JP7328865B2 - Porous carbon material, method for producing porous carbon material, composite, method for producing composite, positive electrode for lithium-sulfur battery, and lithium-sulfur battery - Google Patents
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Description
本発明は、多孔質炭素材料、多孔質炭素材料の製造方法、複合体、複合体の製造方法、リチウム硫黄電池用の正極、及びリチウム硫黄電池に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a porous carbon material, a method for producing a porous carbon material, a composite, a method for producing a composite, a positive electrode for a lithium-sulfur battery, and a lithium-sulfur battery.
活性炭に代表される多孔質炭素材料は、その吸着分離性能を利用して、液相での排水処理・脱色・精製や、気相での空気浄化・脱臭・ガス分離・溶剤回収等に使用されている。
また、多孔質炭素材料は、その多孔性を利用して、触媒担体としての用途、又は電気二重層キャパシタの活物質としての用途にも使用されている。
Porous carbon materials, typified by activated carbon, are used for wastewater treatment, decolorization, and purification in the liquid phase, and air purification, deodorization, gas separation, and solvent recovery in the gas phase, using their adsorption and separation performance. ing.
Porous carbon materials are also used as catalyst carriers or as active materials for electric double layer capacitors by utilizing their porosity.
一方、リチウム二次電池は、非水電解質としてリチウム塩の有機電解液を用いており、軽量でエネルギー密度が高く、携帯電話又はノートパソコンの電源として利用されており、今後はハイブリッド車に代表される電動自動車等の移動体用の電源としての利用も期待されている。
そのため、近年では、容量密度がより高く、しかも低コストである電池に対する要求がますます高まっている。
Lithium secondary batteries, on the other hand, use organic electrolytes of lithium salts as non-aqueous electrolytes, are lightweight and have high energy density, and are used as power sources for mobile phones and laptop computers. It is also expected to be used as a power source for mobile vehicles such as electric vehicles.
Therefore, in recent years, there has been an increasing demand for batteries with higher capacity densities and lower costs.
一般に、リチウムイオン二次電池の正極活物質としては、Co、Ni、Mn、Fe等とLiとを含む金属酸化物が用いられているが、近年、これらの正極活物質に代えて、理論的な容量密度が極めて高く、しかも低コストである硫黄を正極活物質に用いるリチウム硫黄電池の開発が行われている。 Metal oxides containing Co, Ni, Mn, Fe, etc. and Li are generally used as positive electrode active materials for lithium ion secondary batteries. Lithium-sulfur batteries using sulfur as a positive electrode active material, which has an extremely high capacity density and is low in cost, are being developed.
リチウム硫黄電池は、硫黄系化合物を正極活物質として用い、リチウムのようなアルカリ金属又はリチウムイオン等の金属イオンの挿入脱離が起こる物質、例えばシリコンを負極活物質として用いる二次電池である。
硫黄の酸化還元反応は可逆的であり、反応電子数が多いことから、1672mAh/gという金属酸化物正極の約10倍の高い理論容量を持っている。
A lithium-sulfur battery is a secondary battery that uses a sulfur-based compound as a positive electrode active material, and a material that causes insertion and extraction of metal ions such as alkali metals such as lithium or lithium ions, such as silicon, as a negative electrode active material.
Since the redox reaction of sulfur is reversible and the number of reactive electrons is large, it has a high theoretical capacity of 1672 mAh/g, which is about 10 times that of the metal oxide positive electrode.
しかしながら、リチウムと硫黄から成る正極活物質には、下記の問題点が存在する。
まず、リチウムと硫黄から成る正極活物質は、電気伝導性に乏しいため、表面に近い部分のみでしか電子の授受を行えず、電気化学的酸化還元反応に関与する硫黄の利用率が低くなるため、電池容量が低くなってしまうという問題点を有している。
また、充放電中の反応によって、式Li2Sx(式中、xは4~8)で表されるリチウムポリスルフィドが電解液へ溶出してしまい、正極上に存在する硫黄を損失してしまう原因となり、これに伴い、リチウム硫黄電池の容量が低下する、という問題点を有している。かかるリチウム硫黄電池の容量低下を防ぐためには、Li2Sxの溶出を止めることが望ましい。
However, the positive electrode active material composed of lithium and sulfur has the following problems.
First, since the positive electrode active material composed of lithium and sulfur has poor electrical conductivity, electrons can only be given and received at the part near the surface, and the utilization rate of sulfur involved in the electrochemical redox reaction is low. However, there is a problem that the battery capacity becomes low.
In addition, due to the reaction during charging and discharging, the lithium polysulfide represented by the formula Li 2 S x (where x is 4 to 8) is eluted into the electrolytic solution, resulting in loss of sulfur present on the positive electrode. As a result, there is a problem that the capacity of the lithium-sulfur battery decreases. In order to prevent such a decrease in the capacity of the lithium-sulfur battery, it is desirable to stop the elution of Li2Sx .
上述した問題点を解決する技術として、導電性材料である炭素材料と硫黄とを複合化する技術が提案されている。
前記導電性材料としては、炭素材料以外に導電性高分子も知られているが、炭素材料は、導電性高分子と比較して高い導電性を有すること、構造安定性に優れること、及び難燃性であることから、注目されている。
As a technique for solving the above-described problems, a technique for compounding a carbon material, which is a conductive material, and sulfur has been proposed.
As the conductive material, conductive polymers are also known in addition to carbon materials. It is attracting attention because it is flammable.
炭素材料と硫黄を複合化した複合体を得、これを正極材料とする技術としては、例えば、粒子径75μm以下の硫黄及び/又は硫黄化合物の粒子、並びに、中空構造を有する所定の炭素微粒子を原料とし、これらをメカノフュージョンにより複合化して形成された、硫黄及び/又は硫黄化合物の粒子を核とし、かつその表面に炭素微粒子層を有する構成の複合体を得、これを正極材料として用いる技術が開示されている(例えば、特許文献1、2参照)。 As a technique for obtaining a composite of a carbon material and sulfur and using it as a positive electrode material, for example, sulfur and/or sulfur compound particles having a particle diameter of 75 μm or less and predetermined carbon fine particles having a hollow structure are used. A technology for obtaining a composite having a configuration in which particles of sulfur and/or sulfur compounds are used as raw materials and composited by mechanofusion, and having a carbon fine particle layer on the surface thereof, and the composite is used as a positive electrode material. is disclosed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
また、チオ硫酸ナトリウムを水に溶解させ、無水酢酸を添加し水溶液とし、カーボンブラックを添加して混合し、水溶液のままメカノケミカル法で混合し、遠心分離と濾過で上澄みを除去し、濾残をカーボンブラック-硫黄ナノ粒子複合体として得、当該複合体を、リチウム硫黄電池の正極材料として用いる技術が開示されている(例えば、特許文献3参照)。
かかる技術は、強力なずり応力及び遠心力を加えることで反応させて、炭素材料と硫黄を複合化し、複合体を得る技術である。
Also, sodium thiosulfate is dissolved in water, acetic anhydride is added to make an aqueous solution, carbon black is added and mixed, the aqueous solution is mixed by a mechanochemical method, the supernatant is removed by centrifugation and filtration, and the filter residue is removed. is obtained as a carbon black-sulfur nanoparticle composite, and the composite is disclosed as a positive electrode material for lithium-sulfur batteries (see, for example, Patent Document 3).
Such a technique is a technique for obtaining a composite by reacting by applying strong shear stress and centrifugal force to combine a carbon material and sulfur.
さらに、硫黄と活性炭を155℃で5時間加熱することによって、硫黄を31%含む活性炭から成る複合材料を作製する技術が開示されている(例えば、非特許文献1参照)。 Further, a technique for producing a composite material composed of activated carbon containing 31% sulfur by heating sulfur and activated carbon at 155° C. for 5 hours has been disclosed (see, for example, Non-Patent Document 1).
さらにまた、窒素含有炭素材料を薬品賦活して、窒素含有の多孔質炭素材料を炭素材料として用い、硫黄と複合化する技術が開示されている(例えば、特許文献4参照)。 Furthermore, a technique of chemically activating a nitrogen-containing carbon material, using a nitrogen-containing porous carbon material as the carbon material, and combining it with sulfur has been disclosed (see, for example, Patent Document 4).
上記特許文献4では、窒素含有の多孔質炭素材料を用いて得られた「炭素材料と硫黄の複合材料」は、硫黄の担持量が54~62質量%と大きく、リチウム硫黄電池の正極活物質として用いた場合、硫黄質量当たりの容量、及び硫黄と炭素材料を含む正極材料当たりの容量が大きく、かつサイクル特性に優れている、という利点を有している。 In the above Patent Document 4, the "composite material of carbon material and sulfur" obtained by using a nitrogen-containing porous carbon material has a large sulfur loading of 54 to 62% by mass, and is a positive electrode active material for a lithium-sulfur battery. When used as a catalyst, it has the advantages of a large capacity per sulfur mass and a large capacity per positive electrode material containing sulfur and a carbon material, and excellent cycle characteristics.
しかしながら、特許文献1及び2に記載の、メカノフュージョンにより複合化して形成した硫黄及び/又は硫黄化合物の粒子を核とし、表面に炭素微粒子層を有する構成の複合体を正極材料として用いたリチウム硫黄電池は、硫黄のほとんどが、炭素材料の外表面に堆積するか、又は遊離の硫黄として存在するために、硫黄の利用率が低く、硫黄質量当たりの容量が小さい、という問題点を有しており、さらには硫黄が溶出するためにサイクル特性が著しく低いという問題点を有している。 However, as described in Patent Documents 1 and 2, lithium sulfur using as a positive electrode material a composite having a configuration in which particles of sulfur and/or sulfur compounds formed by combining by mechanofusion are used as nuclei and a carbon fine particle layer is formed on the surface. Batteries suffer from low sulfur utilization and low capacity per mass of sulfur because most of the sulfur is either deposited on the outer surface of the carbon material or exists as free sulfur. Furthermore, there is a problem that the cycle characteristics are remarkably low due to elution of sulfur.
また、特許文献3に記載されている技術は、硫黄質量当たりの容量が小さく、また、硫黄含有量が22.9質量%と低いため、硫黄と炭素材料を含む正極材料の質量当たりの容量が小さい、という問題点を有している。また、特許文献3に記載されている技術によって得られた複合体を正極材料として含むリチウム硫黄電池のサイクル特性も実用上不十分である、という問題点を有している(特許文献3の図10参照)。 In addition, the technology described in Patent Document 3 has a small capacity per mass of sulfur and a low sulfur content of 22.9% by mass, so the capacity per mass of the positive electrode material containing sulfur and a carbon material is low. It has the problem of being small. In addition, there is a problem that the cycle characteristics of lithium-sulfur batteries containing the composite obtained by the technology described in Patent Document 3 as a positive electrode material are also insufficient for practical use (Fig. 10).
さらに非特許文献1に記載されている正極材料を用いたリチウム硫黄電池は、硫黄質量当たりの容量は比較的大きいが、硫黄含有量が31質量%であるため、硫黄と炭素材料を含む正極材料の質量当たりの容量が低いという問題点を有している。また、非特許文献1に記載の正極材料の製造方法は複雑である、という問題点も有している。 Furthermore, the lithium-sulfur battery using the positive electrode material described in Non-Patent Document 1 has a relatively large capacity per sulfur mass, but the sulfur content is 31% by mass, so the positive electrode material containing sulfur and a carbon material. However, it has a problem of low capacity per mass. In addition, there is also the problem that the manufacturing method of the positive electrode material described in Non-Patent Document 1 is complicated.
さらにまた、特許文献4に記載されている技術により得られる複合体は、特許文献1~3や非特許文献1に記載されている技術により得られる複合体に比べて、硫黄の担持量が大きく、これをリチウム硫黄電池の正極活物質として用いた場合、硫黄質量当たりの容量、及び硫黄と炭素材料を含む正極材料当たりの容量が大きい。また、テトラグライム(G4)溶媒を電解液に用いたサイクル特性は優れている、という利点を有している。
しかしながら、サイクル特性は不十分である、という問題点を有している。また汎用的に用いられる溶媒であるカーボネート溶媒を用いたサイクル特性は開示されていない。
Furthermore, the composite obtained by the technique described in Patent Document 4 has a larger amount of sulfur supported than the composite obtained by the technique described in Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Document 1. When this is used as the positive electrode active material of a lithium-sulfur battery, the capacity per mass of sulfur and the capacity per positive electrode material containing sulfur and carbon materials are large. In addition, it has the advantage of excellent cycle characteristics using a tetraglyme (G4) solvent as the electrolyte.
However, it has a problem of insufficient cycle characteristics. Moreover, there is no disclosure of cycle characteristics using a carbonate solvent, which is a commonly used solvent.
そこで本発明においては、上述した従来技術の問題点に鑑み、硫黄質量当たりの放電容量、硫黄と炭素材料を含む正極材料当たりの放電容量が大きく、優れたサイクル特性を有する正極材料としての多孔質炭素材料、当該多孔質炭素材料と硫黄との複合体、当該複合体を用いたリチウム硫黄電池用の正極、及び当該正極を用いたリチウム硫黄電池を提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, in view of the above-described problems of the conventional technology, a porous positive electrode material having a large discharge capacity per sulfur mass, a large discharge capacity per positive electrode material containing sulfur and a carbon material, and excellent cycle characteristics An object is to provide a carbon material, a composite of the porous carbon material and sulfur, a positive electrode for a lithium-sulfur battery using the composite, and a lithium-sulfur battery using the positive electrode.
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を行った結果、特定の窒素含有量を有し、かつ特定の構造を有する多孔質炭素材料により上述した従来技術の問題点を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、下記のとおりである。
The inventors of the present invention have made intensive studies to achieve the above object, and as a result, have found that a porous carbon material having a specific nitrogen content and a specific structure can solve the above-described problems of the prior art. and completed the present invention.
That is, the present invention is as follows.
〔1〕
窒素含有量が0.2~2.0質量%であり、
窒素吸脱着法のBET法で得られる比表面積が1000~1800m2/gであり、
窒素吸脱着法の急冷固相密度関数法(QSDFT)により得られる細孔容積が0.50
~0.80cm3/gであり、
波数800~1900cm
-1
のレーザーラマンスペクトル図において、
1250~1385cm
-1
の間にピークP1を有し、
1550~1620cm
-1
の間にピークP2を有し、
前記P1とP2の間の、最小点Mのベースラインからの高さLと、P1のベースライン
からの高さH1の比(L/H1)が0.25~0.54である、
多孔質炭素材料。
〔2〕
前記〔1〕に記載の多孔質炭素材料の製造方法であって、
窒素含有炭素材料を薬品賦活する工程と、
前記薬品賦活後に、不活性ガス中で熱処理する工程を有する、
多孔質炭素材料の製造方法。
〔3〕
前記不活性ガス中での熱処理の温度が、900℃以上である、前記〔2〕に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
〔4〕
前記薬品賦活する工程における窒素含有量の減少率が、
下記式(I):
窒素含有量の減少率(質量%)=((B-A)/B)×100 (I)
(式(I)において、Aは前記薬品賦活する工程後の多孔質炭素材料中のXPSで測定される窒素含有量(質量%)であり、Bは前記窒素含有炭素材料中のXPSで測定される窒素含有量(質量%)である。)において、
70~99質量%である、前記〔2〕又は〔3〕に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
〔5〕
前記窒素含有炭素材料中の窒素含有量が2~45質量%である、前記〔2〕乃至〔4〕のいずれか一に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
〔6〕
薬品賦活がアルカリ賦活である、前記〔2〕乃至〔5〕のいずれか一に記載の多孔質炭素材料の製造方法。
〔7〕
前記〔1〕に記載の多孔質炭素材料と硫黄との複合体。
〔8〕
硫黄含有量が40~70質量%である、前記〔7〕に記載の複合体。
〔9〕
前記〔7〕又は〔8〕に記載の複合体の製造方法であって、
前記多孔質炭素材料と、融点以上の温度に加熱した硫黄とを混合する混合工程を有する、
複合体の製造方法。
〔10〕
前記〔7〕又は〔8〕に記載の複合体を含有するリチウム硫黄電池用の正極。
〔11〕
前記〔10〕に記載の正極を具備するリチウム硫黄電池。
[1]
The nitrogen content is 0.2 to 2.0% by mass,
The specific surface area obtained by the BET method of nitrogen adsorption and desorption is 1000 to 1800 m 2 /g,
The pore volume obtained by the quenching solid phase density function method (QSDFT) of the nitrogen adsorption and desorption method is 0.50
~0.80 cm 3 /g ,
In the laser Raman spectrum diagram with a wavenumber of 800 to 1900 cm -1 ,
having a peak P1 between 1250 and 1385 cm -1 ,
having a peak P2 between 1550 and 1620 cm -1 ;
The height L from the baseline of the minimum point M between the P1 and P2 and the baseline of P1
The ratio of the height H1 from the (L/H1) is 0.25 to 0.54,
Porous carbon material.
