JP7383254B2 - Sulfur active material-containing electrode composition, and electrodes and batteries using the same - Google Patents
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Description
本発明は、硫黄活物質含有電極組成物、並びにこれを用いた電極および電池に関する。 The present invention relates to a sulfur active material-containing electrode composition, and an electrode and battery using the same.
近年、地球温暖化に対処するため、二酸化炭素排出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. In the automobile industry, expectations are high for reducing carbon dioxide emissions through the introduction of electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), and non-aqueous batteries such as secondary batteries for motor drives hold the key to their practical application. Electrolyte secondary batteries are actively being developed.
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イオン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イオン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 motor drives are required to have extremely high output characteristics and high energy compared to consumer lithium ion secondary batteries used in mobile phones, notebook computers, and the like. Therefore, lithium ion 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イオン二次電池は、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イオン二次電池では、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。 Here, lithium ion secondary batteries that are currently in widespread use use a flammable organic electrolyte as an electrolyte. Such liquid-based lithium ion secondary batteries require more stringent safety measures against leakage, short circuits, overcharging, etc. 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イオン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、全固体リチウムイオン二次電池においては、従来の液系リチウムイオン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。正極活物質として硫黄単体(S)や硫化物系材料を用いた全固体リチウムイオン二次電池は、その有望な候補である。 Therefore, in recent years, research and development on all-solid-state lithium ion secondary batteries using oxide-based or sulfide-based solid electrolytes as electrolytes has been actively conducted. A solid electrolyte is a material mainly composed of an ion conductor capable of ion conduction in a solid state. Therefore, in principle, all-solid-state lithium ion secondary batteries do not suffer from various problems caused by flammable organic electrolytes, unlike conventional liquid-based lithium ion secondary batteries. Furthermore, 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 the battery. All-solid-state lithium-ion secondary batteries using elemental sulfur (S) or sulfide-based materials as positive electrode active materials are promising candidates.
硫黄を含む電極活物質を全固体電池に用いる技術として、例えば特許文献1には、薄膜硫黄被覆導電性カーボンが開示されている。この材料は、ファーネスブラック、活性炭およびアセチレンブラックからなる群から選択され、所定のBET比表面積を有する導電性カーボンの表面を、所定の膜厚を有する硫黄膜で被覆したものである。特許文献1によれば、この薄膜硫黄被覆導電性カーボンを全固体電池の正極合剤として用いることで、硫黄の持つ優れた物性を最大限に活かし、優れた放電容量とレート特性を達成することができるとされている。 As a technique for using an electrode active material containing sulfur in an all-solid-state battery, for example, Patent Document 1 discloses a thin film of sulfur-coated conductive carbon. This material is selected from the group consisting of furnace black, activated carbon, and acetylene black, and the surface of conductive carbon having a predetermined BET specific surface area is coated with a sulfur film having a predetermined thickness. According to Patent Document 1, by using this thin film sulfur-coated conductive carbon as a positive electrode mixture of an all-solid-state battery, the excellent physical properties of sulfur can be utilized to the fullest, and excellent discharge capacity and rate characteristics can be achieved. It is said that it can be done.
しかしながら、本発明者らの検討によれば、特許文献1に開示されている薄膜硫黄被覆導電性カーボンを用いた場合であっても、十分なレート特性が達成されない場合があることが判明した。 However, according to studies conducted by the present inventors, it has been found that even when the thin sulfur-coated conductive carbon disclosed in Patent Document 1 is used, sufficient rate characteristics may not be achieved.
そこで本発明は、硫黄を含む電極活物質を電池の正極活物質として用いた場合に、当該電池のレート特性をよりいっそう向上させうる手段を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a means for further improving the rate characteristics of a battery when an electrode active material containing sulfur is used as a positive electrode active material of the battery.
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、所定のX線回折パターンを示す多孔質炭素材料を、導電助剤として用いて硫黄を含む電極活物質とともに正極合剤に含ませることで、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 present inventors conducted extensive studies to solve the above problems. As a result, they discovered that the above problems could be solved by using a porous carbon material exhibiting a predetermined X-ray diffraction pattern as a conductive agent and including it in the positive electrode mixture together with an electrode active material containing sulfur. The invention was completed.
すなわち、本発明の一形態によれば、硫黄を含む電極活物質と、X線回折スペクトルにおいて、炭素の(002)面に由来するピークが観測されないか、または、炭素の(002)面に由来するピークの半値幅が5°以上であり、炭素の(10)面に由来するピークの半値幅が3.2°以下である多孔質炭素材料を含む導電助剤とを含む、硫黄活物質含有電極組成物が提供される。 That is, according to one embodiment of the present invention, in the X-ray diffraction spectrum of an electrode active material containing sulfur, a peak derived from the (002) plane of carbon is not observed, or a peak derived from the (002) plane of carbon is observed. A sulfur active material-containing conductive agent containing a porous carbon material having a peak half-width of 5° or more and a peak half-width derived from the (10) plane of carbon of 3.2° or less. An electrode composition is provided.
本発明によれば、上記所定の導電助剤(多孔質炭素材料)の有する高い比表面積、優れた電子伝導性および高い柔軟性(弾性)といった物性に起因して、電極に含まれる硫黄系電極活物質の特性を十分に活かすことができる。その結果、硫黄を含む電極活物質を電池の正極活物質として用いた場合に、当該電池のレート特性をよりいっそう向上させることが可能となる。 According to the present invention, due to physical properties such as high specific surface area, excellent electronic conductivity, and high flexibility (elasticity) possessed by the predetermined conductive aid (porous carbon material), the sulfur-based electrode contained in the electrode The characteristics of the active material can be fully utilized. As a result, when an electrode active material containing sulfur is used as a positive electrode active material of a battery, it becomes possible to further improve the rate characteristics of the battery.
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。以下では、二次電池の一形態である、双極型(バイポーラ型)の全固体リチウムイオン二次電池を例に挙げて、また、正極活物質が「硫黄を含む電極活物質である」場合を例に挙げて本発明を説明する。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。 Hereinafter, the embodiments of the present invention described above will be described with reference to the drawings, but the technical scope of the present invention should be determined based on the claims and is not limited only to the following embodiments. Below, we will take as an example a bipolar all-solid-state lithium ion secondary battery, which is a type of secondary battery, and also consider a case where the positive electrode active material is an electrode active material containing sulfur. The invention will be explained by way of example. Note that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation and may differ from the actual ratios.
本発明の一形態は、硫黄を含む電極活物質と、X線回折スペクトルにおいて、炭素の(002)面に由来するピークが観測されないか、または、炭素の(002)面に由来するピークの半値幅が5°以上であり、炭素の(10)面に由来するピークの半値幅が3.2°以下である多孔質炭素材料を含む導電助剤とを含む、硫黄活物質含有電極組成物である。本形態に係る硫黄活物質含有電極組成物によれば、上記所定の導電助剤(多孔質炭素材料)の有する高い比表面積、優れた電子伝導性および高い柔軟性(弾性)といった物性に起因して、電極に含まれる硫黄系電極活物質の特性を十分に活かすことができる。その結果、硫黄を含む電極活物質を電池の正極活物質として用いた場合に、当該電池のレート特性をよりいっそう向上させることが可能となる。 One form of the present invention is an electrode active material containing sulfur, and in an X-ray diffraction spectrum, no peak derived from the (002) plane of carbon is observed, or half of the peak derived from the (002) plane of carbon is observed. A sulfur active material-containing electrode composition comprising a conductive additive containing a porous carbon material having a value width of 5° or more and a half-width of a peak derived from the (10) plane of carbon of 3.2° or less. be. According to the sulfur active material-containing electrode composition according to the present embodiment, the sulfur active material-containing electrode composition is caused by the physical properties such as a high specific surface area, excellent electronic conductivity, and high flexibility (elasticity) that the predetermined conductive agent (porous carbon material) has. Therefore, the characteristics of the sulfur-based electrode active material contained in the electrode can be fully utilized. As a result, when an electrode active material containing sulfur is used as a positive electrode active material of a battery, it becomes possible to further improve the rate characteristics of the battery.
<双極型二次電池>
図1は、本発明の一実施形態に係る双極型(バイポーラ型)の全固体リチウムイオン二次電池(双極型二次電池)を模式的に表した断面図である。図1に示す双極型二次電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、電池外装体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。なお、図1に示す双極型二次電池10において、例えば正極活物質層15または負極活物質層13は、本形態に係る硫黄活物質含有電極組成物から形成されている。
<Bipolar secondary battery>
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a bipolar all-solid-state lithium ion secondary battery (bipolar secondary battery) according to an embodiment of the present invention. The bipolar secondary battery 10 shown in FIG. 1 has a structure in which a substantially rectangular power generation element 21 in which a charging/discharging reaction actually proceeds is sealed inside a laminate film 29 that is a battery exterior body. In the bipolar secondary battery 10 shown in FIG. 1, for example, the positive electrode active material layer 15 or the negative electrode active material layer 13 is formed from the sulfur active material-containing electrode composition according to the present embodiment.
図1に示すように、本形態の双極型二次電池10の発電要素21は、集電体11の一方の面に電気的に結合した正極活物質層13が形成され、集電体11の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層15が形成された複数の双極型電極23を有する。各双極型電極23は、固体電解質層17を介して積層されて発電要素21を形成する。なお、固体電解質層17は、固体電解質が層状に成形されてなる構成を有する。この際、一の双極型電極23の正極活物質層13と前記一の双極型電極23に隣接する他の双極型電極23の負極活物質層15とが固体電解質層17を介して向き合うように、各双極型電極23および固体電解質層17が交互に積層されている。すなわち、一の双極型電極23の正極活物質層13と前記一の双極型電極23に隣接する他の双極型電極23の負極活物質層15との間に固体電解質層17が挟まれて配置されている。ただし、本発明の技術的範囲は図1に示すような双極型二次電池に限定されず、複数の単電池層が電気的に直列に積層されてなる結果として同様の直列接続構造を有する電池であってもよい。 As shown in FIG. 1, the power generation element 21 of the bipolar secondary battery 10 of this embodiment has a positive electrode active material layer 13 electrically coupled to one surface of the current collector 11. It has a plurality of bipolar electrodes 23 each having an electrically coupled negative electrode active material layer 15 formed on its opposite surface. Each bipolar electrode 23 is stacked with the solid electrolyte layer 17 in between to form the power generation element 21 . Note that the solid electrolyte layer 17 has a structure in which a solid electrolyte is formed into layers. At this time, the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode 23 and the negative electrode active material layer 15 of another bipolar electrode 23 adjacent to the one bipolar electrode 23 are arranged to face each other with the solid electrolyte layer 17 in between. , bipolar electrodes 23 and solid electrolyte layers 17 are alternately stacked. That is, the solid electrolyte layer 17 is sandwiched between the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode 23 and the negative electrode active material layer 15 of another bipolar electrode 23 adjacent to the one bipolar electrode 23. has been done. However, the technical scope of the present invention is not limited to bipolar secondary batteries as shown in FIG. It may be.
隣接する正極活物質層13、固体電解質層17、および負極活物質層15は、一つの単電池層19を構成する。したがって、双極型二次電池10は、単電池層19が積層されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素21の最外層に位置する正極側の最外層集電体11aには、片面のみに正極活物質層13が形成されている。また、発電要素21の最外層に位置する負極側の最外層集電体11bには、片面のみに負極活物質層15が形成されている。 Adjacent positive electrode active material layer 13 , solid electrolyte layer 17 , and negative electrode active material layer 15 constitute one cell layer 19 . Therefore, it can be said that the bipolar secondary battery 10 has a structure in which the unit cell layers 19 are stacked. Note that the positive electrode active material layer 13 is formed only on one side of the outermost layer current collector 11a on the positive electrode side located at the outermost layer of the power generation element 21. Further, the negative electrode active material layer 15 is formed only on one side of the negative electrode side outermost layer current collector 11b located at the outermost layer of the power generation element 21.
さらに、図1に示す双極型二次電池10では、正極側の最外層集電体11aに隣接するように正極集電板(正極タブ)25が配置され、これが延長されて電池外装体であるラミネートフィルム29から導出している。一方、負極側の最外層集電体11bに隣接するように負極集電板(負極タブ)27が配置され、同様にこれが延長されてラミネートフィルム29から導出している。 Furthermore, in the bipolar secondary battery 10 shown in FIG. 1, a positive electrode current collector plate (positive electrode tab) 25 is arranged adjacent to the outermost layer current collector 11a on the positive electrode side, and this is extended to form a battery exterior body. It is derived from the laminate film 29. On the other hand, a negative electrode current collector plate (negative electrode tab) 27 is arranged adjacent to the outermost layer current collector 11b on the negative electrode side, and is similarly extended and led out from the laminate film 29.
なお、単電池層19の積層回数は、所望する電圧に応じて調節する。また、双極型二次電池10では、電池の厚みを極力薄くしても十分な出力が確保できれば、単電池層19の積層回数を少なくしてもよい。双極型二次電池10でも、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、発電要素21を電池外装体であるラミネートフィルム29に減圧封入し、正極集電板25および負極集電板27をラミネートフィルム29の外部に取り出した構造とするのがよい。 Note that the number of times the cell layer 19 is stacked is adjusted depending on the desired voltage. Furthermore, in the bipolar secondary battery 10, if sufficient output can be ensured even if the thickness of the battery is made as thin as possible, the number of times the unit cell layers 19 are stacked may be reduced. In the bipolar secondary battery 10, in order to prevent external impact and environmental deterioration during use, the power generating element 21 is sealed under reduced pressure in a laminate film 29, which is the battery exterior, and the positive electrode current collector plate 25 and the negative electrode collector It is preferable to have a structure in which the electric plate 27 is taken out from the laminate film 29.
以下、上述した双極型二次電池の主な構成要素について説明する。 The main components of the bipolar secondary battery described above will be explained below.
[集電体]
集電体は、正極活物質層と接する一方の面から、負極活物質層と接する他方の面へと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 movement of electrons from one surface in contact with the positive electrode active material layer to the other surface in contact with the negative electrode active material layer. There is no particular restriction on the material constituting the current collector. As the constituent material of the current collector, for example, metal or conductive resin may be used.
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。 Specifically, examples of the metal include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. In addition to these, a cladding material of nickel and aluminum, a cladding material of copper and aluminum, etc. may be used. Alternatively, it may be a foil whose metal surface is coated with aluminum. Among these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferred from the viewpoints of electron conductivity, battery operating potential, adhesion of the negative electrode active material to the current collector by sputtering, and the like.
また、後者の導電性を有する樹脂としては、非導電性高分子材料に必要に応じて導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。 Furthermore, examples of the latter resin having electrical conductivity include resins in which a conductive filler is added to a non-conductive polymer material as necessary.
非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。 Examples of non-conductive polymer materials include polyethylene (PE; high-density polyethylene (HDPE), low-density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyethernitrile (PEN), polyimide. (PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA) , polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), or polystyrene (PS). Such non-conductive polymeric materials can have excellent potential or solvent resistance.
上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。 A conductive filler may be added to the above-mentioned conductive polymer material or non-conductive polymer material as necessary. In particular, when the resin serving as the base material of the current collector consists only of non-conductive polymers, a conductive filler is inevitably required to impart conductivity to the resin.
導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、およびSbからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン(登録商標)、ブラックパール(登録商標)、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック(登録商標)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 The conductive filler can be used without particular limitation as long as it is a substance that has conductivity. For example, metals, conductive carbon, and the like are examples of materials with excellent conductivity, potential resistance, or lithium ion blocking properties. The metal is not particularly limited, but includes at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, and Sb, or containing these metals. Preferably, it contains an alloy or a metal oxide. Furthermore, there are no particular limitations on the conductive carbon. Preferably, it is selected from the group consisting of acetylene black, Vulcan (registered trademark), Black Pearl (registered trademark), carbon nanofiber, Ketjenblack (registered trademark), carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene. It contains at least one kind.
導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、集電体の全質量100質量%に対して5~80質量%である。 The amount of conductive filler added is not particularly limited as long as it can impart sufficient conductivity to the current collector, and is generally 5 to 80% by mass based on 100% by mass of the total mass of the current collector. It is.
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。 Note that the current collector may have a single-layer structure made of a single material, or may have a laminated structure in which layers made of these materials are appropriately combined. From the viewpoint of reducing the weight of the current collector, it is preferable to include at least a conductive resin layer made of a resin having conductivity. Further, from the viewpoint of blocking the movement of lithium ions between the cell layers, a metal layer may be provided on a part of the current collector.
