WO2018030436A1 - 硫化物固体電解質 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a sulfide solid electrolyte, an electrode mixture, and a lithium ion battery.
- lithium ion batteries are attracting attention from the viewpoint of high energy density.
- Currently marketed lithium-ion batteries use electrolytes containing flammable organic solvents, so safety devices that prevent temperature rise during short circuits and improvements in structure and materials to prevent short circuits Is required.
- a lithium ion battery that uses a solid electrolyte by changing the electrolyte to a solid electrolyte does not use a flammable organic solvent in the battery, so the safety device can be simplified, and manufacturing costs and productivity can be reduced. It is considered excellent.
- a sulfide solid electrolyte is known as a solid electrolyte used in a lithium ion battery.
- Various crystal structures of the sulfide solid electrolyte are known, and one of them is an Argyrodite crystal structure (Patent Documents 1 to 5, Non-Patent Documents 1 to 3).
- the aldilodite crystal structure is a crystal with high stability, and some have high ionic conductivity. However, development of mass production methods and further improvement of ionic conductivity are required.
- One of the objects of the present invention is to provide a novel sulfide solid material including an aldilodite type crystal structure having high ionic conductivity.
- the molar ratio a (Li / P) of lithium to phosphorus, the molar ratio b (S / P) of sulfur to phosphorus, and the molar ratio c (X / P) of phosphorus of element X to phosphorus are represented by the following formulas (1) to A sulfide solid electrolyte satisfying (3) is provided.
- 5.0 ⁇ a ⁇ 7.1 (1) 1.0 ⁇ ab ⁇ 1.5 (2) 6.5 ⁇ a + c ⁇ 7.1 (3) (In the formula, b> 0 and c> 0 are satisfied.)
- a novel sulfide solid electrolyte having a high ionic conductivity and including an aldilodite crystal structure can be provided.
- Example 2 is an X-ray diffraction pattern of an intermediate obtained in Example 1.
- 2 is an X-ray diffraction pattern of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 1.
- FIG. 8 is an X-ray diffraction pattern of a mixed powder of Comparative Example 7.
- the sulfide solid electrolyte according to an embodiment of the present invention includes lithium, phosphorus, sulfur, and one or more elements X selected from the group consisting of chalcogen elements and halogen elements excluding sulfur.
- the molar ratio a (Li / P) of lithium to phosphorus, the molar ratio b (S / P) of sulfur to phosphorus, and the molar ratio c (X / P) of element X to phosphorus are represented by the following formulas (1) to ( 3) is satisfied.
- 5.0 ⁇ a ⁇ 7.1 (1) 1.0 ⁇ ab ⁇ 1.5 (2) 6.5 ⁇ a + c ⁇ 7.1 (3) (In the formula, b> 0 and c> 0 are satisfied.)
- the stoichiometric composition of a sulfide solid electrolyte containing a general aldilodite crystal is represented by Li 7-x PS 6-x X x .
- the sulfide solid electrolyte of this embodiment has a composition different from a general composition.
- the composition of the sulfide solid electrolyte of the present embodiment is expressed as Li 7-x PS 6-x + ⁇ X x + ⁇ .
- 1.0 ⁇ a ⁇ b ⁇ 1.5 in Expression (2) becomes 1.0 ⁇ 1- ⁇ ⁇ 1.5, and when the expression is further modified, ⁇ 0.5 ⁇ ⁇ ⁇ 0. That is, the sulfide solid electrolyte of the present embodiment is a sulfide solid electrolyte in which a part of S (sulfur) is defective as compared with a sulfide solid electrolyte containing a general aldilodite crystal.
- chalcogen elements excluding sulfur include oxygen (O), selenium (Se), and tellurium (Te).
- the halogen element include F, Cl, Br, and I.
- 1.0 ⁇ ab ⁇ 1.4 is preferable, and 1.0 ⁇ ab ⁇ 1.3 is more preferable.
- the above formula (3) is preferably 6.7 ⁇ a + c ⁇ 7.1, and more preferably 6.85 ⁇ a + c ⁇ 7.1.
- the above formula (1), the above formula (2) are 1.0 ⁇ ab ⁇ 1.5, and the above formula (3) is 6.5 ⁇ a + c ⁇ 7.1.
- the ionic conductivity is 5.1 mS / cm or more.
- the above formula (1) and the above formula (2) are 1.0 ⁇ ab ⁇ 1.4 and the above formula (3) is 6.7 ⁇ a + c ⁇ 7.1, the ionic conductivity is 5. It can be further increased to 8 mS / cm or more.
- the above formula (1), the above formula (2) is 1.0 ⁇ ab ⁇ 1.3, and the above formula (3) is 6.85 ⁇ a + c ⁇ 7.1, the ionic conductivity is It can be further increased to 6.9 mS / cm or more.
- the molar ratio and composition of each element in the sulfide solid electrolyte can be measured by ICP emission analysis.
- the measuring method of ICP emission spectrometry is described in the examples.
- the molar ratio of each element can be controlled by adjusting the content of each element in the raw material.
- the element X can be classified into the following three groups (X 1 , X 2 and X 3 ) depending on the size of the ion radius.
- X 1 F, Cl, O X 2 : Br X 3 : I, Se, Te
- the above formula (1) preferably satisfies 5.2 ⁇ a ⁇ 6.5, and satisfies 5.25 ⁇ a ⁇ 6.4. Is more preferable.
- the molar ratio occupied by the element X 2 is largest, the equation (1) is preferably 5.2 ⁇ a ⁇ 6.8, with 5.3 ⁇ a ⁇ 6.6 More preferably.
- the above formula (1) is preferably 5.5 ⁇ a ⁇ 7.0, and 5.5 ⁇ a ⁇ 6.8. More preferably.
- the element X is preferably composed only of a halogen element.
- the phosphorus is an element constituting the skeletal structure of the sulfide solid electrolyte.
- the sulfide solid electrolyte of the present embodiment includes an argilodite type crystal structure.
- a part of the sulfide solid electrolyte may have an aldilodite-type crystal structure, or all may have an aldilodite-type crystal structure.
- the aldilodite-type crystal structure is a structure in which PS 4 3 ⁇ is a main skeleton unit structure, and a sulfur element (S) or a halogen element (X) surrounded by a lithium element (Li) is arranged around the unit structure.
- the sulfide solid electrolyte of the present embodiment may have these peaks.
- the position of the diffraction peak is determined as A ⁇ 0.5 deg when the median is A, but is preferably A ⁇ 0.3 deg.
- aldilodite type crystal structure examples include the crystal structures disclosed in Non-Patent Documents 1 to 3, JP-T 2010-540396, JP-A 2011-096630, and JP-A 2013-2111171. it can.
- the sulfide solid electrolyte of the present embodiment may include a crystal structure other than the argilodite type crystal structure.
- various crystalline components and amorphous components are mixed in the sulfide solid electrolyte.
- the sulfide solid electrolyte including a crystal structure is a sulfide solid electrolyte in which a peak derived from a sulfide solid electrolyte is observed in an X-ray diffraction pattern in X-ray diffraction measurement.
- the case where the residual raw material is contained is also considered.
- the sulfide solid electrolyte of this embodiment may contain elements such as Si, Ge, Sn, Pb, B, Al, Ga, As, Sb, and Bi in addition to the lithium, phosphorus, sulfur, and element X. Good.
- the sulfide solid electrolyte contains one or more elements M selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, Pb, B, Al, Ga, As, Sb, and Bi, the above (1) to (3)
- the molar ratio of each element is the molar ratio with respect to the total of the element M and phosphorus.
- the molar ratio a (Li / P) of lithium to phosphorus is Li / (P + M).