[2]
The method for producing a porous carbon material according to [1] above,
a step of chemically activating the nitrogen-containing carbon material;
Having a step of heat-treating in an inert gas after the chemical activation,
A method for producing a porous carbon material.
[3]
The method for producing a porous carbon material according to [2] above, wherein the temperature of the heat treatment in the inert gas is 900° C. or higher.
[4]
The reduction rate of the nitrogen content in the chemical activation step is
Formula (I) below:
Reduction rate of nitrogen content (mass%) = ((B-A) / B) × 100 (I)
(In formula (I), A is the nitrogen content (% by mass) measured by XPS in the porous carbon material after the chemical activation step , and B is the nitrogen content measured by XPS in the nitrogen-containing carbon material. is the nitrogen content (mass%) in
7. The method for producing a porous carbon material according to the above [2] or [3] , wherein the content is 0 to 99% by mass.
[5]
The method for producing a porous carbon material according to any one of [2] to [4] above, wherein the nitrogen content in the nitrogen-containing carbon material is 2 to 45% by mass.
[6]
The method for producing a porous carbon material according to any one of [2] to [5] above, wherein the chemical activation is alkali activation.
[7]
A composite of the porous carbon material according to [1] and sulfur.
[8]
The composite according to [7] above, wherein the sulfur content is 40 to 70% by mass.
[9]
The method for producing the composite according to [7] or [8] above,
A mixing step of mixing the porous carbon material and sulfur heated to a temperature equal to or higher than the melting point;
A method for manufacturing a composite.
[10]
A positive electrode for a lithium-sulfur battery containing the composite according to [7] or [8] .
[11]
A lithium-sulfur battery comprising the positive electrode according to [10] above.
本発明によれば、多孔質炭素材料と硫黄とを組み合わせた複合体を用いたリチウム硫黄電池用の正極を具備するリチウム硫黄電池において、硫黄質量当たりの放電容量が大きく、正極材料当たりの放電容量が大きく、かつ優れたサイクル特性が実現できる。
本発明によれば、上記特性を有するリチウム硫黄電池用の多孔質炭素材料、当該多孔質炭素材料と硫黄の複合体、当該複合体を用いたリチウム硫黄電池用の正極、及び当該正極を用いたリチウム硫黄電池が得られる。
According to the present invention, in a lithium-sulfur battery having a positive electrode for a lithium-sulfur battery using a composite of a porous carbon material and sulfur, the discharge capacity per sulfur mass is large, and the discharge capacity per positive electrode material is large and excellent cycle characteristics can be realized.
According to the present invention, a porous carbon material for a lithium-sulfur battery having the above characteristics, a composite of the porous carbon material and sulfur, a positive electrode for a lithium-sulfur battery using the composite, and using the positive electrode A lithium sulfur battery is obtained.
以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態(以下、単に「本実施形態」という。)について詳細に説明する。
本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明はその実施の形態のみに限定されるものではない。すなわち、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the form (only henceforth "this embodiment") for implementing this invention is demonstrated in detail, referring drawings as needed.
The present embodiment is an example for explaining the present invention, and the present invention is not limited only to the embodiment. That is, the present invention can be modified in various ways without departing from the scope of the invention.
〔(A)多孔質炭素材料〕
本実施形態の多孔質炭素材料は、
窒素含有量が0.2~2.0質量%であり、
窒素吸脱着法のBET法で得られる比表面積が1000~1800m2/gであり、
窒素吸脱着法の急冷固相密度関数法(QSDFT)により得られる細孔容積が0.50~0.80cm3/gである。
本実施形態の多孔質炭素材料が、上述の構成を有していることにより、当該多孔質炭素材料と硫黄とを組み合わせた複合体を用いたリチウム硫黄電池用の正極を具備するリチウム硫黄電池においては、硫黄質量当たりの放電容量が大きく、正極材料当たりの放電容量が大きく、かつ優れたサイクル特性が実現できる。
[(A) Porous carbon material]
The porous carbon material of this embodiment is
The nitrogen content is 0.2 to 2.0% by mass,
The specific surface area obtained by the BET method of nitrogen adsorption and desorption is 1000 to 1800 m 2 /g,
The pore volume obtained by the quenching solid phase density function method (QSDFT) of the nitrogen adsorption/desorption method is 0.50 to 0.80 cm 3 /g.
Since the porous carbon material of the present embodiment has the above-described configuration, a lithium-sulfur battery including a positive electrode for a lithium-sulfur battery using a composite in which the porous carbon material and sulfur are combined can realize a large discharge capacity per mass of sulfur, a large discharge capacity per positive electrode material, and excellent cycle characteristics.
(多孔質炭素材料の製造方法)
本実施形態の多孔質炭素材料の製造方法は、窒素含有炭素材料を薬品賦活する工程と、前記薬品賦活後に、不活性ガス中で熱処理する工程を有する。
窒素含有炭素材料とはCuKα線をX線源として得られるX線回折図(XRD)において、回折角(2θ)のピーク位置について、(002)面に由来する22.5~26.8°の位置にメインピークを有する材料であり、また43.0~46.0°の位置、通常は44.0~45.5°の位置に弱いピークが観察される。
例えば、有機化合物を原料にして600℃以上の熱履歴を与えることで、窒素含有炭素材料を得ることができる。
本実施形態において用いる窒素含有炭素材料は、炭素及び窒素以外に、酸素・水素等の他の原子も含んでもよい。
(Method for producing porous carbon material)
The method for producing a porous carbon material according to the present embodiment includes a step of chemically activating a nitrogen-containing carbon material, and a step of heat-treating in an inert gas after the chemical activation.
A nitrogen-containing carbon material is an X-ray diffraction pattern (XRD) obtained using CuKα rays as an X-ray source, and the peak position of the diffraction angle (2θ) is 22.5 to 26.8° derived from the (002) plane. The material has a main peak at 43.0-46.0°, and a weak peak is observed at 44.0-45.5°.
For example, a nitrogen-containing carbon material can be obtained by applying a heat history of 600° C. or higher using an organic compound as a raw material.
The nitrogen-containing carbon material used in this embodiment may contain other atoms such as oxygen and hydrogen in addition to carbon and nitrogen.
本発明者らは、窒素含有炭素材料を薬品賦活し、薬品賦活後に不活性ガス中で熱処理することによって、窒素含有量が0.2~2.0質量%であり、窒素吸脱着法のBET法で得られる比表面積が1000~1800m2/gであり、かつ窒素吸脱着法の急冷固相密度関数法(QSDFT)により得られる細孔容積が0.50~0.80cm3/g、である多孔質炭素材料が得られること、及び当該多孔質炭素材料と硫黄との複合体を、リチウム硫黄電池の正極材料として用いることにより、硫黄質量当たりの放電容量、硫黄と炭素材料を含む正極材料当たりの放電容量が大きく、かつ優れたサイクル特性を有することを見出した。
優れたサイクル特性を有するとは、100サイクル充放電したときの放電容量が大きいことである。
この理由は定かではないが、以下のように推測される。ただし、この推測により本発明は何ら限定されない。窒素含有炭素材料に対して薬品賦活及び熱処理を行うことによって細孔を形成すると、窒素部分が優先して除去されるため、ミクロ孔が優先して形成され、薬品賦活を行ったときに生じた可能性のある欠陥構造が、薬品賦活後の不活性ガス中で熱処理によって減少する。これらの効果がリチウム硫黄電池の正極材料として用いた場合に優れた効果を発現していると考えられる。
The present inventors have found that the nitrogen content is 0.2 to 2.0% by mass by chemically activating a nitrogen-containing carbon material and heat-treating it in an inert gas after chemical activation, and the nitrogen adsorption/desorption method BET The specific surface area obtained by the method is 1000 to 1800 m 2 /g, and the pore volume obtained by the quenching solid phase density function method (QSDFT) of the nitrogen adsorption and desorption method is 0.50 to 0.80 cm 3 /g. By obtaining a porous carbon material and using the composite of the porous carbon material and sulfur as a positive electrode material for a lithium-sulfur battery, the discharge capacity per mass of sulfur, the positive electrode material containing sulfur and the carbon material It was found that the discharge capacity per unit was large and that the battery had excellent cycle characteristics.
Having excellent cycle characteristics means having a large discharge capacity after 100 cycles of charging and discharging.
The reason for this is not clear, but is presumed as follows. However, the present invention is not limited by this presumption. When pores are formed by chemically activating and heat-treating a nitrogen-containing carbon material, the nitrogen portion is preferentially removed, so micropores are preferentially formed, resulting in the formation of micropores when the chemical activation is performed. Possible defect structures are reduced by heat treatment in inert gas after chemical activation. It is considered that these effects are excellent when used as a positive electrode material for a lithium-sulfur battery.
本明細書において、「細孔容積」の「細孔」とは、急冷固相密度関数法(QSDFT)により一義的に定まり、当該方法により得られる細孔分布図において、細孔径が2nm以下の細孔をミクロ孔といい、細孔径が2nm超50nm以下の細孔をメソ孔といい、細孔径が50nm超の細孔をマクロ孔というものとする。 In the present specification, the “pores” of “pore volume” are uniquely defined by the quenching solid phase density function method (QSDFT), and in the pore distribution diagram obtained by the method, the pore diameter is 2 nm or less. Pores are referred to as micropores, pores with a pore diameter of more than 2 nm and 50 nm or less are referred to as mesopores, and pores with a pore diameter of more than 50 nm are referred to as macropores.
薬品賦活と不活性ガス中での熱処理で得られる窒素含有炭素材料から多くの窒素原子が抜けたことにより生成した細孔を有する多孔質炭素材料と硫黄との複合体は、前記メソ孔が少ないため細孔内に充填された硫黄の電解液への溶出が抑制され、また、細孔に硫黄が充填されて、電子授受が可能な硫黄の量が増えることにより硫黄の利用率が上がり、容量が増大し、かつサイクル特性が向上する、という効果が得られる。 A composite of sulfur and a porous carbon material having pores generated by removing many nitrogen atoms from the nitrogen-containing carbon material obtained by chemical activation and heat treatment in an inert gas has few mesopores. Therefore, the elution of sulfur filled in the pores into the electrolyte is suppressed, and the pores are filled with sulfur, increasing the amount of sulfur that can transfer electrons, increasing the utilization rate of sulfur and increasing the capacity is increased and the cycle characteristics are improved.
<窒素含有炭素材料、及びその製造方法>
本実施形態の多孔質炭素材料の製造方法においては、上述のように、窒素含有炭素材料を薬品賦活する工程と、当該薬品賦活後に不活性ガス中で熱処理する工程を有する。
本実施形態において用いる窒素含有炭素材料とは、窒素を含む炭素材料である。
窒素含有炭素材料は、例えば、低分子の窒素含有有機化合物を原料として重合させ、得られたポリマーを炭化処理して製造する方法、低分子の窒素含有有機化合物を原料として化学気相蒸着(CVD)させて製造する方法、ポリマーに低分子の窒素含有有機化合物を含浸又は反応させた後に炭化処理して製造する方法、窒素を含む天然物を炭化処理して製造する方法、炭化物にアンモニア処理、アンモ酸化処理等の後処理を行うことによって製造する方法等によって得られる。
具体的には、ピロール、アセトニトリル、2,3,6,7-テトラシアノ-1,4,5,8-テトラアザナフタレン等の窒素含有有機化合物を化学気相蒸着させる方法、メラミン樹脂、尿素樹脂、アニリン樹脂、ポリアクリロニトリル、アズルミン酸、メレム(melem)重合体、ポリピロール、ポリイミド等、又はこれらを他のポリマーと混合して得られた前駆体を炭化させる方法、豆類等を炭化させる方法、活性炭等の炭素材料にアンモニアガスと酸素含有ガスを反応させる方法、等によって窒素含有炭素材料を製造することができる。
<Nitrogen-containing carbon material and method for producing the same>
As described above, the method for producing a porous carbon material according to the present embodiment includes a step of chemically activating the nitrogen-containing carbon material and a step of heat-treating in an inert gas after the chemical activation.
The nitrogen-containing carbon material used in this embodiment is a carbon material containing nitrogen.
Nitrogen-containing carbon materials can be produced, for example, by polymerizing a low-molecular-weight nitrogen-containing organic compound as a raw material and carbonizing the resulting polymer, or by chemical vapor deposition (CVD) using a low-molecular-weight nitrogen-containing organic compound as a raw material. ), a method of impregnating or reacting a low-molecular-weight nitrogen-containing organic compound with a polymer and then carbonizing it, a method of carbonizing a natural product containing nitrogen, ammonium treatment of the carbide, It is obtained by a method of manufacturing by performing post-treatment such as ammoxidation treatment.
Specifically, pyrrole, acetonitrile, chemical vapor deposition of nitrogen-containing organic compounds such as 2,3,6,7-tetracyano-1,4,5,8-tetraazanaphthalene, melamine resin, urea resin, Aniline resin, polyacrylonitrile, azulmic acid, melem polymer, polypyrrole, polyimide, etc., or a method of carbonizing precursors obtained by mixing these with other polymers, a method of carbonizing beans, etc., activated carbon, etc. The nitrogen-containing carbon material can be produced by, for example, a method of reacting the carbon material with ammonia gas and an oxygen-containing gas.
窒素含有炭素材料としては、窒素含有量の多い窒素含有炭素材料であることが好ましい。
窒素含有炭素材料中の窒素含有量は、CHN分析によって測定される。
本実施形態においては、窒素含有炭素材料の窒素含有量は、2~45質量%であることが好ましい。
窒素含有量の下限値は、3質量%以上がより好ましく、5質量%以上がさらに好ましく、10質量%以上がさらにより好ましい。
窒素含有量の上限値は、40質量%以下がより好ましく、35質量%以下がさらに好ましく、30質量%以下がさらにより好ましい。
窒素含有量が2質量%以上の窒素含有炭素材料を用いると、ミクロ孔が発達し易い。窒素含有量が45質量%以下の窒素含有炭素材料は炭素構造が発達し易い。
The nitrogen-containing carbon material is preferably a nitrogen-containing carbon material having a high nitrogen content.
The nitrogen content in the nitrogen-containing carbon material is measured by CHN analysis.
In this embodiment, the nitrogen content of the nitrogen-containing carbon material is preferably 2 to 45% by mass.
The lower limit of the nitrogen content is more preferably 3% by mass or more, even more preferably 5% by mass or more, and even more preferably 10% by mass or more.
The upper limit of the nitrogen content is more preferably 40% by mass or less, even more preferably 35% by mass or less, and even more preferably 30% by mass or less.
When a nitrogen-containing carbon material having a nitrogen content of 2% by mass or more is used, micropores tend to develop. A nitrogen-containing carbon material having a nitrogen content of 45% by mass or less tends to develop a carbon structure.
窒素含有炭素材料の窒素含有量は、原料として用いるポリマーの窒素含有量を適宜選択する方法により制御することができる。
例えば、窒素含有量の多い窒素含有炭素材料の製造する方法としては、窒素含有量の多いポリマーを炭化する方法を例示できる。
具体的には、アズルミン酸、メレム重合体、ポリアクリロニトリルを炭化して製造された窒素含有炭素材料等が挙げられ、好ましくはアズルミン酸を炭化して製造された窒素含有炭素材料である。
アズルミン酸とは青酸又は青酸オリゴマーを重合して得られるポリマーである。青酸オリゴマーとは青酸の2量体以上である。
ポリマーの炭化処理の条件は、例えば回転炉、トンネル炉、管状炉、ボックス炉、流動焼成炉等を用い、不活性ガス雰囲気下で加熱処理を施すことである。加熱処理の温度は、特に限定されないが、好ましくは600~1200℃、より好ましくは700~1000℃、さらに好ましくは750~900℃である。
上記不活性ガスとしては、以下のガスに限定されないが、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン等の不活性ガスが挙げられる。また、不活性ガス雰囲気が減圧下、つまり大気圧よりも低い圧力環境であってもよい。これらの中では、不活性ガスとして窒素ガスを用いることが好ましい。不活性ガス雰囲気は、不活性ガスが静止していても流通していてもよいが、流通しているのが好ましい。その不活性ガス中の酸素濃度は、5%以下が好ましく、1%以下がより好ましく、1000ppm以下が特に好ましい。
炭化処理の時間としては、好ましくは10秒間~100時間、より好ましくは5分間~10時間、さらに好ましくは15分間~5時間、さらにより好ましくは30分間~2時間である。
また、炭化処理の際の圧力は、不活性ガスを用いる場合、好ましくは0.01~5MPa、より好ましくは0.05~1MPa、さらに好ましくは0.08~0.3MPa、さらにより好ましくは0.09~0.15MPaである。
The nitrogen content of the nitrogen-containing carbon material can be controlled by appropriately selecting the nitrogen content of the polymer used as the raw material.
