JP2010163356A - Method for producing lithium sulfide - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、硫化リチウム、その製造方法及び硫化物系固体電解質に関する。 The present invention relates to lithium sulfide, a method for producing the same, and a sulfide-based solid electrolyte.
従来、硫化リチウムの製造方法として特許文献1には、水酸化リチウムと非プロトン性有機溶媒からなるスラリー中に硫化水素を吹き込み、水硫化リチウム作製後、脱水・脱硫化水素することにより無水硫化リチウムを製造する第1の発明と、硫化水素を連続して吹き込み、直接無水硫化リチウムを作製する第2の発明が開示されている。
また、特許文献2では、粒径を0.1mm〜1.5mmに制御した固体状の水酸化リチウムに、水素ガスと硫黄ガスを同時に、又は硫化水素を吹き込み、130℃〜445℃の温度で硫化リチウムを製造する方法が開示されている。
Conventionally, as a method for producing lithium sulfide, Patent Document 1 discloses anhydrous lithium sulfide by blowing hydrogen sulfide into a slurry composed of lithium hydroxide and an aprotic organic solvent, producing lithium hydrosulfide, and then dehydrating and desulfurizing it. A first invention for producing a lithium sulfide and a second invention for producing anhydrous lithium sulfide directly by continuously blowing hydrogen sulfide are disclosed.
In Patent Document 2, hydrogen gas and sulfur gas are simultaneously or hydrogen sulfide blown into solid lithium hydroxide whose particle size is controlled to 0.1 mm to 1.5 mm, and the temperature is 130 ° C. to 445 ° C. A method for producing lithium sulfide is disclosed.
また、アルカリ金属硫化物の製造方法として、特許文献3には、含水アルカリ水硫化物とアルカリ金属水酸化物水溶液を反応させて得られるアルカリ金属硫化物水溶液を、非水溶性の分散媒と接触させ脱水することを特徴とする製造方法が開示されている。 Further, as a method for producing an alkali metal sulfide, Patent Document 3 discloses that an alkali metal sulfide aqueous solution obtained by reacting a hydrated alkali hydrosulfide with an alkali metal hydroxide aqueous solution is brought into contact with a water-insoluble dispersion medium. And a production method characterized by dehydration.
上記の製造方法等を用いて製造された硫化リチウムは、ポリアリーレンスルフィドの原料として知られているが、近年リチウム電池用硫化物系固体電解質の原料として用いられる場合が増えている。 Lithium sulfide produced by using the above production method is known as a raw material for polyarylene sulfide, but in recent years, it has been increasingly used as a raw material for sulfide-based solid electrolytes for lithium batteries.
硫化物系固体電解質について、特許文献4には10−4S/cm台のイオン伝導性を有する固体電解質が開示されている。同様に、特許文献5にはLi2SとP2S5から合成された固体電解質であって、10−4/cm台のイオン伝導性を有するものが開示されている。 Regarding the sulfide-based solid electrolyte, Patent Document 4 discloses a solid electrolyte having ion conductivity of the order of 10 −4 S / cm. Similarly, Patent Document 5 discloses a solid electrolyte synthesized from Li 2 S and P 2 S 5 and having ion conductivity on the order of 10 −4 / cm.
また、特許文献6にはLi2SとP2S5を68〜74モル%:26〜32モル%の比率で合成した硫化物系結晶化ガラスが開示されている。この固体電解質では10−3S/cm台のイオン伝導性を実現している。 Patent Document 6 discloses sulfide-based crystallized glass obtained by synthesizing Li 2 S and P 2 S 5 in a ratio of 68 to 74 mol%: 26 to 32 mol%. This solid electrolyte achieves ion conductivity on the order of 10 −3 S / cm.
ところで、特許文献1や特許文献7に記載されている硫化リチウムの製造方法では、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を代表とする極性溶媒が通常使用されている。しかしながら、NMPを使用した場合、不純物としてNMPと水酸化リチウムが反応したN−メチルアミノ酪酸リチウム(LMAB)が生成する。また、例えば、極性溶媒として一般的なジメチルホルムアミド(DMF)やアルコール類として1−オクチルアルコールを溶媒として使用した場合も、水酸化リチウムや硫化水素と反応して不純物を生じて、反応液が高粘度となる。
このように、水酸化リチウムと硫化水素から硫化リチウムを製造するために極性溶媒を使用すると、何らかの不純物を生じて原料のロスや反応の進行が妨げられるという問題があった。
By the way, in the method for producing lithium sulfide described in Patent Document 1 and Patent Document 7, a polar solvent typified by N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is usually used as a solvent. However, when NMP is used, lithium N-methylaminobutyrate (LMAB) in which NMP and lithium hydroxide are reacted is generated as an impurity. In addition, for example, when dimethylformamide (DMF), which is a common polar solvent, or 1-octyl alcohol, which is an alcohol, is used as a solvent, it reacts with lithium hydroxide or hydrogen sulfide to produce impurities, resulting in a high reaction solution. Viscosity.
As described above, when a polar solvent is used to produce lithium sulfide from lithium hydroxide and hydrogen sulfide, there is a problem in that some impurities are generated and the loss of raw materials and the progress of the reaction are hindered.
また、従来の極性溶媒を使用した硫化リチウム製造方法では、反応中間体である水硫化リチウムの脱硫化水素を進めるために、150℃以上の高温が必要であった。
また、水硫化リチウムは通常、極性溶媒に溶解するため、原料である水酸化リチウムの仕込みを増加すると水硫化リチウム溶液の粘度が急激に上昇し、反応速度の低下や水酸化リチウムが残留する等の不具合があった。
また、反応温度を150℃以上とするためには、150℃以上の高沸点を有する極性溶媒が望ましい。しかしながら、得られた硫化リチウムを電解質原料として使用するためには極性溶媒や不純物を除去する必要があり、さらに高沸点溶媒を除去するための乾燥工程が必須であった。
また、水硫化リチウム製造後や硫化リチウム製造中に、反応温度を昇温して反応生成水を留去するため、この際、水分共存下で硫化リチウムの結晶が成長するため、内部が詰まった立方体形状のLi2Sが得られていた。このLi2Sは、内部が詰まった構造であるため比表面積が1.0m2/gに満たないものであるのが実情であった。
In addition, in the conventional lithium sulfide production method using a polar solvent, a high temperature of 150 ° C. or higher is necessary in order to promote dehydrogenation of lithium hydrosulfide, which is a reaction intermediate.
In addition, since lithium hydrosulfide is usually dissolved in a polar solvent, increasing the preparation of lithium hydroxide as a raw material causes the viscosity of the lithium hydrosulfide solution to increase rapidly, resulting in a decrease in reaction rate and lithium hydroxide remaining. There was a bug.