- the sulfide solid electrolyte of this embodiment satisfy
- M is one or more elements selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, Pb, B, Al, Ga, As, Sb, and Bi
- X is F, Cl, Br, I
- a to c satisfy the above formulas (1) to (3)
- z is 0 ⁇ z ⁇ 0.3.
- a is preferably from 5.2 ⁇ a ⁇ 6.5, with 5.25 ⁇ a ⁇ 6.4 More preferably. Further, when the molar ratio occupied by the element X 2 is the largest, a is preferably 5.2 ⁇ a ⁇ 6.8, and more preferably 5.3 ⁇ a ⁇ 6.6. If the molar ratio occupied by the element X 3 is the largest, a is preferably from 5.5 ⁇ a ⁇ 7.0, more preferably 5.5 ⁇ a ⁇ 6.8.
- X in the formula (4) is preferably one or more halogen elements selected from F, Cl, Br and I.
- the halogen element is incorporated into the aldilodite type crystal structure, and the ionic conductivity is increased.
- the content ratio of each element is not limited. z is preferably 0.
- Crystal structure identified by I A are the low ionic conductivity, lowering the ionic conductivity of the solid electrolyte.
- the sulfide solid electrolyte of the present embodiment is a production method having a step of producing an intermediate by reacting a mixture of raw materials described later by applying mechanical stress, and a step of crystallizing the intermediate by heat treatment Can be produced.
- the raw material to be used is a combination of two or more compounds or simple substances containing the element which is essential for the sulfide solid electrolyte to be produced, that is, lithium, phosphorus, sulfur and element X as a whole.
- Examples of the raw material containing lithium include lithium compounds such as lithium sulfide (Li 2 S), lithium oxide (Li 2 O), and lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), and lithium metal alone. Among these, lithium compounds are preferable, and lithium sulfide is more preferable.
- the lithium sulfide can be used without limitation, but high purity is preferable.
- Lithium sulfide can be produced, for example, by the methods described in JP-A-7-330312, JP-A-9-283156, JP-A-2010-163356, and JP-A-2011-84438. Specifically, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted at 70 ° C. to 300 ° C.
- Lithium can be synthesized (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-163356). In addition, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted at 10 ° C. to 100 ° C. in an aqueous solvent to produce lithium hydrosulfide, and then this reaction solution is dehydrosulfurized to synthesize lithium sulfide (special feature). No. 2011-84438).
- Examples of the raw material containing phosphorus include phosphorus sulfide such as diphosphorus trisulfide (P 2 S 3 ) and diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), phosphorus compounds such as sodium phosphate (Na 3 PO 4 ), and Examples include phosphorus alone. Among these, phosphorus sulfide is preferable and diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) is more preferable. Phosphorus compounds such as diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) and simple phosphorus can be used without limitation as long as they are industrially manufactured and sold.
- the halogen compound represented by following formula (6) is included, for example.
- M is sodium (Na), lithium (Li), boron (B), aluminum (Al), silicon (Si), phosphorus (P), sulfur (S), germanium (Ge), arsenic (As), selenium (Se), tin (Sn), antimony (Sb), tellurium (Te), lead (Pb), bismuth (Bi), or a combination of these elements with oxygen and sulfur Lithium (Li) or phosphorus (P) is preferable, and lithium (Li) is more preferable.
- X is a halogen element selected from fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I).
- L is an integer of 1 or 2
- m is an integer of 1 to 10.
- Xs may be the same or different.
- m is 4, and X is composed of different elements such as Br and Cl.
- halogen compound represented by the above formula (6) include sodium halides such as NaI, NaF, NaCl, and NaBr; lithium halides such as LiF, LiCl, LiBr, and LiI; BCl 3 , BBr 3 Boron halides such as Al 3 , BI 3 ; aluminum halides such as AlF 3 , AlBr 3 , AlI 3 , AlCl 3 ; SiF 4 , SiCl 4 , SiCl 3 , Si 2 Cl 6 , SiBr 4 , SiBrCl 3 , SiBr 2 Cl 2 , SiI 4 and halogenated silicon; PF 3, PF 5, PCl 3, PCl 5, POCl 3, PBr 3, POBr 3, PI 3, P 2 Cl 4, P 2 I 4 halogenated such as phosphorus; SF 2 , SF 4 , SF 6 , S 2 F 10 , SCl 2 , S 2 Cl 2 , S 2 Br 2, etc.
- sodium halides such as Na
- germanium halides such as GeF 4 , GeCl 4 , GeBr 4 , GeI 4 , GeF 2 , GeCl 2 , GeBr 2 , GeI 2 ; halogenated arsenic such as AsF 3 , AsCl 3 , AsBr 3 , AsI 3 , AsF 5 ; SeF 4, SeF 6, SeCl 2, SeCl 4, Se 2 Br 2, SeBr 4 halogenated such as selenium; SnF 4, SnCl 4, SnBr 4, SnI 4, SnF 2, SnCl 2, SnBr 2, SnI 2 , etc.
- lithium halides such as lithium chloride (LiCl), lithium bromide (LiBr), and lithium iodide (LiI), phosphorus pentachloride (PCl 5 ), phosphorus trichloride (PCl 3 ), phosphorus pentabromide (PBr 5) ) And phosphorus halides such as phosphorus tribromide (PBr 3 ) are preferred.
- lithium halides such as LiCl, LiBr, and LiI and PBr 3 are preferable, lithium halides such as LiCl, LiBr, and LiI are more preferable, and LiCl and LiBr are more preferable.
- a halogen compound may be used individually from said compound, and may be used in combination of 2 or more type. That is, at least one of the above compounds can be used. In this case, the halogen element may be used alone or in combination of two or more of the above halogen elements.
- a lithium compound, a phosphorus compound, and a halogen compound are included, and at least one of the lithium compound and the phosphorus compound preferably contains a sulfur element, and a combination of lithium sulfide, phosphorus sulfide, and lithium halide is more preferable.
- a combination of lithium sulfide, phosphorous pentasulfide and lithium halide is more preferable.
- mechanical stress is applied to the raw material to cause a reaction to obtain an intermediate.
- applying mechanical stress means mechanically applying a shearing force, an impact force or the like.
- the means for applying mechanical stress include a pulverizer such as a planetary ball mill, a vibration mill, and a rolling mill, and a kneader.
- pulverization and mixing are performed to such an extent that the crystallinity of the raw material powder can be maintained.
- the sulfide solid electrolyte of this embodiment expresses high ionic conductivity.
- the presence of the glass (amorphous) component in the intermediate can be confirmed by the presence of a broad peak (halo pattern) due to the amorphous component in the XRD measurement.
- the sulfide solid electrolyte of the present embodiment has high mass productivity because it is not necessary to heat the raw material at 550 ° C. for 6 days as in Patent Document 1.
- the sulfide solid electrolyte having high ion conductivity is a sulfide solid electrolyte in which lithium easily moves in an argilodite type crystal structure.
- the sulfide solid electrolyte of this embodiment is a sulfide solid electrolyte in which a part of S (sulfur) is defective, and it is presumed that S defects are generated in the non-bridging anion sites of the aldilodite type crystal structure. The presence of the defect reduces the amount of lithium in the argilodite type crystal structure, facilitates lithium diffusion, and provides high ionic conductivity.
- the rotational speed may be several tens to several hundreds of revolutions / minute, and the treatment may be performed for 0.5 hours to 100 hours. More specifically, in the planetary ball mill (manufactured by Fritsch: Model No. P-7) used in the examples of the present application, the rotational speed of the planetary ball mill is preferably 350 rpm or more and 400 rpm or less, more preferably 360 rpm or more and 380 rpm or less. For example, when a zirconia ball is used as the grinding media, the diameter is preferably 0.2 to 20 mm.
