contain a binder in addition to the specified solid electrolyte described above.
固体電解質層の厚みは、目的とするリチウム二次電池の構成によっても異なるが、電池の体積エネルギー密度を向上させうるという観点からは、好ましくは600μm以下であり、より好ましくは500μm以下であり、さらに好ましくは400μm以下である。一方、固体電解質層の厚みの下限値について特に制限はないが、好ましくは1μm以上であり、より好ましくは5μm以上であり、さらに好ましくは10μm以上である。 The thickness of the solid electrolyte layer varies depending on the configuration of the desired lithium secondary battery, but from the perspective of improving the volumetric energy density of the battery, it is preferably 600 μm or less, more preferably 500 μm or less, and even more preferably 400 μm or less. On the other hand, there is no particular lower limit on the thickness of the solid electrolyte layer, but it is preferably 1 μm or more, more preferably 5 μm or more, and even more preferably 10 μm or more.
[正極活物質層]
図1および図2に示す実施形態に係る積層型電池において、正極活物質層は、本発明の一形態に係る正極材料を含む。当該正極材料は、硫黄を含む正極活物質およびリンを含む硫化物固体電解質が多孔質カーボン粒子の細孔内に充填されてなる。
[Cathode active material layer]
1 and 2 , the positive electrode active material layer contains the positive electrode material according to one embodiment of the present invention, which is formed by filling the pores of porous carbon particles with a positive electrode active material containing sulfur and a sulfide solid electrolyte containing phosphorus.
(硫黄を含む正極活物質)
硫黄を含む正極活物質の種類としては、特に制限されないが、硫黄単体(S)および硫化リチウム(Li2S)のほか、有機硫黄化合物または無機硫黄化合物の粒子または薄膜が挙げられ、硫黄の酸化還元反応を利用して、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸蔵することができる物質であればよい。有機硫黄化合物としては、ジスルフィド化合物、国際公開第2010/044437号パンフレットに記載の化合物に代表される硫黄変性ポリアクリロニトリル、硫黄変性ポリイソプレン、ルベアン酸(ジチオオキサミド)、ポリ硫化カーボン等が挙げられる。一方、無機硫黄化合物は安定性に優れることから好ましく、具体的には、硫黄単体(S)、硫化リチウム(Li2S)、S-カーボンコンポジット、TiS2、TiS3、TiS4、NiS、NiS2、CuS、FeS2、Li2S、MoS2、MoS3、MnS、MnS2、CoS、CoS2等が挙げられる。なかでも、S、硫化リチウム(Li2S)、S-カーボンコンポジット、TiS2、TiS3、TiS4、FeS2およびMoS2が好ましく、硫黄単体(S)および硫化リチウム(Li2S)、TiS2、並びにFeS2がより好ましく、高容量であるという観点からは硫黄単体(S)および硫化リチウム(Li2S)が特に好ましい。なお、硫黄単体(S)としては、S8構造を有するα硫黄、β硫黄、またはγ硫黄が用いられうる。
(Positive electrode active material containing sulfur)
The type of sulfur-containing positive electrode active material is not particularly limited, but includes elemental sulfur (S) and lithium sulfide (Li 2 S), as well as particles or thin films of organic sulfur compounds or inorganic sulfur compounds, and can be any material that can release lithium ions during charging and absorb lithium ions during discharging by utilizing the oxidation-reduction reaction of sulfur. Examples of organic sulfur compounds include disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile, sulfur-modified polyisoprene, rubeanic acid (dithiooxamide), polycarbonate, etc., as typified by the compounds described in International Publication No. 2010/044437. On the other hand, inorganic sulfur compounds are preferred because of their excellent stability, and specific examples include elemental sulfur (S), lithium sulfide (Li 2 S), S-carbon composite, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , NiS, NiS 2 , CuS, FeS 2 , Li 2 S, MoS 2 , MoS 3 , MnS, MnS 2 , CoS, CoS 2, etc. Among these, S, lithium sulfide (Li 2 S), S-carbon composite, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , FeS 2 and MoS 2 are preferred, elemental sulfur (S), lithium sulfide (Li 2 S), TiS 2 and FeS 2 are more preferred, and elemental sulfur (S) and lithium sulfide (Li 2 S) are particularly preferred from the viewpoint of high capacity. As the elemental sulfur (S), α-sulfur, β-sulfur, or γ-sulfur having an S8 structure can be used.
本形態に係る正極材料は、硫黄を含む正極活物質に加えて、硫黄を含まない正極活物質をさらに含んでもよい。硫黄を含まない正極活物質としては、例えば、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiVO2、Li(Ni-Mn-Co)O2等の層状岩塩型活物質、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4等のスピネル型活物質、LiFePO4、LiMnPO4等のオリビン型活物質、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4等のSi含有活物質等が挙げられる。また上記以外の酸化物活物質としては、例えば、Li4Ti5O12が挙げられる。 The positive electrode material according to this embodiment may further include a sulfur-free positive electrode active material in addition to the sulfur-containing positive electrode active material. Examples of sulfur-free positive electrode active materials include layered rock salt active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , and Li(Ni—Mn—Co)O 2 , spinel active materials such as LiMn 2 O 4 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , olivine active materials such as LiFePO 4 and LiMnPO 4 , and Si-containing active materials such as Li 2 FeSiO 4 and Li 2 MnSiO 4 . Examples of oxide active materials other than those mentioned above include Li 4 Ti 5 O 12 .
場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。ただし、正極活物質の全量100質量%に占める硫黄を含む正極活物質の含有量の割合は、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上であり、さらに好ましくは80質量%以上であり、いっそう好ましくは90質量%以上であり、特に好ましくは95質量%以上であり、最も好ましくは100質量%である。 In some cases, two or more types of positive electrode active materials may be used in combination. Of course, positive electrode active materials other than those listed above may also be used. However, the proportion of the content of the sulfur-containing positive electrode active material in the total amount (100% by mass) of the positive electrode active material is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, even more preferably 80% by mass or more, even more preferably 90% by mass or more, particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 100% by mass.
(リンを含む硫化物固体電解質)
本形態に係る正極材料はリンを含む硫化物固体電解質を必須に含む。なお、本明細書において、「リンを含む硫化物固体電解質」を単に「リン含有硫化物固体電解質」とも称する。好ましくは、リン含有硫化物固体電解質は、少なくともリチウム原子、リン原子、および硫黄原子を含有する硫化物固体電解質である。このようなリチウム原子、リン原子、および硫黄原子を含有する硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-Li2S-P2O5、LiI-Li3PO4-P2S5、Li2S-P2S5、LiI-Li3PS4、LiI-LiBr-Li3PS4、Li3PS4、Li2S-P2S5-LiI、Li2S-P2S5-Li2O、Li2S-P2S5-Li2O-LiI、Li2S-SiS2-P2S5-LiI、Li2S-P2S5-ZmSn(ただし、m、nは正の数であり、Zは、Ge、Zn、Gaのいずれかである)、Li2S-SiS2-Li3PO4等が挙げられる。また、Li4P2S7骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LPSと称されるLi-P-S系固体電解質(例えば、Li7P3S11)が挙げられる。また、例えば、Li(4-x)Ge(1-x)PxS4(xは、0<x<1を満たす)で表されるLGPS等を用いてもよい。なかでも、活物質層に含まれるリン含有硫化物固体電解質は、Li2S-P2S5を主成分とする材料であることがより好ましい。さらに、リン含有硫化物固体電解質は、ハロゲン(F、Cl、Br、I)を含有していてもよい。好ましい一実施形態において、リン含有硫化物固体電解質はLi6PS5X(ここで、XはCl、BrもしくはIであり、好ましくはClである)を含む。これらの硫化物固体電解質は高いイオン伝導度を有していることから、内部抵抗の低減に有効に寄与しうる。
(phosphorus-containing sulfide solid electrolyte)
The positive electrode material according to this embodiment essentially contains a sulfide solid electrolyte containing phosphorus. In this specification, the "sulfide solid electrolyte containing phosphorus" is also simply referred to as a "phosphorus-containing sulfide solid electrolyte." Preferably, the phosphorus-containing sulfide solid electrolyte is a sulfide solid electrolyte containing at least lithium atoms, phosphorus atoms, and sulfur atoms. Examples of sulfide solid electrolytes containing lithium atoms, phosphorus atoms, and sulfur atoms include LiI-Li 2 S-P 2 O 5 , LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 , LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4 , Li 3 PS 4 , Li 2 S -P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-P 2 S 5 -Z m S n (where m and n are positive numbers, and Z is Ge, Zn, or Ga), Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 , etc. Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 4 P 2 S 7 skeleton include Li-P—S-based solid electrolytes known as LPS (e.g., Li 7 P 3 S 11 ). LGPS, for example, represented by Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (x satisfies 0<x<1), may also be used. Of these, it is more preferable that the phosphorus-containing sulfide solid electrolyte contained in the active material layer is a material containing Li 2 S—P 2 S 5 as a main component. Furthermore, the phosphorus-containing sulfide solid electrolyte may contain a halogen (F, Cl, Br, I). In a preferred embodiment, the phosphorus-containing sulfide solid electrolyte contains Li 6 PS 5 X (wherein X is Cl, Br, or I, and preferably Cl). These sulfide solid electrolytes have high ionic conductivity and can therefore effectively contribute to reducing internal resistance.