Moreover, in order to make reaction temperature 150 degreeC or more, the polar solvent which has a high boiling point of 150 degreeC or more is desirable. However, in order to use the obtained lithium sulfide as an electrolyte raw material, it is necessary to remove polar solvents and impurities, and a drying step for removing high boiling point solvents is essential.
In addition, the reaction temperature is raised and the reaction product water is distilled off after lithium hydrosulfide production or during lithium sulfide production. At this time, since lithium sulfide crystals grow in the presence of moisture, the inside is clogged. Cubic Li 2 S was obtained. Since this Li 2 S has a structure in which the inside is clogged, the actual situation is that the specific surface area is less than 1.0 m 2 / g.
本発明者らは、リチウム電池用固体電解質を製造するに当たり、従来の溶融法やメカニカルミリング法に加え、炭化水素系有機溶媒中での撹拌によっても、固体電解質を合成できることを見出している。しかしながら、従来の方法で作製される比表面積が1.0m2/gに満たない硫化リチウムを原料とした場合、合成時間が40時間以上と非常に長くなる上、未反応硫化リチウムが残留する等の問題があった。
一方、メカニカルミリング法による合成においても、粉砕機や条件によっても異なるが、原料の硫化リチウムの比表面積が小さい場合、反応時間が30時間以上も必要であった。
The present inventors have found that in producing a solid electrolyte for a lithium battery, the solid electrolyte can be synthesized by stirring in a hydrocarbon-based organic solvent in addition to the conventional melting method and mechanical milling method. However, when lithium sulfide having a specific surface area of less than 1.0 m 2 / g produced by a conventional method is used as a raw material, the synthesis time becomes very long as 40 hours or more, and unreacted lithium sulfide remains. There was a problem.
On the other hand, the synthesis by the mechanical milling method also differs depending on the pulverizer and conditions, but when the specific surface area of the raw material lithium sulfide is small, a reaction time of 30 hours or more is required.
本発明の目的は、比表面積の大きい硫化リチウムを効率よく製造できる硫化リチウムの製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for producing lithium sulfide capable of efficiently producing lithium sulfide having a large specific surface area.
本発明によれば、以下の硫化リチウムの製造方法等が提供される。
1.水酸化リチウムと炭化水素系有機溶媒からなるスラリー中に、硫化水素ガスを吹き込み、前記水酸化リチウムと硫化水素を反応させ、前記反応により生じる水を、前記スラリーから除去しながら反応を継続し、系内の水分が実質的に無くなった後、硫化水素の吹き込みを止め、不活性ガスを吹き込むことを特徴とする硫化リチウムの製造方法。
2.前記炭化水素系有機溶媒が、水と共沸組成を形成する1種又は2種以上の溶媒からなることを特徴とする1記載の硫化リチウムの製造方法。
3.前記炭化水素系有機溶媒が、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン及びドデカンから選ばれる1種又は2種以上の溶媒からなることを特徴とする1又は2に記載の硫化リチウムの製造方法。
According to the present invention, the following method for producing lithium sulfide and the like are provided.
1. Hydrogen sulfide gas is blown into a slurry composed of lithium hydroxide and a hydrocarbon-based organic solvent, the lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted, and the reaction is continued while removing water generated by the reaction from the slurry. A method for producing lithium sulfide, characterized in that after water in the system is substantially exhausted, blowing of hydrogen sulfide is stopped and inert gas is blown.
2. 2. The method for producing lithium sulfide according to 1, wherein the hydrocarbon-based organic solvent comprises one or more solvents that form an azeotropic composition with water.
3. 3. The method for producing lithium sulfide according to 1 or 2, wherein the hydrocarbon-based organic solvent comprises one or more solvents selected from benzene, toluene, xylene, ethylbenzene and dodecane.
本発明によれば、比表面積の大きい硫化リチウムを効率よく製造できる方法が提供できる。また、本発明の製造方法は、極性溶媒を使用する製造方法と比べて、不純物が生成せず、原料であるリチウムのロスがない。さらに、比較的低温で製造できるため、製造費用が削減できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the method which can manufacture lithium sulfide with a large specific surface area efficiently can be provided. In addition, the production method of the present invention does not generate impurities and does not lose lithium as a raw material, compared to a production method using a polar solvent. Furthermore, since it can manufacture at a relatively low temperature, manufacturing costs can be reduced.
本発明の硫化リチウムの製造方法では、水酸化リチウムと炭化水素系有機溶媒からなるスラリー中に、硫化水素ガスを吹き込み、水酸化リチウムと硫化水素を反応させる。そして、反応により生じる水を、スラリーから除去しながら反応を継続することを特徴とする。
本発明では、炭化水素系有機溶媒を使用する。これにより、NMPに代表される極性溶媒を使用した場合に生じる不純物による原料のロスを考慮する必要がなくなる。炭化水素系有機溶媒は、強アルカリである水酸化リチウムや、酸である硫化水素との反応性が低く、不純物をほとんど生成しない。そのため、不純物を除去するための精製工程が不要となり、大幅な製造プロセスの簡素化が図れる。
In the method for producing lithium sulfide of the present invention, hydrogen sulfide gas is blown into a slurry composed of lithium hydroxide and a hydrocarbon-based organic solvent, and the lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted. And it is characterized by continuing reaction, removing the water which arises by reaction from a slurry.
In the present invention, a hydrocarbon organic solvent is used. Thereby, it is not necessary to consider the loss of raw materials due to impurities generated when a polar solvent typified by NMP is used. Hydrocarbon organic solvents have low reactivity with lithium hydroxide, which is a strong alkali, and hydrogen sulfide, which is an acid, and hardly produce impurities. This eliminates the need for a purification step for removing impurities and greatly simplifies the manufacturing process.
また、本発明では反応により生じる水を、スラリーから除去しながら原料を反応させる。このため、反応系に実質的に水分が存在しないため、硫化リチウムの結晶成長が進まず、比表面積の大きい硫化リチウムを得ることができる。この硫化リチウムは、固体電解質の製造原料として好適である。 Moreover, in this invention, a raw material is made to react, removing the water which arises by reaction from a slurry. For this reason, since there is substantially no water in the reaction system, lithium sulfide crystal growth does not proceed and lithium sulfide having a large specific surface area can be obtained. This lithium sulfide is suitable as a raw material for producing a solid electrolyte.
本発明の製造方法で使用する水酸化リチウムは、特に制限はなく、工業的に市販されているものが使用できる。高純度な硫化リチウムを得ることができるため、不純物含有量の少ない水酸化リチウムを使用することが好ましい。 There is no restriction | limiting in particular in the lithium hydroxide used with the manufacturing method of this invention, What is marketed industrially can be used. Since high-purity lithium sulfide can be obtained, it is preferable to use lithium hydroxide having a low impurity content.
