JP2014127388A - 硫化物固体電解質材料、リチウム固体電池、および、硫化物固体電解質材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、Liイオン伝導性を有する硫化物固体電解質材料であって、分子量が30〜300の範囲内である有機化合物を有し、上記有機化合物の含有量が0.8重量%以下であることを特徴とする硫化物固体電解質材料を提供することにより、上記課題を解決する。
【選択図】図3
Description
まず、本発明の硫化物固体電解質材料について説明する。本発明の硫化物固体電解質材料は、Liイオン伝導性を有する硫化物固体電解質材料であって、分子量が30〜300の範囲内である有機化合物を有し、上記有機化合物の含有量が0.8重量%以下であることを特徴とするものである。
以下、本発明の硫化物固体電解質材料について、構成ごとに説明する。
本発明の硫化物固体電解質材料は、低分子の有機化合物を微量含有する。有機化合物を敢えて微量残存させることで、Liイオン伝導度が向上する。上記有機化合物は、通常、25℃で液体である。上記有機化合物の分子量は、通常、30以上であり、60以上であることが好ましい。分子量が小さすぎると、例えば硫化物固体電解質材料の製造時に、分散材としての機能を十分に発揮できない可能性があるからである。一方、上記有機化合物の分子量は、通常、300以下であり、200以下であることが好ましい。分子量が大きすぎると、例えば硫化物固体電解質材料の製造時に、有機化合物の除去が難しくなる可能性があるからである。
本発明の硫化物固体電解質材料は、Liイオン伝導性を有し、少なくともLi元素およびS元素を含有する。中でも、本発明の硫化物固体電解質材料は、Li元素およびS元素に加えて、A元素(Aは、P、Si、Ge、AlおよびBの少なくとも一種である)を含有することが好ましい。この場合、硫化物固体電解質材料は、Li元素、A元素およびS元素から構成されるイオン伝導体を含有する。
次に、本発明のリチウム固体電池について説明する。本発明のリチウム固体電池は、正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された固体電解質層と、を有するリチウム固体電池であって、上記正極活物質層、上記負極活物質層および上記固体電解質層の少なくとも一つが、上述した硫化物固体電解質材料を含有することを特徴とするものである。
以下、本発明のリチウム固体電池について、構成ごとに説明する。
まず、本発明における正極活物質層について説明する。本発明における正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つをさらに含有していても良い。
次に、本発明における負極活物質層について説明する。本発明における負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つをさらに含有していても良い。
次に、本発明における固体電解質層について説明する。本発明における固体電解質層は、正極活物質層および負極活物質層の間に形成される層であり、固体電解質材料から構成される層である。固体電解質層に含まれる固体電解質材料は、Liイオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではない。
本発明のリチウム固体電池は、上述した正極活物質層、負極活物質層および固体電解質層を少なくとも有するものである。さらに通常は、正極活物質層の集電を行う正極集電体、および負極活物質層の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体の材料としては、例えば、SUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができ、中でも、SUSが好ましい。一方、負極集電体の材料としては、例えば、SUS、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができ、中でも、SUSが好ましい。また、正極集電体および負極集電体の厚さや形状等については、リチウム固体電池の用途等に応じて適宜選択することが好ましい。また、本発明に用いられる電池ケースには、一般的なリチウム固体電池の電池ケースを用いることができる。電池ケースとしては、例えば、SUS製電池ケース等を挙げることができる。
本発明のリチウム固体電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも、二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば、車載用電池として有用だからである。本発明のリチウム固体電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。
次に、本発明の硫化物固体電解質材料の製造方法について説明する。本発明の硫化物固体電解質材料の製造方法は、上記「A.硫化物固体電解質材料」に記載した硫化物固体電解質材料の製造方法であって、原料組成物および上記有機化合物の混合物にメカニカルミリングを行うことにより、原料組成物を非晶質化し、硫化物ガラスを合成する非晶質化工程と、上記有機化合物が残存するように上記硫化物ガラスを乾燥する乾燥工程と、を有することを特徴とするものである。