(多孔質カーボン粒子)
本形態に係る正極材料は多孔質カーボン粒子を必須に含む。本明細書において、多孔質カーボン粒子とは、細孔を有し、主成分がカーボンからなる粒子状の炭素材料をいう。ここで、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。「実質的に炭素原子からなる」とは、2~3質量%程度以下の不純物の混入が許容されうることを意味する。
(Porous carbon particles)
The positive electrode material according to this embodiment essentially contains porous carbon particles. In this specification, porous carbon particles refer to a particulate carbon material having pores and consisting primarily of carbon. Here, "consisting primarily of carbon" refers to containing carbon atoms as the main component, and is a concept that encompasses both "consisting solely of carbon atoms" and "consisting essentially of carbon atoms.""Consisting essentially of carbon atoms" means that impurities of about 2 to 3 mass % or less can be tolerated.
多孔質カーボン粒子としては、例えば、活性炭、ケッチェンブラック(登録商標)(高導電性カーボンブラック)、(オイル)ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、ランプブラック等のカーボンブラック、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子(カーボン担体)が挙げられる。また、セラミックスなどの鋳型と樹脂などの炭素原料とを混合し、不活性雰囲気下で焼成し、その後、酸で鋳型を溶かすことによって鋳型の形状が転写された多孔質構造を有する炭素材料を合成し、これを多孔質カーボン粒子として用いてもよい。この際、鋳型の粒子径や炭素原料の配合比を適切に調整することにより、得られる炭素材料の細孔径や細孔容積を変化させることができる。 Examples of porous carbon particles include activated carbon, Ketjen Black® (highly conductive carbon black), (oil) furnace black, channel black, acetylene black, thermal black, lamp black, and other carbon blacks; carbon particles (carbon supports) made from coke, natural graphite, artificial graphite, and the like. Alternatively, a ceramic or other mold may be mixed with a carbon raw material such as resin, fired in an inert atmosphere, and then the mold dissolved in acid to synthesize a carbon material with a porous structure in which the shape of the mold has been transferred. This carbon material can be used as porous carbon particles. In this case, the pore size and pore volume of the resulting carbon material can be altered by appropriately adjusting the particle size of the mold and the blending ratio of the carbon raw materials.
多孔質カーボン粒子のBET比表面積は、200m2/g以上であることが好ましく、500m2/g以上であることがより好ましく、800m2/g以上であることがさらに好ましく、1200m2/g以上であることが特に好ましく、1500m2/g以上であることが最も好ましい。また、多孔質カーボン粒子の細孔容積は、1.0mL/g以上であることが好ましく、1.3mL/g以上であることがより好ましく、1.5mL/g以上であることがさらに好ましい。多孔質カーボン粒子のBET比表面積および細孔容積がこのような範囲内の値であれば、十分な量の細孔を保持することができ、ひいては十分な量の正極活物質を保持することが可能となる。なお、多孔質カーボン粒子のBET比表面積および細孔容積の値については、窒素吸脱着測定により測定が可能である。この窒素吸脱着測定は、マイクロトラック・ベル株式会社製BELSORP miniを用いて行い、-196℃の温度で、多点法で行う。0.01<P/P0<0.05の相対圧の範囲での吸着等温線よりBET比表面積を求める。また、細孔容積については、0.96の相対圧における吸着N2の容積より求める。 The BET specific surface area of the porous carbon particles is preferably 200 m 2 /g or more, more preferably 500 m 2 /g or more, even more preferably 800 m 2 /g or more, particularly preferably 1200 m 2 /g or more, and most preferably 1500 m 2 /g or more. The pore volume of the porous carbon particles is preferably 1.0 mL/g or more, more preferably 1.3 mL/g or more, and even more preferably 1.5 mL/g or more. If the BET specific surface area and pore volume of the porous carbon particles are within these ranges, a sufficient amount of pores can be retained, and ultimately a sufficient amount of positive electrode active material can be retained. The BET specific surface area and pore volume of the porous carbon particles can be measured by nitrogen adsorption/desorption measurement. This nitrogen adsorption/desorption measurement is performed using a BELSORP mini manufactured by Microtrac-Bell Corporation, at a temperature of -196°C using a multipoint method. The BET specific surface area is determined from the adsorption isotherm in the relative pressure range of 0.01<P/P 0 <0.05. The pore volume is determined from the volume of N 2 adsorbed at a relative pressure of 0.96.
多孔質カーボン粒子の平均細孔径は、特に限定されないが、1~50nmであることが好ましく、1~30nmであることが特に好ましい。多孔質カーボン粒子の平均細孔径がこれらの範囲内の値であれば、細孔の内部に配置された硫黄を含む正極活物質のうち細孔壁から離れた位置に存在する活物質まで十分に電子を供給することができる。なお、導電材料の平均細孔径の値は、BET比表面積および細孔容積の値を求める場合と同様に、窒素吸脱着測定により算出することができる。 The average pore diameter of the porous carbon particles is not particularly limited, but is preferably 1 to 50 nm, and particularly preferably 1 to 30 nm. If the average pore diameter of the porous carbon particles is within this range, electrons can be sufficiently supplied to the sulfur-containing positive electrode active material disposed inside the pores, even to the active material located far from the pore walls. The average pore diameter of the conductive material can be calculated by nitrogen adsorption/desorption measurements, similar to the calculation of the BET specific surface area and pore volume.
多孔質カーボン粒子の平均粒子径(一次粒子径)は、特に限定されるものではないが、0.05~50μmであることが好ましく、0.1~20μmであることがより好ましく、0.5~10μmであることがさらに好ましい。なお、本明細書中において、「多孔質カーボン粒子の粒子径」とは、多孔質カーボン粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「多孔質カーボン粒子の平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数~数十視野中に観察される粒子の粒子径の算術平均値として算出される値を採用するものとする。 The average particle diameter (primary particle diameter) of porous carbon particles is not particularly limited, but is preferably 0.05 to 50 μm, more preferably 0.1 to 20 μm, and even more preferably 0.5 to 10 μm. In this specification, "particle diameter of porous carbon particles" refers to the longest distance L between any two points on the contour line of a porous carbon particle. The value of "average particle diameter of porous carbon particles" is calculated as the arithmetic mean value of particle diameters of particles observed within several to several tens of fields of view using an observation tool such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM).
本形態に係る正極材料は、上述したように、多孔質カーボン粒子の細孔内に、硫黄を含む正極活物質およびリンを含む硫化物固体電解質を充填させたものである。そして、当該正極材料は、多孔質カーボン粒子の断面を走査型電子顕微鏡を用いて観察した画像において、断面の中心を定点とした相似比1/2の領域Aよりも、断面から領域Aを除いた領域Bの方が、リン原子の濃度が高いことを特徴とする。 As described above, the positive electrode material according to this embodiment is obtained by filling the pores of porous carbon particles with a sulfur-containing positive electrode active material and a phosphorus-containing sulfide solid electrolyte. Furthermore, this positive electrode material is characterized in that, in an image of a cross section of a porous carbon particle observed using a scanning electron microscope, the concentration of phosphorus atoms is higher in region B, which is obtained by excluding region A from the cross section and has a similarity ratio of 1/2 with the center of the cross section as a fixed point, than in region A.
図3は、先行技術である特許文献1における正極材料100’の断面模式図である。また、図4は、本発明の一実施形態に係る正極材料100の断面模式図である。図3および図4において、多孔質カーボン粒子110は多数の細孔110aを有し、細孔110aの内部には正極活物質120が充填されている。図3の正極材料100’は、正極活物質120が充填された多孔質カーボン粒子110と、硫化物固体電解質130とを機械混合することにより製造されている。細孔110aの細孔径はナノスケールであるため、機械混合により硫化物固体電解質130が細孔110aの中に入り込むことはなく、硫化物固体電解質130は多孔質カーボン粒子110の表面に付着している。一方、図4の正極材料100は、硫化物固体電解質130を含む溶液に、正極活物質120が充填された多孔質カーボン粒子110を含浸させることにより製造されている。硫化物固体電解質130を含む溶液は、ナノスケールの細孔110aにも容易に入り込むことができる。このため、図4に示すように、細孔110aの内部の正極活物質120が充填されていない部分に硫化物固体電解質130が充填される。よって、図4の正極材料100においては、正極活物質120からなる連続相が細孔110aの内部に充填されるとともに多孔質カーボン粒子110の表面にも存在しており、硫化物固体電解質130が前記連続相中に分散相として配置されている。これにより、多孔質カーボン粒子の表面に配置された硫化物固体電解質の少なくとも一部と、同様に多孔質カーボン粒子の表面に配置された正極活物質(硫黄)の少なくとも一部とが互いに接している。このような構成を有することで、特に多くの反応点(三相界面)を形成することが可能となる。また、図4の正極材料100においては、多孔質カーボン粒子110の内部よりも表面部分により多くの硫化物固体電解質130が充填されている。また、多孔質カーボン粒子110の表面に硫化物固体電解質130からなる被覆層が形成されている。これらの配置とすることにより、正極材料100のイオン伝導性が向上しうる。さらに、図4の正極材料100においては、多孔質カーボン粒子110の表面部分よりも内部により多くの正極活物質120が充填されている。このような配置とすることにより、正極材料100の電子伝導性が向上しうる。よって、これらの配置を有する正極材料100を二次電池に適用することにより、二次電池の内部抵抗をいっそう低減させることが可能となる。 Figure 3 is a cross-sectional schematic diagram of a cathode material 100' in Patent Document 1, a prior art. Figure 4 is a cross-sectional schematic diagram of a cathode material 100 according to one embodiment of the present invention. In Figures 3 and 4, porous carbon particles 110 have numerous pores 110a, and the pores 110a are filled with a cathode active material 120. The cathode material 100' in Figure 3 is produced by mechanically mixing porous carbon particles 110 filled with the cathode active material 120 and a sulfide solid electrolyte 130. Because the pore diameter of the pores 110a is nanoscale, the sulfide solid electrolyte 130 does not enter the pores 110a due to mechanical mixing, and instead adheres to the surface of the porous carbon particles 110. On the other hand, the cathode material 100 in Figure 4 is produced by impregnating porous carbon particles 110 filled with the cathode active material 120 into a solution containing the sulfide solid electrolyte 130. The solution containing the sulfide solid electrolyte 130 can easily enter the nanoscale pores 110a. Therefore, as shown in FIG. 4, the sulfide solid electrolyte 130 fills the portions of the pores 110a that are not filled with the positive electrode active material 120. Therefore, in the positive electrode material 100 of FIG. 4, a continuous phase consisting of the positive electrode active material 120 fills the interior of the pores 110a and is also present on the surfaces of the porous carbon particles 110, with the sulfide solid electrolyte 130 disposed as a dispersed phase within the continuous phase. As a result, at least a portion of the sulfide solid electrolyte disposed on the surfaces of the porous carbon particles is in contact with at least a portion of the positive electrode active material (sulfur) similarly disposed on the surfaces of the porous carbon particles. This configuration makes it possible to form a particularly large number of reaction sites (three-phase interfaces). Furthermore, in the positive electrode material 100 of FIG. 4, the surface portions of the porous carbon particles 110 are filled with more sulfide solid electrolyte 130 than the interior portions. Furthermore, a coating layer consisting of the sulfide solid electrolyte 130 is formed on the surfaces of the porous carbon particles 110. These arrangements can improve the ionic conductivity of the positive electrode material 100. Furthermore, in the positive electrode material 100 of FIG. 4, more positive electrode active material 120 is packed into the interior of the porous carbon particles 110 than in the surface portions. This arrangement can improve the electronic conductivity of the positive electrode material 100. Therefore, by applying the positive electrode material 100 having these arrangements to a secondary battery, it is possible to further reduce the internal resistance of the secondary battery.
