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JP7630154B2 - Electrolyte for lithium-sulfur secondary battery and lithium-sulfur secondary battery - Google Patents

Electrolyte for lithium-sulfur secondary battery and lithium-sulfur secondary battery Download PDF

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JP7630154B2 JP2020187052A JP2020187052A JP7630154B2 JP 7630154 B2 JP7630154 B2 JP 7630154B2 JP 2020187052 A JP2020187052 A JP 2020187052A JP 2020187052 A JP2020187052 A JP 2020187052A JP 7630154 B2 JP7630154 B2 JP 7630154B2
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Description

本発明は、リチウム-硫黄系二次電池用電解液およびリチウム-硫黄系二次電池に関する。 The present invention relates to an electrolyte for lithium-sulfur secondary batteries and lithium-sulfur secondary batteries.

リチウムイオン二次電池は、高エネルギー密度を有し、高電圧下で動作することができ、自己放電が少ないため長寿命である等の優れた性能を有する二次電池である。近年、電気自動車等の更なる普及を図るために、より一層の高エネルギー密度を備えることが要求されている。 Lithium-ion secondary batteries are secondary batteries that have excellent performance, such as high energy density, the ability to operate under high voltages, and a long life due to low self-discharge. In recent years, there has been a demand for even higher energy density in order to promote the further spread of electric vehicles and the like.

しかし、リチウムイオン二次電池は、コバルト、マンガン、ニッケル等を使用する電池であるため、高密度エネルギー化を図る上で、資源的な制約および価格的な制約を有している。 However, because lithium-ion secondary batteries use cobalt, manganese, nickel, etc., there are resource and price constraints on achieving high energy density.

正極に硫黄を用いたリチウム-硫黄系二次電池は、リチウムイオン二次電池よりも格段に大きい放電容量を得ることができる。加えて、硫黄は資源として豊富に存在するため、前記コバルト、マンガン、ニッケル等と比較して安価であり、入手が容易である。それゆえ、リチウム-硫黄系二次電池は次世代の二次電池として注目されている。 Lithium-sulfur secondary batteries, which use sulfur in the positive electrode, can achieve a much larger discharge capacity than lithium-ion secondary batteries. In addition, sulfur is an abundant resource, so it is cheaper and easier to obtain than the aforementioned cobalt, manganese, nickel, etc. For this reason, lithium-sulfur secondary batteries are attracting attention as the next generation of secondary batteries.

一方、硫黄は電子伝導性を有さない絶縁体である。そのため、硫黄を電子伝導性物質と複合化させる方法が提案されている。非特許文献1には、前記電子伝導性物質の例として、カーボンナノチューブ、グラフェン、多孔性炭素、導電性ポリマー、ポリアクリロニトリル、金属酸化物等が提案されている。前記電子伝導性物質を用いた例としては、特許文献1に開示されるような、多孔性炭素のナノ多孔性内に硫黄を吸着させた電極材料が挙げられる。 On the other hand, sulfur is an insulator that does not have electronic conductivity. Therefore, a method of combining sulfur with an electronically conductive substance has been proposed. Non-Patent Document 1 proposes carbon nanotubes, graphene, porous carbon, conductive polymers, polyacrylonitrile, metal oxides, and the like as examples of the electronically conductive substance. An example of the use of the electronically conductive substance is an electrode material in which sulfur is adsorbed into the nanoporosity of porous carbon, as disclosed in Patent Document 1.

特許文献2には、リチウム-硫黄系二次電池の電極に使用するためのバインダが開示されており、硫黄と多孔性炭素との複合体を正極用材料として用いることも開示されている。 Patent Document 2 discloses a binder for use in electrodes of lithium-sulfur secondary batteries, and also discloses the use of a composite of sulfur and porous carbon as a positive electrode material.

一方、リチウム-硫黄系二次電池では、放電時に、負極においてリチウム金属が酸化され、リチウムイオンが電解液に溶解する。当該リチウムイオンは、正極において硫黄と反応し、反応中間生成物である多硫化リチウム(リチウムポリスルフィド)を経て、硫化リチウム(LiS)に還元される。 On the other hand, in lithium-sulfur secondary batteries, during discharge, lithium metal is oxidized at the negative electrode, and lithium ions dissolve in the electrolyte. The lithium ions react with sulfur at the positive electrode, and are reduced to lithium sulfide (Li 2 S) via lithium polysulfide, which is an intermediate reaction product.

しかし、前記多硫化リチウムは電解液中に溶出しやすいため、いわゆるレドックスシャトルによって自己放電を生じさせ、リチウム-硫黄系二次電池の急激な容量減衰および充放電効率の低下を招く。 However, the lithium polysulfide easily dissolves in the electrolyte, causing self-discharge through the so-called redox shuttle, leading to rapid capacity loss and reduced charge/discharge efficiency in lithium-sulfur secondary batteries.

特許文献3には、前記多硫化リチウムの溶出を抑制する技術として、硫黄と多孔性炭素との複合体を正極用材料として用いるリチウム-硫黄系二次電池の電解液であって、フッ素化エーテルを含有する電解液が開示されている。 Patent Document 3 discloses an electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery that uses a composite of sulfur and porous carbon as a positive electrode material, the electrolyte containing a fluorinated ether, as a technology for suppressing the elution of the lithium polysulfide.

特開2013-118191号公報JP 2013-118191 A 特開2016-100094号公報JP 2016-100094 A 国際公開第2018/163778号International Publication No. 2018/163778

X. Ji, K. T. Lee and L. F. Nazar, “A highly ordered nanostructured carbon-sulphur cathode for lithium-sulphur batteries”, Nature Materials. 8 (2009) 500.X. Ji, K. T. Lee and L. F. Nazar, “A highly ordered nanostructured carbon-sulfur cathode for lithium-sulfur batteries”, Nature Materials. 8 (2009) 500.

ここで、多孔性炭素と硫黄との複合材料を正極用材料として用いる場合、多孔性炭素における硫黄の担持量が多いほど、リチウム-硫黄系二次電池のエネルギー密度を大きくすることができるため好ましいと言える。そして、多くの硫黄を担持するという観点からは、前記多孔性炭素の孔径は大きい方が好ましいと言える。 Here, when a composite material of porous carbon and sulfur is used as a positive electrode material, it can be said that the larger the amount of sulfur supported in the porous carbon, the higher the energy density of the lithium-sulfur secondary battery can be, which is preferable. From the viewpoint of supporting a large amount of sulfur, it can be said that the larger the pore size of the porous carbon, the more preferable it is.

しかし、本発明者は、前記複合体を正極用材料として用い、かつ、前記多孔性炭素が2nm以上の細孔を有するリチウム-硫黄系二次電池に対して、エチレンカーボネートを電解液の溶媒として用いた場合、充放電特性を得ることができないという問題が生じることを見出した。エチレンカーボネートは、リチウムイオン二次電池において、一般的に使用されている電解液の溶媒である。 However, the inventors discovered that when ethylene carbonate is used as a solvent for the electrolyte in a lithium-sulfur secondary battery in which the composite is used as a positive electrode material and the porous carbon has pores of 2 nm or more, a problem occurs in which charge/discharge characteristics cannot be obtained. Ethylene carbonate is a solvent for electrolytes that is commonly used in lithium-ion secondary batteries.

特許文献1及び非特許文献1は、前記複合材料について言及しているが、電解液と充放電特性との間の前記問題について何ら言及していないため、前記問題を解決することはできない。 Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 refer to the composite material, but make no mention of the problem between the electrolyte and the charge/discharge characteristics, and therefore cannot solve the problem.

特許文献2は、前記多孔性炭素としてミクロ多孔性カーボンを用いること、および、電解液に用いる好ましい溶媒としてエチレンカーボネートを用いることを開示しているに過ぎない。特許文献2は、前記多孔性炭素が2nm以上の細孔を有する場合の問題については何ら認識していないため、前記問題を解決することはできない。 Patent Document 2 merely discloses the use of microporous carbon as the porous carbon and the use of ethylene carbonate as a preferred solvent for the electrolyte. Patent Document 2 does not acknowledge any problems that arise when the porous carbon has pores of 2 nm or more, and therefore is unable to solve the problems.

特許文献3には、特許文献3に記載のリチウム-硫黄系二次電池の電解液が、リチウムポリスルフィドの中でもLiの生成を抑制し得ることが開示されている。しかしながら、後述するように、本発明者は、当該電解液を用いたリチウム-硫黄系二次電池は、充放電特性の分極について改善の余地があることを見出している。 Patent Document 3 discloses that the electrolyte of the lithium-sulfur secondary battery described therein can suppress the production of Li 2 S 8 among lithium polysulfides. However, as described below, the present inventors have found that the lithium-sulfur secondary battery using the electrolyte has room for improvement in terms of polarization of the charge/discharge characteristics.

そこで、本発明の一態様は、孔径が2nm以上の細孔を含む多孔性炭素と硫黄との複合材料からのリチウムポリスルフィドの溶出を抑制し、かつ、リチウム-硫黄系二次電池の充放電特性を大きく向上させることができるリチウム-硫黄系二次電池用の電解液を提供することを目的とする。 Therefore, one aspect of the present invention aims to provide an electrolyte for lithium-sulfur secondary batteries that can suppress the elution of lithium polysulfide from a composite material of porous carbon and sulfur containing pores with a pore size of 2 nm or more, and can significantly improve the charge/discharge characteristics of lithium-sulfur secondary batteries.

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、クロロ基を有するエチレンカーボネートを溶媒として用いた電解液を使用することにより、前記課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of extensive research into solving the above problems, the inventors discovered that the above problems could be solved by using an electrolyte solution that uses ethylene carbonate having a chloro group as a solvent, and thus completed the present invention.

すなわち、本発明は以下の構成を含む。 That is, the present invention includes the following configurations:

<1>リチウム-硫黄系二次電池用の電解液であって、前記リチウム-硫黄系二次電池は、正極用材料として、多孔性炭素と硫黄との複合材料を備え、前記多孔性炭素は、孔径が2nm以上の細孔を含み、前記電解液の溶媒は、クロロ基を有するエチレンカーボネートを含有する、リチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <1> An electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery, the lithium-sulfur secondary battery comprising a composite material of porous carbon and sulfur as a positive electrode material, the porous carbon containing pores with a pore size of 2 nm or more, and the solvent of the electrolyte containing ethylene carbonate having a chloro group.

<2>前記多孔性炭素が有する細孔の総体積が0.4cm/g以上2.0cm/g以下である、<1>に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <2> The electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to <1>, wherein the total volume of the pores in the porous carbon is 0.4 cm 3 /g or more and 2.0 cm 3 /g or less.

<3>前記多孔性炭素が有する細孔の総体積が0.9cm/g以上2.0cm/g以下である、<2>に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <3> The electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to <2>, wherein the total volume of the pores in the porous carbon is 0.9 cm 3 /g or more and 2.0 cm 3 /g or less.

<4>前記多孔性炭素の細孔中に担持される硫黄の重量が、前記多孔性炭素の重量と、前記硫黄の重量との合計に対して30重量%以上、90重量%以下である、<1>~<3>のいずれかに記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <4> An electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to any one of <1> to <3>, in which the weight of sulfur supported in the pores of the porous carbon is 30% by weight or more and 90% by weight or less of the total weight of the porous carbon and the sulfur.

<5>前記多孔性炭素の細孔中に担持される硫黄の重量が、前記多孔性炭素の重量と、前記硫黄の重量との合計に対して50重量%以上、90%重量%以下である、<4>に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <5> The electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to <4>, in which the weight of sulfur supported in the pores of the porous carbon is 50% by weight or more and 90% by weight or less of the total weight of the porous carbon and the sulfur.

<6>前記多孔性炭素が有する細孔の総量に対する、孔径が2nm以上である細孔の量の割合が5%以上100%以下である、<1>~<5>のいずれかに記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <6> An electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to any one of <1> to <5>, in which the ratio of the amount of pores having a pore diameter of 2 nm or more to the total amount of pores in the porous carbon is 5% or more and 100% or less.

<7>前記孔径が2nm以上である細孔の量の割合が40%以上100%以下である、<6>に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <7> An electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to <6>, in which the proportion of pores having a pore diameter of 2 nm or more is 40% or more and 100% or less.

