JP2008124011A - Lithium ion conductive solid electrolyte sheet, and its manufacturing method - Google Patents

Lithium ion conductive solid electrolyte sheet, and its manufacturing method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion conductive solid electrolyte sheet having high ion conductivity, and to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: The manufacturing method of a crystalline lithium ion conductive solid electrolyte sheet is provided with a glass-like lithium ion conductive solid electrolyte to be formed in a sheet, then or at the same time, to be carried out thermal treatment. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体二次電池等に使用されるリチウムイオン伝導性固体電解質シート及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a lithium ion conductive solid electrolyte sheet used for a solid secondary battery or the like and a method for producing the same.

近年、携帯情報端末、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に用いられる高性能リチウム電池等二次電池の需要が増加している。
使用される用途が広がるのに伴い、二次電池のさらなる安全性の向上及び高性能化が要求されている。
リチウム電池の安全性を確保する方法としては、有機溶媒電解質に代えて無機固体電解質を用いることが有効である。
In recent years, the demand for secondary batteries such as high-performance lithium batteries used in personal digital assistants, portable electronic devices, small household power storage devices, motorcycles powered by motors, electric vehicles, hybrid electric vehicles, etc. has increased. Yes.
As the applications used expand, further improvements in safety and higher performance of secondary batteries are required.
In order to ensure the safety of the lithium battery, it is effective to use an inorganic solid electrolyte instead of the organic solvent electrolyte.

無機固体電解質は、その性質上一般に不燃で、通常使用される有機溶媒電解質と比較し安全性の高い材料である。そのため、該電解質を用いた全固体リチウム電池の高性能化が望まれている。   Inorganic solid electrolytes are generally nonflammable in nature and are safer materials than commonly used organic solvent electrolytes. Therefore, high performance of an all-solid lithium battery using the electrolyte is desired.

例えば特許文献1には、硫化リチウム及び五硫化二リンから製造された結晶成分を含有するリチウムイオン伝導性固体電解質が高いイオン伝導度を示すことが開示されている。
WO2005/078740パンフレット
For example, Patent Document 1 discloses that a lithium ion conductive solid electrolyte containing a crystal component produced from lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide exhibits high ionic conductivity.
WO2005 / 078740 pamphlet

しかし、このような結晶性の固体電解質(粉末)を、電池に固体電解質層として使用するために、シート状又はペレット状に成形した場合、成形物が高いイオン伝導性を発現しない場合があった。
本発明の目的は、高いイオン伝導性を有するリチウムイオン伝導性固体電解質シート及びその製造方法を提供することである。
However, in order to use such a crystalline solid electrolyte (powder) as a solid electrolyte layer in a battery, when the sheet is formed into a sheet or pellet, the molded product may not exhibit high ionic conductivity. .
The objective of this invention is providing the lithium ion conductive solid electrolyte sheet which has high ion conductivity, and its manufacturing method.

本発明によれば、以下のリチウムイオン伝導性固体電解質シート及びその製造方法等が提供される。
1.ガラス状のリチウムイオン伝導性固体電解質を、シート状に成形後熱処理する、又はシート状に成形すると共に熱処理する結晶性のリチウムイオン伝導性固体電解質シートの製造方法。
2.1の製造方法により得られるリチウムイオン伝導性固体電解質シート。
3.正極と、負極と、前記正極及び負極間に挟持された固体電解質層とを有し、
前記固体電解質層が、2のリチウムイオン伝導性固体電解質シートから製造されている固体二次電池。
According to the present invention, the following lithium ion conductive solid electrolyte sheet and method for producing the same are provided.
1. A method for producing a crystalline lithium ion conductive solid electrolyte sheet, wherein a glassy lithium ion conductive solid electrolyte is formed into a sheet and then heat-treated, or formed into a sheet and heat-treated.
A lithium ion conductive solid electrolyte sheet obtained by the production method of 2.1.
3. A positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode,
A solid secondary battery in which the solid electrolyte layer is manufactured from two lithium ion conductive solid electrolyte sheets.

本発明によれば、高いイオン伝導性を有するリチウムイオン伝導性固体電解質シート及びその製造方法が提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the lithium ion conductive solid electrolyte sheet which has high ion conductivity, and its manufacturing method can be provided.

本発明のリチウムイオン伝導性固体電解質シートの製造方法は、ガラス状のリチウムイオン伝導性固体電解質を、シート状に成形後、熱処理して、結晶性のリチウムイオン伝導性固体電解質シートを得る。または、ガラス状のリチウムイオン伝導性固体電解質を、シート状に成形すると共に熱処理して、結晶性のリチウムイオン伝導性固体電解質シートを得る。
シート状の形状は、電池部材として、そのまま、又は切断等して使用できる形状である。
ガラス状電解質の粉末を、シート状に成形し、連続して、熱処理するか、又はシート状に成形すると同時に熱処理するようにすると効率的にシートを製造できる。
In the method for producing a lithium ion conductive solid electrolyte sheet of the present invention, a glassy lithium ion conductive solid electrolyte is formed into a sheet shape and then heat-treated to obtain a crystalline lithium ion conductive solid electrolyte sheet. Alternatively, a glassy lithium ion conductive solid electrolyte is formed into a sheet and heat treated to obtain a crystalline lithium ion conductive solid electrolyte sheet.
The sheet-like shape is a shape that can be used as a battery member as it is or after being cut.
If the glassy electrolyte powder is formed into a sheet and continuously heat-treated, or formed into a sheet and simultaneously heat-treated, a sheet can be produced efficiently.