本発明で用いられる炭化水素系有機溶媒は、特に制限はないが、水と共沸組成を形成する溶媒が好ましい。炭化水素系有機溶媒は、1種で使用してもよく、2種以上の混合溶媒で使用してもよい。具体的には、ベンゼン(沸点80℃)、トルエン(沸点111℃)、キシレン(沸点:p−体、138℃,m−体、139℃,o−体、144℃)、エチルベンゼン(沸点136℃)及びドデカン(沸点215℃)から選ばれる1種又はこれらの混合物が好適に用いられる。 The hydrocarbon organic solvent used in the present invention is not particularly limited, but a solvent that forms an azeotropic composition with water is preferable. A hydrocarbon type organic solvent may be used by 1 type, and may be used by 2 or more types of mixed solvents. Specifically, benzene (boiling point 80 ° C.), toluene (boiling point 111 ° C.), xylene (boiling point: p-form, 138 ° C., m-form, 139 ° C., o-form, 144 ° C.), ethylbenzene (boiling point 136 ° C.) ) And dodecane (boiling point 215 ° C.) or a mixture thereof is preferably used.
水酸化リチウムと炭化水素系有機溶媒を混合してスラリーとする。この際、水酸化リチウムの仕込み量は、特に制限はなく、取り扱いや移送を考慮して適切な濃度とすればよい。例えば、スラリーにおける水酸化リチウムの量は30重量%以下であることが望ましい。 Lithium hydroxide and hydrocarbon organic solvent are mixed to form a slurry. At this time, the amount of lithium hydroxide charged is not particularly limited, and may be set to an appropriate concentration in consideration of handling and transfer. For example, the amount of lithium hydroxide in the slurry is desirably 30% by weight or less.
水酸化リチウムと炭化水素系有機溶媒からなるスラリーに、硫化水素ガスを吹き込み、水酸化リチウムと硫化水素を反応させる。
使用する硫化水素にも特に制限はないが、高純度の硫化リチウムを得ることができることから、二酸化炭素やアンモニアガス等の不純物含有量の少ない硫化水素を使用することが好ましい。
硫化水素の吹き込み速度は、反応系の規模や反応条件等により適宜調整すればよい。
Hydrogen sulfide gas is blown into a slurry composed of lithium hydroxide and a hydrocarbon-based organic solvent to cause lithium hydroxide and hydrogen sulfide to react.
Although there is no restriction | limiting in particular also in the hydrogen sulfide to be used, Since high purity lithium sulfide can be obtained, it is preferable to use hydrogen sulfide with few impurity contents, such as a carbon dioxide and ammonia gas.
The blowing speed of hydrogen sulfide may be appropriately adjusted depending on the scale of the reaction system, reaction conditions, and the like.
反応時の圧力は、常圧であっても加圧であってもいずれでもかまわない。加圧することにより反応速度を大きくすることができ、使用する硫化水素量を低減することができる。加圧する場合の圧力は0.2〜3.0MPaが好ましい。 The pressure during the reaction may be normal pressure or increased pressure. By applying pressure, the reaction rate can be increased and the amount of hydrogen sulfide used can be reduced. The pressure for pressurization is preferably 0.2 to 3.0 MPa.
反応時の温度は、用いる炭化水素系有機溶媒の沸点と硫化水素の溶解度、反応時の圧力により異なるが、炭化水素系有機溶媒が水と共沸する温度以上で、反応時の圧力下における炭化水素系有機溶媒の沸点以下であることが好ましい。
反応温度としては、例えば、70℃〜300℃が好ましい。加熱下で反応させることにより、反応により生じた水をスラリー内から除去することができる。特に、上述した水と共沸組成を形成する溶媒を使用することにより、スラリー内から水を効率よく除去することができる。反応系から速やかに水分を除去することにより、反応系に水分が実質的に存在しない状態とすることができるため、硫化リチウムの結晶成長が進まず、比表面積の大きい硫化リチウムを得ることができる。
尚、水は反応系から蒸発した共沸ガスをコンデンサ等で凝縮することで系外に除去できる。この際、炭化水素系有機溶媒も除去されるが、除去された量を反応系に新たに追加してもよい。これにより、スラリー濃度等を調整できる。
The temperature during the reaction varies depending on the boiling point of the hydrocarbon organic solvent used, the solubility of hydrogen sulfide, and the pressure during the reaction, but it is above the temperature at which the hydrocarbon organic solvent azeotropes with water, and carbonization under the pressure during the reaction. The boiling point of the hydrogen-based organic solvent is preferred.
As reaction temperature, 70 to 300 degreeC is preferable, for example. By reacting under heating, water generated by the reaction can be removed from the slurry. In particular, by using a solvent that forms an azeotropic composition with water, the water can be efficiently removed from the slurry. By quickly removing moisture from the reaction system, it is possible to make the reaction system substantially free of moisture, so that lithium sulfide crystal growth does not proceed and lithium sulfide having a large specific surface area can be obtained. .
Water can be removed from the system by condensing the azeotropic gas evaporated from the reaction system with a condenser or the like. At this time, the hydrocarbon-based organic solvent is also removed, but the removed amount may be newly added to the reaction system. Thereby, slurry concentration etc. can be adjusted.
反応が進行し、反応系から原料である水酸化リチウムが消失すると、水の発生が止まる。本願において、系内の水分が実質的に無くなった後とは、反応系から蒸発する水分が観測されなくなった状態を意味する。水の発生が止まった後、硫化水素の吹き込みを止め、不活性ガスを吹き込む。この不活性ガスの吹き込みにより系内の残留する硫化水素を取り除くことも可能である。 When the reaction proceeds and lithium hydroxide as a raw material disappears from the reaction system, the generation of water stops. In the present application, after the water in the system has substantially disappeared, it means a state in which water evaporated from the reaction system is no longer observed. After the generation of water stops, stop blowing hydrogen sulfide and blow inert gas. Residual hydrogen sulfide in the system can be removed by blowing the inert gas.
脱硫化水素後、スラリーの固体成分と有機溶媒を分離し、乾燥することにより、硫化リチウムを回収できる。尚、後述するように、スラリーの状態で固体電解質の製造工程に使用してもよい。 After desulfurization, lithium sulfide can be recovered by separating and drying the solid component of the slurry and the organic solvent. As will be described later, it may be used in the production process of the solid electrolyte in a slurry state.
