(57)【要約】  本発明は、アノード、セパレーター、硫黄及び炭素系材料に基づく複合材料を含むカソード、及びカソードの容量に関与する少なくとも一種の有機硫黄種を含むカソライトを含むバッテリーと、またそのようなバッテリーを製造するための方法に関する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード、セパレーター、硫黄及び炭素系材料に基づく複合材料を含むカソード、及びカソライトを含むバッテリーにおいて、カソライトが、カソードの容量に関与する少なくとも一種の有機硫黄種を含むことを特徴とする、バッテリー。
【請求項２】
アノードが、ナトリウム又はリチウムを含むアノード活物質を含むことを特徴とする、請求項１に記載のバッテリー。
【請求項３】
複合材料が、硫黄を溶融し、硫黄と炭素系材料を混合する工程によって、溶融物中に形成されていることを特徴とする、請求項１及び２の何れか一項に記載のバッテリー。
【請求項４】
カーボン系材料が、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー、グラフェン、アセチレンブラック、グラファイト、カーボンナノファイバー、及び全ての割合のそれらの混合物から選択されることを特徴とする、請求項１から３の何れか一項に記載のバッテリー。
【請求項５】
複合材料が元素形態の硫黄を含むことを特徴とする、請求項１から４の何れか一項に記載のバッテリー。
【請求項６】
複合材料がセレンをまた含むことを特徴とする、請求項１から５の何れか一項に記載のバッテリー。
【請求項７】
少なくとも一種の有機硫黄種が、有機ジスルフィド、有機ポリスルフィド、チオール、ポリチオール、チオレート又はポリチオレートから選択されることを特徴とする、請求項１から６の何れか一項に記載のバッテリー。
【請求項８】
少なくとも一種の有機硫黄種が、次の式：ＲＳｘＲ、Ｒ（ＳＨ）ｎ、Ｒ（ＳＭ）ｘ、Ｒ（ＣＯＳＨ）ｎ、Ｒ（ＣＯＳＭ）ｎ、ＲＣＯＳｘＲを有する化合物及び−Ｓｘ−、−ＣＯＳｘ−、−ＳＨ、−ＳＭ、−ＣＯＳＨ及び−ＣＯＳＭの中の一又は複数の官能基を含むポリマーから選択され、
ここで、
ＭはＬｉとＮａから選択され；
Ｒは置換又は非置換のアルキル又はアリール基から選択され、
ｘは２以上の整数であり、
ｎは１以上の整数である、
ことを特徴とする、請求項１から７の何れか一項に記載のバッテリー。
【請求項９】
カソライトがまた
−  ＡＴＦＳｉ、ＡＦＳｉ、ＡＮＯ３、ＡＴＤＩ、ＡＣＦ３ＳＯ３などの一又は複数のアルカリ金属塩、
−  ＡｚＳｘ及びＲＳｘＡの無機及び有機ポリスルフィド塩、又は
−  それらの混合物
を含み、ここで、
Ｒは、置換又は非置換のアルキル又はアリール基から選択され、
Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ及びＣｓから選択され、
ｘは２以上の整数であり、かつ
ｚは２以上の整数である
ことを特徴とする、請求項１から８の何れか一項に記載のバッテリー。
【請求項１０】
カソライトが、一又は複数のリチウム塩、例えばＬｉＴＦＳｉ、ＬｉＦＳｉ、ＬｉＴＤＩ、ＬｉＮＯ３、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、及びそれらの混合物、並びにＬｉポリスルフィド：ＲＳｙＬｉ（ここで、ｙは２以上の整数、Ｒは置換又は非置換のアルキル又はアリール基から選択される）をまた含むことを特徴とする、請求項１から９の何れか一項に記載のバッテリー。
【請求項１１】
カソライトが高分子バインダーをまた含みうることを特徴とする、請求項１から１０の何れか一項に記載のバッテリー。
【請求項１２】
少なくとも一種の有機硫黄種がポリマーであり、高分子バインダーのように挙動することができることを特徴とする、請求項１から１１の何れか一項に記載のバッテリー。
【請求項１３】
高分子バインダーとして作用する少なくとも一種の有機硫黄種が、次の官能基：ジスルフィド−ＳＳ−、ポリスルフィド−Ｓｎ−（ここで、ｎは２以上の整数である）、及び／又は−ＳＨを含むポリマーから選択されることを特徴とする、請求項１２に記載のバッテリー。
【請求項１４】
カソードの容量に関与する有機硫黄種が、０．０５モル／Ｌ以上の濃度でカソライト中に存在することを特徴とする、請求項１から１３の何れか一項に記載のバッテリー。
【請求項１５】
無機硫黄及び有機硫黄を含み、無機硫黄と有機硫黄との間のモル比が０．０５と１０の間、好ましくは０．１と７の間であることを特徴とする、請求項１から１４の何れか一項に記載のバッテリー。
【請求項１６】
カソードが１７００ｍＡｈ／ｇを超える理論比容量を有することを特徴とする、請求項１から１５の何れか一項に記載のバッテリー。
【請求項１７】
カソードが、Ｃ／１０に等しい放電レジームで測定されて１３００ｍＡｈ／ｇを超える比容量を有することを特徴とする、請求項１から１６の何れか一項に記載のバッテリー。
【請求項１８】
カソードが、Ｃ／１に等しい放電レジームで測定されて５００ｍＡｈ／ｇを超える比容量を有することを特徴とする、請求項１から１７の何れか一項に記載のバッテリー。
【請求項１９】
カソードが、４００サイクル後にＣ／１に等しい放電レジームで測定されて１０００ｍＡｈ／ｇを超える比容量を有することができることを特徴とする、請求項１から１８の何れか一項に記載のバッテリー。
【請求項２０】
形成工程を必要としないことを特徴とする、請求項１から１９の何れか一項に記載のバッテリー。
【請求項２１】
請求項１から１９の何れか一項に記載のバッテリーを製造するための方法であって、    −  カソードの容量に関与する少なくとも一種の有機硫黄種を含むカソライトを調製する工程及び
−  アノード、カソード、セパレーター、及びカソライトを組み立てる工程
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項２２】
組み立て工程の後にバッテリーを形成する工程を含まないことを特徴とする、請求項２１に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリー、より具体的には、高エネルギー密度と高出力の硫黄系バッテリーの分野に関する。特に、本発明は、性能が向上した、硫黄と炭素を含む複合材料を含むバッテリーに関する。本発明はまたそのようなバッテリーを調製するための方法に関する。
【従来技術】
【０００２】
高エネルギー密度の充電式バッテリーの開発は、技術的かつ商業的に非常に大きな関心事である。そのようなバッテリーは、既に携帯用電子システム（例えばＬｉ−イオンバッテリー）又はハイブリッド車（例えばＮｉ−ＭＨバッテリー）に備えられている。しかし、電子、輸送、及びネットワークストレージ用途に対するエネルギー需要の増加により、益々大きなストレージ及び放電容量を備えたバッテリーの必要性が高まっている。
【０００３】
リチウム／硫黄（Ｌｉ／Ｓ）蓄電池又はＬｉ／Ｓバッテリーなどの硫黄系蓄電池は、Ｌｉ−イオンバッテリーの有望な代替品と想定されている。加えて、ナトリウム硫黄バッテリーはストレージ容量が大きく、主に再生可能エネルギー源のサポートに使用される。具体的には、硫黄は豊富で、軽量、安価で、非毒性であるという利点があり、これにより硫黄系バッテリーの大規模な開発を想定することが可能になる。加えて、このタイプのバッテリーへの関心は、特に硫黄の高いポテンシャルエネルギー密度から生じる。具体的には、元素硫黄の硫化物イオン（Ｓ２−）への電気化学的転換は、従来のＬｉ−イオン電池カソードの３００ｍＡｈ／ｇ未満と比較して、１６７５ｍＡｈ／ｇの理論容量をもたらす。
【０００４】
それにもかかわらず、従来のＬｉ−Ｓバッテリーの開発は、サイクル時の容量の比較的急速な減少に悩まされ続けている。従って、本出願人は、不溶性硫化リチウム種（例えば、ＬｉＳ及びＬｉＳ２）の形成を防止し、よってバッテリー要素におけるそれらの堆積と繰り返される充電／放電サイクル中の反応性種の損失を低減するように、−Ｓ−Ｓｎ−結合（ここでｎは１以上）を含む有機硫黄成分を電解質、カソード、又はセパレーターに添加することを提案した。これにより、バッテリーの良好なサイクル安定性を観察することができた（ＣＮ１０６０５８２２９）。加えて、これらの有機硫黄種の官能性を変更して、カソード／カソライト中のそれらの分布を制御することが提案されている。しかし、そのような特徴を含む提案されたバッテリーの容量は、２００ｍＡｈ／ｇ（ＷＯ２０１３／１５５０３８）又は４００Ｗ／ｋｇ（ＥＰ０７３９５４４）のオーダーである。
【０００５】
硫黄は、従来の活物質よりも遙かに高い１６７２ｍＡｈ／ｇという非常に高い理論比容量のため、非常に魅力的なカソード活物質である。しかし、その主な欠点は、硫黄の電子伝導性とイオン伝導性が低いことである。通常、硫黄系カソードの配合物は、硫黄に加えて、炭素系の導電体を含み、Ｌｉ−Ｓバッテリーのアーキテクチャに関する従来技術の大部分は、カソードにおける硫黄−炭素比の最適化、又はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）などの他の形態の炭素の使用に特化している。
【０００６】
ＣＮＴは、それらの小さいサイズのため、それらの粉砕性のため、そしてそれらが化学蒸着によって得られる場合、おそらくはそれらの分子間に強いファンデルワールス相互作用を生じるそれらの絡み合った構造のため、取り扱い、分散させることが困難であることが分かっている。活物質と導電性添加剤の混合は、様々な方法で実施されうる。カソードをより導電性にすることを可能にする溶融物中に形成される硫黄−炭素複合材料、より具体的には硫黄−ＣＮＴ複合材料が、本出願人によって提案されている（ＷＯ２０１６／０６６９４４）。これは、カソードの機能に必要とされる炭素系フィラーの量を減らし、それによってカソードの硫黄含有量を増加させることを可能にするアプローチである。しかし、このような活物質に基づくバッテリーは、Ｃ／１０レジームで１２５０ｍＡｈ／ｇのオーダーの容量を示しており、これは、硫黄の理論容量である１６７２ｍＡｈ／ｇよりも低い（ＷＯ２０１６／１０２９４２）。
【０００７】
加えて、バッテリーの繰り返しの放電及び充電サイクルの過程でそのような電気化学セルの性能を改善することができる有機硫黄種を含む電気化学セルが提案されている（ＵＳ２０１７／０８４９５３）；他のものもまた容量の増加を示している（ＵＳ２０１４／１７０４５９及びShuru Chen等 2016, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4231-4235）。
【０００８】
而して、従来技術の方法で得られたサイクル安定性の改善にもかかわらず、大容量及び増加したサイクル速度を有するバッテリーが必要とされている。
【技術的課題】
【０００９】
よって、本発明は、従来技術の欠点を解消することを目的とする。特に、本発明の目的は、容量が改善された硫黄系バッテリーを提案することである。本発明の目的はまたより速いサイクルの硫黄系バッテリーを提案することである。
【００１０】
本発明の目的はまたそのようなバッテリーを調製するための方法であって、迅速かつ簡単に実施できる方法を提案することである。
【発明の概要】
【００１１】
本発明は、アノード、セパレーター、硫黄及び炭素系材料に基づく複合材料を含むカソード、及びカソライトを含むバッテリーにおいて、カソライトが、カソードの容量に関与する少なくとも一種の有機硫黄種を含むこと、好ましくは複合材料が溶融物中に形成されていることを特徴とする、バッテリーに関する。
【００１２】
以下に提示されるように、本発明に係るバッテリーは、硫黄系バッテリーについて観察される比容量よりも高い比容量を有する。具体的には、従来技術のＬｉ−Ｓバッテリーは、１６７０ｍＡｈ／ｇ未満の初期放電容量で、初期放電容量の大部分は１０００ｍＡｈ／ｇのオーダーであるのに対し、本発明に係るバッテリーは、一般に１８００ｍＡｈ／ｇを超える初期放電容量を有する。加えて、提示されるように、本発明に係るバッテリーは、バッテリーを機能できるようにするために一般に不可欠である形成工程を省くことができる。
【００１３】
バッテリーの他の有利な特徴によれば、
−  アノードは、ナトリウム又はリチウムを含むアノード活物質を含む。好ましくは、アノードはリチウムを含みうる。具体的には、本発明に係るリチウム−硫黄バッテリーは、比類のない放電容量を達成することができる。
−  複合材料は、例えば硫黄を溶融し、硫黄と炭素系材料を混合する工程によって、溶融物中に形成されている。溶融物中で形成された複合材料を使用すると、硫黄と炭素系材料の緊密な混合が可能になり、バッテリー性能を改善することができる。
−  カーボン系材料は、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー、グラフェン、アセチレンブラック、グラファイト、カーボンナノファイバー、及び全ての割合のそれらの混合物から選択される。好ましくは、カーボン系材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラフェン及び全ての割合のそれらの混合物から選択される。
−  複合材料は元素形態の硫黄を含む。
−  複合材料はセレンをまた含む。具体的には、好ましくは低濃度での、セレンの存在は、カソードを保護することを可能にする。
−  少なくとも一種の有機硫黄種は、有機ジスルフィド、有機ポリスルフィド、チオール、ポリチオール、チオレート又はポリチオレートから選択される。
−  少なくとも一種の有機硫黄種は、次の式：ＲＳｘＲ、Ｒ（ＳＨ）ｎ、Ｒ（ＳＭ）ｘ、Ｒ（ＣＯＳＨ）ｎ、Ｒ（ＣＯＳＭ）ｎ、ＲＣＯＳｘＲを有する化合物及び−Ｓｘ−、−ＣＯＳｘ−、−ＳＨ、−ＳＭ、−ＣＯＳＨ及び−ＣＯＳＭの中の一又は複数の官能基を含むポリマーから選択され、
ここで、
ＭはＬｉとＮａから選択され；
Ｒは置換又は非置換のアルキル又はアリール基から選択され、
ｘは２以上の整数であり、
ｎは１以上の整数である。
−  カソライトはまた
−  ＡＴＦＳｉ、ＡＦＳｉ、ＡＮＯ３、ＡＴＤＩ、ＡＣＦ３ＳＯ３などの一又は複数のアルカリ金属塩、
−  ＡｚＳｘ及びＲＳｘＡの無機及び有機ポリスルフィド塩、又は
−  それらの混合物
を含み、ここで、
Ｒは、置換又は非置換のアルキル又はアリール基から選択され、
Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ及びＣｓから選択され、
ｘは２以上の整数であり、かつ
ｚは２以上の整数である。
−  カソライトはまた、一又は複数のリチウム塩、例えばＬｉＴＦＳｉ、ＬｉＦＳｉ、ＬｉＴＤＩ、ＬｉＮＯ３、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、及びそれらの混合物、並びにＬｉポリスルフィド：ＲＳｙＬｉ（ここで、ｙは２以上の整数、Ｒは置換又は非置換のアルキル又はアリール基から選択される）を含む。
−  カソライトはまた高分子バインダーを含みうる。
−  少なくとも一種の有機硫黄種はポリマーであり、高分子バインダーのように挙動することができる。
−  高分子バインダーとして作用する少なくとも一種の有機硫黄種は、次の官能基：ジスルフィド−ＳＳ−、ポリスルフィド−Ｓｎ−（ここで、ｎは２以上の整数である）、及び／又は−ＳＨを含むポリマーから選択される。その場合、有機硫黄種は、例えば、ポリエチレンスルフィド、ポリジスルフィド、ポリフェニルスルフィド、ポリ（１，８−ジメルカプト−３，６−ジオキサオクタン）、及び／又はポリスルフィドＤＭＤＯから選択されうる。ジスルフィド−Ｓ−Ｓ−及びｎが２以上の整数であるポリスルフィド−Ｓｎ−官能基は、好ましくはポリマーの主鎖によって担持される一方、−ＳＨ官能基は好ましくは側鎖上にある。
−  カソードの容量に関与する有機硫黄種は、０．０５モル／Ｌ以上の濃度でカソライト中に存在する。好ましくは、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、０．１モル／Ｌ以上、より好ましくは０．２モル／Ｌ以上、更により好ましくは０．２５モル／Ｌ以上の濃度でカソライト中に存在する。
−  バッテリーは無機硫黄及び有機硫黄を含み、無機硫黄と有機硫黄との間のモル比は０．０５と１０の間、好ましくは０．１と７の間である。
−  カソードは１７００ｍＡｈ／ｇを超える理論比容量を有する。
