JP2009093995A - リチウムイオン二次電池用硫化物系固体電解質 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】少なくともLi2Sと、P2S3、P2S5、SiS2、GeS2、B2S3及びAl2S3から選択される1種以上の硫化物から合成され、単体硫黄成分が1重量%以下であるリチウムイオン二次電池用固体電解質。
【選択図】なし
Description
また、特許文献1には硫化物系固体電解質であって、10−4Scm−1台のイオン伝導性を有する固体電解質が開示されている。特許文献2にはLi2SとP2S5から合成され、10−4Scm−1台のイオン伝導性を有する固体電解質が開示されている。
さらに、特許文献3にはLi2SとP2S5を、68〜74モル%:26〜32モル%の比率で合成した硫化物系結晶化ガラスで10−3Scm−1台のイオン伝導性を実現している。
硫化物系固体電解質から単体硫黄を除去する方法として、単体硫黄の沸点444℃以上で真空加熱する方法等がある。しかしながらこの場合、例えば、P2S5系固体電解質では、P2S5の沸点290℃以上の温度で加熱することとなり、著しい電池性能の低下を引き起こす。また、SiS2系においても、一部硫化物の分解反応による単体硫黄の生成が生じ、必ずしも有効な手段ではなかった。
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、充放電時における電池性能の劣化を低減できるリチウムイオン二次電池用硫化物系固体電解質を提供することを目的とする。
本発明によれば、以下のリチウムイオン二次電池用硫化物系固体電解質等が提供される。
1.少なくともLi2Sと、P2S3、P2S5、SiS2、GeS2、B2S3及びAl2S3から選択される1種以上の硫化物から合成され、単体硫黄成分が1重量%以下であるリチウムイオン二次電池用固体電解質。
2.少なくともLi2Sと、P2S3、P2S5、SiS2、GeS2、B2S3及びAl2S3から選択される1種以上の硫化物を出発原料とし、前記出発原料及び/又は出発原料を反応させて得られる反応物を、有機溶媒で洗浄する工程を有するリチウムイオン二次電池用硫化物系固体電解質の製造方法。
3.下記に示す工程(a)、(b)及び(c)を、この順で実施する2に記載のリチウムイオン二次電池用硫化物系固体電解質の製造方法。
(a)前記出発原料を反応させる工程
(b)反応物に有機溶媒を添加し、洗浄する工程
(c)添加した有機溶媒を除去する工程
4.前記有機溶媒が炭化水素系有機溶媒である、2又は3に記載のリチウムイオン二次電池用硫化物系固体電解質の製造方法。
5.上記1記載のリチウムイオン二次電池用硫化物系固体電解質と、Li元素と、Co、Ni、Mn及びFeから選択される1種以上の金属元素を含む複合酸化物を含有するリチウムイオン二次電池用正極合材。
6.単体硫黄の含有率が1重量%以下である硫化物系固体電解質を含む全固体リチウムイオン二次電池。
(1)Li2S
(2)P2S3、P2S5、SiS2、GeS2、B2S3及びAl2S3から選択される1種以上の硫化物
原料である上記(1)及び(2)や、反応物である硫化物系固体電解質を有機溶媒で洗浄することにより、最終製品である固体電解質の不純物である単体硫黄成分を低減することができる。
本実施形態では、下記に示す工程(a)、(b)及び(c)を、この順で実施する。
(a)出発原料を反応させる工程
(b)工程(a)で得た反応物に有機溶媒を添加し、洗浄する工程
(c)添加した有機溶媒を除去する工程
メカニカルミリング処理時のLi2Sの仕込み量は、出発原料の合計に対し30〜95mol%とすることが好ましく、さらに、40〜85mol%とすることが好ましく、特に50〜75mol%とすることが好ましい。
例えば、遊星型ボールミル機を使用した場合、回転速度を数十〜数百回転/分とし、0.5時間〜100時間処理すればよい。
有機溶媒としては、不純物である単体硫黄成分を抽出できるものが使用できる。例えば、トルエン、キシレン、ヘキサン、二硫化炭素等が好適に用いることができる。特に、トルエン、キシレン、ヘキサン等の炭化水素系有機溶媒が好ましい。
また、MM法の場合、反応後の容器に有機溶媒を添加し、さらに回転処理を続けることで洗浄することもできる。
加熱処理の時間は、1〜5時間が好ましく、特に1.5〜3時間が好ましい。
加熱処理温度が400℃以上の高温になるとリチウムイオン伝導性に劣るLi2P2S6が生成する可能性が高くなるため望ましくない。
尚、この加熱処理は洗浄工程(b)の前に実施してもよく、また、工程(c)の後に実施してもよい。
複合酸化物としては、Li元素と、Co、Ni、Mn及びFeから選択される1種以上の金属元素を含むものを使用できる。例えば、Li元素とCoから構成されるコバルト酸リチウムLiCoO2やLi元素とCo及びNiから構成されるLiNi0.8Co0.2O2等が好ましい。