- the intermediate produced by pulverization and mixing is heat-treated in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon.
- the heat treatment temperature is preferably 350 to 650 ° C, more preferably 400 to 550 ° C.
- the raw material mixture is fired under a hydrogen sulfide stream.
- heat treatment can be performed in the absence of hydrogen sulfide.
- These raw materials are reacted by applying mechanical stress to form an intermediate, and then heat-treated in the absence of hydrogen sulfide as described above to satisfy the above formulas (1) to (3).
- a sulfide solid electrolyte can be obtained.
- the sulfide solid electrolyte of the present embodiment satisfying the above formulas (1) to (3) can also be obtained by adjusting the type and molar ratio of the input raw materials.
- phosphorous pentasulfide P 2 S 5
- P 2 S 3 phosphorous trisulfide
- sulfur is relatively reduced from the stoichiometric ratio calculated from three raw materials of Li 2 S, P 2 S 5 , and LiX.
- the sulfide solid electrolyte of this embodiment can be used for a solid electrolyte layer such as a lithium ion secondary battery, a positive electrode, a negative electrode, and the like.
- the electrode mixture according to an embodiment of the present invention includes the above-described sulfide solid electrolyte of the present invention and an active material. Or it manufactures with the sulfide solid electrolyte of this invention.
- a negative electrode active material is used as the active material, a negative electrode mixture is obtained.
- a positive electrode active material is used, it becomes a positive electrode mixture.
- a negative electrode compound material is obtained by mix
- the negative electrode active material for example, a carbon material, a metal material, or the like can be used. Among these, a complex composed of two or more kinds can also be used. Moreover, a negative electrode active material developed in the future can also be used. Moreover, it is preferable that the negative electrode active material has electronic conductivity.
- Examples of carbon materials include graphite (eg, artificial graphite), graphite carbon fiber, resin-fired carbon, pyrolytic vapor-grown carbon, coke, mesocarbon microbeads (MCMB), furfuryl alcohol resin-fired carbon, polyacene, pitch-based carbon. Examples thereof include fibers, vapor-grown carbon fibers, natural graphite, and non-graphitizable carbon.
- Examples of the metal material include simple metals, alloys, and metal compounds. Examples of the metal simple substance include metal silicon, metal tin, metal lithium, metal indium, and metal aluminum. Examples of the alloy include an alloy containing at least one of silicon, tin, lithium, indium, and aluminum. Examples of the metal compound include metal oxides. Examples of the metal oxide include silicon oxide, tin oxide, and aluminum oxide.
- an electrical capacity will become small.
- the negative electrode active material has electronic conductivity and does not contain a conductive aid or contains only a small amount of a conductive aid, the electronic conductivity (electron conduction path) in the negative electrode is reduced, and the rate It is considered that there is a possibility that the characteristics may be lowered, or the utilization rate of the negative electrode active material may be reduced, and the electric capacity may be reduced.
- the content of the negative electrode active material in the negative electrode mixture is too large, the ion conductivity (ion conduction path) in the negative electrode is lowered, the rate characteristics may be lowered, the utilization rate of the negative electrode active material is lowered, and We think that capacity may decrease.
- the negative electrode mixture can further contain a conductive additive.
- a conductive additive When the negative electrode active material has low electronic conductivity, it is preferable to add a conductive additive.
- the conductive auxiliary agent only needs to have conductivity, and its electronic conductivity is preferably 1 ⁇ 10 3 S / cm or more, more preferably 1 ⁇ 10 5 S / cm or more.
- conductive aids are preferably carbon materials, nickel, copper, aluminum, indium, silver, cobalt, magnesium, lithium, chromium, gold, ruthenium, platinum, beryllium, iridium, molybdenum, niobium, osnium, rhodium, A substance containing at least one element selected from the group consisting of tungsten and zinc, and more preferably a carbon simple substance having a high conductivity, or a carbon material other than simple carbon; nickel, copper, silver, cobalt, magnesium, lithium, ruthenium , Gold, platinum, niobium, osnium or rhodium, simple metals, mixtures or compounds.
- carbon materials include carbon blacks such as ketjen black, acetylene black, denka black, thermal black, and channel black; graphite, carbon fiber, activated carbon, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Is possible. Among these, acetylene black, denka black, and ketjen black having high electron conductivity are preferable.
- the content of the conductive additive in the mixed material is preferably 1 to 40% by mass, more preferably 2 to 20% by mass. If the content of the conductive additive is too small, the electron conductivity of the negative electrode may be reduced to lower the rate characteristics, and the utilization rate of the negative electrode active material may be reduced, resulting in a decrease in electric capacity.
- the quantity of a negative electrode active material and / or the quantity of a solid electrolyte will decrease. It is estimated that the electric capacity decreases when the amount of the negative electrode active material decreases. Further, when the amount of the solid electrolyte is reduced, it is considered that the ion conductivity of the negative electrode is lowered, the rate characteristics may be lowered, the utilization rate of the negative electrode active material is lowered, and the electric capacity may be lowered.
- Binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-containing resins such as fluorine rubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), and sulfonation.
- PTFE polytetrafluoroethylene
- PVDF polyvinylidene fluoride
- fluorine-containing resins such as fluorine rubber
- thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene
- EPDM ethylene-propylene-diene rubber
- SBR aqueous dispersion of cellulose or styrene butadiene rubber
- the negative electrode mixture can be produced by mixing a solid electrolyte, a negative electrode active material, and an optional conductive additive and / or binder.
- the mixing method is not limited, for example, mortar, ball mill, bead mill, jet mill, planetary ball mill, vibration ball mill, sand mill, dry mixing for mixing using a cutter mill; and, after dispersing raw materials in an organic solvent, Mixing using a ball mill, a bead mill, a planetary ball mill, a vibrating ball mill, a sand mill, and a fill mix, followed by wet mixing for removing the solvent can be applied. Among these, wet mixing is preferable in order not to destroy the negative electrode active material particles.
- a positive electrode mixture is obtained by mix
- the positive electrode active material is a material capable of inserting and removing lithium ions, and those known as positive electrode active materials in the battery field can be used. Moreover, the positive electrode active material developed in the future can also be used.
- Examples of the positive electrode active material include metal oxides and sulfides.
- the sulfide includes a metal sulfide and a nonmetal sulfide.
- the metal oxide is, for example, a transition metal oxide.
- V 2 O 5 , V 6 O 13 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li (Ni a Co b Mn c ) O 2 (where 0 ⁇ a ⁇ 1, 0 ⁇ b ⁇ 1, 0 ⁇ c ⁇ 1, a + b + c 1), LiNi 1-Y Co Y 2 O 2 , LiCo 1-Y Mn Y 2 O 2 , LiNi 1-Y Mn Y 2 O 2 (where 0 ⁇ Y ⁇ 1), Li (Ni a Co b Mn c ) O 4 (0 ⁇ a ⁇ 2, 0 ⁇ b ⁇ 2, 0 ⁇ c ⁇ 2, a + b +
- metal sulfide examples include titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), iron sulfide (FeS, FeS 2 ), copper sulfide (CuS), and nickel sulfide (Ni 3 S 2 ).
- metal oxide examples include bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) and bismuth leadate (Bi 2 Pb 2 O 5 ).
- non-metal sulfides include organic disulfide compounds and carbon sulfide compounds.
- niobium selenide (NbSe 3 ) metal indium, and sulfur can also be used as the positive electrode active material.
- the positive electrode mixture may further contain a conductive additive.