−  カソードは、Ｃ／１０に等しい放電レジームで測定されて１３００ｍＡｈ／ｇを超える比容量を有する。好ましくは、カソードは、Ｃ／１０に等しい放電レジームで測定されて１５００ｍＡｈ／ｇ以上、より好ましくは２００ｍＡｈ／ｇ以上の比容量を有する。この値は、例えば２５℃において測定される。
−  カソードは、Ｃ／１に等しい放電レジームで測定されて５００ｍＡｈ／ｇを超える比容量を有する。好ましくは、カソードは、Ｃ／１に等しい放電レジームで測定されて８００ｍＡｈ／ｇ以上、より好ましくは１７００ｍＡｈ／ｇ以上、より好ましくは２０００ｍＡｈ／ｇ以上の比容量を有する。この値は、例えば２５℃において測定される。
−  カソードは、４００サイクル後にＣ／１に等しい放電レジームで測定されて１０００ｍＡｈ／ｇを超える比容量を有することができる。この値は、例えば２５℃において測定される。
−  バッテリーは形成工程を必要としない。
【００１４】
他の態様によれば、本発明はまた本発明に係るバッテリーを製造するための方法であって、
−  カソードの容量に関与する少なくとも一種の有機硫黄種を含むカソライトを調製する工程及び
−  アノード、カソード、セパレーター及びカソライトを組み立てる工程
を含むことを特徴とする、方法に関する。
【００１５】
他の有利な特徴によれば、本発明に係る製造方法は、組み立て工程の後にバッテリーを形成する工程を含まない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本発明の他の利点及び特徴は、添付の図面を参照して、例示的かつ非限定的な例として与えられた次の説明を読むと明らかになるであろう。
【図１】本発明に係るバッテリーの概略図である。
【図２】本発明において使用される複合材料を調製するための方法中に本発明に従って実施される工程の概略図である。破線の工程は任意選択的である。
【図３】有機硫黄種が存在しない場合（破線の曲線）及び０．４ＭのＤＭＤＯが存在する場合（実線の曲線）の初期放電容量を示す、Ｃ／１０での充電／放電定電流プロファイルである。
【図４】０．２ＭのＤＭＤＯの存在下でのサイクル１及び２０のＣ／１０での充電／放電定電流プロファイルである。
【図５】０．２Ｍの有機硫黄種ジフェニルジスルフィドを含むＬｉ−Ｓバッテリーのエージング曲線で、Ｃレジームでの放電容量（黒い矩形）と効率（白丸）を示している。
【発明の説明】
【００１７】
明細書の残りの部分において、「カソライト」という用語は、充電時にその可逆的還元によって放電容量に関与することができ、特にカソードを形成する活物質の成分を含みうる電解質を意味する。
【００１８】
「高分子バインダー」という用語は、塩と組み合わせて、高分子電解質を形成することができるポリマーを意味する。高分子バインダーは、固体高分子電解質又はゲル化高分子電解質を形成することができうる。
【００１９】
「溶媒」という用語は、その作用温度において液体又は超臨界であり、他の物質を、それらを化学的に変性させることなく、またそれ自体が改質されることなく、溶解させ、希釈し又は抽出する性質を有する物質を意味する。「液相溶媒」は、液状の溶媒である。
【００２０】
「硫黄−炭素複合体」という用語は、特性が互いに補完し合う少なくとも二種の非混和性成分の集合を意味し、前記非混和性成分は、硫黄系材料と炭素系ナノフィラーを含む。「硫黄系材料」という用語は、例えば加硫剤から選択され、好ましくは天然硫黄（又は元素形態の硫黄）、ポリマーを含む有機硫黄化合物、及び無機硫黄化合物から選択される硫黄供与体を意味する。好ましくは、硫黄系材料は、元素形態の硫黄である。
【００２１】
「元素形態の硫黄」という用語は、結晶性Ｓ８形態又はアモルファス形態の硫黄粒子を意味する。より具体的には、これは、炭素系ナノフィラーに由来する炭素に関連する如何なる硫黄も含まない元素形態の硫黄粒子に対応する。
【００２２】
本発明において、「炭素系材料」という用語は、本質的に炭素を含む、すなわち、少なくとも約８０質量％の炭素、好ましくは少なくとも約９０質量％の炭素、より好ましくは少なくとも約９５質量％の炭素を含む材料を意味する。
【００２３】
「炭素系ナノフィラー」という用語は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー及びグラフェン、又はそれらの全ての割合の混合物から形成される群からの少なくとも一種の要素を含むフィラーを指すことができる。好ましくは、炭素系ナノフィラーは、少なくともカーボンナノチューブを含む。「ナノフィラー」という用語は、通常、その最小寸法が、光散乱によって測定して、０．１ｎｍと２００ｎｍの間、好ましくは０．１ｎｍと１６０ｎｍの間、より好ましくは０．１ｎｍと５０ｎｍの間である炭素系フィラーを示す。
【００２４】
本発明によれば、「配合装置」という用語は、複合体を製造する目的で熱可塑性ポリマーと添加剤を溶融混合するためにプラスチック産業において一般的に使用されている装置を指す。この装置では、硫黄系材料と炭素系ナノフィラーが、高剪断装置、例えば、共回転二軸スクリュー押出機又はコニーダーによって混合される。溶融した材料は、一般に、例えば顆粒の形態など、凝集した固体の物理的形態で装置を出る。
【００２５】
「ポリマー」という用語は、コポリマー又はホモポリマーの何れかを意味する。「コポリマー」という用語は、幾つかの異なるモノマー単位を一緒にグループ化するポリマーを意味し、「ホモポリマー」という用語は、同一のモノマー単位を一緒にグループ化するポリマーを意味する。「ブロックコポリマー」という用語は、別個のポリマー種のそれぞれの一又は複数の中断されていない配列を含むポリマーを意味し、ポリマー配列は互いに化学的に異なり、共有結合を介して互いに結合されている。これらのポリマー配列は、ポリマーブロックとしても知られている。
【００２６】
本発明の目的では、「ラジカル開始剤」という用語は、モノマー（一又は複数）の重合を始める／開始させることができる化合物を意味する。
【００２７】
本発明の目的では、「重合」という用語は、モノマー又はモノマーの混合物をポリマーに転換させるプロセスを意味する。
【００２８】
本発明の目的では、「モノマー」という用語は、重合を受けることができる分子を意味する。
【００２９】
本発明において使用される「１から２０個の炭素から構成される分岐又は直鎖状又は環状の、飽和又は不飽和基」という用語は、１から２０個の炭素原子を含む飽和、直鎖、環状又は分岐炭化水素ベース鎖、又は２から２０個の炭素原子を含む不飽和、直鎖、環状、又は分岐炭化水素ベース鎖に対応する。１から２０個の炭素原子を含む飽和した直鎖、環状又は分岐炭化水素ベース鎖は、限定されないが、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、イソブチル、ｓｅｃ−ブチル、ｔ−ブチル、ｎ−ペンチル基等々を含む。２から２０個の炭素原子を含む不飽和の直鎖又は分岐炭化水素ベース鎖は、少なくとも一つの二重結合又は一つの三重結合を含み、限定されないが、エテニル、プロペニル、ブテニル、ペンテニル、エチニル、プロピニル、ブチニル、ペンチニル基等々を含む。
【００３０】
本発明で使用される場合、「（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル」という用語は、少なくとも１個のヘテロ原子、例えばＮ又はＯを含みうる、１と１２の間の炭素原子を含む、置換又は非置換の飽和、直鎖又は分岐アルキル基を意味する。
【００３１】
本発明で使用される場合、「（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル」という用語は、少なくとも１個のヘテロ原子、例えばＮ又はＯを含みうる、２と１２の間の炭素原子と少なくとも一つの二重結合を含む、置換又は非置換の、不飽和、直鎖、分岐又は環状アルキル基を意味する。
【００３２】
本発明で使用される場合、「（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル」という用語は、少なくとも１個のヘテロ原子、例えばＮ又はＯを含みうる、２と１２の間の炭素原子と少なくとも一つの三重結合を含む、置換又は非置換、不飽和、直鎖、分岐又は環状アルキル基を意味する。
【００３３】
本発明で使用される場合、「シクロアルキル」という用語は、少なくとも一つのヘテロ原子、例えばＮ又はＯを含みうる、置換又は非置換の飽和、環状アルキル基を意味する。
【００３４】
本発明で使用される場合、「アリール」という用語は、好ましくは６から１０個の炭素原子を含み、一又は複数、特に一つ又は二つの縮合環を含む芳香族炭化水素ベース基、例えばフェニル基又はナフチル基を意味する。有利には、これはフェニル基を示す。
【００３５】
本発明で使用される場合、「ヘテロアリール」という用語は、合計３から１３個の原子を含み、その中の１、２、３又は４個が互いに独立して、場合によっては酸化形態（窒素及び硫黄の場合）で、窒素、酸素及び硫黄から選択され、他の原子は炭素原子である、単環式、二環式又は三環式芳香族基を意味し、前記ヘテロアリール基は、場合によっては一又は複数の同一又は異なる化学種で置換されている。
【００３６】
本発明で使用される場合、「アルキルアリール」という用語は、アルキル基を介して分子に連結された上で定義されたアリール基を意味する。特に、本発明で使用される場合、「−（Ｃ１−Ｃ１２アルキル）アリール」という用語は、上で定義されたＣ１からＣ１２アルキル基を介して分子に連結された上で定義されたアリール基を示す。特に、本発明に係る−（Ｃ１−Ｃ１２アルキル）アリール基は、プロパン−フェニル基である。本発明で使用される場合、「アリールアルキル」という用語は、アルキル基で置換され、アリール基を介して分子に連結された、上で定義されたアリール基を意味する。これは、例えば、ベンジルに対応する。
【００３７】
２つ以上のサブ基を含む基の場合、結合は「−」で示される。例えば、「−（Ｃ１−Ｃ５アルキル）アリール」は、アルキルが分子の残りの部分に結合している、アリール基に結合したアルキル基を示す。各末端に結合を含む基、例えば「−（Ｃ１−Ｃ５アルキル）アリール−」の場合、これは、アルキル又はアリールが分子の残りの部分に結合しているアリール基に結合したアルキル基を示し、これには、−（Ｃ１−Ｃ５アルキル）アリール−基と−アリール（Ｃ１−Ｃ５アルキル）−基がまた包含される。
【００３８】
本発明に係る基、例えば、アルキル、アルケニル、アリール、ヘテロアリール又はシクロアルキル基は、アルキル、アルコキシル、ヒドロキシル、カルボキシル、エステル、チオール又はチオレートからなる群から独立して選択される一又は複数の基で、本発明に従って任意選択的に置換されうる。置換されてもよいフェニル基の例は、メトキシフェニル、ジメトキシフェニル及びカルボキシフェニルである。あるいは、それらは、これが明示的に特定されている場合にのみ置換される。ここで使用される「置換されていてもよい」という用語は、水素原子の何れか一つが、アルキル、アルコキシル、ヒドロキシル、カルボキシル、エステル、チオール又はチオレート基などの置換基で置換されうることを意味する。
【００３９】
次に、本発明を、以下の説明においてより詳細にかつ非限定的な形で説明する。以下の説明では、同じ参照番号を同じ要素を示すために使用する。
【００４０】
実施例に示されるように、本発明者等は、そのカソードが改善された容量を有する、新世代の硫黄系バッテリーを開発した。
【００４１】
具体的には、近年開発されたリチウム硫黄電池は、一般に１３００ｍＡｈ．ｇ−１未満の容量に限られているのに対して（表１参照）、本発明に係るバッテリーは、所定の実施態様では、２０００ｍＡｈ．ｇ−１を超える容量を達成することを可能にする。
【００４２】
これを行うために、本発明者等は、そのカソライトが、カソードの容量に関与する有機硫黄種を含むバッテリーを開発した。以下に詳述するように、有機硫黄種の存在は、これまで比類のないレベルまでカソードの容量を増加させることを可能にする。
【００４３】
加えて、有機硫黄種は、面倒な最初の充電及び放電工程を排除することを可能にする。
【００４４】
[バッテリー]
而して、第一の態様によれば、本発明は、アノード１０、セパレーター２０、硫黄及び炭素系材料に基づく複合材料を含むカソード３０、及びカソードの容量に関与する少なくとも一種の有機硫黄種を含むカソライト４０を含むバッテリーに関する。このようなバッテリーを図１に示す。
【００４５】
本発明に係るバッテリーは、より具体的には、充電式バッテリーである。
【００４６】
［カソライト］
２５℃において、カソライトは、液体、ゲル、又は固体でありうる。２５℃におけるカソライトの状態は、予め決めることができ、前記カソライトを含めたバッテリーの仕様に依存するであろう。
【００４７】
言及したように、本発明に係るバッテリーは、カソライトが、カソードの容量に関与する少なくとも一種の有機硫黄種を含むことを特に特徴としうる。
【００４８】
特に、カソライトは、０．０５モル／Ｌ以上、好ましくは０．１モル／Ｌ以上、より好ましくは０．２モル／Ｌ以上、更により好ましくは０．２５モル／Ｌ以上の濃度で、カソードの容量に関与する少なくとも一種の有機硫黄種を含む。
【００４９】
例えば、カソライトは、０．０５モル／Ｌと１モル／Ｌの間、好ましくは０．１モル／Ｌと０．６モル／Ｌの間、より好ましくは０．２モル／Ｌと０．５モル／Ｌの間、更により好ましくは０．２５モル／Ｌと０．４５モル／Ｌの間の濃度でカソードの容量に関与する少なくとも一種の有機硫黄種を含む。限界値は含まれる。
【００５０】
以下に詳述するように、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、カソードの容量を改善することができる幾つかの官能基、例えば、タイプ−Ｓ−Ｓｎ−又はタイプ−ＳＨ又は−ＳＭの少なくとも一種の反応性種を含み得、ここで、ｎは１から５の範囲であり、Ｍは場合によってはナトリウム、リチウム、あるいは第４級アンモニウム、スルホニウム又はホスホニウムである。
【００５１】
而して、特に、カソライトは、反応性官能基−Ｓ−Ｓｎ−の濃度が０．０５モル／Ｌ以上、好ましくは０．１モル／Ｌ以上、より好ましくは０．２モル／Ｌ以上、更により好ましくは０．２５モル／Ｌ以上であるような濃度で、カソードの容量に関与する少なくとも一種の有機硫黄種を含む。
【００５２】
例えば、カソライトは、反応性官能基−Ｓ−Ｓｎ−の濃度が０．０５モル／Ｌと１モル／Ｌの間、好ましくは０．１モル／Ｌと０．６モル／Ｌの間、より好ましくは０．２モル／Ｌと０．５モル／Ｌの間、更により好ましくは０．２５モル／Ｌと０．４５モル／Ｌの間であるような濃度で、カソードの容量に関与する少なくとも一種の有機硫黄種を含む。限界値は含まれる。
【００５３】
あるいは、カソライトは、反応性官能基−ＳＨ又は−ＳＭの濃度が０．１モル／Ｌ以上、好ましくは０．２モル／Ｌ以上、より好ましくは０．４モル／Ｌ以上、更により好ましくは０．５モル／Ｌ以上であるような濃度で、カソードの容量に関与する少なくとも一種の有機硫黄種を含む。
【００５４】
例えば、カソライトは、反応性官能基−ＳＨ又は−ＳＭの濃度が０．１モル／Ｌと２モル／Ｌの間、好ましくは０．２モル／Ｌと１．２モル／Ｌの間、より好ましくは０．４モル／Ｌと１モル／Ｌの間、更により好ましくは０．５モル／Ｌと０．９モル／Ｌの間であるような濃度で、カソードの容量に関与する少なくとも一種の有機硫黄種を含み；ここで、Ｍは、ナトリウム、リチウム、あるいは第４級アンモニウム、スルホニウム又はホスホニウムから選択される。
【００５５】
実施例に示されるように、本発明者等は、カソード／カソライトアセンブリ中の有機硫黄量と無機硫黄量の間の特に有利な比率、又はカソード／カソライトアセンブリ中の硫黄の全量を決定した。
【００５６】
無機硫黄量は、カソード、より具体的には複合材料中に存在する元素形態の硫黄に特に対応しうる。しかし、無機硫黄はまたカソライトに添加された元素形態の硫黄を含みうる。
【００５７】
有機硫黄量は、より具体的には、カソードの容量に関与する有機硫黄種中に存在する硫黄量に対応しうる。カソードの容量に関与する有機硫黄種中に存在する硫黄は、カソード中に見出される硫黄であるが、カソード及び／又はセパレーター中に存在しうる硫黄も含みうる。
【００５８】
硫黄の全量は、無機硫黄に対応し、また、カソードの容量に関与する有機硫黄種中に存在する硫黄にも対応する。
【００５９】