<8>前記溶媒におけるクロロ基を有するエチレンカーボネートの含有量が20重量%以上100重量%以下である、<1>~<7>のいずれかに記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <8> An electrolyte solution for a lithium-sulfur secondary battery according to any one of <1> to <7>, in which the content of ethylene carbonate having a chloro group in the solvent is 20% by weight or more and 100% by weight or less.

<9>前記溶媒におけるクロロ基を有するエチレンカーボネートの含有量が30重量%以上100重量%以下である、<8>に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <9> The electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to <8>, in which the content of ethylene carbonate having a chloro group in the solvent is 30% by weight or more and 100% by weight or less.

<10>前記溶媒が、ビニレンカーボネート、ハイドロフルオロエーテル、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、炭酸ジエチル、およびフルオロエチレンカーボネートから選択される1種類以上を含む、<1>~<9>のいずれかに記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 <10> An electrolyte solution for a lithium-sulfur secondary battery according to any one of <1> to <9>, wherein the solvent contains one or more selected from vinylene carbonate, hydrofluoroether, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, and fluoroethylene carbonate.

<11><1>~<10>のいずれかに記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液を含み、多孔性炭素と硫黄との複合材料を正極用材料として用い、前記多孔性炭素は孔径が2nm以上の細孔を含む、リチウム-硫黄系二次電池。 <11> A lithium-sulfur secondary battery comprising the electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to any one of <1> to <10>, a composite material of porous carbon and sulfur is used as a positive electrode material, and the porous carbon contains pores with a pore diameter of 2 nm or more.

本発明の一態様によれば、孔径が2nm以上の細孔を含む多孔性炭素と、硫黄との複合材料を正極用材料として用いた場合であっても、当該複合材料からのリチウムポリスルフィドの溶出を効果的に抑制することができる。また、本発明の一態様によれば、優れた充放電特性を有するリチウム-硫黄系二次電池を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, even when a composite material of porous carbon containing pores with a pore size of 2 nm or more and sulfur is used as a positive electrode material, it is possible to effectively suppress the elution of lithium polysulfide from the composite material. In addition, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a lithium-sulfur secondary battery with excellent charge/discharge characteristics.

実施例および比較例で調製したリチウム-硫黄系二次電池の充放電試験の結果を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the results of a charge-discharge test of the lithium-sulfur secondary batteries prepared in the examples and comparative examples. 実施例および比較例で調製したリチウム-硫黄系二次電池を、サイクル特性試験に供した結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of a cycle characteristic test of the lithium-sulfur secondary batteries prepared in the examples and comparative examples. 実施例および比較例で調製したリチウム-硫黄系二次電池を、サイクル特性試験に供した結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of a cycle characteristic test of the lithium-sulfur secondary batteries prepared in the examples and comparative examples. 実施例で調製したリチウム-硫黄系二次電池を、サイクル特性試験に供した結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of a cycle characteristic test of the lithium-sulfur secondary batteries prepared in the examples.

以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、記述した範囲内で種々の変更が可能である。例えば、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。なお、本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「A~B」は、「A以上、B以下」を意図する。 One embodiment of the present invention is described in detail below. However, the present invention is not limited to this, and various modifications are possible within the scope described. For example, embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in different embodiments are also included in the technical scope of the present invention. In addition, unless otherwise specified in this specification, "A to B" representing a numerical range means "A or more, B or less."

〔1.リチウム-硫黄系二次電池用の電解液〕
本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池用の電解液は、リチウム-硫黄系二次電池用の電解液であって、前記リチウム-硫黄系二次電池は、正極用材料として、多孔性炭素と硫黄との複合材料を備え、前記多孔性炭素は、孔径が2nm以上の細孔を含み、前記電解液の溶媒は、クロロ基を有するエチレンカーボネートを含有する。
[1. Electrolyte for Lithium-Sulfur Secondary Batteries]
An electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to one embodiment of the present invention is an electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery, the lithium-sulfur secondary battery comprising a composite material of porous carbon and sulfur as a positive electrode material, the porous carbon including pores having a pore size of 2 nm or more, and a solvent for the electrolyte including ethylene carbonate having a chloro group.

(1-1.リチウム-硫黄系二次電池の正極用材料)
本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池用の電解液を用いる前記リチウム-硫黄系二次電池は、正極用材料として、多孔性炭素と硫黄との複合材料を備える。本明細書において正極用材料とは、正極を作製するために集電体に塗布もしくは充填される材料であり、正極活物質、導電助剤、バインダ等を含有する。
(1-1. Positive electrode materials for lithium-sulfur secondary batteries)
The lithium-sulfur secondary battery using the electrolyte for lithium-sulfur secondary batteries according to one embodiment of the present invention includes a composite material of porous carbon and sulfur as a positive electrode material. In this specification, the positive electrode material is a material that is applied to or filled in a current collector to produce a positive electrode, and contains a positive electrode active material, a conductive assistant, a binder, and the like.

前記硫黄は、正極活物質である。前記多孔性炭素としては、特に限定されないが、樹脂、化石資源材料等を炭化後、水酸化カリウム等のアルカリによって賦活することによって得られた活性炭等を好ましく用いることができる。前記活性炭等は、比表面積および細孔の体積が大きく、かつ、硫黄を多く担持する上で好適な構造を備えているため好ましい。また、鋳型法によって炭素の細孔構造を制御した多孔性炭素も好ましく用いることができる。前記多孔性炭素は公知の方法に基づいて製造したものでもよく、市販品であってもよい。 The sulfur is a positive electrode active material. The porous carbon is not particularly limited, but may be preferably an activated carbon obtained by carbonizing a resin, a fossil resource material, or the like, and then activating it with an alkali such as potassium hydroxide. The activated carbon is preferred because it has a large specific surface area and pore volume, and has a structure suitable for supporting a large amount of sulfur. In addition, porous carbon in which the pore structure of the carbon is controlled by a template method is also preferably used. The porous carbon may be one produced based on a known method, or may be a commercially available product.

前記「多孔性炭素と硫黄との複合材料」とは、多孔性炭素が有する細孔に硫黄が担持されてなる多孔性炭素である。すなわち、多孔性炭素と硫黄との複合材料とは、ポリスルフィドを吸着した多孔性炭素も含む。なお、前記吸着は物理吸着であってもよく、化学吸着であってもよい。 The "composite material of porous carbon and sulfur" is porous carbon in which sulfur is supported in the pores of the porous carbon. In other words, the composite material of porous carbon and sulfur also includes porous carbon on which polysulfides are adsorbed. The adsorption may be physical adsorption or chemical adsorption.

前記多孔性炭素は、孔径が2nm以上の細孔を含む。多孔性炭素の細孔の形状としては、スリット状、広開孔状、連結孔等があるが、形状は特に限定されるものではない。多孔性炭素の細孔の種類としては、孔径が2nm未満のミクロ孔、孔径が2nm以上、50nm未満であるメソ孔、孔径が50nm以上であるマクロ孔がある。 The porous carbon contains pores with a pore diameter of 2 nm or more. The shape of the pores in the porous carbon can be slit-like, wide-open, connected, etc., but the shape is not particularly limited. The types of pores in the porous carbon include micropores with a pore diameter of less than 2 nm, mesopores with a pore diameter of 2 nm or more but less than 50 nm, and macropores with a pore diameter of 50 nm or more.

前述したように、特許文献2は、前記多孔性炭素としてミクロ多孔性カーボンを用いること、および、電解液に用いる好ましい溶媒としてエチレンカーボネートを用いることを開示している。 As mentioned above, Patent Document 2 discloses the use of microporous carbon as the porous carbon and the use of ethylene carbonate as a preferred solvent for the electrolyte.

特許文献2に開示されたミクロ多孔性カーボンは、細孔がミクロ孔である多孔性炭素である。この場合、エチレンカーボネートは、前記ミクロ孔に侵入することができないため、ミクロ孔に担持された硫黄がリチウムポリスルフィドとして電解液中に溶出することはない。 The microporous carbon disclosed in Patent Document 2 is a porous carbon in which the pores are micropores. In this case, ethylene carbonate cannot enter the micropores, so the sulfur supported in the micropores does not dissolve into the electrolyte as lithium polysulfide.

しかし、ミクロ孔は孔径がごく小さいため、担持することができる硫黄の量も当然少ない。そのため、ミクロ孔よりも孔径が大きいメソ孔にも硫黄を担持させ、かつ、電解液中に溶出する硫黄を少なくすることが求められる。 However, because micropores have a very small pore size, the amount of sulfur that can be supported is naturally small. Therefore, it is necessary to support sulfur in mesopores, which have a larger pore size than micropores, and to reduce the amount of sulfur that dissolves into the electrolyte.

前記多孔性炭素は、孔径が2nm以上の細孔を含むため、ミクロ孔のみを有する多孔性炭素よりも多くの硫黄を担持することができる。よって、前記リチウム-硫黄系二次電池を高密度エネルギー化することができる。 The porous carbon contains pores with a pore size of 2 nm or more, so it can support more sulfur than porous carbon that has only micropores. This allows the lithium-sulfur secondary battery to have a high energy density.

しかも、後述するように、本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池用の電解液は、溶媒としてクロロ基を有するエチレンカーボネートを含有するため、前記硫黄がリチウムポリスルフィドとして電解液中に溶出することを抑制することができる。それゆえ、本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池用の電解液は、充放電特性に優れたリチウム-硫黄系二次電池を提供することができる。 Moreover, as described below, the electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to one embodiment of the present invention contains ethylene carbonate having a chloro group as a solvent, and therefore can prevent the sulfur from dissolving into the electrolyte as lithium polysulfide. Therefore, the electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to one embodiment of the present invention can provide a lithium-sulfur secondary battery with excellent charge and discharge characteristics.

前記多孔性炭素が有する前記細孔の総体積は、硫黄を多く担持する観点から0.4cm/g~2.0cm/gであることが好ましく、0.9cm/g~2.0cm/gであることがより好ましく、1.2cm/g~2.0cm/gであることがさらに好ましい。 The total volume of the pores in the porous carbon is preferably 0.4 cm 3 /g to 2.0 cm 3 /g, more preferably 0.9 cm 3 /g to 2.0 cm 3 /g, and even more preferably 1.2 cm 3 /g to 2.0 cm 3 /g, from the viewpoint of supporting a large amount of sulfur.

前記多孔性炭素の細孔の総体積が前記範囲である場合、前記多孔性炭素に硫黄を十分に担持させることが可能であるため、リチウム-硫黄系二次電池のエネルギー密度を一層向上させることができる。 When the total volume of the pores in the porous carbon is within the above range, it is possible to sufficiently support sulfur in the porous carbon, thereby further improving the energy density of the lithium-sulfur secondary battery.

なお、細孔の体積は、例えば、Quantachrome社のAUTOSORB iQを用いて測定することができる。 The pore volume can be measured, for example, using Quantachrome's AUTOSORB iQ.

また、前記多孔性炭素の細孔中に担持される硫黄の重量は、前記多孔性炭素の重量と、前記硫黄の重量との合計に対して、30重量%以上、90%重量%以下であることが好ましく、50重量%以上、90%重量%以下であることがより好ましく、70重量%以上、90重量%以下であることがさらに好ましい。 The weight of sulfur supported in the pores of the porous carbon is preferably 30% by weight or more and 90% by weight or less, more preferably 50% by weight or more and 90% by weight or less, and even more preferably 70% by weight or more and 90% by weight or less, based on the total weight of the porous carbon and the sulfur.

また、本発明の一態様において、前記多孔性炭素の細孔中に担持される硫黄の重量は、前記多孔性炭素の重量と、前記硫黄の重量との合計に対して、70重量%以下であってもよい。 In one embodiment of the present invention, the weight of sulfur supported in the pores of the porous carbon may be 70% by weight or less of the total weight of the porous carbon and the weight of the sulfur.