[負極活物質層]
負極活物質層は、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。炭素材料としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等が挙げられる。また、金属酸化物としては、例えば、Nb2O5、Li4Ti5O12、SiO等が挙げられる。さらに、金属活物質としては、例えば、In、Al、SiおよびSn等の金属単体や、TiSi、La3Ni2Sn7等の合金が挙げられる。また、負極活物質として、Li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、Liを含有する活物質であれば特に限定されず、Li金属のほか、Li含有合金が挙げられる。Li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。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material. The type of negative electrode active material is not particularly limited, but includes carbon materials, metal oxides, and metal active materials. Examples of carbon materials include natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), hard carbon, and soft carbon. Furthermore, examples of metal oxides include Nb 2 O 5 , Li 4 Ti 5 O 12 , and SiO. Further, examples of the metal active material include simple metals such as In, Al, Si, and Sn, and alloys such as TiSi and La 3 Ni 2 Sn 7 . Furthermore, a metal containing Li may be used as the negative electrode active material. Such a negative electrode active material is not particularly limited as long as it contains Li, and examples include Li metal and Li-containing alloys. Examples of Li-containing alloys include alloys of Li and at least one of In, Al, Si, and Sn.
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。 In some cases, two or more types of negative electrode active materials may be used together. Note that, of course, negative electrode active materials other than those mentioned above may be used.
負極活物質の形状は、例えば、粒子状(球状、繊維状)、薄膜状等が挙げられる。負極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、1nm~100μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは10nm~50μmの範囲内であり、さらに好ましくは100nm~20μmの範囲内であり、特に好ましくは1~20μmの範囲内である。なお、本明細書において、活物質の平均粒径(D50)の値は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。 Examples of the shape of the negative electrode active material include particulate (spherical, fibrous), thin film, and the like. When the negative electrode active material has a particle shape, the average particle size (D 50 ) is, for example, preferably within the range of 1 nm to 100 μm, more preferably within the range of 10 nm to 50 μm, and even more preferably 100 nm. 20 μm, particularly preferably 1 to 20 μm. Note that in this specification, the value of the average particle diameter (D 50 ) of the active material can be measured by a laser diffraction scattering method.
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 for example, it is preferably within the range of 40 to 99% by mass, and preferably within the range of 50 to 90% by mass. More preferred.
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。 Preferably, the negative electrode active material layer further includes a solid electrolyte. By including the solid electrolyte in the negative electrode active material layer, the ionic conductivity of the negative electrode active material layer can be improved. Examples of the solid electrolyte include sulfide solid electrolytes and oxide solid electrolytes, and sulfide solid electrolytes are 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、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 SP 2 S 5 , LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4, Li 3 PS 4, Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -LiI, Li 2 SP 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 either Ge, Zn, or Ga), Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , Examples include Li 2 S-SiS 2 -Li x MO y (where x and y are positive numbers, and M is any one of P, Si, Ge, B, Al, Ga, and In). . Note that the description “Li 2 SP 2 S 5 ” means a sulfide solid electrolyte made using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5 , and the same applies to other descriptions.
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、硫化物固体電解質は、P元素を含む硫化物固体電解質であることが好ましく、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、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。 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 the sulfide solid electrolyte having a Li 3 PS 4 skeleton include LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4, and Li 3 PS 4 . Furthermore, examples of the sulfide solid electrolyte having a Li 4 P 2 S 7 skeleton include a Li-P-S solid electrolyte (eg, Li 7 P 3 S 11 ) called LPS. Further, as the sulfide solid electrolyte, for example, LGPS expressed by Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (x satisfies 0<x<1) or the like may be used. Among these, the sulfide solid electrolyte is preferably a sulfide solid electrolyte containing the element P, and more preferably the sulfide solid electrolyte is a material containing Li 2 SP 2 S 5 as a main component. Furthermore, the sulfide solid electrolyte may contain halogen (F, Cl, Br, I).
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。 In addition, when the sulfide solid electrolyte is Li 2 S-P 2 S 5 system, the ratio of Li 2 S and P 2 S 5 is a molar ratio 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。 Further, the sulfide solid electrolyte may be sulfide glass, crystallized sulfide glass, or a crystalline material obtained by a solid phase method. Note that sulfide glass can be obtained, for example, by performing mechanical milling (ball mill, etc.) on a raw material composition. Further, crystallized sulfide glass can be obtained, for example, by heat-treating sulfide glass at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature. Further, the ionic conductivity (for example, Li ion conductivity) of the sulfide solid electrolyte at room temperature (25° C.) is preferably 1×10 −5 S/cm or more, and 1×10 −4 S/cm or more. More preferably, it is at least cm. Note that 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 the oxide solid electrolyte include compounds having a NASICON type structure. Examples of compounds having a NASICON type structure include a compound represented by the general formula Li 1+x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 (0≦x≦2) (LAGP), and a general formula Li 1+x Al x Ti 2 -x (PO 4 ) 3 (0≦x≦2) (LATP) and the like. In addition, other examples of oxide solid electrolytes include LiLaTiO (e.g., Li 0.34 La 0.51 TiO 3 ), LiPON (e.g., Li 2.9 PO 3.3 N 0.46 ), LiLaZrO (e.g. , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ), and the like.
固体電解質の形状としては、例えば、真球状、楕円球状等の粒子形状、薄膜形状等が挙げられる。固体電解質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、特に限定されないが、40μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましい。一方、平均粒径(D50)は、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。 Examples of the shape of the solid electrolyte include particle shapes such as true spheres and ellipsoids, thin film shapes, and the like. When the solid electrolyte has a particle shape, its average particle diameter (D 50 ) is not particularly limited, but is preferably 40 μm or less, more preferably 20 μm or less, and even more preferably 10 μm or less. On the other hand, the average particle diameter (D 50 ) is preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.1 μm or more.
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 content of the solid electrolyte in the negative electrode active material layer is, for example, preferably in the range of 1 to 60% by mass, more preferably in the range of 10 to 50% by 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-described 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.
導電助剤としては、例えば、アルミニウム、ステンレス(SUS)、銀、金、銅、チタン等の金属、これらの金属を含む合金または金属酸化物;炭素繊維(具体的には、気相成長炭素繊維(VGCF)、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、活性炭素繊維等)、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンブラック(具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック等)等のカーボンが挙げられるが、これらに限定されない。また、粒子状のセラミック材料や樹脂材料の周りに上記金属材料をめっき等でコーティングしたものも導電助剤として使用できる。これらの導電助剤のなかでも、電気的安定性の観点から、アルミニウム、ステンレス、銀、金、銅、チタン、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、アルミニウム、ステンレス、銀、金、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことがより好ましく、カーボンを少なくとも1種を含むことがさらに好ましい。これらの導電助剤は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用しても構わない。 Examples of conductive aids include metals such as aluminum, stainless steel (SUS), silver, gold, copper, and titanium; alloys or metal oxides containing these metals; carbon fibers (specifically, vapor-grown carbon fibers); (VGCF), polyacrylonitrile carbon fiber, pitch carbon fiber, rayon carbon fiber, activated carbon fiber, etc.), carbon nanotubes (CNT), carbon black (specifically, acetylene black, Ketjen black (registered trademark)) , furnace black, channel black, thermal lamp black, etc.), but are not limited to these. Further, a particulate ceramic material or resin material coated with the above metal material by plating or the like can also be used as a conductive aid. Among these conductive additives, from the viewpoint of electrical stability, it is preferable to include at least one selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, silver, gold, copper, titanium, and carbon; , silver, gold, and carbon, and more preferably carbon. These conductive aids may be used alone or in combination of two or more.
導電助剤の形状は、粒子状または繊維状であることが好ましい。導電助剤が粒子状である場合、粒子の形状は特に限定されず、粉末状、球状、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状等、いずれの形状であっても構わない。 The shape of the conductive aid is preferably particulate or fibrous. When the conductive additive is in the form of particles, the shape of the particles is not particularly limited, and may be any shape such as powder, sphere, rod, needle, plate, column, irregular shape, flake, spindle, etc. I don't mind.
導電助剤が粒子状である場合の平均粒子径(一次粒子径)は、特に限定されるものではないが、電池の電気特性の観点から、0.01~10μmであることが好ましい。なお、本明細書中において、「導電助剤の粒子径」とは、導電助剤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。「導電助剤の平均粒子径」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) when the conductive additive is in the form of particles is not particularly limited, but from the viewpoint of the electrical characteristics of the battery, it is preferably 0.01 to 10 μm. In addition, in this specification, "particle diameter of a conductive aid" means the maximum distance L among the distances between arbitrary two points on the outline of a conductive aid. The value of the "average particle diameter of the conductive aid" is the particle diameter of particles observed in several to several dozen fields of view using observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The value calculated as the average value shall be adopted.
負極活物質層が導電助剤を含む場合、当該負極活物質層における導電助剤の含有量は特に制限されないが、負極活物質層の合計質量に対して、好ましくは0~10質量%であり、より好ましくは2~8質量%であり、さらに好ましくは4~7質量%である。このような範囲であれば、負極活物質層においてより強固な電子伝導パスを形成することが可能となり、電池特性の向上に有効に寄与することが可能である。 When the negative electrode active material layer contains a conductive additive, the content of the conductive additive in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably 0 to 10% by mass based on the total mass of the negative electrode active material layer. , more preferably 2 to 8% by weight, and still more preferably 4 to 7% by weight. Within this range, it becomes possible to form a stronger electron conduction path in the negative electrode active material layer, and it is possible to effectively contribute to improving battery characteristics.
一方、バインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。 On the other hand, the binder is not particularly limited, but examples include the following materials.
ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(水素原子が他のハロゲン元素にて置換された化合物を含む)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリブテン、ポリエーテルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、エチレン-酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-HFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-パーフルオロメチルビニルエーテル-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFMVE-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。 Polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyvinylidene fluoride (PVDF) (including compounds in which hydrogen atoms are substituted with other halogen elements), polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, polybutene, polyethernitrile, polytetrafluoroethylene, Polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), ethylene-propylene-diene copolymer, styrene-butadiene-styrene block copolymer and hydrogenated products thereof , thermoplastic polymers such as styrene/isoprene/styrene block copolymers and their hydrogenated products, tetrafluoroethylene/hexafluoropropylene copolymers (FEP), tetrafluoroethylene/perfluoroalkyl vinyl ether copolymers (PFA) , fluororesins such as ethylene/tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene/chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride (PVF), vinylidene fluoride- Hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-HFP-TFE-based fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-based fluororubber (VDF-PFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFP-TFE-based fluororubber), vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene-based fluororubber ( Examples include vinylidene fluoride-based fluororubbers such as VDF-PFMVE-TFE-based fluororubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene-based fluororubber (VDF-CTFE-based fluororubber), and epoxy resins. Among these, polyimide, styrene-butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferred.
負極活物質層の厚さは、目的とする全固体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 structure of the intended all-solid-state battery, but is preferably within the range of 0.1 to 1000 μm, for example.
[正極活物質層]
正極活物質層は、硫黄を含む正極活物質を含む。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)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。なかでも、ジスルフィド化合物および硫黄変性ポリアクリロニトリル、およびルベアン酸が好ましく、特に好ましくは硫黄変性ポリアクリロニトリルである。ジスルフィド化合物としては、ジチオビウレア誘導体、チオウレア基、チオイソシアネート、またはチオアミド基を有するものがより好ましい。ここで、硫黄変性ポリアクリロニトリルとは、硫黄粉末とポリアクリロニトリルとを混合し、不活性ガス下もしくは減圧下で加熱することによって得られる、硫黄原子を含む変性されたポリアクリロニトリルである。その推定構造は、例えばChem. Mater. 2011,23,5024-5028に示されているように、ポリアクリロニトリルが閉環して多環状になるとともに、Sの少なくとも一部はCと結合している構造である。この文献に記載されている化合物はラマンスペクトルにおいて、1330cm-1と1560cm-1付近に強いピークシグナルがあり、さらに、307cm-1、379cm-1、472cm-1、929cm-1付近にピークが存在する。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)、S-カーボンコンポジット、TiS2、TiS3、TiS4、NiS、NiS2、CuS、FeS2、Li2S、MoS2、MoS3等が挙げられる。なかでも、S、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)、S-カーボンコンポジット、TiS2およびFeS2がより好ましく、硫黄単体(S)が特に好ましい。ここで、S-カーボンコンポジットとは、硫黄粉末と炭素材料とを含み、これらを加熱処理または機械的混合に供することによって複合化した状態のものである。より詳細には、炭素材料の表面や細孔内に硫黄が分布している状態、硫黄と炭素材料がナノレベルで均一に分散し、それらが凝集して粒子となっている状態、細かな硫黄粉末の表面や内部に炭素材料が分布している状態、または、これらの状態が複数組み合わさった状態のものである。
[Cathode active material layer]
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material containing sulfur. The type of positive electrode active material containing sulfur is not particularly limited, but in addition to elemental sulfur (S), particles or thin films of organic sulfur compounds or inorganic sulfur compounds may be used. Any material may be used as long as it can release lithium ions during discharge and occlude lithium ions during discharge. Examples of the organic sulfur compound include disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile represented by the compound described in International Publication No. 2010/044437 pamphlet, sulfur-modified polyisoprene, rubeanic acid (dithiooxamide), polysulfide carbon, and the like. Among these, disulfide compounds, sulfur-modified polyacrylonitrile, and rubeanic acid are preferred, and sulfur-modified polyacrylonitrile is particularly preferred. As the disulfide compound, those having a dithiobiurea derivative, a thiourea group, a thioisocyanate, or a thioamide group are more preferable. Here, the sulfur-modified polyacrylonitrile is a modified polyacrylonitrile containing sulfur atoms, which is obtained by mixing sulfur powder and polyacrylonitrile and heating the mixture under an inert gas or reduced pressure. The estimated structure can be found, for example, in Chem. Mater. As shown in 2011, 23, 5024-5028, polyacrylonitrile is ring-closed to become polycyclic, and at least a part of S is bonded to C. The compound described in this document has strong peak signals near 1330 cm -1 and 1560 cm -1 in the Raman spectrum, and peaks near 307 cm -1 , 379 cm -1 , 472 cm -1 , and 929 cm -1 do. On the other hand, inorganic sulfur compounds are preferable because of their excellent stability, and specifically, sulfur element (S), S-carbon composite, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , NiS, NiS 2 , CuS, FeS 2 , Li 2 S, MoS 2 , MoS 3 , and the like. Among these, S, S-carbon composite, TiS 2 , TiS 3 , TiS 4 , FeS 2 and MoS 2 are preferred, elemental sulfur (S), S-carbon composite, TiS 2 and FeS 2 are more preferred, and elemental sulfur (S), S-carbon composite, TiS 2 and FeS 2 are more preferred; S) is particularly preferred. Here, the S-carbon composite includes sulfur powder and a carbon material, and is in a composite state by subjecting them to heat treatment or mechanical mixing. In more detail, sulfur is distributed on the surface and within the pores of carbon materials, sulfur and carbon materials are uniformly dispersed at the nano level, and they aggregate to form particles, fine sulfur This is a state in which carbon material is distributed on the surface or inside of the powder, or a state in which a plurality of these states are combined.
正極活物質層は、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。 In addition to the sulfur-containing cathode active material, the cathode active material layer may further include a sulfur-free cathode 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 , LiMn 2 O 4 , LiNi 0. Examples include spinel-type active materials such as 5 Mn 1.5 O 4 , olivine-type 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 . Further, 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。 In some cases, two or more types of positive electrode active materials may be used together. Note that, of course, positive electrode active materials other than those mentioned above may be used.
正極活物質の形状は、例えば、粒子状(球状、繊維状)、薄膜状等が挙げられる。正極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、1nm~100μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは10nm~50μmの範囲内であり、さらに好ましくは100nm~20μmの範囲内であり、特に好ましくは1~20μmの範囲内である。なお、本明細書において、活物質の平均粒径(D50)の値は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。 Examples of the shape of the positive electrode active material include particulate (spherical, fibrous), thin film, and the like. When the positive electrode active material is in the form of particles, the average particle size (D 50 ) is, for example, preferably within the range of 1 nm to 100 μm, more preferably within the range of 10 nm to 50 μm, and even more preferably 100 nm. 20 μm, particularly preferably 1 to 20 μm. Note that in this specification, the value of the average particle diameter (D 50 ) of the active material can be measured by a laser diffraction scattering method.
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、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 positive electrode active material in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but for example, it is preferably within the range of 40 to 99% by mass, and preferably within the range of 50 to 90% by mass. More preferred.