カソードの容量に関与する有機硫黄種中に存在する無機硫黄と有機硫黄は、例えば、高速液体クロマトグラフィー、Ｘ線結晶学、Ｘ線吸収分光法、ラマン分光法、赤外分光法、紫外・可視（ＵＶ−Ｖｉｓ）分光法、示差走査熱量測定又は質量分析（例えばＩＣＰ−ＭＳ又はＩＣＰ−ＭＳ−ＭＳ）によって定量化されうる。
【００６０】
有利には、無機硫黄／有機硫黄のモル比は、０．０５と１０の間、好ましくは０．１と７の間である。更により好ましくは、無機硫黄／有機硫黄比は実質的に５に等しい。特に、無機硫黄／カソードの容量に関与する有機硫黄種中に存在する硫黄のモル比は、０．０５と１０の間、好ましくは０．１と７の間である。更により好ましくは、無機硫黄／カソードの容量に関与する有機硫黄種中に存在する硫黄のモル比は、実質的に５に等しい。
【００６１】
[有機硫黄種]
有機硫黄種は、好ましくは、有機ジスルフィド、有機ポリスルフィド、チオール（すなわち、メルカプタン）、ポリチオール、チオレート（すなわち、メルカプチド）又はポリチオレートから選択される。加えて、それは、オリゴマー又はポリマーの形態でありうる。
【００６２】
これらの化合物は、リチウム硫黄バッテリーの放電サイクル中に切断され、充電サイクル中に再形成されうる一又は複数のＳ−Ｓ結合を含みうる。同様に、チオール及びチオレート官能基は、充電サイクル中に、Ｓ−Ｓ結合の形成を伴いうる。
【００６３】
有機硫黄種は、特に、式Ｉ：
2021522648.tif 000003
｛上式中、
−  Ｘ＝−Ｈ、−Ｍ又は−Ａ；
−  Ｍは、ナトリウム、リチウム、又は第４級アンモニウム、スルホニウム又はホスホニウムから選択され；
−  Ａ＝−Ｓｎ−Ｒ１’−Ｌ’；
−  基Ｒ１及びＲ１’は、同一又は異なり、例えばアルキル、アリール、ヘテロアリール、シクロアルキル、アリールアルキル又はアルキルアリールタイプの、１〜２０個の炭素から構成され、一又は複数のヘテロ原子を含みうる分岐又は直鎖又は環状の飽和又は不飽和基を表し；
−  基Ｌ及びＬ’は、同一又は異なり、単結合、二重結合、三重結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−、−Ｏ−、−ＣＯＮＲ５−、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル、−Ｆ、−ＣＦ３、−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｈ、−ＳＨ、−ＣＯＯＲ５、−ＣＯＲ５、−ＣＯＳＲ５、−ＣＳＳＲ５及び−ＯＲ５から選択される基を表し；ここで、Ｌに自由結合が含まれている場合は、ＬをＲ１’又はＬ’に結合でき、Ｌ’に自由結合が含まれている場合は、Ｌ’をＲ１又はＬに結合でき；
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表し；
−  ｎは１と５の間の整数であり、限界値が含まれ；かつ
−  ｐは１と１０の間の整数である｝
による化合物に対応しうる。
【００６４】
例えば、ｐが２以上である場合、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、次の化合物に対応しうる：
2021522648.tif 000004
2021522648.tif 000005
2021522648.tif 000006
【００６５】
これらの化合物の合成物は知られており、それらは、例えば、Ｔｈｉｏｃｕｒｅ（登録商標）（商品名）の名で市販されている。これに関連して、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、より具体的には、Ｔｈｉｏｃｕｒｅ（登録商標）ＧＤＭＰ（Ｉａ）、Ｔｈｉｏｃｕｒｅ（登録商標）ＴＭＰＭＰ（Ｉｂ）、Ｔｈｉｏｃｕｒｅ（登録商標）Ｄｉ−ＰＥＴＭＰ（Ｉｃ）、Ｔｈｉｏｃｕｒｅ（登録商標）ＥＴＴＭＰ（Ｉｄ）、Ｔｈｉｏｃｕｒｅ（登録商標）ＰＥＴＭＰ、Ｔｈｉｏｃｕｒｅ（登録商標）ＧＤＭＡ、Ｔｈｉｏｃｕｒｅ（登録商標）ＴＭＰＭＡ、Ｔｈｉｏｃｕｒｅ（登録商標）ＰＥＴＭＡ及びＴｈｉｏｃｕｒｅ（登録商標）ＴＥＭＰＩＣ（商品名）から選択されうる。
【００６６】
ｐが１に等しい場合、有機硫黄種は、特に、式Ｉ’：
2021522648.tif 000007
｛上式中、
−  Ｘ＝−Ｈ、−Ｍ又は−Ａ；
−  Ｍは、ナトリウム、リチウム、又は第４級アンモニウム、スルホニウム又はホスホニウムから選択され；
−  Ａ＝−Ｓｎ−Ｒ１’−Ｌ’；
−  基Ｒ１及びＲ１’は、同一又は異なり、例えばアルキル、アリール、ヘテロアリール、シクロアルキル、アリールアルキル又はアルキルアリールタイプの、１〜２０個の炭素から構成され、一又は複数のヘテロ原子を含みうる分岐又は直鎖又は環状の飽和又は不飽和基を表し；
−  基Ｌ及びＬ’は、同一又は異なり、単結合、二重結合、三重結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−、−Ｏ−、−ＣＯＮＲ５−、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル、−Ｆ、−ＣＦ３、−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｈ、−ＳＨ、−ＣＯＯＲ５、−ＣＯＲ５、−ＣＯＳＲ５、−ＣＳＳＲ５及び−ＯＲ５から選択される基を表し；ここで、Ｌに自由結合が含まれている場合は、ＬをＲ１’又はＬ’に結合でき、Ｌ’に自由結合が含まれている場合は、Ｌ’をＲ１又はＬに結合でき；
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表し；かつ
−  ｎは１と５の間の整数であり、限界値が含まれる｝
による化合物に対応しうる。
【００６７】
特に、有機硫黄種は、有機ポリスルフィドに対応しうる。
【００６８】
有機硫黄種がジスルフィドなどの有機ポリスルフィドに対応する場合、それは式ＩＩによる化合物に対応しうる。
2021522648.tif 000008
｛上式中、
−  基Ｒ１及びＲ１’は同一又は異なり、例えばアルキル、アリール、ヘテロアリール、シクロアルキル、アリールアルキル又はアルキルアリールタイプの、１〜２０個の炭素から構成され、一又は複数のヘテロ原子を含みうる分岐又は直鎖又は環状の飽和又は不飽和基を表し；
−  基Ｌ及びＬ’は、同一又は異なり、単結合、二重結合、三重結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−、−Ｏ−、−ＣＯＮＲ５−、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル、−Ｆ、−ＣＦ３、−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｈ、−ＳＨ、−ＣＯＯＲ５、−ＣＯＲ５、−ＣＯＳＲ５、−ＣＳＳＲ５及び−ＯＲ５から選択される基を表し；ここで、Ｌに自由結合が含まれている場合は、ＬをＲ１’又はＬ’に結合でき、Ｌ’に自由結合が含まれている場合は、Ｌ’をＲ１又はＬに結合でき；
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表し；かつ
−  ｎは１と５の間の整数であり、限界値が含まれる｝
【００６９】
特に、有機硫黄種は、有機ジスルフィドに対応し得、よってジスルフィド基を含みうる。
【００７０】
これに関連して、カソードの容量に関与するジスルフィドタイプの有機硫黄種は、式ＩＩＩによる化合物に対応しうる。
2021522648.tif 000009
｛上式中、
−  基Ｒ１及びＲ１’は、同一又は異なり、例えばアルキル、アリール、ヘテロアリール、シクロアルキル、アリールアルキル又はアルキルアリールタイプの、１〜２０個の炭素から構成され、一又は複数のヘテロ原子を含みうる分岐又は直鎖又は環状の飽和又は不飽和基を表し；
−  基Ｌ及びＬ’は、同一又は異なり、単結合、二重結合、三重結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−、−Ｏ−、−ＣＯＮＲ５−、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル、−Ｆ、−ＣＦ３、−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｈ、−ＳＨ、−ＣＯＯＲ５、−ＣＯＲ５、−ＣＯＳＲ５、−ＣＳＳＲ５及び−ＯＲ５から選択される基を表し；ここで、Ｌに自由結合が含まれている場合は、ＬをＲ１’又はＬ’に結合でき、Ｌ’に自由結合が含まれている場合は、Ｌ’をＲ１又はＬに結合でき；かつ
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表す｝
【００７１】
特に、基Ｒ１及びＲ１’は、それぞれ、Ｒ２−Ｒ４−Ｒ３−及び−Ｒ２’−Ｒ４’−Ｒ３’−を表し得、ここで、
−  基Ｒ２、Ｒ３、Ｒ２’及びＲ３’は、同一又は異なり、単結合、二重結合、三重結合、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル−、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル−、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル−、−アリール−、−シクロアルキル−（これらは置換又は非置換でありうる）から選択される基を表し；
−  基Ｒ４及びＲ４’は、同一又は異なり、単結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−、及び−Ｏ−から選択される基を表し；
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表す。
【００７２】
従って、好ましくは、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、アルキル鎖を有する対称的なジスルフィド化合物：ジメチルジスルフィド（化合物ＩＩＩａ）、ジエチルジスルフィド（ＤＥＤＳ）、ジプロピルジスルフィド（ＤＰＤＳ）、ジブチルジスルフィド（ＤＢＤＳ）、ジペンチルジスルフィド（又はジアミルジスルフィド）、ジヘキシルジスルフィドに対応しうる。
【００７３】
これらの化合物の幾つかとまたチオグリコール酸エステルの酸化から得られるジスルフィド、例えば化合物ＩＩＩｃ及びＩＩＩｄを以下に示す：
2021522648.tif 000010
2021522648.tif 000011
2021522648.tif 000012
2021522648.tif 000013
【００７４】
カソードの容量に関与する有機硫黄種はまた、エチルメチルジスルフィド（ＩＩＩｅ）などの、アルキル鎖を有する非対称又は混合ジスルフィドに対応しうる。
2021522648.tif 000014
【００７５】
本発明の文脈では、異なるアルキル又はアリール鎖の非対称及び対称ジスルフィドの混合物を使用することができる。従って、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、有機硫黄種の混合物に対応しうる。
【００７６】
例えば、ＤＳＯ（ジスルフィド油）は、例えばガス又はオイル抽出分野に由来するジスルフィドの混合物であり、本発明の場合に使用することができる。ＤＴＤＤＳ（ジ−ｔｅｒｔ−ドデシルジスルフィド、ＩＩＩｆ）は、その大部分が１２個の炭素の炭素ベース鎖を持つジスルフィドからなるジスルフィドの混合物である。
2021522648.tif 000015
【００７７】
カソードの容量に関与する有機硫黄種はまた、ジチオールの酸化から得られるジスルフィドタイプの化合物に対応しうる：
2021522648.tif 000016
2021522648.tif 000017
【００７８】
カソードの容量に関与する有機硫黄種はまた、幾つかのジスルフィド単位を含む分子に対応しうる。従って、それは、２つのＤＭＤＯ分子の付加物などの直鎖分子、又は環状分子、例えば次の化合物の形態でありうる：
2021522648.tif 000018
2021522648.tif 000019
【００７９】
特に、化合物（ＩＩＩｉ）、（ＩＩＩｊ）及び（ＩＩＩｋ）の場合、Ｌは、ＬをＲ１’又はＬ’に結合するための結合を含む。
【００８０】
カソードの容量に関与する有機硫黄種はまた環に対応し得、より具体的には、Ｓ−Ｓ結合に直接結合した芳香環を含みうる。
【００８１】
従って、一実施態様によれば、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、式ＩＶによる化合物に対応しうる。
2021522648.tif 000020
【００８２】
上式中、
−  基Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ６’、Ｒ７’、Ｒ８’、Ｒ９’、及びＲ１０’は同一又は異なり、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル、−Ｆ、−ＣＦ３、−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｈ、−ＳＨ、−ＣＯＯＲ５、−ＣＯＲ５、−ＣＯＳＲ５、−ＣＳＳＲ５及び−ＯＲ５から選択される基を表し；
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表し；かつ
−  ｎは１と５の間の整数で、限界値は含まれる。
【００８３】
実施例に提示されるように、この文脈において、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、次の化合物に対応しうる：
2021522648.tif 000021
2021522648.tif 000022
2021522648.tif 000023
【００８４】
カソードの容量に関与する有機硫黄種はまた、ジスルフィド（Ｓ−Ｓ）結合に直接結合した一つ又は二つのカルボニル又はチオカルボニル基を含みうる。
【００８５】
従って、一実施態様によれば、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、式Ｖによる化合物に対応しうる。
2021522648.tif 000024
｛上式中、
−  基Ｒ１１及びＲ１１’は、同一又は異なり、例えばアルキル、アリール、ヘテロアリール、シクロアルキル、アリールアルキル又はアルキルアリールタイプの、１〜１９個の炭素から構成され、一又は複数のヘテロ原子を含みうる分岐又は直鎖、飽和又は不飽和基を表し；
−  基Ｇ及びＧ’は、同一又は異なり、酸素及び硫黄から選択される原子を表し；
−  基Ｌ及びＬ’は、同一又は異なり、単結合、二重結合、三重結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−、−Ｏ−、−ＣＯＮＲ５−、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル、−Ｆ、−ＣＦ３、−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｈ、−ＳＨ、−ＣＯＯＲ５、−ＣＯＲ５、−ＣＯＳＲ５、−ＣＳＳＲ５及び−ＯＲ５から選択される基を表し；ここで、Ｌに自由結合が含まれている場合は、ＬをＲ１１’又はＬ’に結合でき、Ｌ’に自由結合が含まれている場合は、Ｌ’をＲ１１又はＬに結合でき；
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表し；かつ
−  ｎは１と５の間の整数で、限界値が含まれる｝
【００８６】
特に、基Ｒ１１及びＲ１１’は、それぞれ、Ｒ２−Ｒ４−Ｒ３−及び−Ｒ２’−Ｒ４’−Ｒ３’−を表し得、ここで、
−  基Ｒ２、Ｒ３、Ｒ２’、及びＲ３’は同一又は異なり、単結合、二重結合、三重結合、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル−、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル−、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル−、−アリール−、−シクロアルキル−（これらは置換又は非置換でありうる）から選択される基を表し；
−  基Ｒ４及びＲ４’は、同一又は異なり、単結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−及び−Ｏ−から選択される基を表し；
