JP2017504155A - リチウム−硫黄電池 - Google Patents

リチウム−硫黄電池 Download PDF

Info

Publication number
JP2017504155A
JP2017504155A JP2016540690A JP2016540690A JP2017504155A JP 2017504155 A JP2017504155 A JP 2017504155A JP 2016540690 A JP2016540690 A JP 2016540690A JP 2016540690 A JP2016540690 A JP 2016540690A JP 2017504155 A JP2017504155 A JP 2017504155A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
lithium
electrolyte
tetrafluoroborate
salt
sulfur
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2016540690A
Other languages
English (en)
Inventor
デシラニ セバスチャン
デシラニ セバスチャン
Original Assignee
オキシス エナジー リミテッド
オキシス エナジー リミテッド
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by オキシス エナジー リミテッド, オキシス エナジー リミテッド filed Critical オキシス エナジー リミテッド
Publication of JP2017504155A publication Critical patent/JP2017504155A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0567Liquid materials characterised by the additives
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0568Liquid materials characterised by the solutes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0569Liquid materials characterised by the solvents
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/136Electrodes based on inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/381Alkaline or alkaline earth metals elements
    • H01M4/382Lithium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/40Alloys based on alkali metals
    • H01M4/405Alloys based on lithium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/581Chalcogenides or intercalation compounds thereof
    • H01M4/5815Sulfides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • H01M4/625Carbon or graphite
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/44Fibrous material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027Negative electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028Positive electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025Organic electrolyte
    • H01M2300/0028Organic electrolyte characterised by the solvent
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402Methods of deposition of the material
    • H01M4/0404Methods of deposition of the material by coating on electrode collectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/043Processes of manufacture in general involving compressing or compaction
    • H01M4/0435Rolling or calendering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • H01M4/1397Processes of manufacture of electrodes based on inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411Organic material
    • H01M50/414Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/417Polyolefins
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411Organic material
    • H01M50/414Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/423Polyamide resins
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H01M50/491Porosity
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

リチウム金属またはリチウム金属合金を有するアノードと、電気活性硫黄材料および固体導電性材料の混合物を有するカソードと、テトラフルオロホウ酸塩および有機溶剤を有する電解質とを備え、前記テトラフルオロホウ酸塩が電解質中に0.05〜0.5Mの濃度で存在し、前記テトラフルオロホウ酸塩が、テトラフルオロホウ酸アニオン、BF4の電気活性材料中の硫黄、Sに対するモル比が0.009〜0.09:1である量で存在することを特徴とするリチウム−硫黄電池。