正極活物質層は、上述した「硫黄を含む正極活物質」に加えて、所定の導電助剤をも必須に含有する。当該所定の導電助剤は多孔質炭素材料であり、当該多孔質炭素材料は、X線回折スペクトルにおいて、炭素の(002)面に由来するピークが観測されないか、または、炭素の(002)面に由来するピークの半値幅が5°以上であり、炭素の(10)面に由来するピークの半値幅が3.2°以下である点に特徴を有するものである。 In addition to the above-mentioned "sulfur-containing positive electrode active material", the positive electrode active material layer also essentially contains a predetermined conductive additive. The predetermined conductive additive is a porous carbon material, and in the X-ray diffraction spectrum of the porous carbon material, a peak derived from the (002) plane of carbon is not observed, or a peak derived from the (002) plane of carbon is observed. It is characterized in that the half-width of the peak originating from the (10) plane of carbon is 5° or more, and the half-width of the peak originating from the (10) plane of carbon is 3.2° or less.
ここで、上記所定の多孔質炭素材料の基本骨格は、グラフェンである。炭素材料の耐酸化性を向上させるためには、耐酸化性の低いエッジ面よりも、耐酸化性が高いベーサル面を露出させることが有効である。また、導電性を高めるためには、グラフェンのサイズを大きくすることが考えられる。ただし、グラフェンの積層数を多くすると比表面積が低下してしまう。このような観点から、本発明者らは、1枚のグラフェンのサイズが大きく、積層数の少ない多孔質炭素材料を設計することを検討した。そしてその結果として、X線回折スペクトルにおいて、炭素の(002)面に由来するピークの半値幅と(10)面に由来するピークの半値幅とが所定の値に制御された構成を有する多孔質炭素材料に到達した(特開2015-164889号公報)。 Here, the basic skeleton of the predetermined porous carbon material is graphene. In order to improve the oxidation resistance of a carbon material, it is more effective to expose the basal surface, which has higher oxidation resistance, than the edge surface, which has lower oxidation resistance. Furthermore, in order to improve conductivity, it is possible to increase the size of graphene. However, increasing the number of graphene layers reduces the specific surface area. From this point of view, the present inventors considered designing a porous carbon material in which the size of a single graphene sheet is large and the number of laminated layers is small. As a result, in the X-ray diffraction spectrum, the half-width of the peak originating from the (002) plane of carbon and the half-width of the peak originating from the (10) plane are controlled to predetermined values. A carbon material has been achieved (Japanese Patent Application Laid-open No. 2015-164889).
粉末X線回折ピークの線幅から結晶子の大きさを知る方法として、下記のシェラーの式が知られている。 The following Scherrer equation is known as a method for determining the size of crystallites from the line width of powder X-ray diffraction peaks.
式中、Lは結晶子の大きさであり、Kは形状因子(定数)であり、λはX線の波長であり、βは半値幅であり、θはブラッグ角(回折角2θの1/2)である。ある特定のピークを比較する場合、θがほぼ一定値であり、Kおよびλは定数であるため結晶子の大きさLは半値幅βの大きさに反比例する。 In the formula, L is the size of the crystallite, K is the shape factor (constant), λ is the wavelength of the X-ray, β is the half width, and θ is the Bragg angle (1/1 of the diffraction angle 2θ). 2). When comparing certain peaks, since θ is a substantially constant value and K and λ are constants, the crystallite size L is inversely proportional to the half width β.
そのため、グラフェンの積層構造に由来する炭素(002)面のピークの半値幅W(002)が大きいほど、積層方向の結晶子の大きさが小さく、グラフェンの積層数が少ないといえる。さらに、多孔質炭素材料が積層のない単層のグラフェンから構成される場合は、炭素(002)面に由来する回折ピークは現れない。また、積層構造の存在割合が単層のグラフェンに対して小さい場合も、炭素(002)面に由来する回折ピークが観察されない可能性があるものと考えられる。そして、単層グラフェンの面内回折に由来する炭素(10)面のピークの半値幅W(10)が小さいほど、面方向の結晶子が大きく、1層のグラフェンのサイズが大きいといえる。 Therefore, it can be said that the larger the half-width W(002) of the peak of the carbon (002) plane derived from the stacked structure of graphene, the smaller the crystallite size in the stacking direction and the smaller the number of stacked graphene layers. Furthermore, when the porous carbon material is composed of a single layer of graphene without lamination, a diffraction peak derived from the carbon (002) plane does not appear. Furthermore, it is considered that when the abundance ratio of the stacked structure is smaller than that of single layer graphene, the diffraction peak derived from the carbon (002) plane may not be observed. It can be said that the smaller the half-value width W(10) of the peak of the carbon (10) plane derived from in-plane diffraction of single-layer graphene, the larger the crystallites in the plane direction and the larger the size of one layer of graphene.
本発明に係る多孔質炭素材料は、W(002)が5°以上であり、W(10)が3.2°以下である。 In the porous carbon material according to the present invention, W(002) is 5° or more and W(10) is 3.2° or less.
一般に、炭素材料の結晶性が低いほど、W(002)およびW(10)のいずれもが大きくなる傾向にある。このため、特許文献1に記載されているような各種のカーボンブラックや活性炭などの炭素材料では、グラフェンの積層数を少なくすると、グラフェンのサイズも小さくなってしまい、グラフェンの積層数が少なく、かつ、1層のグラフェンのサイズが大きい構造を得ることは容易ではない。 Generally, the lower the crystallinity of the carbon material, the larger both W(002) and W(10) tend to be. For this reason, in carbon materials such as various carbon blacks and activated carbons as described in Patent Document 1, if the number of stacked graphene layers is reduced, the size of the graphene also becomes smaller, and the number of stacked graphene layers is small and , it is not easy to obtain a structure with a large graphene layer.
具体的には、W(002)が5°よりも小さいとグラフェンの積層数が十分に低減されず、比表面積を高めることが難しく、W(10)が3.2°よりも大きいと、グラフェンのサイズが十分ではないため耐酸化性や導電性を高めることが難しい。好ましくは、W(002)は6°以上である。 Specifically, if W(002) is smaller than 5°, the number of stacked layers of graphene will not be sufficiently reduced and it will be difficult to increase the specific surface area, and if W(10) is larger than 3.2°, the graphene It is difficult to improve oxidation resistance and conductivity because the size of the metal is not sufficient. Preferably, W(002) is 6° or more.
本発明の作用効果をよりいっそう発現させるためには、本形態に係る多孔質炭素材料のW(01)は1.2~3.2°であることが好ましい。 In order to further exhibit the effects of the present invention, it is preferable that W(01) of the porous carbon material according to this embodiment is 1.2 to 3.2°.
なお、本明細書中、W(002)(°)およびW(10)(°)は、後述の実施例に記載の方法で求められる値を用いるものとする。 Note that in this specification, W(002)(°) and W(10)(°) are values determined by the method described in Examples described later.
また、本発明の作用効果をよりいっそう発現させるためには、本形態に係る多孔質炭素材料は、ラマン分光法によって1588cm-1付近で計測されるGバンドのピーク強度(G)に対する、2650cm-1以上2675cm-1以下で計測されるG’バンドのピーク強度(G’)の比(G’/G)が、0.4以上であることが好ましく、0.6以上であることがより好ましい。 Further, in order to further exhibit the effects of the present invention, the porous carbon material according to the present embodiment has a peak intensity (G) of 2650 cm −1 for the G band peak intensity (G) measured at around 1588 cm −1 by Raman spectroscopy . The ratio (G'/G) of the peak intensity (G') of the G' band measured at 1 to 2675 cm is preferably 0.4 or more, more preferably 0.6 or more. .
黒鉛のラマン散乱スペクトルにおいては、グラフェンの積層に由来するGバンドが1590cm-1付近に、積層数の少ないグラフェンの存在に由来するG’バンドが2670cm-1付近に観察される。そして、Gバンドのピーク強度(G)に対する、G’バンドのピーク強度(G’)との比(G’/G)は、約0.5である。これに対して、単層グラフェンのラマン散乱スペクトルにおいては、G’/Gが、約4になることが知られている。積層数が増加すると、G’/Gは低下し、4層以上で黒鉛とほぼ同じスペクトルになる(Nano Lett.,2006,6,2667-2673、Physics Reporets,2009,473,51-87)。したがって、G’/Gの値は、単層グラフェンの存在の指標となる。G’/Gの値が4に近くなるほど、積層が少なく、ベーサル面が発達した、単層グラフェンに近い構造であるか、または、炭素材料中に含まれる単層グラフェンの割合が大きいと考えられる。 In the Raman scattering spectrum of graphite, a G band originating from stacked layers of graphene is observed around 1590 cm -1 , and a G' band originating from the presence of graphene with a small number of stacked layers is observed around 2670 cm -1 . The ratio (G'/G) of the G' band peak intensity (G') to the G band peak intensity (G) is about 0.5. On the other hand, it is known that G'/G is approximately 4 in the Raman scattering spectrum of single-layer graphene. As the number of laminated layers increases, G'/G decreases, and with four or more layers, the spectrum becomes almost the same as that of graphite (Nano Lett., 2006, 6, 2667-2673, Physics Reports, 2009, 473, 51-87). Therefore, the value of G'/G is an indicator of the presence of monolayer graphene. It is thought that the closer the value of G'/G is to 4, the smaller the number of laminated layers, the more developed the basal plane, and the structure is closer to single-layer graphene, or the higher the proportion of single-layer graphene contained in the carbon material. .
G’/Gの値が0.6以上であれば、積層数が十分に低減されたグラフェンシートに起因する高導電率、高耐酸化性、および高比面積が効果的に達成されうる。より好ましくは、G’/Gの値は、0.7以上である。G’/Gの値の上限値は特に制限されないが、4以下であることが好ましい。 When the value of G'/G is 0.6 or more, high conductivity, high oxidation resistance, and high specific area due to the graphene sheet with a sufficiently reduced number of stacked layers can be effectively achieved. More preferably, the value of G'/G is 0.7 or more. The upper limit of the value of G'/G is not particularly limited, but is preferably 4 or less.
また、G’/Gの値が0.6以上である炭素材料においては、BET比表面積が、800~2600m2/gであることが好ましい。上記範囲であれば、ベーサル面が発達した単層グラフェンが存在することによる効果がより一層顕著に得られうる。 Further, in a carbon material having a G'/G value of 0.6 or more, the BET specific surface area is preferably 800 to 2600 m 2 /g. Within the above range, the effect due to the presence of single-layer graphene with a developed basal plane can be obtained even more significantly.
なお、本明細書中、G’/Gの値は、後述の実施例に記載の方法で求められる値を用いるものとする。 In this specification, the value of G'/G is determined by the method described in Examples below.
さらに、グラフェンのG’バンドは、高配向性グラファイト(HOPG)のG’バンドよりも低波数側にシフトし、ピークの半値幅が狭い。そのため、本形態に係る炭素材料は、好ましくは、ラマン散乱スペクトルにおけるG’バンドが高配向性グラファイト(HOPG)のG’バンドよりも低波数側にシフトする。このような構成であれば、単層グラフェンに近い構造を有していると考えられ、発明の効果がより顕著に得られうる。 Furthermore, the G' band of graphene is shifted to a lower wave number side than the G' band of highly oriented graphite (HOPG), and the half width of the peak is narrower. Therefore, in the carbon material according to this embodiment, the G' band in the Raman scattering spectrum is preferably shifted to a lower wave number side than the G' band of highly oriented graphite (HOPG). With such a structure, it is considered that the structure is close to that of single-layer graphene, and the effects of the invention can be more significantly obtained.
以下、図面を参照しながら、本発明の多孔質炭素材料の一実施形態を詳細に説明する。しかしながら、本発明は以下の実施形態のみに制限されない。 Hereinafter, one embodiment of the porous carbon material of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited only to the following embodiments.
<多孔質炭素材料>
本形態において用いられる多孔質炭素材料は、従来の炭素材料における比表面積と耐腐食性とのトレードオフの関係を越えて、高い比表面積と高い耐腐食性とを両立するものである。
<Porous carbon material>
The porous carbon material used in this embodiment has both a high specific surface area and high corrosion resistance, exceeding the trade-off relationship between specific surface area and corrosion resistance in conventional carbon materials.
ここで、多孔質炭素材料の耐腐食性は、電気化学的腐食の起点となりうるグラフェンシートのエッジ(端部)の量に依存しており、エッジが少ないほど耐腐食性が高くなる。エッジの量はグラフェンシートの網面サイズに依存し、網面サイズが大きいほどエッジの量は少なくなる。すなわち、網面サイズが大きいほど炭素の耐腐食性は高くなる。本発明者らは、エッジや欠陥の少ないグラフェンシートが数層以下、好ましくは1~2層、特には1層の積層数で構成される、高結晶かつ高比表面積の多孔質炭素材料を設計し、合成を行った。 Here, the corrosion resistance of the porous carbon material depends on the amount of edges (ends) of the graphene sheet that can become a starting point for electrochemical corrosion, and the fewer the edges, the higher the corrosion resistance. The amount of edges depends on the mesh size of the graphene sheet, and the larger the mesh size, the smaller the amount of edges. That is, the larger the mesh size, the higher the corrosion resistance of carbon. The present inventors designed a porous carbon material with high crystallinity and high specific surface area, which is composed of several layers or less, preferably 1 to 2 layers, and particularly 1 layer, of graphene sheets with few edges and defects. and synthesized it.
本形態において導電助剤として用いられる多孔質炭素材料は、炭素を主成分とする。ここで、「炭素を主成分とする」とは、炭素のみからなる、実質的に炭素からなる、の双方を含む概念であり、炭素以外の元素が含まれていてもよい。「実質的に炭素からなる」とは、全体の80重量%以上、好ましくは全体の95重量%以上、より好ましくは全体の98重量%以上(上限:100重量%)が炭素から構成されることを意味する。 The porous carbon material used as a conductive aid in this embodiment contains carbon as a main component. Here, "containing carbon as a main component" is a concept that includes both "consisting only of carbon" and "consisting essentially of carbon," and may include elements other than carbon. "Substantially composed of carbon" means that at least 80% by weight of the whole, preferably at least 95% by weight of the whole, more preferably at least 98% by weight (upper limit: 100% by weight) of the whole is composed of carbon. means.
また、前記多孔質炭素材料の粉末の大きさは、特に限定されない。ただし、触媒担体として用いる場合は、触媒金属の担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点から、前記多孔質炭素材料の粉末の平均粒径(平均二次粒子径)は、好ましくは5nm~10μmであり、より好ましくは100nm~5μmであり、さらに好ましくは500nm~3μmである。「多孔質炭素材料の粉末の平均粒径」の値としては、特に言及のない限り、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径の平均値として算出される値を採用するものとする。また、「粒径」とは、粒子の中心を通りかつ粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味するものとする。 Further, the size of the powder of the porous carbon material is not particularly limited. However, when used as a catalyst carrier, the average particle size of the porous carbon material powder ( The average secondary particle diameter) is preferably 5 nm to 10 μm, more preferably 100 nm to 5 μm, and still more preferably 500 nm to 3 μm. Unless otherwise specified, the value of "average particle size of porous carbon material powder" is determined using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM), and a field of several to several tens of fields. The value calculated as the average value of the particle diameters of the particles observed in the test shall be adopted. Moreover, "particle size" shall mean the maximum distance among the distances passing through the center of the particle and between any two points on the contour line of the particle.
本形態において用いられる多孔質炭素材料のBET比表面積は、特に制限されないが、好ましくは、250m2/g以上であり、より好ましくは500m2/g以上であり、特に好ましくは800m2/g以上である。前記多孔質炭素材料のBET比表面積が250m2/g以上であれば、電池用電極を形成するための電極組成物に導電助剤として添加されたときに優れた性能を発揮しうる。前記多孔質炭素材料のBET比表面積は大きいほど好ましいが、実質的に、2600m2/g以下であり、好ましくは2500m2/g以下である。前記多孔質炭素材料のBET比表面積は、窒素吸脱着等温線の測定結果からBET法で求めることができる。 The BET specific surface area of the porous carbon material used in this embodiment is not particularly limited, but is preferably 250 m 2 /g or more, more preferably 500 m 2 /g or more, and particularly preferably 800 m 2 /g or more. It is. If the BET specific surface area of the porous carbon material is 250 m 2 /g or more, it can exhibit excellent performance when added as a conductive additive to an electrode composition for forming a battery electrode. The BET specific surface area of the porous carbon material is preferably as large as possible, but it is substantially 2600 m 2 /g or less, preferably 2500 m 2 /g or less. The BET specific surface area of the porous carbon material can be determined by the BET method from the measurement results of nitrogen adsorption/desorption isotherms.