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表す。
【００８７】
実施例に提示されるように、この文脈では、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、次の化合物に対応しうる：
2021522648.tif 000025
【００８８】
以前に提示されたように、カソードの容量に関与し、本発明の文脈において好ましい多くの有機硫黄種は、ジスルフィドタイプのものである。しかし、カソードの容量に関与し、本発明の文脈において好ましい所定の有機硫黄種分子はまたトリスルフィド又はポリスルフィドタイプでありうる。
【００８９】
カソードの容量に関与するポリスルフィドタイプの有機硫黄種は、式ＩＩ’による化合物に対応しうる。
2021522648.tif 000026
｛上式中、
−  基Ｒ１及びＲ１’は、同一又は異なり、例えばアルキル、アリール、ヘテロアリール、シクロアルキル、アリールアルキル又はアルキルアリールタイプの、１〜２０個の炭素から構成され、一又は複数のヘテロ原子を含みうる分岐又は直鎖又は環状の飽和又は不飽和基を表し；
−  基Ｌ及びＬ’は、同一又は異なり、単結合、二重結合、三重結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−、−Ｏ−、−ＣＯＮＲ５−、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル、−Ｆ、−ＣＦ３、−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｈ、−ＳＨ、−ＣＯＯＲ５、−ＣＯＲ５、−ＣＯＳＲ５、−ＣＳＳＲ５及び−ＯＲ５から選択される基を表し；ここで、Ｌに自由結合が含まれている場合は、ＬをＲ１’又はＬ’に結合でき、Ｌ’に自由結合が含まれている場合は、Ｌ’をＲ１又はＬに結合でき；
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表し；かつ
−  ｎは２と５の間の整数で、限界値が含まれる｝
【００９０】
特に、基Ｒ１及びＲ１’は、それぞれ、基−Ｒ２−Ｒ４−Ｒ３−及び−Ｒ２’−Ｒ４’−Ｒ３’−を表し得、ここで、
−  基Ｒ２、Ｒ３、Ｒ２’及びＲ３’は、同一又は異なり、単結合、二重結合、三重結合、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル−、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル−、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル−、−アリール−、−シクロアルキル−（これらは置換又は非置換でありうる）から選択される基を表し；
−  基Ｒ４及びＲ４’は、同一又は異なり、単結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−、及び−Ｏ−から選択される基を表し；
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表す。
【００９１】
従って、好ましくは、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、式ＩＩ’ａの化合物に対応しうる：
2021522648.tif 000027
（上式中、ｎは２と５の間の整数で、限界値が含まれる）
【００９２】
カソードの容量に関与する有機硫黄種はまた、有機硫黄種の混合物に対応しうる。この場合、ポリスルフィドとの関連で、有機硫黄種は、式ＩＩ’ａによる化合物の混合物に対応し得、前記化合物は同一であり、ｎの様々な値を有し、ここで、ｎは２と５の間の平均値を有する。
【００９３】
あるいは、カソードの容量に関与する多硫化物タイプの有機硫黄種は、式ＶＩ−１による化合物に対応しうる：
2021522648.tif 000028
｛上式中、
−  基Ｒ１２及びＲ１２’は、同一又は異なるものであり、例えばアルキル、アリール、ヘテロアリール、シクロアルキル、アリールアルキル又はアルキルアリールタイプの、１〜２０個の炭素から構成され、一又は複数のヘテロ原子を含みうる分岐又は直鎖、飽和又は不飽和基を表し；かつ
−  基Ｌ及びＬ’は、同一又は異なり、単結合、二重結合、三重結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−、−Ｏ−、−ＣＯＮＲ５−、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル、−Ｆ、−ＣＦ３、−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｈ、−ＳＨ、−ＣＯＯＲ５、−ＣＯＲ５、−ＣＯＳＲ５、−ＣＳＳＲ５及び−ＯＲ５から選択された基を表し；ここで、Ｌに自由結合が含まれている場合、ＬをＲ１２’又はＬ’に結合でき、Ｌ’に自由結合が含まれている場合、Ｌ’をＲ１２又はＬに結合でき；かつ
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表す。
【００９４】
特に、基Ｒ１２及びＲ１２’は、それぞれ、基−Ｒ２−Ｒ４−Ｒ３−及び−Ｒ２’−Ｒ４’−Ｒ３’−を表すことができ、
ここで、
−  基Ｒ２、Ｒ３、Ｒ２’及びＲ３’は、同一又は異なり、単結合、二重結合、三重結合、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル−、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル−、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル−、−アリール−、−シクロアルキル−（これらは置換又は非置換でありうる）から選択される基を表し；
−  基Ｒ４及びＲ４’は、同一又は異なり、単結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−及び−Ｏ−から選択される基を表し；かつ
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表す｝
【００９５】
実施例に提示されるように、この文脈では、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、次の化合物に対応しうる：
2021522648.tif 000029
【００９６】
あるいは、カソードの容量に関与する多硫化物タイプの有機硫黄種は、式ＶＩ−２による化合物に対応しうる：
2021522648.tif 000030
｛上式中、
−  基Ｌ及びＬ’は、同一又は異なあり、単結合、二重結合、三重結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−、−Ｏ−、−ＣＯＮＲ５−、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル、−Ｆ、−ＣＦ３、−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｈ、−ＳＨ、−ＣＯＯＲ５、−ＣＯＲ５、−ＣＯＳＲ５、−ＣＳＳＲ５及び−ＯＲ５から選択された基を表し；ここで、Ｌに自由結合が含まれている場合、ＬをＲ１２’又はＬ’に結合でき、Ｌ’に自由結合が含まれている場合、Ｌ’をＲ１２又はＬに結合でき；
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表し；かつ
−  基Ｒ１３及びＲ１３’は、同一又は異なり、例えばアルキル、アリール、ヘテロアリール、シクロアルキル、アリールアルキル又はアルキルアリールタイプの、１〜２０個の炭素から構成され、一又は複数のヘテロ原子を含みうる分岐又は直鎖の飽和又は不飽和基を表す｝
【００９７】
特に、基Ｒ１３及びＲ１３’は、それぞれ、基−Ｒ２−Ｒ４−Ｒ３−及び−Ｒ２’−Ｒ４’−Ｒ３’−を表し得、
ここで、
−  基Ｒ２、Ｒ３、Ｒ２’及びＲ３’は、同一又は異なり、単結合、二重結合、三重結合、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル−、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル−、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル−、−アリール−、−シクロアルキル−（これらは置換又は非置換でありうる）から選択される基を表し；
−  基Ｒ４及びＲ４’は、同一又は異なり、単結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−、及び−Ｏ−から選択される基を表し；かつ
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表す。
【００９８】
実施例に提示されるように、この文脈では、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、次の化合物に対応しうる：
2021522648.tif 000031
【００９９】
特に、有機硫黄種は、少なくとも一つのチオール基を含みうる；例えば、それは一つのチオール基又は二つのチオール基を含む。
【０１００】
カソードの容量に関与するチオールタイプの有機硫黄種は、式ＶＩＩによる化合物に対応しうる。
2021522648.tif 000032
｛上式中、
−  Ｘは、水素及び基Ｍから選択され；
−  Ｍは、ナトリウム、リチウム、又は第４級アンモニウム、スルホニウム又はホスホニウムから選択され；
−  基Ｒ１は、例えばアルキル、アリール、ヘテロアリール、シクロアルキル、アリールアルキル又はアルキルアリールタイプの、１〜２０個の炭素から構成され、一又は複数のヘテロ原子を含みうる分岐又は直鎖又は環状、飽和又は不飽和基を表し；
−  基Ｌは、単結合、二重結合、三重結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−、−Ｏ−、−ＣＯＮＲ５−、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル、−Ｆ、−ＣＦ３、−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｈ、−ＳＨ、−ＣＯＯＲ５、−ＣＯＲ５、−ＣＯＳＲ５、−ＣＳＳＲ５及び−ＯＲ５から選択される基を表し；ここで、Ｌに自由結合が含まれている場合、ＬをＲ１に結合でき；かつ
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表す｝
【０１０１】
特に、基Ｒ１は、基−Ｒ２−Ｒ４−Ｒ３を表し得；ここで、
−  基Ｒ２及びＲ３は、同一又は異なり、単結合、二重結合、三重結合、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル−、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル−、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル−、−アリール−、−シクロアルキル−（これらは置換又は非置換でありうる）から選択される基を表し；
−  基Ｒ４は、単結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−、及び−Ｏ−から選択された基を表し；
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表す。
【０１０２】
好ましくは、Ｘは水素である。
【０１０３】
その場合、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、メチルメルカプタン、エチルメルカプタン、イソプロピルメルカプタン、ｔｅｒｔ−ブチルメルカプタン、ｎ−オクチルメルカプタン、ｎ−ドデシルメルカプタン、ｔｅｒｔ−ノニルメルカプタン、ｔｅｒｔ−ドデシルメルカプタン、チオグリコール酸又は２−エチルヘキシルチオグリコレート（２−ＥＨＴＧ）から選択される分子でありうる。
【０１０４】
特に、有機硫黄種は、少なくとも二つのチオール基を含みうる；例えば、有機硫黄種は、二つのチオール基を含みうる。
【０１０５】
実施例に提示されるように、この文脈では、カソードの容量に関与するジチオールタイプの有機硫黄種は、直鎖分子であり得、次の化合物に対応しうる：
2021522648.tif 000033
2021522648.tif 000034
【０１０６】
カソードの容量に関与するチオールタイプの有機硫黄種はまた、一又は複数のシクロアルキル、アリール又はヘテロアリール環を含む分子であり得、例えば次の化合物である：
2021522648.tif 000035
2021522648.tif 000036
【０１０７】
有利には、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、１，８−ジメルカプト−３，６−ジオキサオクタン（ＤＭＤＯ−化合物ＶＩＩａ）、２，５−ジメルカプト−１，３，４−チアジアゾール（ＤＭＴＤ）又はビス−ＤＭＴＤから選択されうる。
【０１０８】
特に、カソードの容量に関与するチオール型の有機硫黄種は、式ＶＩＩＩによる化合物に対応しうる。
2021522648.tif 000037
｛上式中、
−  基Ｒ１４、Ｒ１５、Ｒ１６、Ｒ１７、及びＲ１８は、同一又は異なり、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル、−Ｆ、−ＣＦ３、−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｈ、−ＳＨ、−ＣＯＯＲ５、−ＣＯＲ５、−ＣＯＳＲ５、−ＣＳＳＲ５及び−ＯＲ５から選択される基を表し；かつ
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表す｝
【０１０９】
カソードの容量に関与する有機硫黄種は、環状分子であり得、次の化合物に対応しうる：
2021522648.tif 000038
【０１１０】
特に、有機硫黄種は、チオ酸タイプの少なくとも一つの基を含みうる。
【０１１１】
カソードの容量に関与するチオ酸タイプの有機硫黄種は、式ＩＸによる化合物に対応しうる。
2021522648.tif 000039
｛上式中、
−  Ｇは、酸素及び硫黄から選択される原子であり；
−  基Ｒ１９は、例えばアルキル、アリール、ヘテロアリール、シクロアルキル、アリールアルキル又はアルキルアリールタイプの、１〜１９個の炭素から構成され、一又は複数のヘテロ原子を含みうる分岐又は直鎖、飽和又は不飽和基を表し；
−  基Ｌは、単結合、二重結合、三重結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−、−Ｏ−、−ＣＯＮＲ５−、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル、−Ｆ、−ＣＦ３、−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｈ、−ＳＨ、−ＣＯＯＲ５、−ＣＯＲ５、−ＣＯＳＲ５、−ＣＳＳＲ５及び−ＯＲ５から選択された基を表し；ここで、Ｌに自由結合が含まれている場合、ＬをＲ１９に結合でき；
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表す｝
【０１１２】
特に、基Ｒ１９は、基−Ｒ２−Ｒ４−Ｒ３−を表し得、ここで、
−  基Ｒ２及びＲ３は、同一又は異なり、単結合、二重結合、三重結合、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル−、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル−、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル−、−アリール−、−シクロアルキル−（これらは置換又は非置換でありうる）から選択される基を表し；