Description

本発明はリチウム−硫黄電池に関する。本発明はまた、リチウム−硫黄電池のサイクル寿命を向上させるための添加剤としてのテトラフルオロホウ酸塩の使用に関する。加えて、本発明はリチウム硫黄電池の電解質に関する。
典型的なリチウム−硫黄電池は、リチウム金属またはリチウム金属合金から形成されるアノード(負極)、および元素硫黄または他の電気活性硫黄材料から形成されるカソード(正極)を備える。硫黄または他の電気活性硫黄含有材料は、その導電性を向上させるため、炭素のような導電性材料と混合してもよい。典型的には、炭素および硫黄は粉砕した後、溶剤および結合剤と混合し、スラリーを形成する。スラリーは集電体に塗布した後、乾燥させ、溶剤を除去する。得られる構造物はカレンダー加工して複合構造物を形成し、これを所望の形状に切断してカソードを形成する。セパレータはカソード上に配置され、リチウムアノードはセパレータ上に配置される。電解質は電池中に導入し、カソードおよびセパレータを湿潤させる。
リチウム−硫黄電池は二次電池であり、外部電流を電池に印加することにより再充電することができる。このタイプの再充電可能な電池は広範囲の潜在用途を有する。リチウム−硫黄二次電池を開発する際の1つの重要な考慮点は、電池の有用なサイクル寿命を最大化することである。
リチウム−硫黄電池が放電される場合、カソード中の硫黄は2段階で還元される。第1段階では、硫黄(例えば元素硫黄)は多硫化物種、S 2−(n≧2)に還元される。放電の第2段階では、多硫化物種は硫化リチウム、LiSに還元され、これは典型的にはアノードの表面上に堆積する。電池が充電される場合、2段階メカニズムは典型的には逆に起こり、硫化リチウムが多硫化リチウム、その後リチウムおよび硫黄に酸化される。放電中の電気活性材料の利用率を増加させるため、多硫化物種は電解質に可溶性であることが望ましい。多硫化物の溶解なしでは、電気活性硫黄の還元は炭素−硫黄界面に制限され、比較的低い電池容量をもたらし得る。
リチウム硫黄電池の電解質は典型的には、電解質塩および有機溶剤を備える。適切な電解質塩はリチウム塩を含む。例としては、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)、ヘキサフルオロヒ酸リチウム(LiAsF)、過塩素酸リチウム(LiClO)、リチウムトリフルオロメタンスルホンイミド(LiN(CFSO)およびトリフルオロメタンスルホン酸リチウム(CFSOLi)が挙げられる。こうしたリチウム塩は電解質中に電荷を有する種をもたらし、電極で酸化還元反応を発生させる。
テトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF)は、リチウム−イオン電池において電解質として用いられてきたリチウム塩である。しかしながら、Journal of Power Sources 231(2013)153−162によると、テトラフルオロホウ酸リチウムは、
LiBF+Li→LiBS+2LiF
のように多硫化リチウムと反応するので、電解質塩として不適切である。これによりテトラフルオロホウ酸リチウムは多硫化物種と相容れないものとなる(Section 3.2.2参照)。
本発明の特定の実施例を記載する前に、本開示が本明細書に開示される特定の電池、方法または材料に限定されないことが理解されるべきである。保護の範囲が特許請求の範囲およびその同等物により定義されるように、本明細書に用いられる用語が特定の実施例について説明するためのみに用いられ、限定することを意図しないことも理解されるべきである。
本発明の電池および方法の説明および特許請求の範囲では、次の語が用いられる:単数形「a」、「an」、および「the」は、文脈に他に明確な指示がない限り、複数形を含む。よって、例えば、「アノード」とはこうした要素の1つ以上を指す。
本発明の1つの態様によると、
リチウム金属またはリチウム金属合金を有するアノードと、
電気活性硫黄材料および固体導電性材料の混合物を有するカソードと、
テトラフルオロホウ酸塩および有機溶剤を有する電解質を備え、
前記テトラフルオロホウ酸塩が電解質中に0.05〜0.5Mの濃度で存在し、
前記テトラフルオロホウ酸塩が、テトラフルオロホウ酸アニオン、BF の電気活性材料中の硫黄、Sに対するモル比が0.009〜0.09:1である量で存在することを特徴とするリチウム−硫黄電池が提供される。
別の態様によると、本発明はまた、リチウム硫黄電池のサイクル寿命を向上させるための添加剤としてのテトラフルオロホウ酸塩の使用を提供する。
有利なことに、テトラフルオロホウ酸塩を添加剤として用い、リチウム硫黄電池のサイクル寿命を向上させることができることが見出された。いずれの理論にも縛られることを望むことなく、テトラフルオロホウ酸アニオンは、放電時に形成される多硫化物を溶媒和し、電解質中でのそれらの可溶性を向上させると考えられる。これは放電中の電気活性材料の利用率を増加させる。多硫化物の溶解なしでは、電気活性硫黄の還元は炭素−硫黄界面でのみ起こり、比較的低い電池容量をもたらし得る。