例えば、正極及び負極の間に本発明の固体電解質からなる層を形成することで、全固体リチウム二次電池となる。
また、酸化物系では、酸化ビスマス(Bi2O3)、鉛酸ビスマス(Bi2Pb2O5)、酸化銅(CuO)、酸化バナジウム(V6O13)、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)等が使用できる。尚、これらを混合して用いることも可能である。好ましくは、コバルト酸リチウムが使用できる。
尚、上記の他にはセレン化ニオブ(NbSe3)が使用できる。
また、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミ、金属ケイ素等の金属自体や他の元素、化合物と組合せた合金を、負極材として用いることができる。
(1)硫化リチウム(Li2S)の製造
硫化リチウムは、特開平7−330312号公報における第1の態様(2工程法)の方法に従って製造した。具体的には、撹拌翼のついた10リットルオートクレーブにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)3326.4g(33.6モル)及び水酸化リチウム287.4g(12モル)を仕込み、300rpm、130℃に昇温した。昇温後、液中に硫化水素を3リットル/分の供給速度で2時間吹き込んだ。続いてこの反応液を窒素気流下(200cc/分)昇温し、反応した水硫化リチウムを脱硫化水素化し硫化リチウムを得た。昇温するにつれ、上記硫化水素と水酸化リチウムの反応により副生した水が蒸発を始めたが、この水はコンデンサにより凝縮し系外に抜き出した。水を系外に留去すると共に反応液の温度は上昇するが、180℃に達した時点で昇温を停止し、一定温度に保持した。水硫化リチウムの脱硫化水素反応が終了後(約80分)に反応を終了し、硫化リチウムを得た。
上記(1)で得た500mLのスラリー反応溶液(NMP−硫化リチウムスラリー)中のNMPをデカンテーションした後、脱水したNMP100mLを加え、105℃で約1時間撹拌した。その温度のままNMPをデカンテーションした。さらにNMP100mLを加え、105℃で約1時間撹拌し、その温度のままNMPをデカンテーションし、同様の操作を合計4回繰り返した。デカンテーション終了後、窒素気流下230℃(NMPの沸点以上の温度)で硫化リチウムを常圧下で3時間乾燥した。得られた硫化リチウム中の不純物含有量を測定した。
尚、亜硫酸リチウム(Li2SO3)、硫酸リチウム(Li2SO4)並びにチオ硫酸リチウム(Li2S2O3)の各硫黄酸化物、及びN−メチルアミノ酪酸リチウム(NMAB)の含有量は、イオンクロマトグラフ法により定量した。その結果、硫黄酸化物の総含有量は0.13質量%であり、LMABは0.07質量%であった。このようにして精製したLi2Sを、以下の実施例で使用した。
(1)イオン伝導度
硫化物系固体電解質粉体を錠剤成形機に充填し、4〜6MPaの圧力を加え成形体を得た。さらに、電極としてカーボンと電解質ガラスセラミックを重量比1:1で混合した合材を成形体の両面に乗せ、再度錠剤成形機にて圧力を加えることで、伝導度測定用の成形体(直径約10mm、厚み約1mm)を作製した。この成形体について交流インピーダンス測定によりイオン伝導度測定を実施した。伝導度の値は25℃における数値を採用した。
各例で製造した硫化物系固体電解質とリチウム複合酸化物(LiCoO2)を8:2〜6:4の重量比で混合して、正極合材を作製した。
インジウム箔、又はカーボンと硫化物系固体電解質から作製した合材のいずれかを負極とした。
上記負極上に硫化物系固体電解質、上記の正極合材、Tiメッシュ及びTi箔をこの順序で積層して組み上げ10〜30MPaで圧縮し電池を形成、充放電サイクル曲線を得て評価した。
充放電評価は、カットオフ電圧を下限1.5V、上限3.7Vとし、充電後の充電容量に対する放電容量の比及びその積算値である放電出力により実施した。
30ml試料ビンに対象とする固体電解質粉体1gを入れ、有機溶媒(脱水トルエン)を20ml添加後、振盪機により十分に(約3時間)撹拌した。静置して固体電解質を十分に沈降させ、その上澄み液を注射器により抜き取り、さらに、ミリポアフィルタを通過させ固体電解質を完全に除去し、有機溶媒上澄み液を得た。この上澄み液中の単体硫黄成分をガスクロにて定量し、残留単体硫黄成分量を決定した。
上記製造例により製造したLi2S 16.27gとP2S5(アルドリッチ社製)33.73gを、10mmφアルミナボール175個が入った500mlアルミナ製容器に入れ密閉した。尚、上記計量、密閉作業は全てグローブボックス内で実施し、使用する器具類は全て乾燥機で事前に水分除去したものを用いた。