本形態において用いられる多孔質炭素材料は、細孔を有し、上記の規定を満たすものであれば特に制限はない。好ましくは、エッジや欠陥の少ないグラフェンシートが数層以下、好ましくは1~2層、特には1層の積層数で構成される構造であることが好ましい。このような構造の炭素材料としては、アルミナナノ粒子を鋳型として用いて調製された、アルミナ鋳型炭素材料であることが好ましい。アルミナ鋳型炭素材料は、鋳型であるアルミナナノ粒子の形態を反映した空孔を有する多孔質炭素材料であり、好ましくは、メソ孔を有する多孔質炭素材料である。なお、国際純正及び応用化学連合(IUPAC)では、直径2nm以下の細孔をミクロ孔、直径2~50nmの細孔をメソ孔、直径50nm以上の細孔をマクロ孔と定義している。メソ孔を有する材料を総称してメソポーラス材料と称している。 The porous carbon material used in this embodiment is not particularly limited as long as it has pores and satisfies the above regulations. Preferably, the structure is such that the graphene sheet with few edges and defects is composed of several layers or less, preferably 1 to 2 layers, particularly 1 layer. The carbon material having such a structure is preferably an alumina template carbon material prepared using alumina nanoparticles as a template. The alumina template carbon material is a porous carbon material that has pores that reflect the shape of the alumina nanoparticles that are the template, and is preferably a porous carbon material that has mesopores. The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) defines pores with a diameter of 2 nm or less as micropores, pores with a diameter of 2 to 50 nm as mesopores, and pores with a diameter of 50 nm or more as macropores. Materials having mesopores are collectively referred to as mesoporous materials.
図2に、アルミナ鋳型炭素材料の一例を模式的に示す。アルミナ鋳型炭素材料1は、アルミナナノ粒子2を鋳型として得られた多孔質炭素材料である。より詳細には、アルミナ鋳型炭素材料1の作製には、まず、図2(b)に示すように、アルミナナノ粒子2の表面を炭素層3で被覆する(炭素被覆アルミナナノ粒子4)。その後にアルミナナノ粒子2のみを除去することによって、アルミナ鋳型炭素材料1が得られる(図2(c))。アルミナ鋳型炭素材料1は、鋳型として用いたアルミナナノ粒子2の構造的特徴が反映された、メソ孔7を有する。 FIG. 2 schematically shows an example of an alumina mold carbon material. Alumina template carbon material 1 is a porous carbon material obtained using alumina nanoparticles 2 as a template. More specifically, in producing the alumina template carbon material 1, first, as shown in FIG. 2(b), the surface of the alumina nanoparticles 2 is coated with a carbon layer 3 (carbon-coated alumina nanoparticles 4). By subsequently removing only the alumina nanoparticles 2, an alumina template carbon material 1 is obtained (FIG. 2(c)). The alumina template carbon material 1 has mesopores 7 that reflect the structural characteristics of the alumina nanoparticles 2 used as a template.
本形態に係るアルミナ鋳型炭素材料は、好ましくは、メソ孔7の形状に沿って三次元的に連続したグラフェンシートから構成され、前記グラフェンシートの積層数が数層以下である多孔質炭素材料(シェル状グラフェン積層体)であり、特に好ましくは、欠陥のない単層のグラフェンのみから構成される多孔質炭素材料である。グラフェンシートの積層数を数層以下、特には1層とすることで、多孔質炭素材料のBET比表面積を十分に向上させることができる。好ましくは、鋳型のBET比表面積と炭素の被覆量から求められる平均積層数が10以下(多孔質炭素材料のBET比表面積が263m2/g以上に相当)であり、より好ましくは5以下(525m2/g以上に相当)である。なお、グラフェンシートの機械的強度を十分に強くし、鋳型を除去した後にグラフェンシートの構造が崩れて凝集し比表面積の低下につながることを抑制する観点から、鋳型のBET比表面積と炭素の被覆量から求められる平均積層数が1以上であることが好ましい。また、メソ孔7の形状に沿って欠陥やエッジの少ないグラフェンシートが均一に三次元的に形成された構造を有することが好ましく、このような構成とすることで、多孔質炭素材料の電気化学的酸化などに対する耐久性が向上しうる。 The alumina template carbon material according to this embodiment is preferably a porous carbon material ( The porous carbon material is particularly preferably a porous carbon material composed of only a defect-free single layer of graphene. The BET specific surface area of the porous carbon material can be sufficiently improved by setting the number of stacked graphene sheets to several layers or less, particularly one layer. Preferably, the average number of laminated layers determined from the BET specific surface area of the mold and the amount of carbon coating is 10 or less (equivalent to a BET specific surface area of the porous carbon material of 263 m 2 /g or more), and more preferably 5 or less (525 m 2 /g or more). 2 /g or more). In addition, from the viewpoint of sufficiently increasing the mechanical strength of the graphene sheet and preventing the structure of the graphene sheet from collapsing and agglomerating after the mold is removed, which leads to a decrease in the specific surface area, the BET specific surface area of the mold and the carbon coating are It is preferable that the average number of layers determined from the amount is one or more. In addition, it is preferable to have a structure in which graphene sheets with few defects and edges are uniformly formed three-dimensionally along the shape of the mesopores 7. With such a structure, the electrochemistry of the porous carbon material can be improved. Durability against chemical oxidation, etc. can be improved.
本形態において用いられる多孔質炭素材料は、平均細孔径が、例えば、0.5~10nmであり、好ましくは0.7~8nmである。平均細孔径が上記範囲であれば、空孔の形状に沿って数層以下(例えば5層以下、好ましくは1~2層)のグラフェンシートが積層された構造の多孔質炭素材料(シェル状グラフェン積層体)が容易に得られうる。平均細孔径は後述の実施例に記載の方法で求めることができる。 The porous carbon material used in this embodiment has an average pore diameter of, for example, 0.5 to 10 nm, preferably 0.7 to 8 nm. If the average pore diameter is within the above range, a porous carbon material (shell-like graphene laminate) can be easily obtained. The average pore diameter can be determined by the method described in Examples below.
本形態において用いられる多孔質炭素材料の全細孔容積は、好ましくは0.5cm3/g以上であり、好ましくは0.9cm3/g以上であり、さらに好ましくは2.5cm3/g以上であり、いっそう好ましくは2.6cm3/g以上であり、特に好ましくは2.7cm3/g以上であり、最も好ましくは2.8cm3/g以上である。このような値であれば、高い比表面積が得られ、レート特性の向上に寄与しうる硫黄活物質含有電極組成物が提供されうる。一方、全細孔容積は、好ましくは5.0cm3/g以下であり、さらに好ましくは4.0cm3/g以下である。このような値であれば、十分な機械的強度が得られうる。また、メソ孔の占める容積は、例えば0.8cm3/g以上であり、好ましくは1.0cm3/g以上、より好ましくは1.3cm3/g以上である。メソ孔の占める容積が0.8cm3/g以上、特には1.0cm3/g以上であれば、物質移動の点で好ましい。 The total pore volume of the porous carbon material used in this embodiment is preferably 0.5 cm 3 /g or more, preferably 0.9 cm 3 /g or more, and more preferably 2.5 cm 3 /g or more. It is more preferably 2.6 cm 3 /g or more, particularly preferably 2.7 cm 3 /g or more, and most preferably 2.8 cm 3 /g or more. With such a value, a high specific surface area can be obtained, and a sulfur active material-containing electrode composition that can contribute to improving rate characteristics can be provided. On the other hand, the total pore volume is preferably 5.0 cm 3 /g or less, more preferably 4.0 cm 3 /g or less. With such a value, sufficient mechanical strength can be obtained. Further, the volume occupied by the mesopores is, for example, 0.8 cm 3 /g or more, preferably 1.0 cm 3 /g or more, and more preferably 1.3 cm 3 /g or more. It is preferable in terms of mass transfer that the volume occupied by the mesopores is 0.8 cm 3 /g or more, particularly 1.0 cm 3 /g or more.
多孔質炭素材料の全細孔容積は、窒素吸脱着等温線測定を行い、相対圧力(P/P0)が0.96の吸着量から求めることができる。また、ミクロ孔の容積はDR法で求めることができ、全細孔容積とミクロ孔の容積との差からメソ細孔の占める容積を求めることができる。 The total pore volume of the porous carbon material can be determined from the amount of adsorption at a relative pressure (P/P 0 ) of 0.96 by measuring a nitrogen adsorption/desorption isotherm. Further, the volume of the micropores can be determined by the DR method, and the volume occupied by the mesopores can be determined from the difference between the total pore volume and the volume of the micropores.
<多孔質炭素材料の製造方法>
本形態において用いられる多孔質炭素材料であるカーボンメソスポンジ(CMS)は、アルミナナノ粒子を鋳型とし、前記鋳型上に炭素層を被覆して、炭素被覆したアルミナナノ粒子を調製する第1工程と、前記鋳型を溶解除去して多孔質炭素材料を得る第2工程と、を有する方法によって製造することができる。このような方法を用いることで、カーボンメソスポンジ(CMS)と称される多孔質炭素材料が得られる。また、このようにして得られたCMSに対して約1800℃程度の温度での熱処理を施すことで、エッジや欠陥の少ないグラフェンシートが数層以下、好ましくは1~2層、特には1層の積層数で構成される、高結晶かつ高比表面積の多孔質炭素材料(グラフェンメソスポンジ(GMS))を容易に得ることができる。そして、高い酸化耐性と高い比表面積を両立する炭素材料を得ることができる。なお、第1工程において鋳型として用いられるアルミナナノ粒子として5~30nmの平均粒径を有するものを用いることで、得られる多孔質炭素材料の全細孔容積を上述した好ましい範囲に制御することが可能である。
<Method for producing porous carbon material>
Carbon meso-sponge (CMS) , which is a porous carbon material used in this embodiment, includes a first step of preparing carbon-coated alumina nanoparticles by using alumina nanoparticles as a template and coating the template with a carbon layer. , and a second step of dissolving and removing the template to obtain a porous carbon material. By using such a method, a porous carbon material called carbon meso-sponge (CMS) can be obtained. In addition, by heat-treating the CMS obtained in this way at a temperature of about 1800°C, graphene sheets with few edges and defects can be formed into several layers or less, preferably 1 to 2 layers, and especially 1 layer. It is possible to easily obtain a porous carbon material (graphene meso sponge (GMS)) with high crystallinity and high specific surface area, which is composed of the number of laminated layers. Then, a carbon material that has both high oxidation resistance and high specific surface area can be obtained. Note that by using alumina nanoparticles having an average particle size of 5 to 30 nm as the template used in the first step, the total pore volume of the resulting porous carbon material can be controlled within the above-mentioned preferred range. It is possible.
高い比表面積を有するグラフェンシートを得るためには、単にグラフェンを大量合成するだけでは不十分である。これは、グラフェンがファンデルワールス力により積層してしまうためである。積層してしまうことを防ぐために、グラフェンシートに三次元的な構造を持たせることが必要になる。しかしながら、グラフェンの調製方法として、機械的剥離や酸化グラフェンの還元のような方法を採用した場合は、三次元的な構造を持たせることは難しい。これに対し、上述した方法によれば、鋳型としてのアルミナナノ粒子上にグラフェンを形成し、鋳型を除去することで、効率的にカーボンメソスポンジ(CMS)やシェル状グラフェン多孔体であるGMS;(グラフェンメソスポンジ)を作製することができる。 In order to obtain a graphene sheet with a high specific surface area, it is insufficient to simply synthesize graphene in large quantities. This is because graphene is stacked together due to van der Waals forces. In order to prevent stacking, it is necessary to give graphene sheets a three-dimensional structure. However, when methods such as mechanical exfoliation or reduction of graphene oxide are used to prepare graphene, it is difficult to provide a three-dimensional structure. On the other hand, according to the above-mentioned method, by forming graphene on alumina nanoparticles as a template and removing the template, it is possible to efficiently produce carbon mesosponges (CMS) and GMS, which are shell-shaped graphene porous bodies; (Graphene meso sponge) can be produced.
以上、正極活物質層に必須に含まれる導電助剤である所定の多孔質炭素材料の具体的な構成およびその製造方法について詳細に説明したが、正極活物質層は、その他の導電助剤のほか、上述した負極活物質層と同様に、必要に応じて、固体電解質、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。特に、正極活物質層(およびこれを構成する硫黄活物質含有電極組成物)が固体電解質をさらに含むと、活物質層におけるイオン伝導性がよりいっそう向上し、電池のレート特性の向上に寄与しうるため、好ましい。なお、これらの材料の具体的な形態については上述したものと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。 The specific structure and manufacturing method of the predetermined porous carbon material, which is a conductive additive that is essential to the positive electrode active material layer, has been explained above in detail. In addition, like the negative electrode active material layer described above, it may further contain at least one of a solid electrolyte and a binder, if necessary. In particular, when the positive electrode active material layer (and the sulfur active material-containing electrode composition that constitutes it) further contains a solid electrolyte, the ionic conductivity in the active material layer is further improved, contributing to improving the rate characteristics of the battery. It is preferable because it absorbs water. Note that since the specific forms of these materials are the same as those described above, detailed explanations will be omitted here.
ここで、本発明に係る多孔質炭素材料からなる導電助剤を、電極活物質(硫黄活物質)および固体電解質と含む硫黄活物質含有電極組成物においては、電極活物質(硫黄活物質)と、多孔質炭素材料と、固体電解質とが複合粒子の形態で含まれていることが好ましい。また、この場合において、当該複合粒子の平均粒径(平均二次粒子径)は、50μm以下であることが好ましく、40μm以下であることがより好ましく、30μm以下であることがさらに好ましく、20μm以下であることが特に好ましい。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以上である。このような平均粒径を有する複合粒子が含まれることにより、レート特性に特に優れた電池が提供されうる。このような複合粒子を形成するには、当該複合粒子の構成成分である電極活物質(硫黄活物質)、多孔質炭素材料および固体電解質の混合物に対し、遊星ボールミル装置のような混合・攪拌装置を用い、適切な条件(回転数、処理時間)を設定してメカニカルミリング処理を施せばよい。 Here, in a sulfur active material-containing electrode composition containing a conductive aid made of a porous carbon material according to the present invention together with an electrode active material (sulfur active material) and a solid electrolyte, the electrode active material (sulfur active material) It is preferable that the porous carbon material and the solid electrolyte are contained in the form of composite particles. In this case, the average particle size (average secondary particle size) of the composite particles is preferably 50 μm or less, more preferably 40 μm or less, even more preferably 30 μm or less, and even more preferably 20 μm or less. It is particularly preferable that There is no particular restriction on the lower limit, but it is preferably 1 μm or more, more preferably 5 μm or more. By including composite particles having such an average particle size, a battery with particularly excellent rate characteristics can be provided. To form such composite particles, a mixture of electrode active material (sulfur active material), porous carbon material, and solid electrolyte, which are the constituent components of the composite particles, is mixed and stirred using a mixing/stirring device such as a planetary ball mill. Mechanical milling can be performed by setting appropriate conditions (rotation speed, processing time).
[固体電解質層]
本形態に係る双極型二次電池の固体電解質層は、固体電解質を主成分として含有し、上述した正極活物質層と負極活物質層との間に介在する層である。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は上述したものと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
[Solid electrolyte layer]
The solid electrolyte layer of the bipolar secondary battery according to this embodiment is a layer that contains a solid electrolyte as a main component and is interposed between the above-described positive electrode active material layer and negative electrode active material layer. Since the specific form of the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer is the same as that described above, detailed explanation will be omitted here.
固体電解質層における固体電解質の含有量は、例えば、10~100質量%の範囲内であることが好ましく、50~100質量%の範囲内であることがより好ましく、90~100質量%の範囲内であることがさらに好ましい。 The content of the solid electrolyte in the solid electrolyte layer is, for example, preferably within the range of 10 to 100% by mass, more preferably within the range of 50 to 100% by mass, and within the range of 90 to 100% by mass. It is more preferable that
固体電解質層は、上述した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。固体電解質層に含有されうるバインダの具体的な形態については上述したものと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。 The solid electrolyte layer may further contain a binder in addition to the solid electrolyte described above. Since the specific form of the binder that can be contained in the solid electrolyte layer is the same as that described above, detailed explanation will be omitted here.
固体電解質層の厚さは、目的とする双極型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く、0.1~300μmの範囲内であることがより好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer varies depending on the configuration of the intended bipolar secondary battery, but for example, it is preferably within the range of 0.1 to 1000 μm, and preferably within the range of 0.1 to 300 μm. is more preferable.
[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 current collector plate and negative 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 may be used. As the constituent material of the current collector plate, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable. From the viewpoints of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferred, and aluminum is particularly preferred. Note that the positive electrode current collector plate 27 and the negative electrode current collector plate 25 may use 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11と集電板(25、27)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、公知のリチウムイオン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 lead and negative lead]
Further, although not shown, the current collector 11 and the current collecting plates (25, 27) may be electrically connected via a positive electrode lead or a negative electrode lead. As constituent materials for the positive electrode and negative electrode leads, materials used in known lithium ion secondary batteries can be similarly employed. In addition, the parts taken out from the exterior are covered with heat-resistant insulating heat-shrinkable material to prevent them from contacting peripheral equipment or wiring and causing electrical leakage, which may affect products (e.g., automobile parts, especially electronic equipment, etc.). Preferably, it is covered with a tube or the like.