硫黄は非導電性であるため、硫黄の還元は典型的には、導電性材料または集電体と接触する硫黄粒子の表面に制限される。より小さな硫黄粒子はしたがって、粒子の中心にある硫黄が還元にすぐに利用可能でない場合があり得るので、望ましい。驚くべきことに、テトラフルオロホウ酸アニオンは硫黄の凝集を妨げると考えられる。テトラフルオロホウ酸塩を電池に添加することにより、硫黄の凝集は低減され、よって電池の抵抗および容量減衰の傾向は低減され得る。結果として、電池のサイクル寿命は増加され得る。
任意の適切なテトラフルオロホウ酸塩を用いることができる。適切な塩としては金属塩および/またはアンモニウム塩が挙げられる。適切な金属塩としては、カリウム、ナトリウムおよびリチウムの塩を含むアルカリ金属塩が挙げられる。好適には、テトラフルオロホウ酸リチウムが用いられる。適切なアンモニウム塩としてはテトラアルキルアンモニウム塩が挙げられる。例としては、テトラエチルアンモニウム塩およびテトラメチルアンモニウム塩が挙げられる。
テトラフルオロホウ酸塩は、電解質中に0.05〜0.5Mの濃度で存在することができる。テトラフルオロホウ酸塩濃度は好適には、サイクル寿命の明らかな向上をもたらすのに十分でなければならない。しかしながら、これは好適には、望ましくない副反応を引き起こすほどには高すぎてはならない。いずれの理論にも縛られることを望むことなく、0.5Mより顕著に高い濃度では、テトラフルオロホウ酸塩は望ましくない副反応において多硫化物種と反応し得ると考えられる。こうした望ましくない副反応の1つの例は次のとおりである:
LiBF+Li→LiBS+2LiF
好適には、テトラフルオロホウ酸塩は電解質中に0.1〜0.4M、より好適には、0.2〜0.3M、例えば、約0.3Mの濃度で存在する。
リチウム硫黄電池に用いられる場合、テトラフルオロホウ酸塩は、テトラフルオロホウ酸アニオン、BF の、電気活性材料中の硫黄、Sに対するモル比が0.009〜0.09:1、好適には、0.01〜0.09:1、より好適には、0.02〜0.09:1である量で存在する。好適には、テトラフルオロホウ酸アニオン、BF の、電気活性材料中の硫黄、Sに対するモル比は0.03〜0.08:1、より好適には、0.04〜0.07:1、例えば、0.05〜0.07:1である。1つの実施形態において、テトラフルオロホウ酸アニオン、BF の、電気活性材料中の硫黄、Sに対するモル比は0.06:1である。疑義の回避のため、モル比は電解質中のBFアニオンのモル数および電気活性材料中の硫黄(S)のモル数に基づいて計算される。したがって、電気活性材料が硫黄単独では構成されない場合、電気活性材料中の硫黄(S)のモル数は電気活性材料のモル数未満であるだろう。
電解質は、さらなる電解質塩(すなわちテトラフルオロホウ酸塩に加えて用意されるもの)を含んでもよい。さらなる電解質塩は、好適にはリチウム塩(すなわちテトラフルオロホウ酸リチウムでないリチウム塩)である。適切なリチウム塩としては、ヘキサフルオロリン酸リチウム、ヘキサフルオロヒ酸リチウム、過塩素酸リチウム、リチウムトリフルオロメタンスルホンイミドおよびトリフルオロメタンスルホン酸リチウムが挙げられる。好適には、リチウム塩はトリフルオロメタンスルホン酸リチウムである。塩の組み合わせを用いてもよい。さらなる電解質塩は、電解質中に0.1〜5M、好適には、0.5〜3M、例えば、1Mの濃度で存在してもよい。1つの実施形態において、さらなる電解質塩は電解質中に電解質または電解質溶剤中のリチウム塩の飽和濃度の50%〜100%である濃度で存在するリチウム塩である。リチウム塩は、飽和濃度の70%〜100%、より好適には飽和濃度の80%〜100%、例えば、飽和濃度の90%〜100%である濃度で存在してもよい。さらなる電解質の、それらの飽和限度に等しい、またはこれに近い、こうした高濃度溶液を用いることにより、電池のサイクル効率は増加し、容量減衰率は低減し得る。
テトラフルオロホウ酸塩のモル濃度は、さらなる電解質塩のモル濃度の90%未満、好適には80%未満、より好適には70%未満、さらにより好適には60%未満、例えば、50%未満であってもよい。1つの実施形態において、テトラフルオロホウ酸塩のモル濃度は、さらなる電解質塩のモル濃度の40%未満、例えば、30%未満であってもよい。テトラフルオロホウ酸塩のモル濃度は、さらなる電解質塩のモル濃度の1%超、好適には5%超、例えば、10%超であってもよい。1つの実施形態において、テトラフルオロホウ酸塩のモル濃度は、さらなる電解質塩のモル濃度の1〜40%、好適には、5〜30%、例えば、10〜20%であってもよい。