前記硫黄の重量が前記範囲である場合、多孔性炭素における硫黄の担持量を十分に増やすことができるため、リチウム-硫黄系二次電池の充放電特性を向上させることができる。なお、硫黄の担持量は多いほど好ましいが、多孔性炭素の担持能力等に鑑みると、上限値は90重量%程度である。なお、硫黄の担持量は、実施例にて後述する方法によって確認することができる。 When the weight of the sulfur is within the above range, the amount of sulfur supported in the porous carbon can be increased sufficiently, thereby improving the charge/discharge characteristics of the lithium-sulfur secondary battery. Although a larger amount of sulfur is preferable, the upper limit is about 90% by weight, taking into account the support capacity of the porous carbon. The amount of sulfur supported can be confirmed by the method described later in the examples.

前記孔径が2nm以上である細孔の量の割合は、前記多孔性炭素が有する細孔の総量に対して、5%以上であることが好ましく、20%以上であることがより好ましく、40%以上であることが特に好ましい。また、前記孔径が2nm以上の細孔の量の割合は、高い程好ましく、前記多孔性炭素が有する細孔の総量に対して、20%以下よりも40%以下であることが好ましく、60%以下であることがより好ましく、80%以下であることがさらに好ましく、100%以下であることが特に好ましい。 The proportion of the amount of pores having a pore diameter of 2 nm or more is preferably 5% or more, more preferably 20% or more, and particularly preferably 40% or more, relative to the total amount of pores possessed by the porous carbon. In addition, the higher the proportion of the amount of pores having a pore diameter of 2 nm or more, the more preferable, and the proportion is preferably 40% or less rather than 20% or less, more preferably 60% or less, even more preferably 80% or less, and particularly preferably 100% or less, relative to the total amount of pores possessed by the porous carbon.

本明細書中、「細孔の量」とは、細孔の数、または細孔の体積のいずれを意味してもよい。すなわち、前記多孔性炭素が有する細孔の総量に対する、前記孔径が2nm以上である細孔の量の割合は、前記多孔性炭素が有する細孔の総数に対する、孔径が2nm以上である細孔の数の割合であってもよい。あるいは、前記多孔性炭素が有する細孔の総量に対する、前記孔径が2nm以上である細孔の量の割合は、前記多孔性炭素が有する細孔の体積の合計に対する、孔径が2nm以上である細孔の体積の割合であってもよい。 In this specification, the "amount of pores" may mean either the number of pores or the volume of the pores. That is, the ratio of the amount of pores having a pore diameter of 2 nm or more to the total amount of pores in the porous carbon may be the ratio of the number of pores having a pore diameter of 2 nm or more to the total number of pores in the porous carbon. Alternatively, the ratio of the amount of pores having a pore diameter of 2 nm or more to the total amount of pores in the porous carbon may be the ratio of the volume of pores having a pore diameter of 2 nm or more to the total volume of pores in the porous carbon.

前記割合が5%以上であることにより、ミクロ孔のみを備える多孔性炭素よりも硫黄の担持量を大きく増加させることができるため、高エネルギー密度のリチウム-硫黄系二次電池を提供することがより容易となる。 By setting the ratio to 5% or more, the amount of sulfur carried can be increased significantly compared to porous carbon with only micropores, making it easier to provide a lithium-sulfur secondary battery with high energy density.

なお、前記細孔に占めるマクロ孔の割合が多い場合は、電極の密度が低下する傾向がある。そのため、前記孔径が2nm以上の細孔は、メソ孔であることがより好ましい。 In addition, if the proportion of macropores in the pores is high, the density of the electrode tends to decrease. Therefore, it is more preferable that the pores having a pore diameter of 2 nm or more are mesopores.

前記孔径が2nm以上である細孔の数の割合、および細孔の孔径は、BET法によって前記多孔性炭素の比表面積を測定し、急冷固相密度関数法(QSDFT)によって細孔の分布および細孔の体積を測定することによって確認することができる。測定装置としては、Quantachrome社のAUTOSORB iQを用いることができる。 The proportion of the number of pores with a pore diameter of 2 nm or more and the pore diameter of the pores can be confirmed by measuring the specific surface area of the porous carbon by the BET method and measuring the pore distribution and pore volume by quenched solid phase density function method (QSDFT). Quantachrome's AUTOSORB iQ can be used as a measuring device.

前記多孔性炭素の比表面積、細孔分布、および細孔の体積の測定は、200℃で3時間真空脱気した試料について、液体窒素の温度にて、窒素の吸着等温線を測定することによって行うことができる。 The specific surface area, pore distribution, and pore volume of the porous carbon can be measured by measuring the nitrogen adsorption isotherm at liquid nitrogen temperature for a sample that has been vacuum degassed at 200°C for 3 hours.

また、前記孔径が2nm以上である細孔の体積の割合は、上記AUTOSORB iQから得られる細孔分布図によって確認することができる。 The volume ratio of pores with a pore diameter of 2 nm or more can be confirmed using the pore distribution diagram obtained from the above-mentioned AUTOSORB iQ.

前記細孔への硫黄の担持は、例えば、多孔性炭素と硫黄とを乳鉢等を用いて混合した後、得られた混合物をマッフル炉内等で加熱することによって行うことができる。硫黄としては、市販の硫黄華等を用いることができる。 The loading of sulfur into the pores can be achieved, for example, by mixing the porous carbon with sulfur in a mortar or the like, and then heating the resulting mixture in a muffle furnace or the like. Commercially available sulfur flowers or the like can be used as the sulfur.

本明細書において、硫黄の形態は特に限定されない。例えば、α硫黄(斜方硫黄)、β硫黄(単斜硫黄)、γ硫黄(単斜硫黄)、ゴム状硫黄、およびプラスチック硫黄からなる群より選択される1以上の硫黄を用いることができる。 In this specification, the form of sulfur is not particularly limited. For example, one or more sulfurs selected from the group consisting of α-sulfur (orthorhombic sulfur), β-sulfur (monoclinic sulfur), γ-sulfur (monoclinic sulfur), rubber sulfur, and plastic sulfur can be used.

前記多孔性炭素の比表面積は、硫黄を多く担持する観点から、750m/g~3300m/gであることが好ましく、1200m/g~3300m/gであることがより好ましい。 From the viewpoint of supporting a large amount of sulfur, the specific surface area of the porous carbon is preferably 750 m 2 /g to 3300 m 2 /g, and more preferably 1200 m 2 /g to 3300 m 2 /g.

前記正極用材料である導電助剤としては、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定なく使用することができる。導電助剤として、通常、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラックが使用されるが、他の導電助剤を用いてもよい。例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛等)、人造黒鉛、カーボンウイスカー、炭素繊維粉末、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金等)粉末、金属繊維、導電性セラミックス材料、カーボンナノチューブ等の導電性材料を使用してもよい。これらは単独で用いてもよく、2種類以上の混合物として用いることもできる。 The conductive assistant, which is the material for the positive electrode, can be any electronically conductive material that does not adversely affect battery performance and is not particularly limited. Carbon black such as acetylene black and ketjen black is usually used as the conductive assistant, but other conductive assistants may also be used. For example, conductive materials such as natural graphite (scale graphite, flake graphite, earthy graphite, etc.), artificial graphite, carbon whiskers, carbon fiber powder, metal (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.) powder, metal fiber, conductive ceramic material, carbon nanotubes, etc. may be used. These may be used alone or as a mixture of two or more types.

また、前記バインダとしては、例えば水系バインダを使用することができる。水系バインダは、前記多孔性炭素と硫黄との複合材料と、前記導電助剤等とを結着させることができるものであれば特に限定されない。例えば、ゴム系バインダであるスチレン-ブタジエンラバー(SBR)および分散剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)、水系バインダとしてのアルギン酸塩、並びにポリグルタミン酸塩等からなる群より選ばれるバインダを1種または2種以上用いることができる。 As the binder, for example, an aqueous binder can be used. There is no particular limitation on the aqueous binder as long as it can bind the composite material of porous carbon and sulfur with the conductive assistant, etc. For example, one or more binders selected from the group consisting of styrene-butadiene rubber (SBR) as a rubber-based binder, carboxymethyl cellulose (CMC) as a dispersant, alginate as an aqueous binder, and polyglutamate can be used.

前記正極用材料は、例えば、前記硫黄を担持した多孔性炭素と、前記導電助剤と、前記バインダとを均質に混合することによって調製することができる。当該混合の方法としては、前記硫黄を担持した多孔性炭素と、前記導電助剤とを乳鉢等に入れて混合し、得られた混合物を、更に自転・公転ミキサーを用いて撹拌する方法を挙げることができる。 The positive electrode material can be prepared, for example, by homogeneously mixing the porous carbon carrying sulfur, the conductive additive, and the binder. One method of mixing is to mix the porous carbon carrying sulfur and the conductive additive in a mortar or the like, and then further stir the resulting mixture using a rotation/revolution mixer.

(1-2.リチウム-硫黄系二次電池用の電解液)
リチウム-硫黄系二次電池用の電解液(以下、単に電解液とも称する)は、溶媒と、リチウムを含有する電解質とを含む。
(1-2. Electrolyte for Lithium-Sulfur Secondary Batteries)
The electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery (hereinafter also simply referred to as the electrolyte) contains a solvent and an electrolyte containing lithium.

前記リチウム-硫黄系二次電池用の電解液の溶媒(以下、単に電解液の溶媒とも称する)は、クロロ基を有するエチレンカーボネートを含有する。前記クロロ基を有するエチレンカーボネートのクロロ基の数は特に限定されず、1~4個であってよい。 The electrolyte solvent for the lithium-sulfur secondary battery (hereinafter also simply referred to as electrolyte solvent) contains ethylene carbonate having a chloro group. The number of chloro groups in the ethylene carbonate having a chloro group is not particularly limited and may be 1 to 4.

また、エチレンカーボネートに対するクロロ基の結合位置も特に限定されず、任意の位置に存在していてよい。すなわち、例えばエチレンカーボネート中の全ての炭素がクロロ基を1つまたは2つ有していてもよく、1つの炭素のみがクロロ基を有していてもよい。また、クロロ基が、エチレンカーボネートの炭素に直接結合せず、例えば、当該炭素にクロロメチレン基として結合していてもよい。 The bonding position of the chloro group on the ethylene carbonate is not particularly limited, and may be present at any position. That is, for example, all carbons in ethylene carbonate may have one or two chloro groups, or only one carbon may have a chloro group. Also, the chloro group may not be bonded directly to the carbon of ethylene carbonate, but may be bonded to the carbon as a chloromethylene group, for example.

クロロ基を有するエチレンカーボネートとしては、例えば、クロロエチレンカーボネート(4-クロロ-1,3-ジオキソラン-2-オン)、炭酸3-クロロプロピレン、4,4,5,5,-テトラクロロ-1,3-ジオキソラン-2-オン等が挙げられる。前記クロロ基を含むエチレンカーボネートは、1種類のみが電解液の溶媒に含まれていてもよいし、2種類以上が含まれていてもよい。 Examples of ethylene carbonates having a chloro group include chloroethylene carbonate (4-chloro-1,3-dioxolan-2-one), 3-chloropropylene carbonate, and 4,4,5,5-tetrachloro-1,3-dioxolan-2-one. The electrolyte solvent may contain only one type of ethylene carbonate containing a chloro group, or two or more types of ethylene carbonates may be contained.

前記電解液の溶媒が、クロロ基を有するエチレンカーボネートを含むことによって、多孔性炭素と硫黄との複合材料が、孔径が2nm以上の細孔を含んでいても、前記細孔から硫黄がリチウムポリスルフィドとして電解液中に溶出することを防ぐことができる。 By including ethylene carbonate having a chloro group in the solvent of the electrolyte, even if the composite material of porous carbon and sulfur contains pores with a pore size of 2 nm or more, it is possible to prevent sulfur from eluting from the pores into the electrolyte as lithium polysulfide.

後述する実施例1に示すように、クロロ基を有するエチレンカーボネートを溶媒として含む電解液を用いた場合、前記複合材料(硫黄を担持した活性炭)の細孔に被膜が形成されたことを示すと考えられる充放電曲線が得られている。 As shown in Example 1 below, when an electrolyte solution containing ethylene carbonate having a chloro group as a solvent was used, a charge/discharge curve was obtained that is believed to indicate that a coating was formed in the pores of the composite material (sulfur-loaded activated carbon).