上述したように、本形態に係る正極材料は、多孔質カーボン粒子110の内部よりも表面部分により多くの硫化物固体電解質130が充填されたものである。すなわち、本形態に係る正極材料は、多孔質カーボン粒子の断面を走査型電子顕微鏡を用いて観察した画像において、断面の中心を定点とした相似比1/2の領域Aよりも、断面から領域Aを除いた領域Bの方が、リン原子の濃度が高いことを特徴とする。図5は、本発明の一実施形態に係る正極材料において、領域Aおよび領域Bを説明するための図である。図5に示すように、本明細書において、多孔質カーボン粒子110の断面の中心Cを定点とした相似比1/2の図形に囲まれた領域を領域Aと定義とする。つまり、多孔質カーボン粒子の断面の形状と、領域Aの形状とは相似であり、これらの相似比は断面:領域A=1:1/2である。そして、多孔質カーボン粒子の断面の形状の任意の点Xと、当該点Xに対応する領域Aの形状の点Yとを結ぶ線上の、線分XY=線分YCとなるような点が断面の中心Cである。多孔質カーボン粒子の断面の形状によっては、中心Cは、多孔質カーボン粒子の断面の重心と一致する場合がある。この場合、多孔質カーボン粒子の断面積を2等分する任意の2本の直線の交点が断面の中心Cとなる。なお、多孔質カーボン粒子の断面の形状がdであると、領域Aの少なくとも一部が多孔質カーボン粒子の断面の範囲外に位置することとなる場合がある。本明細書では、このような場合となる多孔質カーボン粒子の断面については、測定対象から除外するものとする。また、本明細書において、断面から領域Aを除いた領域を領域Bとする。上述のように、断面:領域A=1:1/2であることから、多孔質カーボン粒子の断面積:領域Aの面積:領域Bの面積=1:1/4:3/4の関係にある。領域Aよりも領域Bの方がリン原子の濃度が高いか否かは、走査型電子顕微鏡(SEM)による多孔質カーボン粒子の断面の観察画像において、エネルギー分散型X線分光法(EDX)を用いてリンの元素マッピングを行い、リン元素のカウント数を指標として判別することができる。具体的な判別手法については、後述の実施例に記載する。領域Aのリン原子濃度をPA、領域Bのリン原子濃度をPBとした際、PB/PAは1を超えることが必須であり、好ましくは1.3以上2以下であり、さらに好ましくは、1.5以上2以下である。PB/PAの値が上記の範囲であると正極材料100のイオン伝導性が向上しうる。その結果、正極材料100を適用した二次電池において、内部抵抗をいっそう低減させることが可能となる。PB/PAの値は、正極材料の製造において、硫黄が充填された多孔質カーボン粒子をリン含有硫化物固体電解質溶液に含浸させる際の、リン含有硫化物固体電解質溶液の濃度により制御することができる。リン含有硫化物固体電解質溶液を高濃度とすることにより、PB/PAの値が大きくなる。 As described above, the positive electrode material according to this embodiment is characterized in that the surface portion of the porous carbon particles 110 is filled with more sulfide solid electrolyte 130 than the interior thereof. That is, the positive electrode material according to this embodiment is characterized in that, in an image of a cross section of a porous carbon particle observed using a scanning electron microscope, the concentration of phosphorus atoms is higher in region B, which is obtained by excluding region A from the cross section, than in region A, which has a similarity ratio of 1/2 and is set at the center of the cross section. FIG. 5 is a diagram illustrating region A and region B in a positive electrode material according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5 , in this specification, region A is defined as a region surrounded by a figure with a similarity ratio of 1/2 and set at the center C of the cross section of the porous carbon particle 110 as a fixed point. That is, the cross-sectional shape of the porous carbon particle and the shape of region A are similar, and the similarity ratio between them is cross section:region A = 1:1/2. The center C of the cross section is the point on the line connecting any point X on the cross-sectional shape of the porous carbon particle and point Y on the shape of region A corresponding to point X, where line segment XY = line segment YC. Depending on the cross-sectional shape of the porous carbon particle, the center C may coincide with the center of gravity of the cross-section of the porous carbon particle. In this case, the center C of the cross-section is the intersection of any two lines that bisect the cross-sectional area of the porous carbon particle. When the cross-sectional shape of the porous carbon particle is d, at least a portion of region A may be located outside the cross-section of the porous carbon particle. In this specification, the cross-section of the porous carbon particle in this case is excluded from the measurement target. In addition, in this specification, the region excluding region A from the cross-section is referred to as region B. As described above, since the ratio of cross-section:region A is 1:1/2, the relationship of cross-sectional area of the porous carbon particle: area of region A: area of region B is 1:1/4:3/4. Whether the concentration of phosphorus atoms is higher in region B than in region A can be determined by performing elemental mapping of phosphorus using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) in an image of the cross-section of the porous carbon particle observed with a scanning electron microscope (SEM), and using the count number of phosphorus elements as an index. A specific determination method will be described in the Examples below. When the phosphorus atom concentration in region A is P A and the phosphorus atom concentration in region B is P B , P B /P A must be greater than 1, preferably 1.3 or more and 2 or less, and more preferably 1.5 or more and 2 or less. When the value of P B /P A is in the above range, the ionic conductivity of the positive electrode material 100 can be improved. As a result, it is possible to further reduce the internal resistance of a secondary battery using the positive electrode material 100. The value of P B /P A can be controlled by the concentration of the phosphorus-containing sulfide solid electrolyte solution when impregnating the sulfur-filled porous carbon particles with the phosphorus-containing sulfide solid electrolyte solution in the production of the positive electrode material. By increasing the concentration of the phosphorus-containing sulfide solid electrolyte solution, the value of P B /P A increases.