熱処理の温度は通常150℃〜360℃である。150℃未満では、硫化物系ガラスの場合は、ガラス転移点以下の温度であるため結晶化が進行しにくい。一方、360℃を超えると、後述する特有の結晶構造を有する結晶ガラスが生成されない恐れがある。熱処理温度は200℃〜350℃がより好ましく、250℃〜300℃が特に好ましい。熱処理時間は、結晶が生成する条件であれば特に限定はなく、瞬時であっても長時間であっても構わない。また、熱処理温度までの昇温パターンについても特に限定はない。   The temperature of heat processing is 150 degreeC-360 degreeC normally. Below 150 ° C., in the case of sulfide-based glass, crystallization is unlikely to proceed because the temperature is below the glass transition point. On the other hand, when it exceeds 360 ° C., there is a possibility that a crystal glass having a specific crystal structure described later is not generated. The heat treatment temperature is more preferably 200 ° C to 350 ° C, and particularly preferably 250 ° C to 300 ° C. The heat treatment time is not particularly limited as long as the crystal is generated, and may be instantaneous or long. Moreover, there is no limitation in particular also about the temperature rising pattern to heat processing temperature.

成形方法は、固体電解質をシート状に形成できる方法であればよく、特に限定されない。例えば、プレス成形やロールプレス成形等の成形加工法、ドクターブレードやスクリーン印刷等の塗布法によるシート化法等が挙げられる。
プレス成型等の成形加工法を用いて固体電解質をシート状にする場合、プレス圧力は、0.01MPa〜1000MPa程度が好ましい。その後、上記に記載の温度範囲で熱処理を行いシートを作製するが、加圧してシート状すると同時に熱を加える熱プレス成形等を用いてもよい。
一方、塗布法に用いてシート状にする場合、それに用いる塗料組成物は、主に固体電解質と有機溶剤から構成される。必要に応じて樹脂等の結着剤や増粘剤等を添加してもよい。例えば、ドクターブレード等を用いて塗料組成物を塗布、乾燥し、シート状に形成した後、プレスやロールプレス等によりシート化された固体電解質を圧密化し、上記に記載の温度範囲で熱処理を行う。圧密化と同時に熱処理できる熱プレスや熱ロールプレスを用いてもよい。
有機溶剤としては、固体電解質に悪影響を与えないものであればよく、特に限定されない。好ましい有機溶剤としては、ヘプタン等の炭化水素系やトルエン等の芳香族系が挙げられる。
The forming method is not particularly limited as long as the solid electrolyte can be formed into a sheet shape. For example, a forming method such as press molding or roll press molding, a sheet forming method using a coating method such as doctor blade or screen printing, and the like can be given.
When the solid electrolyte is formed into a sheet using a molding method such as press molding, the press pressure is preferably about 0.01 MPa to 1000 MPa. Thereafter, heat treatment is performed in the temperature range described above to produce a sheet, but hot press molding or the like in which heat is applied at the same time as pressing to form a sheet may be used.
On the other hand, when using it for a coating method and making it into a sheet form, the coating composition used there is mainly composed of a solid electrolyte and an organic solvent. You may add binders, such as resin, a thickener, etc. as needed. For example, after applying the coating composition using a doctor blade or the like, drying and forming into a sheet, the solid electrolyte formed into a sheet by pressing or roll pressing is consolidated, and heat treatment is performed in the temperature range described above . You may use the hot press and hot roll press which can be heat-processed simultaneously with compaction.
The organic solvent is not particularly limited as long as it does not adversely affect the solid electrolyte. Preferred organic solvents include hydrocarbons such as heptane and aromatics such as toluene.

本発明によれば、ガラス状の固体電解質を用いてシート状に成形し、加熱処理することにより、イオン伝導度に優れる結晶性の固体電解質成形体を製造することができる。
このメカニズムは以下のように考えられる。結晶成分を含有する固体電解質と比較して、ガラス状の固体電解質は軟らかいため、プレス等の成形をした場合、固体粒子の界面が融合(あるいは密着)し易い。このため、イオン伝導パスの形成が密となる。このガラス状固体電解質からなる成形体を加熱処理して、結晶成分を形成させてもイオン伝導パスは維持される。また、成形と共に加熱処理しても密のイオン伝導パスが形成され維持される。その結果、結晶成分によるイオン伝導性の向上とあいまって、高イオン伝導性の成形体が形成される。
According to the present invention, a crystalline solid electrolyte molded article having excellent ionic conductivity can be produced by molding into a sheet using a glassy solid electrolyte and heat-treating it.
This mechanism is considered as follows. Since a glassy solid electrolyte is softer than a solid electrolyte containing a crystal component, the interface of solid particles is likely to fuse (or adhere) when formed by pressing or the like. For this reason, the formation of ion conduction paths becomes dense. The ion conduction path is maintained even if the compact made of the glassy solid electrolyte is heat-treated to form a crystal component. In addition, a dense ion conduction path is formed and maintained even when heat treatment is performed together with molding. As a result, in combination with the improvement in ion conductivity due to the crystal component, a molded article having high ion conductivity is formed.

リチウムイオン伝導性固体電解質を構成する物質は、特に限定されず、有機化合物、無機化合物、あるいは有機・無機両化合物からなる材料を用いることができ、リチウムイオン電池分野で公知のものが使用できる。   The substance which comprises a lithium ion conductive solid electrolyte is not specifically limited, The material which consists of an organic compound, an inorganic compound, or both organic and inorganic compounds can be used, A well-known thing can be used in the lithium ion battery field | area.