このことから、本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池用の電解液は、まず、クロロ基を有するエチレンカーボネートが、前記細孔に被膜を形成するものと考えられる。次に、前記被膜が、前記硫黄と前記電解液との接触を抑制し、前記細孔からのリチウムポリスルフィドの溶出を抑制するものと考えられる。その結果、前記複合材料が備える硫黄の損失を防ぎ、硫黄を正極活物質として有効に作用させることができるため、リチウム-硫黄系二次電池に優れた充放電特性をもたらすことができると考えられる。 From this, it is believed that in the electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to one embodiment of the present invention, first, ethylene carbonate having a chloro group forms a coating in the pores. Next, the coating is believed to suppress contact between the sulfur and the electrolyte and suppress the elution of lithium polysulfide from the pores. As a result, it is believed that the loss of sulfur contained in the composite material can be prevented and sulfur can be made to effectively act as a positive electrode active material, thereby providing excellent charge and discharge characteristics to the lithium-sulfur secondary battery.

また、後述する実施例では、前記溶媒としてフルオロエチレンカーボネートを用いた場合よりも、クロロ基を有するエチレンカーボネートを用いた場合の方が、リチウム-硫黄系二次電池に優れた充放電特性をもたらすことができることが示されている。 In addition, in the examples described below, it has been shown that the use of ethylene carbonate having a chloro group as the solvent can provide lithium-sulfur secondary batteries with superior charge/discharge characteristics than the use of fluoroethylene carbonate as the solvent.

前記電解液の溶媒中の前記クロロ基を有するエチレンカーボネートの含有量は、前記溶媒の重量を100重量%としたときに、20重量%以上100重量%以下であることが好ましく、30重量%以上100重量%以下であることがより好ましく、50重量%以上100重量%以下であることがさらに好ましい。 The content of the ethylene carbonate having a chloro group in the solvent of the electrolyte is preferably 20% by weight or more and 100% by weight or less, more preferably 30% by weight or more and 100% by weight or less, and even more preferably 50% by weight or more and 100% by weight or less, when the weight of the solvent is 100% by weight.

前記含有量が20重量%以上である場合、前記電解液の溶媒として用いた場合に、リチウムポリスルフィドの溶出を十分に抑制し得る程度に前記被膜を形成し得るため、リチウム-硫黄系二次電池の放電容量を向上させる上で好ましい。 When the content is 20% by weight or more, when used as a solvent for the electrolyte, the coating can be formed to a degree that sufficiently suppresses the elution of lithium polysulfide, which is preferable for improving the discharge capacity of a lithium-sulfur secondary battery.

前記電解液の溶媒中には、前記クロロ基を有するエチレンカーボネート以外の溶媒が共溶媒として含まれていてもよい。そのような共溶媒としては、エチレンカーボネート以外のカーボネート類、エーテル類、硫黄化合物、ハロゲン化炭化水素類、リン酸エステル系化合物、スルホラン系炭化水素類、およびイオン性液体からなる群より選択される1以上が挙げられる。 The solvent of the electrolytic solution may contain a solvent other than ethylene carbonate having a chloro group as a co-solvent. Such a co-solvent may be one or more selected from the group consisting of carbonates other than ethylene carbonate, ethers, sulfur compounds, halogenated hydrocarbons, phosphate ester compounds, sulfolane hydrocarbons, and ionic liquids.

前記エチレンカーボネート以外のカーボネート類としては、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ビニレンカーボネート(VC)等の環状カーボネート類;ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等の鎖状カーボネート類であることが好ましい。 The carbonates other than ethylene carbonate are preferably cyclic carbonates such as fluoroethylene carbonate (FEC) and vinylene carbonate (VC); or chain carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), and diethyl carbonate (DEC).

前記エーテル類としては、ジオキソラン(DOL)、テトラヒドロフラン等の環状エーテル類;ジメトキシエタン(DME)、トリグライム(G3)、テトラグライム(G4)、ハイドロフルオロエーテル等の鎖状エーテル類であることが好ましい。 The ethers are preferably cyclic ethers such as dioxolane (DOL) and tetrahydrofuran; or chain ethers such as dimethoxyethane (DME), triglyme (G3), tetraglyme (G4), and hydrofluoroethers.

前記共溶媒の中でも、ビニレンカーボネート、ハイドロフルオロエーテル、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、炭酸ジエチル、およびフルオロエチレンカーボネートから選択される1種類以上であることが、リチウム-硫黄系二次電池の充放電特性を向上させる観点から特に好ましい。 Among the co-solvents, one or more selected from vinylene carbonate, hydrofluoroether, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, and fluoroethylene carbonate are particularly preferred from the viewpoint of improving the charge/discharge characteristics of lithium-sulfur secondary batteries.

前記ハイドロフルオロエーテルとしては例えば、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)-プロパンが挙げられる。 An example of the hydrofluoroether is 1,1,2,2-tetrafluoro-3-(1,1,2,2-tetrafluoroethoxy)-propane.

前記リチウムを含有する電解質としては、例えば、LiPF、LiBF、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。中でも、LiPF、LiFSI、LiTFSIであることが好ましく、LiTFSIであることがさらに好ましい。前記リチウムを含有する電解質は、1種類のみを用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。 Examples of the lithium-containing electrolyte include LiPF 6 , LiBF 4 , lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), and lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI). Among them, LiPF 6 , LiFSI, and LiTFSI are preferred, and LiTFSI is more preferred. The lithium-containing electrolyte may be used alone or in combination of two or more.

〔2.リチウム-硫黄系二次電池〕
本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池は、本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池用の電解液を含み、多孔性炭素と硫黄との複合材料を正極用材料として用い、前記多孔性炭素は孔径が2nm以上の細孔を含む。
2. Lithium-sulfur secondary battery
A lithium-sulfur secondary battery according to an embodiment of the present invention includes an electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to an embodiment of the present invention, and uses a composite material of porous carbon and sulfur as a positive electrode material, and the porous carbon includes pores having a pore diameter of 2 nm or more.

当該構成によれば、後述する実施例に示すように、正極用材料に含まれる多孔性炭素の細孔中の硫黄の担持量を増加させ、かつ、前記電解液によって当該硫黄がリチウムポリスルフィドとして溶出することを防ぐことができるため、高い放電容量を示すリチウム-硫黄系二次電池を提供することができる。 According to this configuration, as shown in the examples described below, the amount of sulfur supported in the pores of the porous carbon contained in the positive electrode material can be increased, and the sulfur can be prevented from being eluted as lithium polysulfide by the electrolyte, thereby providing a lithium-sulfur secondary battery that exhibits a high discharge capacity.

前記電解液、および硫黄を担持した多孔性炭素については、既に説明したとおりである。前記電解液は、例えば、リチウムを含有する電解質と、溶媒とを混合する方法によって調製することができる。 The electrolyte and the sulfur-supported porous carbon have been described above. The electrolyte can be prepared, for example, by mixing an electrolyte containing lithium with a solvent.

本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池は、正極、負極、本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池用の電解液、セパレータ、筐体等を用いて、従来公知の方法によって組み立てることにより、製造することができる。 The lithium-sulfur secondary battery according to one embodiment of the present invention can be manufactured by assembling the positive electrode, the negative electrode, the electrolyte for the lithium-sulfur secondary battery according to one embodiment of the present invention, a separator, a case, and the like, by a conventionally known method.

前記正極は、例えば、正極用スラリーを集電体に塗布もしくは充填し、乾燥させた後、加圧成形し、さらに真空乾燥する方法によって調製することができる。 The positive electrode can be prepared, for example, by applying or filling a positive electrode slurry onto a current collector, drying it, press-molding it, and then vacuum drying it.

前記正極用スラリーは、例えば、前記バインダを純水に溶解させて調製したバインダ溶液に導電助剤を添加し、次いで前記多孔性炭素と硫黄との複合材料を添加し、混合することによって調製することができる。 The positive electrode slurry can be prepared, for example, by adding a conductive assistant to a binder solution prepared by dissolving the binder in pure water, and then adding and mixing the composite material of porous carbon and sulfur.

前記正極用スラリーにおける前記複合材料と、前記導電助剤と、前記バインダとの重量比は、集電体への塗布もしくは充填を均一に行う観点から、80:10:10~97:0:3であることが好ましく、85:5:10~95:0:5であることがより好ましい。 The weight ratio of the composite material, the conductive additive, and the binder in the positive electrode slurry is preferably 80:10:10 to 97:0:3, and more preferably 85:5:10 to 95:0:5, from the viewpoint of uniform application or filling to the current collector.

集電体としては、構成された電池において悪影響を及ぼさない電子伝導体を使用可能である。例えば、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス等を挙げることができる。接着性、導電性、耐酸化性等の向上の目的で、表面をカーボン、ニッケル、チタンまたは銀等で処理した集電体を用いてもよい。 As the current collector, any electronic conductor that does not adversely affect the constructed battery can be used. Examples include aluminum, titanium, stainless steel, nickel, baked carbon, conductive polymers, conductive glass, etc. For the purpose of improving adhesion, conductivity, oxidation resistance, etc., a current collector whose surface has been treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. may also be used.

集電体の形状については、フォイル状、フィルム状、シート状、ネット状等のいずれであってもよい。中でも、前記リチウム-硫黄系二次電池用の正極用材料をより多く充填することができ、大容量化が可能となるため、例えばハニカム状等の三次元構造を有する集電体が好ましい。当該集電体としては、例えば、3Dアルミニウム集電体を挙げることができる。 The shape of the current collector may be any of foil, film, sheet, net, etc. Among them, a current collector having a three-dimensional structure such as a honeycomb structure is preferred because it allows for a larger amount of the positive electrode material for the lithium-sulfur secondary battery to be filled, enabling a larger capacity. An example of such a current collector is a 3D aluminum current collector.

負極は、例えば、負極用スラリーを集電体に塗布もしくは充填し、乾燥させた後、加圧成形し、さらに真空乾燥する方法によって調製することができる。 The negative electrode can be prepared, for example, by applying or filling a negative electrode slurry onto a current collector, drying it, press-molding it, and then vacuum drying it.

前記負極用スラリーは、例えば、バインダを純水に溶解させて調製したバインダ溶液に導電助剤を添加し、次いで負極活物質を添加し、混合することによって調製することができる。負極活物質としては、例えば金属リチウムを用いることができる。 The negative electrode slurry can be prepared, for example, by adding a conductive assistant to a binder solution prepared by dissolving a binder in pure water, and then adding and mixing the negative electrode active material. Metallic lithium can be used as the negative electrode active material.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims. The technical scope of the present invention also includes embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in different embodiments.

<充放電試験>
後述する実施例、および比較例にて作製したリチウム-硫黄系二次電池の正極を作用極とし、BTS2400W(Nagano社製)を用いて、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、放電時のモードは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。)。カットオフ電圧は、下限値を1.0V、上限値を3.0Vとした。試験は25℃の環境にて行った。
<Charge/discharge test>
A constant current charge/discharge test was performed using a BTS2400W (manufactured by Nagano Co., Ltd.) with the positive electrode of the lithium-sulfur secondary battery prepared in the examples and comparative examples described below as the working electrode. The charging mode was the C.C. method ("C.C." is an abbreviation for constant current), and the discharging mode was the C.C. mode. The set current density was 167.2mA/g (a current density of 1672mA/g is defined as 1C. Hereinafter, 167.2mA/g is shown as 0.1C). The cutoff voltage had a lower limit of 1.0V and an upper limit of 3.0V. The test was performed in an environment of 25°C.

なお、充電容量および放電容量は、硫黄の重量を基準とし、単位をmA・h(g sulfur)-1と定義した。 The charge capacity and discharge capacity were based on the weight of sulfur and the unit was defined as mA·h (g sulfur) −1 .

<サイクル特性試験>
充放電レートを0.1/0.1Cとし、1-100サイクルの充放電を行った。各サイクル目での放電容量が高いほど、優れたリチウム-硫黄系二次電池とする。
<Cycle characteristic test>
The charge/discharge rate was set to 0.1/0.1 C, and the charge/discharge cycles were 1 to 100. The higher the discharge capacity in each cycle, the better the lithium-sulfur secondary battery.

