(57)【要約】  リチウム硫黄二次電池に適用したときに、比容量やサイクル特性といった電池特性を維持したまま、特に高いレート特性が得られるリチウム硫黄二次電池用の正極及びその形成方法を提供する。  リチウム硫黄二次電池の正極Ｐは、正極集電体Ｐ１と、正極集電体Ｐ１の表面に、この表面に直交する方向に配向させて成長させたカーボンナノチューブ４と、を備え、隣接するカーボンナノチューブ相互間に所定の間隙が存するように、カーボンナノチューブ４の各々の少なくとも表面を硫黄５で覆ってなる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電体と、集電体の表面に、当該表面に直交する方向に配向させて成長させたカーボンナノチューブと、を備え、隣接するカーボンナノチューブ相互間に所定の間隙が存するように、カーボンナノチューブの各々の少なくとも表面を硫黄で覆ってなることを特徴とするリチウム硫黄二次電池用の正極。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブの各々の内部に硫黄が充填されていることを特徴とする請求項１記載のリチウム硫黄二次電池用の正極。
【請求項３】
集電体の表面に、当該表面に直交する方向に配向させてカーボンナノチューブを直接成長させ、又は、触媒層の表面に同一方向に配向させてカーボンナノチューブを成長させた後、これらのカーボンナノチューブを集電体の表面に、当該表面に直交する方向に配向するように転写する工程と、
カーボンナノチューブが成長した又は転写された領域の全体に亘って、カーボンナノチューブの単位面積当たりの密度に応じた量で固体の硫黄を配置する工程と、前記硫黄を溶解させて、隣接するカーボンナノチューブ相互間に間隙が存するように、カーボンナノチューブの各々の表面を硫黄で覆う工程と、を含むことを特徴とするリチウム硫黄二次電池用の正極の形成方法。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブを１×１０１０〜１×１０１２本／ｃｍ２の密度で成長させ、成長させたカーボンナノチューブの重量の０．７〜３倍の重量の前記固体の硫黄を配置することを特徴とする請求項３記載のリチウム硫黄二次電池用の正極の形成方法。
【請求項５】
前記硫黄を配置する前に、カーボンナノチューブの各々の先端に開口部を形成する工程を更に含み、
前記硫黄を溶解させたときに、前記開口部を通してカーボンナノチューブの各々の内部に硫黄が充填されるようにしたことを特徴とする請求項３記載のリチウム硫黄二次電池用の正極の形成方法。
【請求項６】
カーボンナノチューブの各々の表面を硫黄で覆った後、アニールを行う工程を更に含み、このアニールにより、カーボンナノチューブの各々の表面を覆う硫黄をカーボンナノチューブ内部に浸透させ、カーボンナノチューブの各々の内部に硫黄が充填されるようにしたことを特徴とする請求項３記載のリチウム硫黄二次電池用の正極の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウム硫黄二次電池用の正極及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウム二次電池は高エネルギー密度を有することから、携帯電話やパーソナルコンピュータ等の携帯機器等だけでなく、ハイブリッド自動車、電気自動車、電力貯蔵蓄電システム等にも適用が拡がっている。このようなリチウム二次電池の１つとして、近年、正極活物質を硫黄とし、負極活物質をリチウムとし、リチウムと硫黄の反応により充放電するリチウム硫黄二次電池が注目されている。【０００３】