−  基Ｒ４は、単結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−及び−Ｏ−から選択される基を表し；かつ
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表す。
【０１１３】
例えば、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、チオ酢酸でありうる。
【０１１４】
言及されたように、本発明に係るカソードの容量に関与する有機硫黄種は、オリゴマー又はポリマーに対応しうる。オリゴマー及びポリマーは、ジスルフィド、トリスルフィド又はポリスルフィド官能基、並びにチオール又はチオレート官能基をまた含みうる。従って、これらの化合物をポリスルフィド、ポリ（ポリスルフィド）、ポリチオール又はポリチオレートとして記述することが可能である。一般に、有機硫黄種は、直鎖、環状、又は三次元（すなわち、デンドリマー）である、ヘテロ原子を含みうるアルキル鎖又はアリール鎖モノマーを有するオリゴマー又はポリマーに対応しうる。
【０１１５】
特に、有機硫黄種は、有利には、式Ｉによる単位の繰り返しを含み、それは、式Ｉによるモノマーから形成されうるオリゴマー又はポリマーに対応しうる。
【０１１６】
従って、有機硫黄種は、例えば、式Ｘ：
2021522648.tif 000040
｛上式中、
−  基Ｒ１及びＲ１’は、同一又は異なり、例えばアルキル、アリール、ヘテロアリール、シクロアルキル、アリールアルキル又はアルキルアリールタイプの、１〜２０個の炭素から構成され、一又は複数のヘテロ原子を含みうる分岐又は直鎖又は環状の飽和又は不飽和基を表し；
−  基Ｌ及びＬ’は、同一又は異なり、単結合、二重結合、三重結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−、−Ｏ−、−ＣＯＮＲ５−、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル、−Ｆ、−ＣＦ３、−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｈ、−ＳＨ、−ＣＯＯＲ５、−ＣＯＲ５、−ＣＯＳＲ５、−ＣＳＳＲ５及び−ＯＲ５から選択される基を表し；ここで、Ｌに自由結合が含まれている場合は、ＬをＲ１’又はＬ’に結合でき、Ｌ’に自由結合が含まれている場合は、Ｌ’をＲ１又はＬに結合でき、かつ
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表し；かつ
−  ｎは１と５の間の整数で、限界値が含まれ、かつ
−  ｍは２と１０００の間の整数で、限界値が含まれる｝
の化合物に対応しうる。
【０１１７】
特に、基Ｒ１及びＲ１’は、それぞれ、−Ｒ２−Ｒ４−Ｒ３−及び−Ｒ２’−Ｒ４’−Ｒ３’−を表すことができ、ここで、
−  基Ｒ２、Ｒ３、Ｒ２’、及びＲ３’は、同一又は異なり、単結合、二重結合、三重結合、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル−、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル−、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル−、−アリール−、−シクロアルキル−（これらは置換又は非置換でありうる）から選択される基を表し；
−  基Ｒ４及びＲ４’は、同一又は異なり、単結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−及び−Ｏ−から選択される基を表し；かつ
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表す。
【０１１８】
あるいは、有機硫黄種は、例えば、式Ｘ’：
2021522648.tif 000041
｛上式中、
−  基Ｒ２４及びＲ２５は、同一又は異なり、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル、−Ｆ、−ＣＦ３、−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｈ、−ＳＨ、−ＣＯＯＲ５、−ＣＯＲ５、−ＣＯＳＲ５、−ＣＳＳＲ５及び−ＯＲ５；かつ
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表し；
−  ｎは１と５の間の整数で、限界値が含まれ、かつ
−  ｍは１と１０００の間の整数で、限界値が含まれる｝
の化合物に対応しうる。
【０１１９】
例えば、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、次の化合物に対応しうる：
2021522648.tif 000042
【０１２０】
本発明に係る高分子有機硫黄種は、二つのチオール官能基を含む有機硫黄種から形成されうる。例えば、カソードの容量に関与する高分子有機硫黄種は、例えば、Ｌが−ＳＨ官能基である式ＶＩＩによる化合物によって少なくとも部分的に形成されたポリマーに対応しうる。カソードの容量に関与する有機硫黄種は、式ＸＩ：
2021522648.tif 000043
｛上式中、基Ｒ１は、例えばアルキル、アリール、ヘテロアリール、シクロアルキル、アリールアルキル又はアルキルアリールタイプの、１〜２０個の炭素から構成され、一又は複数のヘテロ原子を含みうる分枝状又は直鎖又は環状の飽和又は不飽和基を表し；かつｍは２と１０００の間の整数で、限界値が含まれる｝
による化合物に対応しうる。
【０１２１】
有機硫黄種は、例えば、次の化合物に対応しうる：
2021522648.tif 000044
（上式中、ｎは１と５の間の整数、ｍは２と１０００の間であり、限界値が含まれる）
2021522648.tif 000045
（上式中、ｍは２と１０００の間である）
2021522648.tif 000046
（上式中、ｍは２と１０００の間である）
【０１２２】
特に、基Ｒ１は、置換又は非置換のアリール又はヘテロアリール基を表しうる。
【０１２３】
より具体的には、Ｒ１が置換アリールである場合、有機硫黄種は、式ＸＩＩ：
2021522648.tif 000047
｛上式中、
−  基Ｌは、単結合、二重結合、三重結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−、−Ｏ−、−ＣＯＮＲ５−、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル、−Ｆ、−ＣＦ３、−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｈ、−ＳＨ、−ＣＯＯＲ５、−ＣＯＲ５、−ＣＯＳＲ５、−ＣＳＳＲ５及び−ＯＲ５から選択された基を表し；ここで、Ｌに自由結合が含まれている場合、Ｌを末端硫黄に結合することができ；かつ
−  基Ｒ２０、Ｒ２１、Ｒ２２、及びＲ２３は、同一又は異なり、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル、−Ｆ、−ＣＦ３、−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｈ、−ＳＨ、−ＣＯＯＲ５、−ＣＯＲ５、−ＣＯＳＲ５、−ＣＳＳＲ５及び−ＯＲ５から選択される基を表し；
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表し；かつ
−  ｍは２から１０００までの整数で、限界値が含まれる｝
による化合物に対応しうる。
【０１２４】
次に、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、次の環状化合物に対応しうる：
2021522648.tif 000048
2021522648.tif 000049
【０１２５】
本発明に係る高分子有機硫黄種はまた、基Ｌが、別の分子の基Ｒ１に直接又は基Ｒ１上の置換基を介して結合している分子を形成するように式Ｉによる化合物から形成されるオリゴマー又はポリマーに対応しうる。
【０１２６】
これに関連して、本発明に係る高分子有機硫黄種は、式ＸＩＩＩ：
2021522648.tif 000050
｛上式中、
−  −Ｘ＝−Ｈ、−Ｍで、Ｍは、ナトリウム、リチウム、又は第４級アンモニウム、スルホニウム又はホスホニウムから選択され；
−  基Ｒ１は、例えばアルキル、アリール、ヘテロアリール、シクロアルキル、アリールアルキル又はアルキルアリールタイプの、１〜２０個の炭素から構成され、一又は複数のヘテロ原子を含みうる分岐又は直鎖又は環状、飽和又は不飽和基を表し；
−  基Ｌは、単結合、二重結合、三重結合、−ＮＨＲ５−、−ＳＯ２−、−Ｓ−、−ＣＯＯ−、−ＣＯ−、−ＣＯＳ−、−ＣＳＳ−、−Ｏ−、−ＣＯＮＲ５−、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニル、−Ｆ、−ＣＦ３、−ＮＨ２、−ＮＯ２、−ＳＯ２Ｈ、−ＳＨ、−ＣＯＯＲ５、−ＣＯＲ５、−ＣＯＳＲ５、−ＣＳＳＲ５及び−ＯＲ５から選択される基を表し；ここで、Ｌに自由結合が含まれている場合は、ＬをＲ１’又はＬ’に結合でき、Ｌ’に自由結合が含まれている場合は、Ｌ’をＲ１又はＬに結合でき；かつ
−  基Ｒ５は、水素、−（Ｃ１−Ｃ１２）アルキル、−（Ｃ２−Ｃ１２）アルケニル又は（Ｃ２−Ｃ１２）アルキニルから選択される基を表し；かつ
−  ｍは２と１０００の間の整数で、限界値が含まれる｝
による化合物に対応しうる。
【０１２７】
従って、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、次の直鎖化合物に対応しうる：
2021522648.tif 000051
（上式中、ｍは２と１０００の間の整数で、限界値が含まれる）
又は
2021522648.tif 000052
【０１２８】
特に、基Ｒ１は、アリール又はヘテロアリール基を表しうる。Ｒ１が置換アリール又は置換ヘテロアリールである場合、有機硫黄種は次の化合物に対応しうる：
2021522648.tif 000053
（上式中、ｍは２と１０００の間の整数で、限界値が含まれる）
【０１２９】
カソライトは、カソードの容量に関与する有機硫黄種の混合物を含みうる。
【０１３０】
本発明に係る有機硫黄種がチオール形態である場合、本発明はチオレート形態のこれらの有機硫黄種をまた包含することを理解されたい。その場合、対イオンは、有利には、ナトリウム、リチウム、又は第４級アンモニウム、スルホニウム又はホスホニウムから選択される。
【０１３１】
カソードの容量に関与する有機硫黄種がポリマーである場合、それは高分子バインダーとしても作用しうる。
【０１３２】
高分子バインダーとしても作用するそのような有機硫黄種は、例えば、化合物ＸＩａ、化合物ＸＩｂ、化合物ＸＩｃ、ポリフェニレンジスルフィドコポリマー、及び主ポリマー鎖にジスルフィド−Ｓ−Ｓ−又はポリスルフィド−Ｓｎ−種を、官能基に−ＳＨ基を含む任意の他のポリマーから選択されうる。
【０１３３】
これに関連して、有機硫黄種の配合物は、室温において非常に低い粘度を有する液体形態でありうるか、又は２００００ｃＰを超える粘度を有し、粘性のあるゲルを形成しうるか、又は化合物が主にポリマーから形成される場合、固体形態でありうる。
【０１３４】
あるいは、カソードの容量に関与する有機硫黄種は、セパレーターと関連している場合がある。
【０１３５】
［カソライト添加剤］
カソライトはまた元素形態の硫黄を含みうる。この場合、元素形態の硫黄は、好ましくは、チオレートタイプの化合物との混合物である。
【０１３６】
特に、カソライトは、１と１０の間の（元素形態の硫黄）／（チオレート型の化合物）モル比で元素形態の硫黄を含む。
【０１３７】
カソライト中の元素形態の硫黄の濃度は、例えば、０．０５モル／Ｌ以上、好ましくは０．１モル／Ｌ以上、より好ましくは０．２モル／Ｌ以上でありうる。元素形態の硫黄は、一般に５モル／Ｌ未満の濃度で存在する。
【０１３８】
チオレートの濃度は、それとしては、一般に、０．５モル／Ｌ以下である。それは、例えば、０．０５モル／Ｌ以上、好ましくは０．１モル／Ｌ以上、より好ましくは０．２モル／Ｌ以上でありうる。
【０１３９】
様々な供給源の天然硫黄が市販されている。硫黄粉末の粒径は、広範囲で変動しうる。硫黄はそのまま使用してもよく、あるいは硫黄は、精錬、昇華又は沈殿などの様々な技法によって事前に精製してもよい。硫黄又はより一般的には硫黄系材料はまた、粒径を低減させ、それらの分布を狭めるために、粉砕及び／又はスクリーニングの予備工程に供されうる。
【０１４０】
カソライトは、アルカリ金属イオンを一方の電極から他方の電極に輸送することを可能にする。従って、カソライトは、有機溶媒に溶解された、リチウム塩などの一又は複数種のアルカリ金属塩を含む液体カソライトでありうる。
【０１４１】
従って、カソライトはまた、ＡＴＦＳＩ、ＡＦＳＩ、ＡＮＯ３、ＡＴＤＩ、ＡＣＦ３ＳＯ３、ＡＦＯ３、ＡＢＯ２、ＡＣＩＯ４、ＡＰＦ６、ＡＣｌＯ４、Ａ２Ｂ１２Ｆ１２、ＡＢＣ４Ｏ８、ＡＢＦ４、ＡＦ、無機ポリスルフィド塩ＡｚＳｘ、又はそれらの混合物などの一又は複数種のアルカリ金属塩を含み、
ここで、Ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ及びＣｓから選択され、
ｘは２以上の整数であり、
ｚは２以上の整数である。
【０１４２】
従って、カソライトは、好ましくは、フッ素酸リチウム（ＬｉＦＯ３）、メタホウ酸リチウム（ＬｉＢＯ２）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、硝酸リチウム（ＬｉＮＯ３）、ビス（オキサラト）ホウ酸リチウム（ＬｉＢＯＢ又はＬｉＢ（Ｃ２Ｏ４）２）、リチウムトリフルオロメタンスルホネート（ＬｉＴＦ）、リチウム（ビス）トリフルオロメタンスルホネートイミド（ＬｉＴＦＳＩ）、リチウム２−トリフルオロメチル−４，５−ジシアノイミダゾール（ＬｉＴＤＩ）、リチウムビス（フルオロスルホニル）イミド（ＬｉＦＳＩ）、リチウムヘキサフルオロホスフェート（ＬｉＰＦ６）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、トリフルオロメチルスルホン酸リチウム（ＣＦ３ＳＯ３Ｌｉ）、トリフルオロ酢酸リチウム（ＣＦ３ＣＯＯＬｉ）、ドデカフルオロドデカホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ１２Ｆ１２）、ビス（オキサラート）ホウ酸リチウム（ＬｉＢＣ４Ｏ８）及びテトラフルオロホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）、Ｌｉの無機ポリスルフィド、ＳｙＬｉ（ここで、ｙは２以上の整数）、及びそれらの混合物から選択されるリチウム塩を含みうる。
【０１４３】
更により好ましくは、カソライトはまた、一又は複数種のリチウム塩、例えば、ＬｉＴＦＳｉ、ＬｉＦＳｉ、ＬｉＴＤＩ、ＬｉＮＯ３、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、Ｌｉの無機ポリスルフィド、ＳｙＬｉ（ここで、ｙは２以上の整数）、及びそれらの混合物を含む。
【０１４４】
更により好ましくは、カソライトは、ＬｉＴＦＳＩ又はＬｉＦＳＩを含む。
【０１４５】
カソライト中のアルカリ金属塩の濃度は、好ましくは、約０．１から２モル／Ｌ、好ましくは約０．２から１モル／Ｌ、より好ましくは約０．２５から０．７５モル／Ｌである。
【０１４６】
本発明に係るバッテリーのカソライトは非水性であり、すなわち、水もしくは水性溶媒を含まない。而して、本発明に係るカソライトは、好ましくは５０ｐｐｍ未満の水、より好ましくは２５ｐｐｍ未満の水を含む。
【０１４７】
カソライトは、例えば、高分子バインダーを含み得、前記高分子バインダーは、カソードの容量に関与しない。
【０１４８】
高分子バインダーは、１００００ｇ・モル−１を超え、好ましくは５００００ｇ・モル−１を超え、より好ましくは１０００００ｇ・モル−１を超えるモル質量を有しうる。そのモル質量の関数として、高分子バインダーは、液体、ゲル化、又は固体カソライトを形成することができうる。
【０１４９】