なお、クーロン効率、および容量維持率は、下記式によって求めた。
・クーロン効率(%)=(100サイクル目クーロン効率/2サイクル目クーロン効率)×100
・容量維持率(%)=(100サイクル目放電容量/2サイクル目放電容量)×100
〔実施例1〕
(硫黄を担持した活性炭の作製)
重量比が35:65となるように、孔径が2nm以上4nm以下のメソ孔を有する活性炭と、硫黄華(Wako pure chemical社製、純度99%超)とを、メノウ乳鉢を用いて混合し、混合物を得た。前記混合物を耐熱性金属容器に移し、これをマッフル炉に投入して、大気中で加熱処理を行った。
The coulombic efficiency and capacity retention rate were calculated by the following formulas.
Coulombic efficiency (%) = (100th cycle coulombic efficiency / 2nd cycle coulombic efficiency) x 100
Capacity retention rate (%) = (100th cycle discharge capacity/2nd cycle discharge capacity) x 100
Example 1
(Preparation of sulfur-loaded activated carbon)
Activated carbon having mesopores with a pore size of 2 nm to 4 nm and sulfur flowers (manufactured by Wako Pure Chemical Co., Ltd., purity over 99%) were mixed in an agate mortar to give a mixture with a weight ratio of 35:65. The mixture was transferred to a heat-resistant metal container and placed in a muffle furnace to perform a heat treatment in the air.

なお、前記活性炭の細孔の体積は1.6cm/gであり、比表面積は1307m/gであった。また、前記活性炭が備える孔において、マクロ孔:メソ孔:ミクロ孔の数の比率は0:40:60であった。 The activated carbon had a pore volume of 1.6 cm 3 /g and a specific surface area of 1307 m 2 /g. The ratio of the number of macropores:mesopores:micropores in the activated carbon was 0:40:60.

具体的には、前記金属容器を炉内に投入した後、炉内を155℃まで昇温させ、この温度を5時間保持し、硫黄を融解させた。前記硫黄は、毛細管現象によって前記活性炭の細孔内に吸着された。その後、炉内を室温まで十分に空冷して、炉内から金属容器を取り出し、硫黄を担持した活性炭を得た。当該活性炭は、本発明の一実施形態における「多孔性炭素と硫黄との複合材料」に該当する。 Specifically, after the metal container was placed in a furnace, the temperature inside the furnace was raised to 155°C and maintained at this temperature for 5 hours to melt the sulfur. The sulfur was adsorbed into the pores of the activated carbon by capillary action. The furnace was then thoroughly air-cooled to room temperature, and the metal container was removed from the furnace to obtain activated carbon carrying sulfur. This activated carbon corresponds to the "composite material of porous carbon and sulfur" in one embodiment of the present invention.

前記活性炭における硫黄の担持量(多孔性炭素の細孔中に担持される硫黄の重量)は、以下の方法により測定した。すなわち、前記硫黄を担持した活性炭をアルミナセルに入れ、島津製作所社製、DTG-60AHを用いて、熱重量分析(TGA)を行った。測定は、測定ガスAr、ガス流量50ml/min、昇温速度5℃/min、および上限温度600℃の条件下で行った。前記硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、65重量%であった。 The amount of sulfur supported in the activated carbon (weight of sulfur supported in the pores of the porous carbon) was measured by the following method. That is, the activated carbon supporting sulfur was placed in an alumina cell, and thermogravimetric analysis (TGA) was performed using a Shimadzu DTG-60AH. The measurement was performed under the conditions of Ar as the measurement gas, a gas flow rate of 50 ml/min, a heating rate of 5°C/min, and an upper limit temperature of 600°C. The amount of sulfur supported was 65% by weight based on the total weight of the activated carbon supporting sulfur.

(バインダ溶液の調製)
バインダとして、ゴム系バインダであるスチレン・ブタジエンゴム(SBR)と、分散剤としてのカルボキシルメチルセルロース(CMC)とを純水に溶解させ、カルボキシルメチルセルロース(CMC)の濃度が1~2重量%であるバインダ溶液を調製した。
(Preparation of Binder Solution)
As a binder, styrene-butadiene rubber (SBR), which is a rubber-based binder, and carboxyl methyl cellulose (CMC) as a dispersant were dissolved in pure water to prepare a binder solution with a carboxyl methyl cellulose (CMC) concentration of 1 to 2% by weight.

(リチウム-硫黄系二次電池の正極用スラリーの作製)
前記バインダ溶液に、導電助剤であるアセチレンブラックを添加し、次いで前記硫黄を担持した活性炭を添加することにより、正極用スラリーを調製した。前記硫黄を担持した活性炭と、アセチレンブラックと、分散剤(CMC)と、バインダ(SBR)との重量比は90:5:3:2とした。
(Preparation of slurry for positive electrode of lithium-sulfur secondary battery)
The binder solution was added with acetylene black, which is a conductive additive, and then with the activated carbon carrying sulfur, to prepare a positive electrode slurry. The weight ratio of the activated carbon carrying sulfur, acetylene black, dispersant (CMC), and binder (SBR) was 90:5:3:2.

(リチウム-硫黄系二次電池用正極の作製)
リチウム-硫黄系二次電池用正極として、2極式フラットセル用正極を作製した。
(Preparation of positive electrode for lithium-sulfur secondary battery)
A positive electrode for a two-electrode flat cell was prepared as a positive electrode for a lithium-sulfur secondary battery.

2極式フラットセル用正極は、以下の方法によって作製した。まず、前記正極用スラリーを、前記硫黄を担持した活性炭の重量が、集電体の単位面積当たり1.3mg/cmとなるように、アルミニウム箔(集電体)に塗布し、大気圧下、オーブンを用いて40℃で1時間乾燥させた。次に、乾燥した集電体を、ロールプレス機を用いて圧延した後、直径12mmサイズに打ち抜き、成形体を得た。前記成形体を、50℃のベルジャーを用いて、さらに12時間真空乾燥させて、2極式フラットセル用正極を作製した。 The positive electrode for the two-electrode flat cell was prepared by the following method. First, the positive electrode slurry was applied to an aluminum foil (current collector) so that the weight of the activated carbon carrying sulfur was 1.3 mg/ cm2 per unit area of the current collector, and the slurry was dried at 40°C for 1 hour using an oven under atmospheric pressure. Next, the dried current collector was rolled using a roll press machine, and then punched out to a size with a diameter of 12 mm to obtain a molded body. The molded body was further vacuum-dried for 12 hours using a bell jar at 50°C to prepare a positive electrode for the two-electrode flat cell.

(リチウム-硫黄系二次電池用負極の作製)
リチウム-硫黄系二次電池用負極として、2極式フラットセル用負極を作製した。
(Preparation of negative electrode for lithium-sulfur secondary battery)
As a negative electrode for a lithium-sulfur secondary battery, a two-electrode flat cell negative electrode was prepared.

2極式フラットセル用負極は、露点-40℃以下の大気雰囲気中において、厚さ20μmのリチウム箔を直径16mmサイズに打ち抜くことによって調製した。 The negative electrode for the two-electrode flat cell was prepared by punching out a 20 μm thick lithium foil to a diameter of 16 mm in an air atmosphere with a dew point of -40°C or lower.

(リチウム-硫黄系二次電池の電解液の調製)
リチウム含有電解質として、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(以下、LiTFSIと称する)を用いた。また、非水溶媒として、4-クロロ-1,3-ジオキソラン-2-オン(クロロエチレンカーボネート)(以下、ClECと称する)と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(以下、HFEと称する)とを体積比で50:50になるように混合した混合溶媒を用いた。
(Preparation of electrolyte for lithium-sulfur secondary battery)
Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (hereinafter referred to as LiTFSI) was used as the lithium-containing electrolyte, and a mixed solvent of 4-chloro-1,3-dioxolan-2-one (chloroethylene carbonate) (hereinafter referred to as ClEC) and 1,1,2,2-tetrafluoro-3-(1,1,2,2-tetrafluoroethoxy)-propane (hereinafter referred to as HFE) in a volume ratio of 50:50 was used as the non-aqueous solvent.

電解液の調製方法を、さらに具体的に記載する。ClECおよびHFEを、体積比で50:50になるように混合し、混合溶媒とした。次いで、LiTFSIを、1.0mol/LのLiTFSI/ClEC:HFEとなるように前記混合溶媒に溶解させた溶液を、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。 The method for preparing the electrolyte solution will now be described in more detail. ClEC and HFE were mixed in a volume ratio of 50:50 to prepare a mixed solvent. LiTFSI was then dissolved in the mixed solvent to give a LiTFSI/ClEC:HFE ratio of 1.0 mol/L, and this solution was used as the electrolyte solution for the lithium-sulfur secondary battery.

(リチウム-硫黄系二次電池の作製)
露点-40℃以下の大気雰囲気中において、前記(リチウム-硫黄系二次電池用正極の作製)により作製した正極、前記(リチウム-硫黄系二次電池用負極の作製)により作製した負極、前記(リチウム-硫黄系二次電池の電解液の調製)により調製した電解液、およびセパレータとしてのポリプロピレン系微多孔膜を用い、以下の手順でリチウム-硫黄系二次電池を作製した。
(Preparation of Lithium-Sulfur Secondary Battery)
In an air atmosphere having a dew point of −40° C. or lower, a lithium-sulfur secondary battery was produced by the following procedure using the positive electrode produced by the above (Preparation of positive electrode for lithium-sulfur secondary battery), the negative electrode produced by the above (Preparation of negative electrode for lithium-sulfur secondary battery), the electrolyte prepared by the above (Preparation of electrolyte for lithium-sulfur secondary battery), and a polypropylene-based microporous film as a separator.

リチウム-硫黄系二次電池のセルとしては、2極式フラットセル(塗布電極)を用いた。まず、前記セル内に、正極、セパレータ、および負極がこの順に積層するように収容した。次に、前記セル内に前記電解液を注入し、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。 A two-electrode flat cell (coated electrodes) was used as the cell for the lithium-sulfur secondary battery. First, the positive electrode, separator, and negative electrode were stacked in this order inside the cell. Next, the electrolyte was injected into the cell to create a lithium-sulfur secondary battery.

当該リチウム-硫黄系二次電池を、前述した充放電試験およびサイクル特性試験に供した。 The lithium-sulfur secondary battery was subjected to the charge/discharge test and cycle characteristic test described above.

〔実施例2〕
(硫黄を担持した活性炭の作製)
活性炭を孔径が2nm以上3nm以下のメソ孔を有する活性炭としたこと以外は実施例1と同様の方法により、硫黄を担持した活性炭を得た。
Example 2
(Preparation of sulfur-loaded activated carbon)
An activated carbon carrying sulfur was obtained in the same manner as in Example 1, except that the activated carbon had mesopores with a pore size of 2 nm or more and 3 nm or less.

なお、前記活性炭の細孔の体積は1.3cm/gであり、比表面積は2924m/gであった。また、前記活性炭が備える細孔において、マクロ孔:メソ孔:ミクロ孔の数の比率は0:5:95であった。 The activated carbon had a pore volume of 1.3 cm 3 /g and a specific surface area of 2924 m 2 /g. The ratio of the number of macropores:mesopores:micropores in the activated carbon was 0:5:95.

また、前記活性炭における硫黄の担持量は、実施例1と同様の方法により測定した。前記硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、61重量%であった。 The amount of sulfur supported on the activated carbon was measured in the same manner as in Example 1. The amount of sulfur supported was 61% by weight based on the total weight of the activated carbon supporting sulfur.

(バインダ溶液の調製)
バインダとして、水系バインダのポリグルタミン酸塩を純水に溶解させ、ポリグルタミン酸塩の濃度が5重量%のバインダ溶液を調製した。
(Preparation of Binder Solution)
As the binder, polyglutamic acid salt, which is a water-based binder, was dissolved in pure water to prepare a binder solution with a polyglutamic acid salt concentration of 5% by weight.