特に、硫化物系の無機固体電解質は、イオン伝導度が他の無機化合物より高いことが知られており、特開平4−202024等に記載の無機固体電解質を使用できる。具体的には、LiSとSiS、GeS、P、Bの組合せから成る無機固体電解質に、適宜、LiPOやハロゲン、ハロゲン化合物を添加した無機固体電解質を用いることができる。 In particular, sulfide-based inorganic solid electrolytes are known to have higher ionic conductivity than other inorganic compounds, and inorganic solid electrolytes described in JP-A-4-202024 can be used. Specifically, an inorganic solid electrolyte in which Li 3 PO 4 , a halogen, and a halogen compound are appropriately added to an inorganic solid electrolyte composed of a combination of Li 2 S and SiS 2 , GeS 2 , P 2 S 5 , B 2 S 3. Can be used.

本発明に使用するガラス状のリチウムイオン伝導性固体電解質として、リチウムイオン伝導性が高いことから、リチウム・リン硫化物系電解質を用いることが好ましい。リチウム・リン硫化物系電解質は、硫化リチウムと五硫化二燐(P)、又は硫化リチウムと単体燐及び単体硫黄、さらには硫化リチウム、五硫化二燐、単体燐及び/又は単体硫黄から製造できる。 Since the lithium ion conductivity is high as the glassy lithium ion conductive solid electrolyte used in the present invention, it is preferable to use a lithium / phosphorous sulfide based electrolyte. Lithium / phosphorous sulfide-based electrolytes include lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), or lithium sulfide and simple phosphorus and simple sulfur, as well as lithium sulfide, diphosphorus pentasulfide, simple phosphorus and / or simple sulfur. Can be manufactured from.

上記のリチウム・リン硫化物系電解質を製造するための硫化リチウムは、特に制限なく工業的に入手可能なものが使用できるが、高純度のものが好ましい。   As lithium sulfide for producing the above lithium / phosphorous sulfide-based electrolyte, those commercially available without limitation can be used, but those having high purity are preferred.

好ましくは、硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下であり、かつN−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下である。硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%以下であると、溶融急冷法やメカニカルミリング法で得られる固体電解質は、ガラス状電解質(完全非晶質)となる。即ち、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%を越えると、得られる電解質は、最初から結晶化物の恐れがあり、この結晶化物のイオン伝導度は低い。さらに、この結晶化物について熱処理を施しても結晶化物には変化がなく、高イオン伝導度のリチウムイオン伝導性無機固体電解質を得ることはできないおそれがある。   Preferably, the lithium sulfide has a total content of lithium salts of sulfur oxides of 0.15% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or less, and a content of lithium N-methylaminobutyrate of 0.1%. It is 15 mass% or less, More preferably, it is 0.1 mass% or less. When the total content of the lithium salt of sulfur oxide is 0.15% by mass or less, the solid electrolyte obtained by the melt quenching method or the mechanical milling method becomes a glassy electrolyte (fully amorphous). That is, when the total content of the lithium salt of sulfur oxide exceeds 0.15% by mass, the obtained electrolyte may be a crystallized product from the beginning, and the ionic conductivity of the crystallized product is low. Further, even if this crystallized product is subjected to a heat treatment, the crystallized product is not changed, and there is a possibility that a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte having high ion conductivity cannot be obtained.

また、N−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下であると、N−メチルアミノ酪酸リチウムの劣化物がリチウム電池のサイクル性能を低下させることがない。   Further, when the content of lithium N-methylaminobutyrate is 0.15% by mass or less, a deteriorated product of lithium N-methylaminobutyrate does not deteriorate the cycle performance of the lithium battery.

このように不純物が低減された硫化リチウムを用いると、高イオン伝導性電解質が得られる。   When lithium sulfide with reduced impurities is used, a high ion conductive electrolyte can be obtained.

高イオン伝導性電解質の製造に用いられる硫化リチウムの製造法としては、少なくとも上記不純物を低減できる方法であれば特に制限はない。
例えば、以下の方法で製造された硫化リチウムを精製することにより得ることができる。
以下の製造法の中では、特にa又はbの方法が好ましい。
a.非プロトン性有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを0〜150℃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150〜200℃で脱硫化水素化する方法(特開平7−330312号公報)。
b.非プロトン性有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを150〜200℃で反応させ、直接硫化リチウムを生成する方法(特開平7−330312号公報)。
c.水酸化リチウムとガス状硫黄源を130〜445℃の温度で反応させる方法(特開平9−283156号公報)。
The method for producing lithium sulfide used for producing the high ion conductive electrolyte is not particularly limited as long as it is a method that can reduce at least the impurities.
For example, it can be obtained by purifying lithium sulfide produced by the following method.
Among the following production methods, the method a or b is particularly preferable.
a. A method in which lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted at 0 to 150 ° C. in an aprotic organic solvent to produce lithium hydrosulfide, and this reaction solution is then desulfurized at 150 to 200 ° C. -330312).
b. A method of directly producing lithium sulfide by reacting lithium hydroxide and hydrogen sulfide at 150 to 200 ° C. in an aprotic organic solvent (Japanese Patent Laid-Open No. 7-330312).
c. A method of reacting lithium hydroxide and a gaseous sulfur source at a temperature of 130 to 445 ° C. (Japanese Patent Laid-Open No. 9-283156).

硫化リチウムの精製方法としては、特に制限はない。好ましい精製法としては、例えば、国際公開WO2005/40039号等に記載の方法が挙げられる。   There is no restriction | limiting in particular as a refinement | purification method of lithium sulfide. As a preferable purification method, for example, the method described in International Publication No. WO2005 / 40039 and the like can be mentioned.