本形態に係る正極材料は、多孔質カーボン粒子110の表面部分よりも内部により多くの正極活物質120が充填されたものであることが好ましい。すなわち、好ましい一形態に係る正極材料は、領域Bよりも領域Aの方が、硫黄原子の濃度が高い。領域Bよりも領域Aの方が硫黄原子の濃度が高いか否かは、走査型電子顕微鏡(SEM)による多孔質カーボン粒子の断面の観察画像において、エネルギー分散型X線分光法(EDX)を用いて硫黄の元素マッピングを行い、硫黄元素のカウント数を指標として判別することができる。具体的な判別手法については、後述の実施例に記載する。領域Aの硫黄原子濃度をSA、領域Bの硫黄原子濃度をSBとした際、SA/SBは1を超えることが必須であり、好ましくは1.3以上2以下であり、さらに好ましくは、1.5以上2以下である。SA/SBの値が上記の範囲であると正極材料100の電子伝導性が向上しうる。その結果、正極材料100を適用した二次電池において、内部抵抗をいっそう低減させることが可能となる。SA/SBの値は、正極材料の製造において、多孔質カーボン粒子を、硫黄を含む正極活物質を含む液体に含浸させる際の、当該液体の粘度により制御することができる。当該液体の粘度が低いと、多孔質カーボン粒子の細孔の深い部分に液体が行き渡り、多孔質カーボン粒子の中心部分に近い領域Bの硫黄原子濃度が相対的に高くなる。硫黄を含む正極活物質を含む液体として、例えば硫黄を加熱溶融させた溶融液を用いる際は、溶融液の温度を高くすることにより溶融液の粘度が低下する。硫黄を含む正極活物質を含む液体として、例えば、硫化リチウムを溶媒に溶解させてなる硫化リチウム溶液である場合は、溶液中の硫化リチウムの濃度を低くすることにより、溶液の粘度が低下する。 The positive electrode material according to this embodiment preferably has more positive electrode active material 120 packed into the interior of the porous carbon particles 110 than into the surface portion thereof. That is, in a preferred embodiment of the positive electrode material, the concentration of sulfur atoms is higher in region A than in region B. Whether the concentration of sulfur atoms is higher in region A than in region B can be determined by performing elemental mapping of sulfur using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) in an image of the cross section of the porous carbon particles observed with a scanning electron microscope (SEM), and using the count number of sulfur elements as an indicator. Specific determination methods will be described in the Examples below. When the sulfur atom concentration in region A is S A and the sulfur atom concentration in region B is S B , S A /S B must exceed 1, preferably 1.3 or more and 2 or less, and more preferably 1.5 or more and 2 or less. When the value of S A /S B is within the above range, the electronic conductivity of the positive electrode material 100 can be improved. As a result, the internal resistance of a secondary battery using the positive electrode material 100 can be further reduced. The value of S A /S B can be controlled by the viscosity of the liquid when porous carbon particles are impregnated with a liquid containing a sulfur-containing cathode active material in the production of a cathode material. If the viscosity of the liquid is low, the liquid will penetrate deep into the pores of the porous carbon particles, and the sulfur atom concentration in region B near the center of the porous carbon particles will be relatively high. When using a molten liquid obtained by heating and melting sulfur as the liquid containing a sulfur-containing cathode active material, for example, the viscosity of the molten liquid can be reduced by increasing the temperature of the molten liquid. When using a lithium sulfide solution obtained by dissolving lithium sulfide in a solvent as the liquid containing a sulfur-containing cathode active material, for example, the viscosity of the solution can be reduced by reducing the concentration of lithium sulfide in the solution.
本形態に係る正極材料は、図4に示すように、多孔質カーボン粒子110の表面の少なくとも一部に硫化物固体電解質130を含む被覆層を有することが好ましい。このような被覆層を有することにより、隣接する多孔質カーボン粒子同士のイオン伝導性が向上しうる。その結果、正極材料を適用した二次電池において、内部抵抗をいっそう低減させることが可能となる。この際、被覆層の厚さは300nm以下であることが好ましく、10nm以上200nm以下であることがより好ましく、10nm以上100nm以下であることがさらに好ましく、10nm以上50nm以下であることが好ましい。被覆層の厚さが300nm以下であると、隣接する多孔質カーボン粒子同士の電子伝導性の低下を抑制することができる。被覆層の厚さが10nm以上であると、隣接する多孔質カーボン粒子同士のイオン伝導性がよりいっそう向上しうる。なお、被覆層の厚さは、透過型電子顕微鏡(TEM)による多孔質カーボン粒子の断面の観察画像において、エネルギー分散型X線分光法(EDX)を用いて炭素およびリンの元素マッピングを行い、粒子境界から被覆層の最表面までの距離を測定することで求めることができる。具体的な判別手法については、後述の実施例に記載する。被覆層の厚さは、正極材料の製造において、硫黄を含む正極活物質を充填させた多孔質カーボン粒子を、リン含有硫化物固体電解質溶液に含浸させる際の、当該溶液の濃度により制御することができる。当該溶液の濃度が低いと、被覆層の厚さは小さくなる。 As shown in FIG. 4, the cathode material of this embodiment preferably has a coating layer containing a sulfide solid electrolyte 130 on at least a portion of the surface of the porous carbon particle 110. The presence of such a coating layer can improve ionic conductivity between adjacent porous carbon particles. As a result, the internal resistance of a secondary battery incorporating the cathode material can be further reduced. In this case, the thickness of the coating layer is preferably 300 nm or less, more preferably 10 nm to 200 nm, even more preferably 10 nm to 100 nm, and preferably 10 nm to 50 nm. A coating layer thickness of 300 nm or less can suppress a decrease in electronic conductivity between adjacent porous carbon particles. A coating layer thickness of 10 nm or more can further improve ionic conductivity between adjacent porous carbon particles. The thickness of the coating layer can be determined by performing elemental mapping of carbon and phosphorus using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) on a cross-sectional image of the porous carbon particle observed with a transmission electron microscope (TEM) and measuring the distance from the particle boundary to the outermost surface of the coating layer. Specific methods for determining this are described in the Examples section below. The thickness of the coating layer can be controlled by the concentration of the phosphorus-containing sulfide solid electrolyte solution used when impregnating porous carbon particles filled with a sulfur-containing cathode active material in the production of the cathode material. A low concentration of the solution results in a smaller coating layer thickness.
上記のような構成を有する本形態に係る正極材料の製造方法については、特に制限されないが、硫黄を含む正極活物質を含有する液体を、多孔質カーボン粒子に含浸させて複合材を得る工程(以下、工程(1)とも称する)と、リン含有硫化物固体電解質溶液を、前記複合材に含浸させる工程(以下、工程(2)とも称する)とを含む製造方法であることが好ましい。これにより、リン含有硫化物固体電解質を多孔質カーボン粒子の内部と比較して表面側において濃度が高くなるように充填させることが可能となる。以下、このような製造方法の一例について簡単に説明する。 The method for producing the cathode material according to this embodiment having the above-described configuration is not particularly limited, but is preferably a production method including a step of impregnating porous carbon particles with a liquid containing a sulfur-containing cathode active material to obtain a composite material (hereinafter also referred to as step (1)), and a step of impregnating the composite material with a phosphorus-containing sulfide solid electrolyte solution (hereinafter also referred to as step (2)). This makes it possible to fill the porous carbon particles with the phosphorus-containing sulfide solid electrolyte so that its concentration is higher on the surface side than in the interior. An example of such a production method is briefly described below.
工程(1)では、硫黄を含む正極活物質を含有する液体を、多孔質カーボン粒子に含浸させて複合材を得る。硫黄を含む正極活物質を含有する液体としては、正極活物質そのものを加熱溶融させてなる溶融液や、正極活物質を溶媒に溶解させてなる正極活物質溶液が挙げられる。一例として、硫黄を含む正極活物質が硫黄単体である場合は、硫黄を含む正極活物質を含有する液体は硫黄を加熱溶融させてなる溶融液でありうる。すなわち、好ましい一形態に係る正極材料の製造方法は、前記液体が、硫黄を加熱溶融させてなる溶融液である。他の一例として、硫黄を含む正極活物質が硫化リチウム(Li2S)である場合は、硫黄を含む正極活物質を含有する液体は硫化リチウムを溶媒(好ましくは、炭素数1~4のアルコール)に溶解させてなる硫化リチウム溶液でありうる。すなわち、好ましい一形態に係る正極材料の製造方法は、前記液体が、硫化リチウムを溶媒(好ましくは、炭素数1~4のアルコール)に溶解させてなる硫化リチウム溶液である。 In step (1), a composite material is obtained by impregnating porous carbon particles with a liquid containing a sulfur-containing cathode active material. Examples of the liquid containing the sulfur-containing cathode active material include a molten liquid obtained by heating and melting the cathode active material itself, and a cathode active material solution obtained by dissolving the cathode active material in a solvent. For example, when the sulfur-containing cathode active material is elemental sulfur, the liquid containing the sulfur-containing cathode active material can be a molten liquid obtained by heating and melting sulfur. That is, in a preferred embodiment of the method for producing a cathode material, the liquid is a molten liquid obtained by heating and melting sulfur. As another example, when the sulfur-containing cathode active material is lithium sulfide (Li 2 S), the liquid containing the sulfur-containing cathode active material can be a lithium sulfide solution obtained by dissolving lithium sulfide in a solvent (preferably, an alcohol having 1 to 4 carbon atoms). That is, in a preferred embodiment of the method for producing a cathode material, the liquid is a lithium sulfide solution obtained by dissolving lithium sulfide in a solvent (preferably, an alcohol having 1 to 4 carbon atoms).
工程(1)において、正極活物質(例えば、硫黄)を加熱溶融させてなる溶融液を多孔質カーボン粒子に含浸させて複合材を得る場合、乳鉢等の混合手段を用いたミキシング処理や、遊星ボールミル等の粉砕手段を用いたミリング処理により、硫黄を含む正極活物質と多孔質カーボン粒子とを予め混合した後、熱処理により硫黄を含む正極活物質(例えば、硫黄)を溶融させることが好ましい。当該熱処理によって硫黄を含む正極活物質が多孔質カーボン粒子の細孔の内部にまで充填された複合材が得られる。 In step (1), when a composite is obtained by impregnating porous carbon particles with a molten liquid obtained by heating and melting a positive electrode active material (e.g., sulfur), it is preferable to first mix the sulfur-containing positive electrode active material and porous carbon particles by mixing using a mixing means such as a mortar or milling using a grinding means such as a planetary ball mill, and then melt the sulfur-containing positive electrode active material (e.g., sulfur) by heat treatment. This heat treatment results in a composite in which the sulfur-containing positive electrode active material is filled even inside the pores of the porous carbon particles.