- the conductive auxiliary agent is the same as the negative electrode mixture.
- the blending ratio of the solid electrolyte and the positive electrode active material of the positive electrode mixture, the content of the conductive additive, and the method for producing the positive electrode mixture are the same as those of the negative electrode mixture described above.
- the lithium ion battery which concerns on one Embodiment of this invention contains at least 1 among the sulfide solid electrolyte and electrode compound material of this invention mentioned above. Or it manufactures with at least 1 among the sulfide solid electrolyte of this invention, and an electrode compound material.
- the configuration of the lithium ion battery is not limited, but generally has a structure in which a negative electrode layer, an electrolyte layer, and a positive electrode layer are laminated in this order.
- each layer of the lithium ion battery will be described.
- Negative electrode layer The negative electrode layer is preferably a layer produced from the negative electrode mixture of the present invention.
- the negative electrode layer is preferably a layer containing the negative electrode mixture of the present invention.
- the thickness of the negative electrode layer is preferably from 100 nm to 5 mm, more preferably from 1 ⁇ m to 3 mm, and even more preferably from 5 ⁇ m to 1 mm.
- a negative electrode layer can be manufactured by a well-known method, for example, can be manufactured by the apply
- the electrolyte layer is a layer containing a solid electrolyte or a layer manufactured from a solid electrolyte.
- the solid electrolyte is not limited, but is preferably the sulfide solid electrolyte of the present invention.
- the electrolyte layer may consist only of a solid electrolyte, and may further contain a binder.
- the binder the same binder as that for the negative electrode mixture of the present invention can be used.
- the thickness of the electrolyte layer is preferably 0.001 mm or more and 1 mm or less.
- the solid electrolyte of the electrolyte layer may be fused. Fusion means that a part of the solid electrolyte particles is dissolved and the dissolved part is integrated with other solid electrolyte particles.
- the electrolyte layer may be a solid electrolyte plate, and the plate includes a case where a part or all of the solid electrolyte particles are dissolved to form a plate.
- the electrolyte layer can be manufactured by a known method, and can be manufactured by, for example, a coating method or an electrostatic method (an electrostatic spray method, an electrostatic screen method, or the like).
- Positive electrode layer is a layer containing a positive electrode active material, Preferably it is a layer containing the positive electrode compound material of this invention, or the layer manufactured from the positive electrode compound material of this invention.
- the thickness of the positive electrode layer is preferably 0.01 mm or more and 10 mm or less.
- a positive electrode layer can be manufactured by a well-known method, for example, can be manufactured by the apply
- the lithium ion battery of the present embodiment preferably further includes a current collector.
- the negative electrode current collector is provided on the side of the negative electrode layer opposite to the electrolyte layer side
- the positive electrode current collector is provided on the side of the positive electrode layer opposite to the electrolyte layer side.
- a plate or foil made of copper, magnesium, stainless steel, titanium, iron, cobalt, nickel, zinc, aluminum, germanium, indium, lithium, or an alloy thereof can be used.
- the lithium ion battery of this embodiment can be manufactured by bonding and joining the above-described members.
- a method of joining there are a method of laminating each member, pressurizing and pressure bonding, a method of pressing through two rolls (roll to roll), and the like.
- the lithium ion battery of this embodiment can be manufactured also by forming each member mentioned above sequentially. It can be manufactured by a known method, for example, it can be manufactured by a coating method or an electrostatic method (electrostatic spray method, electrostatic screen method, etc.).
- the evaluation method is as follows.
- (1) Ion conductivity measurement and electronic conductivity measurement The sulfide solid electrolyte produced in each example was filled in a tablet molding machine, and a pressure of 407 MPa (press display value 22 MPa) was applied using a mini-press machine. did. Carbon was placed on both sides of the molded body as an electrode, and pressure was again applied with a tablet molding machine to prepare a molded body for measurement (diameter of about 10 mm, thickness of 0.1 to 0.2 cm). The ion conductivity of this molded body was measured by AC impedance measurement. The conductivity value was a value at 25 ° C.
- the ion conductivity measurement method used in this example cannot be measured because the ion conductivity cannot be accurately measured when the ion conductivity is less than 1.0 ⁇ 10 ⁇ 6 S / cm. It was. Further, the electronic conductivity of this molded body was measured by direct current electric measurement. The value at 25 ° C. was used for the value of electron conductivity. When the electron conductivity when a voltage of 5 V was applied was less than 1.0 ⁇ 10 ⁇ 6 S / cm, the electron conductivity was not measurable.
- Tube voltage 45kV
- Tube current 200 mA
- Optical system Parallel beam method
- Slit configuration Solar slit 5 °, entrance slit 1 mm, light receiving slit 1 mm
- the XRD analysis program JADE JADE is used, the baseline is drawn by cubic approximation, and the peak The position was determined.
- the two peak intensities of the PS 4 crystal structure were analyzed by the following procedure, and the intensity ratio was calculated. Smoothing was performed by moving average of five points of measured data, and the lowest intensity point between 16.5 and 17.5 deg was subtracted from the measured data as a background. Thereafter, the maximum value of the actual measurement data between the maximum values of the actual measurement data of 17.0 to 17.8 deg and 17.9 to 18.5 deg is calculated, and the smaller peak intensity is the peak intensity of the Li 3 PS 4 crystal structure. Used as. In addition, the peak intensity of the aldilodite crystal structure was calculated using the maximum value of actually measured data of 29.0 to 32.0 deg as the peak intensity.
- ICP Measurement The sulfide solid electrolyte powder produced in each example was weighed and collected in a vial in an argon atmosphere. A KOH alkaline aqueous solution was placed in a vial, and the sample was dissolved while paying attention to the collection of sulfur, and diluted appropriately to obtain a measurement solution. This was measured with a Paschenrunge type ICP-OES apparatus (SPECTRO ARCOS manufactured by SPECTRO) to determine the composition.
- the calibration curve solutions were prepared using Li, P, and S for 1000 mg / L standard solution for ICP measurement, Cl and Br for 1000 mg / L standard solution for ion chromatography, and I for potassium iodide (special grade reagent). . Two measurement solutions were prepared for each sample, five measurements were performed on each measurement solution, and an average value was calculated. The composition was determined by averaging the measured values of the two measurement solutions.
- Example 1 Using lithium sulfide (purity 98.5%), diphosphorus pentasulfide (Thermophos, purity 99.9% or more) and lithium chloride (Sigma Aldrich, purity 99%) produced in Production Example 1 as starting materials (Hereinafter, in all examples, the purity of each starting material is the same). Lithium sulfide (Li2S), mol ratio of phosphorus pentasulfide (P2 S5) and lithium chloride (LiCl) (Li 2 S: P 2 S 5: LiCl) 46.8: 12.7: so that 40.5 Each raw material was mixed. Specifically, 0.483 g of lithium sulfide, 0.632 g of diphosphorus pentasulfide, and 0.385 g of lithium chloride were mixed to obtain a raw material mixture.
- Li2S Lithium sulfide
- P2 S5 mol ratio of phosphorus pentasulfide
- LiCl lithium chloride
- the raw material mixture and 30 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm were placed in a planetary ball mill (Fritsch: Model No. P-7) zirconia pot (45 mL) and completely sealed. The inside of the pot was an argon atmosphere.
- a planetary ball mill was used for 60 hours (mechanical milling) at a rotation speed of 370 rpm to obtain a glassy powder (intermediate).
- the result evaluated by XRD is shown in FIG. It was confirmed that most of the obtained XRD pattern was glass.
- the XRD data of the intermediate only the peaks of Li 2 S and LiCl, which are raw materials, were observed.
