JP5589821B2 - Electric storage device and method for manufacturing electrode active material - Google Patents
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Description
本発明は、蓄電デバイス及び電極活物質の製造方法に関する。 The present invention relates to an electricity storage device and a method for producing an electrode active material.
従来、蓄電デバイスとしては、1672Ah/kgという極めて高い理論容量密度を有する硫黄を電極活物質に用いるものが高容量電池として期待されている。硫黄を用いた蓄電デバイスの基本構成は比較的単純で、正極に硫黄と導電助材カーボンとバインダーを混練したものを用い、負極には金属Liもしくはそれを含む材料を用い、電解液にはLiPF6などの支持塩を溶かしたエーテル系有機電解液が用いられる。蓄電デバイスでは、正極活物質である硫黄や反応生成物であるポリスルフィドイオンの電解液中への溶解度が高いため、それらの溶出・負極との反応(以下シャトル効果ともいう)に伴う、容量低下や充放電効率の低下が問題となっている。これに対する防止法として、例えば、特許文献1では、炭素と硫黄とを主な構成元素とし、炭素鎖にジスルフィドを結合させ硫黄の重量比率をできるだけ高めることで容量及び充放電サイクルにおける容量維持率を向上するものが提案されている。また、特許文献2では、硫黄の比率が67重量%以上であり炭素と硫黄の合計が95重量%以上であるポリ硫化カーボンを活物質とし、サイクル特性をより高めたものが提案されている。また、非特許文献1では、導電性のポリアニリンの主鎖をジスルフィドでつないだ梯子状ポリマーが提案されている。また、非特許文献2では、芳香族を含まない直鎖状ポリマーであるポリアクリロニトリルと硫黄とを反応させ、その後、炭素鎖の環状化を図ることにより、硫黄を固定化するものが提案されている。
Conventionally, as an electricity storage device, a high-capacity battery is expected to use sulfur having an extremely high theoretical capacity density of 1672 Ah / kg as an electrode active material. The basic structure of an electricity storage device using sulfur is relatively simple, using a mixture of sulfur, a conductive additive carbon and a binder for the positive electrode, using metallic Li or a material containing it for the negative electrode, and LiPF for the electrolyte. An ether-based organic electrolyte in which a supporting salt such as 6 is dissolved is used. In the electricity storage device, the solubility of the positive electrode active material sulfur and the reaction product polysulfide ions in the electrolytic solution is high, so the capacity reduction and the reaction with the elution and reaction with the negative electrode (hereinafter also referred to as the shuttle effect) A decrease in charge / discharge efficiency is a problem. As a prevention method for this, for example, in
しかしながら、単体の硫黄を用いた場合には酸化還元時に2電子の授受が起きるのに対し、上述の特許文献1,2及び非特許文献1,2の蓄電デバイスでは、いずれも硫黄が炭素と結合しているため、酸化還元時に1電子の授受しか起きず、容量が小さくなるということがあった。また、炭素鎖など、酸化還元反応、即ちエネルギー貯蔵に直接関係ない部分が増えるため、単位重量当たりの容量が小さくなる問題があった。例えば、特許文献1,2では、硫黄成分を更に増量し、硫黄同士でスルフィド結合を形成し、炭素と結合しない硫黄成分を増やす試みもされているが、これらは、還元が進むと本質的に硫黄単体を用いた場合と同様、活物質の溶解の問題が生じ、充放電効率の低下、サイクル時の容量低下の原因となることが考えられた。また、非特許文献1において、ポリ(2,2’−ジチオジアニリン)では、ポリアニリン部分の酸化還元を利用しても理論容量は330Ah/kg、実験結果の容量では活物質当たり270Ah/kgにとどまっており、硫黄単体の理論容量1672Ah/kg、50重量%の硫黄正極例での670Ah/kgに比して著しく低い。また、非特許文献2では、高容量の材料が作製できるとあるが、硫黄濃度も最も特性のよいもので、35重量%にとどまっている。これは、硫黄と結合し得ない、窒素元素が15重量%含まれているためであり、このため、容量も十分ではなかった。また、容量を高めようとすると、エネルギー効率が低下することがあった。
However, when single sulfur is used, two electrons are exchanged during redox, whereas in the electric storage devices described in
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、容量の低下を抑制しつつ、エネルギー効率をより高めることができる蓄電デバイス及び電極活物質の製造方法を提供することを主目的とする。 This invention is made | formed in view of such a subject, and it aims at providing the manufacturing method of the electrical storage device and electrode active material which can raise energy efficiency more, suppressing the fall of a capacity | capacitance. .
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者は、炭素骨格とセレンとの結合を有する化合物であって化合物中のセレンの重量比が15%以上であるものを電極活物質として用いて蓄電デバイスを作製したところ、エネルギー効率を高めることができることを見いだし、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent research to achieve the above-mentioned object, the present inventor uses a compound having a bond between a carbon skeleton and selenium and having a weight ratio of selenium in the compound of 15% or more as an electrode active material. As a result, an energy storage device was produced. As a result, it was found that energy efficiency could be improved, and the present invention was completed.
即ち、本発明の蓄電デバイスは、炭素骨格と少なくともセレンを含むカルコゲンとの結合を有し、炭素、水素、窒素及びカルコゲンの総量に対するセレンの重量比が15%以上であるカルコゲン化合物を電極活物質とするものである。 That is, the electricity storage device of the present invention uses a chalcogen compound having a bond between a carbon skeleton and a chalcogen containing at least selenium, and the weight ratio of selenium to the total amount of carbon, hydrogen, nitrogen and chalcogen is 15% or more as an electrode active material. It is what.
本発明の電極活物質の製造方法は、蓄電デバイスの電極に用いられる電極活物質を製造する製造方法であって、炭素骨格と硫黄との結合を有する硫黄化合物の硫黄をセレンに置換するセレン化工程を含むものである。 The method for producing an electrode active material according to the present invention is a method for producing an electrode active material used for an electrode of an electricity storage device, wherein the sulfur compound of a sulfur compound having a bond between a carbon skeleton and sulfur is replaced with selenium. It includes a process.
本発明の蓄電デバイス及び電極活物質の製造方法は、容量の低下を抑制しつつエネルギー効率をより高めることができる。このような効果が得られる理由は明らかではないが、以下のように推察される。例えば、カルコゲン元素は多環芳香族環などの炭素骨格に結合しているため、カルコゲン単体使用時に問題となる電解液中へのカルコゲンの溶解や、溶解したカルコゲンによるシャトル効果を防止可能であり、容量低下を抑制することができる。また、カルコゲン元素が結合している炭素骨格は、ファンデルワールス力、π−π相互作用等の分子間相互作用により、分子間が積層した構造をとっていると推察されるが、アニオンの生成などにより層間距離が広がった場合には、電気二重層キャパシタ的な、若しくはLiインターカレーション的な大きな静電容量を発現するものと推察される。カルコゲンが固定化されている場合には1電子の酸化還元しか起こり得ず、低容量化が課題となるが、本発明では、上述したような炭素骨格の静電容量を重畳させることが可能である。このため、炭素骨格に結合したカルコゲンの酸化還元にともなう容量に加えて、カルコゲンの酸化還元による炭素骨格の静電容量を重畳させるという、従来なかった新規な機構により、容量を向上することができたものと推察される。また、カルコゲンとして少なくともセレンを含むため、カルコゲンとして硫黄のみを含むものなどよりも容量が若干低下することがあるものの、活物質の導電性が高まりエネルギー効率を高めることができると推察される。なお、炭素骨格は、芳香族環構造を有するものであることが好ましく、芳香族環は、炭素系芳香族としてもよいし、少なくとも1以上の芳香族環に硫黄、セレン、窒素及び酸素などを含有する複素環を含むものとしてもよい。 The method for producing an electricity storage device and an electrode active material of the present invention can further improve energy efficiency while suppressing a decrease in capacity. The reason why such an effect is obtained is not clear, but is presumed as follows. For example, since the chalcogen element is bonded to a carbon skeleton such as a polycyclic aromatic ring, it is possible to prevent the chalcogen from dissolving in the electrolyte solution, which is a problem when using the chalcogen alone, and the shuttle effect due to the dissolved chalcogen, Capacity reduction can be suppressed. In addition, the carbon skeleton to which the chalcogen element is bonded is presumed to have a structure in which molecules are stacked due to intermolecular interactions such as van der Waals force and π-π interaction. When the interlayer distance increases due to the above, it is assumed that a large capacitance like an electric double layer capacitor or Li intercalation appears. When chalcogen is immobilized, only one-electron redox can occur, and lowering the capacity becomes a problem. However, in the present invention, it is possible to superimpose the above-described carbon skeleton capacitance. is there. For this reason, in addition to the capacity associated with the redox of the chalcogen bonded to the carbon skeleton, the capacity can be improved by a novel mechanism that has not been used so far, in which the capacitance of the carbon skeleton due to the redox of the chalcogen is superimposed. Inferred. In addition, since at least selenium is included as the chalcogen, the capacity may be slightly lower than that including only sulfur as the chalcogen, but it is presumed that the conductivity of the active material is increased and the energy efficiency can be increased. The carbon skeleton preferably has an aromatic ring structure, and the aromatic ring may be a carbon-based aromatic, and at least one or more aromatic rings may contain sulfur, selenium, nitrogen, oxygen, and the like. It is good also as a thing containing the heterocyclic ring to contain.