参照電解質と0.1M LiBFドープ電解質とを比較した図である。 参照電解質と0.05M LiBFドープ電解質とを比較した図である。 参照電解質と0.2M LiBFドープ電解質とを比較した図である。 参照電解質と0.3M LiBFドープ電解質とを比較した図である。 参照電解質と0.4M LiBFドープ電解質とを比較した図である。 参照電解質と0.05M TEABFドープ電解質とを比較した図である。 参照電解質と0.2M LiBFドープ電解質との比較した図である。
また別の態様において、本発明は、リチウム硫黄電池の電解質であって、
テトラフルオロホウ酸塩と、
有機溶剤と、
ヘキサフルオロリン酸リチウム、ヘキサフルオロヒ酸リチウム、過塩素酸リチウム、リチウムトリフルオロメタンスルホンイミドおよびトリフルオロメタンスルホン酸リチウムの少なくとも1つから選択されるリチウム塩とを有し、
前記テトラフルオロホウ酸塩が電解質中に0.05〜0.5Mの濃度で存在し、
前記リチウム塩が電解質中に電解質中のリチウム塩の飽和濃度の50%〜100%である濃度で存在することを特徴とする電解質を提供する。
上述したとおり、本発明の1つの態様によると、リチウム金属またはリチウム金属合金を有するアノードと、電気活性硫黄材料および固体導電性材料の混合物を有するカソードと、多孔質セパレータと、少なくとも1つのリチウム塩、少なくとも1つの有機溶剤および界面活性剤を有する電解質とを備えるリチウム−硫黄電気化学電池が提供される。
本発明の電気化学電池はいずれかの適切なリチウム−硫黄電池であってもよい。電池は典型的にはアノードと、カソードと、電解質と、好適にはアノードとカソードとの間に有利に配置され得る多孔質セパレータとを備える。アノードは、リチウム金属またはリチウム金属合金で形成してもよい。好適には、アノードはリチウム箔電極のような金属箔電極である。リチウム箔はリチウム金属またはリチウム金属合金で形成してもよい。
電気化学電池のカソードは電気活性硫黄材料および導電性材料の混合物を含む。この混合物は電気活性層を形成し、これは集電体と接触して配置され得る。
電気活性硫黄材料は元素硫黄、硫黄ベースの有機化合物、硫黄ベースの無機化合物および硫黄含有ポリマーを有してもよい。好適には、元素硫黄が用いられる。
固体導電性材料は、任意の適切な導電性材料とすることができる。好適には、この固体導電性材料は炭素で形成してもよい。例としては、カーボンブラック、カーボンファイバー、グラフェンおよびカーボンナノチューブが挙げられる。他の適切な材料は、金属(例えば薄片、充填材および粉末)および導電性ポリマーを含む。好適には、カーボンブラックが用いられる。
電気活性硫黄材料および導電性材料の混合物は、集電体に溶剤(例えば水または有機溶剤)中のスラリーの形態で塗布してもよい。溶剤はその後除去してもよく、得られる構造物はカレンダー加工して複合構造物を形成してもよく、これは所望の形状に切断してカソードを形成してもよい。セパレータはカソード上に配置してもよく、リチウムアノードはセパレータ上に配置してもよい。電解質は次に組立電池中に導入し、カソードおよびセパレータを湿潤させてもよい。あるいは、電解質は、例えば、リチウムアノードがセパレータ上に配置される前にコーティングまたはスプレーにより、セパレータ上に塗布してもよい。
上述したとおり、電池は電解質を備える。電解質は、電極間に存在し、または堆積され、アノードとカソードとの間の電荷の移動を可能にする。好適には、電解質はカソードの細孔およびセパレータの細孔を湿潤させる。
電解質に用いるのに適した有機溶剤は、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、メチルプロピルプロピオネート、エチルプロピルプロピオネート、酢酸メチル、ジメトキシエタン、1,3−ジオキソラン、ジグリム(2−メトキシエチルエーテル)、テトラグリム、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、ブチロラクトン、ジオキソラン、ヘキサメチルホスホアミド、ピリジン、ジメチルスルホキシド、リン酸トリブチル、リン酸トリメチル、N,N,N,N−テトラエチルスルファミド、ならびにスルホンおよびそれらの混合物である。好適には、有機溶剤はスルホンまたはスルホンの混合物である。スルホンの例はジメチルスルホンおよびスルホランである。スルホランは単独の溶剤としてまたは、例えば、他のスルホンと組み合わせて用いてもよい。1つの実施形態において、電解質はトリフルオロメタンスルホン酸リチウムおよびスルホランを含む。
電解質に用いられる有機溶剤は、例えば、電池の放電中に電気活性硫黄材料が還元される場合に形成される、n=2〜12として、式S 2−の、多硫化物種を溶解することができなければならない。上述したとおり、テトラフルオロホウ酸アニオンは、多硫化物を有利に溶媒和し、電解質中でのそれらの可溶性を向上させる。