- a Tamman tube (PT2, manufactured by Tokyo Glass Equipment Co., Ltd.) in a glove box under an Ar atmosphere, and the mouth of the Tamman tube is closed with quartz wool.
- the container was sealed to prevent air from entering. Thereafter, the sealed container was placed in an electric furnace (FUW243PA, manufactured by Advantech) and heat-treated. Specifically, the temperature was raised from room temperature to 500 ° C. at 2.5 ° C./min (heated to 500 ° C. in 3 hours) and held at 500 ° C. for 8 hours. Thereafter, it was gradually cooled to obtain a sulfide solid electrolyte.
- the ionic conductivity ( ⁇ ) of the sulfide solid electrolyte was 6.9 mS / cm.
- the electron conductivity was less than 10 ⁇ 6 S / cm.
- the sulfide solid electrolyte was analyzed by ICP and the molar ratio of each element was measured. The results are shown in Table 1.
- Example 3 A sulfide solid electrolyte was prepared and evaluated in the same manner as in Example 2 except that the raw material composition, mechanical milling conditions, and intermediate heat treatment conditions were changed as shown in Table 2. The results are shown in Table 1.
- 2 ⁇ 15.1, 18.0, 25.4, 29.9, 31.3, 44.9, and 47.8 deg are derived from the argilodite crystal structure. A peak was observed. On the other hand, no peak derived from the Li 3 PS 4 crystal structure was observed.
- Comparative Example 7 The molar ratio of lithium sulfide (Li 2 S), diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) and lithium chloride (LiCl) used in Example 1 (Li 2 S: P 2 S 5 : LiCl) was 1.9: Each raw material was mixed so that it might be set to 0.5: 1.6. The raw material mixture and 30 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm were placed in a planetary ball mill (Fritsch: Model No. P-7) zirconia pot (45 mL) and completely sealed. The inside of the pot was an argon atmosphere.
- the mixed powder was obtained by mixing with a planetary ball mill to such an extent that the crystallinity of the raw material powder could be maintained.
- the XRD pattern of the obtained mixed powder is shown in FIG. In the obtained XRD pattern, peaks of Li 2 S, P 2 S 5 , and LiCl, which are raw materials, were confirmed, and the crystallinity of the raw material powder was maintained.
- Approx. 1.5 g of the above mixed powder was packed in a glass tube with a sealing function in a glove box under an Ar atmosphere, and the tip of the glass tube was sealed with a special jig so as not to enter the atmosphere. Thereafter, the glass tube was set in an electric furnace. A dedicated jig was inserted into a joint in the electric furnace, connected to a gas flow pipe, and heat treated while flowing hydrogen sulfide at 20 mL / min. Specifically, the temperature was raised from room temperature to 500 ° C. at a rate of 2.5 ° C./min (heated to 500 ° C. over 3 hours) and held at 500 ° C. for 4 hours. Thereafter, it was gradually cooled to obtain a sulfide solid electrolyte.
- Example 16 In addition to lithium sulfide (Li 2 S), diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and lithium chloride (LiCl), which are raw materials used in Example 1, lithium iodide (LiI: Sigma-Aldrich, purity 99) %) was used as a raw material. Each raw material was mixed so that the molar ratio of these raw materials (Li 2 S: P 2 S 5 : LiCl: LiI) was 46.8: 12.7: 38.0: 2.5.
- the molar ratio a (Li / P) was 5.38
- the molar ratio b (S / P) was 4.36
- the molar ratio c ((Cl + I) / P) was 1.70.
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Abstract
Description
現在市販されているリチウムイオン電池は、可燃性の有機溶媒を含む電解液が使用されているため、短絡時の温度上昇を抑える安全装置の取り付けや短絡防止のための構造・材料面での改善が必要となる。これに対し、電解液を固体電解質に変えて、電池を全固体化したリチウムイオン電池は、電池内に可燃性の有機溶媒を用いないので、安全装置の簡素化が図れ、製造コストや生産性に優れると考えられている。
アルジロダイト結晶構造は、安定性が高い結晶であり、また、イオン伝導度の高いものも存在する。しかしながら、量産化可能な製造方法の開発やイオン伝導度のさらなる改善が求められている。
硫黄を除くカルコゲン元素及びハロゲン元素からなる群より選択される1種以上の元素Xと、を含み、
アルジロダイト型結晶構造を含み、
前記リチウムのリンに対するモル比a(Li/P)、前記硫黄のリンに対するモル比b(S/P)及び前記元素Xのリンに対するモル比c(X/P)が、下記式(1)~(3)を満たす、硫化物固体電解質が提供される。
5.0≦a≦7.1 (1)
1.0<a-b≦1.5 (2)
6.5≦a+c<7.1 (3)
(式中、b>0且つc>0を満たす。)
5.0≦a≦7.1 (1)
1.0<a-b≦1.5 (2)
6.5≦a+c<7.1 (3)
(式中、b>0且つc>0を満たす。)