具体的には、硫化リチウムを、有機溶媒を用い、100℃以上の温度で洗浄する。洗浄に用いる有機溶媒は、非プロトン性極性溶媒であることが好ましく、さらに、硫化リチウムの製造に使用する非プロトン性有機溶媒と洗浄に用いる非プロトン性極性有機溶媒とが同一であることがより好ましい。   Specifically, lithium sulfide is washed at a temperature of 100 ° C. or higher using an organic solvent. The organic solvent used for washing is preferably an aprotic polar solvent, and moreover, the aprotic organic solvent used for the production of lithium sulfide and the aprotic polar organic solvent used for washing are more preferably the same. preferable.

洗浄に好ましく用いられる非プロトン性極性有機溶媒としては、例えば、アミド化合物、ラクタム化合物、尿素化合物、有機硫黄化合物、環式有機リン化合物等の非プロトン性の極性有機化合物が挙げられ、単独溶媒、又は混合溶媒として好適に使用することができる。特に、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)は、良好な溶媒として選択される。   Examples of the aprotic polar organic solvent preferably used for washing include aprotic polar organic compounds such as amide compounds, lactam compounds, urea compounds, organic sulfur compounds, cyclic organophosphorus compounds, Or it can use suitably as a mixed solvent. In particular, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is selected as a good solvent.

洗浄に使用する有機溶媒の量は特に限定されず、また、洗浄の回数も特に限定されないが、2回以上であることが好ましい。洗浄は、窒素、アルゴン等の不活性ガス下で行うことが好ましい。   The amount of the organic solvent used for washing is not particularly limited, and the number of times of washing is not particularly limited, but is preferably 2 or more. Cleaning is preferably performed under an inert gas such as nitrogen or argon.

洗浄された硫化リチウムを、洗浄に使用した有機溶媒の沸点以上の温度で、窒素等の不活性ガス気流下、常圧又は減圧下で、5分以上、好ましくは約2〜3時間以上乾燥することにより、好適に用いられる硫化リチウムを得ることができる。   The washed lithium sulfide is dried at a temperature equal to or higher than the boiling point of the organic solvent used for washing for 5 minutes or more, preferably about 2 to 3 hours or more under an inert gas stream such as nitrogen under normal pressure or reduced pressure. Thus, lithium sulfide that is suitably used can be obtained.

は、工業的に製造され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。尚、Pに代えて、相当するモル比の単体リン(P)及び単体硫黄(S)を用いることもできる。単体リン(P)及び単体硫黄(S)は、工業的に生産され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。 P 2 S 5 can be used without particular limitation as long as it is industrially produced and sold. In place of P 2 S 5 , elemental phosphorus (P) and elemental sulfur (S) in a corresponding molar ratio can also be used. Simple phosphorus (P) and simple sulfur (S) can be used without particular limitation as long as they are industrially produced and sold.

硫化リチウムと、五硫化二燐及び/又は単体燐及び単体硫黄の混合モル比は、通常50:50〜80:20、好ましくは60:40〜75:25である。
特に好ましくは、LiS:P=68:32〜74:26(モル比)程度である。
The mixing molar ratio of lithium sulfide to diphosphorus pentasulfide and / or simple phosphorus and simple sulfur is usually 50:50 to 80:20, preferably 60:40 to 75:25.
Particularly preferably, it is about Li 2 S: P 2 S 5 = 68: 32 to 74:26 (molar ratio).

ガラス状の電解質を製造する方法としては、例えば、溶融急冷法やメカニカルミリング法(MM法)が挙げられる。   Examples of a method for producing a glassy electrolyte include a melt quenching method and a mechanical milling method (MM method).

溶融急冷法による場合、PとLiSを所定量乳鉢にて混合し、ペレット状にしたものをカーボンコートした石英管中に入れ真空封入する。一定の反応温度で反応させた後、氷中に投入し急冷することにより、硫化物ガラスが得られる。 In the case of the melt quenching method, a predetermined amount of P 2 S 5 and Li 2 S are mixed in a mortar, and the pellets are placed in a carbon-coated quartz tube and sealed in a vacuum. After reacting at a constant reaction temperature, the glass is put into ice and rapidly cooled to obtain a sulfide glass.

この際の反応温度は、好ましくは400℃〜1000℃、より好ましくは800℃〜900℃である。また、反応時間は、好ましくは0.1時間〜12時間、より好ましくは1〜12時間である。上記反応物の急冷温度は、通常10℃以下、好ましくは0℃以下であり、その冷却速度は通常1〜10000K/sec程度、好ましくは1〜1000K/secである。   The reaction temperature at this time is preferably 400 ° C to 1000 ° C, more preferably 800 ° C to 900 ° C. Moreover, reaction time becomes like this. Preferably it is 0.1 to 12 hours, More preferably, it is 1 to 12 hours. The quenching temperature of the reactant is usually 10 ° C. or less, preferably 0 ° C. or less, and the cooling rate is usually about 1 to 10,000 K / sec, preferably 1 to 1000 K / sec.

MM法による場合、PとLiSを所定量乳鉢にて混合し、メカニカルミリング法にて一定時間反応させることにより、硫化物ガラスが得られる。 In the case of the MM method, sulfide glass is obtained by mixing a predetermined amount of P 2 S 5 and Li 2 S in a mortar and reacting them for a certain time by a mechanical milling method.

上記原料を用いたメカニカルミリング法は、室温で反応を行うことができる。MM法によれば、室温でガラス状電解質を製造できるため、原料の熱分解が起らず、仕込み組成のガラス状電解質を得ることができるという利点がある。また、MM法では、ガラス状電解質の製造と同時に、ガラス状電解質を微粉末化できるという利点もある。   The mechanical milling method using the above raw materials can be reacted at room temperature. According to the MM method, since a glassy electrolyte can be produced at room temperature, there is an advantage that a raw material is not thermally decomposed and a glassy electrolyte having a charged composition can be obtained. Further, the MM method has an advantage that the glassy electrolyte can be made into fine powder simultaneously with the production of the glassy electrolyte.