リチウム硫黄二次電池では、硫黄１個と反応するリチウムイオンが最大２個であり、硫黄が遷移金属に比べて軽いため、リチウム硫黄二次電池の比容量を向上させることができるという利点がある。一方で、硫黄は極めて高抵抗（5×1030Ω・cm）の絶縁体である。このため、硫黄を正極活物質として用いるときには、硫黄にアセチレンブラック等の導電助剤を混合することが一般である。このように硫黄にアセチレンブラックを混合した場合、アセチレンブラックの粒子間に大きな抵抗が生じ、硫黄への電子供与が不充分となり易い。その結果、硫黄の利用効率が低くなり、比容量が制限されるという問題が生じる。【０００４】
また、リチウム硫黄二次電池の放電時には、環状硫黄S8が解裂して直鎖状硫黄S82-となり、このS82-がさらに、S62-、S42-、S32-、S22-、S2-へと変化する。これらの多硫化アニオンS82-〜S32-が電解液中に溶解し、電解液中を拡散して負極に到達すると、負極にてリチウムと反応して硫化リチウムLi2S2、Li2Sが生じる。ここで、硫化リチウムは、電気化学的に不活性であり、負極上に一旦析出すると電解液中に溶解しない。その結果、サイクル特性が低下するという問題も生じる。【０００５】
以上の問題の解決策として、ポリエチレンオキシド（PEO）等からなるポリマーに電解液を含ませてドライポリマー化（ゲル化）したり、Li-P-SやLi-Si-Sなどの硫化物固体電解質を用いて完全に固体化したりすることが提案されている（例えば、非特許文献１及び２参照）。上記方法では、比容量やサイクル特性は向上するものの、電解液を用いる場合に比べてリチウムと硫黄の反応速度が遅くなる。結果として、高いレート特性を得ることができない。【０００６】
また、硫黄に、導電助剤としてカーボンナノチューブ及びアセチレンブラックを混合して得たスラリーを集電体に塗布して作製した複合体を正極活物質層として用いる方法が提案されている(例えば、非特許文献３参照)。この方法では、カーボンナノチューブが、放電時に生成される多硫化アニオンを吸着することで、多硫化アニオンの電解液への拡散を防止してサイクル特性を向上させることができるものの、アセチレンブラックの粒子間に生じる抵抗がレート特性を制限するという問題が残る。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】S. S. Jeong, et al., Journal of Power Sources 174 (2007)
【非特許文献２】T. Kobayashi, et al., Journal of Power Sources 182 (2008) 621
【非特許文献３】W. Zheng, et al., Electrochimica Acta, 51 (2006) 1330
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、以上の点に鑑み、リチウム硫黄二次電池に適用したときに、比容量やサイクル特性といった電池特性を維持したまま、特に高いレート特性が得られるリチウム硫黄二次電池用の正極及びその形成方法を提供することをその課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のリチウム硫黄二次電池用の正極は、集電体と、集電体の表面に、当該表面に直交する方向に配向させて成長させたカーボンナノチューブと、を備え、隣接するカーボンナノチューブ相互間に所定の間隙が存するように、カーボンナノチューブの各々の少なくとも表面を硫黄で覆ってなることを特徴とする。ここで、本発明において、集電体には、表面に触媒層が形成されたものや、表面にバリア層と触媒層が形成されたものを含むこととする。【００１０】