本発明の蓄電デバイスは、炭素骨格と少なくともセレンを含むカルコゲンとの結合を有し、炭素、水素、窒素及びカルコゲンの総量に対するセレンの重量比が15%以上であるカルコゲン化合物を電極活物質としている。ここで、カルコゲンとは、酸素を除く16族元素をいい、具体的には、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)、ポロニウム(Po)である。また、炭素骨格とは、構造内に複数の炭素(C)を有している構造をいい、炭素のみの結合により骨格を形成していてもよいし、炭素とその他の元素との結合により骨格を形成していてもよい。炭素骨格は、鎖状(直鎖でもよいし分岐鎖を有していてもよい)でもよいし環状でもよいが、環状が好ましく、なかでも、複数の環状構造が連なったものがより好ましい。また、炭素骨格は導電性を有するものであることが好ましい。このような炭素骨格としては、芳香族環構造を有するものが好ましく、なかでも複数の芳香族環がつながった構造を有するものが好ましい。この蓄電デバイスでは、例えば、電極活物質とするカルコゲン化合物を正極活物質としてもよいし、負極活物質としてもよい。即ち、本発明の蓄電デバイスは、上記カルコゲン化合物を正極活物質として有する正極と、負極活物質を有する負極と、正極と負極との間に介在しイオンを伝導するイオン伝導媒体とを備えたものとしてもよい。また、本発明の蓄電デバイスは、正極活物質を有する正極と、上記カルコゲン化合物を負極活物質として有する負極と、正極と負極との間に介在しイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備えたものとしてもよい。伝導するイオンとしては、例えば、リチウム、ナトリウム及びカリウムなどの第1族元素のイオンやマグネシウム及びカルシウムなどの第2族元素のイオンとしてもよい。このうち、エネルギー密度の観点から、リチウムイオンが好ましい。ここでは、複数の芳香族環がつながった構造の炭素骨格を有する上記カルコゲン化合物を正極活物質として用い、イオン伝導媒体がリチウムイオンを伝導する場合を主として説明する。
The electricity storage device of the present invention uses, as an electrode active material, a chalcogen compound that has a bond between a carbon skeleton and a chalcogen containing at least selenium, and the weight ratio of selenium to the total amount of carbon, hydrogen, nitrogen, and chalcogen is 15% or more. . Here, chalcogen refers to a
本発明の蓄電デバイスにおいて、カルコゲン化合物は、複数の芳香族環を有する。ここで、カルコゲン化合物は、電子伝導性を有し、カルコゲン元素の酸化還元の電子輸送に寄与すると考えられる。また、カルコゲン化合物では、ファンデルワールス力、π−π相互作用などの分子間相互作用により、分子間が積層した構造をとっていると推察され、アニオンの生成などによりカルコゲン化合物間の距離が広がった場合には、電気二重層キャパシタ的な、若しくはLiインターカレーション的な大きな静電容量を発現すると考えられる。この芳香族環としては、五員環を含むものとしてもよいし、六員環を含むものとしてもよい。また、この芳香族環には、炭素系芳香族環(例えばベンゼン環)を含むものとしてもよいし、硫黄、セレン、窒素、酸素のうち1以上をその環構造に含有する複素環(例えばチオフェン環やピリジン環など)を含むものとしてもよい。また、芳香族環が複素環でつながった構造としてもよい。例えば、ベンゼン骨格がジチアン様骨格でつながった構造などが好ましい。なお、ジチアン様骨格とはジチアン骨格のほかジチアン骨格の硫黄が他のカルコゲンであるものをも含むものとする。また、多環芳香族が複素環でつながった構造などとしてもよい。例えば、アントラセン骨格がジチアン様骨格でつながった構造などが好ましい。この多環芳香族としては、例えば、六員環では、アントラセン構造及びフェナントレン構造を有するもの、テトラセン構造、ピレン構造、トリフェニレン構造、テトラフェン構造及びクリセン構造を有するもの、ペンタセン構造、ピセン構造及びペリレン構造を有するものなどが挙げられる。なお、例えば「アントラセン構造を有するもの」とは、アントラセン、アントラセンに置換基が結合したアントラセン誘導体及びアントラセンに五員環化合物が結合したものなどを含むものをいう。置換基としては、アルキル基やヒドロキシル基、ハロゲンなどが挙げられる。このうち、芳香族環は、取り扱いや入手の容易さを考慮すると、ナフタレンとチオフェンとが連結した構造、アントラセン構造、テトラセン構造及びペンタセン構造のうちいずれか1つを含むものであることが好ましい。芳香族環は、できるだけ多くのカルコゲン元素が結合できるような構造であることが好ましく、例えば、ベンゼン骨格が一列に並んだポリアセン構造などが好ましい。本発明では、カルコゲン置換基の酸化還元によって発生する多環芳香族部位のキャパシタ成分の重畳によって容量が増大するため、カルコゲン置換基が多く結合できるよう多環芳香族構造はエッジ部が多いものが好ましいと考えられるからである。ポリアセン構造は、芳香族環が一次元的に連なった骨格を有し、それは炭素のみにより構成されていてもよいし、炭素以外の元素(例えば、硫黄、窒素及び酸素など)を含むものとしてもよい。 In the electricity storage device of the present invention, the chalcogen compound has a plurality of aromatic rings. Here, it is considered that the chalcogen compound has electron conductivity and contributes to redox electron transport of the chalcogen element. Chalcogen compounds are presumed to have a stacked structure due to intermolecular interactions such as van der Waals forces and π-π interactions, and the distance between chalcogen compounds increases due to the formation of anions. In such a case, it is considered that a large capacitance like an electric double layer capacitor or Li intercalation appears. This aromatic ring may include a five-membered ring or a six-membered ring. The aromatic ring may include a carbon-based aromatic ring (for example, a benzene ring), or a heterocyclic ring (for example, thiophene) containing one or more of sulfur, selenium, nitrogen, and oxygen in the ring structure. Ring or pyridine ring). Alternatively, a structure in which aromatic rings are connected by a heterocyclic ring may be used. For example, a structure in which benzene skeletons are connected by a dithian-like skeleton is preferable. The dithian-like skeleton includes not only the dithian skeleton but also those in which the sulfur of the dithian skeleton is another chalcogen. Further, a structure in which polycyclic aromatics are connected by a heterocyclic ring may be used. For example, a structure in which anthracene skeletons are connected by a dithian-like skeleton is preferable. As this polycyclic aromatic, for example, in the six-membered ring, those having an anthracene structure and phenanthrene structure, those having a tetracene structure, pyrene structure, triphenylene structure, tetraphen structure and chrysene structure, pentacene structure, picene structure and perylene The thing etc. which have a structure are mentioned. For example, “having an anthracene structure” includes anthracene, anthracene derivatives having a substituent bonded to anthracene, and those having a five-membered ring compound bonded to anthracene. Examples of the substituent include an alkyl group, a hydroxyl group, and halogen. Of these, the aromatic ring preferably includes any one of a structure in which naphthalene and thiophene are linked, an anthracene structure, a tetracene structure, and a pentacene structure, in consideration of handling and availability. The aromatic ring preferably has a structure capable of bonding as many chalcogen elements as possible. For example, a polyacene structure in which benzene skeletons are arranged in a row is preferable. In the present invention, the capacity increases due to the superposition of the capacitor component of the polycyclic aromatic moiety generated by redox of the chalcogen substituent, so that the polycyclic aromatic structure has many edges so that more chalcogen substituents can be bonded. This is because it is considered preferable. The polyacene structure has a skeleton in which aromatic rings are one-dimensionally linked, and it may be composed only of carbon, or may contain elements other than carbon (for example, sulfur, nitrogen and oxygen). Good.
本発明の蓄電デバイスにおいて、カルコゲン化合物は、カルコゲンとしてセレンを含んでいればよい。セレンを含むものとすれば、活物質の導電性が高まるなどして酸化還元の分極が小さくなり、充放電電位差を小さく、すなわち、エネルギー効率を高くできると考えられるからである。ここで、電極活物質は、セレンのみを含んでいるものとしてもよいし、セレンと硫黄とを含んでいてもよい。また、テルルやポロニウムを含むものとしてもよい。セレンのみを含むものは、セレンと硫黄とを含むものよりも作動電圧を低下させることができ、例えば高電圧で作動する正極活物質と組み合わせるなどして負極活物質としてより好適に用いることも可能である。一方、セレンと硫黄とを含むものでは、放電容量を高めることができる点で好ましい。また、セレンのみを含むものより作動電圧が高いので、例えば正極活物質としてより好適に用いることができる。 In the electricity storage device of the present invention, the chalcogen compound may contain selenium as the chalcogen. If selenium is included, it is considered that the redox polarization is reduced by increasing the conductivity of the active material and the like, and the charge / discharge potential difference can be reduced, that is, the energy efficiency can be increased. Here, the electrode active material may contain only selenium, or may contain selenium and sulfur. Further, tellurium or polonium may be included. Those containing only selenium can lower the operating voltage than those containing selenium and sulfur, and can be used more favorably as a negative electrode active material, for example, in combination with a positive electrode active material that operates at a high voltage. It is. On the other hand, those containing selenium and sulfur are preferable in that the discharge capacity can be increased. Moreover, since an operating voltage is higher than what contains only selenium, it can be used more suitably as a positive electrode active material, for example.
本発明の蓄電デバイスにおいて、カルコゲン化合物は、炭素、水素、窒素及びカルコゲンの総量に対するセレンの重量比が15%以上であればよいが、20%以上であることが好ましく、30%以上であることがより好ましい。セレンが15%以上であれば、セレンが15%未満のものと比してエネルギー効率を高めることができる。また、カルコゲンの酸化還元容量が大きくなり、還元時の静電反発が小さくなりすぎずキャパシタとしての容量も発現する。このため、これらの容量の重畳により放電容量を高めることができる。セレンの重量比の上限は、炭素骨格と結合可能な範囲であれば特に限定されないが、例えば、ポリアセン構造の外周にセレンがすべて結合したC2Se組成にあたる77%以下であることが好ましい。セレンの重量比が、セレンと炭素骨格とが結合可能な範囲であれば、カルコゲン単体を用いた場合に問題となるシャトル効果の発生を抑制することが可能であり、放電容量の低下を抑制することができる。同様の理由で、カルコゲンとしてセレン以外のものを含んでいる場合には、全てのカルコゲンが炭素骨格と結合可能であることが好ましい。ここで、エネルギー効率(%)とは、充電に要した電力量が放電時にどれだけ取り出せるかを示す指標である。ここでは、放電時の電力量を直前の充電時の電力量で除したものに100を乗じた値をいう。 In the electricity storage device of the present invention, the chalcogen compound may have a weight ratio of selenium to the total amount of carbon, hydrogen, nitrogen and chalcogen of 15% or more, preferably 20% or more, and preferably 30% or more. Is more preferable. If selenium is 15% or more, energy efficiency can be improved as compared with selenium less than 15%. Further, the redox capacity of chalcogen is increased, and electrostatic repulsion during reduction is not reduced too much, and the capacity as a capacitor is also exhibited. For this reason, the discharge capacity can be increased by superimposing these capacities. The upper limit of the weight ratio of selenium is not particularly limited as long as it is in a range that can be bonded to the carbon skeleton, but for example, it is preferably 77% or less corresponding to the C 2 Se composition in which all of selenium is bonded to the outer periphery of the polyacene structure. When the weight ratio of selenium is within a range in which selenium and the carbon skeleton can be combined, it is possible to suppress the occurrence of the shuttle effect, which is a problem when using chalcogen alone, and suppress the decrease in discharge capacity. be able to. For the same reason, when a chalcogen other than selenium is included, it is preferable that all the chalcogen can be bonded to the carbon skeleton. Here, energy efficiency (%) is an index indicating how much electric energy required for charging can be taken out during discharging. Here, it is a value obtained by multiplying the amount of power at the time of discharging by the amount of power at the time of previous charging, multiplied by 100.
本発明の蓄電デバイスにおいて、カルコゲン化合物は、炭素骨格にカルコゲンが結合している。この結合の形態は、炭素骨格が芳香族環構造を有しており、酸化状態では、カルコゲンの2本の結合手の一方が芳香族環構造に結合し他方が他のカルコゲン元素との2量体であるジカルコゲニド結合を形成するか、カルコゲンの2本の結合手の両方が芳香族環構造に結合していることが好ましい。このようなカルコゲン化合物では、還元状態では2本の結合手の一方のみが芳香族環構造に結合したアニオンとなっていると考えられる。このとき、アニオンは結合している多環芳香族化合物に非局在化するため、多環芳香族化合物の分子間距離が静電反発によって広がり、溶媒やLiイオンが層間に入り込めるようになり、比表面積が一気に増大する。従って、カルコゲン元素の還元によりキャパシタとしての静電容量が大幅に増大し、これがカルコゲン由来の放電容量に重畳されるため、大きな容量を発現できる。 In the electricity storage device of the present invention, the chalcogen compound has a chalcogen bonded to the carbon skeleton. The form of this bond is that the carbon skeleton has an aromatic ring structure, and in the oxidized state, one of the two bonds of the chalcogen is bonded to the aromatic ring structure and the other is a dimer with the other chalcogen element. It is preferable that a dichalcogenide bond that is a body is formed, or that two bonds of chalcogen are both bonded to an aromatic ring structure. In such a chalcogen compound, it is considered that only one of the two bonds is an anion bonded to the aromatic ring structure in the reduced state. At this time, since the anion is delocalized in the bonded polycyclic aromatic compound, the intermolecular distance of the polycyclic aromatic compound spreads due to electrostatic repulsion, and the solvent and Li ions can enter the interlayer, The specific surface area increases at a stretch. Therefore, the reduction of the chalcogen element significantly increases the capacitance as a capacitor, which is superimposed on the discharge capacity derived from the chalcogen, so that a large capacity can be expressed.