For example, as a method of producing a nitrogen-containing carbon material with a high nitrogen content, a method of carbonizing a polymer with a high nitrogen content can be exemplified.
Specific examples include nitrogen-containing carbon materials produced by carbonizing azulmic acid, melem polymers, and polyacrylonitrile, and nitrogen-containing carbon materials produced by carbonizing azulmic acid are preferred.
Azulmic acid is a polymer obtained by polymerizing hydrocyanic acid or hydrocyanic acid oligomers. A hydrocyanic acid oligomer is a dimer or higher of hydrocyanic acid.
Conditions for the carbonization treatment of the polymer are, for example, using a rotary furnace, a tunnel furnace, a tubular furnace, a box furnace, a fluidized bed furnace, etc., and performing a heat treatment in an inert gas atmosphere. The temperature of the heat treatment is not particularly limited, but is preferably 600 to 1200°C, more preferably 700 to 1000°C, still more preferably 750 to 900°C.
Examples of the inert gas include, but are not limited to the following gases, inert gases such as nitrogen, argon, helium, and neon. Also, the inert gas atmosphere may be under reduced pressure, that is, a pressure environment lower than the atmospheric pressure. Among these, it is preferable to use nitrogen gas as the inert gas. In the inert gas atmosphere, the inert gas may be stationary or may be circulating, but is preferably circulating. The oxygen concentration in the inert gas is preferably 5% or less, more preferably 1% or less, and particularly preferably 1000 ppm or less.
The carbonization time is preferably 10 seconds to 100 hours, more preferably 5 minutes to 10 hours, even more preferably 15 minutes to 5 hours, and even more preferably 30 minutes to 2 hours.
In addition, when using an inert gas, the pressure during carbonization is preferably 0.01 to 5 MPa, more preferably 0.05 to 1 MPa, still more preferably 0.08 to 0.3 MPa, and even more preferably 0. 0.09 to 0.15 MPa.
<窒素含有炭素材料を薬品賦活する工程>
次に、窒素含有炭素材料を薬品賦活する工程について説明する。
薬品賦活工程は、窒素含有炭素材料を薬品と混合して加熱処理することにより行われる。
薬品賦活に用いる薬品とは、25℃、大気圧において固体である薬品、及びその水和物、水溶液を指す。
薬品としては、以下に限定されるものではないが、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等のアルカリ金属水酸化物;炭酸カリウム、炭酸ナトリウム等のアルカリ金属炭酸塩;硫酸カリウム、硫酸ナトリウム等のアルカリ金属の硫酸塩;塩化亜鉛、塩化カルシウム、硫化カリウム、燐酸等であり、その水溶液又は水和物を挙げることができる。
これらの1種類を単独で用いてもよく、又は2種類以上を混合して使用してもよい。
<Step of Chemical Activation of Nitrogen-Containing Carbon Material>
Next, the step of chemically activating the nitrogen-containing carbon material will be described.
The chemical activation step is performed by mixing the nitrogen-containing carbon material with chemicals and heat-treating the mixture.
The chemicals used for chemical activation refer to chemicals that are solid at 25° C. and atmospheric pressure, their hydrates, and aqueous solutions.
Examples of chemicals include, but are not limited to, alkali metal hydroxides such as potassium hydroxide and sodium hydroxide; alkali metal carbonates such as potassium carbonate and sodium carbonate; Sulfates of alkali metals; zinc chloride, calcium chloride, potassium sulfide, phosphoric acid, etc. Examples thereof include aqueous solutions and hydrates thereof.
One of these may be used alone, or two or more may be mixed and used.
薬品賦活は、比表面積と細孔容積を所望の範囲に制御する観点から、好ましくは、アルカリ金属を含む薬品を用いたアルカリ賦活であり、具体的には水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム等による賦活である。 From the viewpoint of controlling the specific surface area and pore volume within the desired range, the chemical activation is preferably alkali activation using a chemical containing an alkali metal, specifically potassium hydroxide, sodium hydroxide, potassium carbonate. , activation with sodium carbonate and the like.
薬品賦活工程における、窒素含有炭素材料に対する薬品の使用量は、特に限定されないが、薬品/窒素含有炭素材料(質量比)は0.1~10が好ましい。
薬品/窒素含有炭素材料(質量比)の下限値は、0.3以上がより好ましく、0.5以上がさらに好ましい。
また、薬品/窒素含有炭素材料(質量比)の上限値は、5以下がより好ましく、3以下が特に好ましい。
薬品/窒素含有炭素材料(質量比)が0.1以上であると細孔の発達が十分に行われ、10以下であると過賦活を防止でき細孔壁の破壊を抑制できる。
In the chemical activation step, the amount of the chemical used relative to the nitrogen-containing carbon material is not particularly limited, but the chemical/nitrogen-containing carbon material (mass ratio) is preferably 0.1-10.
The lower limit of the chemical/nitrogen-containing carbon material (mass ratio) is more preferably 0.3 or more, and even more preferably 0.5 or more.
Further, the upper limit of the chemical/nitrogen-containing carbon material (mass ratio) is more preferably 5 or less, and particularly preferably 3 or less.
When the chemical/nitrogen-containing carbon material (mass ratio) is 0.1 or more, the pores develop sufficiently, and when it is 10 or less, over-activation can be prevented and breakage of the pore walls can be suppressed.
薬品賦活の雰囲気は、不活性ガス雰囲気が好ましい。不活性ガスとしては、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン等のガスが挙げられる。
薬品賦活処理は、特に限定されるものではないが、例えば、500~1100℃、より好ましくは600℃~1000℃、さらに好ましくは700℃~900℃の温度で行われる。
薬品賦活処理の温度が500℃以上であると、賦活の進行が十分なものとなり、1100℃以下であると、賦活の過度の進行を抑制でき、また賦活装置の腐食の発生を防止することができる。
薬品賦活処理の時間は、特に限定されるものではないが、10分~50時間が好ましく、より好ましくは30分~10時間、特に好ましくは1~5時間である。
薬品賦活処理の圧力は、通常、常圧であるが、加圧または減圧で行うことも可能である。
賦活炉としては、回転炉、トンネル炉、管状炉、ボックス炉、流動焼成炉等を用いることができる。
The atmosphere for chemical activation is preferably an inert gas atmosphere. Examples of inert gases include gases such as nitrogen, argon, helium, and neon.
The chemical activation treatment is not particularly limited, but is carried out at a temperature of, for example, 500-1100°C, more preferably 600-1000°C, still more preferably 700-900°C.
When the temperature of the chemical activation treatment is 500° C. or higher, the activation progresses sufficiently, and when it is 1100° C. or lower, excessive progress of activation can be suppressed and corrosion of the activation device can be prevented. can.
The chemical activation treatment time is not particularly limited, but is preferably 10 minutes to 50 hours, more preferably 30 minutes to 10 hours, and particularly preferably 1 to 5 hours.
The pressure of the chemical activation treatment is usually normal pressure, but pressurized or reduced pressure is also possible.
As the activation furnace, a rotary furnace, a tunnel furnace, a tubular furnace, a box furnace, a fluidized bed sintering furnace, or the like can be used.
薬品賦活終了後は、賦活した窒素含有炭素材料を水洗して、薬品賦活に用いた金属成分等を洗浄し、塩酸、硫酸、硝酸等で中和して、再度水洗して酸を洗浄する洗浄工程を設けることが好ましい。
洗浄工程を行った後に、洗浄された生成物を濾過等の固液分離処理を行い、乾燥処理を行う。
After the chemical activation is completed, the activated nitrogen-containing carbon material is washed with water to wash the metal components used in the chemical activation, neutralized with hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, etc., washed again with water to wash the acid. It is preferable to provide a step.
After the washing step, the washed product is subjected to solid-liquid separation treatment such as filtration, and then dried.
<薬品賦活後に熱処理する工程>
前記薬品賦活後に、不活性ガス中で熱処理することによって、本実施形態の多孔質炭素材料が得られる。
前記不活性ガスとしては、以下に限定されないが、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン等の不活性ガスが挙げられる。
また、不活性ガス雰囲気が減圧下、つまり大気圧よりも低い圧力環境であってもよい。これらの中では、不活性ガスとして窒素ガスを用いることが好ましい。
不活性ガス雰囲気は、不活性ガスが静止していても流通していてもよいが、流通していることが好ましい。
その不活性ガス中の酸素濃度は、5%以下が好ましく、1%以下がより好ましく、1000ppm以下がさらに好ましい。
<Process of heat treatment after chemical activation>
After the chemical activation, heat treatment is performed in an inert gas to obtain the porous carbon material of the present embodiment.
Examples of the inert gas include, but are not limited to, inert gases such as nitrogen, argon, helium, and neon.
Also, the inert gas atmosphere may be under reduced pressure, that is, a pressure environment lower than the atmospheric pressure. Among these, it is preferable to use nitrogen gas as the inert gas.
In the inert gas atmosphere, the inert gas may be stationary or circulating, but preferably circulating.
The oxygen concentration in the inert gas is preferably 5% or less, more preferably 1% or less, and even more preferably 1000 ppm or less.
前記熱処理の温度は、比表面積と細孔容積を所望の範囲に制御する観点から、900℃以上であることが好ましい。より好ましくは1000℃以上であり、さらに好ましくは1100℃以上であり、さらにより好ましくは1200℃以上であり、よりさらに好ましくは1300℃以上である。また1800℃以下が好ましく、1600℃以下がより好ましい。 The temperature of the heat treatment is preferably 900° C. or higher from the viewpoint of controlling the specific surface area and pore volume within desired ranges. It is more preferably 1000° C. or higher, still more preferably 1100° C. or higher, even more preferably 1200° C. or higher, and even more preferably 1300° C. or higher. Moreover, 1800 degrees C or less is preferable and 1600 degrees C or less is more preferable.
熱処理の時間としては、好ましくは10秒間~100時間、より好ましくは5分間~10時間、さらに好ましくは15分間~5時間、さらにより好ましくは30分間~2時間である。
また、熱処理の際の圧力は、不活性ガスを用いる場合、好ましくは0.01~5MPa、より好ましくは0.05~1MPa、さらに好ましくは0.08~0.3MPa、さらにより好ましくは0.09~0.15MPaである。
熱処理は、上述した賦活炉で行うことができる。
The heat treatment time is preferably 10 seconds to 100 hours, more preferably 5 minutes to 10 hours, even more preferably 15 minutes to 5 hours, still more preferably 30 minutes to 2 hours.
In addition, the pressure during the heat treatment is preferably 0.01 to 5 MPa, more preferably 0.05 to 1 MPa, still more preferably 0.08 to 0.3 MPa, and even more preferably 0.01 to 5 MPa when an inert gas is used. 09 to 0.15 MPa.
The heat treatment can be performed in the activation furnace described above.
薬品賦活工程における窒素含有量の減少率は、下記式(I)で定義される。
窒素含有量の減少率(質量%)=((B-A)/B)×100 (I)
(式(I)式において、Aは前記多孔質炭素材料中のXPSで測定される窒素含有量(質量%)であり、かつBは前記窒素含有炭素材料中のXPSで測定される窒素含有量(質量%)である。)
本実施形態では、窒素含有量の減少率は70~99質量%であることが好ましい。
窒素含有量の減少率の下限値は、75質量%以上がより好ましく、80質量%以上であることがさらに好ましい。
上限は98質量%以下がより好ましく、95質量%以下がさらに好ましい。
窒素含有量の減少率が70質量%以上であればミクロ孔が発達するので好ましい。
窒素含有量の減少率が99質量%以下であれば、比表面積と細孔容積を所望の範囲に制御する観点から好ましい。
賦活工程に要する時間が短いという観点と窒素を残留させるという観点から98質量%以下であることが好ましい。
The nitrogen content reduction rate in the chemical activation step is defined by the following formula (I).
Reduction rate of nitrogen content (mass%) = ((B-A) / B) × 100 (I)
(In formula (I), A is the nitrogen content (% by mass) measured by XPS in the porous carbon material, and B is the nitrogen content measured by XPS in the nitrogen-containing carbon material. (% by mass).)
In this embodiment, the nitrogen content reduction rate is preferably 70 to 99% by mass.
The lower limit of the reduction rate of the nitrogen content is more preferably 75% by mass or more, and even more preferably 80% by mass or more.
The upper limit is more preferably 98% by mass or less, and even more preferably 95% by mass or less.
If the rate of decrease in the nitrogen content is 70% by mass or more, micropores develop, which is preferable.
A nitrogen content reduction rate of 99% by mass or less is preferable from the viewpoint of controlling the specific surface area and the pore volume within the desired ranges.
From the viewpoint of shortening the time required for the activation step and of allowing nitrogen to remain, the content is preferably 98% by mass or less.
<多孔質炭素材料の物性>
本実施形態の多孔質炭素材料は、窒素含有量が0.2~2.0質量%、窒素吸脱着法のBET法で得られる比表面積が1000~1800m2/g、かつ窒素吸脱着法の急冷固相密度関数法(QSDFT)により得られる細孔容積が0.50~0.80cm3/g、である多孔質炭素材料である。
本実施形態の多孔質炭素材料の窒素含有量は、X線光電子分光分析(XPS)によって下記の条件で測定される。
[測定条件]
X線源:Mg管球(Mg‐Kα線)、管電圧:12kV、エミッション電流:50mA、分析面積:Φ600μm、取り込み領域:N1s、C1s、O1s Pass‐Energy:10eV
得られたスペクトルは、C1sのピーク位置でエネルギー補正を行う。
窒素含有量は、好ましくは0.3~1.7質量%であり、より好ましくは0.4~1.5質量%であり、さらに好ましくは0.5~1.0質量%である。
<Physical properties of porous carbon material>
The porous carbon material of the present embodiment has a nitrogen content of 0.2 to 2.0% by mass, a specific surface area obtained by the BET method of nitrogen adsorption and desorption of 1000 to 1800 m 2 /g, and a nitrogen adsorption and desorption method. It is a porous carbon material having a pore volume of 0.50 to 0.80 cm 3 /g obtained by a quenching solid phase density function method (QSDFT).
The nitrogen content of the porous carbon material of this embodiment is measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) under the following conditions.
[Measurement condition]
X-ray source: Mg tube (Mg-Kα ray), tube voltage: 12 kV, emission current: 50 mA, analysis area: Φ600 μm, capture area: N1s, C1s, O1s Pass-Energy: 10 eV
The obtained spectrum is energy-corrected at the peak position of C1s.
The nitrogen content is preferably 0.3 to 1.7 mass %, more preferably 0.4 to 1.5 mass %, still more preferably 0.5 to 1.0 mass %.
本実施形態の多孔質炭素材料は、窒素含有炭素材料の薬品賦活工程中に、窒素含有炭素材料から窒素原子を抜いて、窒素原子を特定の割合で残すことにより形成することができる。
理論に拘束されることを望まないが、窒素原子は、その不対電子効果によって、炭素原子と比較して、硫黄原子との親和性に優れるので、薬品賦活工程後に得られた多孔質炭素材料中の窒素含有量が0.2質量%以上に調整されていると、多孔質炭素材料と硫黄との複合体を形成するときに、硫黄を細孔中に効果的に担持することができると考えられる。
また窒素含有量が2.0質量%以下に調整されていると、前述のように、多くの窒素原子が抜けたことにより生成した細孔を有する多孔質炭素材料が得られると考えられる。そのためリチウム硫黄電池用の正極材料として好適であると考えられる。
The porous carbon material of the present embodiment can be formed by removing nitrogen atoms from the nitrogen-containing carbon material during the chemical activation step of the nitrogen-containing carbon material, leaving a specific proportion of nitrogen atoms.