本発明の製造方法で得られる硫化リチウムは、比表面積が大きいものである。具体的に、比表面積が1.0m2/g以上とすることができる。比表面積が1.0m2/gに満たない場合、従来の方法で合成された硫化リチウムに比べ処理時間短縮の効果が得られない場合がある。
硫化リチウムの比表面積は、好ましくは1.5m2/g以上であり、より好ましくは10m2/g以上、100m2/g以上である。
The lithium sulfide obtained by the production method of the present invention has a large specific surface area. Specifically, the specific surface area can be 1.0 m 2 / g or more. When the specific surface area is less than 1.0 m 2 / g, the effect of shortening the treatment time may not be obtained as compared with lithium sulfide synthesized by the conventional method.
The specific surface area of lithium sulfide is preferably 1.5 m 2 / g or more, more preferably 10 m 2 / g or more, and 100 m 2 / g or more.
尚、比表面積はBET法により例えばAUTOSORB6を用いて測定する。窒素ガスを用いた窒素法の測定下限は1.0m2/gであるため、窒素法の測定下限以下の場合には、クリプトンガスを用いて測定することができる。 The specific surface area is measured by, for example, AUTOSORB 6 by the BET method. Since the measurement lower limit of the nitrogen method using nitrogen gas is 1.0 m 2 / g, the measurement can be performed using krypton gas when it is equal to or lower than the measurement lower limit of the nitrogen method.
リチウム二次電池等に用いられる硫化物系固体電解質は、上述した本発明の方法により得られた硫化リチウムを用いて製造できる。本発明のLi2Sを使用することにより、固体電解質を短時間で合成できるため生産性が高くなる。また、硫化物系固体電解質を所望の組成比で合成することができる。
以下、硫化物系固体電解質の製造工程の例を、図面を用いて説明する。尚、硫化物系固体電解質の製造工程は、本例に限定されるものではない。
A sulfide-based solid electrolyte used for a lithium secondary battery or the like can be produced using lithium sulfide obtained by the above-described method of the present invention. By using Li 2 S of the present invention, the solid electrolyte can be synthesized in a short time, so that productivity is increased. Moreover, a sulfide-based solid electrolyte can be synthesized at a desired composition ratio.
Hereinafter, an example of the production process of the sulfide-based solid electrolyte will be described with reference to the drawings. In addition, the manufacturing process of a sulfide type solid electrolyte is not limited to this example.
図1は、硫化物系固体電解質の製造工程を説明するための概略フロー図である。
図1に示す硫化物系固体電解質の製造工程は、主に、硫化リチウム(Li2S)製造工程1と固体電解質製造工程2からなる。
硫化リチウム(Li2S)製造工程1では、上述した本発明の製造方法にて、Li2Sを製造する。具体的に、反応槽11に水酸化リチウム(LiOH)と非水溶性有機溶媒を投入し、スラリー状とする。反応槽11内を加熱、撹拌しながら硫化水素(H2S)を供給し、Li2Sを得る。この際、反応時に発生する水は反応槽11外に除去される。
反応終了、即ち、水の発生が止まった後、H2Sの供給を停止し、不活性ガスにて脱硫化水素する。
FIG. 1 is a schematic flow diagram for explaining a production process of a sulfide-based solid electrolyte.
The manufacturing process of the sulfide-based solid electrolyte shown in FIG. 1 mainly includes a lithium sulfide (Li 2 S) manufacturing process 1 and a solid electrolyte manufacturing process 2.
In the lithium sulfide (Li 2 S) production process 1, Li 2 S is produced by the production method of the present invention described above. Specifically, lithium hydroxide (LiOH) and a water-insoluble organic solvent are charged into the reaction tank 11 to form a slurry. While heating and stirring the inside of the reaction vessel 11, hydrogen sulfide (H 2 S) is supplied to obtain Li 2 S. At this time, water generated during the reaction is removed outside the reaction tank 11.
After completion of the reaction, that is, generation of water stops, the supply of H 2 S is stopped and desulfurized with an inert gas.
上記製造工程1で得たLi2Sを、固体電解質製造工程2に供給する。この際、Li2Sは反応槽11からスラリー状のまま供給してもよく、スラリーから固液分離したLi2Sを供給してもよい。
固体電解質製造工程2では、製造工程1で得たLi2Sと他の硫化物を反応させる。具体的に、電解質反応槽21にLi2Sと他の硫化物(例えば、P2S5)を投入、混合した後、ビーズミル22に投入する。電解質反応槽21による混合と、ビーズミル22による混合、粉砕により、原料を反応させ固体電解質を得る。
Li 2 S obtained in the production process 1 is supplied to the solid electrolyte production process 2. At this time, Li 2 S may be supplied from the reaction tank 11 in a slurry state, or Li 2 S separated from the slurry may be supplied.
In the solid electrolyte production process 2, Li 2 S obtained in the production process 1 is reacted with other sulfides. Specifically, Li 2 S and other sulfides (for example, P 2 S 5 ) are charged into the electrolyte reaction tank 21, mixed, and then charged into the bead mill 22. The raw materials are reacted by mixing in the electrolyte reaction vessel 21 and mixing and pulverization in the bead mill 22 to obtain a solid electrolyte.
Li2Sと混合する硫化物としては、上述した硫化リン(P2S5)の他に、硫化ケイ素、硫化ホウ素、硫化ゲルマニウムから選択される1つ以上の硫化物が好ましく使用できる。特にP2S5が好ましい。
上記の硫化物については、特に限定はなく、市販されているものが使用できる。
As the sulfide mixed with Li 2 S, one or more sulfides selected from silicon sulfide, boron sulfide, and germanium sulfide can be preferably used in addition to the above-described phosphorus sulfide (P 2 S 5 ). P 2 S 5 is particularly preferable.
About said sulfide, there is no limitation in particular and what is marketed can be used.
上記原料(硫化リチウムと他の硫化物を含む)に、有機溶媒を加えた状態で反応させる。有機溶媒を加えた状態で反応させることで、処理時の造粒効果を抑制し、合成反応を効率的に促進できる。これにより、均一性に優れ、未反応原料の含有率が低い固体電解質を得ることができる。また、原料や反応物の器壁等への固着を防止することができ、製品の歩留を向上できる。 The above raw materials (including lithium sulfide and other sulfides) are reacted with an organic solvent added. By making it react in the state which added the organic solvent, the granulation effect at the time of a process can be suppressed and a synthetic reaction can be accelerated | stimulated efficiently. Thereby, the solid electrolyte which is excellent in uniformity and has a low content of unreacted raw materials can be obtained. Further, it is possible to prevent the raw materials and reactants from sticking to the vessel wall and the like, and to improve the product yield.