ここで、蓄電デバイスの電極活物質に用いるカルコゲン化合物の具体例について説明する。本発明のカルコゲン化合物としては、例えば、外周にカルコゲンが結合したピリジン環が一列に並んだポリアセン構造を有する次式(1)に示すものが挙げられる(以下PAN系とも称する)。また、カルコゲン化合物としては、ナフタレン骨格が芳香族複素環である二つのチオフェン様骨格でつながったポリアセン構造を有する次式(2)に示すものが挙げられる(以下PNV系とも称する)。ここで、チオフェン様骨格とは、チオフェン骨格のほか、チオフェンの硫黄が他のカルコゲンであるものを含むものとする。また、カルコゲン化合物としては、アントラセン骨格が複素環のジチアン様骨格でつながったポリアセン構造の外周にカルコゲンが結合した構造を有する次式(3)に示すものが挙げられる(以下AN系とも称する)。また、カルコゲン化合物としては、ベンゼン骨格が複素環のジチアン様骨格およびチオフェン様骨格でつながったポリアセン構造を有する次式(4)に示すものが挙げられる(以下PPS系とも称する)。また、カルコゲン化合物としては、外周にカルコゲンが結合したナフトピレン骨格が芳香族複素環である二つのチオフェン様骨格でつながったポリアセン構造を有する次式(5)に示すものが挙げられる(以下NPY系とも称する)。また、カルコゲン化合物としては、ペンタセン骨格の外周にカルコゲンが結合した構造を有する次式(6)に示すものが挙げられる(以下PEN系とも称する)。なお、式(1)〜(6)においてCGはカルコゲン元素を示すものとした。また、式(1)〜(6)は、カルコゲンが理想的に結合したものであり、これよりもカルコゲンが少なくてもよい。 Here, a specific example of the chalcogen compound used for the electrode active material of the electricity storage device will be described. Examples of the chalcogen compound of the present invention include those represented by the following formula (1) having a polyacene structure in which pyridine rings having chalcogen bonded to the outer periphery are arranged in a line (hereinafter also referred to as PAN system). Examples of the chalcogen compound include those represented by the following formula (2) having a polyacene structure in which a naphthalene skeleton is connected by two thiophene-like skeletons which are aromatic heterocycles (hereinafter also referred to as PNV system). Here, the thiophene-like skeleton includes not only the thiophene skeleton but also those in which sulfur of thiophene is other chalcogen. Examples of the chalcogen compound include those represented by the following formula (3) having a structure in which a chalcogen is bonded to the outer periphery of a polyacene structure in which an anthracene skeleton is connected by a heterocyclic dithian-like skeleton (hereinafter also referred to as AN system). Examples of the chalcogen compound include those represented by the following formula (4) having a polyacene structure in which a benzene skeleton is connected by a heterocyclic dithian-like skeleton and a thiophene-like skeleton (hereinafter also referred to as a PPS system). Examples of the chalcogen compound include those represented by the following formula (5) having a polyacene structure in which a naphthopylene skeleton having a chalcogen bonded to the outer periphery is connected by two thiophene-like skeletons which are aromatic heterocyclic rings (hereinafter also referred to as NPY type). Called). Examples of the chalcogen compound include those represented by the following formula (6) having a structure in which chalcogen is bonded to the outer periphery of the pentacene skeleton (hereinafter also referred to as a PEN system). In the formulas (1) to (6), CG represents a chalcogen element. Moreover, Formula (1)-(6) is what chalcogen couple | bonded ideally, and there may be less chalcogen than this.
本発明の蓄電デバイスにおいて、正極は、例えば正極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。正極活物質は、上述したカルコゲン化合物とすることができる。 In the electricity storage device of the present invention, the positive electrode is prepared by, for example, mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder, and adding a suitable solvent to form a paste-like positive electrode material on the surface of the current collector. However, it may be compressed to increase the electrode density as necessary. The positive electrode active material can be the chalcogen compound described above.
本発明の蓄電デバイスにおいて、負極は、例えば負極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の負極材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。負極活物質は、金属または金属イオンを含むものであることが好ましい。負極活物質は、リチウムを吸蔵放出する材料を含むものとしてもよい。ここで、リチウムを吸蔵放出する材料としては、例えば金属リチウムやリチウム合金のほか、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、リチウムを吸蔵放出する炭素質物質などが挙げられる。リチウム合金としては、例えば、アルミニウムやシリコン、スズ、マグネシウム、インジウム、カルシウムなどとリチウムとの合金が挙げられる。金属酸化物としては、例えばスズ酸化物、ケイ素酸化物、リチウムチタン酸化物、ニオブ酸化物、タングステン酸化物などが挙げられる。金属硫化物としては、例えばスズ硫化物やチタン硫化物などが挙げられる。金属窒化物としては、例えば窒化リチウムなどが挙げられる。リチウムを吸蔵放出する炭素質物質としては、例えば黒鉛、コークス、メソフェーズピッチ系炭素繊維、球状炭素、樹脂焼成炭素などが挙げられる。この負極は、正極と同様に適宜、集電体や導電材、結着材を用いることができる。 In the electricity storage device of the present invention, the negative electrode is prepared by, for example, mixing a negative electrode active material, a conductive material, and a binder, and adding a suitable solvent to form a paste-like negative electrode material on the surface of the current collector. However, it may be compressed to increase the electrode density as necessary. The negative electrode active material preferably contains a metal or metal ion. The negative electrode active material may include a material that absorbs and releases lithium. Here, examples of the material that occludes and releases lithium include metal oxides, metal sulfides, metal nitrides, and carbonaceous substances that occlude and release lithium, in addition to metal lithium and lithium alloys. Examples of the lithium alloy include alloys of lithium with aluminum, silicon, tin, magnesium, indium, calcium, and the like. Examples of the metal oxide include tin oxide, silicon oxide, lithium titanium oxide, niobium oxide, and tungsten oxide. Examples of the metal sulfide include tin sulfide and titanium sulfide. Examples of the metal nitride include lithium nitride. Examples of the carbonaceous material that occludes and releases lithium include graphite, coke, mesophase pitch-based carbon fiber, spherical carbon, and resin-fired carbon. For this negative electrode, a current collector, a conductive material, and a binder can be used as appropriate as in the case of the positive electrode.
本発明の蓄電デバイスにおいて、正極及び負極に用いられる導電材は、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。これらの中で、導電材としては、電子伝導性及び塗工性の観点より、カーボンブラック、ケッチェンブラック及びアセチレンブラックが好ましい。結着材は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンマー(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。活物質、導電材、結着材を分散させる溶剤としては、例えばエタノール、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどの有機溶剤を用いることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加え、SBRなどのラテックスで活物質をスラリー化してもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどの多糖類を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。集電体としては、銅、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものを用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。集電体の厚さは、例えば1〜500μmのものが用いられる。 In the electricity storage device of the present invention, the conductive material used for the positive electrode and the negative electrode is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not adversely affect the battery performance. For example, natural graphite (scale graphite, flake graphite) or artificial Graphite such as graphite, acetylene black, carbon black, ketjen black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, or a mixture of one or more of metals (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.) Can be used. Among these, carbon black, ketjen black, and acetylene black are preferable as the conductive material from the viewpoints of electron conductivity and coatability. The binder serves to bind the active material particles and the conductive material particles. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-containing resin such as fluorine rubber, or polypropylene, Thermoplastic resins such as polyethylene, ethylene-propylene-dienemer (EPDM), sulfonated EPDM, natural butyl rubber (NBR) and the like can be used alone or as a mixture of two or more. In addition, an aqueous dispersion of cellulose or styrene butadiene rubber (SBR), which is an aqueous binder, can also be used. Examples of the solvent for dispersing the active material, the conductive material, and the binder include ethanol, N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, and N, N-dimethylamino. Organic solvents such as propylamine, ethylene oxide, and tetrahydrofuran can be used. Moreover, a dispersing agent, a thickener, etc. may be added to water, and an active material may be slurried with latex, such as SBR. As the thickener, for example, polysaccharides such as carboxymethyl cellulose and methyl cellulose can be used alone or as a mixture of two or more. Examples of the application method include roller coating such as applicator roll, screen coating, doctor blade method, spin coating, bar coater, and the like, and any of these can be used to obtain an arbitrary thickness and shape. Current collectors include copper, aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, calcined carbon, conductive polymer, conductive glass, etc., as well as aluminum and aluminum for the purpose of improving adhesion, conductivity, and oxidation resistance. What processed the surface of copper etc. with carbon, nickel, titanium, silver, etc. can be used. For these, the surface can be oxidized. Examples of the shape of the current collector include foil, film, sheet, net, punched or expanded, lath, porous, foam, and formed fiber group. The thickness of the current collector is, for example, 1 to 500 μm.
本発明の蓄電デバイスにおいて、イオン伝導媒体は、溶媒に支持塩を溶解した溶液であってもよい。支持塩としては、通常のリチウム二次電池に用いられるリチウム塩であれば特に限定されるものではなく、例えば、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6,LiClO4,LiBF4,などの公知の支持塩を用いることができる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。イオン伝導媒体の溶媒としては、特に限定されないが、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)及びプロピレンカーボネート(PC)などのカーボネート類、ジメトキシエタン(DME)、トリグライム及びテトラグライムなどのエーテル類、ジオキソラン(DOL)、テトラヒドロフランなどの環状エーテル及び、それらの混合物が好適である。また、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムビス(トリフルオロスルホニル)イミド、1−エチル−3−ブチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートなどのイオン液体を用いることもできる。イオン伝導媒体は、ポリフッ化ビニリデンやポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール、ポリアクリロニトリルなどの高分子類又はアミノ酸誘導体やソルビトール誘導体などの糖類に、支持塩を含む電解液を含ませてゲル化されていてもよい。 In the electricity storage device of the present invention, the ion conductive medium may be a solution in which a supporting salt is dissolved in a solvent. The supporting salt is not particularly limited as long as it is a lithium salt used in a normal lithium secondary battery. For example, lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), Li (C 2 F 5 SO 2 ) Known supporting salts such as 2 N, LiPF 6 , LiClO 4 , and LiBF 4 can be used. These may be used alone or in combination. The solvent of the ion conductive medium is not particularly limited, but carbonates such as ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC) and propylene carbonate (PC), ethers such as dimethoxyethane (DME), triglyme and tetraglyme, Cyclic ethers such as dioxolane (DOL) and tetrahydrofuran and mixtures thereof are preferred. Alternatively, ionic liquids such as 1-methyl-3-propylimidazolium bis (trifluorosulfonyl) imide and 1-ethyl-3-butylimidazolium tetrafluoroborate can be used. The ion conductive medium may be gelled by adding an electrolyte containing a supporting salt to a polymer such as polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyethylene glycol, polyacrylonitrile, or a saccharide such as an amino acid derivative or a sorbitol derivative. .