Although not wishing to be bound by theory, nitrogen atoms have an excellent affinity with sulfur atoms compared to carbon atoms due to the unpaired electron effect, so the porous carbon material obtained after the chemical activation step If the nitrogen content is adjusted to 0.2% by mass or more, sulfur can be effectively supported in the pores when forming a composite of the porous carbon material and sulfur. Conceivable.
Further, when the nitrogen content is adjusted to 2.0% by mass or less, as described above, it is believed that a porous carbon material having pores generated by the removal of many nitrogen atoms can be obtained. Therefore, it is considered suitable as a positive electrode material for lithium-sulfur batteries.
本実施形態の多孔質炭素材料の酸素含有量は、好ましくは2~11質量%であり、より好ましくは5~10質量%であり、さらに好ましくは6~9質量%である。 The oxygen content of the porous carbon material of the present embodiment is preferably 2 to 11 mass %, more preferably 5 to 10 mass %, still more preferably 6 to 9 mass %.
本実施形態の多孔質炭素材料の比表面積は、1000~1800m2/gであり、好ましくは1100~1680m2/gであり、より好ましくは1150~1600m2/gであり、さらに好ましくは1200~1400m2/gである。
硫黄質量当たりの放電容量及び正極材料当たりの放電容量を大きく、更には優れたサイクル特性を実現する観点からから1000~1800m2/gであるものとする。
多孔質炭素材料の比表面積は、窒素含有炭素材料の薬品賦活条件、及び不活性ガス中での熱処理条件を調整することにより、上記数値範囲に制御することができる。
The specific surface area of the porous carbon material of the present embodiment is 1000 to 1800 m 2 /g, preferably 1100 to 1680 m 2 /g, more preferably 1150 to 1600 m 2 /g, still more preferably 1200 to 1600 m 2 /g. 1400 m 2 /g.
From the viewpoint of increasing the discharge capacity per mass of sulfur and the discharge capacity per positive electrode material and realizing excellent cycle characteristics, it should be 1000 to 1800 m 2 /g.
The specific surface area of the porous carbon material can be controlled within the above numerical range by adjusting chemical activation conditions for the nitrogen-containing carbon material and heat treatment conditions in an inert gas.
窒素吸脱着法の急冷固相密度関数法(QSDFT)により得られる細孔容積は、0.50~0.80cm3/gであるものとし、好ましくは0.54~0.73cm3/gであり、より好ましくは0.56~0.70cm3/gであり、さらに好ましくは0.58~0.68cm3/gである。
硫黄質量当たりの放電容量及び正極材料当たりの放電容量を大きく、更には優れたサイクル特性を実現する観点から0.50~0.80cm3/gであるものとする。
多孔質炭素材料の細孔容積は、窒素含有炭素材料の薬品賦活条件、及び不活性ガス中での熱処理条件を調整することにより、上記数値範囲に制御することができる。
The pore volume obtained by the quenching solid phase density function method (QSDFT) of the nitrogen adsorption/desorption method shall be 0.50 to 0.80 cm 3 /g, preferably 0.54 to 0.73 cm 3 /g. more preferably 0.56 to 0.70 cm 3 /g, still more preferably 0.58 to 0.68 cm 3 /g.
From the viewpoint of increasing the discharge capacity per mass of sulfur and the discharge capacity per positive electrode material and realizing excellent cycle characteristics, it should be 0.50 to 0.80 cm 3 /g.
The pore volume of the porous carbon material can be controlled within the above numerical range by adjusting chemical activation conditions for the nitrogen-containing carbon material and heat treatment conditions in an inert gas.
窒素吸脱着法の急冷固相密度関数法(QSDFT)により得られる細孔分布図において、細孔径0.6~1.1nmの細孔容積が0.150~0.290cm3/gであることが好ましく、0.160~0.270cm3/gであることがより好ましく、0.170~0.240cm3/gであることがさらに好ましい。
細孔径0.6~1.5nmの細孔容積が0.200~0.420cm3/gであることが好ましく、0.240~0.410cm3/gであることがより好ましく、0.260~0.350cm3/gであることがさらに好ましい。
細孔径0.6~2.0nmの細孔容積が0.300~0.570cm3/gであることが好ましく、0.350~0.510cm3/gであることがより好ましく、0.370~0.480cm3/gであることがさらに好ましい。
In the pore distribution diagram obtained by the quenching solid phase density function method (QSDFT) of the nitrogen adsorption and desorption method, the pore volume with a pore diameter of 0.6 to 1.1 nm is 0.150 to 0.290 cm 3 /g. is preferred, 0.160 to 0.270 cm 3 /g is more preferred, and 0.170 to 0.240 cm 3 /g is even more preferred.
The pore volume with a pore diameter of 0.6 to 1.5 nm is preferably 0.200 to 0.420 cm 3 /g, more preferably 0.240 to 0.410 cm 3 /g, more preferably 0.260 More preferably ~0.350 cm 3 /g.
The pore volume with a pore diameter of 0.6 to 2.0 nm is preferably 0.300 to 0.570 cm 3 /g, more preferably 0.350 to 0.510 cm 3 /g, more preferably 0.370 More preferably ~0.480 cm 3 /g.
本実施形態の多孔質炭素材料は、波数800~1900cm-1のレーザーラマンスペクトル図において、1250~1385cm-1の間にピークP1と、1550~1620cm-1の間にピークP2という少なくとも2つの主要なピークを有し、前記P1とP2の間の最小点Mのベースラインからの高さLと、P1のベースラインからの高さH1の比(L/H1)は、硫黄質量当たりの放電容量及び正極材料当たりの放電容量を一層大きく、更には一層優れたサイクル特性を実現する観点から0.25~0.54であることが好ましい。 The porous carbon material of the present embodiment has at least two main peaks P1 between 1250 and 1385 cm -1 and a peak P2 between 1550 and 1620 cm -1 in a laser Raman spectrum diagram with a wavenumber of 800 to 1900 cm -1. The ratio of the height L from the baseline of the minimum point M between P1 and P2 to the height H1 from the baseline of P1 (L/H1) is the discharge capacity per sulfur mass It is preferably 0.25 to 0.54 from the viewpoint of further increasing the discharge capacity per positive electrode material and realizing further excellent cycle characteristics.
本実施形態では、レーザーラマンスペクトルは、以下の条件で測定される。
[測定条件]
LD励起固体レーザー λ:532nm 47mW測定条件 532nm 照射2.34 mW 露光時間10秒 積算10回 グレーテング600G/mm
In this embodiment, the laser Raman spectrum is measured under the following conditions.
[Measurement condition]
LD excitation solid-state laser λ: 532 nm 47 mW Measurement conditions 532 nm irradiation 2.34 mW Exposure time 10 seconds Integration 10 times Grating 600 G/mm
P1、P2は、レーザーラマンスペクトル図におけるラマンシフトが1200~1700cm-1の間の主要な2つのピークである。P1は1250~1385cm-1の間のピークであり、P2は1550~1620cm-1の間のピークである。 P1 and P2 are two major peaks with Raman shifts between 1200 and 1700 cm -1 in the laser Raman spectrum diagram. P1 is the peak between 1250-1385 cm -1 and P2 is the peak between 1550-1620 cm -1 .
(L/H1)は、好ましくは0.30~0.50であり、より好ましくは0.33~0.48である。
(L/H2)は、硫黄質量当たりの放電容量及び正極材料当たりの放電容量を一層大きく、更には一層優れたサイクル特性を実現する観点から、好ましくは0.35~0.54であり、より好ましくは0.40~0.51であり、さらに好ましくは0.42~0.50である。
(L/H1) is preferably 0.30 to 0.50, more preferably 0.33 to 0.48.
(L/H2) is preferably 0.35 to 0.54 from the viewpoint of realizing a larger discharge capacity per sulfur mass and a higher discharge capacity per positive electrode material, and furthermore excellent cycle characteristics, and more It is preferably 0.40 to 0.51, more preferably 0.42 to 0.50.
ピークP1の半値幅としては、30~120cm-1が好ましく、50~110cm-1がより好ましく、さらに好ましくは70~100cm-1である。
ピークP2の半値幅としては、20~70cm-1が好ましく、30~65cm-1がより好ましく、さらに好ましくは40~60cm-1である。
The half width of the peak P1 is preferably 30 to 120 cm -1 , more preferably 50 to 110 cm -1 , still more preferably 70 to 100 cm -1 .
The half width of the peak P2 is preferably 20 to 70 cm -1 , more preferably 30 to 65 cm -1 , still more preferably 40 to 60 cm -1 .
図1は、本実施形態の多孔質炭素材料のレーザーラマンスペクトル図であり、かかるスペクトルからH1、H2、Lを算出する方法についての説明図である。
なお、図1は、本実施形態の多孔質炭素材料から得られるレーザーラマンスペクトル図を何ら限定するものではない。
図1中、B1は、800~1250cm-1の最小の強度値であり、B2は1700~1900cm-1の間の最小の強度値である。
本実施形態で用いるレーザーラマンスペクトル図におけるベースラインは、B1、B2を結んだ直線である。
次に、図1に示すC1、C2は、それぞれ、ピークP1及びP2からラマンシフト軸(横軸)に下ろした垂線とベースラインの交点である。
Dは、ピークP1及びP2との間における最小の強度値Mからラマンシフト軸(横軸)に下ろした垂線とベースラインの交点であり、高さLは、前記Mからラマンシフト軸に下ろした垂線とベースラインの交点までの長さである。具体的には、図1に例示するレーザーラマンスペクトル図では線分MDの長さである。
一方、高さH1は、P1からラマンシフト軸に下ろした垂線とベースラインの交点までの長さである。図1に例示するレーザーラマンスペクトル図では、線分P1C1の長さが高さH1に相当する。
高さH2は、P2からラマンシフト軸に下ろした垂線とベースラインの交点までの長さである。図1に例示するレーザーラマンスペクトル図では線分P2C2の長さが高さH2に相当する。
FIG. 1 is a laser Raman spectrum diagram of the porous carbon material of this embodiment, and is an explanatory diagram of a method for calculating H1, H2, and L from this spectrum.
In addition, FIG. 1 does not at all limit the laser Raman spectrum diagram obtained from the porous carbon material of the present embodiment.
In FIG. 1, B1 is the minimum intensity value between 800 and 1250 cm −1 and B2 is the minimum intensity value between 1700 and 1900 cm −1 .
The baseline in the laser Raman spectrum diagram used in this embodiment is a straight line connecting B1 and B2.
Next, C1 and C2 shown in FIG. 1 are the intersections of the baseline and the perpendicular drawn from the peaks P1 and P2 to the Raman shift axis (horizontal axis).
D is the intersection of the baseline and the perpendicular down the Raman shift axis (horizontal axis) from the minimum intensity value M between peaks P1 and P2, and the height L is down the Raman shift axis from said M It is the length to the intersection of the perpendicular and the baseline. Specifically, it is the length of the line segment MD in the laser Raman spectrum diagram illustrated in FIG.
On the other hand, the height H1 is the length from P1 to the intersection of the baseline and the perpendicular to the Raman shift axis. In the laser Raman spectrum diagram illustrated in FIG. 1, the length of line segment P1C1 corresponds to height H1.
Height H2 is the length from P2 to the intersection of the baseline and the perpendicular down to the Raman shift axis. In the laser Raman spectrum diagram illustrated in FIG. 1, the length of line segment P2C2 corresponds to height H2.
〔(B)複合体〕
本実施形態の複合体は、上述した本実施形態の多孔質炭素材料と硫黄との複合体である。
[(B) Complex]
The composite of this embodiment is a composite of the above-described porous carbon material of this embodiment and sulfur.
(複合体の製造方法)
多孔質炭素材料と硫黄との複合体の製造方法は、多孔質炭素材料と、融点以上の硫黄とを混合する工程を含む。
複合体の製造方法としては、以下の方法が例示できる。
まず多孔質炭素材料と硫黄の粉末を混合する。
次いで、硫黄の融点以上に加熱して硫黄を溶融させて毛細管現象によって多孔質炭素材料の細孔内へ硫黄を含浸させる。
溶融温度は、硫黄の融点である107℃以上であればよいが、好ましくは130℃以上であり、より好ましくは150℃以上である。また、溶融温度は、好ましくは200℃以下であり、より好ましくは180℃以下であり、さらに好ましくは170℃以下である。
硫黄の揮発を抑制する観点から、細孔内への硫黄の含浸は密閉容器中で行うことが好ましい。反応時間は0.1~100時間が好ましく、より好ましくは0.5~20時間であり、さらに好ましくは1~10時間である。
雰囲気は空気でもよいし、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン等の不活性ガスでもよい。
(Manufacturing method of composite)
A method for producing a composite of porous carbon material and sulfur includes a step of mixing the porous carbon material and sulfur having a melting point or higher.
The following methods can be exemplified as the method for producing the composite.
First, a porous carbon material and sulfur powder are mixed.
Next, the sulfur is heated to the melting point of sulfur or more to melt the sulfur, and the pores of the porous carbon material are impregnated with the sulfur by capillary action.
The melting temperature may be 107° C. or higher, which is the melting point of sulfur, preferably 130° C. or higher, and more preferably 150° C. or higher. Also, the melting temperature is preferably 200° C. or lower, more preferably 180° C. or lower, and even more preferably 170° C. or lower.
From the viewpoint of suppressing volatilization of sulfur, it is preferable to impregnate the pores with sulfur in a closed container. The reaction time is preferably 0.1 to 100 hours, more preferably 0.5 to 20 hours, still more preferably 1 to 10 hours.
The atmosphere may be air or an inert gas such as nitrogen, argon, helium or neon.
次いで、細孔に含浸されなかった硫黄を除去するために、硫黄の含浸処理をした多孔質炭素材料を加熱する。加熱温度は250℃以上が好ましく、270℃以上がより好ましく、290℃以上がさらに好ましい。
加熱温度は500℃以下が好ましく、400℃以下が好ましく、330℃以下がさらに好ましい。
容器は密閉容器でも開放容器でもよい。密閉容器の場合は、容器の上部は加熱部よりも温度が低いことが好ましい。雰囲気は空気でもよいし、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン等の不活性ガスでもよいが、操作の容易さという観点から空気が好ましい。
Next, the sulfur-impregnated porous carbon material is heated in order to remove sulfur that has not been impregnated into the pores. The heating temperature is preferably 250° C. or higher, more preferably 270° C. or higher, and even more preferably 290° C. or higher.
The heating temperature is preferably 500° C. or lower, preferably 400° C. or lower, and more preferably 330° C. or lower.
The container may be a closed container or an open container. In the case of a closed container, the temperature of the upper part of the container is preferably lower than that of the heating section. The atmosphere may be air or an inert gas such as nitrogen, argon, helium or neon, but air is preferred from the viewpoint of ease of operation.
多孔質炭素材料と硫黄を混合するときの質量比率は、多孔質炭素材料1部に対して、硫黄は0.3部以上が好ましく、0.9部以上がより好ましく、1.1部以上がさらに好ましい。質量比率については、多孔質炭素材料1部に対して、硫黄は20部以下が好ましく、8部以下がより好ましく、5部以下がさらに好ましい。 The mass ratio when mixing the porous carbon material and sulfur is preferably 0.3 parts or more, more preferably 0.9 parts or more, and 1.1 parts or more per part of the porous carbon material. More preferred. As for the mass ratio, sulfur is preferably 20 parts or less, more preferably 8 parts or less, and even more preferably 5 parts or less per 1 part of the porous carbon material.
多孔質炭素材料と硫黄との複合体は、多孔質炭素材料に硫黄が含有されている。本実施形態の複合体の硫黄含有量は、40~70質量%が好ましい。
硫黄含有量の下限値は、正極材料当たりの放電容量を一層大きくする観点から、40質量%以上が好ましく、より好ましくは45質量%以上であり、さらに好ましくは50質量%以上である。
硫黄含有量の上限値は、多孔質炭素材料の製造の観点から70質量%以下であり、67質量%以下がより好ましく、65質量%以下がさらに好ましい。
ここで硫黄含有量とは、下記式:
硫黄含有量=(硫黄の質量)/(多孔質炭素材料と硫黄との複合体の質量)×100
により算出される値である。
本実施形態の多孔質炭素材料と硫黄との複合体中の硫黄の含有量は、微細孔に取り込まれた硫黄は蒸発し難く、微細孔外の硫黄は蒸発し易いことを利用して、サンプルを以下の方法で調製し、熱重量分析(TG)により測定することができる。
多孔質炭素材料と硫黄を混合した後、密閉容器中で、155℃で5時間保持し、硫黄を融解させ、毛細管現象によって多孔質炭素材料の細孔内へ充填させる。その後、そのまま300℃まで昇温し、2時間保持し、多孔質炭素材料の表面に残留した硫黄を蒸発させて除去し、室温まで空冷し、容器を開放して多孔質炭素材料と硫黄との複合体を取り出しサンプルとする。
続いて、熱重量分析(TG)を用いて、多孔質炭素材料と硫黄との複合体中の硫黄含有量を測定する。具体的には、島津製作所社製、DTG-60AHを用い、セルに試料を10mg入れ、測定ガスAr、流量50ml/min、開始温度30℃、昇温速度5℃/min.、及び上限温度600℃の条件下で測定を行う。
A composite of a porous carbon material and sulfur contains sulfur in the porous carbon material. The sulfur content of the composite of the present embodiment is preferably 40-70% by mass.