式(2)の1.0<a-b≦1.5は、1.0<1-α<≦1.5となり、さらに式を変形すると-0.5≦α<0となる。即ち、本実施形態の硫化物固体電解質は、一般的なアルジロダイト結晶を含む硫化物固体電解質よりも、S(硫黄)の一部が欠陥した硫化物固体電解質である。
また、ハロゲン元素としては、F、Cl、Br、I等が挙げられる。
上記式(2)は、1.0<a-b≦1.4であることが好ましく、1.0<a-b≦1.3であることがより好ましい。
上記式(3)は、6.7≦a+c<7.1であると好ましく、6.85≦a+c<7.1であるとより好ましい。
本実施形態の硫化物固体電解質では、上記式(1)、上記式(2)が1.0<a-b≦1.5および上記式(3)が6.5≦a+c<7.1の場合には、イオン伝導度が5.1mS/cm以上である。上記式(1)、上記式(2)が1.0<a-b≦1.4および上記式(3)が6.7≦a+c<7.1の場合には、イオン伝導度が5.8mS/cm以上と、より高くすることができる。さらに、上記式(1)、上記式(2)が1.0<a-b≦1.3および上記式(3)が6.85≦a+c<7.1の場合には、イオン伝導度が6.9mS/cm以上と、さらに高くすることができる。
各元素のモル比は、原料における各元素の含有量を調製することにより制御できる。
X1:F、Cl、O
X2:Br
X3:I、Se、Te
元素Xにおいて、元素X1の占めるモル比が最も大きい場合、上記式(1)は、5.2≦a≦6.5であることが好ましく、5.25≦a≦6.4であることがより好ましい。また、元素Xにおいて、元素X2の占めるモル比が最も大きい場合、上記式(1)は、5.2≦a≦6.8であることが好ましく、5.3≦a≦6.6であることがより好ましい。また、元素Xにおいて、元素X3の占めるモル比が最も大きい場合、上記式(1)は、5.5≦a≦7.0であることが好ましく、5.5≦a≦6.8であることがより好ましい。
上記リンは硫化物固体電解質の骨格構造を構成する元素である。
本実施形態の硫化物固体電解質は、例えば、CuKα線を使用した粉末X線回折測定において、2θ=25.2±0.5deg及び29.7±0.5degに回折ピークを有することにより、アルジロダイト型結晶構造を有していると判断できる。2θ=25.2±0.5deg及び29.7±0.5degの回折ピークは、アルジロダイト型結晶構造に由来するピークである。アルジロダイト型結晶構造は、PS4 3-を主たる骨格の単位構造とし、その周辺にリチウム元素(Li)で囲まれた硫黄元素(S)やハロゲン元素(X)が配置されている構造である。
アルジロダイト型結晶構造の回折ピークは、例えば、2θ=15.3±0.5deg、17.7±0.5deg、31.1.±0.5deg、44.9±0.5deg、47.7±0.5degにも現れることがある。本実施形態の硫化物固体電解質は、これらのピークを有していてもよい。
Lia(P1-zMz)SbXc (4)
(式中、Mは、Si、Ge、Sn、Pb、B、Al、Ga、As、Sb及びBiからなる群より選択される1以上の元素であり、Xは、F、Cl、Br、I、O、Se及びTeからなる群から選択される1以上の元素である。a~cは上記式(1)~(3)を満たす。zは0≦z≦0.3である。)
zは0が好ましい。
0<IA/IB<0.05 (5)
(式中、IAは2θ=17.6±0.4deg及び2θ=18.1±0.4degのうちアルジロダイト型結晶構造の回折ピークではないものの回折ピークの強度を表し、IBは2θ=29.7±0.5degの回折ピークの強度を表す。)
なお、2θ=17.6±0.4deg及び2θ=18.1±0.4degのいずれかは、通常、比較的ピーク強度の強いアルジロダイト型結晶構造の回折ピークと重なるため測定できない場合がある。従って、2θ=17.6±0.4deg及び2θ=18.1±0.4degのうちアルジロダイト型結晶構造の回折ピークではないものとは、通常、観測されるこれら2つのピークのうち強度の弱い方を意味する。
上記硫化リチウムは、制限なく使用できるが、高純度のものが好ましい。硫化リチウムは、例えば、特開平7-330312号公報、特開平9-283156号公報、特開2010-163356号公報、特開2011-84438号公報に記載の方法により製造することができる。
具体的には、炭化水素系有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを70℃~300℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成できる(特開2010-163356号公報)。
また、水溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを10℃~100℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成できる(特開2011-84438号公報)。
Ml-Xm (6)
Xは、フッ素(F)、塩素(Cl)、臭素(Br)、及びヨウ素(I)から選択されるハロゲン元素である。
また、lは1又は2の整数であり、mは1~10の整数である。mが2~10の整数の場合、すなわち、Xが複数存在する場合は、Xは同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、後述するSiBrCl3は、mが4であって、XはBrとClという異なる元素からなるものである。
ハロゲン化合物は、上記の化合物の中から一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。すなわち上記の化合物の少なくとも1つを用いることができる。また、この場合において、ハロゲン元素は、上記のハロゲン元素の中から一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
従来技術(例えば、特許文献2等)では、原料粉末の結晶性を維持できる程度に粉砕混合している。一方、本実施形態では原料に機械的応力を加えて反応させ、ガラス成分を含む中間体とすることが好ましい。すなわち、従来技術よりも強い機械的応力により、原料粉末の少なくとも一部が結晶性を維持できない状態まで粉砕混合する。これにより、中間体の段階でアルジロダイト型結晶構造の基本骨格であるPS4構造を生じさせ、かつ、ハロゲンを高分散させることができる。その結果、次工程の熱処理時に、安定相であるアルジロダイト型結晶構造となる際に、ハロゲンがアルジロダイト型結晶構造に取り込まれ易くなる。また、領域毎に異なる相を経ないため、Li3PS4結晶構造等の低イオン伝導相が生じにくいと推定している。これにより、本実施形態の硫化物固体電解質は高いイオン伝導度を発現すると推定している。
尚、中間体がガラス(非晶質)成分を含むことは、XRD測定において非晶質成分に起因するブロードなピーク(ハローパターン)の存在により確認できる。
また、本実施形態の硫化物固体電解質は、特許文献1のように原料を550℃で6日間も加熱する必要はないため、量産性が高い。
ガラス成分を含む中間体を製造し、原子レベルで材料を混ぜ合わせることで、ガラス成分を含む中間体の熱処理中において、Sが飛ぶこと無く、未反応ハロゲン化リチウムの残存も生じず、低伝導相の析出を防ぐことができる。
粉砕メディアであるボールは、例えば、ジルコニア製ボールを使用した場合、その直径は0.2~20mmが好ましい。
従来技術(例えば、特許文献2~5)では、硫化水素気流下で原料混合物を焼成している。これにより、焼成時に硫黄が補完されるため、加熱による硫黄欠損が抑制されると考える。一方、本実施形態では硫化水素不存在下で熱処理することができる。この場合、従来技術の固体電解質よりも硫黄の含有量が少なくなり、結晶構造中に硫黄の欠損が生じることでイオン伝導度の高い硫化物固体電解質が得られると考えている。
また、投入原料の種類やモル比を調整することによっても、上記式(1)~(3)を満たす本実施形態の硫化物固体電解質を得ることが可能である。例えば、硫化リンを使用する場合に、五硫化二リン(P2S5)の一部又は全部を三硫化二リン(P2S3)とすることが挙げられる。その他、リン源として単体リン(P)を用いることや、リチウム源として金属リチウム(Li)を用いることなどが考えられる。いずれも、Li2S、P2S5、LiXの3つの原料から計算される量論比から、相対的に硫黄を少なくするものである。
本発明の一実施形態に係る電極合材は、上述した本発明の硫化物固体電解質と、活物質を含む。又は、本発明の硫化物固体電解質により製造される。活物質として負極活物質を使用すると負極合材となる。一方、正極活物質を使用すると正極合材となる。
本発明の硫化物固体電解質に負極活物質を配合することにより負極合材が得られる。
負極活物質としては、例えば、炭素材料、金属材料等を使用することができる。これらのうち2種以上からなる複合体も使用できる。また、今後開発される負極活物質も使用することができる。
また、負極活物質は電子伝導性を有していることが好ましい。
炭素材料としては、グラファイト(例えば、人造黒鉛)、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛及び難黒鉛化性炭素等が挙げられる。
金属材料としては、金属単体、合金、金属化合物が挙げられる。当該金属単体としては、金属ケイ素、金属スズ、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミニウムが挙げられる。当該合金としては、ケイ素、スズ、リチウム、インジウム及びアルミニウムのうち少なくとも1つを含む合金が挙げられる。当該金属化合物としては、金属酸化物が挙げられる。金属酸化物は、例えば酸化ケイ素、酸化スズ、酸化アルミニウムである。