本発明の蓄電デバイスは、負極と正極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、蓄電デバイスの使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の微多孔フィルムや、ポリイミド三次元多孔フィルムなどが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複合して用いてもよい。 The electricity storage device of the present invention may include a separator between the negative electrode and the positive electrode. The separator is not particularly limited as long as it can withstand the range of use of the electricity storage device. For example, a polymer nonwoven fabric such as a polypropylene nonwoven fabric or a polyphenylene sulfide nonwoven fabric, a microporous film of an olefin resin such as polyethylene or polypropylene, And polyimide three-dimensional porous film. These may be used alone or in combination.
本発明の蓄電デバイスの形状は、特に限定されないが、例えばコインセル型、巻電池型、ラミネート型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。 The shape of the electricity storage device of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a coin cell type, a wound battery type, a laminate type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a square type. Moreover, you may apply to the large sized thing etc. which are used for an electric vehicle etc.
本発明の蓄電デバイスは、初期充放電において、Li電位基準で0.5V以下の範囲のエージング処理を、電極活物質を備えた電極に施すものとすることが好ましい。こうすると、容量をより高めることができる。 The electricity storage device of the present invention is preferably subjected to aging treatment in the range of 0.5 V or less on the basis of the Li potential in the initial charge and discharge on the electrode provided with the electrode active material. In this way, the capacity can be further increased.
次に、上述したカルコゲン化合物を含む電極活物質の製造方法について説明する。この製造方法は、硫黄化工程と、硫黄除去工程と、セレン化工程と、セレン除去工程とを含むものとしてもよい。硫黄化工程では、上述した炭素骨格を形成可能な化合物(以下原料化合物とも称する)と硫黄とを混合して加熱して硫黄化合物を合成する。原料化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル(PAN)や、ポリフェノール、ポリ−2,6−ナフタレンビニレン(PNV)、ポリ−p−フェニレンスルフィド(PPS)や、ポリ−p−フェニレンビニレン、ナフト[2,3−a]ピレン(NPY)、ポリアニリンなどを用いることができる。また、原料化合物として、アントラセン(AN)、ペンタセン(PEN)などの多環芳香族化合物と硫黄とを加熱焼成すると、硫黄が結合した多環芳香族構造がジチアン骨格でつながった複合材を得ることができる。なお、原料化合物は、熱硬化性のものが好ましい。硫黄と原料化合物とを均一に混合できると考えられるからである。混合割合は特に限定されないが、炭素骨格に結合可能な硫黄の量より硫黄量が過剰であることが好ましい。加熱温度は、特に限定されないが、硫黄の融点以上の温度であることが好ましい。例えば300℃以上350℃以下の温度などとすることができる。加熱時間は、3時間以上などの時間を経験的に定めることができる。加熱時の雰囲気は特に限定されないが、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気などの不活性雰囲気であることが好ましい。この硫黄化工程では、加熱時に撹拌を行うものとしてもよい。特に、熱可塑性の原料化合物を用いる場合には、硫黄と原料化合物の両方が溶融し、均一に混ざりにくいことがあるため、撹拌することが好ましい。このような硫黄化工程により、炭素骨格と硫黄との結合を有する硫黄化合物が得られる。続いて、硫黄化工程で得られる硫黄化合物に残留している単体硫黄を除去する硫黄除去工程を行う。硫黄除去工程では、硫黄化工程で得られたものを硫黄化工程よりも高い温度で加熱する。加熱温度は、硫黄化工程よりも高い温度であればよいが、例えば450℃以上500℃以下などとすることができる。加熱時間は、3時間以上などの時間を経験的に定めることができる。加熱時の雰囲気は特に限定されないが、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気などの不活性雰囲気であることが好ましい。このような硫黄除去工程により、単体の硫黄が除去された硫黄化合物が得られる。なお、1回の加熱で単体硫黄の除去が十分でない場合には、加熱時間を長くしてもよいし、加熱温度を高めてもよいし、上述した加熱の後に冷却して再度加熱してもよいし、必要に応じて加熱冷却を繰り返してもよい。続いて、セレン化工程で、得られた硫黄化合物の硫黄をセレンに置換する。具体的には、硫黄化合物とセレンとを混合して加熱して、セレン化合物を合成する。ここでは、セレン化合物は、硫黄の一部又は全てがセレン化されたものとする。加熱温度、加熱時間、加熱雰囲気などは、硫黄化工程と同様に適宜定めることができる。また、硫黄化工程と同様に、加熱時に撹拌を行うものとしてもよい。セレン除去工程についても、硫黄除去工程と同様に行うことができる。なお、本発明の電極活物質の製造方法は、セレン化工程を含むものであればよい。例えば、硫黄化工程を省略して、予め準備した硫黄化合物を用いてもよい。また、硫黄量やセレン量を適切なものとして、硫黄除去工程やセレン除去工程を行わないものとしてもよい。また、硫黄除去工程やセレン除去工程は加熱により行うものとしたが、硫黄やセレンの良溶媒でこれらを除去するものとしてもよい。硫黄やセレンの良溶媒としては、例えば、二硫化炭素などが挙げられる。 Next, the manufacturing method of the electrode active material containing the chalcogen compound mentioned above is demonstrated. This manufacturing method may include a sulfuration step, a sulfur removal step, a selenization step, and a selenium removal step. In the sulfurization step, a compound capable of forming the above-described carbon skeleton (hereinafter also referred to as a raw material compound) and sulfur are mixed and heated to synthesize a sulfur compound. Examples of the raw material compound include polyacrylonitrile (PAN), polyphenol, poly-2,6-naphthalene vinylene (PNV), poly-p-phenylene sulfide (PPS), poly-p-phenylene vinylene, naphtho [2, 3-a] pyrene (NPY), polyaniline, and the like can be used. Moreover, when a polycyclic aromatic compound such as anthracene (AN) or pentacene (PEN) and sulfur are heated and fired as a raw material compound, a composite material in which a polycyclic aromatic structure bonded with sulfur is connected by a dithian skeleton is obtained. Can do. The raw material compound is preferably thermosetting. This is because it is considered that sulfur and the raw material compound can be mixed uniformly. The mixing ratio is not particularly limited, but it is preferable that the amount of sulfur is more than the amount of sulfur that can be bonded to the carbon skeleton. The heating temperature is not particularly limited, but is preferably a temperature equal to or higher than the melting point of sulfur. For example, the temperature may be 300 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. The heating time can be determined empirically such as 3 hours or more. The atmosphere during heating is not particularly limited, but is preferably an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere. In this sulfuration step, stirring may be performed during heating. In particular, when a thermoplastic raw material compound is used, it is preferable to stir because both sulfur and the raw material compound melt and are difficult to mix uniformly. By such a sulfuration process, a sulfur compound having a bond between the carbon skeleton and sulfur is obtained. Then, the sulfur removal process which removes the elemental sulfur remaining in the sulfur compound obtained in the sulfurization process is performed. In the sulfur removal step, the product obtained in the sulfuration step is heated at a temperature higher than that in the sulfuration step. Although heating temperature should just be temperature higher than a sulfuration process, it can be made into 450 to 500 degreeC, for example. The heating time can be determined empirically such as 3 hours or more. The atmosphere during heating is not particularly limited, but is preferably an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere. By such a sulfur removal step, a sulfur compound from which simple sulfur is removed is obtained. In addition, when the removal of elemental sulfur is not sufficient with one heating, the heating time may be lengthened, the heating temperature may be increased, or cooling and heating may be performed again after the heating described above. The heating and cooling may be repeated as necessary. Subsequently, in the selenization step, sulfur of the obtained sulfur compound is replaced with selenium. Specifically, a sulfur compound and selenium are mixed and heated to synthesize a selenium compound. Here, the selenium compound is assumed to be selenized in part or all of sulfur. The heating temperature, heating time, heating atmosphere, and the like can be appropriately determined as in the sulfuration step. Moreover, it is good also as what stirs at the time of a heating similarly to a sulfuration process. The selenium removal step can be performed in the same manner as the sulfur removal step. In addition, the manufacturing method of the electrode active material of this invention should just include a selenization process. For example, a sulfur compound prepared in advance may be used by omitting the sulfurization step. Moreover, it is good also as what does not perform a sulfur removal process and a selenium removal process by making the amount of sulfur and the amount of selenium appropriate. Moreover, although the sulfur removal process and the selenium removal process are performed by heating, they may be removed with a good solvent of sulfur or selenium. Examples of the good solvent for sulfur and selenium include carbon disulfide.
なお、上述した製造方法では、硫黄化合物をセレン化するものとしたが、原料化合物を直接セレン化してもよい。すなわち、炭素骨格を形成可能な化合物とセレンとを混合して加熱してセレン化合物を合成するセレン化工程、を含むものとしてもよい。こうすれば、硫黄を含まないカルコゲン化合物が得られるため、例えば、負極活物質として用いるのに適したカルコゲン化合物をより容易に得ることができる。なお、セレンは融点が高く、かつ活性が低いため、混合して加熱するだけでは、セレン濃度が一定以上高くならないことがある。このため、予め作製しておいた硫黄化合物をセレン化するほうが、より容易にセレン濃度を高めることができる。 In the manufacturing method described above, the sulfur compound is selenized, but the raw material compound may be directly selenized. That is, it may include a selenization step in which a compound capable of forming a carbon skeleton and selenium are mixed and heated to synthesize a selenium compound. In this way, since a chalcogen compound containing no sulfur is obtained, for example, a chalcogen compound suitable for use as a negative electrode active material can be obtained more easily. Note that since selenium has a high melting point and low activity, the selenium concentration may not be higher than a certain level only by mixing and heating. For this reason, the selenium concentration can be increased more easily by selenizing a sulfur compound prepared in advance.