溶媒としては、飽和炭化水素、不飽和炭化水素又は芳香族炭化水素等の炭化水素系溶媒が使用できる。
飽和炭化水素としては、ヘキサン、ペンタン、2−エチルヘキサン、ヘプタン、デカン、シクロヘキサン等が挙げられる。
不飽和炭化水素しては、ヘキセン、ヘプテン、シクロヘキセン等が挙げられる。
芳香族炭化水素としては、トルエン、キシレン、デカリン、1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン等が挙げられる。
これらのうち、特にトルエン、キシレンが好ましい。
As the solvent, hydrocarbon solvents such as saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons, and aromatic hydrocarbons can be used.
Examples of the saturated hydrocarbon include hexane, pentane, 2-ethylhexane, heptane, decane, and cyclohexane.
Examples of the unsaturated hydrocarbon include hexene, heptene, cyclohexene and the like.
Aromatic hydrocarbons include toluene, xylene, decalin, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene and the like.
Of these, toluene and xylene are particularly preferable.
また、Li2Sの製造工程1で使用した炭化水素系有機溶媒と同じ溶媒を使用することも好ましい。本発明の硫化リチウムは、従来法で製造したものよりも不純物の発生が低いため、硫化リチウムの洗浄、精製をしなくても、製造工程1で得たスラリー状のまま電解質反応槽21に投入することができる。また、高沸点溶媒を使用しなくともよいので、乾燥も不要である。このように、Li2Sの製造と電解質の製造とで共通溶媒化できるので、硫化リチウムの固液分離、洗浄、精製、乾燥工程が削減できる。 Moreover, it is also preferable to use the same solvent as the hydrocarbon-based organic solvent used in Li 2 S production step 1. Since the lithium sulfide of the present invention generates less impurities than that produced by the conventional method, the slurry obtained in the production process 1 is charged into the electrolyte reaction vessel 21 without washing and refining lithium sulfide. can do. Moreover, since it is not necessary to use a high boiling point solvent, drying is also unnecessary. Thus, it is possible to commonly solvating between manufacturing and manufacturing the electrolyte of Li 2 S, solid-liquid separation of lithium sulfide, washing, purification, drying can be reduced.
有機溶媒中の水分量は、原料硫化物及び合成された硫化物系固体電解質との反応を考慮して、50ppm(重量)以下であることが好ましい。水分は反応により硫化物系固体電解質の変性を引き起こし、固体電解質の性能を悪化させる。そのため、水分量は低いほど好ましく、より好ましくは、30ppm以下であり、さらに好ましくは20ppm以下である。 The amount of water in the organic solvent is preferably 50 ppm (weight) or less in consideration of the reaction with the raw material sulfide and the synthesized sulfide solid electrolyte. Moisture causes the modification of the sulfide-based solid electrolyte due to the reaction, and deteriorates the performance of the solid electrolyte. Therefore, the lower the moisture content, the better, more preferably 30 ppm or less, and even more preferably 20 ppm or less.
反応時の硫化リチウムの仕込み量は、硫化リチウムと他の硫化物の合計に対し30〜95mol%とすることが好ましく、さらに、40〜85mol%とすることが好ましく、特に50〜75mol%とすることが好ましい。 The amount of lithium sulfide charged during the reaction is preferably 30 to 95 mol%, more preferably 40 to 85 mol%, particularly 50 to 75 mol%, based on the total of lithium sulfide and other sulfides. It is preferable.
有機溶媒の量は、原料である硫化リチウムと他の硫化物が、溶媒の添加により溶液又はスラリー状になる程度であることが好ましい。通常、溶媒1kgに対する原料(合計量)の添加量は0.03〜1Kg程度となる。好ましくは0.05〜0.5Kg、特に好ましくは0.1〜0.3Kgである。 The amount of the organic solvent is preferably such that the raw material lithium sulfide and other sulfides become a solution or slurry by the addition of the solvent. Usually, the amount of raw material (total amount) added to 1 kg of solvent is about 0.03 to 1 kg. Preferably it is 0.05-0.5Kg, Most preferably, it is 0.1-0.3Kg.
電解質反応槽21の温度は、60℃〜300℃であり、80℃〜200℃が好ましい。60℃未満ではガラス化反応に時間がかがり生産効率が十分ではない。300℃を超えると、好ましくない結晶が析出する場合がある。
また、ビーズミル22の温度は、20℃以上80℃以下、好ましくは20℃以上60℃以下である。処理温度が20℃未満の場合、固体電解質製造に要する反応時間が長くなる場合があり、80℃を超えると、容器、ボールの材質であるジルコニア、強化アルミナ、アルミナの強度低下が著しく起こるため、容器、ボールの磨耗、劣化や電解質へのコンタミが生じるおそれがある。
The temperature of the electrolyte reaction tank 21 is 60 ° C to 300 ° C, and preferably 80 ° C to 200 ° C. If it is less than 60 degreeC, it takes time for vitrification reaction and production efficiency is not enough. If it exceeds 300 ° C., undesirable crystals may be precipitated.
Moreover, the temperature of the bead mill 22 is 20 degreeC or more and 80 degrees C or less, Preferably they are 20 degreeC or more and 60 degrees C or less. If the treatment temperature is less than 20 ° C, the reaction time required for the production of the solid electrolyte may be long. If the treatment temperature exceeds 80 ° C, the strength of the zirconia, reinforced alumina, and alumina, which are the materials of the container and the ball, will significantly decrease. Containers and balls may be worn and deteriorated, and electrolyte contamination may occur.
ビーズミル22から取り出されたスラリーは、有機溶媒と固体電解質(硫化物ガラス)からなり、そのままの状態で結晶化加熱槽23に輸送される。
必要に応じて、固体電解質を結晶化加熱槽23にて結晶化し、硫化物結晶化ガラスとする。これにより、硫化物系固体電解質のイオン伝導性を向上できる。
結晶化における加熱温度は、200℃以上400℃以下、より好ましくは250〜320℃である。加熱時間は、1〜5時間が好ましく、特に1.5〜3時間が好ましい。尚、スラリー状態で撹拌しながら加熱するため、炭化水素系有機溶媒の蒸気圧により加圧状態となる。そのため、結晶化加熱槽はオートクレーブ等の耐圧反応器が用いられる。
The slurry taken out from the bead mill 22 consists of an organic solvent and a solid electrolyte (sulfide glass), and is transported to the crystallization heating tank 23 as it is.
If necessary, the solid electrolyte is crystallized in the crystallization heating tank 23 to obtain sulfide crystallized glass. Thereby, the ionic conductivity of the sulfide-based solid electrolyte can be improved.
The heating temperature in crystallization is 200 ° C. or more and 400 ° C. or less, more preferably 250 to 320 ° C. The heating time is preferably 1 to 5 hours, particularly preferably 1.5 to 3 hours. In addition, since it heats, stirring in a slurry state, it will be in a pressurized state with the vapor pressure of a hydrocarbon type organic solvent. Therefore, a pressure resistant reactor such as an autoclave is used for the crystallization heating tank.