From the viewpoint of further increasing the discharge capacity per positive electrode material, the lower limit of the sulfur content is preferably 40% by mass or more, more preferably 45% by mass or more, and even more preferably 50% by mass or more.
The upper limit of the sulfur content is 70% by mass or less, more preferably 67% by mass or less, and even more preferably 65% by mass or less, from the viewpoint of producing a porous carbon material.
Here, the sulfur content is defined by the following formula:
Sulfur content = (mass of sulfur) / (mass of composite of porous carbon material and sulfur) x 100
It is a value calculated by
The content of sulfur in the composite of the porous carbon material and sulfur of the present embodiment is determined by taking advantage of the fact that the sulfur taken into the micropores is difficult to evaporate and the sulfur outside the micropores is easy to evaporate. can be prepared by the following method and measured by thermogravimetric analysis (TG).
After mixing the porous carbon material and sulfur, the mixture is held at 155° C. for 5 hours in an airtight container to melt the sulfur and fill the pores of the porous carbon material by capillary action. After that, the temperature is raised to 300° C. and held for 2 hours to evaporate and remove the sulfur remaining on the surface of the porous carbon material, air-cooled to room temperature, and the container is opened to allow the porous carbon material and sulfur to mix. The complex is taken out and used as a sample.
Subsequently, thermogravimetric analysis (TG) is used to measure the sulfur content in the composite of porous carbon material and sulfur. Specifically, DTG-60AH manufactured by Shimadzu Corporation was used, 10 mg of a sample was put in a cell, measurement gas was Ar, flow rate was 50 ml/min, starting temperature was 30°C, and heating rate was 5°C/min. , and an upper limit temperature of 600°C.
便宜上、後述する実施例中の実施例1で製造した多孔質炭素材料と硫黄との複合体について、上記条件下に測定して得たTGの図2を用いて、得られたTGから硫黄含有量の算出方法を説明する。
図2に示すTGのグラフにおいて、昇温とともに質量が減少していくが、300℃~500℃の領域に、グラフの接線の傾きが不連続に変化する点が出現する。
初期値の質量%を100、グラフの接線の傾きが不連続に変化する点の質量%がXであるとすると、硫黄含有量Yは、Y=100-X、と定義される。
For the sake of convenience, FIG. A method for calculating the amount will be explained.
In the TG graph shown in FIG. 2, the mass decreases as the temperature rises, but a point appears in the region of 300° C. to 500° C. where the slope of the tangent line of the graph changes discontinuously.
Assuming that the initial mass% is 100 and the mass% at which the slope of the tangent line of the graph changes discontinuously is X, the sulfur content Y is defined as Y=100−X.
本実施形態の多孔質炭素材料と硫黄との複合体は、CuKα線をX線源として得られるX線回折図(XRD)において、回折角(2θ)のピーク位置について、下記の条件(1)及び(2)を満たすことが好ましい。
(1)多孔質炭素材料に特徴的なピークとして、22.5~26.0°の位置にピークP1を有すること。
(2)硫黄に特徴的なピークを実質的に有さないこと。
XRDは、管電圧:20kV、管電流:40mA、分光結晶:あり、散乱スリット:8.0mm、発散スリット:2/3°、受光スリット:開放、スキャン速度:40.0°/分、サンプリング幅:0.02°、スキャン法:2θ/θ法で測定される。
条件(1)について、複合体は、23.0~25.0°の位置にピークP1を有することがより好ましく、23.2~24.5°にピークP1を有することがさらに好ましい。また、複合体は、43.0~46.0°の位置にピークを有してもよく、好ましくは44.0~45.5の位置にピークを有する。43.0~46.0°の位置のピークは強度が弱く観測されないことも多いが、XRDの縦軸を拡大するとピークが観察されることもある。さらに、22.5~26.0°の位置のピークP1は、43.0~46.0°の位置のピークよりも強度が大きいことが好ましい。
条件(2)について、硫黄の特徴的なピークは、23.0°±0.3°の位置に強いピーク(P2)を有する。硫黄の特徴的なピークは、その他に、15.3°±0.3°、25.8°±0.3°、26.7°±0.3°、及び27.7°±0.3°の位置にピークを有する。
The composite of the porous carbon material and sulfur of the present embodiment is an X-ray diffraction diagram (XRD) obtained using CuKα rays as an X-ray source, and the peak position of the diffraction angle (2θ) is measured under the following conditions (1): and (2) are preferably satisfied.
(1) It has a peak P1 at a position of 22.5 to 26.0° as a characteristic peak of the porous carbon material.
(2) It should have substantially no peak characteristic of sulfur.
XRD, tube voltage: 20 kV, tube current: 40 mA, analyzing crystal: yes, scattering slit: 8.0 mm, divergence slit: 2/3 °, light receiving slit: open, scan speed: 40.0 ° / min, sampling width : 0.02°, scanning method: measured by 2θ/θ method.
Regarding the condition (1), the complex more preferably has a peak P1 at a position of 23.0 to 25.0°, more preferably at a position of 23.2 to 24.5°. The complex may also have a peak at a position of 43.0-46.0°, preferably at a position of 44.0-45.5. The peak at the position of 43.0 to 46.0° is weak in intensity and often not observed, but the peak may be observed when the vertical axis of XRD is enlarged. Furthermore, it is preferable that the peak P1 at the position of 22.5-26.0° has a higher intensity than the peak at the position of 43.0-46.0°.
For condition (2), the characteristic sulfur peak has a strong peak (P2) at 23.0°±0.3°. Other characteristic peaks for sulfur are 15.3°±0.3°, 25.8°±0.3°, 26.7°±0.3°, and 27.7°±0.3° It has a peak at the position of °.
本実施形態の多孔質炭素材料と硫黄との複合体は、硫黄に特徴的なピークを実質的に有さないことが好ましい。本明細書では、「硫黄に特徴的なピークを実質的に有さない」とは、硫黄に由来するピーク強度が、炭素材料に由来するピーク強度に対して小さいことであり、具体的には、ピークP2の強度をI(P2)とし、ピークP1の強度をI(P1)としたときに、I(P2)/I(P1)が、0.2以下であることである。I(P2)/I(P1)は、好ましくは0.1以下であり、さらに好ましくは0.05以下である。 Preferably, the composite of the porous carbon material and sulfur of the present embodiment does not substantially have peaks characteristic of sulfur. As used herein, the phrase “substantially does not have peaks characteristic of sulfur” means that the peak intensity derived from sulfur is smaller than the peak intensity derived from a carbon material, specifically , where I(P2) is the intensity of peak P2 and I(P1) is the intensity of peak P1, I(P2)/I(P1) is 0.2 or less. I(P2)/I(P1) is preferably 0.1 or less, more preferably 0.05 or less.
〔(C)リチウム硫黄電池用の正極〕
本実施形態のリチウム硫黄電池用の正極は、以上のようにして得られた多孔質炭素材料と硫黄との複合体を含有する。
本実施形態のリチウム硫黄電池の正極は、本実施形態の多孔質炭素材料と硫黄との複合体と、必要に応じて、結着材と、導電助剤と、集電体とを備える。
多孔質炭素材料と硫黄との複合体は、主に活物質として機能するが、本実施形態のリチウム硫黄電池の正極は、本実施形態の多孔質炭素材料と硫黄との複合体以外の活物質を含んでもよい。
[(C) Positive electrode for lithium-sulfur battery]
The positive electrode for a lithium-sulfur battery of the present embodiment contains the composite of the porous carbon material and sulfur obtained as described above.
The positive electrode of the lithium-sulfur battery of the present embodiment includes the composite of the porous carbon material of the present embodiment and sulfur, and, if necessary, a binder, a conductive aid, and a current collector.
The composite of the porous carbon material and sulfur mainly functions as an active material, but the positive electrode of the lithium-sulfur battery of the present embodiment is an active material other than the composite of the porous carbon material and sulfur of the present embodiment. may include
本実施形態の正極に用いられる結着材としては、以下に限定されるものではないが、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、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、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、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、エチレン-クロロトリフルオロエチレン共重合体、ポリフッ化ビニル、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、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、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、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、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、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などのビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、テトラフルオロエチレン-プロピレン系フッ素ゴム、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系フッ素ゴム、熱可塑性フッ素ゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン-アクリル酸共重合体、エチレン-メタクリル酸共重合体、水系バインダー等が挙げられる。
なお、これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
結着材の含有割合は、活物質に対して1~20質量%であることが好ましく、2~10質量%であることがより好ましい。結着材の含有割合が1質量%以上であると正極の強度が十分になり、結着材の含有割合が20質量%以下であると電気抵抗の増大又は容量の低下を更に抑制できる。
The binder used in the positive electrode of the present embodiment is not limited to the following, but examples include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene- Perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, polyvinyl fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene fluororubber, vinylidene fluoride Ride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber, vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluororubber, vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber, vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoro Ethylene fluororubber, vinylidene fluoride fluororubber such as vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene fluororubber, tetrafluoroethylene-propylene fluororubber, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether fluororubber, thermoplastic fluororubber , polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene-acrylic acid copolymer, ethylene-methacrylic acid copolymer, aqueous binders, and the like.
In addition, these may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and ratios.
The content of the binder is preferably 1 to 20% by mass, more preferably 2 to 10% by mass, based on the active material. When the binder content is 1% by mass or more, the strength of the positive electrode is sufficient, and when the binder content is 20% by mass or less, an increase in electrical resistance or a decrease in capacity can be further suppressed.
本実施形態の正極に用いられる導電助剤としては、以下に限定されるものではないが、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、及びカーボンナノチューブが挙げられる。
なお、これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び任意の比率で併用してもよい。導電助剤の含有割合は、活物質に対して1~20質量%であることが好ましく、2~10質量%であることがより好ましい。
Examples of conductive aids used in the positive electrode of the present embodiment include, but are not limited to, carbon black, acetylene black, and carbon nanotubes.
In addition, these may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and arbitrary ratios. The content of the conductive aid is preferably 1 to 20% by mass, more preferably 2 to 10% by mass, based on the active material.
本実施形態の正極に用いられる集電体としては、電極の電気的接続を可能にするものであれば特に限定されず、その材質として、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、及びこれらの金属を含む合金等が挙げられる。これらの中で、アルミニウム、チタン、タンタル、及びこれらの金属を含む合金から成る群より選ばれるものが好ましく、特にアルミニウムが好ましい。これらの金属又は合金を、箔状、穴開け箔状、メッシュ状等にしたものを正極の集電体として用いることができる。 The current collector used for the positive electrode of the present embodiment is not particularly limited as long as it enables electrical connection of the electrode, and the material thereof includes aluminum, titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, and the like. and alloys containing metals such as Among these, those selected from the group consisting of aluminum, titanium, tantalum, and alloys containing these metals are preferred, and aluminum is particularly preferred. A foil, perforated foil, mesh, or the like of these metals or alloys can be used as a current collector for the positive electrode.
次に、本実施形態のリチウム硫黄電池の正極の製造方法を説明する。
本実施形態のリチウム硫黄電池の正極の製造方法は、活物質として多孔質炭素材料と硫黄との複合体を用いる以外は、公知の方法であれば特に限定されない。例えば、多孔質炭素材料と硫黄との複合体に、結着材、導電助材及び溶媒を加えてスラリーとし、そのスラリーを集電体に塗布や充填し、乾燥した後にプレスして高密度化することにより、リチウム硫黄電池の正極を製造する方法が挙げられる。
集電体に積層する正極層の厚みは、20~400μm程度が好ましい。正極層の厚みが20μm以上であると、電池全体に対する活物質量の割合が多くなり、エネルギー密度も多くなる傾向があるため好ましい。一方で、正極層の厚みが400μm以下であると、電極内部の抵抗が小さくなり、出力密度が上がる傾向があるため好ましい。
Next, a method for manufacturing the positive electrode of the lithium-sulfur battery of this embodiment will be described.
The method for manufacturing the positive electrode of the lithium-sulfur battery of the present embodiment is not particularly limited as long as it is a known method, except that a composite of a porous carbon material and sulfur is used as an active material. For example, a binder, a conductive agent and a solvent are added to a composite of a porous carbon material and sulfur to form a slurry, the slurry is applied or filled on a current collector, dried and then pressed to increase the density. A method for manufacturing a positive electrode of a lithium-sulfur battery is exemplified.
The thickness of the positive electrode layer laminated on the current collector is preferably about 20 to 400 μm. When the thickness of the positive electrode layer is 20 μm or more, the ratio of the active material amount to the entire battery tends to increase, and the energy density tends to increase, which is preferable. On the other hand, when the thickness of the positive electrode layer is 400 μm or less, the resistance inside the electrode tends to be small and the output density tends to increase, which is preferable.
本実施形態のリチウム硫黄電池の正極の製造に用いる溶媒は、水系、非水系のいずれでもよい。
非水系の溶媒としては、以下に限定されるものではないが、例えば、N-メチルピロリドン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、イソホロン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチル等が挙げられる。
上記スラリーは、撹拌機、加圧ニーダー、ボールミル及びスーパーサンドミル等の分散装置により混練して調製される。
また、上記スラリーに、粘度を調整するための増粘剤を添加してもよい。増粘剤としては、以下に限定されるものではないが、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸(塩)、酸化スターチ、リン酸化スターチ及びカゼインが挙げられる。これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
The solvent used for manufacturing the positive electrode of the lithium-sulfur battery of the present embodiment may be either aqueous or non-aqueous.
Examples of non-aqueous solvents include, but are not limited to, N-methylpyrrolidone, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, isophorone, N,N-dimethylformamide, N,N-dimethyl and the like.
The slurry is prepared by kneading with a dispersing device such as a stirrer, pressure kneader, ball mill and super sand mill.
Moreover, a thickener may be added to the slurry to adjust the viscosity. Examples of thickening agents include, but are not limited to, carboxymethylcellulose, methylcellulose, hydroxymethylcellulose, ethylcellulose, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid (salts), oxidized starch, phosphorylated starch, and casein. These may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and ratios.
〔(D)リチウム硫黄電池〕
以下、本実施形態のリチウム硫黄電池用の正極を備えるリチウム硫黄電池の一例を説明する。
なお、リチウム硫黄電池に用いられ得る材料、リチウム硫黄電池の製造方法等は、下記の具体例に限定されるものではない。
本実施形態のリチウム硫黄電池は、正極として、本実施形態のリチウム硫黄電池の正極を備え、その他の構成については特に限定されず、リチウム硫黄電池の正極以外は公知のものであってもよい。
例えば、本実施形態のリチウム硫黄電池は、セパレータと、そのセパレータを介して対向して配置された本実施形態のリチウム硫黄電池用の正極と、負極と、それらに接触した電解液と外装体とを備える。
本実施形態のリチウム硫黄電池は、上述のように配置された負極及び正極を含む電極体と、当該電極体を収納する外装体とを有し、外装体内の空間に電解液を注入し、シールすることにより得ることができる。
[(D) Lithium sulfur battery]
An example of a lithium-sulfur battery including the positive electrode for a lithium-sulfur battery of the present embodiment will be described below.
Materials that can be used in lithium-sulfur batteries, methods for producing lithium-sulfur batteries, and the like are not limited to the following specific examples.
The lithium-sulfur battery of the present embodiment includes the positive electrode of the lithium-sulfur battery of the present embodiment as a positive electrode, and other configurations are not particularly limited, and the positive electrode of the lithium-sulfur battery may be a known one.
For example, the lithium-sulfur battery of the present embodiment includes a separator, a positive electrode for the lithium-sulfur battery of the present embodiment arranged opposite to each other via the separator, a negative electrode, and an electrolytic solution and an exterior body in contact with them. Prepare.