この密閉したアルミナ容器を、遊星ボールミル(レッチェ社製PM400)にて、室温下、回転数290rpmにて36時間メカニカルミリング処理することで反応物(白黄色のガラス粉体)を得た。
尚、この粉体のX線回折測定(CuKα:λ=1.5418Å)を行なった結果、原料であるLi2Sのピークは観測されず、反応物に起因するハローパターンが観測された。
洗浄後、得られた反応物のスラリーをろ過・乾燥することにより、硫化物系固体電解質を得た。
この硫化物系固体電解質を、グローブボックス内(Ar雰囲気下)でSUS製チューブに密閉し、300℃で2時間の加熱処理を施し、ガラスセラミック化した硫化物系固体電解質を得た。このガラスセラミック化した固体電解質粉末のX線回折測定では、2θ=17.8、18.2、19.8、21.8、23.8、25.9、29.5、30.0degにピークが観測された。
また、このガラスセラミック化した固体電解質のイオン伝導度は、1.3×10−3S/cmであった。
固体電解質の単体硫黄残量は、ガラスセラミック化処理前及び処理後、ともに0.023重量%であった。
ガラスセラミック化した硫化物系固体電解質を用いて電池を形成し、電池性能評価に従い評価した。その結果、充放電容量比率は0.85であった。また、0.2Cレートでの放電容量は136mAh/gであり、放電出力は0.504Wh/gであった。
P2S5の代わりにSiS2(Alfa Aesar社製)を用い、スラリー作製時の仕込み量をLi2S 21.39gとSiS2 28.61gに変えた以外は、実施例1と同様に処理を行ない、固体電解質を得た。
固体電解質の単体硫黄残量は、0.066重量%であった。
また、この固体電解質のイオン伝導度は、9.3×10−4S/cmであった。
この硫化物系固体電解質を用いて電池を形成し、電池性能評価に従い評価した。その結果、充放電容量比率は0.82であった。また、0.2Cレートでの放電容量は124mAh/gであり、放電出力は0.441Wh/gであった。
P2S5の代わりにAl2S3(三津和社製)を用い、スラリー作製時の仕込み量をLi2S 15.89gとAl2S3 28.61gに変えた以外は、実施例1と同様に処理を行ない、固体電解質を得た。
この固体電解質の単体硫黄残量は、0.37重量%であった。
メカニカルミリング処理後、トルエンを使用した洗浄を行わなかった他は、実施例1と同様にし、硫化物系固体電解質を製造した。
この固体電解質の単体硫黄残量は、ガラスセラミック化処理前及び処理後、ともに2.53重量%であった。
また、このガラスセラミック化した固体電解質のイオン伝導度は、1.0×10−3S/cmであった。
ガラスセラミック化した硫化物系固体電解質を用いて電池を形成し、電池性能評価に従い評価した。その結果、充放電容量比率は0.68であった。また、0.2Cレートでの放電容量は103mAh/gであり、放電出力は0.359Wh/gであった。
本発明の全固体リチウム二次電池は、携帯情報末端、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを動力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等で使用するリチウム二次電池として使用できる。
Claims (6)
- 少なくともLi2Sと、
P2S3、P2S5、SiS2、GeS2、B2S3及びAl2S3から選択される1種以上の硫化物から合成され、単体硫黄成分が1重量%以下であるリチウムイオン二次電池用固体電解質。 - 少なくともLi2Sと、
P2S3、P2S5、SiS2、GeS2、B2S3及びAl2S3から選択される1種以上の硫化物を出発原料とし、
前記出発原料及び/又は出発原料を反応させて得られる反応物を、有機溶媒で洗浄する工程を有するリチウムイオン二次電池用硫化物系固体電解質の製造方法。 - 下記に示す工程(a)、(b)及び(c)を、この順で実施する請求項2に記載のリチウムイオン二次電池用硫化物系固体電解質の製造方法。
(a)前記出発原料を反応させる工程
(b)反応物に有機溶媒を添加し、洗浄する工程
(c)添加した有機溶媒を除去する工程 - 前記有機溶媒が炭化水素系有機溶媒である、請求項2又は3に記載のリチウムイオン二次電池用硫化物系固体電解質の製造方法。
- 請求項1記載のリチウムイオン二次電池用硫化物系固体電解質と、
Li元素と、Co、Ni、Mn及びFeから選択される1種以上の金属元素を含む複合酸化物を含有するリチウムイオン二次電池用正極合材。 - 単体硫黄の含有率が1重量%以下である硫化物系固体電解質を含む全固体リチウムイオン二次電池。
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