反応後又は結晶化処理後、必要であれば乾燥機24にて硫化物系固体電解質を乾燥することもできる。尚、好ましい様態として、乾燥工程での加熱と結晶化工程の加熱を、1つの加熱工程とすることもできる。この場合は、遠心分離工程等によりスラリーを固液分離し、その後に乾燥機24により乾燥すればよい。
尚、電解質反応槽21にLi2Sと他の硫化物(例えば、P2S5)を投入、混合合成して(ビーズミル22を用いずに)固体電解質を製造してもよく、ビーズミル22による混合、粉砕により(電解質反応槽21を用いずに)、原料を反応させ固体電解質を製造してもよい。
After the reaction or crystallization treatment, the sulfide-based solid electrolyte can be dried with a dryer 24 if necessary. In a preferred embodiment, heating in the drying step and heating in the crystallization step can be made into one heating step. In this case, the slurry may be solid-liquid separated by a centrifugal separation process or the like and then dried by the dryer 24.
A solid electrolyte may be produced by charging Li 2 S and other sulfides (for example, P 2 S 5 ) into the electrolyte reaction tank 21 and mixing and synthesizing (without using the bead mill 22). The solid electrolyte may be produced by reacting the raw materials by mixing and pulverization (without using the electrolyte reaction tank 21).
以上、硫化物系固体電解質の製造方法を、図1を参照して説明したが、本固体電解質の製造方法は、上述の方法に限定されない。
例えば、粉砕機中で、少なくとも本発明の製造方法で製造した硫化リチウムと他の硫化物とを含む原料を、炭化水素系溶媒中で粉砕しつつ反応させて固体電解質を製造する固体電解質の製造方法であってもよい(特願2008−079753)。
また、反応槽中で、少なくとも本発明の製造方法で製造した硫化リチウムと他の硫化物とを含む原料を、炭化水素系溶媒中で反応させて固体電解質を製造する固体電解質の製造方法であってもよい(PCT/JP2008/067126)。
As mentioned above, although the manufacturing method of sulfide type solid electrolyte was demonstrated with reference to FIG. 1, the manufacturing method of this solid electrolyte is not limited to the above-mentioned method.
For example, production of a solid electrolyte in which a raw material containing at least lithium sulfide produced by the production method of the present invention and another sulfide is reacted in a pulverizer while being pulverized in a hydrocarbon solvent. It may be a method (Japanese Patent Application No. 2008-079753).
Further, it is a method for producing a solid electrolyte in which a raw material containing at least lithium sulfide produced by the production method of the present invention and another sulfide is reacted in a hydrocarbon solvent to produce a solid electrolyte. (PCT / JP2008 / 0667126).
また、粉砕機中で、少なくとも本発明の製造方法で製造した硫化リチウムと他の硫化物とを含む原料を、炭化水素系溶媒中で粉砕しつつ反応させて固体電解質を合成し、さらに、反応槽中で、少なくとも本発明の製造方法で製造した硫化リチウムと他の硫化物とを含む原料を、炭化水素系溶媒中で反応させて固体電解質を合成し、反応中の原料を、前記粉砕機と前記反応槽との間を循環させる固体電解質の製造方法であってもよい(特願2008−292967)。 Further, in the pulverizer, a raw material containing at least lithium sulfide produced by the production method of the present invention and other sulfides is reacted while being pulverized in a hydrocarbon solvent to synthesize a solid electrolyte, and further reacted. In a tank, a raw material containing at least lithium sulfide produced by the production method of the present invention and another sulfide is reacted in a hydrocarbon solvent to synthesize a solid electrolyte, and the raw material in the reaction is crushed by the pulverizer. And a method for producing a solid electrolyte that circulates between the reaction tank (Japanese Patent Application No. 2008-292967).
硫化物系固体電解質は、全固体リチウム二次電池の固体電解質層や、正極や負極合材に混合する固体電解質等としても使用できる。
例えば、正極と、負極と、正極及び負極の間に固体電解質からなる層を形成することで、全固体リチウム二次電池となる。
The sulfide-based solid electrolyte can also be used as a solid electrolyte layer of an all-solid lithium secondary battery, a solid electrolyte mixed with a positive electrode or a negative electrode mixture, or the like.
For example, an all-solid lithium secondary battery is formed by forming a positive electrode, a negative electrode, and a layer made of a solid electrolyte between the positive electrode and the negative electrode.
[硫化リチウムの作製]
実施例1
窒素気流下で非水溶性媒体としてパラキシレン(広島和光製試薬)270gを600mlセパラブルフラスコに加え、続いて水酸化リチウム30g(本荘ケミカル製)を投入し、フルゾーン撹拌翼300rpmで撹拌しながら、110℃に保持した。
スラリー中に硫化水素(巴商会製)を300ml/分の供給速度で吹き込みながら120℃まで昇温した。セパラブルフラスコからは、水とパラキシレンの共沸ガスが連続的に排出された。この共沸ガスを、系外のコンデンサで凝縮させることにより脱水した。この間、留出するパラキシレンと同量のパラキシレンを連続的に供給し、反応液レベルを一定に保持した。
凝縮液中の水分量は徐々に減少し、硫化水素導入後6時間で水の留出は認められなくなった(水分量は総量で22mlであった)。尚、反応の間は、パラキシレン中に固体が分散して撹拌された状態であり、パラキシレンから分層した水分は無かった。
この後、硫化水素を窒素に切り替え300ml/分で1時間流通した。
[Production of lithium sulfide]
Example 1
270 g of paraxylene (Hiroshima Wako reagent) as a water-insoluble medium under a nitrogen stream was added to a 600 ml separable flask, followed by charging with 30 g of lithium hydroxide (Honjo Chemical) and stirring with a full zone stirring blade at 300 rpm. Maintained at 110 ° C.
The temperature was raised to 120 ° C. while hydrogen sulfide (manufactured by Sakai Shokai) was blown into the slurry at a supply rate of 300 ml / min. From the separable flask, an azeotropic gas of water and para-xylene was continuously discharged. This azeotropic gas was dehydrated by condensing with a condenser outside the system. During this time, the same amount of paraxylene as the distilled paraxylene was continuously supplied to keep the reaction liquid level constant.
The amount of water in the condensate gradually decreased, and no distillation of water was observed 6 hours after the introduction of hydrogen sulfide (the total amount of water was 22 ml). During the reaction, the solid was dispersed and stirred in paraxylene, and there was no moisture separated from paraxylene.
Thereafter, the hydrogen sulfide was switched to nitrogen and circulated at 300 ml / min for 1 hour.