固体カソライトは、室温において固体であり、好ましくはポリマーとリチウム塩の混合物を含む電解質である。このタイプのカソライトは、正極と負極を物理的に分離するため、セパレーターなしで使用できる。しかし、バッテリーの機能化は、カソライトの溶融状態とリチウムイオンの十分な移動を可能にするために、室温を超える温度で実行されなければならない（ＰＯＥではＴ＞６５℃）。
【０１５０】
ゲル化カソライトは、ポリマーがリチウム塩と混合されているが、有機溶媒又は溶媒混合物とも混合されているカソライトである。塩と溶媒はポリマーに閉じ込められ、これは、可塑化されたと言われる。ゲル化カソライトは、正極及び負極のセパレーターとしてもまた機能し得、従って、一般的な液体電解質セパレーターには連結されない。他方、このタイプの電解膜は室温において機能するため、サイクル温度に違いがある。
【０１５１】
高分子バインダーは、例えば、ポリエーテル、ポリエステル又はポリフルオロ化合物でありうる。好ましくは、高分子バインダーは、次のものから選択される：
−  エチレンオキシド（例えば、ＰＯＥ、ＰＯＥコポリマー）、メチレンオキシド、プロピレンオキシド、エピクロロヒドリン、アリルグリシジルエーテルのホモポリマー及びコポリマー；
−  塩化ビニル、フッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、塩化ビニリデン、四フッ化エチレン又はクロロトリフルオロエチレンのホモポリマー及びコポリマー、並びにフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンのコポリマー（ＰＶｄＦ−ｃｏ−ＨＦＰ）などのハロゲン化ポリマー；
−  ポリ（メチルメタクリレート）などの（メタ）アクリレートのホモポリマー及びコポリマー；
−  及びそれらの混合物。
【０１５２】
２５℃においてゲル化状態にあるカソライトは、ゲル化した高分子電解質の全質量に対して、約２０質量％から７０質量％の高分子バインダー、好ましくは約３０質量％から６０質量％の高分子バインダーを含みうる。
【０１５３】
固体カソライトとの関連では、それは、リチウム、ゲルマニウム及び／又はシリコンに基づく合金を含みうる。好ましくは、カソライトは、Ｌｉ２ＳＰ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５−Ｌｉ、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５−ＬｉＢＨ４及びＬｉ２Ｓ−ＧｅＳ２−Ｐ２Ｓ５、又はファミリーＬｉ２Ｓ−ｘ−Ｐ２Ｓ５（ここで、ｘは硫化物、酸化物、セレン化物又はハロゲン化物）のセラミックの他の配合物から選択される合金を含む。また、セラミック電解質は、アモルファス（ガラス質）又は結晶形態の不均一な金属硫化物から構成されうる。金属酸化物に基づくセラミック化合物もまた使用することができる。より好ましくは、セラミック固体電解質は、タイプＬｉ２Ｓ−ｘ−Ｐ２Ｓ５（ここで、ｘは硫化物、酸化物、セレン化物又はハロゲン化物）の配合物から選択される。
【０１５４】
カソライトは、その成分が系の容量に寄与しない他の添加剤を含みうる。これらの添加剤は、一般に、カソライトの全質量の２０重量％未満、好ましくは１０％未満の割合で存在する。
【０１５５】
カソライトは、リチウム又は炭素−硫黄複合材料の界面を保護するための添加剤を含みうる。例えば、カソライトは、次のものから選択される添加剤を含みうる：
−  窒素含有添加剤、例えば硝酸リチウム（ＬｉＮＯ３）（これは、リチウムの表面の不動態化によるシャトルメカニズムの排除に非常に効率的である）、又はニトロメタン（ＣＨ３ＮＯ２）；塩ＬｉＦＳＩのＦＳＩアニオンもまたこの不動態化効果に関与しうる；
−  一般式Ｐ２Ｓｘ（ここで、ｘは２以上の整数）の有機ポリスルフィド化合物、例えば五硫化リン（Ｐ２Ｓ５）（これは、リチウム金属電極へのＬｉ２Ｓの不可逆的な析出を制限するのに適している）；
−  一又は複数の導電体、有利には、一般に硫黄系材料に対して１重量％から１０重量％の範囲でありうる割合の、炭素系の導電体、例えば、カーボンブラック、グラファイト又はグラフェン。好ましくは、カーボンブラックが導電体として使用され；及び／又は
−  電子交換を改善し、充電中のポリスルフィドの長さを調節し、バッテリーの充電／放電サイクルを最適化する、一又は複数種の電子供与元素。周期表のＩＶａ、Ｖａ及びＶＩａ族から、好ましくはＳｅ、Ｔｅ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓｉ及びＡｓから選択される、粉末形態又は塩形態の元素を電子供与元素として有利に使用することができる。
【０１５６】
これらの添加剤は、一般に、カソライトの全質量の０．５重量％と５重量％の間の割合で存在する。
【０１５７】
前述のカソライトは、一又は複数種の有機溶媒を様々な割合で含みうる。
【０１５８】
有機溶媒は、例えば、モノマー、オリゴマー、ポリマー、及びそれらの混合物から選択されうる。特に、有機溶媒は、アミド、炭酸エステル、エーテル、スルホン、ケトン、フルオロ化合物、スルホキシド−アミド、トルエン及びスルホキシドから選択される少なくとも一種の化合物を含む。アミドは、好ましくは、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）及びＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）から選択される。スルホキシドは、好ましくはジメチルスルホキシドである。ジメチルスルホキシドは、有利には、ラクトン（好ましくはγ−ブチロラクトン及びバレロラクトン）、ピロリドン（例えば、ＮＭＰ又は２−ピロリドン）、スルホンアミド又はケトン（例えば、アセトン、トリメチルシクロヘキサノン、シクロヘキサノン）と組み合わせて使用されうる。
【０１５９】
有機溶媒は、好ましくは、リチウム硫黄バッテリーに適した溶媒である。従って、好ましくは、有機溶媒は、炭酸エステル、エーテル、スルホン、フルオロ化合物及びトルエンから選択される少なくとも一種の化合物を含む。
【０１６０】
エーテルは、特に、それらが一般に炭酸塩の誘電率よりも低い誘電率を有するにもかかわらず、リチウムポリスルフィドの良好な溶解を達成することを可能にする。
【０１６１】
従って、好ましくは、有機溶媒は、エーテル、例えば１，３−ジオキソラン（ＤＩＯＸ）又は１，２−ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、又は炭酸エステル、例えば炭酸ジメチル（ＤＭＣ）又は炭酸プロピレン（ＰＣ）から選択される。
【０１６２】
有機溶媒はまた、溶媒の組み合わせを含みうる。例えば、それはエーテル及び炭酸エステルを含みうる。これにより、高分子量の炭酸エステルを含む混合物の粘度を下げることが可能になる場合がある。
【０１６３】
好ましくは、有機溶媒は、１，３−ジオキソラン（ＤＩＯＸ）、１，２−ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、メチルプロピルカーボネート、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２−メチルテトラヒドロフラン、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、メチルアセテート、ジグリム（２−メトキシエチルエーテル）、テトラグリム、ジエチレングリコールジメチルエーテル（ジグリム、ＤＥＧＤＭＥ）、ポリエチレングリコールジメチルエーテル（ＰＥＧＤＭＥ）、テトラエチレングリコールジメチルエーテル（ＴＥＧＤＭＥ）、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、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、トリブチルホスフェート、トリメチルホスフェート、Ｎ−テトラエチルスルファミド、スルホン、及びそれらの混合物から選択される。
【０１６４】
より好ましくは、有機溶媒は、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、メチルアセテート、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、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、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、トリブチルホスフェート、トリメチルホスフェート、Ｎ−テトラエチルスルファミド、スルホン、及びそれらの混合物から選択される。
【０１６５】
他の溶媒、例えばスルホン、フルオロ化合物又はトルエンもまた使用することができる。
【０１６６】
好ましくは、有機溶媒は、スルホン又はスルホンの混合物である。スルホンの例は、ジメチルスルホン及びスルホランである。スルホランは、単独の溶媒として、又は、例えば、他のスルホンと組み合わせて、使用されうる。一実施態様では、電解液溶媒は、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム及びスルホランを含む。あるいは、カソライトは溶媒なしで配合されうる。
【０１６７】
[電極]
本発明の文脈において、カソード３０は、ナトリウム又はリチウムなどの塩を挿入／挿入解除することができ、あるいはそれと合金を形成することができる硫黄を含む。
【０１６８】
充電中、ナトリウム又はリチウムイオンは、アノード１０の酸化によって挿入解除され、セパレーター２０を通過し、イオン伝導体であるカソライト４０を横切って、これらのイオンの挿入により還元される、一般に炭素系材料に基づくカソード３０に移動する。
【０１６９】
同時に、アノード１０において放出された電子は、外部回路によってカソード３０に再結合する。
【０１７０】
カソードの材料への最初の挿入中、又はカソードの材料との合金の最初の形成中に、アノードに最初に含まれていた塩（例えば、ナトリウム又はリチウム）の一部が不可逆的に消費される。
【０１７１】
実施例に示されるように、本発明者等は、第一に、容量が大幅に増加し、第二に、容量の損失を伴う場合がある遅い形成の第一サイクルを必要としないという利点を有する新規のバッテリーを開発した。
【０１７２】
［カソード］
【０１７３】
言及されたように、本発明に係るバッテリーは、このタイプの硫黄系バッテリーについて観察された比容量よりも高い比容量を有する。文献研究では、特に、開発されたＬｉ−Ｓバッテリーの初期放電容量はすべて１６７０ｍＡｈ／ｇ未満であり、初期放電容量の大部分が１０００ｍＡｈ／ｇのオーダーであることを示している。従って、現在のシステムは硫黄の潜在能力を最大限に活用することができず、一般に最適ではない初期放電容量を持っている。
【０１７４】
対照的に、本発明の文脈では、カソードは、有利には、１３００ｍＡｈ／ｇを超える比容量を有する。この特徴を確認するために、カソードの比容量を、Ｃ／１０に等しい放電レジームと２０℃の温度で測定することができる。一般には、これらの値はカソードに存在する硫黄の質量に依存する。
【０１７５】
好ましくは、カソードは、１５００ｍＡｈ／ｇを超え、より好ましくは２０００ｍＡｈ／ｇを超える比容量を有する。
【０１７６】
加えて、そのような特徴を提示するために、カソードはまた、１６７２ｍＡｈ／ｇを超える理論比容量を有する。従って、本発明は、カソードに存在する硫黄の真のポテンシャルを超えることを可能にする。
【０１７７】
そのような特徴は、カソードの容量に関与する有機硫黄種がカソライト中に存在するために特に可能である。
【０１７８】
本発明に係るカソードはまた良好なクーロン効率を有する。それは、例えば、９５％以上、好ましくは９８％より大きい。
【０１７９】
言及されたように、カソードは、硫黄及び炭素系材料に基づく複合材料を含む。
【０１８０】
硫黄及び炭素系材料に基づく複合材料はまた以下に詳述される添加剤などの他の化合物を含みうる。
【０１８１】
硫黄及び炭素系材料に基づく複合材料（すなわち、硫黄−炭素複合材料）は、好ましくは、例えば、配合工程を含む方法の文脈において、溶融経路方法に従って得られてきた。本発明の文脈において特に有利である硫黄−炭素複合体を調製するための方法は、ＷＯ２０１６／１０２８６５に記載されている。
【０１８２】
複合材料の最適な形成では、カーボンナノチューブ及び／又はカーボンブラックなどの炭素系材料が、溶融物中で硫黄と混合される。これを行うには、一般に、この混合を実施するために強力な機械的エネルギーを加える必要があり、これは、０．０５ｋＷｈ／ｋｇと１ｋＷｈ／ｋｇの間の活物質、好ましくは０．２ｋＷｈ／ｋｇと０．５ｋＷｈ／ｋｇの間の活物質である。このようにして、炭素系材料は、粒子のバルク全体に均一に分散され、硫黄系粒子の表面にだけ見出されるわけではない。
【０１８３】
有利なことに、硫黄−炭素複合体は、硫黄を溶融し、硫黄と炭素系材料を混合する工程を含む製造方法によって得られる。この溶融及び混合工程は、配合装置を用いて有利に実施することができる。而して、図２に示されるように、本発明に係る方法は、硫黄−炭素複合体を形成する予備工程を含み得、硫黄−炭素複合体を形成する前記工程は、以下を含む：
−  硫黄と炭素系材料の配合装置への導入１１０、
−  硫黄の溶融を可能にするための配合工程１３０の実施、及び
−  溶融硫黄と炭素系材料の混合１４０。
【０１８４】
これを行うために、配合装置、すなわち、複合体を製造する目的で熱可塑性ポリマーと添加剤を溶融混合するためにプラスチック産業において従来から使用されている装置が優先的に使用される。而して、本発明に係る硫黄及び炭素系材料に基づく複合材料は、次の工程を含む方法に従って調製されうる：
（ａ）硫黄及び炭素系材料の配合装置への投入１１０、
（ｂ）硫黄の溶融１３０；
（ｃ）溶融硫黄と炭素系材料の混合１４０；
（ｄ）凝集した固体の物理的形態で得られた混合物の回収１５０；及び
（ｅ）粉末形態への粉砕。
【０１８５】
配合装置において、硫黄及び炭素系材料は、高剪断装置、例えば、共回転二軸スクリュー押出機又はコニーダーを使用して混合される。溶融材料は、一般に、凝集した固体の物理的形態、例えば顆粒の形態で、又は冷却後、顆粒に切り刻まれるロッドの形態で、装置を離れる。
【０１８６】
使用されうるコニーダーの例は、Ｂｕｓｓ ＡＧ社によって販売されているＢｕｓｓ（登録商標）ＭＤＫ４６コニーダー及びＢｕｓｓ（登録商標）ＭＫＳ又はＭＸシリーズのものであり、これらは全て、その内壁に、混練材料を剪断するようにフライトと相互作用するのに適した混練歯が設けられ、場合によっては幾つかの部分からなる加熱バレル内に配置された、フライトを備えたスクリューシャフトからなる。シャフトは回転駆動され、モーターによって軸方向の振動運動がもたらされる。これらのコニーダーには、例えば、押出スクリュー又はポンプからなりうる、それらの取り出し口に取り付けられた、顆粒を製造するためのシステムが備えられていてもよい。
【０１８７】
使用されうるコニーダーは、好ましくは、７から２２、例えば１０から２０の範囲のスクリュー比Ｌ／Ｄを有する一方、共回転押出機は、有利には、１５から５６、例えば２０から５０の範囲のＬ／Ｄ比を有する。
【０１８８】
硫黄中の炭素系材料の最適な分散を達成するためには、好ましくは０．０５ｋＷｈ／ｋｇ材料よりも大きい、多量の機械的エネルギーを加えることが好ましい。
【０１８９】
配合工程は、硫黄の融点を超える温度で実施される。よって、配合温度は、１２０℃から１５０℃の範囲でありうる
【０１９０】
この方法は、複合材料の成分間の密度の違いにもかかわらず、硫黄中に大量の炭素系材料を効率的かつ均一に分散させることを可能にする。
【０１９１】
本発明に係る複合材料は、有利には、１５０μｍ未満、好ましくは１００μｍ未満の平均粒径、１μｍと６０μｍの間、好ましくは１０μｍと６０μｍの間、より優先的には２０μｍと５０μｍの間の中央径ｄ５０、１００μｍ未満の中央径ｄ９０、好ましくは５０μｍ未満の径ｄ１００を持つ粒子を含む粉末の形態であり、これらの特徴はレーザー回折によって決定される。この粉末形態を得るためには、一般に、ハンマーミル、ブラシミル又はボールミル、エアジェットミルなどの装置、又は固体材料の微粉化のための他の方法が使用される。
【０１９２】
［複合材料に使用される硫黄］
本発明の好ましい実施態様によれば、複合材料を形成するために使用される硫黄は、少なくとも元素形態の硫黄及び／又は少なくとも一種の硫黄系材料を含む。