ここで、本発明の蓄電デバイスの電極活物質の容量発現機構について考察する。本発明の電極活物質であるカルコゲン化合物は、ファンデルワールス力、π−π相互作用等の分子間相互作用により、分子間が積層した構造をとるものと推察される。この電極活物質を正極に用いた場合、放電時のカルコゲン置換基の還元により、カルコゲンはカルコゲンアニオンになる。このとき、アニオンは結合している多環化合物に非局在化し、多環化合物の分子間距離が静電反発によって広がり、溶媒やLiイオンが層間に入り込みやすくなり、比表面積が一気に増大すると考えられる。したがって、カルコゲン原子の還元によりキャパシタとしての静電容量が大幅に増大し、これが、カルコゲン由来の放電容量に重畳されるため、大きな容量が発現するものと推察される。また、カルコゲンの酸化還元電位はLi電極基準で約2V付近であるのに対し、カーボンでは3V強である。したがって、2V付近で一気に静電容量が大きくなった場合には、カーボンの開放電圧3V強から硫黄の還元電位約2Vの差分の電圧に相当する容量が、2V付近で一気に発現することになり、電池に似た定電圧放電(キャパシタとしては負に帯電する充電)が起きることになる。充電時にはその逆の現象が可逆的に起きる。したがって、本発明の蓄電デバイスは、カルコゲン含有量から予想される容量に比べ遙かに大きな容量の発現が可能となり、従来無い機構の画期的な蓄電デバイスとなると考えられる。このカルコゲンが全て硫黄である場合には、充放電電圧差が比較的大きく、サイクリックボルタンメトリー(CV)波形で酸化及び還元電位差が大きく、大きな分極が発生し、エネルギー効率が低いことがあった。これに対し、少なくともセレンを含むカルコゲンが結合した多環芳香族化合物においては、導電性が上がるためか、硫黄のみの複合材に比べ、充放電電位差が低減でき、エネルギー効率の向上が見られた。また、従来の電池では難しかった例えば−30℃などの低温でも、容量低下を抑制しつつ充放電が可能になるという特徴を示す。また、カルコゲンがセレンのみからなる場合には、放電電位が1.5V付近まで低くなるため、電池の負極材に適する。電池の負極材に用いた場合、高容量であることに加え、Li系負極で問題となるLi金属のデンドライト析出の問題を防止できる点でも好ましい。なお、カルコゲンがセレンのみからなる場合であっても、正極に用いることができる。こうしても、充放電電位差が低減でき、エネルギー効率が向上するからである。 Here, the capacity development mechanism of the electrode active material of the electricity storage device of the present invention will be considered. The chalcogen compound, which is the electrode active material of the present invention, is presumed to have a structure in which molecules are stacked due to intermolecular interactions such as van der Waals force and π-π interaction. When this electrode active material is used for the positive electrode, the chalcogen becomes a chalcogen anion due to reduction of the chalcogen substituent during discharge. At this time, the anion is delocalized in the bonded polycyclic compound, the intermolecular distance of the polycyclic compound is widened by electrostatic repulsion, the solvent and Li ions are likely to enter the interlayer, and the specific surface area increases at a stretch. It is done. Therefore, the reduction of the chalcogen atoms significantly increases the capacitance as a capacitor, and this is superposed on the discharge capacity derived from the chalcogen, so that it is assumed that a large capacity is developed. In addition, the oxidation-reduction potential of chalcogen is about 2V with respect to the Li electrode, whereas it is slightly over 3V for carbon. Therefore, when the capacitance increases at a stretch in the vicinity of 2V, a capacity corresponding to the voltage difference between the open circuit voltage of 3V or more and the reduction potential of sulfur of about 2V is immediately developed in the vicinity of 2V. A constant-voltage discharge similar to a battery (charge that is negatively charged as a capacitor) occurs. The reverse phenomenon occurs reversibly during charging. Therefore, the electricity storage device of the present invention can express a much larger capacity than the capacity expected from the chalcogen content, and is considered to be an epoch-making electricity storage device with a mechanism that has not existed before. When this chalcogen is all sulfur, the charge / discharge voltage difference is relatively large, the oxidation and reduction potential difference is large in the cyclic voltammetry (CV) waveform, large polarization occurs, and the energy efficiency may be low. In contrast, in polycyclic aromatic compounds to which chalcogen containing at least selenium is bonded, the electrical conductivity is increased, so that the charge / discharge potential difference can be reduced and the energy efficiency is improved as compared with the composite material containing only sulfur. . Further, the present invention shows a feature that charging and discharging can be performed while suppressing a decrease in capacity even at a low temperature such as −30 ° C., which is difficult with conventional batteries. In addition, when the chalcogen is composed only of selenium, the discharge potential is lowered to around 1.5 V, which is suitable for the negative electrode material of the battery. When used as a negative electrode material for a battery, it is preferable in that it has a high capacity and can prevent the problem of Li metal dendrite precipitation, which is a problem with Li-based negative electrodes. Even when the chalcogen is composed only of selenium, it can be used for the positive electrode. This is because the charge / discharge potential difference can be reduced and energy efficiency can be improved.
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.
以下には、本発明の蓄電デバイスを具体的に作製した例を実施例として説明する。 Below, the example which produced the electrical storage device of this invention concretely is demonstrated as an Example.
[実施例1](PANSe)
ポリアクリロニトリル(PAN,アルドリッチ製)1gにセレン粉末(約10μm,99.9%,高純度化学製)5gを加えよく混合したものを、試験管内に投入した。その試験管を窒素気流中の環状炉内に入れ、300℃まで1時間かけて昇温した。3時間加熱してPANをセレン化した後、温度を450℃まで30分かけて昇温し、3時間放置して、過剰なセレンを除去した。室温まで冷却後、黒色塊を取り出し、アルミナボートに乗せ、窒素気流下、450℃で3時間加熱し、過剰なセレンをさらに除去して黒色粉末の試料(カルコゲン化合物)を得た。これを、以下PANSeと称する。このPANSeを70重量%、カーボン(ECP600JD,ライオン社製)を20重量%、バインダーとしてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を10重量%となるように配合し、餅状になるまで乳鉢でよく混練し、シート状に成型した。このシートを直径12mmの円形状に切り出し、真空乾燥して正極材とした。この正極材と、負極としてのリチウム金属と、セパレーターとしての多孔質ポリエチレンと、電解液(1M−LiPF6を含むエチレンカーボネートEC+ジエチルカーボネートDEC(体積比3:7))とを用い、図1の評価セルを作成した。この得られた評価セルを実施例1とした。なお、Li金属は厚さ0.4mm、直径18mmのLi板を用い、正極材の重量は3mg、電極面積は1.3cm2で評価した。
[Example 1] (PANSe)
1 g of polyacrylonitrile (PAN, manufactured by Aldrich) and 5 g of selenium powder (about 10 μm, 99.9%, manufactured by High-Purity Chemical) were added and mixed well. The test tube was placed in an annular furnace in a nitrogen stream and heated to 300 ° C. over 1 hour. After heating for 3 hours to selenize PAN, the temperature was raised to 450 ° C. over 30 minutes and left for 3 hours to remove excess selenium. After cooling to room temperature, the black mass was taken out, placed on an alumina boat, and heated at 450 ° C. for 3 hours under a nitrogen stream to further remove excess selenium to obtain a black powder sample (chalcogen compound). This is hereinafter referred to as PANSe. 70% by weight of this PANSe, 20% by weight of carbon (ECP600JD, manufactured by Lion), 10% by weight of polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder, and knead well in a mortar until it becomes bowl-shaped And molded into a sheet. This sheet was cut into a circular shape with a diameter of 12 mm and vacuum dried to obtain a positive electrode material. Using this positive electrode material, lithium metal as a negative electrode, porous polyethylene as a separator, and electrolytic solution (ethylene carbonate EC + diethyl carbonate DEC (volume ratio 3: 7) containing 1M-LiPF 6 ) of FIG. An evaluation cell was created. This obtained evaluation cell was defined as Example 1. Note that the Li metal was a Li plate having a thickness of 0.4 mm and a diameter of 18 mm, and the weight of the positive electrode material was 3 mg and the electrode area was 1.3 cm 2 .
図1は評価セル10の説明図であり、図1(a)は評価セル10の組立前の断面図、図1(b)は評価セル10の組立後の断面図である。アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で評価セル10を作製した。評価セル10を組み立てるにあたり、まず、外周面にねじ溝が刻まれたステンレス製の円筒基体12の上面中央に設けられたキャビティ14に、負極16と、ポリエチレン製セパレータ18(微多孔性ポリエチレン膜、東燃化学(株)製)と、正極20とを、この順に、適量の非水系電解液をキャビティ14に注入しながら積層した。さらに、ポリプロピレン製の絶縁リング29を入れ、次いで絶縁性のリング22の穴に液密に固定された導電性の円柱24を正極20の上に配置し、導電性のコップ状の蓋26を円筒基体12にねじ込んだ。さらに、円柱24の上に絶縁用樹脂リング27を配置し、蓋26の上面中央に設けられた開口26aの内周面に刻まれたねじ溝に貫通孔25aを持つ加圧ボルト25をねじ込み、負極16とセパレータ18と固体電解質膜18と正極20とを加圧密着させた。このようにして、評価セル10を作製した。なお、円柱24は、リング22の上面より下に位置し絶縁用樹脂リング27を介して蓋26と接しているため、蓋26と円柱24とは電気的に非接触な状態となっている。また、キャビティ14の周辺にはパッキン28が配置されているため、キャビティ14内に注入された電解液が外部に漏れることはない。この評価セル10では、蓋26と加圧ボルト25と円筒基体12とが負極16と一体化されて全体が負極側となり、円柱24が正極20と一体化されると共に負極16と絶縁されているため正極側となる。このようにして評価セルを作成した。
1A and 1B are explanatory views of the
(元素分析)
得られた試料(カルコゲン化合物)に対して、元素分析を行った。CHNの元素分析は、全自動元素分析装置(エレメンタール社製,VarioEL)による燃焼法によって行った。硫黄の分析は、フラスコ燃焼−イオンクロマトグラフィーにより分析した。硫黄分析のシステムは、Dionex社製DX320を用い、カラムをIonPacAS12Aとし、移動相をNa2CO3(2.7mmol/L)/NaHCO3(0.3mmol/L)とした。セレンの分析は以下のように行った。まず、試料を密閉容器に秤取し、塩を加えた硝酸および過塩素酸で加熱分解し、水で定容とした。この溶液に関して、ICP発光分析法でSeを測定し、試料中の含有量を求めた。
(Elemental analysis)
Elemental analysis was performed on the obtained sample (chalcogen compound). The elemental analysis of CHN was performed by a combustion method using a fully automatic elemental analyzer (manufactured by Elemental, VarioEL). The sulfur was analyzed by flask combustion-ion chromatography. The system for sulfur analysis was DX320 manufactured by Dionex, the column was IonPacAS12A, and the mobile phase was Na 2 CO 3 (2.7 mmol / L) / NaHCO 3 (0.3 mmol / L). The analysis of selenium was performed as follows. First, the sample was weighed in a sealed container, thermally decomposed with nitric acid and perchloric acid with salt added, and made up to a constant volume with water. For this solution, Se was measured by ICP emission spectrometry, and the content in the sample was determined.
(ラマンスペクトル分析)
得られた試料(カルコゲン化合物)に対して、ラマン分光測定を行った。ラマンスペクトル分析は、レーザラマン分光システム(日本分光(株)製、NRS−3300)を用いて測定した。波長532nmの励起光でラマン分光測定を行い、芳香族環骨格振動に由来する1200cm-1近傍から1600cm-1近傍までのピーク、及び1020cm-1近傍から1050cm-1近傍にみられる硫黄を含む複素環に由来するピークを観察した。
(Raman spectrum analysis)
The obtained sample (chalcogen compound) was subjected to Raman spectroscopic measurement. The Raman spectrum analysis was measured using a laser Raman spectroscopy system (manufactured by JASCO Corporation, NRS-3300). Perform Raman spectroscopy with an excitation light having a wavelength of 532 nm, a complex containing a sulfur seen from 1200 cm -1 vicinity derived from an aromatic ring skeleton vibration peaks up 1600 cm -1 vicinity, and of 1020 cm -1 vicinity near 1050 cm -1 A peak derived from the ring was observed.