工程(1)において、正極活物質を溶媒に溶解させてなる正極活物質溶液を多孔質カーボン粒子に含浸させて複合材を得る場合、予め正極活物質を溶媒に溶解させてなる正極活物質溶液を調製する。この際の溶媒は、正極活物質を溶解可能なものであれば(常圧下、25℃における溶解度が1g/L以上であれば)、特に制限されない。例えば、正極活物質として硫化リチウムを用いる場合、溶媒は、溶解性、操作性、安全性等の観点から、低級アルコールが好適であり、炭素数1~4のアルコールであることが好ましい。炭素数1~4のアルコールとしては、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、n-ブタノール、2-ブタノール、tert-ブタノールが挙げられる。中でも、硫化リチウムの溶解性、操作性、安全性等の観点から、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノールが好ましく、メタノール、エタノールがより好ましく、エタノールが特に好ましい。 In step (1), when porous carbon particles are impregnated with a positive electrode active material solution prepared by dissolving a positive electrode active material in a solvent to obtain a composite material, a positive electrode active material solution is prepared by dissolving the positive electrode active material in a solvent in advance. The solvent used in this step is not particularly limited, as long as it can dissolve the positive electrode active material (as long as the solubility at normal pressure and 25°C is 1 g/L or more). For example, when lithium sulfide is used as the positive electrode active material, a lower alcohol is suitable as the solvent from the viewpoints of solubility, operability, safety, etc., and an alcohol having 1 to 4 carbon atoms is preferable. Examples of alcohols having 1 to 4 carbon atoms include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, n-butanol, 2-butanol, and tert-butanol. Among these, from the viewpoints of solubility of lithium sulfide, operability, safety, etc., methanol, ethanol, 1-propanol, and 2-propanol are preferred, with methanol and ethanol being more preferred, and ethanol being particularly preferred.
上記溶媒は、水分含量が少ないものであることが好ましく、具体的には0.2質量%未満であることが好ましい。水分含量が0.2質量%未満であると、溶媒中の水分により正極活物質(硫化リチウム)が分解してしまうことを抑制できる。より好ましくは、溶媒中の水分含量は0.1質量%以下であり、さらに好ましくは0.05質量%以下であり、さらにより好ましくは0.02質量%以下であり、さらにより好ましくは0.01質量%以下であり、さらにより好ましくは0.005質量%以下であり、特に好ましくは0.002質量%以下である。溶媒中の水分含量は、例えば、カールフィッシャー電量滴定法によって測定することができる。 The above-mentioned solvent preferably has a low water content, specifically, less than 0.2% by mass. A water content of less than 0.2% by mass can prevent the positive electrode active material (lithium sulfide) from being decomposed by the water in the solvent. More preferably, the water content in the solvent is 0.1% by mass or less, even more preferably 0.05% by mass or less, even more preferably 0.02% by mass or less, even more preferably 0.01% by mass or less, even more preferably 0.005% by mass or less, and particularly preferably 0.002% by mass or less. The water content in the solvent can be measured, for example, by Karl Fischer coulometric titration.
次いで、得られた正極活物質溶液に多孔質カーボン粒子を含浸させて分散液を調製し、その後、この分散液を撹拌しながら溶媒を除去する。溶媒の除去は、好ましくは減圧下で、例えば60~250℃、好ましくは150~180℃程度の温度で、例えば1~120時間、好ましくは1~10時間の熱処理を施すことにより行われる。これにより、硫黄を含む正極活物質が多孔質カーボン粒子の細孔の内部に充填された複合材が得られる。 Next, porous carbon particles are impregnated with the resulting positive electrode active material solution to prepare a dispersion, and the solvent is then removed from the dispersion while stirring. The solvent is removed by heat treatment, preferably under reduced pressure, at a temperature of, for example, 60 to 250°C, preferably 150 to 180°C, for, for example, 1 to 120 hours, preferably 1 to 10 hours. This results in a composite material in which the sulfur-containing positive electrode active material is filled inside the pores of the porous carbon particles.
工程(2)では、リン含有硫化物固体電解質溶液を、前記複合材に含浸させる。リン含有硫化物固体電解質溶液は、リン含有硫化物固体電解質を溶媒に溶解させることにより調製できる。ここで、溶媒は、リン含有硫化物固体電解質を溶解可能なものであれば(常圧下、25℃における溶解度が1g/L以上であれば)、特に制限されない。このような溶媒として、溶解性、操作性、安全性等の観点から、低級アルコールが好適であり、炭素数1~4のアルコールであることが好ましい。すなわち、好ましい一形態に係る正極材料の製造方法は、前記リン含有硫化物固体電解質溶液は、リン含有硫化物固体電解質を炭素数1~4のアルコールに溶解させてなる。炭素数1~4のアルコールとしては、上記工程(1)で説明したものを同様に適用することができる。 In step (2), the composite material is impregnated with a phosphorus-containing sulfide solid electrolyte solution. The phosphorus-containing sulfide solid electrolyte solution can be prepared by dissolving the phosphorus-containing sulfide solid electrolyte in a solvent. The solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the phosphorus-containing sulfide solid electrolyte (as long as the solubility is 1 g/L or more at normal pressure and 25°C). From the viewpoints of solubility, operability, safety, and the like, a lower alcohol is suitable as such a solvent, and an alcohol having 1 to 4 carbon atoms is preferred. That is, in a preferred embodiment of the method for producing a positive electrode material, the phosphorus-containing sulfide solid electrolyte solution is obtained by dissolving the phosphorus-containing sulfide solid electrolyte in an alcohol having 1 to 4 carbon atoms. The alcohol having 1 to 4 carbon atoms described above in step (1) can be used as the alcohol having 1 to 4 carbon atoms.
次いで、得られたリン含有硫化物固体電解質溶液を前記複合体に含浸させ、その後、この分散液を撹拌しながら溶媒を除去する。溶媒の除去は、好ましくは減圧下で、70℃以下の温度で行うことが好ましい。これにより固体電解質の分解が抑制され、内部抵抗がよりいっそう低減できる。 Next, the composite is impregnated with the resulting phosphorus-containing sulfide solid electrolyte solution, and the solvent is then removed while stirring the dispersion. The solvent is preferably removed under reduced pressure at a temperature of 70°C or less. This prevents decomposition of the solid electrolyte and further reduces internal resistance.
本形態の正極材料における硫黄を含む正極活物質とリン含有硫化物固体電解質との質量比は特に制限されないが、例えば、硫黄を含む正極活物質:リン含有硫化物固体電解質=1:99~99:1である。上記質量比は、好ましくは正極活物質:リン含有硫化物固体電解質=50:50~1:99であり、より好ましくは1:1~1:20である。上記範囲であれば、正極活物質の量を十分に確保できるために高性能の電池が得られうる。また、正極材料のイオン伝導性を確保でき、細孔内においてもイオン伝導のネットワークが十分に形成されるため好ましい。さらに、固体電解質が多すぎることによる固体電解質の分解も生じにくいため好ましい。また、硫黄を含む正極活物質と多孔質カーボン粒子との質量比は特に制限されないが、例えば、(硫黄を含む正極活物質/多孔質カーボン粒子)の比が、0.5~5であり、好ましくは1~4である。上記範囲で二次電池の内部抵抗をよりいっそう低減させることができる。正極活物質層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、35~99質量%の範囲内であることが好ましく、40~90質量%の範囲内であることがより好ましい。なお、この含有量の値は、多孔質カーボン粒子およびリン含有硫化物固体電解質を除く正極活物質のみの質量を基準に算出するものとする。 The mass ratio of the sulfur-containing cathode active material to the phosphorus-containing sulfide solid electrolyte in the cathode material of this embodiment is not particularly limited, but may be, for example, 1:99 to 99:1 (sulfur-containing cathode active material:phosphorus-containing sulfide solid electrolyte). The mass ratio is preferably 50:50 to 1:99 (positive electrode active material:phosphorus-containing sulfide solid electrolyte), more preferably 1:1 to 1:20. This range ensures a sufficient amount of cathode active material, resulting in a high-performance battery. This is also preferable because it ensures the ionic conductivity of the cathode material and ensures a sufficient ionic conduction network within the pores. Furthermore, it is also preferable because it is less likely to decompose the solid electrolyte due to an excessive amount of solid electrolyte. The mass ratio of the sulfur-containing cathode active material to the porous carbon particles is also not particularly limited, but for example, the ratio (sulfur-containing cathode active material/porous carbon particles) is 0.5 to 5, preferably 1 to 4. This range further reduces the internal resistance of the secondary battery. The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 35 to 99 mass%, and more preferably in the range of 40 to 90 mass%. Note that this content value is calculated based on the mass of only the positive electrode active material, excluding the porous carbon particles and phosphorus-containing sulfide solid electrolyte.
また、正極活物質層は、導電助剤(正極活物質や固体電解質を細孔内部に保持していないもの)および/またはバインダをさらに含んでもよい。 The positive electrode active material layer may further contain a conductive additive (one that does not hold the positive electrode active material or solid electrolyte inside the pores) and/or a binder.
正極活物質層の厚さは、目的とする二次電池の構成によっても異なるが、例えば、0.1~1000μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the positive electrode active material layer varies depending on the desired secondary battery configuration, but is preferably within the range of 0.1 to 1000 μm, for example.
[正極集電板および負極集電板]
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板27と負極集電板25とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
[Positive electrode current collector plate and negative electrode current collector plate]
The material constituting the current collector plates (25, 27) is not particularly limited, and known highly conductive materials conventionally used as current collector plates for secondary batteries can be used. Metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferred as constituent materials of the current collector plates. From the viewpoints of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferred, and aluminum is particularly preferred. The positive current collector plate 27 and the negative current collector plate 25 may be made of the same material or different materials.