The lithium-sulfur battery of the present embodiment has an electrode body including the negative electrode and the positive electrode arranged as described above, and an exterior body that houses the electrode body. can be obtained by
負極は、正極と同様にして、集電体上に負極活物質を含有する負極層を形成することにより、製造することができる。
負極の集電体としては、電極の電気的接続を可能にするものであれば特に限定されず、その材質としては、以下に限定されるものではないが、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン及びステンレスが挙げられる。これらの内、薄膜に加工し易いという観点及びコストの観点から、銅が好ましい。集電体の形状としては、例えば、箔状、穴開け箔状及びメッシュ状が挙げられる。また、集電体として、多孔性材料、例えばポーラスメタル(発泡メタル)及びカーボンペーパー等も用いることができる。
負極活物質としては、リチウムを含む材料であればよく、金属リチウム又はリチウム合金の他に、リチウム酸化物、リチウム複合酸化物、リチウム硫化物、リチウム複合硫化物などが挙げられる。リチウム合金としては、例えば、アルミニウム又はシリコン、スズ、マグネシウム、インジウム、カルシウム等とリチウムとの合金が挙げられる。負極活物質は、金属リチウム、又はシリコンとリチウムとの合金であることが好ましい。
負極としては、金属リチウム又はリチウム合金そのものでもよいし、例えば、負極活物質とグラファイト、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等の導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の負極材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。
The negative electrode can be produced by forming a negative electrode layer containing a negative electrode active material on a current collector in the same manner as the positive electrode.
The current collector of the negative electrode is not particularly limited as long as it enables electrical connection of the electrodes, and its material is not limited to the following, but examples include copper, aluminum, nickel, and titanium. and stainless steel. Among these, copper is preferable from the viewpoint of ease of processing into a thin film and from the viewpoint of cost. Examples of the shape of the current collector include a foil shape, a perforated foil shape, and a mesh shape. Porous materials such as porous metal (foamed metal) and carbon paper can also be used as current collectors.
The negative electrode active material may be any material containing lithium, and examples thereof include metallic lithium, lithium alloys, lithium oxides, lithium composite oxides, lithium sulfides, and lithium composite sulfides. Lithium alloys include, for example, aluminum or alloys of silicon, tin, magnesium, indium, calcium, etc. with lithium. The negative electrode active material is preferably metallic lithium or an alloy of silicon and lithium.
The negative electrode may be metallic lithium or a lithium alloy itself. For example, a negative electrode active material, a conductive material such as graphite, acetylene black, or ketjen black is mixed with a binder, and an appropriate solvent is added to form a paste. The negative electrode material may be coated on the surface of a current collector, dried, and optionally compressed to increase the electrode density.
電解液は、リチウム含有電解質を非水溶媒に溶解して調製することができる。
リチウム含有電解質としては、例えば、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiCF(CF3)5、LiCF2(CF3)4、LiCF3(CF3)3、LiCF4(CF3)2、LiCF5(CF3)、LiCF3(C2F5)3、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiN(C2F5CO)2、LiI、LiAlCl4、LiBC4O8、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)が挙げられる。
これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。中でも、LiPF6、LiFSI、LiTFSIが好ましく、LiTFSIがより好ましい。
さらに、これらのリチウム塩濃度は、好ましくは0.1~3.0mol/L、より好ましくは0.5~2.0mol/Lである。
The electrolytic solution can be prepared by dissolving a lithium-containing electrolyte in a non-aqueous solvent.
Lithium-containing electrolytes include, for example, LiPF6 , LiClO4 , LiBF4 , LiAsF6 , LiCF( CF3 ) 5 , LiCF2 ( CF3 ) 4 , LiCF3 ( CF3 ) 3 , LiCF4 ( CF3 ) 2 , LiCF5 ( CF3 ) , LiCF3 ( C2F5 ) 3 , LiCF3SO3 , LiN( CF3SO2 ) 2 , LiN( C2F5SO2 ) 2 , LiN ( C2F5CO ) 2 , LiI, LiAlCl 4 , LiBC 4 O 8 , lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI).
These may be used individually by 1 type, and may be used in mixture of 2 or more types. Among them, LiPF 6 , LiFSI and LiTFSI are preferable, and LiTFSI is more preferable.
Further, the concentration of these lithium salts is preferably 0.1-3.0 mol/L, more preferably 0.5-2.0 mol/L.
前記非水溶媒としては、例えば、カーボネート類、エーテル類、ケトン類、ラクトン類、ニトリル類、アミン類、アミド類、硫黄化合物、ハロゲン化炭化水素類、エステル類、ニトロ化合物、リン酸エステル系化合物、スルホラン系炭化水素類、及びイオン性液体から適宜選択することができる。
特に、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)等のカーボネート類;ジメトキシエタン(DME)、トリグライム(G3)及びテトラグライム(G4)等のエーテル類;ジオキソラン(DOL)、テトラヒドロフラン等の環状エーテル;1,1,2,2-テトラフルオロ-3-(1,1,2,2-テトラフルオロエトキシ)-プロパン(HFE)、及びそれらの混合物が好適である。より好ましくはカーボネート類を含む溶媒であり、さらに好ましくは(FEC)と(HFE)との混合物である。
Examples of the non-aqueous solvent include carbonates, ethers, ketones, lactones, nitriles, amines, amides, sulfur compounds, halogenated hydrocarbons, esters, nitro compounds, and phosphoric acid ester compounds. , sulfolane hydrocarbons, and ionic liquids.
Especially carbonates such as ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), propylene carbonate (PC), fluoroethylene carbonate (FEC); dimethoxyethane (DME), triglyme (G3) and tetraglyme Ethers such as (G4); cyclic ethers such as dioxolane (DOL) and tetrahydrofuran; 1,1,2,2-tetrafluoro-3-(1,1,2,2-tetrafluoroethoxy)-propane (HFE) , and mixtures thereof are preferred. A solvent containing carbonates is more preferable, and a mixture of (FEC) and (HFE) is more preferable.
セパレータは、通常のリチウム硫黄電池に用いられるものであれば、材質又は形状は特に制限されない。このセパレータは、正極と負極とが物理的に接触しないように分離するものであり、イオン透過性が高いものであることが好ましい。
セパレータとしては、例えば、合成樹脂微多孔膜、織布、不織布等が挙げられ、合成樹脂微多孔膜が好ましい。合成樹脂微多孔膜の材質としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン等のポリオレフィン;さらにはポリアミド、セルロースアセテート、ニトロセルロース、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンが挙げられる。
これらの中ではポリエチレン及びポリプロピレンが好ましい。なお、作製するリチウム硫黄電池の正極と負極とを直接接触させない構造にした場合は、セパレータを用いる必要はない。
The separator is not particularly limited in material or shape as long as it is used in a normal lithium-sulfur battery. This separator separates the positive electrode and the negative electrode so that they do not come into physical contact with each other, and preferably has high ion permeability.
Examples of the separator include synthetic resin microporous membranes, woven fabrics, non-woven fabrics, and the like, with synthetic resin microporous membranes being preferred. Materials for the synthetic resin microporous membrane include, for example, polyolefins such as polyethylene, polypropylene, and polybutene; polyamides, cellulose acetate, nitrocellulose, polysulfone, polyacrylonitrile, and polyvinylidene fluoride.
Among these, polyethylene and polypropylene are preferred. In addition, when the positive electrode and the negative electrode of the lithium-sulfur battery to be manufactured are configured so as not to be in direct contact with each other, the separator does not need to be used.
本実施形態のリチウム硫黄電池の電極体の構造は、特に限定されないが、通常、正極及び負極と、必要に応じて設けられるセパレータとを、扁平渦巻状に巻回して巻回式極板群としたり、これらを平板状として積層して積層式極板群としたりすることによって、これら極板群を外装体中に封入した構造とすることが一般的である。 The structure of the electrode assembly of the lithium-sulfur battery of the present embodiment is not particularly limited, but usually, a positive electrode, a negative electrode, and an optional separator are wound into a flat spiral to form a wound electrode plate group. Alternatively, these electrodes are formed into flat plates and laminated to form a laminated electrode plate group, so that the structure in which these electrode plate groups are enclosed in an outer package is generally formed.
外装体としては、金属缶、ラミネートフィルム等を使用できる。
金属缶としては、アルミニウム製のものが好ましい。この場合は、例えば、当該金属缶を負極端子とし、絶縁体を挟んで当該金属缶にかしめられた金属蓋を正極端子とする。電極タブによって電極体と端子とを電気的に接続する。
また、前記ラミネートフィルムとしては、金属箔と樹脂フィルムとを積層したフィルムが好ましく、外層樹脂フィルム/金属箔/内層樹脂フィルムから成る3層構成のものが例示される。外層樹脂フィルムは接触等により金属箔が損傷を受けることを防止するためのものであり、ナイロン又はポリエステル等の樹脂が好適に使用できる。
金属箔は水分及びガスの透過を防ぐためのものであり、銅、アルミニウム、ステンレス等の箔が好適に使用できる。また、内層樹脂フィルムは、内部に収納する電解液から金属箔を保護するとともに、ヒートシール時に溶融封口させるためのものであり、ポリオレフィン、酸変成ポリオレフィン等が好適に使用できる。
ラミネートフィルム外装体を使用する場合は、電極端子の端部を外装体の外部空間に引き出した状態でラミネートフィルムの周縁部をシールする。シール方法はヒートシールが好ましい。
A metal can, a laminate film, or the like can be used as the outer package.
As the metal can, one made of aluminum is preferable. In this case, for example, the metal can is used as a negative terminal, and the metal lid crimped to the metal can with an insulator sandwiched therebetween is used as a positive terminal. An electrode tab electrically connects the electrode body and the terminal.
As the laminate film, a film obtained by laminating a metal foil and a resin film is preferable, and a three-layer structure consisting of an outer layer resin film/metal foil/inner layer resin film is exemplified. The outer layer resin film is for preventing the metal foil from being damaged by contact or the like, and a resin such as nylon or polyester can be suitably used.
The metal foil is for preventing the permeation of moisture and gas, and foils of copper, aluminum, stainless steel, etc. can be suitably used. The inner layer resin film is for protecting the metal foil from the electrolyte to be stored inside and also for melting and sealing during heat sealing, and polyolefin, acid-modified polyolefin, etc. can be suitably used.
In the case of using a laminated film outer package, the edge of the laminated film is sealed while the end of the electrode terminal is pulled out to the outer space of the outer package. A preferred sealing method is heat sealing.
本実施形態のリチウム硫黄電池は、ペーパー型電池、ボタン型電池、コイン型電池、積層型電池、円筒型電池等の形態を有するものとすることができる。 The lithium-sulfur battery of this embodiment can be in the form of a paper-type battery, a button-type battery, a coin-type battery, a stack-type battery, a cylindrical battery, or the like.
以下、具体的な実施例及び比較例を挙げて、本実施形態を更に詳細に説明するが、これらは例示的なものであり、本実施形態は、以下の実施例及び比較例により何ら限定されるものではない。
したがって、当業者は以下に示す実施例に様々な変更を加えて本発明を実施することができ、かかる変更は本発明に包含される。
Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail with specific examples and comparative examples, but these are illustrative, and the present embodiment is not limited by the following examples and comparative examples. not something.
Therefore, those skilled in the art can implement the present invention by adding various modifications to the examples shown below, and such modifications are included in the present invention.
〔分析方法〕
(CHN分析法)
窒素含有炭素材料を測定用試料とした。
ジェイサイエンスラボ社製の元素分析装置(商品名「MICRO CORDER JM10」)を用い、2500μgの試料を試料台に充填してCHN分析を行った。
試料炉の温度を950℃、燃焼炉(酸化銅触媒)の温度を850℃、還元炉(銀粒+酸化銅のゾーン、還元銅のゾーンと酸化銅のゾーンとから成る)の温度を550℃に設定した。
また、酸素流量を15mL/分、He流量を150mL/分に設定した。
検出器として熱伝導度検出器(TCD)を用いた。
アンチピリン(Antipyrine)を用いてマニュアルに記載の方法でキャリブレーションを行った。
酸素元素の含有量(質量%)は、100質量%から炭素元素、窒素元素、水素元素の含有量(質量%)を差し引くことによって算出した。
[Analysis method]
(CHN analysis method)
A nitrogen-containing carbon material was used as a measurement sample.
CHN analysis was carried out by filling a sample stage with 2500 μg of a sample using an elemental analyzer manufactured by J Science Lab (trade name “MICRO CORDER JM10”).
The temperature of the sample furnace is 950°C, the temperature of the combustion furnace (copper oxide catalyst) is 850°C, and the temperature of the reduction furnace (composed of silver particles + copper oxide zone, reduced copper zone and copper oxide zone) is 550°C. set to
Also, the oxygen flow rate was set to 15 mL/min, and the He flow rate was set to 150 mL/min.
A thermal conductivity detector (TCD) was used as the detector.
Calibration was performed using Antipyrine by the method described in the manual.
The content (% by mass) of oxygen element was calculated by subtracting the content (% by mass) of carbon element, nitrogen element and hydrogen element from 100% by mass.
(比表面積・細孔容積・細孔分布の測定法)
多孔質炭素材料を測定用試料とした。
Quantachrome社のAUTOSORB iQを用い、BET法により比表面積を、急冷固相密度関数法(QSDFT)により細孔分布及び細孔容積を測定した。
具体的には、試料を100℃で3時間真空脱気して、測定した。
液体窒素温度で窒素の吸着等温線を測定し、比表面積、細孔容積、及び細孔分布の測定を行った。
(Method for measuring specific surface area, pore volume, and pore distribution)
A porous carbon material was used as a measurement sample.
Using AUTOSORB iQ from Quantachrome, the specific surface area was measured by the BET method, and the pore distribution and pore volume were measured by the quench solid phase density function method (QSDFT).
Specifically, the sample was vacuum degassed at 100° C. for 3 hours and measured.
Adsorption isotherms of nitrogen were measured at liquid nitrogen temperature, and specific surface area, pore volume, and pore distribution were measured.
(X線光電子分光分析(XPS)の測定法)
窒素含有炭素材料、及び多孔質炭素材料を測定用試料とした。
JEOL社製JPS-9010MCを用い、粉末用セルに充填して下記の条件で測定した。
X線源:Mg管球(Mg‐Kα線)、管電圧:12kV、エミッション電流:50mA、分析面積:Φ600μm、取り込み領域:N1s、C1s、O1s Pass‐Energy:10eV
得られたスペクトルは、C1sのピーク位置でエネルギー補正を行った。
炭素元素、窒素元素、酸素元素の含有量(質量%)の合計を100質量%とした。
(Measurement method of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS))
A nitrogen-containing carbon material and a porous carbon material were used as measurement samples.
Using JPS-9010MC manufactured by JEOL, a cell for powder was filled and measured under the following conditions.
X-ray source: Mg tube (Mg-Kα ray), tube voltage: 12 kV, emission current: 50 mA, analysis area: Φ600 μm, capture area: N1s, C1s, O1s Pass-Energy: 10 eV
The obtained spectrum was energy-corrected at the peak position of C1s.
The total content (% by mass) of carbon element, nitrogen element and oxygen element was set to 100% by mass.
(レーザーラマンスペクトルの測定法)
多孔質炭素材料を測定用試料とした。
Tokyo Instruments Inc.社製の3D顕微レーザーラマン分光装置 Nanofinder30を用い、粉末用セルに充填して下記の条件で測定した。
LD励起固体レーザー λ:532nm 47mW測定条件 532nm、照射2.34mW、露光時間10秒、積算10回、グレーテング600G/mm。
1250~1385cm-1の間のピークをP1とする。
1550~1620cm-1の間のピークをP2とする。
P1とP2の間の、最小点Mのベースラインからの高さをLとする。
P1のベースラインからの高さをH1とする。
P2のベースラインからの高さをH2とする。
(Measurement method of laser Raman spectrum)
A porous carbon material was used as a measurement sample.
Tokyo Instruments Inc. Using a 3D microscopic laser Raman spectrometer Nanofinder 30 manufactured by Co., Ltd., a cell for powder was filled and measured under the following conditions.
LD excitation solid-state laser λ: 532 nm 47 mW Measurement conditions: 532 nm, irradiation: 2.34 mW, exposure time: 10 seconds, integration: 10 times, grating: 600 G/mm.
Let P1 be the peak between 1250 and 1385 cm -1 .
Let the peak between 1550 and 1620 cm -1 be P2.
Let L be the height from the baseline of the minimum point M between P1 and P2.