負極合材における負極活物質の含有量が少なすぎると電気容量が小さくなる。また、負極活物質が電子伝導性を有し、導電助剤を含まないか、又は少量の導電助剤しか含まない場合には、負極内の電子伝導性(電子伝導パス)が低下し、レート特性が低くなるおそれや、負極活物質の利用率が下がり、電気容量が低下するおそれがあると考える。一方、負極合材における負極活物質の含有量が多すぎると、負極内のイオン伝導性(イオン伝導パス)が低下し、レート特性が低くなるおそれや、負極活物質の利用率が下がり、電気容量が低下するおそれがあると考える。
負極活物質の電子伝導性が低い場合には、導電助剤を添加することが好ましい。導電助剤は、導電性を有していればよく、その電子伝導度は、好ましくは1×103S/cm以上であり、より好ましくは1×105S/cm以上である。
導電助剤の具体例としては、好ましくは炭素材料、ニッケル、銅、アルミニウム、インジウム、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、クロム、金、ルテニウム、白金、ベリリウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、オスニウム、ロジウム、タングステン及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも1つの元素を含む物質であり、より好ましくは導電性が高い炭素単体、炭素単体以外の炭素材料;ニッケル、銅、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、ルテニウム、金、白金、ニオブ、オスニウム又はロジウムを含む金属単体、混合物又は化合物である。
なお、炭素材料の具体例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等のカーボンブラック;黒鉛、炭素繊維、活性炭等が挙げられ、これらは単独でも2種以上でも併用可能である。なかでも、電子伝導性が高いアセチレンブラック、デンカブラック、ケッチェンブラックが好適である。
結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、あるいはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン-プロピレン-ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。
混合方法は限定されないが、例えば、乳鉢、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル、遊星ボールミル、振動ボールミル、サンドミル、カッターミルを用いて混合する乾式混合;及び有機溶媒中に原料を分散させた後に、乳鉢、ボールミル、ビーズミル、遊星ボールミル、振動ボールミル、サンドミル、フィルミックスを用いて混合し、その後溶媒を除去する湿式混合を適用することができる。これらのうち、負極活物質粒子を破壊しないために湿式混合が好ましい。
本発明の固体電解質に正極活物質を配合することにより正極合材が得られる。
正極活物質は、リチウムイオンの挿入脱離が可能な物質であり、電池分野において正極活物質として公知のものが使用できる。また、今後開発される正極活物質も使用することができる。
金属酸化物は、例えば遷移金属酸化物である。具体的には、V2O5、V6O13、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、Li(NiaCobMnc)O2(ここで、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1)、LiNi1-YCoYO2、LiCo1-YMnYO2、LiNi1-YMnYO2(ここで、0≦Y<1)、Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2、0<b<2、0<c<2、a+b+c=2)、LiMn2-ZNiZO4、LiMn2-ZCoZO4(ここで、0<Z<2)、LiCoPO4、LiFePO4、CuO、Li(NiaCobAlc)O2(ここで、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1)等が挙げられる。
金属硫化物としては、硫化チタン(TiS2)、硫化モリブデン(MoS2)、硫化鉄(FeS、FeS2)、硫化銅(CuS)及び硫化ニッケル(Ni3S2)等が挙げられる。
その他、金属酸化物としては、酸化ビスマス(Bi2O3)、鉛酸ビスマス(Bi2Pb2O5)等が挙げられる。
非金属硫化物としては、有機ジスルフィド化合物、カーボンスルフィド化合物等が挙げられる。
上記の他、セレン化ニオブ(NbSe3)、金属インジウム、硫黄も正極活物質として使用できる。
導電助剤は、負極合材と同様である。
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン電池は、上述した本発明の硫化物固体電解質及び電極合材のうち少なくとも1つを含む。又は、本発明の硫化物固体電解質及び電極合材のうち少なくとも1つにより製造される。
リチウムイオン電池の構成は限定されないが、一般に、負極層、電解質層及び正極層をこの順に積層した構造を有する。以下、リチウムイオン電池の各層について説明する。
負極層は、好ましくは本発明の負極合材から製造される層である。
又は、負極層は、好ましくは本発明の負極合材を含む層である。
負極層の厚さは、100nm以上5mm以下が好ましく、1μm以上3mm以下がより好ましく、5μm以上1mm以下がさらに好ましい。
負極層は公知の方法により製造することができ、例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。
電解質層は、固体電解質を含む層又は固体電解質から製造された層である。当該固体電解質は限定されないが、好ましくは本発明の硫化物固体電解質である。
電解質層は、固体電解質のみからなってもよく、さらにバインダーを含んでもよい。当該バインダーとしては、本発明の負極合材の結着剤と同じものが使用できる。
電解質層の固体電解質は、融着していてもよい。融着とは、固体電解質粒子の一部が溶解し、溶解した部分が他の固体電解質粒子と一体化することを意味する。また、電解質層は、固体電解質の板状体であってもよく、当該板状体は、固体電解質粒子の一部又は全部が溶解し、板状体になっている場合も含む。
電解質層は、公知の方法により製造することができ、例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。
正極層は、正極活物質を含む層であり、好ましくは本発明の正極合材を含む層又は本発明の正極合材から製造された層である。
正極層の厚さは、0.01mm以上10mm以下であることが好ましい。
正極層は、公知の方法により製造することができ、例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。
本実施形態のリチウムイオン電池は、好ましくは集電体をさらに備える。例えば負極集電体は負極層の電解質層側とは反対側に、正極集電体は正極層の電解質層側とは反対側に設ける。
集電体として、銅、マグネシウム、ステンレス鋼、チタン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、アルミニウム、ゲルマニウム、インジウム、リチウム、又はこれらの合金等からなる板状体や箔状体等が使用できる。
また、接合面にイオン伝導性を有する活物質や、イオン伝導性を阻害しない接着物質を介して接合してもよい。
接合においては、固体電解質の結晶構造が変化しない範囲で加熱融着してもよい。
また、本実施形態のリチウムイオン電池は、上述した各部材を順次形成することでも製造できる。公知の方法により製造することができ、例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。
なお、評価方法は以下のとおりである。
(1)イオン伝導度測定と電子伝導性測定
各例で製造した硫化物固体電解質を、錠剤成形機に充填し、ミニプレス機を用いて407MPa(プレス表示値22MPa)の圧力を加え成形体とした。電極としてカーボン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、測定用の成形体(直径約10mm、厚み0.1~0.2cm)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を測定した。伝導度の値は25℃における数値を採用した。
なお、本実施例で用いたイオン伝導度の測定方法では、イオン伝導度が1.0×10-6S/cm未満の場合には、イオン伝導度を正確に測ることができないため、測定不能とした。
また、この成形体について直流電気測定により電子伝導度を測定した。電子伝導度の値は25℃における数値を採用した。なお、5Vの電圧を印加したときの電子伝導度が1.0×10-6S/cm未満の場合、電子伝導性は測定不能とした。
各例で製造した硫化物固体電解質の粉末から、直径10mm、高さ0.1~0.3cmの円形ペレットを成形して試料とした。この試料を、XRD用気密ホルダーを用いて空気に触れさせずに測定した。回折ピークの2θ位置は、XRD解析プログラムJADEを用いて重心法にて決定した。