[正極リードおよび負極リード]
また、図示は省略するが、集電体と集電板との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウム二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
[Positive electrode lead and negative electrode lead]
Although not shown, the current collector and the current collecting plate may be electrically connected via a positive electrode lead or a negative electrode lead. Materials used in known lithium secondary batteries may be used as the constituent materials of the positive electrode and negative electrode lead. It is preferable that the portion removed from the outer casing be covered with a heat-resistant, insulating heat-shrinkable tube or the like to prevent contact with peripheral devices or wiring, resulting in electrical leakage and affecting the product (e.g., automotive parts, particularly electronic devices).
[電池外装材]
電池外装材としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、図1および図2に示すように発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルム29を用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができることから、外装体はアルミニウムを含むラミネートフィルムがより好ましい。
[Battery exterior material]
As the battery exterior material, a known metal can case can be used, or a bag-shaped case using an aluminum-containing laminate film 29 that can cover the power generating element as shown in Figures 1 and 2 can be used. The laminate film can be, for example, a three-layer laminate film formed by laminating PP, aluminum, and nylon in this order, but is not limited thereto. A laminate film is desirable from the viewpoint of its high output and excellent cooling performance, making it suitable for use in batteries for large equipment such as EVs and HEVs. Furthermore, an aluminum-containing laminate film is more preferable for the exterior body because it allows for easy adjustment of the collective pressure applied to the power generating element from the outside.
本形態に係る積層型電池は、複数の単電池層が並列に接続された構成を有することにより、高容量でサイクル耐久性に優れるものである。したがって、本形態に係る積層型電池は、EV、HEVの駆動用電源として好適に使用される。 The stacked battery according to this embodiment has a configuration in which multiple single cell layers are connected in parallel, resulting in high capacity and excellent cycle durability. Therefore, the stacked battery according to this embodiment is suitable for use as a power source for driving EVs and HEVs.
以上、リチウム二次電池の一実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態において説明した構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。 The above describes one embodiment of a lithium secondary battery, but the present invention is not limited to the configuration described in the above embodiment and can be modified as appropriate based on the claims.
例えば、本形態に係るリチウム二次電池が適用される電池の種類として、集電体の一方の面に電気的に結合した正極活物質層と、集電体の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層とを有する双極型電極を含む、双極型(バイポーラ型)の電池も挙げられる。 For example, the lithium secondary battery according to this embodiment can be used in a bipolar battery, which includes a bipolar electrode having a positive electrode active material layer electrically bonded to one surface of a current collector and a negative electrode active material layer electrically bonded to the opposite surface of the current collector.
また、本形態に係る二次電池は、全固体型でなくてもよい。すなわち、固体電解質層は、従来公知の液体電解質(電解液)をさらに含有していてもよい。固体電解質層に含まれうる液体電解質(電解液)の量について特に制限はないが、固体電解質により形成された固体電解質層の形状が保持され、液体電解質(電解液)の液漏れが生じない程度の量であることが好ましい。 Furthermore, the secondary battery according to this embodiment does not have to be an all-solid-state type. That is, the solid electrolyte layer may further contain a conventionally known liquid electrolyte (electrolytic solution). There are no particular restrictions on the amount of liquid electrolyte (electrolytic solution) that can be contained in the solid electrolyte layer, but it is preferable that the amount be such that the shape of the solid electrolyte layer formed by the solid electrolyte is maintained and leakage of the liquid electrolyte (electrolytic solution) does not occur.
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 The present invention will be described in more detail below using examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples.
《試験用セルの作製例》
[実施例1]
(正極材料の調製)
(1)露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、正極活物質である硫黄(Aldrich社製)2.571gと、多孔質カーボン粒子である多孔質炭素粉末(東洋炭素株式会社製、クノーベル(登録商標)P(3)010)0.429gとをメノウ乳鉢で十分に混合した後、混合粉末を密閉耐圧オートクレーブ容器に入れて185℃で8時間加熱することにより硫黄を溶融させて、硫黄含浸多孔質カーボン複合材を調製した。
<<Example of test cell production>>
[Example 1]
(Preparation of positive electrode material)
(1) In a glove box in an argon atmosphere with a dew point of −68° C. or lower, 2.571 g of sulfur (manufactured by Aldrich Chemical Co., Ltd.) as a positive electrode active material and 0.429 g of porous carbon powder (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., Knobel (registered trademark) P(3)010) as porous carbon particles were thoroughly mixed in an agate mortar, and the mixed powder was then placed in a sealed pressure-resistant autoclave and heated at 185° C. for 8 hours to melt the sulfur, thereby preparing a sulfur-impregnated porous carbon composite.
(2)露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、硫化物固体電解質(Ampcera社製、Li6PS5Cl)0.353gを18mLの超脱水エタノール(富士フイルム和光純薬株式会社製)に加え、溶液が透明になるまで撹拌して固体電解質をエタノールに溶解させた。得られた溶液に、上記で調製した硫黄含浸多孔質カーボン複合材1.647gを加え、よく撹拌して溶液中に硫黄含浸多孔質カーボン複合材を十分に分散させた。この分散液が入った容器を真空装置に接続し、マグネティックスターラーにより容器中の分散液を撹拌しながら油回転ポンプにより容器中を1Pa以下の減圧状態にした。減圧下では溶媒であるエタノールが揮発するため、時間の経過とともにエタノールが除去され、硫黄および固体電解質が細孔内に充填された多孔質カーボン粒子が容器内に残存した。このようにしてエタノールを減圧除去した後に減圧下で70℃に加熱し、3時間熱処理を行うことにより正極材料を調製した。 (2) In a glove box with an argon atmosphere and a dew point of -68°C or less, 0.353 g of sulfide solid electrolyte (Ampcera, Li6PS5Cl ) was added to 18 mL of ultra-dehydrated ethanol (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and stirred until the solution became clear, dissolving the solid electrolyte in the ethanol. 1.647 g of the sulfur-impregnated porous carbon composite prepared above was added to the resulting solution, and the mixture was thoroughly stirred to fully disperse the sulfur-impregnated porous carbon composite in the solution. The container containing this dispersion was connected to a vacuum device, and while stirring the dispersion in the container with a magnetic stirrer, the container was evacuated to a pressure of 1 Pa or less using an oil-sealed rotary pump. Because the solvent ethanol volatilizes under reduced pressure, the ethanol was removed over time, leaving porous carbon particles with sulfur and solid electrolyte filled in the pores in the container. After removing the ethanol under reduced pressure, the container was heated to 70°C under reduced pressure and heat-treated for 3 hours to prepare a positive electrode material.
(正極合剤の調製)
露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、5mm径のジルコニアボール40gと、上記で調製した正極材料0.130gと、硫化物固体電解質(Ampcera社製、Li6PS5Cl)0.070gとを容量45mLのジルコニア製容器に入れ、遊星ボールミル(フリッチュ社製、Premium line P-7)により370rpmで6時間処理することにより、正極合剤の粉末を得た。正極合剤の組成(質量比)は、硫黄:固体電解質:多孔質カーボン=50:40:10であった。
(Preparation of positive electrode mixture)
In a glove box in an argon atmosphere with a dew point of −68 ° C. or less, 40 g of 5 mm diameter zirconia balls, 0.130 g of the cathode material prepared above, and 0.070 g of sulfide solid electrolyte (Ampcera, Li 6 PS 5 Cl) were placed in a 45 mL zirconia container and milled at 370 rpm for 6 hours using a planetary ball mill (Fritsch, Premium line P-7) to obtain a powder of a cathode mixture. The composition (mass ratio) of the cathode mixture was sulfur: solid electrolyte: porous carbon = 50:40:10.