本発明の電池中にセパレータが存在する場合、セパレータは電池の電極間のイオンの移動を可能にするいずれかの適切な多孔質基板を備えてもよい。セパレータは電極間の直接接触を防止するように電極間に配置されるべきである。基板の多孔性は少なくとも30%、好適には少なくとも50%、例えば、60%超でなければならない。適切なセパレータはポリマー材料で形成されるメッシュを含む。適切なポリマーはポリプロピレン、ナイロンおよびポリエチレンを含む。不織布ポリプロピレンがとくに好ましい。多層セパレータを用いることが可能である。
(実施例1)
この実施例では、スルホラン中1Mのリチウムトリフレートを含む電解質をリチウム−硫黄電池において参照電解質として用いた。この参照電池の放電容量を約140サイクルにわたり測定した。テトラフルオロホウ酸リチウムを参照電解質に添加し、電解質中0.1MのLiBF溶液を形成した以外は同じ方法で、さらなる電池を製造した。電池の放電容量を約140サイクルにわたり測定した。図1からわかるように、テトラフルオロホウ酸塩の添加により容量減衰率は低減する。この実施例では、テトラフルオロホウ酸アニオン、BF の、電気活性材料中のSに対する比は、0.01875:1であった。
(実施例2)
この実施例では、テトラフルオロホウ酸リチウムを参照電解質に添加し、電解質中0.05MのLiBF溶液を形成した以外は実施例1の参照電池と同じ方法で、さらなる電池を製造した。電池の放電容量を約60サイクルにわたり測定した。これらの放電容量を参照電池の放電容量と比較した。図2からわかるように、テトラフルオロホウ酸塩の添加により、約35サイクル後、容量減衰の向上を観察することができる。この実施例では、テトラフルオロホウ酸アニオン、BF の、電気活性材料中のSに対する比は、0.0093:1であった。
(実施例3)
この実施例では、テトラフルオロホウ酸リチウムを参照電解質に添加し、電解質中0.2MのLiBF溶液を形成した以外は実施例1の参照電池と同じ方法で、さらなる電池を製造した。電池の放電容量を60+サイクルにわたり測定した。これらの放電容量を参照電池の放電容量と比較した。図3からわかるように、テトラフルオロホウ酸塩の添加により、約25サイクル後、容量減衰の向上を観察することができる。この実施例では、テトラフルオロホウ酸アニオン、BF の、電気活性材料中のSに対する比は、0.0375:1であった。
(実施例4)
この実施例では、テトラフルオロホウ酸リチウムを参照電解質に添加し、電解質中0.3MのLiBF溶液を形成した以外は実施例1の参照電池と同じ方法で、さらなる電池を製造した。電池の放電容量を50+サイクルにわたり測定した。これらの放電容量を参照電池の放電容量と比較した。図4からわかるように、テトラフルオロホウ酸塩の添加により、容量減衰の向上が観察される。この実施例では、テトラフルオロホウ酸アニオン、BF の、電気活性材料中のSに対する比は、0.05625:1であった。
(実施例5)
この実施例では、テトラフルオロホウ酸リチウムを参照電解質に添加し、電解質中0.4MのLiBF溶液を形成した以外は実施例1の参照電池と同じ方法で、さらなる電池を製造した。電池の放電容量を40+サイクルにわたり測定した。これらの放電容量を参照電池の放電容量と比較した。図5からわかるように、テトラフルオロホウ酸塩の添加により、容量減衰の向上が観察される。この実施例では、テトラフルオロホウ酸アニオン、BF の、電気活性材料中のSに対する比は、0.075:1であった。
(実施例6)
この実施例では、テトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウムを参照電解質に添加し、電解質中0.05MのTEABF溶液を形成した以外は実施例1の参照電池と同じ方法で、さらなる電池を製造した。電池の放電容量を50+サイクルにわたり測定した。これらの放電容量を参照電池の放電容量と比較した。図6からわかるように、テトラフルオロホウ酸塩の添加により、容量減衰の向上が観察される。この実施例では、テトラフルオロホウ酸アニオン、BF の、電気活性材料中のSに対する比は、0.0093:1であった。
(実施例7)
この実施例では、スルホラン中1.25Mのリチウムトリフレートを含む電解質を用いた以外は実施例1の参照電池と同じ方法で、さらなる電池を製造した。電池の放電容量を50+サイクルにわたり測定した。これらの放電容量を参照電池および実施例3の電池(1Mのリチウムトリフレート+0.2MのLiBF)の放電容量と比較した。図7からわかるように、1.25Mのリチウムトリフレートを含む電解質を用いて形成した電池の性能は、電解質中の全体的なリチウム塩濃度が同等であるにもかかわらず、1Mのリチウムトリフレート+0.2MのLiBFを含む電解質を用いて形成した電池より顕著に悪かった。電解質への0.2MのLiBFの添加は、容量減衰に対する電池の抵抗を顕著に向上させた。