(リチウム-硫黄系二次電池の正極用スラリーの作製)
前記バインダ溶液に、導電助剤であるカーボンナノチューブ、次いで前記硫黄を担持した活性炭を添加することにより、正極用スラリーを調製した。前記硫黄を担持した活性炭と、カーボンナノチューブと、バインダとの重量比は94:1:5とした。
(Preparation of slurry for positive electrode of lithium-sulfur secondary battery)
The carbon nanotubes, which are a conductive additive, and the activated carbon carrying sulfur were then added to the binder solution to prepare a positive electrode slurry. The weight ratio of the activated carbon carrying sulfur, the carbon nanotubes, and the binder was 94:1:5.

(リチウム-硫黄系二次電池の作製)
前記硫黄を担持した活性炭の重量が、集電体の単位面積当たり1.1~1.3mg/cmとなるように、アルミニウム箔(集電体)に塗布したこと以外は実施例1と同様の方法により、2極式フラットセル用正極を作製した。
(Preparation of Lithium-Sulfur Secondary Battery)
A positive electrode for a two-electrode flat cell was produced in the same manner as in Example 1, except that the weight of the sulfur-supported activated carbon was applied to an aluminum foil ( current collector) so as to be 1.1 to 1.3 mg/cm2 per unit area of the current collector.

その他の点は実施例1と同様にして、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。 A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1 in all other respects.

〔実施例3〕
電解液を下記の通りに調製したこと以外は実施例2と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
Example 3
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 2, except that the electrolyte solution was prepared as follows.

ClECと、4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン(フルオロエチレンカーボネート)(以下、FECと称する)とを体積比で50:50となるように混合し、混合溶媒とした。次いで、LiTFSIを、1.0mol/LのLiTFSI/ClEC:FECとなるように前記混合溶媒に溶解させた溶液を、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。 ClEC and 4-fluoro-1,3-dioxolane-2-one (fluoroethylene carbonate) (hereinafter referred to as FEC) were mixed in a volume ratio of 50:50 to prepare a mixed solvent. LiTFSI was then dissolved in the mixed solvent to give a LiTFSI/ClEC:FEC ratio of 1.0 mol/L, and the resulting solution was used as the electrolyte for the lithium-sulfur secondary battery.

〔実施例4〕
電解液を下記の通りに調製したこと以外は実施例2と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
Example 4
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 2, except that the electrolyte solution was prepared as follows.

ClECと、前記VCとを体積比で50:50になるように混合し、混合溶媒とした。次いで、LiTFSIを、1.0mol/LのLiTFSI/ClEC:VCとなるように前記混合溶媒に溶解させた溶液を、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。 ClEC and the VC were mixed in a volume ratio of 50:50 to prepare a mixed solvent. Next, LiTFSI was dissolved in the mixed solvent to give a LiTFSI/ClEC:VC ratio of 1.0 mol/L, and the resulting solution was used as the electrolyte for the lithium-sulfur secondary battery.

硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、66重量%であった。 The amount of sulfur loaded in the sulfur-loaded activated carbon was 66% by weight, based on the total weight of the sulfur-loaded activated carbon.

〔実施例5〕
電解液を下記の通りに調製したこと以外は実施例2と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
Example 5
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 2, except that the electrolyte solution was prepared as follows.

ClECに、LiTFSIを、1.0mol/LのLiTFSI/ClECとなるように溶解させたものを、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。 LiTFSI was dissolved in ClEC to give a LiTFSI/ClEC ratio of 1.0 mol/L, which was used as the electrolyte for the lithium-sulfur secondary battery.

硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、63重量%であった。 The amount of sulfur loaded in the sulfur-loaded activated carbon was 63% by weight, based on the total weight of the sulfur-loaded activated carbon.

〔実施例6〕
電解液を下記の通りに調製したこと以外は実施例2と同様に、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
Example 6
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 2, except that the electrolyte solution was prepared as follows.

ClECに、LiTFSIを、1.0mol/LのLiTFSI/ClECとなるように溶解させ、溶液を調製した。次に、ビニレンカーボネート(VC)を、100Volume%の前記溶液に対して10Volume%添加し、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。 LiTFSI was dissolved in ClEC to prepare a solution with a LiTFSI/ClEC ratio of 1.0 mol/L. Next, 10% vinylene carbonate (VC) was added to the 100% solution to prepare an electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery.

硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、66重量%であった。 The amount of sulfur loaded in the sulfur-loaded activated carbon was 66% by weight, based on the total weight of the sulfur-loaded activated carbon.

〔実施例7〕
電解液を下記の通りに調製したこと以外は実施例2と同様に、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
Example 7
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 2, except that the electrolyte solution was prepared as follows.

ClECとHFEとを体積比で90:10となるように混合し、混合溶媒とした。次いで、LiTFSIを、1.0mol/LのLiTFSI/ClEC:HFEとなるように前記混合溶媒に溶解させ、溶液を調製した。次に、VCを、100Volume%の前記溶液に対して10Volume%添加し、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。 ClEC and HFE were mixed in a volume ratio of 90:10 to prepare a mixed solvent. LiTFSI was then dissolved in the mixed solvent to obtain a LiTFSI/ClEC:HFE ratio of 1.0 mol/L to prepare a solution. VC was then added at 10 volume% to the 100 volume% solution to prepare an electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery.

硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、66重量%であった。 The amount of sulfur loaded in the sulfur-loaded activated carbon was 66% by weight, based on the total weight of the sulfur-loaded activated carbon.

〔実施例8〕
ClECとHFEとを体積比で70:30となるように混合し、混合溶媒とした。次いで、LiTFSIを、1.0mol/LのLiTFSI/ClEC:HFEとなるように前記混合溶媒に溶解させ、溶液を調製した。さらに、VCを、100Volume%の前記溶液に対して10Volume%添加し、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。その他の点は実施例7と同様にして、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
Example 8
ClEC and HFE were mixed in a volume ratio of 70:30 to prepare a mixed solvent. LiTFSI was then dissolved in the mixed solvent to prepare a 1.0 mol/L LiTFSI/ClEC:HFE solution. Furthermore, VC was added at 10 volume% to the 100 volume% solution to prepare an electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery. A lithium-sulfur secondary battery was prepared in the same manner as in Example 7 except for the above.

硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、66重量%であった。 The amount of sulfur loaded in the sulfur-loaded activated carbon was 66% by weight, based on the total weight of the sulfur-loaded activated carbon.

〔実施例9〕
ClECとHFEとを体積比で50:50となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例7と同様にして、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
Example 9
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 7, except that ClEC and HFE were mixed in a volume ratio of 50:50 to form a mixed solvent.

硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、63重量%であった。 The amount of sulfur loaded in the sulfur-loaded activated carbon was 63% by weight, based on the total weight of the sulfur-loaded activated carbon.

〔実施例10〕
ClECとHFEとを体積比で30:70となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例7と同様にして、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
Example 10
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 7, except that ClEC and HFE were mixed in a volume ratio of 30:70 to form a mixed solvent.

硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、63重量%であった。 The amount of sulfur loaded in the sulfur-loaded activated carbon was 63% by weight, based on the total weight of the sulfur-loaded activated carbon.

〔実施例11〕
電解液、正極、負極および電解液を下記の通りに調製したこと以外は、実施例2と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、66重量%であった。
Example 11
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 2, except that the electrolyte, positive electrode, negative electrode, and electrolyte were prepared as follows: The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 66% by weight based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

以下の方法によってラミネートセル用正極を作製した。 The positive electrode for the laminated cell was prepared by the following method.

まず、実施例1と同様の方法によって調製した正極用スラリーを、前記硫黄を担持した活性炭の重量が、集電体の単位面積当たり11mg/cm以上13mg/cm以下となるように、3Dアルミニウム集電体(住友電工株式会社製 セルメット)に充填した。次に、当該3Dアルミニウム集電体を、大気圧下、オーブンを用いて40℃で1時間乾燥させた。続いて、乾燥した集電体を、ロールプレス機を用いて圧延した後、24mm×24mmのサイズに鋏を用いてカットし、成形体を得た。前記成形体を、50℃のベルジャーを用いてさらに12時間真空乾燥させ、ラミネートセル用正極を作製した。 First, the slurry for the positive electrode prepared by the same method as in Example 1 was filled into a 3D aluminum current collector (Celmet, manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd.) so that the weight of the activated carbon carrying sulfur was 11 mg/cm 2 or more and 13 mg/cm 2 or less per unit area of the current collector. Next, the 3D aluminum current collector was dried at 40° C. for 1 hour using an oven under atmospheric pressure. Next, the dried current collector was rolled using a roll press machine and then cut into a size of 24 mm x 24 mm using scissors to obtain a molded body. The molded body was further vacuum-dried for 12 hours using a bell jar at 50° C. to produce a positive electrode for a laminate cell.

ラミネートセル用負極は、露点-40℃以下の大気雰囲気中において、厚さ30μmのリチウム箔を30mm×35mmのサイズに鋏を用いてカットすることによって調製した。 The negative electrode for the laminated cell was prepared by cutting a 30 μm thick lithium foil to a size of 30 mm x 35 mm using scissors in an air atmosphere with a dew point of -40°C or lower.

リチウム-硫黄系二次電池の電解液は、実施例6と同様の方法によって調製した。 The electrolyte for the lithium-sulfur secondary battery was prepared in the same manner as in Example 6.

〔実施例12〕
ClECとHFEとを体積比で90:10となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄二次電池を作製した。硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、66重量%であった。
Example 12
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 11, except that ClEC and HFE were mixed in a volume ratio of 90:10 to prepare a mixed solvent. The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 66 wt % based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例13〕
ClECとHFEとを体積比で70:30となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄二次電池を作製した。硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、64重量%であった。
Example 13
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 11, except that ClEC and HFE were mixed in a volume ratio of 70:30 to prepare a mixed solvent. The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 64 wt % based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例14〕
ClECとHFEとを体積比で50:50となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄二次電池を作製した。硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、65重量%であった。
Example 14
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 11, except that ClEC and HFE were mixed in a volume ratio of 50:50 to prepare a mixed solvent. The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 65 wt % based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例15〕
電解液の調製において、ClECとジメチルカーボネート(以下、DMCと称する)を体積比で70:30となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄二次電池を作製した。硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、67重量%であった。
Example 15
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 11, except that in the preparation of the electrolyte, ClEC and dimethyl carbonate (hereinafter referred to as DMC) were mixed in a volume ratio of 70:30 to form a mixed solvent. The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 67% by weight, based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例16〕
電解液の調製において、ClECとDMCとを体積比で50:50となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄二次電池を作製した。硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、64重量%であった。
Example 16
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 11, except that in the preparation of the electrolyte, ClEC and DMC were mixed in a volume ratio of 50:50 to prepare a mixed solvent. The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 64 wt % based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例17〕
電解液の調製において、ClECとエチルメチルカーボネート(以下、EMCと称する)とを体積比で70:30となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄二次電池を作製した。硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、65重量%であった。
Example 17
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 11, except that in the preparation of the electrolyte, ClEC and ethyl methyl carbonate (hereinafter referred to as EMC) were mixed in a volume ratio of 70:30 to prepare a mixed solvent. The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 65% by weight based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔実施例18〕
電解液の調製において、ClECと炭酸ジエチル(以下、DECと称する)とを体積比で70:30となるように混合し、混合溶媒としたこと以外は実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄二次電池を作製した。硫黄を担持した活性炭における硫黄の担持量は、硫黄を担持した活性炭全体の重量を基準として、67重量%であった。
Example 18
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 11, except that in the preparation of the electrolyte, ClEC and diethyl carbonate (hereinafter referred to as DEC) were mixed in a volume ratio of 70:30 to prepare a mixed solvent. The amount of sulfur supported in the sulfur-supported activated carbon was 67% by weight, based on the total weight of the sulfur-supported activated carbon.

〔比較例1〕
電解液の調製において、リチウム含有電解質として、六フッ化リン酸リチウム(以下、LiPFと称する)を用いた。また、非水溶媒として、エチレンカーボネート(以下、ECと称する)と、DMCとを体積比で50:50となるように混合した混合溶媒(キシダ化学製 市販品)を用いた。
Comparative Example 1
In preparing the electrolyte solution, lithium hexafluorophosphate (hereinafter referred to as LiPF6 ) was used as the lithium-containing electrolyte. In addition, a mixed solvent (commercially available from Kishida Chemical Co., Ltd.) in which ethylene carbonate (hereinafter referred to as EC) and DMC were mixed in a volume ratio of 50:50 was used as the non-aqueous solvent.