MM法は種々の形式の粉砕法を用いることができるが、遊星型ボールミルを使用するのが特に好ましい。遊星型ボールミルは、ポットが自転回転しながら、台盤が公転回転し、非常に高い衝撃エネルギーを効率良く発生させることができる。   Although various types of pulverization methods can be used for the MM method, it is particularly preferable to use a planetary ball mill. The planetary ball mill is capable of efficiently generating very high impact energy by rotating the base and revolving while the pot rotates.

MM法の回転速度及び回転時間は特に限定されないが、回転速度が速いほど、ガラス状電解質の生成速度は速くなり、回転時間が長いほどガラス質状電解質ヘの原料の転化率は高くなる。   Although the rotation speed and rotation time of the MM method are not particularly limited, the faster the rotation speed, the faster the glassy electrolyte production rate, and the longer the rotation time, the higher the conversion rate of the raw material into the glassy electrolyte.

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。   For example, when a planetary ball mill is used, the rotational speed may be set to several tens to several hundreds of revolutions / minute, and the treatment may be performed for 0.5 hours to 100 hours.

以上、溶融急冷法及びMM法による硫化物ガラスの具体例を説明したが、温度条件や処理時間等の製造条件は、使用設備等に合わせて適宜調整することができる。   Although specific examples of the sulfide glass by the melt quenching method and the MM method have been described above, manufacturing conditions such as temperature conditions and processing time can be appropriately adjusted according to the equipment used.

硫化物ガラスシートを熱処理して得られる結晶性硫化物ガラスセラミックス(リチウムイオン伝導性固体電解質)は、X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=17.8±0.3deg,18.2±0.3deg,19.8±0.3deg,21.8±0.3deg,23.8±0.3deg,25.9±0.3deg,29.5±0.3deg,30.0±0.3degに回折ピークを有することが好ましい。このような結晶構造を有する固体電解質が、極めて高いリチウムイオン伝導性を有する。   A crystalline sulfide glass ceramic (lithium ion conductive solid electrolyte) obtained by heat-treating a sulfide glass sheet is 2θ = 17.8 ± 0.3 deg in X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.54184), 18.2 ± 0.3 deg, 19.8 ± 0.3 deg, 21.8 ± 0.3 deg, 23.8 ± 0.3 deg, 25.9 ± 0.3 deg, 29.5 ± 0.3 deg, 30. It preferably has a diffraction peak at 0 ± 0.3 deg. A solid electrolyte having such a crystal structure has extremely high lithium ion conductivity.

また、硫化物ガラスシートを熱処理して得られる結晶性硫化物ガラスセラミックスは、下記(1)及び(2)の条件を満たすことが好ましい。
(1)固体電解質の固体31P−NMRスペクトルが、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmに、結晶に起因するピークを有する。
(2)固体電解質に占める(1)のピークを生じる結晶の比率(xc)が60mol%〜100mol%である。
条件(1)の2つのピークは、高イオン伝導性結晶成分が固体電解質に存在する場合に観測されるものである。具体的には、結晶中のP 4−とPS 3−に起因するピークである。
Moreover, it is preferable that the crystalline sulfide glass ceramic obtained by heat-treating the sulfide glass sheet satisfies the following conditions (1) and (2).
(1) The solid 31 P-NMR spectrum of the solid electrolyte has peaks due to crystals at 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm.
(2) The ratio (xc) of crystals that produce the peak (1) in the solid electrolyte is 60 mol% to 100 mol%.
The two peaks of condition (1) are observed when a high ion conductive crystal component is present in the solid electrolyte. Specifically, it is a peak caused by P 2 S 7 4- and PS 4 3- in the crystal.

条件(2)は、固体電解質中に占める上記結晶の比率xcを規定するものである。固体電解質中において高イオン伝導性の結晶成分が所定量以上、具体的には60mol%以上存在すると、リチウムイオンが高イオン伝導性の結晶を主に移動するようになる。従って、固体電解質中の非結晶部分(ガラス部分)や、高イオン伝導性を示さない結晶格子(例えば、P 4−)を移動する場合に比べて、リチウムイオン伝導度が向上する。比率xcは65mol%〜100mol%であることが好ましい。上記結晶の比率xcは、原料である硫化物ガラスの熱処理時間及び温度を調整することにより制御できる。 Condition (2) defines the ratio xc of the crystal in the solid electrolyte. When a high ion conductive crystal component is present in a predetermined amount or more, specifically 60 mol% or more in the solid electrolyte, lithium ions move mainly through the high ion conductive crystal. Therefore, the lithium ion conductivity is improved as compared with the case of moving a non-crystalline portion (glass portion) in the solid electrolyte or a crystal lattice (for example, P 2 S 6 4− ) that does not exhibit high ion conductivity. The ratio xc is preferably 65 mol% to 100 mol%. The crystal ratio xc can be controlled by adjusting the heat treatment time and temperature of the sulfide glass as a raw material.

尚、固体31P−NMRスペクトルの測定は、例えば、日本電子株式会社製のJNM−CMXP302NMR装置を使用して、観測核を31P、観測周波数を121.339MHz、測定温度を室温、測定法をMAS法として行なう。 The solid 31 P-NMR spectrum can be measured, for example, using a JNM-CMXP302 NMR apparatus manufactured by JEOL Ltd., with an observation nucleus of 31 P, an observation frequency of 121.339 MHz, a measurement temperature of room temperature, and a measurement method. Performed as MAS method.