本発明によれば、集電体の表面に成長させたカーボンナノチューブの各々の少なくとも表面が硫黄で覆われて、硫黄とカーボンナノチューブとが広範囲で接触しているため、硫黄への電子供与が充分に行なわれる。このとき、隣接するカーボンナノチューブ相互間に間隙が存するため、本発明の正極をリチウム硫黄二次電池に適用した場合、上記間隙に電解液が供給されると、当該電解液が広範囲で硫黄に接触することで、硫黄の利用効率が向上し、硫黄への充分な電子供与ができることと相俟って、特に高いレート特性を得ることができ、比容量も一層向上させることができる。従って、比容量やサイクル特性といった電池特性を維持したまま、高いレート特性をも得ることができる。【００１１】
本発明において、カーボンナノチューブの各々の内部にも硫黄を充填しておけば、正極における硫黄の量が更に増加することで、より一層比容量を増加させることができる。【００１２】
また、上記課題を解決するために、本発明のリチウム硫黄二次電池用の正極の形成方法は、集電体の表面に、当該表面に直交する方向に配向させてカーボンナノチューブを直接成長させ、又は、触媒層の表面に同一方向に配向させてカーボンナノチューブを成長させた後、これらのカーボンナノチューブを集電体の表面に、当該表面に直交する方向に配向するように転写する工程と、カーボンナノチューブが成長した又は転写された領域の全体に亘って、カーボンナノチューブの単位面積当たりの密度に応じた量で固体の硫黄を配置する工程と、前記硫黄を溶解させて、隣接するカーボンナノチューブ相互間に間隙が存するように、カーボンナノチューブの各々の表面を硫黄で覆う工程と、を含むことを特徴とする。ここで、本発明において、固体の硫黄には、粉末状、顆粒状やタブレット状の硫黄が含まれるものとし、このような硫黄を配置する量は、全てが溶解したときに、カーボンナノチューブの各々の表面を硫黄で覆い、かつ、隣接するカーボンナノチューブ相互間に間隙が生じる範囲内で適宜設定される。また、硫黄の配置には、成長させたカーボンナノチューブの上面を覆うように固体の硫黄を設置したり、粉末状の硫黄を成長させたカーボンナノチューブの上方から撒布して設置したりする場合が含まれるものとする。【００１３】
本発明によれば、カーボンナノチューブの単位面積当たりの密度に応じた量の固体の硫黄を配置して溶解させるだけであるため、簡単な工程で、隣接するカーボンナノチューブ相互間に間隙が存するようにしてカーボンナノチューブの各々の表面を覆うことが実現できる。【００１４】
上記の場合、例えば、前記カーボンナノチューブを１×１０１０〜１×１０１２本／ｃｍ２の密度で成長させ、成長させたカーボンナノチューブの重量の０．７〜３倍の重量の前記固体の硫黄を配置すればよい。【００１５】
また、本発明において、前記硫黄を配置する前に、カーボンナノチューブの各々の先端に開口部を形成する工程を更に含み、前記硫黄を溶解させたときに、前記開口部を通してカーボンナノチューブの各々の内部に硫黄が充填されるようにすることが望ましい。これによれば、より一層比容量を増加させるためにカーボンナノチューブ内に硫黄を充填する場合に、当該充填を、カーボンナノチューブの各々の表面を硫黄で覆うことと同時に行うことができ、生産性が良い。【００１６】
更に、本発明において、カーボンナノチューブの各々の表面を硫黄で覆った後、アニールを行う工程を更に含み、このアニールにより、カーボンナノチューブの各々の表面を覆う硫黄をカーボンナノチューブ内部に浸透させ、カーボンナノチューブの各々の内部に硫黄が充填されるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態のリチウム硫黄二次電池の構成を模式的に示す断面図。
【図２】本発明の実施形態のリチウム硫黄二次電池用の正極を模式的に示す断面図。
【図３】本発明の実施形態のリチウム硫黄二次電池用の正極の形成方法を模式的に示す断面図。
【図４】リチウム硫黄二次電池用の正極の変形例を模式的に示す断面図。
【図５】（ａ）は実施例１で成長させたカーボンナノチューブの断面ＳＥＭ写真であり、（ｂ）は実施例１において表面が硫黄で覆われたカーボンナノチューブの断面ＳＥＭ写真。
【図６】実施例２で得た正極を用いたリチウム硫黄二次電池の充放電特性を示すグラフ。