[電池外装体]
電池外装体としては、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 body]
As the battery exterior body, a known metal can case can be used, or a bag-shaped case using a laminate film 29 containing aluminum that can cover the power generating element as shown in FIG. 1 can be used. The laminate film may be, for example, a laminate film having a three-layer structure in which PP, aluminum, and nylon are laminated in this order, but is not limited thereto. A laminate film is desirable from the viewpoint that it has high output and excellent cooling performance, and can be suitably used in batteries for large equipment such as EVs and HEVs. Moreover, the exterior body is more preferably a laminate film containing aluminum because the group pressure applied to the power generation element from the outside can be easily adjusted.
本形態の双極型二次電池は、複数の単電池層が直列に接続された構成を有することにより、高レートでの出力特性に優れるものである。したがって、本形態の双極型二次電池は、EV、HEVの駆動用電源として好適に使用される。 The bipolar secondary battery of this embodiment has a configuration in which a plurality of cell layers are connected in series, and thus has excellent output characteristics at a high rate. Therefore, the bipolar secondary battery of this embodiment is suitably used as a power source for driving EVs and HEVs.
図3は、双極型二次電池の代表的な実施形態である扁平なリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。 FIG. 3 is a perspective view showing the appearance of a flat lithium ion secondary battery, which is a typical embodiment of a bipolar secondary battery.
図3に示すように、扁平な双極型二次電池50では、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正極タブ58、負極タブ59が引き出されている。発電要素57は、双極型二次電池50の電池外装体(ラミネートフィルム52)によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素57は、正極タブ58および負極タブ59を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素57は、先に説明した図3に示す双極型二次電池10の発電要素21に相当するものである。発電要素57は、双極型電極23が、固体電解質層17を介して複数積層されたものである。 As shown in FIG. 3, the flat bipolar secondary battery 50 has a flat rectangular shape, and a positive electrode tab 58 and a negative electrode tab 59 for extracting power are pulled out from both sides of the battery. There is. The power generation element 57 is surrounded by the battery exterior body (laminate film 52) of the bipolar secondary battery 50, and its periphery is heat-sealed, and the power generation element 57 has a positive electrode tab 58 and a negative electrode tab 59 pulled out to the outside. It is sealed in a sealed condition. Here, the power generation element 57 corresponds to the power generation element 21 of the bipolar secondary battery 10 shown in FIG. 3 described above. The power generation element 57 includes a plurality of bipolar electrodes 23 stacked together with a solid electrolyte layer 17 in between.
なお、上記リチウムイオン二次電池は、積層型の扁平な形状のものに制限されるものではない。巻回型のリチウムイオン二次電池では、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、その外装体に、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ラミネートフィルムで外装される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 Note that the above-mentioned lithium ion secondary battery is not limited to a flat, stacked type battery. A wound type lithium ion secondary battery may have a cylindrical shape, or may be a cylindrical battery that has been deformed into a rectangular flat shape. etc., there are no particular restrictions. The above-mentioned cylindrical shape is not particularly limited, and its exterior body may be made of a laminate film or a conventional cylindrical can (metal can). Preferably, the power generation element is packaged with an aluminum laminate film. With this form, weight reduction can be achieved.
また、図3に示すタブ58、59の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極タブ58と負極タブ59とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極タブ58と負極タブ59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3に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、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 is no particular restriction on how to take out the tabs 58 and 59 shown in FIG. 3. The positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be pulled out from the same side, or the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be divided into a plurality of parts and taken out from each side, as shown in FIG. It is not limited to. Further, in a wound type lithium ion battery, the terminals may be formed using, for example, a cylindrical can (metal can) instead of a tab.
[組電池]
組電池は、電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
[Assembled battery]
A battery pack is made up of multiple batteries connected together. Specifically, it is configured by using at least two or more, serially or parallelly, or both. By connecting them in series or parallel, it becomes possible to freely adjust the capacity and voltage.
電池が複数、直列にまたは並列に接続して装脱着可能な小型の組電池を形成することもできる。そして、この装脱着可能な小型の組電池をさらに複数、直列に又は並列に接続して、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池を形成することもできる。何個の電池を接続して組電池を作製するか、また、何段の小型組電池を積層して大容量の組電池を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。 A plurality of batteries can be connected in series or in parallel to form a small detachable battery pack. By connecting multiple small, removable batteries in series or in parallel, high-capacity, large-capacity batteries suitable for vehicle drive power sources and auxiliary power sources that require high volumetric energy density and high volumetric output density can be used. It is also possible to form a battery pack with an output. How many batteries to connect to make a battery pack, and how many stages of small battery packs to stack to make a large-capacity battery pack depends on the battery capacity of the vehicle (electric vehicle) in which it will be mounted. You can decide according to the output.
組電池に対して本発明に係る充電方法を実施する際には、例えば組電池を構成する個々の電池(単セル)のそれぞれの交流インピーダンスを測定しながら充電処理を実行することができる。このような構成とすることで、個々の電池(単セル)のそれぞれにおける電析の発生を別々にモニタリングしながら充電処理を行うことができる。 When carrying out the charging method according to the present invention on an assembled battery, the charging process can be performed, for example, while measuring the AC impedance of each individual battery (single cell) that constitutes the assembled battery. With such a configuration, the charging process can be performed while separately monitoring the occurrence of electrodeposition in each individual battery (single cell).
[車両]
本形態の非水電解質二次電池は、長期使用しても放電容量が維持され、サイクル特性が良好である。さらに、体積エネルギー密度が高い。電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの車両用途においては、電気・携帯電子機器用途と比較して、高容量、大型化が求められるとともに、長寿命化が必要となる。したがって、上記非水電解質二次電池は、車両用の電源として、例えば、車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
[vehicle]
The non-aqueous electrolyte secondary battery of this embodiment maintains its discharge capacity even after long-term use, and has good cycle characteristics. Additionally, it has a high volumetric energy density. Vehicle applications such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, and hybrid fuel cell vehicles require higher capacity, larger size, and longer lifespan than electric and portable electronic device applications. . Therefore, the non-aqueous electrolyte secondary battery can be suitably used as a vehicle power source, for example, as a vehicle drive power source or an auxiliary power source.
具体的には、電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を車両に搭載することができる。本発明では、長期信頼性および出力特性に優れた高寿命の電池を構成できることから、こうした電池を搭載するとEV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を、例えば、自動車ならばハイブリット車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いることにより高寿命で信頼性の高い自動車となるからである。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、例えば、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。 Specifically, a battery or a battery pack formed by combining a plurality of batteries can be mounted on the vehicle. According to the present invention, it is possible to configure a long-life battery with excellent long-term reliability and output characteristics, so when such a battery is installed, it is possible to configure a plug-in hybrid electric vehicle with a long EV mileage or an electric vehicle with a long mileage on a single charge. . Batteries or assembled batteries made by combining multiple of these can be used, for example, in the case of automobiles, such as hybrid vehicles, fuel cell vehicles, electric vehicles (all four-wheeled vehicles (commercial vehicles such as passenger cars, trucks, buses, light vehicles, etc.), etc. , two-wheeled vehicles (including motorcycles, and three-wheeled vehicles)) can provide long-life and highly reliable vehicles. However, the application is not limited to automobiles; for example, it can be applied to various power sources for other vehicles, such as trains, and on-board power sources such as uninterruptible power supplies. It is also possible to use it as
車両に搭載された電池(組電池)に対して本発明に係る充電方法を実施することで、例えば急速充電時のように金属リチウムの電析が発生しやすい充電条件下において充電処理を施す場合であっても、金属リチウムの電析の発生を高精度に検出しつつ、電池の容量を十分に利用することが可能となるという利点がある。 By implementing the charging method according to the present invention on a battery (assembled battery) mounted on a vehicle, charging processing is performed under charging conditions where metal lithium electrodeposition is likely to occur, such as during rapid charging, for example. Even so, there is an advantage that it is possible to fully utilize the capacity of the battery while detecting the occurrence of metal lithium electrodeposition with high accuracy.
なお、上記の説明では、双極型全固体リチウムイオン二次電池を例に挙げて本発明の実施形態を説明したが、本発明が適用可能な二次電池の種類は特に制限されず、発電要素において単電池層が並列接続されてなる形式のいわゆる並列積層型の全固体電池や、従来公知の任意の双極型または非双極型(並列積層型)の非水電解質二次電池(電解液を用いる電池)にも適用可能である。 In the above description, the embodiments of the present invention have been described using a bipolar all-solid-state lithium ion secondary battery as an example, but the type of secondary battery to which the present invention can be applied is not particularly limited. So-called parallel stacked all-solid-state batteries in which cell layers are connected in parallel, and any conventionally known bipolar or non-bipolar (parallel stacked) non-aqueous electrolyte secondary batteries (using electrolyte It is also applicable to batteries).
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。 Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.
[多孔質炭素材料の製造例]
<製造例1-1:多孔質炭素材料(1-1)の調製>
(1)CVD法による炭素被覆したアルミナナノ粒子の調製
アルミナナノ粒子(大明化学工業社製TM300、結晶相:γ-アルミナ、平均粒径:7nm、比表面積:220m2/g)と、スペーサーとしての石英砂(仙台和光純薬社製)とを、重量比3:10(アルミナナノ粒子:石英砂)で混合した。この際、石英砂は、1M塩酸に12時間浸け、マッフル炉で、空気中で800℃で2時間加熱し、180μm間隔のふるいにかけたものを使用した。上記で調製したアルミナナノ粒子と石英砂との混合物を反応管(内径57mm)に入れ、メタンを炭素源とするCVD(メタンCVD)を行った。
[Example of manufacturing porous carbon material]
<Production Example 1-1: Preparation of porous carbon material (1-1)>
(1) Preparation of carbon-coated alumina nanoparticles by CVD method Alumina nanoparticles (TM300 manufactured by Daimei Kagaku Kogyo Co., Ltd., crystal phase: γ-alumina, average particle size: 7 nm, specific surface area: 220 m 2 /g) and spacers of quartz sand (manufactured by Sendai Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) at a weight ratio of 3:10 (alumina nanoparticles: quartz sand). At this time, the quartz sand used was one that had been soaked in 1M hydrochloric acid for 12 hours, heated in air at 800° C. for 2 hours in a muffle furnace, and sieved at 180 μm intervals. The mixture of alumina nanoparticles and quartz sand prepared above was placed in a reaction tube (inner diameter 57 mm), and CVD using methane as a carbon source (methane CVD) was performed.
メタンCVDは、N2ガスの流量を400ml/分に調節した条件下で、アルミナナノ粒子を10℃/分の昇温速度で室温から900℃まで加熱し、900℃で30分間保持した。その後、キャリアガスとしてN2ガスを使用し、キャリアガスとメタンとの合計量に対して20体積%のメタンを反応管に導入し、900℃で4時間、化学気相成長(CVD)処理を行った。この際、メタンガスの流量を80ml/分、N2ガスの流量を320ml/分に調節した。その後、メタンガスの導入を停止し、N2ガスの流量を400ml/分に調節した条件下で、900℃で30分間保持した後、冷却して、炭素被覆したアルミナナノ粒子を得た。 In the methane CVD, the alumina nanoparticles were heated from room temperature to 900°C at a temperature increase rate of 10°C/min under conditions where the flow rate of N 2 gas was adjusted to 400ml/min, and the temperature was held at 900°C for 30 minutes. Then, using N2 gas as a carrier gas, 20% by volume of methane based on the total amount of carrier gas and methane was introduced into the reaction tube, and chemical vapor deposition (CVD) treatment was performed at 900°C for 4 hours. went. At this time, the flow rate of methane gas was adjusted to 80 ml/min, and the flow rate of N 2 gas was adjusted to 320 ml/min. Thereafter, the introduction of methane gas was stopped and the flow rate of N 2 gas was adjusted to 400 ml/min, and the temperature was maintained at 900° C. for 30 minutes, followed by cooling to obtain carbon-coated alumina nanoparticles.
(2)鋳型の溶解除去
次いで、上記で得られた炭素被覆したアルミナナノ粒子について、鋳型の除去を行った。
(2) Dissolving and removing the template Next, the template was removed from the carbon-coated alumina nanoparticles obtained above.
炭素被覆したアルミナナノ粒子の鋳型除去には、フッ化水素(HF)を用いた。テフロン(登録商標)製のビーカーに、炭素被覆したアルミナナノ粒子と、濃度46質量%のHF水溶液を入れ、テフロン(登録商標)製の撹拌子で攪拌しながら、室温にて6時間保持した。その後、自然冷却した。サンプルは濾過によって回収し、150℃、6時間の真空加熱乾燥で乾燥させ、多孔質炭素材料を得た。この段階で得られた多孔質炭素材料をカーボンメソスポンジ(CMS)と称する。 Hydrogen fluoride (HF) was used to remove the carbon-coated alumina nanoparticle template. Carbon-coated alumina nanoparticles and an aqueous HF solution with a concentration of 46% by mass were placed in a Teflon (registered trademark) beaker, and the mixture was kept at room temperature for 6 hours while stirring with a Teflon (registered trademark) stirring bar. After that, it was naturally cooled. The sample was collected by filtration and dried by vacuum heating at 150° C. for 6 hours to obtain a porous carbon material. The porous carbon material obtained at this stage is called carbon meso-sponge (CMS).
(3)多孔質炭素材料の熱処理
上記(2)で得られた多孔質炭素材料を砕き、破片を数個集めて黒鉛製の容器に入れ、高温炉にセットした。高温部をオイルポンプで10Paまで減圧し、微量のArを流しながら熱処理を行って、本製造例の多孔質炭素材料(1-1)を得た。なお、熱処理条件としては、はじめに室温から1800℃まで120分間かけて昇温した。そして、1800℃で60分間熱処理して、その後、室温まで自然冷却した。このようにして得られた多孔質炭素材料(1-1)は、1800℃と高温での熱処理によって上記CMSの水素終端エッジが融合され、より連続性の高い三次元グラフェン骨格が形成されたものであり、これをグラフェンメソスポンジ(GMS)と称する。
(3) Heat treatment of porous carbon material The porous carbon material obtained in (2) above was crushed, several pieces were collected, placed in a graphite container, and set in a high-temperature furnace. The pressure in the high-temperature part was reduced to 10 Pa using an oil pump, and heat treatment was performed while flowing a small amount of Ar to obtain a porous carbon material (1-1) of this production example. As for the heat treatment conditions, the temperature was first raised from room temperature to 1800° C. over 120 minutes. Then, it was heat-treated at 1800° C. for 60 minutes, and then naturally cooled to room temperature. The porous carbon material (1-1) thus obtained is one in which the hydrogen-terminated edges of the CMS are fused by heat treatment at a high temperature of 1800°C, forming a three-dimensional graphene skeleton with higher continuity. This is called graphene mesosponge (GMS).
(多孔質炭素材料のキャラクタリゼーション)
・窒素吸脱着等温線測定
窒素吸脱着等温線測定は、高精度自動ガス/蒸気吸着量測定装置(日本ベル株式会社製:BEL SORP MAX)を用いて、-196℃の温度で測定した。試料は測定前に150℃で6時間真空加熱乾燥した。試料のBET比表面積は、BET法を用いて、0.1<P/P0<0.30の相対圧の範囲で測定した窒素吸着等温線より多点法で求めた。細孔径分布はBJH法によって求めた。平均細孔径dはシリンダー状細孔を仮定し、BET比表面積Sと全細孔容積Vより、d=4V/Sにより求めた。
・透過電子顕微鏡(TEM)観察
透過型電子顕微鏡(TEM)観察は、日本電子株式会社製透過型電子顕微鏡JEM-2010を用い、加速電圧200kVにて観察した。観察時は加速電圧200kVに設定した。TEM観察に際しては、試料にエタノールを少量加えてから超音波処理(45kHz、30分)することで懸濁させ、懸濁液をマイクログリッド(応研商事:Cu150Pグリッド、カーボン補強済み、グリッドピッチ150μm)に微量滴下し、真空下50℃で2時間乾燥し、TEM観察用試料とした。
・炭素担持量の測定(熱重量分析)
島津示差熱・熱重量同時測定装置(DTG-60/60H)で熱重量分析を行った。試料を合成空気流通下(50cc/分)で10℃/分で100℃まで昇温し、30分間保持し、次いで5℃/分で800℃まで昇温して1時間保持し、-10℃/分で100℃まで冷却して30分間保持した。800℃までの加熱の前後の100℃で保持した際の平均質量の差から炭素担持量を求めた。
・X線回折測定(XRD)
X線回折測定は、シリコン無反射板にサンプルを載せ、島津製作所社製X線回折装置XRD-6100を用いて行った。線源はCu-Kα、電圧40kV、電流30mAで行った。
・ラマン分光測定
ラマン散乱スペクトル測定は、日本分光株式会社製レーザーラマン分光光度計NRS-3300FLを用いて測定した。測定条件は以下の通りである。ピーク強度(高さ)はベースラインを引き、バックグラウンドの影響を取り除いた上で求めた。
(Characterization of porous carbon material)
-Nitrogen adsorption/desorption isotherm measurement Nitrogen adsorption/desorption isotherm measurement was performed at a temperature of -196°C using a high-precision automatic gas/vapor adsorption measurement device (BEL SORP MAX, manufactured by Japan Bell Co., Ltd.). The sample was vacuum dried at 150° C. for 6 hours before measurement. The BET specific surface area of the sample was determined using the BET method using a multi-point method from the nitrogen adsorption isotherm measured in the relative pressure range of 0.1<P/P 0 <0.30. The pore size distribution was determined by the BJH method. The average pore diameter d was calculated from the BET specific surface area S and the total pore volume V by d=4V/S assuming cylindrical pores.