Claims (14)

  1. リチウム金属またはリチウム金属合金を有するアノードと、
    電気活性硫黄材料および固体導電性材料の混合物を有するカソードと、
    テトラフルオロホウ酸塩および有機溶剤を有する電解質とを備え、
    前記テトラフルオロホウ酸塩が電解質中に0.05〜0.5Mの濃度で存在し、
    前記テトラフルオロホウ酸塩が、テトラフルオロホウ酸アニオン、BF の電気活性材料中の硫黄、Sに対するモル比が0.009〜0.09:1である量で存在することを特徴とするリチウム−硫黄電池。
  2. 前記テトラフルオロホウ酸塩が電解質中に0.1〜0.4Mの濃度で存在する、請求項1に記載の電池。
  3. 前記テトラフルオロホウ酸塩が、前記テトラフルオロホウ酸アニオン、BF の、電気活性材料中の硫黄、Sに対するモル比が0.04〜0.07:1である量で存在する、請求項1または2に記載の電池。
  4. 前記テトラフルオロホウ酸塩は、アルカリ金属またはアンモニウム塩である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電池。
  5. 前記テトラフルオロホウ酸塩は、テトラフルオロホウ酸リチウムおよび/またはテトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウムである、請求項4に記載の電池。
  6. 前記電解質がさらなる電解質塩を含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電池。
  7. 前記さらなる電解質塩がリチウム塩である、請求項6に記載の電池。
  8. 前記リチウム塩は、ヘキサフルオロリン酸リチウム、ヘキサフルオロヒ酸リチウム、過塩素酸リチウム、リチウムトリフルオロメタンスルホンイミドおよびトリフルオロメタンスルホン酸リチウムから選択される少なくとも1つの塩から選択される、請求項7に記載の電池。
  9. 前記さらなる電解質塩が、電解質中に0.3〜2Mの濃度で存在する、請求項6〜8のいずれか1項に記載の電池。
  10. 前記さらなる電解質塩が、電解質中に電解質中のリチウム塩の飽和濃度の50%〜100%である濃度で存在する、請求項8または9に記載の電池。
  11. 前記テトラフルオロホウ酸塩のモル濃度が、さらなる電解質塩のモル濃度の10〜20%である、請求項8〜10のいずれか1項に記載の電池。
  12. 前記電気活性硫黄材料が元素硫黄である、請求項1〜11のいずれか1項に記載の電池。
  13. リチウム硫黄電池のサイクル寿命を向上させるための添加剤としてのテトラフルオロホウ酸塩の使用。
  14. リチウム硫黄電池の電解質であって、
    テトラフルオロホウ酸塩と、
    有機溶剤と、
    ヘキサフルオロリン酸リチウム、ヘキサフルオロヒ酸リチウム、過塩素酸リチウム、リチウムトリフルオロメタンスルホンイミドおよびトリフルオロメタンスルホン酸リチウムの少なくとも1つから選択されるリチウム塩とを備え、
    前記テトラフルオロホウ酸塩が電解質中に0.05〜0.5Mの濃度で存在し、
    前記さらなる電解質塩が電解質中に電解質中のリチウム塩の飽和濃度の50%〜100%である濃度で存在することを特徴とする電解質。
JP2016540690A 2013-12-17 2014-12-16 リチウム−硫黄電池 Pending JP2017504155A (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP13197674 2013-12-17
EP13197674.8 2013-12-17
PCT/GB2014/053719 WO2015092384A1 (en) 2013-12-17 2014-12-16 A lithium-sulphur cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2017504155A true JP2017504155A (ja) 2017-02-02