固形分をろ過・乾燥して白色粉末である硫化リチウムを得た。この粉末を分析したところ(塩酸滴定及び硝酸銀滴定)、硫化リチウムの純度は99.6%であった。X線回折測定したところ、硫化リチウムの結晶パターン以外のピークが検出されないことを確認した。
得られた硫化リチウムの比表面積を窒素ガスによるBET法で、AUTOSORB6を用いて測定した結果、14.8m2/gであった。
また、生成固体のイオンクロマト分析や反応後のパラキシレンのガスクロ分析等を行ったが、不純物は確認されなかった。
The solid content was filtered and dried to obtain white powder of lithium sulfide. When this powder was analyzed (hydrochloric acid titration and silver nitrate titration), the purity of lithium sulfide was 99.6%. X-ray diffraction measurement confirmed that no peaks other than the lithium sulfide crystal pattern were detected.
It was 14.8 m < 2 > / g as a result of measuring the specific surface area of the obtained lithium sulfide by BET method by nitrogen gas using AUTOSORB6.
Moreover, although ion chromatography analysis of the produced solid and gas chromatography analysis of para-xylene after the reaction were performed, no impurities were confirmed.
実施例2
実施例1において、非水溶性媒体としてトルエン(広島和光製試薬)270g、硫化水素吹き込み前の温度を95℃、吹き込み中及び後を104℃に変えた以外は同様にして硫化リチウムを得た。
固形分をろ過・乾燥して得た白色粉末を分析したところ(塩酸滴定及び硝酸銀滴定)、硫化リチウムの純度は99.2%であった。X線回折測定したところ、硫化リチウムの結晶パターン以外のピークが検出されないことを確認した。得られた硫化リチウムの比表面積を窒素ガスによるBET法で、AUTOSORB6を用いて測定した結果、12.6m2/gであった。
Example 2
In Example 1, lithium sulfide was obtained in the same manner except that 270 g of toluene (a reagent manufactured by Hiroshima Wako) was used as a water-insoluble medium, the temperature before blowing hydrogen sulfide was 95 ° C., and the temperature during and after blowing was changed to 104 ° C.
When the white powder obtained by filtering and drying the solid content was analyzed (hydrochloric acid titration and silver nitrate titration), the purity of lithium sulfide was 99.2%. X-ray diffraction measurement confirmed that no peaks other than the lithium sulfide crystal pattern were detected. It was 12.6 m < 2 > / g as a result of measuring the specific surface area of the obtained lithium sulfide by BET method by nitrogen gas using AUTOSORB6.
実施例3
実施例1において非水溶性媒体としてドデカン(広島和光製試薬)235.5g、硫化水素吹き込み前の温度を130℃、吹き込み中及び後を140℃に変えた以外は同様にして硫化リチウムを得た。
固形分をろ過・乾燥して得た白色粉末を分析したところ(塩酸滴定及び硝酸銀滴定)、硫化リチウムの純度は98.8%であった。X線回折測定したところ、硫化リチウムの結晶パターン以外のピークが検出されないことを確認した。得られた硫化リチウムの比表面積を窒素ガスによるBET法で、AUTOSORB6を用いて測定した結果、10.5m2/gであった。
Example 3
In Example 1, lithium sulfide was obtained in the same manner except that 235.5 g of dodecane (a reagent manufactured by Hiroshima Wako) was used as the water-insoluble medium, the temperature before blowing hydrogen sulfide was changed to 130 ° C., and the temperature during and after blowing was changed to 140 ° C. .
When the white powder obtained by filtering and drying the solid content was analyzed (hydrochloric acid titration and silver nitrate titration), the purity of lithium sulfide was 98.8%. X-ray diffraction measurement confirmed that no peaks other than the lithium sulfide crystal pattern were detected. It was 10.5 m < 2 > / g as a result of measuring the specific surface area of the obtained lithium sulfide by BET method by nitrogen gas using AUTOSORB6.
実施例4
実施例1において、セパラブルフラスコの代わりにオートクレーブを用い、圧力制御弁により系内を加圧状態に保ち反応を行った。
窒素気流下で非水溶性媒体としてパラキシレン(広島和光製試薬)270gを600mlオートクレーブに加え、続いて水酸化リチウム30g(本荘ケミカル製)を投入した。窒素ガスにより圧力を0.85MPaまで加圧し、この圧力に保持した。フルゾーン撹拌翼300rpmで撹拌しながら、200℃に保持した。
Example 4
In Example 1, an autoclave was used instead of the separable flask, and the reaction was carried out while maintaining the system in a pressurized state by a pressure control valve.
Under a nitrogen stream, 270 g of paraxylene (Hiroshima Wako reagent) as a water-insoluble medium was added to a 600 ml autoclave, and then 30 g of lithium hydroxide (Honjo Chemical) was added. The pressure was increased to 0.85 MPa with nitrogen gas, and this pressure was maintained. While stirring at 300 rpm with a full zone stirring blade, the temperature was maintained at 200 ° C.
スラリー中に硫化水素(巴商会製)を300ml/分の供給速度で吹き込みながら210℃まで昇温した。オートクレーブからは、水とパラキシレンの共沸ガスが連続的に排出された。この共沸ガスを、系外のコンデンサで凝縮させることにより脱水した。この間、留出するパラキシレンと同量のパラキシレンを連続的に供給した。 The temperature was raised to 210 ° C. while hydrogen sulfide (manufactured by Sakai Shokai) was blown into the slurry at a supply rate of 300 ml / min. From the autoclave, an azeotropic gas of water and paraxylene was continuously discharged. This azeotropic gas was dehydrated by condensing with a condenser outside the system. During this time, the same amount of paraxylene as the distilled paraxylene was continuously supplied.
凝縮液中の水分量は徐々に減少し、硫化水素導入後3時間で水の留出は認められなくなった(水分量は総量で22mlであった)。尚、反応の間は、パラキシレン中に固体が分散して撹拌された状態であり、パラキシレンから分層した水分は無かった。
この後、硫化水素の供給を停止し、オートクレーブを脱圧し、窒素ガスを300ml/分で1時間流通した。
The amount of water in the condensate gradually decreased, and water distillation was not observed 3 hours after the introduction of hydrogen sulfide (the total amount of water was 22 ml). During the reaction, the solid was dispersed and stirred in paraxylene, and there was no moisture separated from paraxylene.
Thereafter, the supply of hydrogen sulfide was stopped, the autoclave was depressurized, and nitrogen gas was circulated at 300 ml / min for 1 hour.