- Transmission electron microscope (TEM) observation Transmission electron microscope (TEM) observation was performed using a transmission electron microscope JEM-2010 manufactured by JEOL Ltd. at an accelerating voltage of 200 kV. During observation, the acceleration voltage was set at 200 kV. For TEM observation, add a small amount of ethanol to the sample, suspend it by ultrasonication (45 kHz, 30 minutes), and place the suspension on a microgrid (Oken Shoji: Cu150P grid, carbon reinforced, grid pitch 150 μm). A very small amount of the mixture was dropped onto the substrate, and the mixture was dried under vacuum at 50° C. for 2 hours to obtain a sample for TEM observation.
・Measurement of carbon loading (thermogravimetric analysis)
Thermogravimetric analysis was performed using a Shimadzu differential thermal/thermogravimetric simultaneous measurement device (DTG-60/60H). The sample was heated to 100°C at 10°C/min under synthetic air flow (50 cc/min), held for 30 minutes, then heated to 800°C at 5°C/min, held for 1 hour, and then heated to -10°C. /min to 100°C and held for 30 minutes. The amount of carbon supported was determined from the difference in average mass before and after heating to 800°C and holding at 100°C.
・X-ray diffraction measurement (XRD)
X-ray diffraction measurements were carried out using an X-ray diffraction device XRD-6100 manufactured by Shimadzu Corporation, with the sample placed on a silicon non-reflection plate. The radiation source was Cu-Kα, the voltage was 40 kV, and the current was 30 mA.
- Raman spectrometry The Raman scattering spectrum was measured using a laser Raman spectrophotometer NRS-3300FL manufactured by JASCO Corporation. The measurement conditions are as follows. The peak intensity (height) was determined by drawing the baseline and removing the influence of the background.
(鋳型上の炭素層の平均積層数)
上記(1)のメタンCVD終了後の炭素被覆したアルミナナノ粒子について、TG測定で炭素担持量を求めたところ、アルミナナノ粒子とこれを被覆している炭素との合計重量100重量%に対して平均18重量%であった。
(Average number of carbon layers on the mold)
The amount of carbon supported on the carbon-coated alumina nanoparticles after the completion of methane CVD in (1) above was determined by TG measurement, and it was found that the amount of carbon supported was calculated based on the total weight of the alumina nanoparticles and the carbon covering them (100% by weight). The average content was 18% by weight.
また、窒素吸脱着等温線測定から、上記(1)の熱処理したアルミナのBET比表面積を求め、この値と上記でTG測定により求めた炭素担持量の値から、炭素層の平均積層数を約1.2と見積もった。 In addition, from the nitrogen adsorption/desorption isotherm measurement, the BET specific surface area of the heat-treated alumina described in (1) above was determined, and from this value and the value of the carbon loading determined by the TG measurement above, the average number of laminated carbon layers was approximately determined. It was estimated at 1.2.
なお、炭素層の平均積層数N(層)は、
N=W/(S×g)
で求められる。ここで、Wは炭素担持量であり、アルミナの重量に対する炭素の重量の割合(0.30)である。Sはアルミナの比表面積であり、gは、グラフェンシート1枚の単位面積当たりの重量(0.000761g/m2)である。
Note that the average number N (layers) of carbon layers is:
N=W/(S×g)
is required. Here, W is the amount of carbon supported, and is the ratio of the weight of carbon to the weight of alumina (0.30). S is the specific surface area of alumina, and g is the weight per unit area of one graphene sheet (0.000761 g/m 2 ).
(多孔質炭素材料のBET比表面積と細孔分布)
図4に、上記(2)の鋳型除去を行った後の多孔質炭素材料、および、上記(3)の熱処理後に得られた多孔質炭素材料(1-1)の窒素吸脱着等温線を示す。
(BET specific surface area and pore distribution of porous carbon material)
Figure 4 shows the nitrogen adsorption/desorption isotherms of the porous carbon material after the mold removal in (2) above and the porous carbon material (1-1) obtained after the heat treatment in (3) above. .
図4のように、鋳型除去を行った後の多孔質炭素材料のBET比表面積は、1500m2/gであり、鋳型除去する前の230m2/gより増大した。 As shown in FIG. 4, the BET specific surface area of the porous carbon material after removing the template was 1500 m 2 /g, which was greater than 230 m 2 /g before removing the template.
上記(3)の熱処理後に得られた多孔質炭素材料(1-1)は、BET比表面積が1690m2/gであり、図5の細孔径分布に示されるように、平均細孔径4.7nmのメソ孔を有していることが確認された。 The porous carbon material (1-1) obtained after the heat treatment in (3) above has a BET specific surface area of 1690 m 2 /g, and an average pore diameter of 4.7 nm, as shown in the pore size distribution in FIG. It was confirmed that the material had mesopores.
(多孔質炭素材料のXRD測定)
図6に、本製造例で得られた多孔質炭素材料(1-1)のXRD測定の結果を示す。図6に示すように、上記(2)の鋳型除去後には、アルミナに由来するピークが消失することが確認された。また、炭素の(002)面に由来するピーク(2θ=25°付近)、(10)面に由来するピーク(2θ=44°付近)、および(110)面に由来するピークが観測された。このうち、本製造例で得られた多孔質炭素材料(1-1)においては、炭素の(002)面に由来するピークの強度が小さく、ほとんど積層していないと考えられる。また、炭素(10)面のピークははっきりと確認できたことから、結晶性の良い炭素網面が形成されていることが示唆された。なお、本製造例で得られた多孔質炭素材料(1-1)において、炭素の(002)面に由来するピークの半値幅W(002)および炭素の(10)面に由来するピークの半値幅の値は、それぞれ7.30°および2.50°であった。
(XRD measurement of porous carbon material)
FIG. 6 shows the results of XRD measurement of the porous carbon material (1-1) obtained in this production example. As shown in FIG. 6, it was confirmed that the peak derived from alumina disappeared after the template was removed in (2) above. Furthermore, a peak derived from the (002) plane of carbon (near 2θ=25°), a peak derived from the (10) plane (near 2θ=44°), and a peak derived from the (110) plane were observed. Among these, in the porous carbon material (1-1) obtained in this production example, the intensity of the peak derived from the (002) plane of carbon is small, and it is considered that there is almost no lamination. Furthermore, since the peak of the carbon (10) plane was clearly confirmed, it was suggested that a carbon network plane with good crystallinity was formed. In addition, in the porous carbon material (1-1) obtained in this production example, the half width W (002) of the peak originating from the (002) plane of carbon and the half width W (002) of the peak originating from the (10) plane of carbon are The value width values were 7.30° and 2.50°, respectively.
(多孔質炭素材料のTEM測定)
図7Aおよび図7Bに、本製造例で得られた、上記(3)の熱処理工程を行った後の多孔質炭素材料(1-1)のTEM写真を示す。図7Aおよび図7Bは、同時に作製した試料の、別々の部分を撮影した写真である。図7Aに示すように、本製造例で得られた多孔質炭素材料(1-1)は、1~2層のグラフェンシートから構成されるシェル構造を有していることがわかる。
(TEM measurement of porous carbon material)
FIG. 7A and FIG. 7B show TEM photographs of the porous carbon material (1-1) obtained in this production example after performing the heat treatment step (3) above. FIGS. 7A and 7B are photographs taken of different parts of samples prepared at the same time. As shown in FIG. 7A, it can be seen that the porous carbon material (1-1) obtained in this production example has a shell structure composed of one to two layers of graphene sheets.
また、図7Bの左に示す写真から、直径10nm程度の粒子の集合体が確認でき、1800℃の熱処理後にもシェル状構造が保たれることがわかった。高倍率の写真(右)では、輪郭のはっきりした炭素網面が確認できた。積層数は多いところで平均1~3であり、ほぼ均一にCVDによる炭素被覆がなされたと考えられる。単層グラフェンと思われる構造も多くの場所で観察された(矢印)。したがって、1800℃の熱処理を行うことで、シェル状構造は保ったままで構成する炭素の結晶性を高めることができたといえる。 Further, from the photograph shown on the left side of FIG. 7B, an aggregate of particles with a diameter of about 10 nm could be confirmed, and it was found that the shell-like structure was maintained even after heat treatment at 1800°C. In the high-magnification photo (right), a carbon mesh surface with a clear outline can be seen. The number of laminated layers was 1 to 3 on average in most places, and it is considered that carbon coating was done almost uniformly by CVD. Structures that appeared to be single-layer graphene were also observed in many places (arrows). Therefore, it can be said that by performing heat treatment at 1800° C., the crystallinity of the constituent carbon could be increased while maintaining the shell-like structure.
すなわち、本製造例で調製された炭素材料は、比較的高いBET比表面積を有しており、1~2層の均一なグラフェンシートから構成されるシェル構造を有しているといえる。これは、メタンを炭素源としたCVD処理を行うことによって炭素の析出がより均一に進行したことによると考えられる。加えて、900℃とより高い温度でCVDを行うことで、炭素の構造が安定化し、鋳型除去後も高比表面積を維持できたためであると考えられる。また、アルミナナノ粒子をペレットに成形せずに鋳型として用いたことによって、鋳型の比表面積の低下を抑制でき、その結果高い比表面積の炭素材料が得られたものと考えられる。 That is, it can be said that the carbon material prepared in this production example has a relatively high BET specific surface area and has a shell structure composed of one to two layers of uniform graphene sheets. This is considered to be because carbon precipitation progressed more uniformly by performing the CVD treatment using methane as the carbon source. In addition, this is thought to be due to the fact that by performing CVD at a higher temperature of 900° C., the carbon structure was stabilized and a high specific surface area could be maintained even after the mold was removed. Furthermore, it is thought that by using alumina nanoparticles as a template without forming them into pellets, it was possible to suppress a decrease in the specific surface area of the template, and as a result, a carbon material with a high specific surface area was obtained.
(多孔質炭素材料のラマン測定)
さらに、本製造例で得られた多孔質炭素材料(1-1)のラマン散乱スペクトルを測定したところ、1590cm-1付近に、グラフェンシートの骨格振動に由来するピーク(Gバンド)が現れた。また、1355cm-1付近に、グラフェンシートの欠陥構造に由来するピーク(Dバンド)が現れた。なお、欠陥構造とは、グラフェンの端であるエッジサイトやダングリングボンド、グラフェンの湾曲部であり、低規則性炭素には多く含まれるが、結晶性の高い黒鉛にはほとんど含まれない。このため、黒鉛や単層グラフェンではDバンドは観測されない。
(Raman measurement of porous carbon material)
Furthermore, when the Raman scattering spectrum of the porous carbon material (1-1) obtained in this production example was measured, a peak (G band) derived from the skeletal vibration of the graphene sheet appeared around 1590 cm -1 . Furthermore, a peak (D band) originating from the defect structure of the graphene sheet appeared near 1355 cm -1 . Note that defect structures include edge sites, dangling bonds, and curved parts of graphene, and are contained in large amounts in low-order carbon, but are hardly contained in highly crystalline graphite. Therefore, the D band is not observed in graphite or single-layer graphene.
さらに、高波数側のピークに着目すると、2670cm-1付近に、G’バンドが確認された。G’バンドは、sp2混成軌道を持つグラフェン状の構造に由来し、欠陥がなくとも結晶性が良ければ観測可能である。ここで、単層グラフェンのラマン散乱スペクトルにおいては、HOPGと比較して、G’/Gが大きく、G’バンドの位置が低波数側にシフトする。本製造例で得られた多孔質炭素材料のGバンドのピーク強度Gに対するG’バンドのピーク強度G’の比G’/Gは、0.97であった。このように、本製造例で得られた多孔質炭素材料ではG’/Gが0.6以上であり、G’バンドの位置がHOPGと比較して低波数側にシフトしたことから、単層グラフェンの存在が示唆された。 Furthermore, when focusing on the peak on the high wavenumber side, a G' band was confirmed around 2670 cm -1 . The G' band originates from a graphene-like structure with an sp 2 hybrid orbital, and can be observed even if there are no defects as long as the crystallinity is good. Here, in the Raman scattering spectrum of single-layer graphene, G'/G is larger than that of HOPG, and the position of the G' band is shifted to the lower wavenumber side. The ratio G'/G of the peak intensity G' of the G' band to the peak intensity G of the G band of the porous carbon material obtained in this production example was 0.97. In this way, the porous carbon material obtained in this production example has a G'/G of 0.6 or more, and the position of the G' band has shifted to the lower wave number side compared to HOPG. The existence of graphene was suggested.
(多孔質炭素材料の弾性測定)
本製造例で得られた多孔質炭素材料(1-1)の弾性を、従来公知の炭素材料であるデンカブラック(DB;デンカ株式会社製)およびアルカリ賦活活性炭(関西熱化学株式会社製、MSC-30)と比較した。
(Measurement of elasticity of porous carbon material)
The elasticity of the porous carbon material (1-1) obtained in this production example was evaluated using conventionally known carbon materials Denka Black (DB; manufactured by Denka Co., Ltd.) and alkali-activated activated carbon (manufactured by Kansai Thermal Chemical Co., Ltd., MSC). -30).
具体的には、各炭素材料をそれぞれ、圧縮力を負荷できる金属製ジグに入れ、500MPaの圧縮力の負荷-解除を10回繰り返した。そして、その前後において、上記と同様の手法により、-196℃での窒素吸脱着等温線測定を行った。結果を図8に示す。 Specifically, each carbon material was placed in a metal jig capable of applying a compressive force, and loading and unloading of a compressive force of 500 MPa was repeated 10 times. Then, before and after that, nitrogen adsorption/desorption isotherms at -196°C were measured using the same method as above. The results are shown in FIG.
図8に示すように、デンカブラック(DB)や活性炭では、圧縮力負荷からの復元後の窒素吸脱着等温線が変化した。このことから、圧縮力の負荷によってこれらの炭素材料における構造が破壊されていることが示唆される。これに対し、本製造例で得られた多孔質炭素材料(1-1)については、圧縮力の負荷からの復元後であっても初期状態からの窒素吸脱着等温線の変化は確認されなかった。このことから、本製造例で得られた多孔質炭素材料(1)の構造は圧縮力の負荷によっても維持されていることがわかる。すなわち、本発明に係る多孔質炭素材料は、炭素材料として高い弾性を有し、優れた柔軟性を発揮しうる材料であるといえる。なお、上記多孔質炭素材料(1-1)の体積弾性率を測定したところ、0.79GPaという値が確認された。 As shown in FIG. 8, for Denka Black (DB) and activated carbon, the nitrogen adsorption and desorption isotherms changed after recovery from compressive force loading. This suggests that the structure of these carbon materials is destroyed by the application of compressive force. In contrast, for the porous carbon material (1-1) obtained in this production example, no change in the nitrogen adsorption/desorption isotherm from the initial state was observed even after recovery from the compressive force load. Ta. This shows that the structure of the porous carbon material (1) obtained in this production example is maintained even when compressive force is applied. That is, it can be said that the porous carbon material according to the present invention has high elasticity as a carbon material and can exhibit excellent flexibility. Note that when the bulk modulus of the porous carbon material (1-1) was measured, a value of 0.79 GPa was confirmed.
<製造例1-2:多孔質炭素材料(1-2)の調製>
メタンCVDにおける化学気相成長(CVD)処理の時間を4時間から8時間に変更したこと以外は、上述した製造例1-1と同様の手法により、多孔質炭素材料(1-2)を調製した。
<Production Example 1-2: Preparation of porous carbon material (1-2)>
Porous carbon material (1-2) was prepared by the same method as in Production Example 1-1 above, except that the chemical vapor deposition (CVD) treatment time in methane CVD was changed from 4 hours to 8 hours. did.