(電気化学特性の評価)
得られた評価セルの電気化学特性の評価を行った。電気化学特性の評価では、電極活物質としての試料(カルコゲン化合物)の単位重量あたりの放電容量(mAh/g)、エネルギー効率(%)、SOC0.5のときの放電電圧(V)、充放電電圧差(V)、電圧損失(%)、低温特性について検討した。まず、評価セルを25℃の恒温槽内に設置し、この温度で初期エージングとして、0.5Vから3.0Vまでの領域で0.5mA定電流充放電を2回行った。そのあと、充放電試験として0.7Vから2.8Vの領域で0.5mA定電流充放電を行い、このときの放電容量(mAh/g)、放電時の電力量(W,以下WDとも称する)、直前充電時の電力量(W,以下WCとも称する)、SOC0.5のときの充電電圧(V,以下VC0.5とも称する)および放電電圧(V,以下VD0.5とも称する)を測定した。また、上述の初期エージングをした後、25℃、0℃、−15℃、−30℃、−45℃、−60℃と恒温槽の温度を変化させ、0.7Vから2.8Vの領域で0.1mAおよび0.5mAの2水準の低電流充放電を行い、このときの放電容量(mAh/g)を測定した。この測定では、充放電を行う前に各温度で1時間保持した。エネルギー効率E(%)は、E=(WD/WC)×100の式により求めた。充放電電圧差(V)は、充電電圧VC0.5(V)から放電電圧VD0.5(V)を減じた値とした。また、電圧損失L(%)は、L={(VC0.5−VD0.5)/VD0.5}×100の式により求めた。
(Evaluation of electrochemical properties)
The electrochemical characteristics of the obtained evaluation cell were evaluated. In the evaluation of electrochemical characteristics, the discharge capacity per unit weight (mAh / g), energy efficiency (%), discharge voltage (V) at SOC 0.5, charge / discharge in the sample (chalcogen compound) as the electrode active material The voltage difference (V), voltage loss (%), and low temperature characteristics were examined. First, the evaluation cell was installed in a constant temperature bath at 25 ° C., and 0.5 mA constant current charging / discharging was performed twice in the region from 0.5 V to 3.0 V as initial aging at this temperature. After that, as a charge / discharge test, 0.5 mA constant current charge / discharge is performed in the region from 0.7 V to 2.8 V, and the discharge capacity (mAh / g) at this time, the electric energy during discharge (W, hereinafter also referred to as WD). ), The amount of electric power (W, hereinafter also referred to as WC) at the time of the previous charging, the charging voltage (V, hereinafter also referred to as VC0.5) and the discharging voltage (V, hereinafter also referred to as VD0.5) at SOC 0.5 did. In addition, after the initial aging described above, the temperature of the thermostatic chamber was changed to 25 ° C., 0 ° C., −15 ° C., −30 ° C., −45 ° C., −60 ° C., and in the region of 0.7V to 2.8V. Two levels of low current charge and discharge at 0.1 mA and 0.5 mA were performed, and the discharge capacity (mAh / g) at this time was measured. In this measurement, it was held at each temperature for 1 hour before charging / discharging. The energy efficiency E (%) was determined by the equation E = (WD / WC) × 100. The charge / discharge voltage difference (V) was a value obtained by subtracting the discharge voltage VD0.5 (V) from the charge voltage VC0.5 (V). Moreover, the voltage loss L (%) was calculated | required by the type | formula of L = {(VC0.5-VD0.5) /VD0.5} * 100.
[実施例2](PANSSe)
PAN1gに硫黄粉末(75μm以下,99.99%,高純度化学製)5gを加えよく混合したものを、試験管内に投入した。その試験管を窒素気流中の環状炉内に入れ、300℃まで1時間かけて昇温した。3時間加熱してPANを硫黄化した後、温度を450℃まで30分かけて昇温し、3時間放置して過剰な硫黄を除去した。室温まで冷却後、黒色の試料粉末を得た。以下これをPANSと称する。このPANSを200mgとセレン粉末1gとを混合し、試験管内に投入した。その試験管を窒素気流中の環状炉内に入れ、300℃まで1時間かけて昇温した。3時間加熱してPANSをセレン化した後、温度を450℃まで30分かけて昇温し、3時間放置して、過剰なセレンを除去した。室温まで冷却後、黒色塊を取り出し、アルミナボートに乗せ、窒素気流下、450℃で3時間加熱し、過剰なセレンをさらに除去して黒色の試料粉末を得た。以下これをPANSSeと称する。得られたPANSSeを用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを実施例2とした。
[Example 2] (PANSSe)
1 g of PAN and 5 g of sulfur powder (75 μm or less, 99.99%, manufactured by High Purity Chemical) were added and mixed well, and the mixture was put into a test tube. The test tube was placed in an annular furnace in a nitrogen stream and heated to 300 ° C. over 1 hour. After heating for 3 hours to sulfinate PAN, the temperature was raised to 450 ° C. over 30 minutes and left for 3 hours to remove excess sulfur. After cooling to room temperature, a black sample powder was obtained. Hereinafter, this is referred to as PANS. 200 mg of this PANS and 1 g of selenium powder were mixed and put into a test tube. The test tube was placed in an annular furnace in a nitrogen stream and heated to 300 ° C. over 1 hour. After the PANS was selenized by heating for 3 hours, the temperature was raised to 450 ° C. over 30 minutes and left for 3 hours to remove excess selenium. After cooling to room temperature, the black mass was taken out, placed on an alumina boat, and heated at 450 ° C. for 3 hours under a nitrogen stream to further remove excess selenium to obtain a black sample powder. Hereinafter, this is referred to as PANSSe. Using the obtained PANSSe, an evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 was defined as Example 2.
[実施例3](PNVSe)
PANの代わりにポリ−2,6−ナフタレンビニレン(PNV,アルドリッチ製)0.5gを用い、セレン粉末2.5gを加えた以外は実施例1と同様の工程を経て試料粉末を得た。以下これをPNVSeと称する。得られたPNVSeを用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを実施例3とした。
[Example 3] (PNVSe)
Sample powder was obtained through the same steps as in Example 1 except that 0.5 g of poly-2,6-naphthalene vinylene (PNV, manufactured by Aldrich) was used instead of PAN, and 2.5 g of selenium powder was added. Hereinafter, this is referred to as PNVSe. Using the obtained PNVSe, an evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 was defined as Example 3.
[実施例4](PNVSSe)
PANの代わりにPNV0.5gを用い、硫黄粉末2.5gを加えてPNVSを合成した以外は実施例2と同様の工程を経て試料粉末を得た。以下これをPNVSSeと称する。得られたPNVSSeを用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを実施例4とした。
[Example 4] (PNVSSe)
Sample powder was obtained through the same steps as in Example 2 except that 0.5 g of PNV was used instead of PAN, and 2.5 g of sulfur powder was added to synthesize PNVS. Hereinafter, this is referred to as PNVSSe. Using the obtained PNVSSe, an evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 was defined as Example 4.
[実施例5](ANSSe)
PANの代わりにアントラセン(AN,アルドリッチ製)1gを用い、硫黄粉末5gを加えてPANSを合成した以外は実施例2と同様の工程を経て試料粉末を得た。以下これをANSSeと称する。得られたANSSeを用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを実施例5とした。
Example 5 (ANSSe)
Sample powder was obtained through the same steps as in Example 2 except that 1 g of anthracene (AN, manufactured by Aldrich) was used instead of PAN, and 5 g of sulfur powder was added to synthesize PANS. Hereinafter, this is referred to as ANSSe. Using the obtained ANSSe, an evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 was defined as Example 5.
[実施例6](PPSSSe)
PANの代わりにポリ−p−フェニレンスルフィド(PPS,アルドリッチ製)1gを用い、硫黄粉末5gを加えてPPSSを合成した以外は実施例2と同様の工程を経て試料粉末を得た。以下これをPPSSSeと称する。得られたPPSSSeを用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを実施例6とした。
[Example 6] (PPSSSe)
Sample powder was obtained through the same steps as Example 2 except that 1 g of poly-p-phenylene sulfide (PPS, manufactured by Aldrich) was used instead of PAN, and 5 g of sulfur powder was added to synthesize PPSS. Hereinafter, this is referred to as PPSSSe. Using the obtained PPSSSe, an evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 was defined as Example 6.
[比較例1](PANS)
PAN1gに硫黄粉末(75μm以下,99.99%,高純度化学製)5gを加えよく混合したものを、試験管内に投入した。その試験管を窒素気流中の環状炉内に入れ、300℃まで1時間かけて昇温した。3時間加熱してPANを硫黄化した後、温度を450℃まで30分かけて昇温し、3時間放置した。室温まで冷却後、黒色の試料粉末を得た。以下これをPANSと称する。得られたPANSを用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを比較例1とした。
[Comparative Example 1] (PANS)
1 g of PAN and 5 g of sulfur powder (75 μm or less, 99.99%, manufactured by High Purity Chemical) were added and mixed well, and the mixture was put into a test tube. The test tube was placed in an annular furnace in a nitrogen stream and heated to 300 ° C. over 1 hour. After heating for 3 hours to sulfurize PAN, the temperature was raised to 450 ° C. over 30 minutes and allowed to stand for 3 hours. After cooling to room temperature, a black sample powder was obtained. Hereinafter, this is referred to as PANS. An evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 using the obtained PANS was used as Comparative Example 1.
[比較例2](PANSeS)
PANSe200mgと硫黄粉末1gとを混合し、試験管内に投入した。その試験管を窒素気流中の環状炉内に入れ、300℃まで1時間かけて昇温した。3時間加熱してPANSeを硫黄化した後、温度を450℃まで30分かけて昇温し、3時間放置した。室温まで冷却後、黒色の試料粉末を得た。以下これをPANSeSと称する。得られたPANSeSを用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを比較例2とした。
[Comparative Example 2] (PANSeS)
200 mg of PANSe and 1 g of sulfur powder were mixed and put into a test tube. The test tube was placed in an annular furnace in a nitrogen stream and heated to 300 ° C. over 1 hour. After heating for 3 hours to sulfinate PANSe, the temperature was raised to 450 ° C. over 30 minutes and allowed to stand for 3 hours. After cooling to room temperature, a black sample powder was obtained. Hereinafter, this is referred to as PANSeS. An evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 using the obtained PANSeS was used as Comparative Example 2.
[比較例3〜5](PNVS,ANS,PPSS)
PANの代わりにPNV0.5gを用い、硫黄粉末2.5gを加えた以外は比較例1と同様に工程を経て試料粉末を得た。以下これをPNVSと称する。得られたPNVSを用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを比較例3とした。また、PANの代わりにAN1gを用い、硫黄粉末5gを加えた以外は比較例1と同様の工程を経て試料粉末を得た。以下これをANSと称する。得られたANSを用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを比較例4とした。また、PANのかわりにPPS1gを用い、硫黄粉末5gを加えた以外は比較例1と同様の工程を経て試料粉末を得た。以下これをPPSSと称する。得られたPPSSを用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを比較例5とした。
[Comparative Examples 3 to 5] (PNVS, ANS, PPSS)
Sample powder was obtained through the same process as Comparative Example 1 except that 0.5 g of PNV was used instead of PAN and 2.5 g of sulfur powder was added. Hereinafter, this is referred to as PNVS. An evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 using the obtained PNVS was set as Comparative Example 3. Moreover, sample powder was obtained through the process similar to the comparative example 1 except having used 1 g of AN instead of PAN and adding 5 g of sulfur powder. Hereinafter, this is referred to as ANS. An evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 using the obtained ANS was referred to as Comparative Example 4. Moreover, sample powder was obtained through the same process as Comparative Example 1 except that 1 g of PPS was used instead of PAN and 5 g of sulfur powder was added. Hereinafter, this is referred to as PPSS. An evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 using the obtained PPSS was used as Comparative Example 5.