その他の点は、実施例1と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。 Otherwise, the lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1.

〔比較例2〕
電解液の調製において、非水溶媒として、ClECの代わりにFECを用いたこと以外は実施例1と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
Comparative Example 2
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that in the preparation of the electrolyte, FEC was used instead of ClEC as the non-aqueous solvent.

〔比較例3〕
電解液の調製において、非水溶媒として、ECとDMCとを体積比で50:50となるように混合した混合溶媒(キシダ化学製 市販品)を用いたこと以外は実施例2と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
Comparative Example 3
In preparing the electrolyte, a mixed solvent of EC and DMC in a volume ratio of 50:50 (a commercially available product manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was used as the non-aqueous solvent. A lithium-sulfur secondary battery was produced in the same manner as in Example 2.

〔比較例4〕
電解液の調製において、非水溶媒として、FECとHFEとを体積比で50:50となるように混合した混合溶媒を用いたこと以外は実施例2と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
Comparative Example 4
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 2, except that in preparing the electrolyte solution, a mixed solvent of FEC and HFE in a volume ratio of 50:50 was used as the non-aqueous solvent.

〔比較例5〕
電解液を下記の通りに調製したこと以外は、実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
Comparative Example 5
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 11, except that the electrolyte solution was prepared as follows.

電解液において、リチウム含有電解質として、LiPFを用いた。また、非水溶媒として、ECとDMCとを体積比で50:50となるように混合した混合溶媒(キシダ化学製 市販品)を使用した。次に、前記混合溶媒にLiPFを1.0mol/LのLiPF/EC:DMCとなるように溶解させた溶液を調製した。さらに、ビニレンカーボネート(VC)を、100Volume%の前記溶液に対して10Volume%添加し、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。 In the electrolyte, LiPF 6 was used as the lithium-containing electrolyte. In addition, a mixed solvent (commercially available from Kishida Chemical Co., Ltd.) in which EC and DMC were mixed in a volume ratio of 50:50 was used as the non-aqueous solvent. Next, a solution was prepared in which LiPF 6 was dissolved in the mixed solvent to give a LiPF 6 /EC:DMC ratio of 1.0 mol/L. Furthermore, 10 volume% of vinylene carbonate (VC) was added to the 100 volume% solution to prepare an electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery.

〔比較例6〕
電解液を下記の通りに調製したこと以外は、実施例11と同様の方法により、リチウム-硫黄系二次電池を作製した。
Comparative Example 6
A lithium-sulfur secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 11, except that the electrolyte solution was prepared as follows.

電解液において、非水溶媒として、FECとHFEとを体積比で50:50となるように混合した混合溶媒を用いた。次いで、LiTFSIを、1.0mol/LのLiTFSI/FEC:HFEとなるように前記混合溶媒に溶解させ、溶液を調製した。次に、ビニレンカーボネート(VC)を、100Volume%の前記溶液に対して10Volume%添加し、リチウム-硫黄系二次電池の電解液とした。 In the electrolyte, a mixed solvent of FEC and HFE mixed in a volume ratio of 50:50 was used as the non-aqueous solvent. Next, LiTFSI was dissolved in the mixed solvent to obtain a LiTFSI/FEC:HFE ratio of 1.0 mol/L to prepare a solution. Next, 10 volume% of vinylene carbonate (VC) was added to the 100 volume% solution to prepare an electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery.

〔結果〕
図1は、実施例1、比較例1および2で調製したリチウム-硫黄系二次電池の充放電試験の結果を示す図である。
〔result〕
FIG. 1 is a graph showing the results of a charge-discharge test of the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.

図1より、実施例1および比較例2で調製したリチウム-硫黄系二次電池は充放電を100回以上行うことができたが、比較例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、1サイクル目の放電特性しか示すことができず、再充電できなかったことが分かる。 From Figure 1, it can be seen that the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Example 1 and Comparative Example 2 were able to be charged and discharged more than 100 times, whereas the lithium-sulfur secondary battery prepared in Comparative Example 1 only exhibited the discharge characteristics of the first cycle and could not be recharged.

エチレンカーボネート(EC)は、活性炭のミクロ孔(孔径が2nm未満)には侵入することができないが、メソ孔には侵入することができる。実施例1、比較例1および比較例2で用いた活性炭の細孔の数の割合は、前述したように、マクロ孔:メソ孔:ミクロ孔=0:40:60である。比較例1の結果は、溶媒であるECがメソ孔内に侵入することによって、硫黄がリチウムポリスルフィドとして溶出してしまい、電流が発生しなくなったことに起因すると考えられる。 Ethylene carbonate (EC) cannot penetrate the micropores (pore diameter less than 2 nm) of activated carbon, but can penetrate the mesopores. As mentioned above, the ratio of the number of pores in the activated carbon used in Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 was macropores:mesopores:micropores = 0:40:60. The result of Comparative Example 1 is thought to be due to the fact that the solvent EC penetrated into the mesopores, causing sulfur to dissolve as lithium polysulfide, and current generation ceased.

また、図1より、実施例1および比較例1の1cycle目の1.8~2.3V付近において、特徴的な放電が発生していることが分かる。このことから、正極における硫黄を担持した活性炭の細孔に被膜が形成されたことが分かる。 Also, from Figure 1, it can be seen that a characteristic discharge occurs at around 1.8 to 2.3 V in the first cycle in Example 1 and Comparative Example 1. This shows that a coating is formed in the pores of the activated carbon carrying sulfur in the positive electrode.

実施例1および比較例2で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、前記被膜の形成により、前記細孔への溶媒の侵入が抑制された結果、比較例1とは異なり、100サイクル以上の充放電を行うことができたと考えられる。 The lithium-sulfur secondary batteries prepared in Example 1 and Comparative Example 2 were able to perform charge/discharge cycles of 100 or more, unlike Comparative Example 1, because the formation of the coating prevented the solvent from entering the pores.

一方で、実施例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、比較例2で調製したリチウム-硫黄系二次電池に比して、充放電特性の分極が非常に小さいことが分かる。すなわち、電解液の溶媒としてClECを用いることにより、FECを用いた場合よりも、リチウム-硫黄系二次電池の抵抗を大幅に小さくできることが明らかとなった。 On the other hand, it can be seen that the lithium-sulfur secondary battery prepared in Example 1 has a much smaller polarization in the charge/discharge characteristics than the lithium-sulfur secondary battery prepared in Comparative Example 2. In other words, it has become clear that by using ClEC as the solvent for the electrolyte, the resistance of the lithium-sulfur secondary battery can be significantly reduced compared to when FEC is used.

したがって、実施例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、比較例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池よりも優れた充放電特性を示すことができていると言える。 Therefore, it can be said that the lithium-sulfur secondary battery prepared in Example 1 exhibits better charge-discharge characteristics than the lithium-sulfur secondary battery prepared in Comparative Example 1.

図2および表1は、実施例1、比較例1および2で調製したリチウム-硫黄系二次電池を、前述したサイクル特性試験に供した結果を示す。 Figure 2 and Table 1 show the results of the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 subjected to the cycle characteristics test described above.

Figure 0007630154000001
Figure 0007630154000001

図2および表1に示すように、比較例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池は作動することができなかった。この結果は、前述したように、電解液の溶媒として用いたECがメソ孔に侵入し、硫黄がリチウムポリスルフィドとして溶出したことによると考えられる。 As shown in Figure 2 and Table 1, the lithium-sulfur secondary battery prepared in Comparative Example 1 could not operate. As mentioned above, this result is thought to be due to the fact that EC used as a solvent in the electrolyte penetrated into the mesopores, causing sulfur to dissolve as lithium polysulfide.

実施例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、比較例2で調製したリチウム-硫黄系二次電池に比して、2サイクル目で高い放電容量を示し、容量維持率および平均クーロン効率も高い値を示した。 The lithium-sulfur secondary battery prepared in Example 1 exhibited a higher discharge capacity in the second cycle than the lithium-sulfur secondary battery prepared in Comparative Example 2, and also exhibited higher capacity retention and average coulombic efficiency.

さらに、図2より、実施例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、サイクル数を増やした場合でも、比較例2で調製したリチウム-硫黄系二次電池に比して高い放電容量を示し、サイクル数が増えるにつれて、その差は大きくなることが示された。 Furthermore, Figure 2 shows that the lithium-sulfur secondary battery prepared in Example 1 exhibits a higher discharge capacity than the lithium-sulfur secondary battery prepared in Comparative Example 2, even when the number of cycles is increased, and the difference becomes larger as the number of cycles increases.

すなわち、電解液の溶媒としてClECを用いることにより、前記溶媒としてECまたはFECを用いる場合よりも、リチウム-硫黄系二次電池の放電容量を向上させ得ることが分かる。 In other words, it can be seen that the use of ClEC as a solvent for the electrolyte can improve the discharge capacity of a lithium-sulfur secondary battery compared to the use of EC or FEC as the solvent.

図3は、実施例2、並びに比較例3および4で調製したリチウム-硫黄系二次電池のサイクル特性試験の結果を示す。表2は、実施例2および3、並びに比較例3および4で調製したリチウム-硫黄系二次電池の2サイクル目の放電容量を測定した結果を示す。 Figure 3 shows the results of cycle characteristic tests of the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Example 2 and Comparative Examples 3 and 4. Table 2 shows the results of measuring the discharge capacity in the second cycle of the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Examples 2 and 3 and Comparative Examples 3 and 4.

Figure 0007630154000002
Figure 0007630154000002

図3および表2に示すように、比較例3で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、20サイクルまでは作動することができたが、放電容量は低く、かつ、20サイクル以降はショートしてしまい、作動することができなかった。 As shown in Figure 3 and Table 2, the lithium-sulfur secondary battery prepared in Comparative Example 3 was able to operate for up to 20 cycles, but the discharge capacity was low and it shorted out after the 20th cycle, making it unable to operate.

比較例3で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、電解液の溶媒としてECを用いているが、前述した比較例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池よりも、用いた活性炭の全細孔に占めるミクロ孔の割合が多い。すなわち、ECが孔内に侵入できない活性炭の割合が多い。そのため、比較例1で調製したリチウム-硫黄系二次電池とは異なり、20サイクルまでは作動することができたと考えられる。 The lithium-sulfur secondary battery prepared in Comparative Example 3 uses EC as a solvent for the electrolyte, but the proportion of micropores in the total pores of the activated carbon used is greater than in the lithium-sulfur secondary battery prepared in Comparative Example 1 described above. In other words, the proportion of activated carbon into which EC cannot penetrate is greater. Therefore, unlike the lithium-sulfur secondary battery prepared in Comparative Example 1, it is believed that the battery was able to operate for up to 20 cycles.

しかしながら、比較例3で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、ECがメソ孔の内部に侵入することによって、メソ孔に担持された硫黄が溶出してしまった結果、20サイクル以降はショートしてしまったものと考えられる。 However, it is believed that the lithium-sulfur secondary battery prepared in Comparative Example 3 short-circuited after the 20th cycle because EC penetrated into the mesopores, causing the sulfur supported in the mesopores to dissolve.

表2より、実施例2および3で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、比較例3および4で調製したリチウム-硫黄系二次電池に比して、2サイクル目で高い放電容量を有することが分かる。また、図3より、実施例2で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、サイクル数を増やした場合でも、比較例3および4で調製したリチウム-硫黄系二次電池に比して、高い放電容量を示すことが分かる。 From Table 2, it can be seen that the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Examples 2 and 3 have a higher discharge capacity at the second cycle than the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Comparative Examples 3 and 4. Also, from Figure 3, it can be seen that the lithium-sulfur secondary battery prepared in Example 2 exhibits a higher discharge capacity than the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Comparative Examples 3 and 4, even when the number of cycles is increased.

実施例2および3で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、電解液の溶媒としてClECを用いたことにより、被膜が形成され、多くの硫黄をメソ孔に保持することができたと考えられる。そのため、実施例2および3で調製したリチウム-硫黄系二次電池は、比較例3で調製したリチウム-硫黄系二次電池とは異なり、優れた放電容量を示すことができたと考えられる。 The lithium-sulfur secondary batteries prepared in Examples 2 and 3 are believed to have been able to retain a large amount of sulfur in the mesopores due to the use of ClEC as the electrolyte solvent. Therefore, it is believed that the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Examples 2 and 3 were able to exhibit excellent discharge capacity, unlike the lithium-sulfur secondary battery prepared in Comparative Example 3.