株式会社リガクの粉末X線回折測定装置SmartLabを用いて以下の条件にて実施した。
管電圧:45kV
管電流:200mA
X線波長:Cu-Kα線(1.5418Å)
光学系:平行ビーム法
スリット構成:ソーラースリット5°、入射スリット1mm、受光スリット1mm
検出器:シンチレーションカウンター
測定範囲:2θ=10-60deg
ステップ幅、スキャンスピード:0.02deg、1deg/分
測定結果より結晶構造の存在を確認するためのピーク位置の解析では、XRD解析プログラムJADEを用い、3次式近似によりベースラインを引いて、ピーク位置を求めた。
ピーク強度においては、2θ=29.7±0.5degに存在するアルジロダイト型結晶構造の1本のピーク強度、2θ=17.6±0.4degかつ18.1±0.4degに存在するLi3PS4結晶構造の2本のピーク強度を次の手順で解析し、強度比を計算した。
実測データの5点のデータの移動平均によりスムージングを行い、16.5~17.5degの間の最低強度点をバックグランドとして実測データから差し引いた。その後、17.0~17.8deg及び17.9~18.5degの実測データの最大値間の実測データの最大値を算出し、その小さい方のピーク強度をLi3PS4結晶構造のピーク強度として用いた。また、アルジロダイト型結晶構造のピーク強度は29.0~32.0degの実測データの最大値をピーク強度として算出した。
各例で製造した硫化物固体電解質の粉末を秤量し、アルゴン雰囲気中で、バイアル瓶に採取した。バイアル瓶にKOHアルカリ水溶液を入れ、硫黄分の捕集に注意しながらサンプルを溶解し、適宜希釈、測定溶液とした。これを、パッシェンルンゲ型ICP-OES装置(SPECTRO社製SPECTRO ARCOS)にて測定し、組成を決定した。
検量線溶液は、Li、P、SはICP測定用1000mg/L標準溶液を、Cl、Brはイオンクロマトグラフ用1000mg/L標準溶液を、Iはよう化カリウム(試薬特級)を用いて調製した。
各試料で2つの測定溶液を調整し、各測定溶液で5回の測定を行い、平均値を算出した。その2つの測定溶液の測定値の平均で組成を決定した。
(硫化リチウム(Li2S)の製造)
撹拌機付きの500mLセパラブルフラスコに、不活性ガス下で乾燥したLiOH無水物(本荘ケミカル社製)を200g仕込んだ。窒素気流下にて昇温し、内部温度を200℃に保持した。窒素ガスを硫化水素ガス(住友精化)に切り替え、500mL/minの流量にし、LiOH無水物と硫化水素を反応させた。
反応により発生する水分はコンデンサーにより凝縮して回収した。反応を6時間行った時点で水が144mL回収された。さらに3時間反応を継続したが、水の発生は見られなかった。
生成物粉末を回収して、純度及びXRDを測定した。その結果、純度は98.5%であり、XRDではLi2Sのピークパターンが確認できた。
製造例1で製造した硫化リチウム(純度98.5%)、五硫化二リン(サーモフォス社製、純度99.9%以上)及び塩化リチウム(シグマアルドリッチ社製、純度99%)を出発原料に用いた(以下、全ての実施例において、各出発原料の純度は同様である)。硫化リチウム(Li2S)、五硫化二リン(P2S5)及び塩化リチウム(LiCl)のmol比(Li2S:P2S5:LiCl)が46.8:12.7:40.5となるように、各原料を混合した。具体的には、硫化リチウム0.483g、五硫化二リン0.632g、塩化リチウム0.385gを混合し、原料混合物とした。
上記中間体の粉末約1.5gをAr雰囲気下のグローブボックス内で、タンマン管(PT2,東京硝子機器株式会社製)内に詰め、石英ウールでタンマン管の口を塞ぎ、さらにSUS製の密閉容器で大気が入らないよう封をした。その後、密閉容器を電気炉(FUW243PA、アドバンテック社製)内に入れ熱処理した。具体的には、室温から500℃まで2.5℃/minで昇温し(3時間で500℃に昇温)、500℃で8時間保持した。その後、徐冷し、硫化物固体電解質を得た。
硫化物固体電解質のXRDパターンを図2に示す。2θ=15.5、18.0、25.5、30.0、31.4、45.2、48.0degにアルジロダイト型結晶構造に由来するピークが観測された。一方、17.6±0.4degのLi3PS4結晶構造に由来するピークは観測されなかった。
硫化物固体電解質をICP分析し、各元素のモル比を測定した。結果を表1に示す。
遊星型ボールミルによる処理時間を15時間とした他は、実施例1と同様にして硫化物固体電解質を作製し、評価した。結果を表1に示す。
XRDの測定結果、2θ=15.6、18.0、25.6、30.1、31.5、45.2、48.1degにアルジロダイト型結晶構造に由来するピークが観測された。一方、Li3PS4結晶構造に由来するピークは観測されなかった。
原料組成、メカニカルミリングの条件、及び中間体の熱処理条件をを表2に示すように変更した他は、実施例2と同様にして硫化物固体電解質を作製し、評価した。結果を表1に示す。
なお、XRDの測定結果について、実施例3では、2θ=15.1、18.0、25.4、29.9、31.3、44.9、47.8degにアルジロダイト型結晶構造に由来するピークが観測された。一方、Li3PS4結晶構造に由来するピークは観測されなかった。
比較例1では、2θ=15.5、17.7、25.5、30.0、31.4、44.8、48.0degにアルジロダイト型結晶構造に由来するピークが観測された。一方、Li3PS4結晶構造に由来するピークは観測されなかった。
実施例1で用いた硫化リチウム(Li2S)、五硫化二リン(P2S5)及び塩化リチウム(LiCl)のmol比(Li2S:P2S5:LiCl)が1.9:0.5:1.6となるように、各原料を混合した。
原料混合物と、直径10mmのジルコニア製ボール30gとを遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P-7)ジルコニア製ポット(45mL)に入れ、完全密閉した。ポット内はアルゴン雰囲気とした。遊星型ボールミルで原料粉末の結晶性を維持できる程度に混合し、混合粉末を得た。
得られた混合粉末のXRDパターンを図3に示す。得られたXRDパターンでは、原料であるLi2S、P2S5、LiClのピークが確認でき、原料粉末の結晶性が維持されていた。
実施例1で用いた原料である硫化リチウム(Li2S)、五硫化二リン(P2S5)、及び塩化リチウム(LiCl)に、さらにヨウ化リチウム(LiI:シグマアルドリッチ社製、純度99%)を原料に用いた。これら原料のmol比(Li2S:P2S5:LiCl:LiI)が46.8:12.7:38.0:2.5となるように、各原料を混合した。具体的には、硫化リチウム0.467g、五硫化二リン0.610g、塩化リチウム0.349g、ヨウ化リチウム0.074gを混合し、原料混合物とした。
得られた原料混合物を用いて、実施例1と同じメカニカルミリング条件及び熱処理条件で硫化物固体電解質を作製した。得られた硫化物固体電解質のイオン伝導度(σ)は、5.5mS/cmであった。なお、電子伝導性は10-6S/cm未満であった。
得られた硫化物固体電解質について、XRD測定した結果、アルジロダイト型結晶構造に由来するピークが観測された。
ICP分析の結果、モル比a(Li/P)は5.38、モル比b(S/P)は4.36、モル比c((Cl+I)/P)は1.70であった。
本願のパリ優先の基礎となる日本出願明細書の内容を全てここに援用する。
Claims (8)
- リチウムと、リンと、硫黄と、
硫黄を除くカルコゲン元素及びハロゲン元素からなる群より選択される1種以上の元素Xと、を含み、
アルジロダイト型結晶構造を含み、
前記リチウムのリンに対するモル比a(Li/P)、前記硫黄のリンに対するモル比b(S/P)及び前記元素Xのリンに対するモル比c(X/P)が、下記式(1)~(3)を満たす、硫化物固体電解質。
5.0≦a≦7.1 (1)
1.0<a-b≦1.5 (2)
6.5≦a+c<7.1 (3)
(式中、b>0且つc>0を満たす。) - 下記式(4)で表される組成を満たす、請求項1に記載の硫化物固体電解質。
Lia(P1-zMz)SbXc (4)
(式中、Mは、Si、Ge、Sn、Pb、B、Al、Ga、As、Sb及びBiからなる群より選択される1以上の元素であり、Xは、F、Cl、Br、I、O、Se及びTeからなる群から選択される1以上の元素である。a~cは上記式(1)~(3)を満たす。zは0≦z≦0.3である。) - 前記XがF、Cl、Br及びIから選択される1以上のハロゲン元素である、請求項2に記載の硫化物固体電解質。
- CuKα線を使用した粉末X線回折において、2θ=25.2±0.5deg及び29.7±0.5degに回折ピークを有する、請求項1~3のいずれかに記載の硫化物固体電解質。
- 請求項1~4のいずれかに記載の硫化物固体電解質と、活物質を含む電極合材。
- 請求項1~4のいずれかに記載の硫化物固体電解質及び請求項8に記載の電極合材のうち少なくとも1つを含むリチウムイオン電池。
- 請求項1~4のいずれかに記載の硫化物固体電解質により製造された電極合材。
- 請求項1~4のいずれかに記載の硫化物固体電解質、請求項6に記載の電極合材及び請求項7に記載の電極合材のうち少なくとも1つにより製造されたリチウムイオン電池。
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