【図７】比較品１の充放電特性を示すグラフ。
【図８】比較品２の充放電特性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に示すように、リチウム硫黄二次電池Ｂは、主として、正極Ｐと、負極Ｎと、これら正極Ｐと負極Ｎの間に配置されたセパレータＳとを備える。セパレータＳは、図示しない電解液を含み、この電解液を介して正極Ｐと負極Ｎとの間でリチウムイオン（Ｌｉ＋）を伝導できるようになっている。ここで、負極Ｎとしては、例えば、Ｌｉ、ＬｉとＡｌもしくはＩｎ等との合金、またはリチウムイオンをドープしたハードカーボンを用いることができる。また、電解液としては、例えば、テトラヒドロフラン、グライム、ジグライム、テトラグライムなどのエーテル系電解液、ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネートなどのエステル系電解液のうちから選択された少なくとも１種、または、これらのうちから選択された少なくとも１種（例えばグライム、ジグライムもしくはテトラグライム）に粘度調整のためのジオキソランを混合したものを用いることができる。正極Ｐを除く他の構成要素は公知のものを利用できるため、ここでは、詳細な説明を省略する。以下、図２を参照して、本実施形態のリチウム硫黄二次電池用の正極Ｐ及びその形成方法を説明する。
【００１９】
正極Ｐは、正極集電体Ｐ１と、正極集電体Ｐ１の表面に形成された正極活物質層Ｐ２とを備える。正極集電体Ｐ１は、例えば、基体１と、基体１の表面に５〜５０ｎｍの膜厚で形成された下地膜（「バリア膜」ともいう）２と、下地膜２の上に０．１〜５ｎｍの膜厚で形成された触媒層３とを有する。基体１としては、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔからなる箔を用いることができる。また、下地膜２は、例えば、Ａｌ膜又はＡｌＮ膜から構成でき、触媒層３は、例えば、Ｆｅ膜、Ｃｏ膜又はＮｉ膜から構成できる。なお、基体１、下地層２及び触媒層３については、上記に限定されるものではなく、また、公知の方法を利用して形成できる。
【００２０】
正極活物質層Ｐ２は、正極集電体Ｐ１の表面に、当該表面に直交する方向に配向させて成長させたカーボンナノチューブ４と、カーボンナノチューブ４相互間に間隙を存するようにカーボンナノチューブ４の各々の表面全体を覆う硫黄５とから構成され、当該間隙には上記電解液が流入させるようになっている。ここで、カーボンナノチューブ４を成長させる場合、電池特性を考慮して、例えば、カーボンナノチューブの各々の長さが１００〜５００μｍの範囲内で、これらの直径が５〜５０ｎｍの範囲内である高アスペクト比のものが有利であり、また、単位面積当たりの密度が、１×１０１０〜１×１０１２本／ｃｍ２の範囲内となるように成長させることが好ましい。そして、上記の如く成長させた各カーボンナノチューブ４表面全体を覆う硫黄５の厚さは、例えば、１〜３ｎｍの範囲とすることが好ましい。
【００２１】
このように本実施形態では、正極集電体Ｐ１の表面に成長させたカーボンナノチューブ４の各々の表面が硫黄５で覆われているため、硫黄５とカーボンナノチューブ４とが広範囲で接触する。ここで、カーボンナノチューブ４は、上記従来例で用いられたアセチレンブラック粒子のように粒子同士の接触により導電性を有するものではなく、単体で導電性を有するものであるため、硫黄５への電子供与を充分に行うことができる。このとき、隣接するカーボンナノチューブ４相互間に間隙が存するため、この間隙に電解液が供給されると、硫黄５と電解液とも広範囲で接触する、即ち、正極集電体Ｐ１との接合部分近傍の硫黄５まで電解液（リチウムイオン）が供給されることで、硫黄の利用効率が向上し、硫黄への充分な電子供与ができることと相俟って、特に高いレート特性を得ることができる。その上、比容量も一層向上させることができる。また、放電時に硫黄５から生じる多硫化アニオンがカーボンナノチューブ４によって吸着されるため、電解液への多硫化アニオンの拡散を抑制でき、サイクル特性もよい。結果として、本実施形態のリチウム硫黄二次電池Ｂの正極は、比容量やサイクル特性といった電池特性を維持したまま、特に高いレート特性を有する。