また、前述したように、前記溶媒としてClECを用いた場合の方が、前記溶媒としてClECを用いず、FECを用いた場合よりも、充放電特性の分極を小さくすることができる。このことに起因して、実施例2で調製したリチウム-硫黄系二次電池の方が、比較例4で調製したリチウム-硫黄系二次電池よりも高い放電容量を示したものと考えられる。 As described above, the use of ClEC as the solvent reduces the polarization of the charge/discharge characteristics compared to the use of FEC as the solvent without ClEC. This is thought to be the reason why the lithium-sulfur secondary battery prepared in Example 2 exhibited a higher discharge capacity than the lithium-sulfur secondary battery prepared in Comparative Example 4.

実施例3に示したように、前記溶媒としてClECとFECとを併用したリチウム-硫黄系二次電池は、溶媒としてClECを用いていない比較例4で調製したリチウム-硫黄系二次電池よりも、2サイクル目の放電容量が優れていた。このことからも、前記溶媒としてClECを用いることの有用性を理解することができる。 As shown in Example 3, the lithium-sulfur secondary battery using ClEC and FEC in combination as the solvent had a better second cycle discharge capacity than the lithium-sulfur secondary battery prepared in Comparative Example 4, which did not use ClEC as a solvent. This also shows the usefulness of using ClEC as the solvent.

表3に実施例2、4、5で調製したリチウム-硫黄系二次電池のサイクル特性試験の結果を示す。 Table 3 shows the results of cycle characteristic tests of the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Examples 2, 4, and 5.

Figure 0007630154000003
Figure 0007630154000003

表3の実施例5に示すように、電解液の溶媒としてClECを単独で用いた場合でも、リチウム-硫黄系二次電池は高い放電容量を示すことが分かった。 As shown in Example 5 of Table 3, it was found that even when ClEC was used alone as the electrolyte solvent, the lithium-sulfur secondary battery exhibited a high discharge capacity.

表4および図4は、実施例6~10で調製したリチウム-硫黄系二次電池を、前記サイクル特性試験に供した結果を示す。 Table 4 and Figure 4 show the results of the cycle characteristic test for the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Examples 6 to 10.

Figure 0007630154000004
Figure 0007630154000004

表4および図4に示すように、実施例6~10で調製したリチウム-硫黄系二次電池のいずれも高い放電容量を示した。実施例10に示すように、電解液溶媒中のClECの割合が30体積%以下(ClECとHFEとVCとの体積比が、30:70:10)であったとしても、リチウム-硫黄系二次電池は高い放電容量を示すことが分かった。 As shown in Table 4 and Figure 4, all of the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Examples 6 to 10 exhibited high discharge capacities. As shown in Example 10, it was found that the lithium-sulfur secondary batteries exhibited high discharge capacities even when the proportion of ClEC in the electrolyte solvent was 30 volume % or less (the volume ratio of ClEC to HFE to VC was 30:70:10).

つまり、電解液中の溶媒におけるClECの含有量は、必ずしも共溶媒よりも高い必要はなく、少ない含有量で高い放電容量を得ることができると言える。 In other words, the ClEC content in the solvent in the electrolyte does not necessarily need to be higher than that of the co-solvent, and it is possible to obtain a high discharge capacity with a low content.

表5に、実施例11~18、比較例5および6のサイクル特性試験の結果である、2サイクル目および5サイクル目の放電容量、並びに容量維持率を示す。 Table 5 shows the results of the cycle characteristic tests for Examples 11 to 18 and Comparative Examples 5 and 6, including the discharge capacity at the second and fifth cycles and the capacity retention rate.

Figure 0007630154000005
Figure 0007630154000005

表5より、いずれの実施例で調製したリチウム-硫黄系二次電池も、2サイクル目の放電容量は、比較例5で調製したリチウム-硫黄系二次電池に比して大幅に高かった。すなわち、ラミネートセルに適用した場合でも、電解液の溶媒としてClECを用いることにより、ECを用いた場合よりも放電容量を大幅に向上させ得ることが分かった。 As can be seen from Table 5, the second cycle discharge capacity of the lithium-sulfur secondary batteries prepared in each of the Examples was significantly higher than that of the lithium-sulfur secondary battery prepared in Comparative Example 5. In other words, it was found that even when applied to a laminate cell, the discharge capacity can be significantly improved by using ClEC as a solvent for the electrolyte compared to using EC.

また、実施例11~14,16,17で調製したリチウム-硫黄系二次電池の2サイクル目の放電容量は、比較例6で調製したリチウム-硫黄系二次電池よりも大幅に高かった。すなわち、ラミネートセルに適用した場合でも、電解液の溶媒としてClECを用いることにより、FECを用いた場合よりも放電容量を向上させ得ることが分かった。 The second cycle discharge capacity of the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Examples 11 to 14, 16, and 17 was significantly higher than that of the lithium-sulfur secondary battery prepared in Comparative Example 6. In other words, it was found that even when applied to a laminate cell, the discharge capacity can be improved by using ClEC as the electrolyte solvent compared to the case of using FEC.

なお、実施例15,18で調製したリチウム-硫黄系二次電池の2サイクル目の放電容量は、比較例6で調製したリチウム-硫黄系二次電池と同等程度である。しかし、電解液の溶媒としてClECを用いた場合の容量維持率(5サイクル目の放電容量/2サイクル目の放電容量×100)がFECを用いた場合よりも大きいことを示す表5の結果に鑑みると、ClECは、電解液の溶媒として有用であると言える。 The second cycle discharge capacity of the lithium-sulfur secondary batteries prepared in Examples 15 and 18 is comparable to that of the lithium-sulfur secondary battery prepared in Comparative Example 6. However, in light of the results in Table 5, which show that the capacity retention rate (5th cycle discharge capacity/2nd cycle discharge capacity x 100) is greater when ClEC is used as the electrolyte solvent than when FEC is used, it can be said that ClEC is useful as an electrolyte solvent.

以上の結果から、本発明の一実施形態に係る前記リチウム-硫黄系二次電池用の電解液は、前記活性炭の細孔に占めるメソ孔の割合が高い場合であっても、活性炭からの硫黄の溶出を防ぐことができることが分かる。また、それゆえに、前記リチウム-硫黄系二次電池に優れた充放電特性およびサイクル特性を付与し得ることが明らかとなった。 The above results show that the electrolyte for the lithium-sulfur secondary battery according to one embodiment of the present invention can prevent sulfur from eluting from the activated carbon even when the activated carbon has a high ratio of mesopores among its pores. It has also become clear that this can impart excellent charge/discharge characteristics and cycle characteristics to the lithium-sulfur secondary battery.

本発明の一実施形態に係るリチウム-硫黄系二次電池用電解液、およびリチウム-硫黄系二次電池は、携帯電話や携帯情報端末(PDA)等の携帯端末機器、ノート型パソコン、ビデオカメラやデジタルカメラ等の小型電子機器、家電機器;電動自転車、電動自動車(電気自動車)、ハイブリッド自動車、電車等の移動用機器(車両);火力発電、風力発電、水力発電、原子力発電、地熱発電、太陽光発電等の発電用機器;自然エネルギー蓄電システム;等の分野において、広範に利用することができる。 The lithium-sulfur secondary battery electrolyte and lithium-sulfur secondary battery according to one embodiment of the present invention can be used in a wide range of fields, including mobile terminal devices such as mobile phones and personal digital assistants (PDAs), small electronic devices such as notebook computers, video cameras and digital cameras, home appliances, mobile devices (vehicles) such as electric bicycles, electric automobiles (electric vehicles), hybrid automobiles and trains, power generation devices such as thermal power generation, wind power generation, hydroelectric power generation, nuclear power generation, geothermal power generation and solar power generation, and natural energy storage systems.

Claims (10)

リチウム-硫黄系二次電池用の電解液であって、
前記リチウム-硫黄系二次電池は、正極用材料として、多孔性炭素と硫黄との複合材料を備え、
前記多孔性炭素は、孔径が2nm以上の細孔を含み、
前記電解液の溶媒は、クロロ基を有するエチレンカーボネートを含有し、前記溶媒におけるクロロ基を有するエチレンカーボネートの含有量が20重量%以上100重量%以下であり、
前記電解液の溶媒には、エチレンカーボネート以外の共溶媒が含まれていてもよい、
リチウム-硫黄系二次電池用の電解液。
An electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery,
The lithium-sulfur secondary battery comprises a composite material of porous carbon and sulfur as a positive electrode material,
The porous carbon includes pores having a pore size of 2 nm or more,
a solvent for the electrolytic solution contains ethylene carbonate having a chloro group, and the content of the ethylene carbonate having a chloro group in the solvent is 20% by weight or more and 100% by weight or less;
The solvent of the electrolyte may contain a co-solvent other than ethylene carbonate.
Electrolyte for lithium-sulfur secondary batteries.
前記多孔性炭素が有する細孔の総体積が0.4cm/g以上2.0cm/g以下である、請求項1に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 2. The electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to claim 1, wherein the total volume of the pores in the porous carbon is 0.4 cm 3 /g or more and 2.0 cm 3 /g or less. 前記多孔性炭素が有する細孔の総体積が0.9cm/g以上2.0cm/g以下である、請求項2に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 3. The electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to claim 2, wherein the total volume of the pores in the porous carbon is 0.9 cm 3 /g or more and 2.0 cm 3 /g or less. 前記多孔性炭素の細孔中に担持される硫黄の重量が、前記多孔性炭素の重量と、前記硫黄の重量との合計に対して30重量%以上、90%重量%以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 The electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the weight of sulfur supported in the pores of the porous carbon is 30% by weight or more and 90% by weight or less of the total weight of the porous carbon and the sulfur. 前記多孔性炭素の細孔中に担持される硫黄の重量が、前記多孔性炭素の重量と、前記硫黄の重量との合計に対して50重量%以上、90重量%以下である、請求項4に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 The electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to claim 4, wherein the weight of the sulfur supported in the pores of the porous carbon is 50% by weight or more and 90% by weight or less of the total weight of the porous carbon and the sulfur. 前記多孔性炭素が有する細孔の総量に対する、孔径が2nm以上である細孔の量の割合が5%以上100%以下である、請求項1~5のいずれか1項に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 The electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to any one of claims 1 to 5, wherein the ratio of the amount of pores having a pore diameter of 2 nm or more to the total amount of pores possessed by the porous carbon is 5% or more and 100% or less. 前記孔径が2nm以上である細孔の量の割合が40%以上100%以下である、請求項6に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 The electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to claim 6, wherein the proportion of pores having a pore diameter of 2 nm or more is 40% or more and 100% or less. 前記溶媒におけるクロロ基を有するエチレンカーボネートの含有量が30重量%以上100重量%以下である、請求項1~7のいずれか1項に記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 The electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to any one of claims 1 to 7 , wherein the content of ethylene carbonate having a chloro group in the solvent is 30% by weight or more and 100% by weight or less. 前記溶媒が、ビニレンカーボネート、ハイドロフルオロエーテル、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、炭酸ジエチル、およびフルオロエチレンカーボネートから選択される1種類以上を含む、請求項1~のいずれかに記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液。 The electrolyte for a lithium-sulfur secondary battery according to any one of claims 1 to 8 , wherein the solvent contains at least one selected from the group consisting of vinylene carbonate, hydrofluoroether, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, and fluoroethylene carbonate. 請求項1~のいずれかに記載のリチウム-硫黄系二次電池用の電解液を含み、
多孔性炭素と硫黄との複合材料を正極用材料として用い、前記多孔性炭素は孔径が2nm以上の細孔を含む、リチウム-硫黄系二次電池。
The present invention relates to an electrolyte for a lithium- sulfur secondary battery,
A lithium-sulfur secondary battery using a composite material of porous carbon and sulfur as a positive electrode material, the porous carbon containing pores having a pore size of 2 nm or more.
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