比率xcの測定方法は、固体31P−NMRスペクトルについて、70〜120ppmに観測される共鳴線を、非線形最小二乗法を用いてガウス曲線に分離し、各曲線の面積比から算出する。詳細は特願2005−356889を参照すればよい。 The method of measuring the ratio xc is to calculate the resonance line observed at 70 to 120 ppm in a solid 31 P-NMR spectrum into a Gaussian curve using a nonlinear least square method and calculate from the area ratio of each curve. For details, refer to Japanese Patent Application No. 2005-356889.

ガラス状のリチウムイオン伝導性固体電解質をシートに成形するとき、バインダー(結着材や高分子化合物等)や支持体(固体電解質層の強度を補強させたり、固体電解質自体の短絡を防ぐための材料や化合物等)を混合・組合させて成形することもできる。   When molding glass-like lithium ion conductive solid electrolytes into sheets, binders (binders, polymer compounds, etc.) and supports (in order to reinforce the strength of the solid electrolyte layer or prevent short circuit of the solid electrolyte itself) Materials, compounds, etc.) can be mixed and combined.

本発明の固体二次電池は、正極と、負極と、正極及び負極間に挟持された固体電解質層から構成され、固体電解質層が、上記のリチウムイオン伝導性固体電解質シートから製造されている。   The solid secondary battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and the solid electrolyte layer is manufactured from the lithium ion conductive solid electrolyte sheet.

図1は本発明に係る固体二次電池の一実施形態を示す概略断面図である。
全固体二次電池1は、正極10及び負極30からなる一対の電極間に固体電解質層20が挟持されている。正極10及び負極30にはそれぞれ集電体40及び42が設けられている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a solid secondary battery according to the present invention.
In the all-solid-state secondary battery 1, a solid electrolyte layer 20 is sandwiched between a pair of electrodes including a positive electrode 10 and a negative electrode 30. Current collectors 40 and 42 are provided on the positive electrode 10 and the negative electrode 30, respectively.

正極10に使用する正極材としては、電池分野において正極活物質として使用されているものが使用できる。例えば、硫化物系では、硫化チタン(TiS)、硫化モリブデン(MoS)、硫化鉄(FeS、FeS)、硫化銅(CuS)及び硫化ニッケル(Ni)等が使用できる。好ましくは、TiSが使用できる。
また、酸化物系では、酸化ビスマス(Bi)、鉛酸ビスマス(BiPb)、酸化銅(CuO)、酸化バナジウム(V13)、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、マンガン酸リチウム(LiMnO)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(NbSe)が使用できる。
As a positive electrode material used for the positive electrode 10, those used as a positive electrode active material in the battery field can be used. For example, in the sulfide system, titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), iron sulfide (FeS, FeS 2 ), copper sulfide (CuS), nickel sulfide (Ni 3 S 2 ), and the like can be used. Preferably, TiS 2 can be used.
In the oxide system, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), bismuth lead acid (Bi 2 Pb 2 O 5 ), copper oxide (CuO), vanadium oxide (V 6 O 13 ), lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) Lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMnO 2 ), and the like can be used. It is also possible to use a mixture of these. Preferably, lithium cobaltate can be used.
In addition to the above, niobium selenide (NbSe 3 ) can be used.

負極30に使用する負極材としては、電池分野において負極活物質として使用されているものが使用できる。例えば、炭素材料、具体的には、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。またはその混合物でもよい。好ましくは、人造黒鉛である。
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、化合物と組合わせた合金を、負極材として用いることができる。
As a negative electrode material used for the negative electrode 30, what is used as a negative electrode active material in the battery field | area can be used. For example, carbon materials, specifically 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. Or a mixture thereof. Preferably, it is artificial graphite.
Also, an alloy in combination with a metal itself such as metallic lithium, metallic indium, metallic aluminum, metallic silicon, or another element or compound can be used as the negative electrode material.

全固体電池の部材である固体状の電極材料(極材)においては、電子伝導性に加えてイオン伝導度を向上させるため、極材の粒子同士が密着し、粒子間の接合点や面を多く存在させ、イオン伝導パスをより多く確保することが重要である。そのため、電解質等のイオン伝導活物質を混合し、極材とする方法が用いられる。電解質として固体電解質層で使用する固体電解質を使用できる。この場合の固体電解質としては、ガラス状の固体電解質、結晶性の固体電解質の両者共使用できる。また、極材粒子間の隙間に生じる空間(単位体積における空間体積と極材粒子の体積の割合:空隙率)が少ない程、極材層が密に詰まっており、イオン伝導度は高くなる。   In a solid electrode material (electrode material) that is a member of an all-solid battery, in order to improve ion conductivity in addition to electron conductivity, the particles of the electrode material are in close contact with each other, and the junction points and surfaces between the particles are determined. It is important to ensure that there are many ion conduction paths. Therefore, a method is used in which an ion conductive active material such as an electrolyte is mixed to make an electrode material. A solid electrolyte used in the solid electrolyte layer can be used as the electrolyte. As the solid electrolyte in this case, both a glassy solid electrolyte and a crystalline solid electrolyte can be used. In addition, the smaller the space generated in the gap between the polar material particles (the ratio of the volume of the polar material particles to the volume of the polar material particles: the porosity), the denser the polar material layer is and the higher the ionic conductivity.