【００２２】
次に、図３を更に参照して、上記正極Ｐの形成方法を説明する。先ず、基体１たるＮｉ箔の表面に、下地膜２としてのＡｌ膜と触媒層３としてのＦｅ膜を順次形成することにより、正極集電体Ｐ１を形成する。ここで、下地膜２と触媒層３の形成方法としては、例えば、公知の電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、触媒金属を含む化合物の溶液を用いたディッピングを用いることができる。この正極集電体Ｐ１を公知のＣＶＤ装置の処理室内に設置し、処理室内に原料ガス及び希釈ガスを含む混合ガスを１００Ｐａ〜大気圧の作動圧力下で供給し、６００〜８００℃の温度に正極集電体Ｐ１を加熱することにより、集電体Ｐ１の表面に、当該表面に直交する配向させてカーボンナノチューブ４を成長させる。ここで、カーボンナノチューブ４を成長させるためのＣＶＤ法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、ホットフィラメント法を用いることができる。原料ガスとしては、例えば、メタン、エチレン、アセチレン等の炭化水素や、メタノール、エタノール等のアルコールを用いることができ、また、希釈ガスとしては、窒素、アルゴン又は水素を用いることができる。また、原料ガス及び希釈ガスの流量は、処理室の容積に応じて適宜設定でき、例えば、原料ガスの流量は１０〜５００ｓｃｃｍの範囲内で設定でき、希釈ガスの流量は１００〜５０００ｓｃｃｍの範囲内で設定できる。
【００２３】
次いで、カーボンナノチューブ４が成長した領域の全体に亘って、その上方から、１〜１００μｍの範囲の粒径を有する顆粒状の硫黄５０を撒布する（図３参照）。そして、正極集電体Ｐ１を管状炉内に設置し、硫黄の融点（１１３℃）以上の１２０〜１８０℃の温度に加熱する。これにより、溶解した硫黄が隣接するカーボンナノチューブ４の間に流れ込み、隣接するカーボンナノチューブ４相互間に間隙が存するように、カーボンナノチューブ４の各々の表面全体が硫黄５で覆われる（図２参照）。このとき、隣接するカーボンナノチューブ４相互間に確実に間隙が存するようにするために、カーボンナノチューブ４の密度（本／ｃｍ２）に応じて、上記配置する硫黄５０の重量を設定する。例えば、カーボンナノチューブ４の成長密度が１×１０１０〜１×１０１２本である場合、硫黄５０の重量をカーボンナノチューブ４の重量の０．２倍〜１０倍に設定することが好ましい。０．２倍よりも少ないと、カーボンナノチューブ４の夫々の表面が硫黄により均一に覆われなくなり、１０倍よりも多いと、隣接するカーボンナノチューブ４相互間の間隙まで硫黄が充填されてしまう。より具体的には、カーボンナノチューブ４の表面を１〜３ｎｍの厚さの硫黄５で覆うには、硫黄５０の重量をカーボンナノチューブ４の重量の０．７倍〜３倍に設定することが好ましい。また、空気中で加熱すると、溶解した硫黄が空気中の水分と反応して硫酸が生成するため、ＡｒやＨｅ等の不活性ガス雰囲気中、または真空中で加熱することが好ましい。
【００２４】
本実施形態の正極の形成方法によれば、カーボンナノチューブ４の単位面積当たりの密度に応じた量の固体の硫黄５０を配置して溶解させるだけであるため、簡単な工程で、隣接するカーボンナノチューブ４相互間に間隙が存するようにしてカーボンナノチューブ４の各々の表面を覆うことが実現できる。
【００２５】