Let H1 be the height of P1 from the baseline.
Let H2 be the height of P2 from the baseline.
(SEMの測定方法)
多孔質炭素材料を測定対象とした。
走査型顕微鏡(日立製 SU-1500、Hitachi High-Tech Solutions)を用い、表面状態の観察を行った。
アルミ製の試料台に導電性カーボンテープを用い、各粉末試料を貼り付け、チャンバー内に取り付けた。
チャンバー内を真空にした後、Working distanceを15mm、加速電圧15kVで試料を観察した。
(SEM measurement method)
A porous carbon material was used as the measurement target.
The surface state was observed using a scanning microscope (SU-1500 manufactured by Hitachi, Hitachi High-Tech Solutions).
Using a conductive carbon tape on an aluminum sample table, each powder sample was attached and installed in the chamber.
After evacuating the chamber, the sample was observed at a working distance of 15 mm and an acceleration voltage of 15 kV.
(硫黄含有量の測定方法)
多孔質炭素材料と硫黄との複合体中の硫黄の含有量の測定を行った。
微細孔に取り込まれた硫黄は蒸発し難く、微細孔外の硫黄は蒸発し易いことを利用して、サンプルを以下の方法で調製した。
多孔質炭素材料と硫黄を混合した後、密閉容器中で、155℃で5時間保持し、硫黄を融解させ、毛細管現象によって多孔質炭素材料の細孔内へ充填させた。その後、そのまま300℃まで昇温し、2時間保持し、多孔質炭素材料の表面に残留した硫黄を蒸発させ除去し、室温まで空冷し、容器を開放して多孔質炭素材料と硫黄との複合体を取り出してサンプルとした。
続いて、熱重量分析(TG)を用いて、多孔質炭素材料と硫黄との複合体中の硫黄含有量を測定した。
具体的には、島津製作所社製、DTG-60AHを用い、セルに試料を10mg入れ、測定ガスAr、流量50mL/min、開始温度30℃、昇温速度5℃/min.、および上限温度600℃の条件下で測定を行った。
得られたTGから硫黄含有量の算出方法を、後述する〔実施例1〕である図2を用いて説明する。
TGのグラフにおいて、昇温とともに質量が減少していくが、300℃~500℃の領域に、グラフの接線の傾きが不連続に変化する点が出現する。
初期値の硫黄含有量(質量%)を100、グラフの接線の傾きが不連続に変化する点の硫黄含有量(質量%)がXであるとすると、硫黄含有量Yは、Y=100-X、と定義される。
実施例1ではX=46であり、Y=54(質量%)であった。
実施例2、3、比較例1においても同様の方法で、硫黄含有量の算出を行った。
(Method for measuring sulfur content)
The sulfur content in the composite of porous carbon material and sulfur was measured.
Taking advantage of the fact that sulfur trapped in micropores is difficult to evaporate and sulfur outside the micropores is easy to evaporate, samples were prepared by the following method.
After mixing the porous carbon material and sulfur, the mixture was held at 155° C. for 5 hours in a closed vessel to melt sulfur and fill the pores of the porous carbon material by capillary action. After that, the temperature is raised to 300° C. and held for 2 hours to evaporate and remove the sulfur remaining on the surface of the porous carbon material, air-cooled to room temperature, the container is opened, and the porous carbon material and sulfur are composited. The body was taken out and used as a sample.
Subsequently, thermogravimetric analysis (TG) was used to measure the sulfur content in the composite of the porous carbon material and sulfur.
Specifically, DTG-60AH manufactured by Shimadzu Corporation was used, 10 mg of a sample was put in a cell, measurement gas was Ar, flow rate was 50 mL/min, starting temperature was 30°C, and temperature increase rate was 5°C/min. , and an upper limit temperature of 600°C.
A method for calculating the sulfur content from the obtained TG will be described with reference to FIG. 2 of [Example 1] described later.
In the TG graph, the mass decreases as the temperature rises, but a point appears in the region of 300° C. to 500° C. where the slope of the tangent line of the graph changes discontinuously.
Assuming that the initial sulfur content (mass%) is 100 and the sulfur content (mass%) at the point where the slope of the tangent line of the graph changes discontinuously is X, the sulfur content Y is Y = 100- is defined as X.
In Example 1, X=46 and Y=54 (% by mass).
In Examples 2 and 3 and Comparative Example 1, the sulfur content was calculated in the same manner.
〔リチウム硫黄電池の作製〕
(リチウム硫黄電池の正極の作製)
水系バインダー(結着材)を純水に溶解させて5質量%の溶液を調製した。
これにアセチレンブラック(導電助剤)を添加し、次いで、活物質(後述する実施例1~3、比較例1で製造した多孔質炭素材料と硫黄との複合体)を添加し、正極スラリーを調製した。
活物質と導電助剤と結着材との質量比は、活物質:導電助剤:結着材=90:5:5になるようにした。
得られた正極スラリーを、Al多孔質集電体に活物質量として7.0mg/cm2となるように充填した。
その後、大気圧下で40℃のオーブンで1時間乾燥した。
乾燥後、乾燥物をロールプレスに通して加圧成形し、24×24mmのサイズに切り抜き、室温下で真空乾燥して正極を得た。
正極層の厚みは約250μmであった。
[Production of lithium-sulfur battery]
(Preparation of positive electrode for lithium-sulfur battery)
An aqueous binder (binder) was dissolved in pure water to prepare a 5% by mass solution.
Acetylene black (conductive aid) was added to this, and then an active material (a composite of sulfur and a porous carbon material produced in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 described later) was added to obtain a positive electrode slurry. prepared.
The mass ratio of the active material, conductive aid, and binder was set to active material:conductive aid:binder=90:5:5.
The resulting positive electrode slurry was filled in an Al porous current collector so that the amount of the active material was 7.0 mg/cm 2 .
After that, it was dried in an oven at 40° C. under atmospheric pressure for 1 hour.
After drying, the dried product was pressed through a roll press, cut into a size of 24×24 mm, and vacuum-dried at room temperature to obtain a positive electrode.
The thickness of the positive electrode layer was about 250 μm.
(リチウム硫黄電池用の負極の作製)
露点-40℃以下の大気雰囲気中において、厚さ30μmのLi箔を、30×30mmに切り抜き、リチウム硫黄電池用の負極とした。
(Preparation of negative electrode for lithium-sulfur battery)
Li foil with a thickness of 30 μm was cut into a size of 30×30 mm in an air atmosphere with a dew point of −40° C. or less to obtain a negative electrode for a lithium-sulfur battery.
(リチウム硫黄電池の作製)
露点-40℃以下の大気雰囲気中において以下の手順でリチウム硫黄電池を作製した。
上記項目(リチウム硫黄電池の正極の作製)により作製した正極、上記項目(リチウム硫黄電池用の負極の作製)により作製した負極、リチウム含有電解質としてビス(トリフルオロスルホニル)イミド(LiTFSI)、非水溶媒としてフルオロエチレンカーボネート(FEC)/1,1,2,2-テトラフルオロ-3-(1,1,2,2-テトラフルオロエトキシ)-プロパン(HFE)の混合溶媒を用いた。
電解液の調製に関しては、FEC:HFEを1:1のVolumeで混合し、LiTFSIをFECとHFEの混合溶媒に溶かして、1.0mol/LのLiTFSI/FEC:HFEになるようにして電解液を調製した。
添加剤としてビニレンカーボネート(VC)を10質量%加えた。
セパレータとしてポリプロピレン系微多孔膜を用いた。
セルとしてラミネートセルを用い、そのセル内に、正極とセパレータと負極とを順に積層するように収容し、さらに電解液を注入し、リチウム硫黄電池を作製した。
(Fabrication of lithium-sulfur battery)
A lithium-sulfur battery was produced in the following procedure in an air atmosphere with a dew point of −40° C. or less.
Positive electrode prepared according to the above item (preparation of positive electrode for lithium sulfur battery), negative electrode prepared according to the above item (preparation of negative electrode for lithium sulfur battery), bis (trifluorosulfonyl) imide (LiTFSI) as lithium-containing electrolyte, non-aqueous A mixed solvent of fluoroethylene carbonate (FEC)/1,1,2,2-tetrafluoro-3-(1,1,2,2-tetrafluoroethoxy)-propane (HFE) was used as a solvent.
Regarding the preparation of the electrolytic solution, FEC:HFE was mixed at a volume of 1:1, and LiTFSI was dissolved in a mixed solvent of FEC and HFE so that the concentration of LiTFSI/FEC:HFE was 1.0 mol/L. was prepared.
10% by mass of vinylene carbonate (VC) was added as an additive.
A polypropylene-based microporous film was used as a separator.
A laminate cell was used as a cell, and a positive electrode, a separator, and a negative electrode were accommodated in the cell so as to be stacked in order, and an electrolytic solution was injected to produce a lithium-sulfur battery.
〔充放電試験〕
活物質(正極)を作用極とし、定電流充放電試験を行った。
充電時のモードは、C.C.法(C.C.はconstant currentの略称である。)とし、放電時はC.C.モードとした。
設定電流密度は167.2mA/gとした(電流密度1672mA/gを1Cと定義する。以下、167.2mA/gを0.1Cと示す。)。
カットオフ電圧については、下限を1.0V、上限を3.0Vとした。
なお、充放電試験は25℃の環境にて行った。
充電容量、及び放電容量は、硫黄の質量当たりで定義した。
100サイクル目の放電容量(mAh/g-sulfur)を下記表2に示す。
なお、サイクル効率は下記式によって算出した。
サイクル効率(%)=((充電容量(mAh/g-sulfur))/(放電容量(mAh/g-sulfur)))×100
[Charging and discharging test]
A constant current charging/discharging test was performed using the active material (positive electrode) as a working electrode.
The charging mode is C.I. C. (C.C. is an abbreviation for constant current.), and the C.C. C. mode.
The set current density was 167.2 mA/g (current density of 1672 mA/g is defined as 1C. Hereinafter, 167.2 mA/g is referred to as 0.1C).
The cut-off voltage has a lower limit of 1.0V and an upper limit of 3.0V.
Note that the charge/discharge test was performed in an environment of 25°C.
Charge capacity and discharge capacity were defined per mass of sulfur.
Table 2 below shows the discharge capacity (mAh/g-sulfur) at the 100th cycle.
The cycle efficiency was calculated by the following formula.
Cycle efficiency (%) = ((charge capacity (mAh/g-sulfur)) / (discharge capacity (mAh/g-sulfur))) × 100
〔窒素含有炭素材料の製造例〕
(アズルミン酸の製造)
水350gに青酸150gを溶解させた水溶液を容器中で調製し、この水溶液を攪拌しながら、25%アンモニア水溶液120gを10分かけて添加し、得られた混合液を35℃に加熱した。すると、青酸の重合が始まり黒褐色の重合物が析出し始め、温度は徐々に上昇し45℃となった。
重合が始まってから2時間後、30質量%青酸水溶液を200g/時間の速度で添加し始め、4時間かけて800g添加した。
青酸水溶液の添加中は容器を冷却して反応温度が50℃を維持するように制御した。この温度で重合反応液を100時間攪拌した。
得られた黒色沈殿物をろ過によって分離した。このときの沈殿物の収率は、用いた青酸の全量に対して96質量%であった。分離後の沈殿物を水洗した後、乾燥器にて120℃で4時間乾燥させて、アズルミン酸を得た。
得られたアズルミン酸について、ジェイサイエンスラボ社製の元素分析装置(商品名「MICRO CORDER JM10」)を用い、2500μgのアズルミン酸試料を試料台に充填してCHN分析を行った。
試料炉の温度を950℃、燃焼炉(酸化銅触媒)の温度を850℃、還元炉(銀粒+酸化銅のゾーン、還元銅のゾーンと酸化銅のゾーンとから成る)の温度を550℃に設定した。また、酸素流量を15mL/分、He流量を150mL/分に設定した。検出器としてTCDを用いた。
アンチピリン(Antipyrine)を用いてマニュアルに記載の方法でキャリブレーションを行った。
その結果、上記のようにして得られたアズルミン酸の組成は、炭素元素40.0質量%、窒素元素29.8質量%、水素元素4.1質量%であった。
ここで、上述の乾燥条件では吸着水が残存するため、差分は主に吸着水中の酸素元素と水素元素とに由来するものと考えられる。
[Production example of nitrogen-containing carbon material]
(Production of azulmic acid)
An aqueous solution in which 150 g of hydrocyanic acid was dissolved in 350 g of water was prepared in a vessel, and 120 g of a 25% aqueous ammonia solution was added over 10 minutes while stirring the aqueous solution, and the resulting mixture was heated to 35°C. Then, the polymerization of hydrocyanic acid started and a dark brown polymer began to precipitate, and the temperature gradually rose to 45°C.
Two hours after the polymerization started, addition of 30% by mass hydrocyanic acid aqueous solution was started at a rate of 200 g/hour, and 800 g was added over 4 hours.
During the addition of the hydrocyanic acid aqueous solution, the vessel was cooled to keep the reaction temperature at 50°C. The polymerization reaction solution was stirred at this temperature for 100 hours.
The resulting black precipitate was separated by filtration. The yield of the precipitate at this time was 96% by mass with respect to the total amount of hydrocyanic acid used. After the separated precipitate was washed with water, it was dried in a dryer at 120° C. for 4 hours to obtain azulmic acid.
The resulting azulmic acid was subjected to CHN analysis using an elemental analyzer (trade name: "MICRO CORDER JM10") manufactured by Jay Science Lab, with 2500 µg of an azulmic acid sample filled on a sample table.
The temperature of the sample furnace is 950°C, the temperature of the combustion furnace (copper oxide catalyst) is 850°C, and the temperature of the reduction furnace (composed of silver particles + copper oxide zone, reduced copper zone and copper oxide zone) is 550°C. set to Also, the oxygen flow rate was set to 15 mL/min, and the He flow rate was set to 150 mL/min. A TCD was used as the detector.
Calibration was performed using Antipyrine by the method described in the manual.
As a result, the composition of the azulmic acid obtained as described above was 40.0% by mass of carbon elements, 29.8% by mass of nitrogen elements, and 4.1% by mass of hydrogen elements.
Here, since the adsorbed water remains under the above drying conditions, it is considered that the difference is mainly derived from the oxygen element and the hydrogen element in the adsorbed water.
(窒素含有炭素材料の製造)
上述のようにして得られたアズルミン酸6.7gを内径25mmの石英管に充填し、大気圧下、500Ncc/min.の窒素気流中で1時間20分かけて800℃まで昇温し、800℃で1時間ホールドして炭化処理をして、続いて遊星ボールミルにて粉砕して、窒素含有炭素材料を得た。
<CHN分析法>
窒素含有炭素材料のCHN分析結果を下記表1に示す。
<XPS分析法>
窒素含有炭素材料のXPS分析結果を下記表1に示す。
(Manufacture of nitrogen-containing carbon material)
A quartz tube having an inner diameter of 25 mm was filled with 6.7 g of azulmic acid obtained as described above, and the pressure was increased to 500 Ncc/min under atmospheric pressure. The temperature was raised to 800° C. over 1 hour and 20 minutes in a nitrogen stream of , and held at 800° C. for 1 hour for carbonization, followed by pulverization in a planetary ball mill to obtain a nitrogen-containing carbon material.
<CHN analysis method>
The CHN analysis results of the nitrogen-containing carbon materials are shown in Table 1 below.
<XPS analysis method>
Table 1 below shows the XPS analysis results of the nitrogen-containing carbon material.
〔比較例1〕
(賦活方法、及び多孔質炭素材料の製造)
上述した〔窒素含有炭素材料の製造例〕で得られた窒素含有炭素材料2gを、水酸化カリウム4gと純水の混合溶液20mLに加え、沈殿を防ぐために撹拌させながら、100℃で水を除去した。
その後、石英ボートに試料を移し、横型管状炉の石英管に入れ、アルゴンガスを流量500Ncc/minで流し、5分間放置することでガス交換を行った。交換後、15分かけて150℃まで昇温し、150℃で1時間加熱処理することで、内容物を乾燥させた。
その後、800℃まで1時間かけて昇温し、1時間加熱処理を行い、その後に降温して内容物を回収した。
内容物を0.3Lの水で水洗し、さらに1mol/Lの塩酸水溶液0.5Lで水洗し、その後、水で炉液がほぼ中性になるまで水洗し、濾過で回収し、乾燥させて多孔質炭素材料を得た。
本操作を反復して多孔質炭素材料を量産した。
[Comparative Example 1]
(Activation method and production of porous carbon material)
Add 2 g of the nitrogen-containing carbon material obtained in the above [Production Example of Nitrogen-Containing Carbon Material] to 20 mL of a mixed solution of 4 g of potassium hydroxide and pure water, and remove water at 100 ° C. while stirring to prevent precipitation. did.