(多孔質炭素材料のキャラクタリゼーション)
・窒素吸脱着等温線測定
窒素吸脱着等温線測定は、高精度自動ガス/蒸気吸着量測定装置(日本ベル株式会社製:BEL SORP MAX)を用いて、-196℃の温度で測定した。試料は測定前に150℃で6時間真空加熱乾燥した。このようにして得られた窒素吸脱着等温線のグラフを図9に示す。
・炭素担持量の測定(熱重量分析)
島津示差熱・熱重量同時測定装置(DTG-60/60H)で熱重量分析を行った。試料を合成空気流通下(50cc/分)で10℃/分で100℃まで昇温し、30分間保持し、次いで5℃/分で800℃まで昇温して1時間保持し、-10℃/分で100℃まで冷却して30分間保持した。800℃までの加熱の前後の100℃で保持した際の平均質量の差から炭素担持量を求めた。その結果、炭素被覆したアルミナナノ粒子には全体重量に対し重量あたり35重量%だけ炭素が被覆されていることを確認した。
(Characterization of porous carbon material)
-Nitrogen adsorption/desorption isotherm measurement Nitrogen adsorption/desorption isotherm measurement was performed at a temperature of -196°C using a high-precision automatic gas/vapor adsorption measurement device (BEL SORP MAX, manufactured by Japan Bell Co., Ltd.). The sample was vacuum dried at 150° C. for 6 hours before measurement. A graph of the nitrogen adsorption/desorption isotherm obtained in this way is shown in FIG.
・Measurement of carbon loading (thermogravimetric analysis)
Thermogravimetric analysis was performed using a Shimadzu differential thermal/thermogravimetric simultaneous measurement device (DTG-60/60H). The sample was heated to 100°C at 10°C/min under synthetic air flow (50 cc/min), held for 30 minutes, then heated to 800°C at 5°C/min, held for 1 hour, and then heated to -10°C. /min to 100°C and held for 30 minutes. The amount of carbon supported was determined from the difference in average mass before and after heating to 800°C and holding at 100°C. As a result, it was confirmed that the carbon-coated alumina nanoparticles were coated with carbon in an amount of 35% by weight based on the total weight.
<製造例2-1:多孔質炭素材料(2-1)の調製>
上述した製造例1-1と同様の手法により、アルミナナノ粒子(大明化学工業社製TM300、結晶相:γ-アルミナ、平均粒径:7nm、比表面積:220m2/g)を鋳型として用いて多孔質炭素材料(2-1)を調製した。なお、本製造例では、メタンCVDを実施する際の条件を調節することにより、炭素被覆したアルミナナノ粒子における炭素担持量を平均16重量%とした。また、これに対応する炭素層の平均積層数は約1.0と見積もられた。
<Production Example 2-1: Preparation of porous carbon material (2-1)>
Using the same method as in Production Example 1-1 above, alumina nanoparticles (TM300 manufactured by Daimei Kagaku Kogyo Co., Ltd., crystal phase: γ-alumina, average particle size: 7 nm, specific surface area: 220 m 2 /g) were used as a template. A porous carbon material (2-1) was prepared. In this production example, the amount of carbon supported in the carbon-coated alumina nanoparticles was set to 16% by weight on average by adjusting the conditions when performing methane CVD. Moreover, the average number of stacked carbon layers corresponding to this was estimated to be about 1.0.
(多孔質炭素材料の各種物性の測定)
鋳型除去を行った後の多孔質炭素材料(2-1)のBET比表面積は、1700m2/gであった。また、ミクロ孔の細孔容積は0.7cm3/gであり、メソ孔の細孔容積は2.1cm3/gであり、全細孔容積は2.8cm3/gであった。さらに、XRD測定を行ったところ、図6と同様に、鋳型除去後には、アルミナに由来するピークが消失することが確認された(図10に示す「GMS」)。図10に示すように、炭素の(002)面に由来するピーク(2θ=25°付近)の強度は小さくブロードであり、炭素の(10)面に由来するピーク(2θ=44°付近)の半値幅は3.2°以下であった。そして、ラマン測定の結果、Gバンドのピーク強度(G)に対するG’バンドのピーク強度(G’)の比(G’/G)の値は0.6以上であることも確認された。
(Measurement of various physical properties of porous carbon material)
The BET specific surface area of the porous carbon material (2-1) after removing the template was 1700 m 2 /g. Further, the pore volume of the micropores was 0.7 cm 3 /g, the pore volume of the mesopores was 2.1 cm 3 /g, and the total pore volume was 2.8 cm 3 /g. Furthermore, when XRD measurement was performed, it was confirmed that the peak derived from alumina disappeared after the template was removed, as in FIG. 6 ("GMS" shown in FIG. 10). As shown in Figure 10, the intensity of the peak derived from the (002) plane of carbon (near 2θ = 25°) is small and broad, and the intensity of the peak derived from the (10) plane of carbon (near 2θ = 44°) is small and broad. The half width was 3.2° or less. As a result of Raman measurement, it was also confirmed that the ratio (G'/G) of the G' band peak intensity (G') to the G band peak intensity (G) was 0.6 or more.
<製造例2-2:多孔質炭素材料(2-2)の調製>
上述した製造例1-1と同様の手法により、アルミナナノ粒子(大明化学工業社製TM100、結晶相:θ-アルミナ、平均粒径:14nm、比表面積:120m2/g)を鋳型として用いて多孔質炭素材料(2-2)を調製した。なお、本製造例では、「(3)多孔質炭素材料の熱処理」の工程を実施しなかった。このため、本製造例において得られた多孔質炭素材料(2-2)は、カーボンメソスポンジ(CMS)である。また、本製造例では、メタンCVDを実施する際の条件を調節することにより、炭素被覆したアルミナナノ粒子における炭素担持量を平均13重量%とした。また、これに対応する炭素層の平均積層数は約1.5と見積もられた。
<Production Example 2-2: Preparation of porous carbon material (2-2)>
Using the same method as in Production Example 1-1 above, alumina nanoparticles (TM100 manufactured by Daimei Kagaku Kogyo Co., Ltd., crystal phase: θ-alumina, average particle size: 14 nm, specific surface area: 120 m 2 /g) were used as a template. A porous carbon material (2-2) was prepared. Note that in this production example, the step of "(3) Heat treatment of porous carbon material" was not performed. Therefore, the porous carbon material (2-2) obtained in this production example is carbon meso sponge (CMS). Furthermore, in this production example, the amount of carbon supported in the carbon-coated alumina nanoparticles was set to 13% by weight on average by adjusting the conditions when performing methane CVD. Moreover, the average number of stacked carbon layers corresponding to this was estimated to be about 1.5.
(多孔質炭素材料の各種物性の測定)
鋳型除去を行った後の多孔質炭素材料(2-2)のBET比表面積は、1500m2/gであった。また、ミクロ孔の細孔容積は2.4cm3/gであり、メソ孔の細孔容積は1.6cm3/gであり、全細孔容積は4.0cm3/gであった。さらに、XRD測定を行ったところ、図6と同様に、鋳型除去後には、アルミナに由来するピークが消失することが確認された(図10に示す「CMS」)。図10に示すように、炭素の(002)面に由来するピーク(2θ=25°付近)の強度は小さくブロードであり、炭素の(10)面に由来するピーク(2θ=44°付近)の半値幅は3.2°以下であった。そして、ラマン測定の結果、Gバンドのピーク強度(G)に対するG’バンドのピーク強度(G’)の比(G’/G)の値は0.6以上であることも確認された。
(Measurement of various physical properties of porous carbon material)
The BET specific surface area of the porous carbon material (2-2) after removing the template was 1500 m 2 /g. Further, the pore volume of micropores was 2.4 cm 3 /g, the pore volume of mesopores was 1.6 cm 3 /g, and the total pore volume was 4.0 cm 3 /g. Furthermore, when XRD measurement was performed, it was confirmed that the peak derived from alumina disappeared after the template was removed, as in FIG. 6 ("CMS" shown in FIG. 10). As shown in Figure 10, the intensity of the peak derived from the (002) plane of carbon (near 2θ = 25°) is small and broad, and the intensity of the peak derived from the (10) plane of carbon (near 2θ = 44°) is small and broad. The half width was 3.2° or less. As a result of Raman measurement, it was also confirmed that the ratio (G'/G) of the G' band peak intensity (G') to the G band peak intensity (G) was 0.6 or more.
<製造例2-3:多孔質炭素材料(2-3)の調製>
上述した製造例2-2と同様の手法により、アルミナナノ粒子(大明化学工業社製TM100、結晶相:θ-アルミナ、平均粒径:14nm、比表面積:120m2/g)を鋳型として用いて多孔質炭素材料(2-3)を調製した。このため、本製造例において得られた多孔質炭素材料(2-3)もまた、カーボンメソスポンジ(CMS)である。また、本製造例では、メタンCVDを実施する際の条件を調節することにより、炭素被覆したアルミナナノ粒子における炭素担持量を平均8.8重量%とした。また、これに対応する炭素層の平均積層数は約2.0と見積もられた。
<Production Example 2-3: Preparation of porous carbon material (2-3)>
Using the same method as in Production Example 2-2 above, alumina nanoparticles (TM100 manufactured by Daimei Kagaku Kogyo Co., Ltd., crystal phase: θ-alumina, average particle size: 14 nm, specific surface area: 120 m 2 /g) were used as a template. A porous carbon material (2-3) was prepared. Therefore, the porous carbon material (2-3) obtained in this production example is also a carbon meso sponge (CMS). In addition, in this production example, by adjusting the conditions when performing methane CVD, the amount of carbon supported on the carbon-coated alumina nanoparticles was set to 8.8% by weight on average. Moreover, the average number of stacked carbon layers corresponding to this was estimated to be about 2.0.
(多孔質炭素材料の各種物性の測定)
鋳型除去を行った後の多孔質炭素材料(2-3)のBET比表面積は、2300m2/gであった。また、ミクロ孔の細孔容積は0.8cm3/gであり、メソ孔の細孔容積は4.5cm3/gであり、全細孔容積は5.3cm3/gであった。さらに、XRD測定を行ったところ、図6と同様に、鋳型除去後には、アルミナに由来するピークが消失することが確認された。また、炭素の(002)面に由来するピーク(2θ=25°付近)の強度は小さくブロードであり、炭素の(10)面に由来するピーク(2θ=44°付近)の半値幅は3.2°以下であった。そして、ラマン測定の結果、Gバンドのピーク強度(G)に対するG’バンドのピーク強度(G’)の比(G’/G)の値は0.6以上であることも確認された。
(Measurement of various physical properties of porous carbon material)
The BET specific surface area of the porous carbon material (2-3) after removing the template was 2300 m 2 /g. Further, the pore volume of micropores was 0.8 cm 3 /g, the pore volume of mesopores was 4.5 cm 3 /g, and the total pore volume was 5.3 cm 3 /g. Furthermore, when XRD measurement was performed, it was confirmed that the peak derived from alumina disappeared after the template was removed, similar to FIG. 6. Furthermore, the intensity of the peak (around 2θ = 25°) originating from the (002) plane of carbon is small and broad, and the half-width of the peak (around 2θ = 44°) originating from the (10) plane of carbon is 3. It was less than 2°. As a result of Raman measurement, it was also confirmed that the ratio (G'/G) of the G' band peak intensity (G') to the G band peak intensity (G) was 0.6 or more.
[リチウムイオン二次電池の製造例]
<実施例1-1>
(硫黄活物質含有電極組成物(正極合剤)の調製)
固体電解質であるLi3PS4 40質量部と、正極活物質である硫黄単体(S)50質量部と、導電助剤である上記製造例1-1で得られた多孔質炭素材料(1-1)10質量部と、をグローブボックス内で秤量し、遊星ボールミル装置(フリッチュ・ジャパン製、P-6)のジルコニア製粉砕ポット(45mL)に投入した。そして、20300質量部のジルコニア製粉砕ボール(φ5mm)を投入し、その後280rpmで8時間、粉砕処理を実施して、硫黄活物質含有電極組成物(正極合剤)を調製した。得られた硫黄活物質含有電極組成物(正極合剤)中で正極活物質(硫黄単体)と導電助剤(多孔質炭素材料)と固体電解質とは複合粒子を形成しており、その平均粒径(平均二次粒子径)を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて測定したところ、15μmであった。
[Manufacturing example of lithium ion secondary battery]
<Example 1-1>
(Preparation of sulfur active material-containing electrode composition (positive electrode mixture))
40 parts by mass of Li 3 PS 4 as a solid electrolyte, 50 parts by mass of elemental sulfur (S) as a positive electrode active material, and the porous carbon material obtained in Production Example 1-1 (1-1) as a conductive agent. 1) 10 parts by mass was weighed in a glove box and placed in a zirconia grinding pot (45 mL) of a planetary ball mill (manufactured by Fritsch Japan, P-6). Then, 20,300 parts by mass of zirconia grinding balls (φ5 mm) were added, and the grinding process was then carried out at 280 rpm for 8 hours to prepare a sulfur active material-containing electrode composition (positive electrode mixture). In the obtained sulfur active material-containing electrode composition (positive electrode mixture), the positive electrode active material (sulfur alone), the conductive agent (porous carbon material), and the solid electrolyte form composite particles, and the average particle size of The diameter (average secondary particle diameter) was measured using a scanning electron microscope (SEM) and found to be 15 μm.
(電池の作製)
上記で作製した硫黄活物質含有電極組成物(正極合剤)と、対極であるLi-In電極とを対向させ、この間に固体電解質層を介在させることで、全固体リチウムイオン二次電池を作製した。
(Preparation of battery)
An all-solid-state lithium ion secondary battery was fabricated by making the sulfur active material-containing electrode composition (positive electrode mixture) prepared above face the Li-In electrode as a counter electrode, and interposing a solid electrolyte layer between them. did.
具体的には、固体電解質(アルジロダイト型硫化物固体電解質)を100mgで秤量し、PET管内に秤量した固体電解質を入れ、表面を平滑にならした上で、締結治具に580MPaで加圧し、固体電解質ペレットを作製した。作製された固体電解質ペレットの表面積は0.817cm2(ペレットの径φ=1.02cm)であった。また、電解質層の厚みを作製前後の厚み変化から計測したところ、600μmであった。 Specifically, 100 mg of solid electrolyte (argyrodite-type sulfide solid electrolyte) was weighed, the weighed solid electrolyte was put into a PET tube, the surface was smoothed, and a pressure of 580 MPa was applied to a fastening jig to remove the solid electrolyte. Electrolyte pellets were prepared. The surface area of the produced solid electrolyte pellet was 0.817 cm 2 (pellet diameter φ=1.02 cm). Further, the thickness of the electrolyte layer was measured from the change in thickness before and after fabrication, and was found to be 600 μm.
その後、締結治具を抜き、ペレット両面に正極合剤および対極Li-In電極をそれぞれ配置して全固体電池評価セル(宝泉株式会社製)にて100MPaで締結を行うことにより、全固体リチウムイオン二次電池を作製した。なお、正極合剤の目付量は9.6mg/cm2とした。また、負極に用いたLi-In電極はLi金属箔(直径8mm、厚さ200μm、本城金属株式会社製)とIn金属箔(直径9mm、厚さ300μm、ニラコ株式会社製)との積層体であり、In金属箔が固体電解質層側に位置するようにLi-In電極を配置して用いた。 After that, the fastening jig was removed, a positive electrode mixture and a counter Li-In electrode were placed on both sides of the pellet, and the fastening was performed at 100 MPa using an all-solid battery evaluation cell (manufactured by Hosen Co., Ltd.). An ion secondary battery was created. Note that the basis weight of the positive electrode mixture was 9.6 mg/cm 2 . The Li-In electrode used as the negative electrode is a laminate of Li metal foil (diameter 8 mm, thickness 200 μm, manufactured by Honjo Metal Co., Ltd.) and In metal foil (diameter 9 mm, thickness 300 μm, manufactured by Nilaco Co., Ltd.). The Li--In electrode was arranged so that the In metal foil was located on the solid electrolyte layer side.
<実施例1-2>
硫黄活物質含有電極組成物(正極合剤)に含まれる導電助剤として、多孔質炭素材料(1-1)に代えて上記製造例1-2で得られた多孔質炭素材料(1-2)10質量部を用いたこと以外は、上述した実施例1-1と同様の手法により、全固体リチウムイオン二次電池を作製した。
<Example 1-2>
As a conductive agent contained in the sulfur active material-containing electrode composition (positive electrode mixture), the porous carbon material (1-2) obtained in Production Example 1-2 above was used instead of the porous carbon material (1-1). ) An all-solid lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1-1 above, except that 10 parts by mass was used.