尚、上記実施形態では、カーボンナノチューブ４の各々の表面のみを硫黄５で覆っているが、図４に示すように、カーボンナノチューブ４の各々の内部にも硫黄５を充填すれば、正極Ｐにおける硫黄の量が更に増加することで、より一層比容量を増加させることができる。
【００２６】
カーボンナノチューブ４内部に硫黄５を充填するためには、硫黄５０を配置する前に、例えば、大気中、５００〜６００℃の温度で熱処理を行うことでカーボンナノチューブ４の各々の先端に開口部を形成する。次いで、上記実施形態と同様の方法により、カーボンナノチューブ４が成長した領域全体に亘って硫黄５０を配置し、この硫黄５０を溶解させる。これにより、カーボンナノチューブ４の各々の表面が硫黄で覆われると同時に、この開口部を通してカーボンナノチューブ４の各々の内部にも硫黄５が充填される。この場合、隣接するカーボンナノチューブ相互間に確実に間隙が存するようにするために、硫黄５０の重量をカーボンナノチューブ４の重量の５倍〜２０倍に設定することが好ましい。
【００２７】
また、別の方法としては、管状炉にて硫黄５０を溶解させて、カーボンナノチューブ４の各々の表面を硫黄５で覆った後、同一の管状炉を用いて集電体金属と硫黄が反応しない２００〜２５０℃の範囲内の温度でアニールを更に行う。このアニールにより、カーボンナノチューブ４表面から内部に硫黄を浸透させて、カーボンナノチューブ４の各々の内部に硫黄５が充填される。
【実施例１】
【００２８】
実施例１では、正極集電体として、Ｎｉ箔の表面に１５ｎｍの膜厚でＡｌ膜（下地膜）を電子ビーム蒸着法により形成し、Ａｌ膜の上に５ｎｍの膜厚でＦｅ膜を電子ビーム蒸着法により形成したものを準備した。この正極集電体を熱ＣＶＤ装置の処理室内に載置し、処理室内にアセチレン２００ｓｃｃｍと窒素１０００ｓｃｃｍを供給し、作動圧力：１気圧、温度：７５０℃、成長時間：５分の条件で、正極集電体表面に垂直配向させてカーボンナノチューブを直接成長させた（図５（ａ）参照）。このときのカーボンナノチューブの密度は、１×１０１０本／ｃｍ２であった。正極集電体を熱ＣＶＤ装置から取り出し、成長したカーボンナノチューブの重量を測定したところ０．５０ｍｇであった。次いで、カーボンナノチューブの重量の１０倍（５ｍｇ）の顆粒状の硫黄（Ｓ８）を、カーボンナノチューブが成長した領域全体に亘って配置したものを、管状炉内に配置し、Ａｒ雰囲気下で１２０℃、５分加熱した。加熱後のカーボンナノチューブの断面ＳＥＭ写真を図５（ｂ）に示す。これによれば、隣接するカーボンナノチューブ相互間に間隙が存するように、カーボンナノチューブの各々の表面が５ｎｍの厚さの硫黄で覆われていることが確認された。
【実施例２】
【００２９】
実施例２では、上記実施例１と同様の方法により、正極集電体の表面にカーボンナノチューブを成長させた。次いで、上記実施例１と同様の方法により、カーボンナノチューブの重量（０．５０ｍｇ）の５倍（２．５ｍｇ）の顆粒状の硫黄を配置したものを管状炉内に配置し、Ａｒ雰囲気下で１２０℃、５分加熱した。加熱後のものでは、カーボンナノチューブの各々の表面が５ｎｍの厚さの硫黄で覆われていることを確認した。その後、同一の管状炉にて、Ａｒ雰囲気下で２３０℃、３０分アニールを行った。このアニールにより、カーボンナノチューブ表面の硫黄がカーボンナノチューブ内部に浸透し、カーボンナノチューブの内部にも硫黄が充填されたことを確認した。尚、アニール時に６６％（１．５５ｇ）の硫黄が蒸発したため、実施例２で最終的に得られた正極において、カーボンナノチューブと硫黄の重量比は１：１．９であった。【００３０】
次に、本実施例２で作製した直径１４ｍｍφの正極を用い、負極は直径１４ｍｍφ、厚さ１ｍｍの金属リチウムとし、これら正極及び負極をセパレーター（例えば、Ｃｅｌｇａｒｄ社製の商品名「２４００」）を介して対向させ、電解液として１Ｍ リチウムビス（トリフルオロメチルスルホネート）イミド（ＬｉＴＦＳＩ）、グライム（ＤＭＥ）及びジオキソラン（ＤＯＬ）の混合溶液（ＤＭＥ：ＤＯＬ＝９：１）を用いて、リチウム硫黄二次電池のコインセルを作製し（発明品）、１ｇ当たりの放電容量（比容量）を測定した。【００３１】