導電助剤として、電子が正極活物質内で円滑に移動するようにするために、電気的に導電性を有する物質を適宜添加してもよい。電気的に導電性を有する物質としては特に限定しないが、アセチレンブラック、カーボンブラック、カーボンナノチューブのような導電性物質又はポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロールのような導電性高分子を単独又は混合して用いることができる。
集電体40,42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。
As a conductive assistant, an electrically conductive substance may be added as appropriate so that electrons move smoothly in the positive electrode active material. The electrically conductive substance is not particularly limited, but a conductive substance such as acetylene black, carbon black, or carbon nanotube or a conductive polymer such as polyaniline, polyacetylene, or polypyrrole is used alone or in combination. Can do.
As the current collectors 40 and 42, a plate or foil made of copper, magnesium, stainless steel, titanium, iron, cobalt, nickel, zinc, aluminum, germanium, indium, lithium, or an alloy thereof is used. it can.

電極は、上記極材(正極材又は負極材)を集電体の少なくとも一部に膜状に形成することで作製できる。製膜方法としては、例えば、ブラスト法、エアロゾルデポジション法、コールドスプレー法、スパッタリング法、気相成長法、溶射法、熱プレス、熱ロールプレス等が挙げられる。   The electrode can be produced by forming the electrode material (positive electrode material or negative electrode material) in a film shape on at least a part of the current collector. Examples of the film forming method include a blast method, an aerosol deposition method, a cold spray method, a sputtering method, a vapor phase growth method, a thermal spray method, a hot press, and a hot roll press.

固体二次電池は、上述した電池用部材を貼り合せ、接合することで製造できる。接合する方法としては、各部材を積層し、加圧、熱融着、圧着する方法や、2つのロール間を通して加圧、熱成形する方法(roll to roll)等がある。
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。
The solid secondary battery can be manufactured by bonding and joining the battery members described above. As a method of joining, there are a method in which the respective members are laminated, pressurization, heat fusion, and pressure bonding, a method of pressurization and thermoforming through two rolls (roll to roll), and the like.
Moreover, you may join to the joining surface through the active material which has ion conductivity, and the adhesive material which does not inhibit ion conductivity.
In joining, heat fusion may be performed as long as the crystal structure of the solid electrolyte does not change.

製造例1
(1)硫化リチウム(LiS)の製造
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、反応した硫化水素の一部を脱硫化水素化した。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。脱硫化水素反応が終了後(約80分)反応を終了し、硫化リチウムを得た。
Production Example 1
(1) Production of lithium sulfide (Li 2 S) In a 10 liter autoclave equipped with a stirring blade, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) 3326.4 g (33.6 mol) and lithium hydroxide 287.4 g (12 mol) ) And heated to 300 rpm and 130 ° C. After the temperature rise, hydrogen sulfide was blown into the liquid at a supply rate of 3 liters / minute for 2 hours. Subsequently, this reaction solution was heated in a nitrogen stream (200 cc / min) to dehydrosulfide a part of the reacted hydrogen sulfide. As the temperature increased, water produced as a by-product due to the reaction between hydrogen sulfide and lithium hydroxide started to evaporate, but this water was condensed by the condenser and extracted out of the system. While water was distilled out of the system, the temperature of the reaction solution rose, but when the temperature reached 180 ° C., the temperature increase was stopped and the temperature was kept constant. After the dehydrosulfurization reaction was completed (about 80 minutes), the reaction was completed to obtain lithium sulfide.

(2)硫化リチウムの精製
上記(1)で得られた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NMP 100mL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NMP 100mL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。
(2) Purification of lithium sulfide After decanting NMP in the 500 mL slurry reaction solution (NMP-lithium sulfide slurry) obtained in (1) above, 100 mL of dehydrated NMP was added and stirred at 105 ° C. for about 1 hour. did. NMP was decanted at that temperature. Further, 100 mL of NMP was added, stirred at 105 ° C. for about 1 hour, NMP was decanted at that temperature, and the same operation was repeated a total of 4 times. After completion of the decantation, lithium sulfide was dried at 230 ° C. (temperature higher than the boiling point of NMP) under a nitrogen stream for 3 hours under normal pressure. The impurity content in the obtained lithium sulfide was measured.

尚、亜硫酸リチウム(LiSO)、硫酸リチウム(LiSO)並びにチオ硫酸リチウム(Li)の各硫黄酸化物、及びN−メチルアミノ酪酸リチウム(LMAB)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。 Incidentally, lithium sulfite (Li 2 SO 3), the content of each sulfur oxide lithium sulfate (Li 2 SO 4) and lithium thiosulfate (Li 2 S 2 O 3) , and N- methylamino acid lithium (LMAB) Was quantified by ion chromatography. As a result, the total content of sulfur oxides was 0.13% by mass, and LMAB was 0.07% by mass.

(3)硫化物ガラスの製造
上記のようにして製造したLiSとP(アルドリッチ製)を68対32のモル比に調整した混合物を約1gと直径10mmのアルミナ製ボール10ケとを45mLのアルミナ製容器に入れ、遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)にて、窒素中、室温(25℃)にて、回転速度を370rpmとし、20時間メカニカルミリング処理することで、白黄色の粉末である硫化物ガラスを得た。
得られた粉末について、粉末X線回析測定(CuKα:λ=1.5418Å)をしたところ、非晶質体特有のブロードな形を示していることから、この粉末がガラス化(非晶質化)していることが確認できた。
(3) Manufacture of sulfide glass A mixture of Li 2 S and P 2 S 5 (manufactured by Aldrich), prepared as described above, adjusted to a molar ratio of 68:32, about 1 g and 10 balls of alumina balls having a diameter of 10 mm In a 45 mL alumina container and mechanical milling for 20 hours with a planetary ball mill (manufactured by Fritsch: model P-7) in nitrogen at room temperature (25 ° C.) at a rotation speed of 370 rpm. Thus, a sulfide glass as a white yellow powder was obtained.
When the obtained powder was subjected to powder X-ray diffraction measurement (CuKα: λ = 1.5418Å), it showed a broad shape peculiar to an amorphous body. It was confirmed that

実施例1
製造例1(3)で得られた粉末状の硫化物ガラスを厚み0.2mmの金型にいれ、1MPaで加圧プレスすることによりシートを作成した。得られたシートを300℃で2時間熱処理をした。
Example 1
The powdery sulfide glass obtained in Production Example 1 (3) was placed in a 0.2 mm-thick mold and press-pressed at 1 MPa to prepare a sheet. The obtained sheet was heat-treated at 300 ° C. for 2 hours.