After that, the sample was transferred to a quartz boat, placed in a quartz tube of a horizontal tubular furnace, argon gas was flowed at a flow rate of 500 Ncc/min, and left for 5 minutes to perform gas exchange. After the replacement, the temperature was raised to 150° C. over 15 minutes, and heat treatment was performed at 150° C. for 1 hour to dry the contents.
After that, the temperature was raised to 800° C. over 1 hour, heat treatment was performed for 1 hour, and then the temperature was lowered and the contents were collected.
The contents were washed with 0.3 L of water, further washed with 0.5 L of 1 mol/L hydrochloric acid aqueous solution, then washed with water until the filtrate became almost neutral, collected by filtration, and dried. A porous carbon material was obtained.
This operation was repeated to mass-produce porous carbon materials.
<XPS分析>
多孔質炭素材料のXPS分析結果を下記表2に示す。
窒素含有量の減少率は85質量%であった。
<XPS analysis>
Table 2 below shows the XPS analysis results of the porous carbon material.
The nitrogen content reduction rate was 85% by mass.
<比表面積・細孔容積・細孔分布の測定>
多孔質炭素材料の比表面積、及び細孔容積の測定結果を下記表2に示す。
細孔分布の分析結果を図3に示す。
<Measurement of specific surface area, pore volume, and pore distribution>
Table 2 below shows the measurement results of the specific surface area and pore volume of the porous carbon material.
FIG. 3 shows the analysis results of the pore distribution.
<ラマン分析>
多孔質炭素材料のラマン分析結果を図4、解析結果を表2に示す。
<Raman analysis>
FIG. 4 shows the Raman analysis results of the porous carbon material, and Table 2 shows the analysis results.
<多孔質炭素材料と硫黄との複合体の製造方法、及び硫黄含有量の測定>
上述のようにして製造した多孔質炭素材料0.43gを用いて、多孔質炭素材料:硫黄=35:65の質量比で混合した後、内径20mm、高さ60mmの密閉容器中で、155℃で5時間保持することで、硫黄を融解させ、毛細管現象によって多孔質炭素材料の細孔内へ充填させた。
その後、そのまま300℃まで昇温し、2時間保持し、多孔質炭素材料の表面に残留した硫黄を蒸発させて除去し、室温まで空冷し、容器を開放して多孔質炭素材料と硫黄との複合体を得た。
複合化の工程は全て大気下で行った。
得られた多孔質炭素材料と硫黄との複合体の硫黄含有量を熱重量分析(TG)で測定した。測定結果を表2に示す。
<Method for producing composite of porous carbon material and sulfur, and measurement of sulfur content>
After mixing 0.43 g of the porous carbon material produced as described above at a mass ratio of porous carbon material: sulfur = 35:65, the mixture was heated to 155°C in a sealed container having an inner diameter of 20 mm and a height of 60 mm. By holding at for 5 hours, sulfur was melted and filled into the pores of the porous carbon material by capillary action.
After that, the temperature is raised to 300° C. and held for 2 hours to evaporate and remove the sulfur remaining on the surface of the porous carbon material, air-cooled to room temperature, and the container is opened to allow the porous carbon material and sulfur to mix. A complex was obtained.
All the compounding steps were performed in the atmosphere.
The sulfur content of the resulting composite of porous carbon material and sulfur was measured by thermogravimetric analysis (TG). Table 2 shows the measurement results.
<充放電試験>
上述の〔充放電試験〕を0.1Cで実施した。サイクル特性の評価結果を図5に示す。100サイクル目の放電容量を表2に示す。
<Charging and discharging test>
The above [charge/discharge test] was performed at 0.1C. FIG. 5 shows the evaluation results of cycle characteristics. Table 2 shows the discharge capacity at the 100th cycle.
〔実施例1〕
(多孔質炭素材料の製造)
上述した〔比較例1〕で製造した多孔質炭素材料2gを石英ボートに入れボックス炉に設置した。
ボックス炉を真空脱気したのちに窒素ガスで置換した。
この操作を2回繰り返したのちに、窒素流量1000Ncc/minで流し、10℃/min.で1000℃まで昇温し、1000℃で1時間保持した。
その後に降温して内容物を回収し、多孔質炭素材料を得た。
[Example 1]
(Manufacturing of porous carbon material)
2 g of the porous carbon material produced in [Comparative Example 1] described above was placed in a quartz boat and placed in a box furnace.
The box furnace was vacuum degassed and then replaced with nitrogen gas.
After repeating this operation twice, the nitrogen flow rate was 1000 Ncc/min, and the temperature was changed to 10° C./min. was raised to 1000° C. and held at 1000° C. for 1 hour.
After that, the temperature was lowered and the content was recovered to obtain a porous carbon material.
<XPS分析>
多孔質炭素材料のXPS分析結果を下記表2に示す。
<XPS analysis>
Table 2 below shows the XPS analysis results of the porous carbon material.
<比表面積・細孔容積・細孔分布の測定>
多孔質炭素材料の比表面積、及び細孔容積の測定結果を下記表2に示す。
細孔分布の分析結果を図3に示す。
<Measurement of specific surface area, pore volume, and pore distribution>
Table 2 below shows the measurement results of the specific surface area and pore volume of the porous carbon material.
FIG. 3 shows the analysis results of the pore distribution.
<ラマン分析>
多孔質炭素材料のラマン分析結果を図4、解析結果を下記表2に示す。
<Raman analysis>
The Raman analysis results of the porous carbon material are shown in FIG. 4, and the analysis results are shown in Table 2 below.
<SEMの測定>
測定結果を図6に示す。
<SEM measurement>
The measurement results are shown in FIG.
<多孔質炭素材料と硫黄との複合体の製造方法、及び硫黄含有量の測定>
多孔質炭素材料:硫黄=35:65の質量比に代えて43:57にした。その他の条件は、比較例1の(多孔質炭素材料と硫黄との複合体の製造方法)を反復して、多孔質炭素材料と硫黄との複合体を得た。
得られた多孔質炭素材料と硫黄との複合体の硫黄含有量を熱重量分析(TG)で測定した。測定結果を表2に示す。
<Method for producing composite of porous carbon material and sulfur, and measurement of sulfur content>
The mass ratio of porous carbon material: sulfur was changed to 43:57 instead of 35:65. For other conditions, the method for producing a composite of porous carbon material and sulfur in Comparative Example 1 was repeated to obtain a composite of porous carbon material and sulfur.
The sulfur content of the resulting composite of porous carbon material and sulfur was measured by thermogravimetric analysis (TG). Table 2 shows the measurement results.
<充放電試験>
上述の〔充放電試験〕を0.1Cで実施した。サイクル特性の評価結果を図5に示す。100サイクル目の放電容量を表2に示す。
<Charging and discharging test>
The above [charge/discharge test] was performed at 0.1C. FIG. 5 shows the evaluation results of cycle characteristics. Table 2 shows the discharge capacity at the 100th cycle.
〔実施例2〕
(多孔質炭素材料の製造)
昇温の温度条件を、1000℃代えて1200℃にした。その他の条件は〔実施例1〕の熱処理方法を反復して多孔質炭素材料を得た。
[Example 2]
(Manufacturing of porous carbon material)
The temperature condition for raising the temperature was changed from 1000°C to 1200°C. For other conditions, the heat treatment method of [Example 1] was repeated to obtain a porous carbon material.
<XPS分析>
多孔質炭素材料のXPS分析結果を下記表2に示す。
<XPS analysis>
Table 2 below shows the XPS analysis results of the porous carbon material.
<比表面積・細孔容積・細孔分布の測定>
多孔質炭素材料の比表面積、及び細孔容積の測定結果を下記表2に示す。
細孔分布の分析結果を図3に示す。
<Measurement of specific surface area, pore volume, and pore distribution>
Table 2 below shows the measurement results of the specific surface area and pore volume of the porous carbon material.
FIG. 3 shows the analysis results of the pore distribution.
<ラマン分析>
多孔質炭素材料のラマン分析結果を図4、解析結果を下記表2に示す。
<Raman analysis>
The Raman analysis results of the porous carbon material are shown in FIG. 4, and the analysis results are shown in Table 2 below.
<多孔質炭素材料と硫黄との複合体の製造方法、及び硫黄含有量の測定>
多孔質炭素材料:硫黄=35:65の質量比に代えて43:57にした。その他の条件は、比較例1の(多孔質炭素材料と硫黄との複合体の製造方法)を反復して、多孔質炭素材料と硫黄との複合体を得た。
得られた多孔質炭素材料と硫黄との複合体の硫黄含有量を熱重量分析(TG)で測定した。測定結果を表2に示す。
<Method for producing composite of porous carbon material and sulfur, and measurement of sulfur content>
The mass ratio of porous carbon material: sulfur was changed to 43:57 instead of 35:65. For other conditions, the method for producing a composite of porous carbon material and sulfur in Comparative Example 1 was repeated to obtain a composite of porous carbon material and sulfur.
The sulfur content of the resulting composite of porous carbon material and sulfur was measured by thermogravimetric analysis (TG). Table 2 shows the measurement results.
<充放電試験>
上述の〔充放電試験〕を0.1Cで実施した。サイクル特性の評価結果を図5に示す。100サイクル目の放電容量を表2に示す。
<Charging and discharging test>
The above [charge/discharge test] was performed at 0.1C. FIG. 5 shows the evaluation results of cycle characteristics. Table 2 shows the discharge capacity at the 100th cycle.
〔実施例3〕
(多孔質炭素材料の製造)
昇温の温度条件を、1000℃代えて1400℃にした。その他の条件は〔実施例1〕の熱処理方法を反復して多孔質炭素材料を得た。
[Example 3]
(Manufacturing of porous carbon material)
The temperature condition for raising the temperature was changed from 1000°C to 1400°C. For other conditions, the heat treatment method of [Example 1] was repeated to obtain a porous carbon material.
<XPS分析>
多孔質炭素材料のXPS分析結果を下記表2に示す。
<XPS analysis>
Table 2 below shows the XPS analysis results of the porous carbon material.
<比表面積・細孔容積・細孔分布の測定>
多孔質炭素材料の比表面積、及び細孔容積の測定結果を下記表2に示す。
細孔分布の分析結果を図3に示す。
<Measurement of specific surface area, pore volume, and pore distribution>
Table 2 below shows the measurement results of the specific surface area and pore volume of the porous carbon material.
FIG. 3 shows the analysis results of the pore distribution.
<ラマン分析>
多孔質炭素材料のラマン分析結果を図4、解析結果を下記表2に示す。
<Raman analysis>
The Raman analysis results of the porous carbon material are shown in FIG. 4, and the analysis results are shown in Table 2 below.
<多孔質炭素材料と硫黄との複合体の製造方法、及び硫黄含有量の測定>
多孔質炭素材料:硫黄=35:65の質量比に代えて、46:54にした。その他の条件は、比較例1の(多孔質炭素材料と硫黄との複合体の製造方法)を反復して、多孔質炭素材料と硫黄との複合体を得た。
得られた多孔質炭素材料と硫黄との複合体の硫黄含有量を熱重量分析(TG)で測定した。測定結果を表2に示す。
<Method for producing composite of porous carbon material and sulfur, and measurement of sulfur content>
The mass ratio of porous carbon material: sulfur was changed to 46:54 instead of 35:65. For other conditions, the method for producing a composite of porous carbon material and sulfur in Comparative Example 1 was repeated to obtain a composite of porous carbon material and sulfur.
The sulfur content of the resulting composite of porous carbon material and sulfur was measured by thermogravimetric analysis (TG). Table 2 shows the measurement results.
<充放電試験>
上述の〔充放電試験〕を0.1Cで実施した。サイクル特性の評価結果を図5に示す。100サイクル目の放電容量を表2に示す。
<Charging and discharging test>
The above [charge/discharge test] was performed at 0.1C. FIG. 5 shows the evaluation results of cycle characteristics. Table 2 shows the discharge capacity at the 100th cycle.
図5から、実施例1~3の多孔質炭素材料と硫黄との複合体は、リチウム硫黄電池の正極として使用した場合、硫黄質量当たりの放電容量、硫黄と炭素材料を含む正極材料当たりの放電容量が大きく、かつ繰り返し充放電しても放電容量が大きく、優れたサイクル特性を有することが分かった。 From FIG. 5, when the porous carbon material and sulfur composites of Examples 1 to 3 were used as the positive electrode of a lithium-sulfur battery, the discharge capacity per mass of sulfur, the discharge per positive electrode material containing sulfur and the carbon material It was found that the battery has a large capacity, a large discharge capacity even after repeated charging and discharging, and excellent cycle characteristics.
本発明の多孔質炭素材料と硫黄との複合体はリチウム硫黄電池の正極として、産業上の利用可能性がある。
また、本発明の多孔質炭素材料は、上記リチウム硫黄電池の正極の原料として産業上の利用可能性がある。
The composite of the porous carbon material and sulfur of the present invention has industrial applicability as a positive electrode for lithium-sulfur batteries.
In addition, the porous carbon material of the present invention has industrial applicability as a raw material for the positive electrode of the lithium-sulfur battery.
Claims (11)
窒素吸脱着法のBET法で得られる比表面積が1000~1800m2/gであり、
窒素吸脱着法の急冷固相密度関数法(QSDFT)により得られる細孔容積が0.50
~0.80cm3/gであり、
波数800~1900cm -1 のレーザーラマンスペクトル図において、
1250~1385cm -1 の間にピークP1を有し、
1550~1620cm -1 の間にピークP2を有し、
前記P1とP2の間の、最小点Mのベースラインからの高さLと、P1のベースライン
からの高さH1の比(L/H1)が0.25~0.54である、
多孔質炭素材料。 The nitrogen content is 0.2 to 2.0% by mass,
The specific surface area obtained by the BET method of nitrogen adsorption and desorption is 1000 to 1800 m 2 /g,
The pore volume obtained by the quenching solid phase density function method (QSDFT) of the nitrogen adsorption and desorption method is 0.50
~0.80 cm 3 /g ,
In the laser Raman spectrum diagram with a wavenumber of 800 to 1900 cm -1 ,
having a peak P1 between 1250 and 1385 cm -1 ,
having a peak P2 between 1550 and 1620 cm -1 ;
The height L from the baseline of the minimum point M between the P1 and P2 and the baseline of P1
The ratio of the height H1 from the (L/H1) is 0.25 to 0.54,
Porous carbon material.
窒素含有炭素材料を薬品賦活する工程と、
前記薬品賦活後に、不活性ガス中で熱処理する工程を有する、
多孔質炭素材料の製造方法。 A method for producing a porous carbon material according to claim 1 ,
a step of chemically activating the nitrogen-containing carbon material;
Having a step of heat-treating in an inert gas after the chemical activation,
A method for producing a porous carbon material.
下記式(I):
窒素含有量の減少率(質量%)=((B-A)/B)×100 (I)
(式(I)において、Aは前記薬品賦活する工程後の多孔質炭素材料中のXPSで測定される窒素含有量(質量%)であり、Bは前記窒素含有炭素材料中のXPSで測定される窒素含有量(質量%)である。)において、
70~99質量%である、請求項2又は3に記載の多孔質炭素材料の製造方法。 The reduction rate of the nitrogen content in the chemical activation step is
Formula (I) below:
Reduction rate of nitrogen content (mass%) = ((B-A) / B) × 100 (I)
(In formula (I), A is the nitrogen content (% by mass) measured by XPS in the porous carbon material after the chemical activation step , and B is the nitrogen content measured by XPS in the nitrogen-containing carbon material. is the nitrogen content (mass%) in
7. The method for producing a porous carbon material according to claim 2 or 3 , wherein the content is 0 to 99% by mass.
請求項2乃至5のいずれか一項に記載の多孔質炭素材料の製造方法。 the chemical activation is alkali activation;
The method for producing a porous carbon material according to any one of claims 2 to 5 .
前記多孔質炭素材料と、融点以上の温度に加熱した硫黄とを混合する混合工程を有する、
複合体の製造方法。 A method for producing the composite according to claim 7 or 8 ,
A mixing step of mixing the porous carbon material and sulfur heated to a temperature equal to or higher than the melting point;
A method for manufacturing a composite.
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