【０１９３】
而して、複合材料は、元素形態の硫黄のみ、少なくとも一種の他の硫黄系材料又はそれらの混合物を含みうる。
【０１９４】
様々な供給源の元素形態の硫黄が市販されている。硫黄粉末の粒径は広範囲で変動しうる。硫黄はそのまま使用してもよいし、あるいは精錬、昇華、沈殿などの様々な技法で事前に精製することもできる。硫黄又はより一般的には硫黄系材料はまた粒径を低減させ、それらの分布を狭めるために、粉砕及び／又はスクリーニングの予備段階に供されうる。
【０１９５】
硫黄系材料は、有機硫黄化合物又はポリマー、あるいは無機硫黄系化合物又は全ての割合のそれらの混合物でありうる。
【０１９６】
硫黄系材料として使用することができる硫黄系無機化合物は、例えば、アルカリ金属アニオン性ポリスルフィド、好ましくは式Ｌｉ２Ｓｎ（ここで、ｎ≧１）によって表されるリチウムポリスルフィドである。
【０１９７】
硫黄系材料として使用することができる有機硫黄化合物又はポリマーは、例えば、ポリＤＭＤＯ、ポリスルフィド−ＤＭＤＯ、ポリフェニレンジスルフィドコポリマー、及び主ポリマー鎖内にジスルフィド−Ｓ−Ｓ−又はポリスルフィド−Ｓｎ−配列を含み、官能基に−ＳＨ基を含む任意の他のポリマーである。
【０１９８】
本発明に係る硫黄−炭素複合体を形成するために使用される硫黄は、様々な融解熱値を有しうる。この融解熱（ΔＨｆｕｓ）は、好ましくは７０Ｊ・ｇ−１と１００Ｊ・ｇ−１の間でありうる。具体的には、例えば元素形態又は芳香族ポリスルフィドの形態の硫黄系材料は、８０℃と１３０℃の間の示差走査熱量測定（ＤＳＣ）によって相転移（融解）中に測定される融解熱によって特徴付けることができる。本発明に係る方法の実施、特に溶融物への炭素系ナノフィラーの導入に続いて、元の硫黄系材料のエンタルピー値と比較して、複合体のエンタルピー値（ΔＨｆｕｓ）が減少する。
【０１９９】
複合材料は、複合材料の全質量に対して約３０質量％から９０質量％の硫黄、好ましくは約５０質量％から９０質量％の硫黄、より好ましくは約７０質量％から９０質量％の硫黄を含みうる。
【０２００】
［複合材料に使用される炭素系材料］
本発明によれば、炭素系材料は、カーボンブラック、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノファイバー、グラフェン、アセチレンブラック、グラファイト、カーボンファイバー、及びそれらの全ての割合の混合物から選択されうる。有利には、炭素系材料は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノファイバー、グラフェン及びそれらの全ての割合の混合物から選択される。
【０２０１】
好ましくは、炭素系材料は、少なくともカーボンナノチューブ又はカーボンナノファイバーを含む。これは、炭素系材料が、単独で、又は少なくとも一種の他のカーボン系ナノフィラーと混合された、カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーに対応しうることを意味する。具体的には、カーボンブラックとは異なり、ＣＮＴタイプの添加剤は、電解質へのその溶解を制限し、よってより良いサイクル性を促進することにより、活物質に有益な吸着効果をまた与えるという利点を有する。炭素系ナノフィラーは、ここでは、カーボンブラック、グラフェン、アセチレンブラック、グラファイト、カーボンファイバー、及び全ての割合のそれらの混合物に対応しうる。
【０２０２】
複合材料は、複合材料の全質量に対して、約１０質量％から７０質量％の炭素系材料、好ましくは約１０質量％から５０質量％の炭素系材料、より好ましくは約１０質量％から３０質量％の炭素系材料を含みうる。
【０２０３】
複合材料の組成物に含まれるＣＮＴは、単層、二層、又は多層タイプ、好ましくは多層タイプ（ＭＷＮＴ）でありうる。
【０２０４】
本発明に従って使用されるカーボンナノチューブは、通常、０．１から２００ｎｍ、好ましくは０．１から１００ｎｍ、より優先的には０．４から５０ｎｍ、また更には１から３０ｎｍ、更には１０から１５ｎｍの平均直径を有しており、有利には、０．１μｍを超え、有利には０．１から２０μｍ、好ましくは０．１から１０μｍ、例えば約６μｍの長さを有する。それらの長さ／直径比は、有利には１０より大きく、通常は１００より大きい。それらの比表面積は、例えば、１００ｍ２／ｇと３００ｍ２／ｇの間、有利には２００ｍ２／ｇと３００ｍ２／ｇの間であり、それらの見かけの密度は、特に、０．０１ｇ／ｃｍ３と０．５ｇ／ｃｍ３の間、より優先的には０．０７ｇ／ｃｍ３と０．２ｇ／ｃｍ３の間である。ＭＷＮＴは、例えば、５から１５枚、より優先的には７から１０枚のシートを含みうる。
【０２０５】
カーボンナノチューブは、特に、例えばＷＯ０６／０８２３２５に記載されている方法に従って、化学蒸着によって得られる。好ましくは、それらは、特許出願ＥＰ１９８０５３０に記載されているように、特に植物起源の再生可能な出発材料から得られる。
【０２０６】
これらのナノチューブは、処理されてもされなくてもよい。
【０２０７】
粗製カーボンナノチューブの例は、特に、アルケマ社からの商品名Ｇｒａｐｈｉｓｔｒｅｎｇｔｈ（登録商標）Ｃ１００である。
【０２０８】
これらのナノチューブは、精製及び／又は処理（例えば、酸化）及び／又は粉砕及び／又は官能化されうる。
【０２０９】
ナノチューブの粉砕は、特に低温又は高温条件下で実施することができ、ボールミル、ハンマーミル、エッジランナーミル、ナイフミル又はガスジェットミルのような装置あるいはナノチューブの絡み合った網目構造のサイズを低減させることができる他の任意の粉砕システムにおいて用いられる既知の技術に従って実施することができる。この粉砕工程は、ガスジェット粉砕技術に従って、特にエアジェットミルで実施されるのが好ましい。
【０２１０】
粗製又は粉砕ナノチューブは、それらの調製プロセスに由来する可能性のある残留無機及び金属不純物、例えば鉄からそれらを遊離させるように、硫酸溶液を使用して洗浄することによって精製されうる。ナノチューブと硫酸の重量比は、特に１：２と１：３の間でありうる。更に、精製操作は、９０℃から１２０℃の範囲の温度で、例えば５から１０時間の期間、実施されうる。有利には、この操作の後に、精製したナノチューブを水ですすぎ、乾燥させる工程が続く場合がある。変形態様として、ナノチューブは、典型的には１０００℃を超える高温熱処理によって精製されうる。
【０２１１】
ナノチューブの酸化は、有利には、それらを、０．５重量％から１５重量％のＮａＯＣｌ、好ましくは１重量％から１０重量％のＮａＯＣｌを、例えば１：０．１から１：１の範囲のナノチューブと次亜塩素酸ナトリウムの重量比で含む次亜塩素酸ナトリウム溶液と接触させることによって実施される。酸化は、有利には、６０℃未満の温度で、好ましくは室温において、数分から２４時間の範囲の期間、実施される。有利には、この酸化操作の後に、酸化されたナノチューブを濾過及び／又は遠心分離し、洗浄し、乾燥させる工程が続く場合がある。
【０２１２】
ナノチューブの官能化は、ビニルモノマーなどの反応性単位をナノチューブの表面にグラフトさせることによって実施されうる。
【０２１３】
本発明において、好ましくは、粗製の、場合によっては粉砕されたカーボンナノチューブ、すなわち、酸化も精製も官能化もされておらず、他の化学的及び／又は熱処理を受けていないナノチューブが使用される。
【０２１４】
本発明において炭素系材料として使用されうるカーボンナノファイバーは、カーボンナノチューブのように、５００℃から１２００℃の温度で、水素の存在下、遷移金属（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ）を含む触媒上で分解される炭素系供給源から出発する化学蒸着（つまりＣＶＤ）によって生成されるナノフィラメントである。しかし、カーボンナノファイバーは多かれ少なかれ組織化されたグラファイト領域（又は乱層スタック）で構成されており、その平面がファイバーの軸に対して様々な角度で傾斜しているため、これら二種の炭素系フィラーはその構造が異なる。これらのスタックは、積み重ねられたプレートレット、魚の骨、又は皿の形態であり得、一般に１００ｎｍから５００ｎｍ又はそれ以上の範囲の直径を有する構造を形成する。
【０２１５】
特に使用されうるカーボンナノファイバーの例は、１００から２００ｎｍ、例えば約１５０ｎｍの直径と、有利には１００から２００μｍの長さを有する。例えば、昭和電工のＶＧＣＦ（登録商標）ナノファイバーを使用することができる。
【０２１６】
「グラフェン」という用語は、平らな、孤立した、別個のグラファイトシートを意味するが、更に拡張して、１から数十枚のシートを含み、平らな又は多かれ少なかれ波状の構造を有するアセンブリを意味する。而して、この定義には、ＦＬＧ（数層グラフェン）、ＮＧＰ（ナノサイズのグラフェンプレート）、ＣＮＳ（カーボンナノシート）及びＧＮＲ（グラフェンナノリボン）が含まれる。他方、それぞれ、一又は複数のグラフェンシートを同軸に巻回し、これらのシートを乱層状に積層して構成されるカーボンナノチューブ及びナノファイバーは除外される。更に、本発明によって使用されるグラフェンは、化学的酸化又は官能化の追加工程に供されないことが好ましい。
【０２１７】
本発明によって使用されるグラフェンは、化学蒸着つまりＣＶＤによって、好ましくは混合酸化物系の粉体触媒を使用するプロセスに従って得られる。それは、特徴的には、厚さが５０ｎｍ未満、好ましくは１５ｎｍ未満、より優先的には５ｎｍ未満であり、横方向の寸法が１ミクロン未満、好ましくは１０ｎｍから１０００ｎｍ未満、より優先的には５０から６００ｎｍ、更には１００から４００ｎｍである粒子の形態である。これらの粒子のそれぞれは、一般に、１から５０枚、好ましくは１から２０枚、より優先的には１から１０枚、更には１から５枚のシートを含み、これらは、例えば超音波処理中に、独立したシートの形態で互いに分離することができる。
【０２１８】
［複合材料に使用される添加剤］
本発明の一実施態様によれば、複合材料は、レオロジー調整剤、バインダー、イオン伝導体、炭素系導電体、電子供与元素又はそれらの組み合わせから選択される少なくとも一種の添加剤をまた含む。これらの添加剤は、有利には、均質な複合材料を得るために、配合工程の前又は最中に、工程１２０の間に導入される。而して、好ましくは、レオロジー調整剤が、好ましくは配合工程を実施する前に、配合装置に添加される。
【０２１９】
特に、混合中、配合工程中に、配合装置内の混合物の自己加熱を低減するために、溶融形態の硫黄のレオロジーを調整する添加剤を添加することが可能である。液体硫黄に対して流動化効果を有するそのような添加剤は、特許出願ＷＯ２０１３／１７８９３０に記載されている。言及されうる例には、ジメチルスルフィド、ジエチルスルフィド、ジプロピルスルフィド、ジブチルスルフィド、ジメチルジスルフィド、ジエチルジスルフィド、ジプロピルジスルフィド、ジブチルジスルフィド、それらのトリスルフィド同族体、それらのテトラスルフィド同族体、それらのペンタスルフィド同族体、それらのヘキサスルフィド同族体が、単独で又は全ての割合でのそれらの二種以上の混合物として含まれる。
【０２２０】
レオロジー調整添加剤の量は、一般に、炭素−硫黄複合体の全重量に対して、０．０１重量％と５重量％の間、好ましくは０．１重量％から３重量％である。
【０２２１】
複合材料は、バインダー、特に高分子バインダーを含みうる。而して、複合材料の形成中に、以前に定義された高分子バインダーを添加することも可能である。
【０２２２】
複合材料は、電子交換を改善し、充電中のポリスルフィドの長さを調節し、バッテリーの充電／放電サイクルを最適化するために、導電体及び／又は電子供与元素を含みうる。
【０２２３】
これらの添加剤化合物は、一般に、硫黄系材料の重量に対して１重量％から１０重量％の範囲でありうる割合で添加されうる。
【０２２４】
有利には、硫黄及び炭素系材料に基づく複合材料はまたセレンを含みうる。セレンは、無機又は有機セレン（例えば、有機セレン化合物）の形態でありうる。
【０２２５】
複合材料は、複合材料の全質量に対して、約０．１質量％から１０質量％のセレン、好ましくは約０．１質量％から５質量％のセレン、より好ましくは約０．１質量％から２質量％のセレンを含みうる。
【０２２６】
複合材料は、１質量％から５０質量％、好ましくは５％から３０％のタイプＬｉ２Ｓ−ｘ−Ｐ２Ｓ５のセラミック（ここで、ｘは硫化物、酸化物、セレン化物又はハロゲン化物）を含みうる。
【０２２７】
［カソードの構成］
而して、本発明に係るカソードは、硫黄及び炭素系材料に基づく複合材料を含む。
【０２２８】
有利には、カソードは、約３０質量％から９５質量％の複合材料を含みうる。
【０２２９】
加えて、本発明に係るカソードは、特に、一又は複数種の高分子バインダー及び一又は複数種の金属塩を含みうる。
【０２３０】
［高分子バインダー］
カソードは、その物理化学的及び機械的特性を改善することができる高分子バインダーを含みうる。
【０２３１】
高分子バインダーは、エチレンホモポリマー及びコポリマー；プロピレンホモポリマー及びコポリマー；エチレンオキシド（例えば、ＰＯＥ、ＰＯＥコポリマー）、メチレンオキシド、プロピレンオキシド、エピクロロヒドリン、アリルグリシジルエーテル、式Ｃ１４Ｈ２２Ｏ（Ｃ２Ｈ４Ｏ）ｎのエチレンオキシドｔｅｒｔ−オクチルフェニルエーテルのホモポリマー及びコポリマー、式Ｒ（Ｃ３Ｈ５ＮＨ２）ｎのポリアリルアミン、カプロラクトンＰ（εＣＬ）ｎなどのラクトンのポリマー、トリメチレンカーボネートＰ（ＴＭＣ）ｎのポリマー、又は式ＣＨ３（Ｃ６Ｈ１０Ｏ２）ｍ（Ｃ４Ｈ６Ｏ２）ｎＣＨ３のカプロラクトンとトリメチレンカーボネートのオリゴマーＰ（εＣＬｎ−ｃｏ−ＴＭＣｍ）、タイプ［Ｐ（ＯＥｎ−ｃｏ−ＯＰｍ）アクリレート］４のスターバーストコポリマー（ここで、ＯＥはエチレンオキシド、ＯＰはプロピレンオキシドである）、Ｐ［εＣＬｎ−ｃｏ−（ＡＧＥ−ｇ−ＭｅＰＥＧ７）ｍ］（ここで、ＡＧＥはアリルグリシジルエーテルであり、ＭｅＰＥＧはメチルポリエチレングリコール（Ｏ−ＣＨ２−ＣＨ２）７−Ｏ−ＣＨ３である）、Ｐ（ＳＦ４−ｇ−ＭｅＰＥＧ７）ｎｂ−ＰＳｍ（ここで、ＰＳはポリスチレン基であり、ＳＦ４はＣＨ２−ＣＨ２−Ｃ６Ｆ４−Ｏ−ＣＨ２−ＣＨ２基である）から選択されうる。最後に、一般に、非限定的にラクトン、カーボネート、ラクチド又はアルキレンオキシドタイプ、及びそれらの混合物でありうる、環状鎖に酸素、窒素、リン、ケイ素及び硫黄原子から選択されるヘテロ原子を含む少なくとも一種の環状モノマーの重合によって得られる任意のポリマー；ハロゲン化ポリマー、例えば塩化ビニル、フッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、塩化ビニリデン、四フッ化エチレン又はクロロトリフルオロエチレンのホモポリマー及びコポリマー、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンのコポリマー（ＰＶｄＦ−ｃｏ−ＨＦＰ）又はそれらの混合物；ポリアクリレート、例えばポリメチルメタクリレート；多価アルコール、例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）；電子伝導性ポリマー、例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリフルオレン、ポリピレン、ポリアズレン、ポリナフタレン、ポリアセチレン、ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）、ポリカルバゾール、ポリインドール、ポリアゼピン、ポリチオフェン、ｐ−フェニレンポリスルフィド、又はそれらの混合物；カチオン型のポリマー、例えばポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、エメラルジン塩（ＥＳ）形態のポリアニリン、ポリ（四級化Ｎ−ビニルイミダゾール）、ポリ（アクリルアミド−ｃｏ−ジアリルジメチルアンモニウムクロリド）（ＡＭＡＣ）又はそれらの混合物；アニオン型のポリマー、例えばポリ（スチレンスルホネート）、ゼラチン又はペクチン；及びそれらの混合物。
【０２３２】
特定の実施態様によれば、カソードは、カソードの全質量に対して、約１質量％から３０質量％の高分子バインダー、好ましくは約５質量％から１０質量％の高分子バインダーを含む。
【０２３３】
［金属塩］