[比較例6,7](NPYSe,PENSe)
PANの代わりにナフト[2,3−a]ピレン(NPY,アルドリッチ製)0.5gを用い、セレン粉末2.5gを加えた以外は実施例1と同様の工程を経て試料粉末を得た。以下これをNPYSeと称する。得られたNPYSeを用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを比較例6とした。また、PANの代わりにペンタセン(PEN,アルドリッチ製)0.5gを用い、セレン粉末2.5gを加えた以外は実施例1と同様の工程を経て試料粉末を得た。以下これをPENSeと称する。得られたPENSeを用いて、実施例1と同様の工程を経て得られた評価セルを比較例7とした。
[Comparative Examples 6 and 7] (NPYSe, PENSe)
Sample powder was obtained through the same steps as in Example 1 except that 0.5 g of naphtho [2,3-a] pyrene (NPY, manufactured by Aldrich) was used instead of PAN, and 2.5 g of selenium powder was added. Hereinafter, this is referred to as NPYSe. An evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 using the obtained NPYSe was set as Comparative Example 6. A sample powder was obtained through the same process as in Example 1 except that 0.5 g of pentacene (PEN, manufactured by Aldrich) was used instead of PAN and 2.5 g of selenium powder was added. Hereinafter, this is referred to as PENSe. Using the obtained PENSe, an evaluation cell obtained through the same steps as in Example 1 was defined as Comparative Example 7.
(カルコゲン化合物の構造の推定)
実施例及び比較例の化合物について、用いた原料の構造と、元素分析結果及びラマン分光分析結果より推定した各カルコゲン化合物(PAN系、PNV系、AN系、PPS系)の代表的な基本構造を表1に示す。表1において、CGはカルコゲンを示す。なお、表1に示した推定基本構造は、元素分析結果でカルコゲン量が最も多いものから推定される構造である。また、表1において、カルコゲンが連なった結合状態を便宜上描いているが、実際には2量体であるジスルフィド様結合(カルコゲニド結合)を形成するか、2本とも炭素骨格(芳香族)に結合したチオカルボニル(チオキノン)様構造を形成しているものと推察された。なお、ジスルフィド様結合とは、ジスルフィド結合の硫黄がカルコゲンであるものをいうこととした。また、チオカルボニル様構造とは、チオカルボニル構造の硫黄がカルコゲンであるものをいうこととした。また、炭素に結合したカルコゲンは、還元状態ではアニオンになると推察された。図2は、実施例1〜6及び比較例1,3〜5のカルコゲン化合物のラマンスペクトルである。ラマン測定の結果を考察すると、いずれのカルコゲン化合物においても1200cm-1以上1600cm-1以下の間に芳香族環骨格に由来すると考えられる複数のピークが確認された。また、実施例1,2,5及び比較例1,4のカルコゲン化合物においては、900cm-1以上1100cm-1以下の間にカルコゲンを含む複素環に由来すると考えられるピークが確認された。即ち、実施例1,2,5及び比較例1,4のカルコゲン化合物は、カルコゲンを含む複素環を有しているものと推察された。ここで、カルコゲンが硫黄のもの(以下S材とも称する)、硫黄をセレンに置換したもの(以下SSe材とも称する)、カルコゲンがセレンのもの(以下Se材とも称する)とを比較すると、カルコゲンを含む複素環に由来すると考えられるピークがS材、SSe材、Se材の順に低波数側にシフトしており、重元素であるSeへの置換が起きていることが推察された。また、実施例3,4,5及び比較例3,4のカルコゲン化合物では、1450cm-1付近にチオフェン様骨格に由来すると考えられるピークが確認された。即ち、実施例3,4,5及び比較例3,4のカルコゲン化合物は、チオフェン様骨格を有しているものと推察された。なお、実施例6及び比較例5のカルコゲン化合物ではカルコゲンを含む複素環に由来すると考えられるピークやチオフェン様骨格に由来すると考えられるピークは確認できなかった。これは、基本構造の繰り返し数が小さい(例えば2以下など)ことや、大きな芳香族骨格に少ない複素環がつながった構造であることなどにより、ラマン分光分析では確認できなかったためと推察された。また、実施例1〜6及び比較例1〜7の元素分析結果を表2に示す。表2より、実施例1〜6のものでは、炭素、水素、窒素及びカルコゲンの総量に対するセレンの重量比が15%以上であることがわかった。また、SSe材である実施例2,4,5,6およびS材である比較例1,3,4,5の炭素、水素、窒素及びカルコゲンの総量に対する硫黄とセレンの元素比を表3に示す。表3より、SSe材における硫黄とセレンの元素比の和はS材における硫黄の元素比とほぼ等しく、S材の硫黄の一部がセレンに置換されたものと推定された。また、表3には、比較例6,7における炭素、水素、窒素及びカルコゲンの総量に対する硫黄とセレンの元素比も示した。
(Estimation of chalcogen compound structure)
For the compounds of Examples and Comparative Examples, the structure of the raw materials used and representative basic structures of the respective chalcogen compounds (PAN, PNV, AN, PPS) estimated from the results of elemental analysis and Raman spectroscopy Table 1 shows. In Table 1, CG represents chalcogen. The estimated basic structure shown in Table 1 is a structure estimated from the elemental analysis result with the largest amount of chalcogen. Moreover, in Table 1, although the binding state in which chalcogens are connected is drawn for convenience, a disulfide-like bond (chalcogenide bond) that is a dimer is actually formed, or both are bonded to a carbon skeleton (aromatic). It was inferred that the thiocarbonyl (thioquinone) -like structure was formed. In addition, the disulfide-like bond means that the sulfur of the disulfide bond is chalcogen. Further, the thiocarbonyl-like structure means that the sulfur of the thiocarbonyl structure is chalcogen. In addition, it was speculated that chalcogen bonded to carbon becomes an anion in the reduced state. FIG. 2 is a Raman spectrum of the chalcogen compounds of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 3 to 5. Considering the results of the Raman measurements, a plurality of peaks which are considered to be derived from an aromatic ring skeleton also between 1200 cm -1 or 1600 cm -1 or less in any of the chalcogen compound is confirmed. Further, in the chalcogen compounds of Examples 1, 2, 5 and Comparative Examples 1 and 4, a peak considered to be derived from a heterocycle containing chalcogen was confirmed between 900 cm −1 and 1100 cm −1 . That is, it was speculated that the chalcogen compounds of Examples 1, 2, 5 and Comparative Examples 1, 4 had a heterocycle containing chalcogen. Here, when chalcogen is sulfur (hereinafter also referred to as S material), sulfur is substituted with selenium (hereinafter also referred to as SSe material), and chalcogen is selenium (hereinafter also referred to as Se material), chalcogen is The peaks considered to be derived from the included heterocyclic ring are shifted to the low wavenumber side in the order of S material, SSe material, and Se material, and it was inferred that substitution to Se, which is a heavy element, has occurred. Further, in the chalcogen compounds of Examples 3, 4, 5 and Comparative Examples 3 and 4, a peak considered to be derived from the thiophene-like skeleton was confirmed in the vicinity of 1450 cm −1 . That is, the chalcogen compounds of Examples 3, 4 and 5 and Comparative Examples 3 and 4 were presumed to have a thiophene-like skeleton. In addition, in the chalcogen compounds of Example 6 and Comparative Example 5, a peak considered to be derived from a heterocyclic ring containing chalcogen and a peak considered to be derived from a thiophene-like skeleton could not be confirmed. This was presumed to be because it could not be confirmed by Raman spectroscopic analysis due to the small number of repetitions of the basic structure (for example, 2 or less) and the structure in which a small aromatic ring was connected to a large aromatic skeleton. Table 2 shows the elemental analysis results of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 7. From Table 2, it was found that in Examples 1 to 6, the weight ratio of selenium to the total amount of carbon, hydrogen, nitrogen and chalcogen was 15% or more. Table 3 shows the element ratios of sulfur and selenium with respect to the total amount of carbon, hydrogen, nitrogen and chalcogen in Examples 2, 4, 5, and 6 that are SSe materials and Comparative Examples 1, 3, 4, and 5 that are S materials. Show. From Table 3, the sum of the element ratios of sulfur and selenium in the SSe material was almost equal to the element ratio of sulfur in the S material, and it was estimated that part of the sulfur in the S material was replaced with selenium. Table 3 also shows the element ratios of sulfur and selenium with respect to the total amount of carbon, hydrogen, nitrogen and chalcogen in Comparative Examples 6 and 7.
(電気化学特性の評価結果)
図3は、いずれもPAN系である実施例1,2及び比較例1の充放電波形を示すグラフである。S材であるPANSをセレン化したPANSSeでは、PANSと比較して、放電電圧VD0.5が上昇し、充電電圧VC0.5が低下した。また、Se材であるPANSeでは、PANSと比較して、放電電圧VD0.5が低下したが、充電電圧VC0.5も低下したため、充放電電圧差(V)が小さくなった。なお、ここでいう充放電電圧差(V)は、規格化容量0.5、即ち、充放電深度(SOC)0.5での充放電電圧差をいう。
(Evaluation results of electrochemical characteristics)
FIG. 3 is a graph showing the charge / discharge waveforms of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 that are all PAN-based. In the PANSSe obtained by selenizing the S material PANS, the discharge voltage VD0.5 increased and the charge voltage VC0.5 decreased compared to the PANS. Moreover, in PANSe which is Se material, compared with PANS, although the discharge voltage VD0.5 fell, since the charge voltage VC0.5 also fell, the charge / discharge voltage difference (V) became small. The charge / discharge voltage difference (V) here refers to a charge / discharge voltage difference at a normalized capacity of 0.5, that is, a charge / discharge depth (SOC) of 0.5.
放電容量、エネルギー効率、放電電圧、充放電電圧差、電圧損失などの電気化学特性の評価結果を表4に示した。また、表4には、セレン及び硫黄を単体で加えた場合の理論容量も示した。表4より、放電容量は、セレンと硫黄の含有量から予想される理論容量よりも大きいことがわかった。また、後述するサイクリックボルタンメトリー(以下CVとも称する)から、キャパシタ成分が確認された。このことから、セレンの重量比が15重量%以上のものでは、キャパシタ成分の重畳がおきているものと推察された。図4は、実施例1及び比較例1のCVの結果を示すグラフである。実施例1のPANSeのCVでは、3Vまで充電後2.1V以上3V以下の領域で測定し、0.7Vまで放電後0.7V以上1.7V以下の領域で測定した。比較例1のPANSのCVでは、3Vまで充電後2.2V以上3V以下の領域で測定し、1Vまで放電後1V以上2V以下の領域で測定した。図4より、実施例1及び比較例1では、いずれも、高電圧域でのスキャンに比して低電圧域のスキャンで静電容量が増大することが分かった。このことから、酸化還元によって発生する静電容量が、キャパシタ成分として電池容量に重畳し、大幅に容量が増大したものと推察された。ここで、容量は、カルコゲン置換基の酸化還元によって発生する多環芳香族部位のキャパシタ成分の重畳によって増大すると考えられるため、カルコゲン置換基が多く結合できることが好ましく、多環芳香族構造である場合にはエッジ部の多いポリアセン構造が適するものと推察された。また、ポリアセン構造は、炭素のみからなる芳香族環である必要はなく、芳香族環が芳香族複素環でつながった実施例3〜6のものでもよいと推察された。 Table 4 shows the evaluation results of electrochemical characteristics such as discharge capacity, energy efficiency, discharge voltage, charge / discharge voltage difference, and voltage loss. Table 4 also shows the theoretical capacity when selenium and sulfur are added alone. From Table 4, it was found that the discharge capacity was larger than the theoretical capacity expected from the contents of selenium and sulfur. Further, the capacitor component was confirmed by cyclic voltammetry (hereinafter also referred to as CV) described later. From this, it was inferred that capacitor components were superimposed when the weight ratio of selenium was 15% by weight or more. FIG. 4 is a graph showing the CV results of Example 1 and Comparative Example 1. The PANSe CV of Example 1 was measured in the region of 2.1V to 3V after charging up to 3V, and measured in the region of 0.7V to 1.7V after discharging to 0.7V. In the CNS of the PANS of Comparative Example 1, measurement was performed in the region of 2.2V to 3V after charging up to 3V, and measurement was performed in the region of 1V to 2V after discharging up to 1V. From FIG. 4, it was found that in both Example 1 and Comparative Example 1, the capacitance increased in the scan in the low voltage range as compared to the scan in the high voltage range. From this, it was speculated that the capacitance generated by oxidation-reduction was superimposed on the battery capacity as a capacitor component, and the capacity was significantly increased. Here, since the capacity is considered to increase due to the superposition of the capacitor component of the polycyclic aromatic moiety generated by redox of the chalcogen substituent, it is preferable that many chalcogen substituents can be bonded, and in the case of a polycyclic aromatic structure It was speculated that a polyacene structure with many edges was suitable for this. Moreover, it was speculated that the polyacene structure does not need to be an aromatic ring composed of only carbon, and may be those of Examples 3 to 6 in which the aromatic rings are connected by an aromatic heterocycle.