図６は、実施例２で得た正極を用いたリチウム硫黄二次電池（発明品）の充放電特性を示すグラフである。この場合、放電時のカットオフ電圧を１．５Ｖとし、充電時のカットオフ電圧を２．８Ｖとし、充放電レートを０．１Ｃと１Ｃにして測定を行った。０．１Ｃでの１回目の放電では、２．５〜１．５Ｖの電位で１１２０ｍＡｈ／ｇと高い放電容量が得られた。また、１Ｃでの１回目の充放電でも、０．１Ｃでの放電容量の約８０％に相当する８７０ｍＡｈ／ｇと高い放電容量が得られた。このように、本実施例２では、硫黄への電子及びリチウムイオン（電解液）の供与を充分に行うことができ、硫黄の利用効率がほぼ１００％に高められるため、上記比容量やサイクル特性といった電気特性を維持したまま、特に高いレート特性が得られることが判る。また、１Ｃでの分極（充電時と放電時の電位差）が０〜０．５Ｖと小さいことから、電極を低抵抗化できることが判る。【００３２】
尚、比較実験１として、上記実施例１と同様の方法により、正極集電体の表面にカーボンナノチューブを成長させた。次いで、上記実施例１と同様の方法により、カーボンナノチューブの重量（０．５０ｍｇ）の４０倍（２０ｍｇ）の顆粒状の硫黄を配置したものを管状炉内に配置し、Ａｒ雰囲気下で１２０℃、５分加熱した。このものでは、隣接するカーボンナノチューブ相互間が硫黄で埋められていた。その後、上記実施例２と同様の方法により、同一の管状炉にて、Ａｒ雰囲気下で２３０℃、３０分アニールを行った。このアニールにより、カーボンナノチューブの内部にも硫黄が充填されたが、隣接するカーボンナノチューブ相互間は依然として硫黄で埋められていることを確認した。尚、アニール時に２７．５％（５．５ｍｇ）の硫黄が蒸発したため、比較実験１で最終的に得られた正極において、カーボンナノチューブと硫黄の重量比は１：２９であった。そして、このものを正極として用い、上記実施例２と同様に、リチウム硫黄二次電池のコインセルを作製し（比較品１）、１ｇ当たりの放電容量を測定した。【００３３】
図７は、比較品１の充放電特性を示すグラフである。放電容量の測定条件は、上記実施例２と同じとした。０．１Ｃでの充放電では５０ｍＡｈ／ｇと小さな放電容量しか得られず、１Ｃでの充放電では０．１での充電容量の約２０％に相当する１１ｍＡｈ／ｇと極めて小さな放電容量しか得られなかった。比較品１の放電容量が発明品に比べて小さいのは、カーボンナノチューブの相互間が硫黄で埋められていることで、電解液がカーボンナノチューブ先端近傍の僅かな硫黄にしか接触できず、硫黄の利用効率が低いためと考えられる。【００３４】
他の比較実験２として、従来方法により正極を作製した。即ち、硫黄とアセチレンブラックを１：１の重量比でそれぞれ秤量し、ボールミルで混合したものに結着剤として機能するポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を加える。このポリフッ化ビニリデンを加えたものをＮメチル２ピロリドン（ＮＭＰ）に溶かして高粘度のスラリー（溶液）とし、このスラリーを正極集電体（例えばＮｉ箔）の表面にアプリケータを用いて均一な厚さ（例えば５０μｍ）で塗布した。この場合、硫黄：アセチレンブラック：ポリフッ化ビニリデンの重量比を４５：４５：１０とした。次いで、溶液が塗布された正極集電体を大気中で８０℃、６０分乾燥し、１４ｍｍφの大きさに打ち抜く。尚、比較実験２で最終的に得られた正極において、硫黄の重量は１．９０ｍｇであった。そして、このものを正極として用い、上記実施例２と同様に、リチウム硫黄二次電池のコインセルを作製し（比較品２）、１ｇ当たりの放電容量を測定した。【００３５】