このシートを粉砕して粉末とし、粉末X線回折測定(CuKα:λ=1.5418Å)をしたところ、2θ=17.8deg,18.2deg,19.8deg,21.8deg,23.8deg,25.9deg,29.5deg,30.0に回折ピークが認められた。このため、結晶性の固体電解質(ガラスセラミック)が得られたことが確認された。   This sheet was pulverized into powder, and powder X-ray diffraction measurement (CuKα: λ = 1.5418 Å) was performed, and 2θ = 17.8 deg, 18.2 deg, 19.8 deg, 21.8 deg, 23.8 deg, 25 Diffraction peaks were observed at .9 deg, 29.5 deg, 30.0. For this reason, it was confirmed that a crystalline solid electrolyte (glass ceramic) was obtained.

また、シートについてイオン伝導度を測定した結果は、4×10−3S/cmと高い値を示した。
イオン伝導度の測定は、シートに電極としてカーボンペーストを塗布したものについて、交流二端子法により行った。
焼成(測定)は、室温(25℃)から開始し、250℃付近まで昇温し、その後、室温まで降温することで行なった。このときの昇温・降温には、各々約3時間を要した。
Moreover, the result of having measured the ion conductivity about the sheet | seat showed the high value of 4 * 10 < -3 > S / cm.
The ionic conductivity was measured by an alternating current two-terminal method for a sheet coated with carbon paste as an electrode.
Firing (measurement) was performed by starting from room temperature (25 ° C.), raising the temperature to around 250 ° C., and then lowering the temperature to room temperature. It took about 3 hours to raise and lower the temperature.

実施例2
製造例1(3)で得られた粉末状の硫化物ガラスを厚み0.2mmの金型にいれ、300MPaで加圧すると同時に、250℃で1時間熱プレスすることによりシートを作製した。実施例1と同様の方法を用いてイオン伝導度を測定した結果、7×10−3S/cmと高い値を示した。
Example 2
The powdered sulfide glass obtained in Production Example 1 (3) was placed in a mold having a thickness of 0.2 mm, pressed at 300 MPa, and simultaneously hot pressed at 250 ° C. for 1 hour to prepare a sheet. As a result of measuring the ionic conductivity using the same method as in Example 1, it showed a high value of 7 × 10 −3 S / cm.

比較例1
製造例1(3)で得られた粉末状の硫化物ガラスについて、300℃で2時間熱処理を行った。熱処理した粉末から、実施例1と同様にして、シートを成形した。
得られたシートについて、実施例1と同様にして粉末X線回折測定をしたところ、実施例1と同様のX線回折ピークが認められた。このため、結晶性の固体電解質(ガラスセラミック)が得られたことが確認された。
さらに、実施例1と同様にしてイオン伝導度を測定した結果、1×10−3S/cmであった。
Comparative Example 1
The powdery sulfide glass obtained in Production Example 1 (3) was heat-treated at 300 ° C. for 2 hours. A sheet was formed from the heat-treated powder in the same manner as in Example 1.
When the obtained sheet was subjected to powder X-ray diffraction measurement in the same manner as in Example 1, the same X-ray diffraction peak as in Example 1 was observed. For this reason, it was confirmed that a crystalline solid electrolyte (glass ceramic) was obtained.
Furthermore, as a result of measuring ionic conductivity in the same manner as in Example 1, it was 1 × 10 −3 S / cm.

本発明のリチウムイオン伝導性固体電解質シートは、固体二次電池の固体電解質層を製造するために使用できる。   The lithium ion conductive solid electrolyte sheet of the present invention can be used for producing a solid electrolyte layer of a solid secondary battery.

本発明に係る固体二次電池の一実施形態を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows one Embodiment of the solid secondary battery which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 全固体二次電池
10 正極
20 固体電解質層
30 負極
40,42 集電体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 All-solid-state secondary battery 10 Positive electrode 20 Solid electrolyte layer 30 Negative electrode 40,42 Current collector

Claims (3)

ガラス状のリチウムイオン伝導性固体電解質を、シート状に成形後熱処理する、又はシート状に成形すると共に熱処理する結晶性のリチウムイオン伝導性固体電解質シートの製造方法。   A method for producing a crystalline lithium ion conductive solid electrolyte sheet, wherein a glassy lithium ion conductive solid electrolyte is heat-treated after being formed into a sheet, or formed into a sheet and heat-treated. 請求項1記載の製造方法により得られるリチウムイオン伝導性固体電解質シート。   A lithium ion conductive solid electrolyte sheet obtained by the production method according to claim 1. 正極と、負極と、前記正極及び負極間に挟持された固体電解質層とを有し、
前記固体電解質層が、請求項2記載のリチウムイオン伝導性固体電解質シートから製造されている固体二次電池。
A positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer sandwiched between the positive electrode and the negative electrode,
A solid secondary battery in which the solid electrolyte layer is manufactured from the lithium ion conductive solid electrolyte sheet according to claim 2.
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