(試験用セル(全固体リチウム二次電池)の作製)
電池の作製は、露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。マコール製の円筒チューブ治具(管内径10mm、外径23mm、高さ20mm)の片側にSUS製の円筒凸型パンチ(10mm径)を挿し入れ、円筒チューブ治具の上側から硫化物固体電解質(Ampcera社製、Li6PS5Cl)80mgを入れた。その後、もう1つのSUS製円筒凸型パンチを挿し入れて固体電解質を挟み込み、油圧プレスを用いて75MPaの圧力で3分間プレスすることにより直径10mm、厚さ約0.6mmの固体電解質層を円筒チューブ治具中に形成した。次に、上側から挿し入れた円筒凸型パンチを一旦抜き取り、円筒チューブ内の固体電解質層の片側面に上記で調製した正極合剤7.5mgを入れ、再び上側から円筒凸型パンチ(正極集電体を兼ねる)を挿し入れ、300MPaの圧力で3分間プレスすることで、直径10mm、厚さ約0.06mmの正極活物質層を固体電解質層の片側面に形成した。次に、下側の円筒凸型パンチ(負極集電体を兼ねる)を抜き取り、負極として直径8mmに打ち抜いたリチウム箔(ニラコ社製、厚さ0.20mm)と直径9mmに打ち抜いたインジウム箔(ニラコ社製、厚さ0.30mm)を重ねて、インジウム箔が固体電解質層の側に位置するように円筒チューブ治具の下側から入れて、再び円筒凸型パンチを挿し入れ、75MPaの圧力で3分間プレスすることでリチウム-インジウム負極を形成した。以上のようにして、負極集電体(パンチ)、リチウム-インジウム負極、固体電解質層、正極活物質層、正極集電体(パンチ)がこの順に積層された試験用セル(全固体リチウム二次電池)を作製した。
(Production of test cells (all-solid-state lithium secondary batteries))
The battery was fabricated in a glove box with an argon atmosphere at a dew point of -68 ° C. or less. A SUS cylindrical convex punch (10 mm diameter) was inserted into one side of a Macor cylindrical tube jig (tube inner diameter 10 mm, outer diameter 23 mm, height 20 mm), and 80 mg of sulfide solid electrolyte (Ampcera, Li 6 PS 5 Cl) was placed from the top of the cylindrical tube jig. Then, another SUS cylindrical convex punch was inserted to sandwich the solid electrolyte, and a solid electrolyte layer with a diameter of 10 mm and a thickness of approximately 0.6 mm was formed in the cylindrical tube jig by pressing it at a pressure of 75 MPa for 3 minutes using a hydraulic press. Next, the cylindrical convex punch inserted from above was once removed, and 7.5 mg of the positive electrode mixture prepared above was placed on one side of the solid electrolyte layer in the cylindrical tube. A cylindrical convex punch (also serving as a positive electrode current collector) was again inserted from above and pressed at a pressure of 300 MPa for 3 minutes to form a positive electrode active material layer having a diameter of 10 mm and a thickness of approximately 0.06 mm on one side of the solid electrolyte layer. Next, the lower cylindrical convex punch (also serving as a negative electrode current collector) was removed, and a lithium foil (manufactured by Nilaco Corporation, thickness 0.20 mm) punched to a diameter of 8 mm and an indium foil (manufactured by Nilaco Corporation, thickness 0.30 mm) punched to a diameter of 9 mm were stacked as negative electrodes. The cylindrical tube jig was inserted from the bottom so that the indium foil was positioned on the solid electrolyte layer side. The cylindrical convex punch was again inserted and pressed at a pressure of 75 MPa for 3 minutes to form a lithium-indium negative electrode. In this manner, a test cell (all-solid-state lithium secondary battery) was produced in which the negative electrode current collector (punch), lithium-indium negative electrode, solid electrolyte layer, positive electrode active material layer, and positive electrode current collector (punch) were stacked in this order.
[実施例2]
上記正極材料の調製の工程(2)において、固体電解質0.353gを15mLの超脱水エタノールに溶解させたこと以外は、上記実施例1と同様の手法により、試験用セルを作成した。
[Example 2]
A test cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that in step (2) of preparing the positive electrode material, 0.353 g of the solid electrolyte was dissolved in 15 mL of ultra-dehydrated ethanol.
[比較例1]
上記正極材料の調製の(1)および工程(2)を行わず、以下の手法にて正極材料を調製した。露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、5mm径のジルコニアボール40gと、硫黄0.100gと、硫化物固体電解質0.080gと、多孔質炭素粉末0.020gとを容量45mLのジルコニア製容器に入れ、遊星ボールミルにより370rpmで6時間処理することにより、正極材料を調製した。これ以外は、上記実施例1と同様の手法により、試験用セルを作成した。
[Comparative Example 1]
A positive electrode material was prepared by the following method, without performing steps (1) and (2) of the preparation of the positive electrode material. In a glove box with an argon atmosphere having a dew point of −68°C or lower, 40 g of 5 mm diameter zirconia balls, 0.100 g of sulfur, 0.080 g of sulfide solid electrolyte, and 0.020 g of porous carbon powder were placed in a 45 mL zirconia container and milled at 370 rpm for 6 hours in a planetary ball mill. A test cell was prepared using the same method as in Example 1, except for this.
[比較例2]
上記正極材料の調製の工程(2)を行わず、工程(1)で得た硫黄含浸多孔質カーボン複合材を正極材料として用い、以下の手法にて正極合剤を調製した。露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、5mm径のジルコニアボール40gと、上記正極材料の調製の工程(1)で得た正極材料(硫黄含浸多孔質カーボン複合材)0.120gと、硫化物固体電解質0.080gとを容量45mLのジルコニア製容器に入れ、遊星ボールミルにより370rpmで6時間処理することにより、正極合剤の粉末を得た。正極合剤の組成(質量比)は、硫黄:固体電解質:多孔質カーボン=50:40:10であった。これ以外は、上記実施例1と同様の手法により、試験用セルを作成した。
[Comparative Example 2]
The step (2) of preparing the positive electrode material was omitted, and the sulfur-impregnated porous carbon composite obtained in step (1) was used as the positive electrode material. A positive electrode mixture was prepared by the following method. In a glove box with an argon atmosphere having a dew point of -68 ° C or less, 40 g of 5 mm diameter zirconia balls, 0.120 g of the positive electrode material (sulfur-impregnated porous carbon composite) obtained in step (1) of preparing the positive electrode material, and 0.080 g of a sulfide solid electrolyte were placed in a 45 mL zirconia container and milled at 370 rpm for 6 hours using a planetary ball mill to obtain a powder of the positive electrode mixture. The composition (mass ratio) of the positive electrode mixture was sulfur: solid electrolyte: porous carbon = 50:40:10. A test cell was prepared using the same method as in Example 1 above.
[比較例3]
上記正極材料の調製の工程(1)および工程(2)を行わず、以下の手法にて正極材料を調製した。露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、硫化物固体電解質0.500gを100mLの超脱水エタノールに加え、溶液が透明になるまで撹拌して固体電解質をエタノールに溶解させた。得られた溶液に、多孔質カーボン粒子である活性炭(関西熱化学株式会社製、MSC-30)1.00gを加え、よく撹拌して溶液中に活性炭を十分に分散させた。この分散液が入った容器を真空装置に接続し、マグネティックスターラーにより容器中の分散液を撹拌しながら油回転ポンプにより容器中を1Pa以下の減圧状態にした。減圧下では溶媒であるエタノールが揮発するため、時間の経過とともにエタノールが除去され、固体電解質が細孔内に充填された多孔質カーボン粒子が容器内に残存した。このようにしてエタノールを減圧除去した後に減圧下で180℃に加熱し、3時間熱処理を行うことにより固体電解質含浸多孔質カーボン複合材を調製した。
[Comparative Example 3]
A positive electrode material was prepared using the following method, without performing steps (1) and (2) of the positive electrode material preparation described above. In a glove box with an argon atmosphere and a dew point of −68°C or less, 0.500 g of sulfide solid electrolyte was added to 100 mL of ultra-dehydrated ethanol and stirred until the solution became transparent, dissolving the solid electrolyte in the ethanol. To the resulting solution, 1.00 g of activated carbon (MSC-30, manufactured by Kansai Thermochemical Co., Ltd.) in the form of porous carbon particles was added and stirred thoroughly to thoroughly disperse the activated carbon in the solution. The container containing this dispersion was connected to a vacuum device, and while stirring the dispersion in the container with a magnetic stirrer, the container was reduced in pressure to 1 Pa or less using an oil-sealed rotary pump. Because the solvent ethanol volatilizes under reduced pressure, the ethanol was removed over time, leaving porous carbon particles with the solid electrolyte filled in their pores in the container. After removing the ethanol under reduced pressure in this way, the container was heated to 180°C under reduced pressure and heat-treated for 3 hours to prepare a solid electrolyte-impregnated porous carbon composite.
露点-68℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、上記で調製した固体電解質含浸多孔質カーボン複合材0.750gと、硫黄2.50gとをメノウ乳鉢で十分に混合した後、混合粉末を密閉耐圧オートクレーブ容器に入れて170℃で3時間加熱することにより硫黄を溶融させて、硫黄を固体電解質含浸多孔質カーボン複合材に含浸させて、正極材料を調製した。これ以外は、上記実施例1と同様の手法により、試験用セルを作成した。 In a glove box with an argon atmosphere at a dew point of -68°C or below, 0.750 g of the solid electrolyte-impregnated porous carbon composite prepared above and 2.50 g of sulfur were thoroughly mixed in an agate mortar. The mixed powder was then placed in a sealed pressure-resistant autoclave and heated at 170°C for 3 hours to melt the sulfur, thereby impregnating the solid electrolyte-impregnated porous carbon composite with the sulfur to prepare a positive electrode material. A test cell was otherwise prepared using the same method as in Example 1 above.
《正極材料のリン原子および硫黄原子の濃度ならびに被覆層の厚さの測定》
上記の実施例および比較例で調製した各正極材料について、リン原子および硫黄原子の濃度を測定した。測定装置としては、日本電子株式会社製「JSM-IT800」電界放射型走査型電子顕微鏡を用い、EDS分析をリン、硫黄、炭素の元素に対して行い、各元素の元素マッピングを各多孔質カーボン粒子に対して実施した。多孔質カーボン粒子を観察する際は、FIB(収束イオンビーム)加工により粒子断面を露出させ、観察される粒子に対して炭素の元素マッピングを行い、粒子境界を判断した。
<<Measurement of the concentration of phosphorus atoms and sulfur atoms in the positive electrode material and the thickness of the coating layer>>
The concentrations of phosphorus atoms and sulfur atoms were measured for each of the positive electrode materials prepared in the above examples and comparative examples. A JEOL Ltd. "JSM-IT800" field emission scanning electron microscope was used as the measurement device. EDS analysis was performed on the elements phosphorus, sulfur, and carbon, and elemental mapping of each element was performed on each porous carbon particle. When observing the porous carbon particles, the cross section of the particle was exposed by FIB (focused ion beam) processing, and carbon elemental mapping was performed on the observed particles to determine the particle boundaries.