以下、本発明の硫化物固体電解質材料の製造方法について、工程ごとに説明する。
本発明における非晶質化工程は、原料組成物および有機化合物の混合物にメカニカルミリングを行うことにより、原料組成物を非晶質化し、硫化物ガラスを合成する工程である。
次に、本発明における乾燥工程について説明する。本発明における乾燥工程は、上記有機化合物が残存するように上記硫化物ガラスを乾燥する工程である。乾燥工程により、例えば、有機化合物の含有量が所定の範囲にある硫化物ガラスが得られる。
出発原料として、硫化リチウム(Li2S、純度99.9%、日本化学工業社製)、五硫化二リン(P2S5、純度99%、アルドリッチ社製)およびヨウ化リチウム(LiI、純度99%、アルドリッチ社製)を用いた。次に、Li2SおよびP2S5を、75Li2S・25P2S5のモル比(Li3PS4、オルト組成)となるように秤量した。次に、LiIの割合が30mol%となるようにLiIを秤量した。秤量した出発原料2gを遊星型ボールミルの容器(45cc、ZrO2製)に投入し、脱水ヘプタン(水分量30ppm以下)4gを投入し、さらにZrO2ボール(φ=5mm、53g)を投入し、容器を完全に密閉した。この容器を遊星型ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、台盤回転数500rpmで、1時間処理および15分休止のメカニカルミリングを40回行った。その後、得られた試料を、ホットプレートを用いて、120℃、10時間の条件で乾燥させることでヘプタンを除去し、硫化物ガラスを得た。得られた硫化物ガラスのモル組成は、xLiI・(100−x)(0.75Li2S・0.25P2S5)においてx=30に該当する。
乾燥温度および乾燥時間を表1に示した条件に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、硫化物ガラスを得た。
脱水ヘプタンを用いないこと以外は、実施例1と同様にしてメカニカルミリングを行った。その後、乾燥させることなく、硫化物ガラスを得た。
(有機化合物の残存量測定)
実施例1〜5、比較例1で得られたサンプルに対して、有機化合物の残存量測定を行った。具体的には、サンプル粉末0.01gを採取し、Arガス雰囲気中、250℃、60分間の条件で加熱した時に発生するガス成分を吸着管で捕集し、熱脱離GC/MSにて分析した。キャリアガスにはArガス(流量50ml/min)を用い、吸着管にはTenax GRを用いた。また、熱脱離装置にはTD-100(Markes社製)を用い、GC/MSにはHP7890/5975C(Agilent社製)を用いて分析を行った。また、GC/MSでは、カラムとしてDB-5MS(30m×0.25mmID、膜厚1.0μm、JW製)を用い、キャリアガスとしてHeガス(流量1.5ml/min)を用いた。なお、標準ガスとしてトルエンを用いた。その結果を表1に示す。
実施例1〜5、比較例1、2で得られたサンプルに対して、交流インピーダンス法によるLiイオン伝導度(常温)の測定を行った。Liイオン伝導度の測定は以下のように行った。まず、サンプル粉末を用いて、断面積1cm2、厚さ0.5mmのペレットを作製した。その後、ペレットを4.3ton/cm2の圧力で成型し、交流インピーダンス法によりLiイオン伝導度を測定した。その結果を表1および図3に示す。
2 … 負極活物質層
3 … 固体電解質層
4 … 正極集電体
5 … 負極集電体
10 … リチウム固体電池
Claims (6)
- Liイオン伝導性を有する硫化物固体電解質材料であって、
分子量が30〜300の範囲内である有機化合物を有し、前記有機化合物の含有量が0.8重量%以下であることを特徴とする硫化物固体電解質材料。 - 前記有機化合物の割合が、0.2重量%以上であることを特徴とする請求項1に記載の硫化物固体電解質材料。
- 前記硫化物固体電解質材料が、Li元素、A元素(Aは、P、Si、Ge、AlおよびBの少なくとも一種である)、S元素を含有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の硫化物固体電解質材料。
- 前記硫化物固体電解質材料が、さらにX元素(Xはハロゲンである)を含有することを特徴とする請求項3に記載の硫化物固体電解質材料。
- 正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、前記正極活物質層および前記負極活物質層の間に形成された固体電解質層と、を有するリチウム固体電池であって、
前記正極活物質層、前記負極活物質層および前記固体電解質層の少なくとも一つが、請求項1から請求項4までのいずれかの請求項に記載の硫化物固体電解質材料を含有することを特徴とするリチウム固体電池。 - 請求項1から請求項4までのいずれかの請求項に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法であって、
原料組成物および前記有機化合物の混合物にメカニカルミリングを行うことにより、原料組成物を非晶質化し、硫化物ガラスを合成する非晶質化工程と、
前記有機化合物が残存するように前記硫化物ガラスを乾燥する乾燥工程と、
を有することを特徴とする硫化物固体電解質材料の製造方法。
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