また、表4でSe材及びSSe材である実施例1〜6はいずれもS材やSeS材である比較例1〜5よりもエネルギー効率が高いことから、炭素材に結合するカルコゲンはセレン単独でもよいし、セレンと硫黄の両方でもよいことが分かった。なお、表2に示したように、実施例1,3のものでは、加熱焼成によってセレンの導入を図っているが、セレンの反応性が低いため、水素の残存量が多くなっている。このため、セレン濃度が実施例2,4,5,6と比較して低めであり、これが放電容量の低下の一因になっているものと推察された。ただし、これは、反応時のセレンを高濃度化すれば防げるため本質的な問題ではないと推察された。また、実施例3や実施例6のものでは、放電電圧が低いため、例えば、高電圧の正極材と組み合わせることにより、Liのデンドライト生成を生じにくい負極材としても有効であると推察された。また、Se材と比較して、SSe材は、容量の低下を抑制しつつ、充放電エネルギー効率を高め、充放電電位差および電圧損失を低減できることが分かった。SSe材では、放電電圧は実施例2のようにむしろ高電圧になることが分かった。したがって、正極材として有望な電極材料であると考えられた。 Moreover, since Examples 1-6 which are Se material and SSe material are higher energy efficiency than Comparative Examples 1-5 which are S material and SeS material in Table 4, the chalcogen couple | bonded with a carbon material is selenium alone. However, it turned out that both selenium and sulfur may be used. As shown in Table 2, in Examples 1 and 3, selenium was introduced by heating and baking. However, since the reactivity of selenium was low, the residual amount of hydrogen was large. For this reason, the selenium concentration was lower than those of Examples 2, 4, 5, and 6, and it was assumed that this contributed to a decrease in discharge capacity. However, it was speculated that this is not an essential problem because it can be prevented by increasing the concentration of selenium during the reaction. Moreover, in Example 3 and Example 6, since the discharge voltage was low, it was guessed that it was effective also as a negative electrode material which is hard to produce the dendrite of Li by combining with a high voltage positive electrode material, for example. Moreover, it was found that the SSe material can increase the charge / discharge energy efficiency and reduce the charge / discharge potential difference and the voltage loss while suppressing the decrease in capacity as compared with the Se material. It was found that with the SSe material, the discharge voltage was rather high as in Example 2. Therefore, it was considered as a promising electrode material as a positive electrode material.
同じ炭素骨格を有するのもので比較すると、S材と比較してSe材やSSe材は、エネルギー効率、充放電電圧差、電圧損失の点で良好な特性を示すことがわかった。但し、セレンの重量比が15%以下で硫黄も含まれていない比較例6,7では、容量がきわめて低かった。セレン濃度は低いが硫黄が含まれている比較例2では、容量は大きいものの、エネルギー効率は比較例1に比べむしろ低くなることがわかった。このように、セレン濃度が少なくとも15重量%以上であることが好ましいことが分かった。活物質重量あたりの放電容量に関しては、S材の容量のほうが高かった。但し、硫黄の比重が2であるのに対し、セレンの比重は4.8であるため、電池で重要視される体積あたりの容量は遜色ないものと推察された。セレンの導入方法として、加熱焼成では高濃度化は困難であることがわかった。特に、低分子量の多環芳香族化合物を直接セレンと加熱焼成しても、比較例6,7のように、セレン濃度は2at%以下と低い。これは、セレンの反応性の低さと原料の揮発性のためと推察された。このような比較的低分子量の多環芳香族化合物から本発明の電極材を作製する方法として、あらかじめ硫黄との複合材を作製しておいた後、硫黄の一部または全部をセレンに置換する工程を含むカルコゲン炭素複合蓄電池様電極材作製方法が適することが分かった。これを行うことにより、比較例6,7の原料芳香族化合物やこれより低分子量のアントラセンからも実施例5にあるように高濃度のセレン複合材が作製可能となると推察された。 When compared with those having the same carbon skeleton, it was found that the Se material and the SSe material showed better characteristics in terms of energy efficiency, charge / discharge voltage difference, and voltage loss than the S material. However, in Comparative Examples 6 and 7 in which the weight ratio of selenium was 15% or less and sulfur was not contained, the capacity was extremely low. In Comparative Example 2 in which sulfur was contained although the selenium concentration was low, it was found that although the capacity was large, the energy efficiency was rather lower than that in Comparative Example 1. Thus, it was found that the selenium concentration is preferably at least 15% by weight. Regarding the discharge capacity per active material weight, the capacity of the S material was higher. However, since the specific gravity of sulfur is 2 while the specific gravity of selenium is 4.8, it is presumed that the capacity per volume regarded as important in the battery is inferior. As a method for introducing selenium, it has been found that high concentration is difficult by heating and baking. In particular, even when a low molecular weight polycyclic aromatic compound is directly heated and baked with selenium, the selenium concentration is as low as 2 at% or less as in Comparative Examples 6 and 7. This is presumed to be due to the low reactivity of selenium and the volatility of the raw material. As a method for producing the electrode material of the present invention from such a relatively low molecular weight polycyclic aromatic compound, after preparing a composite material with sulfur in advance, a part or all of the sulfur is replaced with selenium. It turned out that the chalcogen carbon composite storage battery-like electrode material preparation method including a process is suitable. By performing this, it was speculated that a high-concentration selenium composite material could be produced from the raw material aromatic compounds of Comparative Examples 6 and 7 and anthracene having a lower molecular weight than that as in Example 5.
図5は、実施例1及び比較例1の温度と放電容量との関係を示すグラフである。ここでは、25℃での放電容量を100としたときの容量低下の様子を示した。図5より、硫黄のみからなる比較例1では、0.5mA時には−15℃で、0.1mAと低電流にしても−30℃で大幅な容量低下が見られるのに対し、セレン複合材である実施例1は、−30℃でも0.1mAでは50%以上という高い容量を維持していた。−30℃で充放電可能な電池の要求は強いが、これまでの電池では実現困難であった。本発明は−30℃での充放電が可能であるという、画期的な性能を示す電極材であると言える。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the temperature and discharge capacity in Example 1 and Comparative Example 1. Here, the state of capacity reduction when the discharge capacity at 25 ° C. is set to 100 is shown. From FIG. 5, in Comparative Example 1 consisting of only sulfur, the capacity is reduced at −15 ° C. at 0.5 mA and even at a low current of 0.1 mA, whereas a significant decrease in capacity at −30 ° C. is observed. In Example 1, a high capacity of 50% or more was maintained even at −30 ° C. at 0.1 mA. Although there is a strong demand for batteries that can be charged and discharged at −30 ° C., it has been difficult to achieve with conventional batteries. It can be said that the present invention is an electrode material exhibiting breakthrough performance that can be charged and discharged at −30 ° C.
以上述べたように、実施例1〜6のものでは、酸化還元に伴うキャパシタ成分の重畳という新しい現象により、カルコゲン含有量から予想される理論容量以上の容量を示すとともに、セレン化の効果として、高エネルギー効率、低充放電電圧差、低電圧損失、低温特性の向上を実現できることが分かった。 As described above, in Examples 1 to 6, the new phenomenon of superposition of capacitor components associated with oxidation / reduction shows a capacity higher than the theoretical capacity expected from the chalcogen content, and as an effect of selenization, It was found that high energy efficiency, low charge / discharge voltage difference, low voltage loss, and low temperature characteristics can be realized.
10 評価セル、12 円筒基体、14 キャビティ、16 負極、18 セパレータ、20 正極、22 リング、24 円柱、25 加圧ボルト、25a 貫通孔、26 蓋、26a 開口、27 絶縁用樹脂リング、28 パッキン、29 絶縁リング。 10 Evaluation Cell, 12 Cylindrical Base, 14 Cavity, 16 Negative Electrode, 18 Separator, 20 Positive Electrode, 22 Ring, 24 Column, 25 Pressure Bolt, 25a Through Hole, 26 Lid, 26a Opening, 27 Insulating Resin Ring, 28 Packing, 29 Insulation ring.
Claims (6)
前記カルコゲン化合物は、外周にカルコゲンが結合したピリジン環が一列に並んだポリアセン構造又は外周にカルコゲンが結合した芳香族環がカルコゲンを含む複素環でつながった構造を有する、
蓄電デバイス。 A chalcogen compound having a carbon skeleton and a chalcogen containing at least selenium and having a weight ratio of selenium to the total amount of carbon, hydrogen, nitrogen and chalcogen of 15% or more is used as an electrode active material ,
The chalcogen compound has a polyacene structure in which pyridine rings having chalcogen bonded to the outer periphery are arranged in a row, or a structure in which an aromatic ring having chalcogen bonded to the outer periphery is connected by a heterocycle containing chalcogen,
Power storage device.
前記カルコゲンは、酸化状態では、2本の結合手の一方が該芳香族環構造に結合し他方が他のカルコゲン元素との2量体であるジカルコゲニド結合を形成するか、2本の結合手の両方が芳香族環構造に結合している、請求項1又は2に記載の蓄電デバイス。 The carbon skeleton has an aromatic ring structure;
In the oxidized state, the chalcogen forms a dichalcogenide bond in which one of two bonds is bonded to the aromatic ring structure and the other is a dimer with another chalcogen element, or two bonds are bonded. Both are couple | bonded with the aromatic ring structure, The electrical storage device of Claim 1 or 2.
炭素骨格と硫黄との結合を有する硫黄化合物の硫黄をセレンに置換するセレン化工程、
を含む電極活物質の製造方法。 A manufacturing method for manufacturing an electrode active material used for an electrode of an electricity storage device,
A selenization step in which sulfur of a sulfur compound having a bond between a carbon skeleton and sulfur is substituted with selenium,
A method for producing an electrode active material comprising:
を含む請求項4又は5に記載の電極活物質の製造方法。
Before the selenization step, a sulfurization step of synthesizing the sulfur compound by mixing and heating a compound capable of forming the carbon skeleton and sulfur,
The manufacturing method of the electrode active material of Claim 4 or 5 containing this.
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