カソードはまた少なくとも一種の金属塩を含みうる。好ましくは、少なくとも一種の金属塩は、リチウム塩及びナトリウム塩から選択される。
【０２３４】
より好ましくは、カソードはまた少なくとも一種のリチウム塩を含みうる。
【０２３５】
リチウム塩は、カソライトの説明中に既に提示した塩から選択されうる。
【０２３６】
電解質塩の中では、ＬｉＴＦＳＩ、ＬｉＰＦ６、ＬｉＦＳＩ、ＬｉＴＤＩ、ＬＩＢＯＢ、ＬＩＤＦＯＢ、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、及びそれらの混合物などの塩が好ましく選択される。
【０２３７】
ＬｉＴＦＳＩ又はＬｉＦＳＩが好ましいリチウム塩である。
【０２３８】
カソードは、約１質量％から２５質量％の金属塩、好ましくは約１質量％から１５質量％の金属塩、より好ましくは約１質量％から１０質量％の金属塩を含み得る。カソードの総質量に。
【０２３９】
本発明に係るカソードは、任意の一般的な方法によって製造することができる。
【０２４０】
例えば、カソードは、硫黄及び炭素系材料に基づく複合材料を、少なくとも一種の高分子バインダー、場合によっては少なくとも一種の金属塩、及び場合によっては前記高分子バインダーのための少なくとも一種の溶媒と混合して、電極インクを得ることによって調製されうる。次に、電極インクは少なくとも一種の支持体に塗布されうる。
【０２４１】
高分子バインダーのための溶媒は、水、Ｎ−メチルピロリドン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート又はメチルエチルカーボネートなどのカーボネートタイプの溶媒、アセトン、メタノール、エタノール又はプロパノールなどのアルコール、及びそれらの混合物から選択されうる。
【０２４２】
電極ペーストの塗布は、圧延又はコーティングによって実施されうる。塗布は、集電体及び／又は支持フィルム上で実施されうる。集電体は、例えば、アルミホイルを含みうる。支持フィルムは、例えば、シリコン処理されたポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）タイプのプラスチックフィルムでありうる。
【０２４３】
本発明に係るカソードを製造するための方法は、電極ペーストを乾燥させて、支持されたフィルム形態の正極を得る工程を含みうる。
【０２４４】
加えて、カソードを製造するための方法は、カレンダリング又は押し出しの工程を含みうる。
【０２４５】
本発明に係るカソードは、２から１００ｍｍ、好ましくは１０から６０ｍｍの範囲の厚さを有しうる。
【０２４６】
［セパレーター］
一般的に、セパレーター２０は、アノード１０とカソード３０との間に、より具体的には、カソライト４０とアノード１０との間に配される。
【０２４７】
セパレーターは、一般に、短絡のリスクを回避するために、二つの電極間の完全な絶縁を確実にする。それは、有利には、充電及び放電サイクル中の活物質の体積の変化による応力に耐えるのに十分な機械的強度、電解質に浸漬されているので経時的にその抵抗を確保するのに十分な化学的抵抗、並びに電解質のアニオンとカチオンの拡散を可能にし、一方の電極からもう一方の電極への活物質の輸送を防ぐ適切な多孔質構造を有する。
【０２４８】
セパレーターは、例えば、アノードとカソードの間に配置された中間分離部材に対応し、アノードとカソードと接触している液体又はゲル電解質溶液を分離するように作用し、それを介して金属イオンとその対イオンがアノードとカソードの間を移動する。
【０２４９】
セパレーターは、固体電解質の形態、又は液体カソライトを含浸させたセパレーター２０の形態でありうる。
【０２５０】
本発明の有機リチウムバッテリーで使用されるセパレーターはまた電極の電気的分離を確実にすると同時に、バッテリー内の正極の有機酸化還元構造の拡散を防止し又は制限する。加えて、セパレーターは、前記電解質が液体又は固体の形態（例えば、ゲル化高分子電解質）であるかどうかにかかわらず、バッテリーの電解質に関して安定である。好ましくは、その構造の一部は、有機又は無機硫黄種に対して非反応性である。
【０２５１】
セパレーターは、一般に、導電性ではない多孔質材料で作製されており、例えば、ポリオレフィン（例えば、ポリエチレン）に基づくポリマー材料で作製されているか、又は繊維（例えば、ガラス繊維又は木質繊維）で作製されている。
【０２５２】
特定の実施態様では、多孔質セパレーターは、約５０ｎｍから３μｍ、好ましくは約５０ｎｍから１μｍ、より好ましくは約１００ｎｍから５００ｎｍの範囲の平均サイズの細孔を有する。この多孔性のおかげで、前記セパレーターには、電解質を容易に含浸させることができ、同時に十分な機械的強度を確保する。
【０２５３】
多孔質セパレーターのポリプロピレンは、ポリプロピレンホモポリマー（ＰＰ）又はポリプロピレンコポリマーでありうる。
【０２５４】
多孔質セパレーターには、ＤＭＤＯ、Ｐｈ−Ｓ−Ｓ−Ｒ又は「カソード」セクションに記載された他の官能基のポリマー又はコポリマーを含浸させることができる。
【０２５５】
セパレーターは、有機フッ素種、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及びコポリマー又はターポリマーを含み得、その典型的な代表例は、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ（トリフルオロエチレン）コポリマー又はＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ（クロロトリフルオロエチレン）ターポリマーである。
【０２５６】
セパレーターは、有利には、一又は複数種のセラミック合金を含む。セラミックは、蒸着によって、例えばレーザー蒸着（レーザーパルス蒸着）によってセパレーターと関連付けることができる。
【０２５７】
［アノード］
本発明に係るバッテリーはまたアノードを含む。 特に、アノードは、ナトリウム又はリチウムを含むアノード活物質を含みうる。アノード活物質は、好ましくは、ナトリウム又はリチウムに基づく複合材料、あるいはナトリウム又はリチウムに基づく合金である。
【０２５８】
アノード活物質は、例えば、リチウム金属タイプの材料又はリチウム化ケイ素（例えば、電気分解によってリチウムで覆われたケイ素）に対応しうる。
【０２５９】
［バッテリーを調製するための方法］
本発明の主題はまた本発明の第一の主題で定義された硫黄系バッテリーを製造するための方法であって、カソードの容量に関与する少なくとも一種の有機硫黄種を特に含む本発明で定義されたカソライトを調製する工程と、本発明で定義されたアノード、カソード、及び多孔質セパレーターを組み立てる工程を含むことを特徴とする方法である。
【０２６０】
有機硫黄種がチオール官能基を含む場合、カソライトの調製は、最初に、無機リチウムと接触させることによって有機硫黄種を還元する工程を含みうる。
【０２６１】
好ましくは、カソライトの調製はまた場合によっては約２０から１２０℃の範囲の温度で、有機溶媒中の少なくとも一種のリチウム塩の撹拌を伴う溶解を含む。
【０２６２】
この方法は、組み立て工程の前にセパレーターを含浸させる工程を含みうる。セパレーターへのカソライトの含浸は、セパレーターとゲル化カソライトのフィルムのロールボンディングによって実施されうる。
【０２６３】
この方法は、また、アノードを正のカソード、セパレーター、及びカソライトと共に取り付けて、電気化学セルを形成する工程を含みうる。
【０２６４】
次に、電池は充電され得、様々なサイクルが実施される。
【０２６５】
組み立てに続いて、硫黄系バッテリーは、一般に、予備形成工程を必要とする。この形成工程の間、バッテリーは長い充電及び放電サイクルを受けて、その後の機能化に必要なインターフェースをつくりだす。しかし、有利には、本発明に係るバッテリーの場合はそうではない。
【０２６６】
従って、好ましくは、本発明の文脈では、本発明に係るバッテリーを製造するための方法は、形成工程を必要としない。
【０２６７】
以下の実施例に示されるように、本発明は、システムの安定性を保つと同時に、Ｌｉ−Ｓバッテリーの容量を改善するための有機硫黄種を含むカソライトの反応性に基づく解決策を提供する。
【実施例】
【０２６８】
実施例１−硫黄／ＣＮＴ複合材料の調製
硫黄／ＣＮＴ複合材料（又は「化合物」）は、特許出願ＷＯ２０１６／１０２８６５に記載されている方法に従って調製される。
【０２６９】
ナノチューブ（アルケマのＧｒａｐｈｉｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｃ１００）及び固体硫黄（５０−８００ミクロン）を、排出押出スクリュー及び造粒装置を備えたＢｕｓｓ ＭＤＫ  ３０（Ｌ／Ｄ＝１５）コニーダーの最初の供給ホッパーに投入した。
【０２７０】
コニーダーの公称温度値は以下の通りであった：ゾーン１：１４０℃；ゾーン２：１３０℃。
【０２７１】
ダイ出口において、８７重量％の硫黄と１３重量％のナノチューブからなる混合物は、ペレット化によって得られ、空気で冷却された顆粒の形態である。複合材料は、１．５５ｇ／ｃｍ３の密度と１．０５ｇ／ｃｍ３の見掛け密度によって特徴付けられる。複合材料に固有のもう一つの特徴は、ＤＳＣによって測定された硫黄の融解熱である（ΔＨｆｕｓ値は９０℃と１３０℃の間で測定された）。出発硫黄の場合、ΔＨｆｕｓ＝７２Ｊｇ−１。配合後、複合材料の顆粒は５４Ｊｇ−１の値を有する。
【０２７２】
顆粒の粉砕は、窒素下でハンマーミルで実施した。得られた複合材料粉末は、Ｄ５０＜５０μｍ及び０．９ｇ／ｃｍ３の見掛け密度を特徴としている。この硫黄／ＣＮＴ複合材料粉末はついでＬｉ／Ｓバッテリーのカソード活物質として使用される。
【０２７３】
実施例２−参考文献１の硫黄系カソードの調製
（Ｓ／ＣＮＴ）：カーボンブラック：ＰＶＤＦ＝６０：３０：１０の混合物をＮ−メチル−２−ピロリドン中で混合してインクを形成する。半流動性の粘稠度のインクを、カーボンペーパー上に直接薄層で堆積させ、６０℃において３時間乾燥させる。次に、硫黄活物質の質量を、上で報告されたパーセンテージに従って堆積された量を評価することによって計算する。硫黄活質量の値は、一般に１ｃｍ２当たり０．８ｍｇと２ｍｇの間である。
【０２７４】
電池要素：セパレーター、カソードは、真空下、８０℃において２４時間乾燥させ、ついで、グローブボックス内で組み立てる。
【０２７５】
実施例３−アルミホイル上の実施例１の活物質に基づく参考文献２の電極の調製
実施例２に従ってインクを形成し、次にスクレーパータイプの技術（例えば、ドクターブレード）によってアルミホイル上に堆積させた。このようにして得られたフィルムをオーブン内で１２０℃において２０分間乾燥させてカソードを得た。
【０２７６】
実施例４−アルミニウム格子上に堆積された実施例１の自立活物質に基づく参考文献３の電極の調製
（Ｓ／ＣＮＴ）：カーボンブラック：ＰＴＦＥ＝４５：４５：１０の混合物を、Ｎ−メチル−２−ピロリドン／エタノール中で混合して、ペーストを形成する。半固体の粘稠度の混合物（ペースト）を、最適な接着のために３トンでアルミニウム格子間で単純なプレスによって成形する。
【０２７７】
実施例５−液体カソライトの調製
二種のリチウム塩ＬｉＮＯ３及びＬｉＴＦＳＩ（０．２５Ｍ／０．７５Ｍ）を、ＤＯＬ：ＤＭＥ二成分混合物からなる溶媒塩基と混合した。このようにして、ＤＯＬ：ＤＭＥ中に１Ｍのリチウム塩を含む液体電解質を得た。水分含有量は管理され、２０ｐｐｍを超えてはならない。
【０２７８】
電解質には、場合によっては有機硫黄種（例えば、０．２Ｍ）が補充される。有機硫黄種の性質に応じて、その濃度をチオレート官能基の濃度に変換することが重要である（例えば０．４Ｍ ＲＳ−）。
【０２７９】
有機硫黄種がチオール（例えば、Ｒ−ＳＨ）又はポリチオールである場合、リチウム金属を含む不活性雰囲気下で、前もって調製した溶媒／塩＋Ｒ−ＳＨの混合物に過剰のリチウム金属を加えることにより、組み立ての２４時間前に予備的なエクスサイチュ還元を実施することが好ましい。反応が完了し、対応するリチウムチオレートの形成に至る。
【０２８０】
例えば、カソード中の１．３ｍｇの硫黄及びＤＭＤＯに基づく１００μＬの電解質、すなわち０．２モル／Ｌの場合、０．０２ミリモルのジチオール、すなわち、１．３ｍｇの硫黄当たり０．０４ミリモルのＲＳ−官能基が存在する。その場合、比Ｓ／ＲＳ−は１でありうる。
【０２８１】
電極中の活物質の量は、１．７５ｍｇのＳ、すなわち０．０５ミリモルである。
【０２８２】
無機硫黄／有機硫黄（電極の容量に関与する有機硫黄種に由来する硫黄）の割合は、１．２５に等しいか、又は実質的に等しい。
【０２８３】
実施例６−固体カソライトの調製
固体カソライトは、ＰＶＤＦ−ｃｏ−ＨＦＰコポリマーの溶液中に存在することを除いて、実施例５に提示された成分から調製される。
【０２８４】
加えて、カソライトは、混合物を押し出し、続いて２つのプラスチックフィルム間で１２５℃で得られたインクを圧延することによって調製される。
【０２８５】
実施例７−Ｌｉ／Ｓバッテリーの調製と試験
組み立ては、グローブボックス内でのリチウムアノード、実施例５によるカソライトを含浸させたセパレーター、ついで硫黄−炭素カソードの重ね合わせによって実施される。
【０２８６】
バッテリー参照１、参照２及び参照３は、カソライト中にカソードの容量に関与する有機硫黄種がないので、本発明によるものではない。
【０２８７】
バッテリーＩ１からＩ５は本発明によるものであり、異なる化合物とまた異なる濃度を有する。それらは、実施例２に従って形成された電極に基づいている。
【０２８８】
放電曲線は室温において測定され、最初の放電（硫黄の抽出）に課せられる電流は、Ｃ／１０レジーム（１０時間の放電）と同等である。このように調製されたセルのサイクルはまたより高い温度（４５から５０℃）で起こりうる。
【０２８９】
実施例８−調査したバッテリーの特性
有機硫黄種として０．４ＭのＤＭＤＯを含む、参照バッテリー及び本発明に係るバッテリーについて得られた初期放電容量を表す充電／放電定電流曲線の例を図３に示し、得られた結果の要約を以下の表に示す：
2021522648.tif 000054
【０２９０】
従って、カソライト中に少なくとも一種の有機硫黄種が存在することにより、バッテリーの初期放電容量を大幅に増加させることが可能になる。具体的には、本発明に係る全ての実施例は、比較例（参照１、参照２、参照３）のＣ／１０レジームでの初期放電容量値よりもはるかに高いＣ／１０レジームでの初期放電容量を有する。同じ電極に基づいて参照１と比較して増加は、２８０％を超える可能性がある（参照１とＩ１を参照）。更に、Ｃレジームでの放電容量もまた５００％を超えうる増加で改善される（参照１対Ｉ１を参照）。
【０２９１】
図４はまた０．２ＭのＤＭＤＯの存在下で実施されるサイクルの過程でバッテリーの容量が増加することを示している。図５は、それとして、ジフェニルジスルフィドを含む本発明に係るバッテリーについて、４００サイクルを超えて、このバッテリーの優れた効率、及び従来のレベルよりもはるかに高い放電容量レベルを示している。
【０２９２】
最後に、無機形態の硫黄をカソライトに添加することにより、本発明に係るバッテリーの容量を更に増加させることが可能になる（結果は示さず）。
【０２９３】
実施例８−有機硫黄種がまた高分子バインダーでもある固体カソライトの調製
固体カソライトは、有機硫黄種がポリＤＭＤＯである実施例５に提示された成分から調製される。カソライトは、混合物を押し出し、続いて１２５℃で得られたインクを２つのプラスチックフィルム間で圧延することによって調製される。
【図１】
2021522648.tif 000055
【図２】
2021522648.tif 000056
【図３】
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【図４】
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【図５】
2021522648.tif 000059
【国際調査報告】
2021522648.tif 000060
2021522648.tif 000061
2021522648.tif 000062
2021522648.tif 000063
2021522648.tif 000064
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