図８は、比較品２の充放電特性を示すグラフである。放電容量の測定条件は、上記実施例２と同じとした。０．１Ｃでの１回目の放電では、２．５〜１．５Ｖの電位で６１０ｍＡｈ／ｇとの放電容量が得られた。また、１Ｃでの充放電でも、０．１Ｃでの放電容量の約５０％に相当する３２０ｍＡｈ／ｇであった。比較品２の放電容量が発明品に比べて小さいのは、アセチレンブラックの粒子間に生じる大きな抵抗により、硫黄への電子供与が不充分となり、その結果、硫黄の利用効率が低いためである。【００３６】
以上、本発明の実施形態及び実施例について説明したが、本発明は上記のものに限定されない。本発明では、集電体（即ち、触媒層）の表面に直接カーボンナノチューブを成長させる場合を例に説明したが、別の触媒層の表面にカーボンナノチューブを配向させて成長させ、このカーボンナノチューブを集電体の表面に転写してもよい。
【符号の説明】
【００３７】
Ｂ…リチウム硫黄二次電池、Ｐ…正極、Ｐ１…正極集電体、４…カーボンナノチューブ、５…硫黄、５０…固体の硫黄。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年4月18日(2013.4.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
正極Ｐは、正極集電体Ｐ１と、正極集電体Ｐ１の表面に形成された正極活物質層Ｐ２とを備える。正極集電体Ｐ１は、例えば、基体１と、基体１の表面に５〜５０ｎｍの膜厚で形成された下地膜（「バリア膜」ともいう）２と、下地膜２の上に０．１〜５ｎｍの膜厚で形成された触媒層３とを有する。基体１としては、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔからなる箔を用いることができる。また、下地膜２は、例えば、Ａｌ膜又はＡｌＮ膜から構成でき、触媒層３は、例えば、Ｆｅ膜、Ｃｏ膜又はＮｉ膜から構成できる。なお、基体１、下地膜２及び触媒層３については、上記に限定されるものではなく、また、公知の方法を利用して形成できる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
図６は、実施例２で得た正極を用いたリチウム硫黄二次電池（発明品）の充放電特性を示すグラフである。この場合、放電時のカットオフ電圧を１．５Ｖとし、充電時のカットオフ電圧を２．８Ｖとし、充放電レートを０．１Ｃと１Ｃにして測定を行った。０．１Ｃでの１回目の放電では、２．５〜１．５Ｖの電位で１１２０ｍＡｈ／ｇと高い放電容量が得られた。また、１Ｃでの１回目の充放電でも、０．１Ｃでの放電容量の約８０％に相当する８７０ｍＡｈ／ｇと高い放電容量が得られた。このように、本実施例２では、硫黄への電子及びリチウムイオン（電解液）の供与を充分に行うことができ、硫黄の利用効率がほぼ１００％に高められるため、上記比容量やサイクル特性といった電池特性を維持したまま、特に高いレート特性が得られることが判る。また、１Ｃでの分極（充電時と放電時の電位差）が０〜０．５Ｖと小さいことから、電極を低抵抗化できることが判る。 
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
図７は、比較品１の充放電特性を示すグラフである。放電容量の測定条件は、上記実施例２と同じとした。０．１Ｃでの充放電では５０ｍＡｈ／ｇと小さな放電容量しか得られず、１Ｃでの充放電では０．１Ｃでの放電容量の約２０％に相当する１１ｍＡｈ／ｇと極めて小さな放電容量しか得られなかった。比較品１の放電容量が発明品に比べて小さいのは、カーボンナノチューブの相互間が硫黄で埋められていることで、電解液がカーボンナノチューブ先端近傍の僅かな硫黄にしか接触できず、硫黄の利用効率が低いためと考えられる。
【国際調査報告】
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