<比較例1-1>
硫黄活物質含有電極組成物(正極合剤)に含まれる導電助剤として、多孔質炭素材料(1-1)に代えてケッチェンブラック(登録商標)(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製、EC600JD)10質量部を用いたこと以外は、上述した実施例1-1と同様の手法により、全固体リチウムイオン二次電池を作製した。
<Comparative example 1-1>
As a conductive additive contained in the sulfur active material-containing electrode composition (positive electrode mixture), Ketjenblack (registered trademark) (manufactured by Lion Specialty Chemicals Co., Ltd., EC600JD) was used instead of the porous carbon material (1-1). ) An all-solid lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1-1 above, except that 10 parts by mass was used.
<比較例1-2>
硫黄活物質含有電極組成物(正極合剤)に含まれる導電助剤として、多孔質炭素材料(1-1)に代えてアルカリ賦活活性炭(関西熱化学株式会社製、MSC-30)10質量部を用いたこと以外は、上述した実施例1-1と同様の手法により、全固体リチウムイオン二次電池を作製した。
<Comparative example 1-2>
As a conductive agent contained in the sulfur active material-containing electrode composition (positive electrode mixture), 10 parts by mass of alkali-activated activated carbon (manufactured by Kansai Thermal Chemical Co., Ltd., MSC-30) was used in place of the porous carbon material (1-1). An all-solid-state lithium ion secondary battery was produced by the same method as in Example 1-1 described above, except that the following was used.
[リチウムイオン二次電池の特性評価]
上記の各実施例および比較例において作製した各リチウムイオン二次電池について、以下の充放電試験条件に従って、レート特性の評価(異なるレートでの充電容量および放電容量の測定)を行った。
[Characteristics evaluation of lithium ion secondary battery]
For each lithium ion secondary battery produced in each of the above Examples and Comparative Examples, evaluation of rate characteristics (measurement of charge capacity and discharge capacity at different rates) was performed according to the following charge/discharge test conditions.
(充放電試験条件)
1)充放電試験機:HJ0501SM8A(北斗電工株式会社製)
2)充放電条件[充電過程]0.5V→2.5V(定電流・定電圧モード)
[放電過程]2.5V→0.5V(定電流・定電圧モード)
3)恒温槽:PFU-3K(エスペック株式会社製)
4)評価温度:300K(27℃)。
(Charge/discharge test conditions)
1) Charge/discharge tester: HJ0501SM8A (manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.)
2) Charge/discharge conditions [Charging process] 0.5V → 2.5V (constant current/constant voltage mode)
[Discharge process] 2.5V → 0.5V (constant current/constant voltage mode)
3) Constant temperature chamber: PFU-3K (manufactured by ESPEC Co., Ltd.)
4) Evaluation temperature: 300K (27°C).
評価用セルは、充放電試験機を使用して、上記評価温度に設定された恒温槽中にて、充電過程(評価用電極へのLi挿入過程をいう)では、定電流・定電圧モードとし、所定の定電流にて0.5Vから2.5Vまで充電した。その後、放電過程(評価用電極からのLi脱離過程をいう)では、定電流・定電圧モードとし、所定の定電流にて2.5Vから0.5Vまで放電した。この際、定電流で充放電を行う際のレートを、1/30C、1/20Cおよび1/12Cのそれぞれで行うことにより、レート特性の評価を行った。結果を下記の表2に示す。なお、表2に示す充電容量および放電容量の値は、各実施例または比較例におけるレート値が1/30Cのときの測定値(容量)を100とした場合の相対値である。 The evaluation cell was placed in a constant-temperature bath set at the above evaluation temperature using a charge/discharge tester, and set to constant current/constant voltage mode during the charging process (referring to the process of inserting Li into the evaluation electrode). , and charged from 0.5V to 2.5V at a predetermined constant current. Thereafter, in the discharge process (referring to the Li desorption process from the evaluation electrode), the constant current/constant voltage mode was used, and discharge was performed from 2.5 V to 0.5 V at a predetermined constant current. At this time, rate characteristics were evaluated by performing charging and discharging at constant current rates of 1/30C, 1/20C, and 1/12C, respectively. The results are shown in Table 2 below. Note that the values of charging capacity and discharging capacity shown in Table 2 are relative values when the measured value (capacity) when the rate value is 1/30C in each example or comparative example is set as 100.
表2に示す結果から、本発明に係る所定の物性を有する多孔質炭素材料を導電助剤として正極合剤に配合した実施例1-1および実施例1-2では、従来公知の他の炭素材料を導電助剤として用いた比較例1-1および比較例1-2と比べて、高レート条件下においても充放電容量が高い割合で維持された。すなわち、本発明によれば、硫黄を含む電極活物質を電池の正極活物質として用いた場合に、当該電池のレート特性をよりいっそう向上させることが可能となることが示された。なお、本発明に係る所定の物性を有する多孔質炭素材料は、高い比表面積を有するとともに優れた電子伝導性を有し、かつ、高い柔軟性(弾性)を備えたものである。このことから、充放電時における膨張収縮が大きく、しかも絶縁性である硫黄を含む活物質を含有する電極および電池において、優れた導電助剤として機能し、レート特性の向上に寄与しているものと考えられる。 From the results shown in Table 2, it can be seen that in Examples 1-1 and 1-2, in which the porous carbon material having predetermined physical properties according to the present invention was blended into the positive electrode mixture as a conductive additive, other conventionally known carbon Compared to Comparative Example 1-1 and Comparative Example 1-2 in which the material was used as a conductive aid, the charge/discharge capacity was maintained at a high rate even under high rate conditions. That is, according to the present invention, it has been shown that when an electrode active material containing sulfur is used as a positive electrode active material of a battery, it is possible to further improve the rate characteristics of the battery. Note that the porous carbon material having predetermined physical properties according to the present invention has a high specific surface area, excellent electronic conductivity, and high flexibility (elasticity). Therefore, it functions as an excellent conductive aid and contributes to improving rate characteristics in electrodes and batteries that contain active materials that expand and contract significantly during charging and discharging, and also contain insulating sulfur. it is conceivable that.
<実施例2-1>
(硫黄活物質含有電極組成物(正極合剤)の調製)
正極活物質である硫黄単体(S)50質量部と、導電助剤である上記製造例2-1で得られた多孔質炭素材料(2-1)10質量部と、をグローブボックス内で秤量し、耐圧・耐熱容器(オートクレーブ)に密閉した後、加熱炉で170度にて6時間保持することで硫黄-炭素複合体を得た。これに固体電解質であるLiPS4 40質量部を室温・グローブボックス内で添加し、遊星ボールミル装置(フリッチュ・ジャパン製、P-6)のジルコニア製粉砕ポット(45mL)に投入した。そして、20300質量部のジルコニア製粉砕ボール(φ5mm)を投入し、その後280rpmで8時間、粉砕処理を実施して、硫黄活物質含有電極組成物(正極合剤)を調製した。得られた硫黄活物質含有電極組成物(正極合剤)中で正極活物質(硫黄単体)と導電助剤(多孔質炭素材料)と固体電解質とは複合粒子を形成しており、その平均粒径(平均二次粒子径)を走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、15μmであった(図11下段)。なお、図11は、実施例2-1~実施例2-3で得られた複合粒子をSEMで観察した写真(倍率:1000倍、5000倍および20000倍)である。
<Example 2-1>
(Preparation of sulfur active material-containing electrode composition (positive electrode mixture))
50 parts by mass of elemental sulfur (S) as a positive electrode active material and 10 parts by mass of the porous carbon material (2-1) obtained in Production Example 2-1 above as a conductive aid were weighed in a glove box. After sealing the container in a pressure- and heat-resistant container (autoclave), the container was kept in a heating furnace at 170 degrees for 6 hours to obtain a sulfur-carbon composite. 40 parts by mass of LiPS 4 as a solid electrolyte was added thereto at room temperature in a glove box, and the mixture was placed in a zirconia grinding pot (45 mL) of a planetary ball mill (manufactured by Fritsch Japan, P-6). Then, 20,300 parts by mass of zirconia grinding balls (φ5 mm) were added, and the grinding process was then carried out at 280 rpm for 8 hours to prepare a sulfur active material-containing electrode composition (positive electrode mixture). In the obtained sulfur active material-containing electrode composition (positive electrode mixture), the positive electrode active material (sulfur alone), the conductive agent (porous carbon material), and the solid electrolyte form composite particles, and the average particle size of When the diameter (average secondary particle diameter) was measured using a scanning electron microscope, it was 15 μm (lower row of FIG. 11). Note that FIG. 11 is a photograph (magnification: 1000 times, 5000 times, and 20000 times) of the composite particles obtained in Examples 2-1 to 2-3 observed by SEM.
(電池の作製)
上記で作製した硫黄活物質含有電極組成物(正極合剤)を用い、締結治具の加圧力を580MPaから400MPaに変更したこと以外は、上述した実施例1-1と同様の手法により、全固体リチウムイオン二次電池を作製した。
(Preparation of battery)
The sulfur active material-containing electrode composition (positive electrode mixture) prepared above was used, and the entire process was carried out in the same manner as in Example 1-1 above, except that the pressure force of the fastening jig was changed from 580 MPa to 400 MPa. A solid lithium ion secondary battery was fabricated.
<実施例2-2>
多孔質炭素材料(2-1)に代えて、上記製造例(2-2)で得られた多孔質炭素材料(2-2)を用いたこと以外は、上述した実施例2-1と同様の手法により、全固体リチウムイオン二次電池を作製した。なお、本実施例において得られた硫黄活物質含有電極組成物(正極合剤)中で正極活物質(硫黄単体)と導電助剤(多孔質炭素材料)と固体電解質とは複合粒子を形成しており、その平均粒径(平均二次粒子径)を走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、15μmであった(図11中段)。
<Example 2-2>
Same as Example 2-1 above, except that porous carbon material (2-2) obtained in Production Example (2-2) above was used instead of porous carbon material (2-1). An all-solid-state lithium-ion secondary battery was fabricated using this method. In addition, in the sulfur active material-containing electrode composition (positive electrode mixture) obtained in this example, the positive electrode active material (sulfur alone), the conductive agent (porous carbon material), and the solid electrolyte formed composite particles. When the average particle size (average secondary particle size) was measured using a scanning electron microscope, it was found to be 15 μm (middle row of FIG. 11).
<実施例2-3>
多孔質炭素材料(2-1)に代えて、上記製造例(2-3)で得られた多孔質炭素材料(2-3)を用いたこと以外は、上述した実施例2-1と同様の手法により、全固体リチウムイオン二次電池を作製した。なお、本実施例において得られた硫黄活物質含有電極組成物(正極合剤)中で正極活物質(硫黄単体)と導電助剤(多孔質炭素材料)と固体電解質とは複合粒子を形成しており、その平均粒径(平均二次粒子径)を走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、15μmであった(図11上段)。
<Example 2-3>
Same as Example 2-1 above, except that porous carbon material (2-3) obtained in Production Example (2-3) above was used instead of porous carbon material (2-1). An all-solid-state lithium-ion secondary battery was fabricated using this method. In addition, in the sulfur active material-containing electrode composition (positive electrode mixture) obtained in this example, the positive electrode active material (sulfur alone), the conductive agent (porous carbon material), and the solid electrolyte formed composite particles. When the average particle size (average secondary particle size) was measured using a scanning electron microscope, it was found to be 15 μm (upper row of FIG. 11).
<比較例2-1>
多孔質炭素材料(2-1)に代えて、アルカリ賦活活性炭(関西熱化学株式会社製、MSC-30)を用いたこと以外は、上述した実施例2-1と同様の手法により、全固体リチウムイオン二次電池を作製した。
<Comparative example 2-1>
All solids were prepared by the same method as in Example 2-1 described above, except that alkali-activated activated carbon (manufactured by Kansai Thermal Chemical Co., Ltd., MSC-30) was used in place of the porous carbon material (2-1). A lithium ion secondary battery was manufactured.
[リチウムイオン二次電池の特性評価]
上記の各実施例および比較例において作製した各リチウムイオン二次電池について、上述したのと同様の充放電試験条件に従って、レート特性の評価(異なるレートでの充電容量の測定)を行った。この際、評価温度を300K(27℃)から353K(80℃)に変更した。また、定電流で充放電を行う際のレートを、0.2C、0.5C、1Cおよび2Cのそれぞれで行うことにより、レート特性の評価を行った。結果を下記の表3に示す。なお、表3に示す充電容量の値は、各実施例または比較例におけるレート値が0.2Cのときの測定値(容量)を100とした場合の相対値である。
[Characteristics evaluation of lithium ion secondary battery]
Regarding each lithium ion secondary battery produced in each of the above-mentioned Examples and Comparative Examples, evaluation of rate characteristics (measurement of charging capacity at different rates) was performed according to the same charging/discharging test conditions as described above. At this time, the evaluation temperature was changed from 300K (27°C) to 353K (80°C). In addition, rate characteristics were evaluated by performing charging and discharging at constant current rates of 0.2C, 0.5C, 1C, and 2C, respectively. The results are shown in Table 3 below. Note that the charging capacity values shown in Table 3 are relative values when the measured value (capacity) when the rate value is 0.2 C in each example or comparative example is set to 100.
表3に示す結果から、本発明に係る所定の物性を有する多孔質炭素材料を導電助剤として正極合剤に配合した実施例2-1~実施例2-3では、従来公知の他の炭素材料を導電助剤として用いた比較例2-1と比べて、高レート条件下においても充電容量が高い割合で維持された。すなわち、本発明によれば、硫黄を含む電極活物質を電池の正極活物質として用いた場合に、当該電池のレート特性をよりいっそう向上させることが可能となることが示された。なお、本発明に係る所定の物性を有する多孔質炭素材料は、高い比表面積を有するとともに優れた電子伝導性を有し、かつ、高い柔軟性(弾性)を備えたものである。このことから、充放電時における膨張収縮が大きく、しかも絶縁性である硫黄を含む活物質を含有する電極および電池において、優れた導電助剤として機能し、レート特性の向上に寄与しているものと考えられる。 From the results shown in Table 3, it can be seen that in Examples 2-1 to 2-3, in which the porous carbon material having predetermined physical properties according to the present invention was blended into the positive electrode mixture as a conductive additive, other conventionally known carbon Compared to Comparative Example 2-1 in which the material was used as a conductive aid, the charging capacity was maintained at a high rate even under high rate conditions. That is, according to the present invention, it has been shown that when an electrode active material containing sulfur is used as a positive electrode active material of a battery, it is possible to further improve the rate characteristics of the battery. Note that the porous carbon material having predetermined physical properties according to the present invention has a high specific surface area, excellent electronic conductivity, and high flexibility (elasticity). Therefore, it functions as an excellent conductive aid and contributes to improving rate characteristics in electrodes and batteries that contain active materials that expand and contract significantly during charging and discharging, and also contain insulating sulfur. it is conceivable that.
1 アルミナ鋳型炭素材料、
2 アルミナナノ粒子、
3 炭素層、
4 炭素被覆アルミナナノ粒子、
7 メソ孔、
10、50 双極型二次電池、
11 集電体、
11a 正極側の最外層集電体、
11b 負極側の最外層集電体、
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
23 双極型電極、
25 正極集電板(正極タブ)、
27 負極集電板(負極タブ)、
29、52 ラミネートフィルム、
58 正極タブ、
59 負極タブ。
1 Alumina mold carbon material,
2 Alumina nanoparticles,
3 carbon layer,
4 carbon-coated alumina nanoparticles,
7 mesopores,
10, 50 bipolar secondary battery,
11 current collector,
11a outermost layer current collector on the positive electrode side,
11b outermost layer current collector on the negative electrode side,
13 positive electrode active material layer,
15 negative electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21, 57 Power generation element,
23 Bipolar electrode,
25 Positive electrode current collector plate (positive electrode tab),
27 Negative electrode current collector plate (negative electrode tab),
29, 52 laminate film,
58 Positive electrode tab,
59 Negative electrode tab.
Claims (12)
X線回折スペクトルにおいて、炭素の(002)面に由来するピークが観測されないか、または、炭素の(002)面に由来するピークの半値幅が5°以上であり、炭素の(10)面に由来するピークの半値幅が3.2°以下であるカーボンメソスポンジを含む導電助剤と、
を含む、硫黄活物質含有電極組成物。 an electrode active material containing sulfur;
In the X-ray diffraction spectrum, either no peak originating from the (002) plane of carbon is observed, or the half-width of the peak originating from the (002) plane of carbon is 5° or more, and the peak originating from the (10) plane of carbon is not observed. A conductive aid containing a carbon meso-sponge whose half width of the derived peak is 3.2° or less;
A sulfur active material-containing electrode composition.
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