Family

ID=49765405

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016540690A Pending JP2017504155A (ja) 2013-12-17 2014-12-16 リチウム−硫黄電池

Country Status (9)

Country Link
US (1) US20160315350A1 (ja)
EP (1) EP3084865A1 (ja)
JP (1) JP2017504155A (ja)
KR (1) KR20160100968A (ja)
CN (1) CN105830258A (ja)
CA (1) CA2932973A1 (ja)
HK (1) HK1224433A1 (ja)
TW (1) TW201539847A (ja)
WO (1) WO2015092384A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2021182614A1 (ja) * 2020-03-13 2021-09-16
JP2023536248A (ja) * 2021-01-07 2023-08-24 エルジー エナジー ソリューション リミテッド リチウム-硫黄電池用電解液及びこれを含むリチウム-硫黄電池

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017033013A1 (en) 2015-08-25 2017-03-02 Oxis Energy Limited Battery sensor
CN106129472A (zh) * 2016-07-01 2016-11-16 东风商用车有限公司 一种磷酸铁锂电池低温电解液
CN107978736B (zh) * 2017-10-25 2020-09-22 温州大学 金属合金/碳管/石墨烯载硫复合正极材料及其制备方法与应用
CN108011125A (zh) * 2017-12-13 2018-05-08 哈尔滨工业大学 一种含硼元素和含氟官能团物质的用途
CN110875495B (zh) * 2018-08-29 2021-08-13 中南大学 一种提升锂硫电池循环性能的电解液及其制备
CN109216769A (zh) * 2018-11-02 2019-01-15 珠海光宇电池有限公司 一种锂金属电池电解液及锂金属电池和锂硫电池