次に、SEMから観察される粒子の断面において、中心を定点とした相似比1/2の領域A(粒子の内部の領域)についてリンの元素マッピングを行い、リンに由来する信号をカウントした値をp1とした。また、断面から領域Aを除いた領域B(粒子の表面側の領域)についてリンの元素マッピングを行い、リンに由来する信号をカウントした値をp2とした。この操作を10個の粒子について行い、10個の粒子についてのp1の合計をP1とし、10個の粒子についてのp2の合計をP2とした。領域Aの面積:領域Bの面積=1/4:3/4であることから、領域Aのリン原子濃度をPA、領域Bのリン原子濃度PBとした場合、PB/PA=P2/(P1×3)となる。PB/PAが1を超える場合は、領域Aよりも領域Bの方がリン原子の濃度が高いと判断した。 Next, in the cross section of the particle observed by SEM, phosphorus elemental mapping was performed on region A (the internal region of the particle) with a similarity ratio of 1/2, with the center as a fixed point, and the value obtained by counting signals derived from phosphorus was designated p1. Furthermore, phosphorus elemental mapping was performed on region B (the surface region of the particle) excluding region A from the cross section, and the value obtained by counting signals derived from phosphorus was designated p2. This operation was performed on 10 particles, and the sum of p1 for the 10 particles was designated P1, and the sum of p2 for the 10 particles was designated P2. Since the area of region A: the area of region B = 1/4:3/4, if the phosphorus atom concentration in region A is designated P A and the phosphorus atom concentration in region B is designated P B , then P B /P A = P2/(P1×3). When P B /P A exceeds 1, it was determined that the phosphorus atom concentration in region B is higher than that in region A.
同様に、SEMから観察される粒子の断面において、中心を定点とした相似比1/2の領域A(粒子の内部の領域)について硫黄の元素マッピングを行い、硫黄に由来する信号をカウントした値をs1とした。また、断面から領域Aを除いた領域B(粒子の表面側の領域)について硫黄の元素マッピングを行い、硫黄に由来する信号をカウントした値をs2とした。この操作を10個の粒子について行い、10個の粒子についてのs1の合計をS1とし、10個の粒子についてのs2の合計をS2とした。領域Aの面積:領域Bの面積=1/4:3/4であることから、領域Aのリン原子濃度をSA、領域Bのリン原子濃度SBとした場合、SA/SB=(S1×3)/S2となる。SA/SBが1を超える場合は、領域Bよりも領域Aの方が硫黄原子の濃度が高いと判断した。 Similarly, in the cross section of the particle observed by SEM, elemental mapping of sulfur was performed on region A (the internal region of the particle) with a similarity ratio of 1/2 with the center as a fixed point, and the value obtained by counting signals derived from sulfur was designated as s1. Furthermore, elemental mapping of sulfur was performed on region B (the surface region of the particle) excluding region A from the cross section, and the value obtained by counting signals derived from sulfur was designated as s2. This operation was performed on 10 particles, and the sum of s1 for the 10 particles was designated as S1, and the sum of s2 for the 10 particles was designated as S2. Since the area of region A: the area of region B = 1/4:3/4, if the phosphorus atom concentration in region A is designated as S A and the phosphorus atom concentration in region B is designated as S B , then S A /S B = (S1 × 3) /S2. When S A /S B exceeds 1, it was determined that the concentration of sulfur atoms in region A is higher than that in region B.
上記の実施例および比較例で調製した各正極材料について、多孔質カーボン粒子の表面の被覆層の厚さを測定した。測定装置として、日本電子株式会社製「JEM-ARM200F」クライオ透過型電子顕微鏡を用い、粒子表面の被覆層の観察をおこなった。多孔質カーボン粒子を観察する際は、FIB(収束イオンビーム)加工により粒子断面を露出させ、観察される粒子に対してEDS分析にて炭素およびリンの元素マッピングを行った。炭素の元素マッピングから粒子境界を判断し、リンの元素マッピングから被覆層の最表面を判断した。そして、粒子境界から被覆層の最表面までの距離を、各粒子の被覆層の厚さとして測定した。この操作を50個の粒子について行い、算術平均値を算出することで被覆層の厚さを求めた。 The thickness of the coating layer on the surface of the porous carbon particles was measured for each of the positive electrode materials prepared in the above examples and comparative examples. A JEOL Ltd. "JEM-ARM200F" cryo-transmission electron microscope was used as the measurement device to observe the coating layer on the particle surface. To observe the porous carbon particles, the particle cross-section was exposed using FIB (focused ion beam) processing, and carbon and phosphorus elemental mapping was performed on the observed particles using EDS analysis. The particle boundary was determined from the carbon elemental mapping, and the outermost surface of the coating layer was determined from the phosphorus elemental mapping. The distance from the particle boundary to the outermost surface of the coating layer was then measured as the thickness of the coating layer for each particle. This procedure was performed on 50 particles, and the arithmetic average value was calculated to determine the thickness of the coating layer.
《試験用セルの内部抵抗の測定》
上記の実施例および比較例で調製した各試験用セルについて、下記の手法により内部抵抗値の測定を行った。なお、以下の測定はすべて、充放電試験装置(北斗電工株式会社製、HJ-SD8)を用い、25℃に設定した定温恒温槽中で行った。測定装置として、バイオロジック(Bio-Logic SAS(フランス))社製、商品名「SP-200」高性能電気化学測定システムを用いた。また、周波数範囲7MHz~0.1Hz、温度条件は室温(25℃)、印加電圧50mVの測定条件にて測定を行い、電気化学特性としてインピーダンスの測定を行った。恒温槽内に試験用セルを設置し、セル温度が一定になった後に評価を実施した。
<<Measurement of the internal resistance of the test cell>>
The internal resistance values of the test cells prepared in the above Examples and Comparative Examples were measured by the following method. All of the following measurements were performed using a charge/discharge tester (HJ-SD8, manufactured by Hokuto Denko Corporation) in a constant temperature bath set at 25°C. The measurement device used was a high-performance electrochemical measurement system manufactured by Bio-Logic SAS (France) under the trade name "SP-200." Measurements were performed in a frequency range of 7 MHz to 0.1 Hz, at room temperature (25°C), and with an applied voltage of 50 mV, and impedance was measured as the electrochemical characteristics. The test cell was placed in the bath, and evaluation was performed after the cell temperature became constant.
これらの結果を下記の表1に示す。 These results are shown in Table 1 below.
表1に示す結果から、本発明によれば、硫黄を含む正極活物質を用いた二次電池において、当該二次電池の内部抵抗をよりいっそう低減させうることがわかる。 The results shown in Table 1 show that the present invention can further reduce the internal resistance of secondary batteries that use a positive electrode active material containing sulfur.
また、実施例1および実施例2より、多孔質カーボン粒子の表面に形成される硫化物固体電解質を含む被覆層の厚さがより小さいと内部抵抗がより顕著に低減することも示された。 Furthermore, Examples 1 and 2 also demonstrated that the internal resistance is reduced more significantly when the thickness of the coating layer containing the sulfide solid electrolyte formed on the surface of the porous carbon particles is smaller.
10a 積層型電池、
11’ 負極集電体、
11” 正極集電体、
13 負極活物質層、
15 正極活物質層、
17 固体電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
25 負極集電板、
27 正極集電板、
29 ラミネートフィルム、
100、100’ 正極材料、
110 多孔質カーボン粒子、
110a 細孔、
120 正極活物質、
130 硫化物固体電解質、
A 領域A、
B 領域B、
C 中心。
10a stacked battery,
11′ negative electrode current collector,
11” positive electrode current collector,
13 negative electrode active material layer,
15 positive electrode active material layer,
17 solid electrolyte layer,
19 cell layer,
21 power generating element,
25 negative electrode current collector plate,
27 positive electrode current collector plate,
29 Laminating film,
100, 100' positive electrode material,
110 porous carbon particles,
110a pores,
120 positive electrode active material,
130 sulfide solid electrolyte,
A area A,
B area B,
C center.
Claims (4)
前記多孔質カーボン粒子の断面を走査型電子顕微鏡を用いて観察した画像において、前記断面の中心を定点とした相似比1/2の領域Aよりも、前記断面から前記領域Aを除いた領域Bの方が、リン原子の濃度が高く、
前記領域Bよりも、前記領域Aの方が、硫黄原子の濃度が高い、正極材料。 A positive electrode material in which a positive electrode active material containing sulfur and a sulfide solid electrolyte containing phosphorus are filled into pores of porous carbon particles,
In an image of a cross section of the porous carbon particle observed using a scanning electron microscope, a region B obtained by excluding the region A from the cross section and having a similarity ratio of 1/2 with the center of the cross section as a fixed point has a higher concentration of phosphorus atoms than a region A,
A positive electrode material, wherein the concentration of sulfur atoms is higher in the region A than in the region B.
前記被覆層の厚さは300nm以下である、請求項1に記載の正極材料。 The porous carbon particles further have a coating layer containing the sulfide solid electrolyte on at least a portion of the surface thereof,
2. The cathode material according to claim 1, wherein the coating layer has a thickness of 300 nm or less.
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Citations (7)
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|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013110051A (en) | 2011-11-24 | 2013-06-06 | Idemitsu Kosan Co Ltd | Electrode material and lithium ion battery manufactured using the same |
| JP2015088232A (en) | 2013-10-28 | 2015-05-07 | ナガセケムテックス株式会社 | Thin-film sulfur-coated activated carbon manufacturing method, thin-film sulfur-coated activated carbon, positive electrode mixture and all-solid-state lithium-sulfur battery |
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