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004103558A (ja) * 2002-09-12 2004-04-02 Samsung Sdi Co Ltd リチウム二次電池用電解液及びこれを含むリチウム二次電池

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101342509B1 (ko) * 2007-02-26 2013-12-17 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지
US20120315553A1 (en) * 2010-02-22 2012-12-13 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Non-aqueous liquid electrolyte secondary battery and non-aqueous liquid electrolyte for non-aqueous liquid electrolyte secondary battery

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004103558A (ja) * 2002-09-12 2004-04-02 Samsung Sdi Co Ltd リチウム二次電池用電解液及びこれを含むリチウム二次電池

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2021182614A1 (ja) * 2020-03-13 2021-09-16
WO2021182614A1 (ja) * 2020-03-13 2021-09-16 学校法人早稲田大学 二次電池用正極、二次電池用正極の製造方法、二次電池
JP7743984B2 (ja) 2020-03-13 2025-09-25 学校法人早稲田大学 二次電池用正極、二次電池用正極の製造方法、二次電池
JP2023536248A (ja) * 2021-01-07 2023-08-24 エルジー エナジー ソリューション リミテッド リチウム-硫黄電池用電解液及びこれを含むリチウム-硫黄電池
JP7511740B2 (ja) 2021-01-07 2024-07-05 エルジー エナジー ソリューション リミテッド リチウム-硫黄電池用電解液及びこれを含むリチウム-硫黄電池

Also Published As

Publication number Publication date
CA2932973A1 (en) 2015-06-25
HK1224433A1 (zh) 2017-08-18
CN105830258A (zh) 2016-08-03
US20160315350A1 (en) 2016-10-27
WO2015092384A1 (en) 2015-06-25
KR20160100968A (ko) 2016-08-24
TW201539847A (zh) 2015-10-16
EP3084865A1 (en) 2016-10-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5651284B2 (ja) リチウム−硫黄電池
RU2402842C2 (ru) Химический источник электроэнергии и способ его изготовления
JP2017504155A (ja) リチウム−硫黄電池
JP5397533B2 (ja) 非水電解液型二次電池及び非水電解液型二次電池用非水電解液
EP2709194B1 (en) Lithium-sulfur battery with performance enhanced additives
JP5466364B2 (ja) リチウム・硫黄電池用電解質及びこれを使用するリチウム・硫黄電池
WO2012025975A1 (ja) 空気極、金属空気電池及び金属空気電池用空気極の製造方法
JP2008522376A5 (ja)
CN105830259A (zh) 用于锂硫电池的电解质
JP2019046589A (ja) 水系電解液及び水系リチウムイオン二次電池
CN111653826A (zh) 一种锂硫电池电解液及其应用
JP6275243B2 (ja) リチウム−硫黄電池の充電方法
JP4998392B2 (ja) 非水電解質電池
CN101128954B (zh) 硫化锂电池及其制造方法
JP6662522B2 (ja) リチウム硫黄電池
JPWO2018230238A1 (ja) 半固体電解質、電極、半固体電解質層付き電極、および二次電池
GB2422244A (en) Improvements relating to electrolyte compositions for batteries using sulphur or sulphur compounds
EP3742530A1 (en) Negative electrode, half secondary battery and secondary battery
Shin et al. Improved cyclic performances of li-sulfur batteries with sulfone-based electrolyte
JP2017045664A (ja) リチウムイオン二次電池

Legal Events

Date Code Title Description
RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20170519

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20170522

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20171122

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180828

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20190326