固形分をろ過・乾燥して白色粉末である硫化リチウムを得た。この粉末を分析したところ(塩酸滴定及び硝酸銀滴定)、硫化リチウムの純度は99.4%であった。X線回折測定したところ、硫化リチウムの結晶パターン以外のピークが検出されないことを確認した。
得られた硫化リチウムの比表面積を窒素ガスによるBET法で、AUTOSORB6を用いて測定した結果、16.2m2/gであった。
また、生成固体のイオンクロマト分析や反応後のパラキシレンのガスクロ分析等を行ったが、不純物は確認されなかった。
The solid content was filtered and dried to obtain white powder of lithium sulfide. When this powder was analyzed (hydrochloric acid titration and silver nitrate titration), the purity of lithium sulfide was 99.4%. X-ray diffraction measurement confirmed that no peaks other than the lithium sulfide crystal pattern were detected.
It was 16.2 m < 2 > / g as a result of measuring the specific surface area of the obtained lithium sulfide by BET method by nitrogen gas using AUTOSORB6.
Moreover, although ion chromatography analysis of the produced solid and gas chromatography analysis of para-xylene after the reaction were performed, no impurities were confirmed.
実施例5
実施例4において、非水溶性媒体としてパラキシレンをトルエン(広島和光製試薬)270gに代えた以外は同様にして硫化リチウムを得た。
固形分をろ過・乾燥して得た白色粉末を分析したところ(塩酸滴定及び硝酸銀滴定)、硫化リチウムの純度は99.0%であった。X線回折測定したところ、硫化リチウムの結晶パターン以外のピークが検出されないことを確認した。
得られた硫化リチウムの比表面積を窒素ガスによるBET法で、AUTOSORB6を用いて測定した結果、11.2m2/gであった。
Example 5
In Example 4, lithium sulfide was obtained in the same manner except that paraxylene was replaced with 270 g of toluene (a reagent manufactured by Hiroshima Wako) as the water-insoluble medium.
When the white powder obtained by filtering and drying the solid content was analyzed (hydrochloric acid titration and silver nitrate titration), the purity of lithium sulfide was 99.0%. X-ray diffraction measurement confirmed that no peaks other than the lithium sulfide crystal pattern were detected.
It was 11.2 m < 2 > / g as a result of measuring the specific surface area of the obtained lithium sulfide by BET method by nitrogen gas using AUTOSORB6.
比較例1
従来から知られている特許第3528866号に記載の方法に準じて硫化リチウムを合成した。まず、第一の工程として、極性溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン溶媒(以下NMPとする:広島和光製試薬)270gを600mlセパラブルフラスコに加え、続いて水酸化リチウム30g(本荘ケミカル製)を投入し、フルゾーン撹拌翼300rpmで撹拌しながら、130℃に保持した。ここで、液中に硫化水素(巴商会製)を300ml/分の供給速度で2時間吹き込んだ。その結果、LiOH+H2S→LiSH+H2O反応に従い水流化リチウム(LiSH)溶液が生成された。
Comparative Example 1
Lithium sulfide was synthesized according to the method described in Japanese Patent No. 3528866, which has been conventionally known. First, as a first step, 270 g of N-methyl-2-pyrrolidone solvent (hereinafter referred to as NMP: Hiroshima Wako Reagent), which is a polar solvent, is added to a 600 ml separable flask, followed by 30 g of lithium hydroxide (Honjo Chemical). ) And maintained at 130 ° C. while stirring with a full zone stirring blade of 300 rpm. Here, hydrogen sulfide (manufactured by Sakai Shokai) was blown into the liquid at a supply rate of 300 ml / min for 2 hours. As a result, a water flow lithium (LiSH) solution was produced according to the LiOH + H 2 S → LiSH + H 2 O reaction.
続いて、第二の工程としてこの反応液を窒素気流下(50ml/分)で昇温し水流化リチウムを脱硫化水素化した。前述の反応により副生成する水分が昇温するに従って蒸発するため、系外にコンデンサにより凝縮させて留去した。水分の留去に伴い温度が上昇するが、205℃に達した時点で温度を保持した。保持時間は2時間(脱硫化水素反応が終了し、硫化リチウムが安定に存在するようになる)とした。
冷却後、ガラス製フィルタにより減圧ろ過し、固形分をNMP溶媒により2倍希釈洗浄を3回実施し、さらにトルエン溶媒により同様に2回洗浄した。
乾燥後に得られた白色粉末をX線回折測定により、硫化リチウムの結晶パターン以外のピークが検出されないことを確認した。
得られた硫化リチウムの比表面積を窒素ガスによるBET法で、AUTOSORB6を用いて測定した結果、測定限界である1.0m2/g未満であった。そこで窒素ガスをクリプトンガスに変更し測定した。比表面積は0.04m2/gであった。
Subsequently, as a second step, the reaction solution was heated in a nitrogen stream (50 ml / min) to dehydrosulfide the hydrous lithium. Since water generated as a by-product due to the above reaction evaporates as the temperature rises, it was condensed outside the system by a condenser and distilled off. The temperature rises as the water is distilled off, but when the temperature reaches 205 ° C., the temperature is maintained. The holding time was 2 hours (desulfurization reaction was completed and lithium sulfide was present stably).
After cooling, the solution was filtered under reduced pressure using a glass filter, and the solid content was washed twice with NMP solvent three times and further washed twice with a toluene solvent.
It was confirmed by X-ray diffraction measurement that the white powder obtained after drying did not detect any peaks other than the lithium sulfide crystal pattern.
The specific surface area of the obtained lithium sulfide was measured by AETOSORB6 by the BET method using nitrogen gas, and as a result, it was less than 1.0 m 2 / g which is the measurement limit. Therefore, nitrogen gas was changed to krypton gas and measured. The specific surface area was 0.04 m 2 / g.
比較例2
比較例1と同様に、第一の工程として、極性溶媒であるN,N−ジメチルホルムアミド溶媒(以下DMFとする:広島和光製試薬)270gを600mlセパラブルフラスコに加え、続いて水酸化リチウム30g(本荘ケミカル製)を投入し、フルゾーン撹拌翼300rpmで撹拌しながら、100℃に保持した。
ここで、液中に硫化水素(巴商会製)を300ml/分の供給速度で吹き込んだところ、水流化リチウムの生成が確認されたものの、セパラブルフラスコの気相部壁面や系外コンデンサまでの上部配管に多量の白色固体が付着した。また、反応液粘度の上昇も認められた。
この白色固体は、アミン臭がしたことより、強アルカリである水酸化リチウムと、水流化反応での生成水存在下における極性溶媒DMFの分解に由来する生成物であると推定される。
白色固体による上部配管の閉塞の危険があったため、第二の工程である脱硫化水素反応を実施することができなった。
Comparative Example 2
As in Comparative Example 1, as a first step, 270 g of a polar solvent N, N-dimethylformamide solvent (hereinafter referred to as DMF: Hiroshima Wako Reagent) was added to a 600 ml separable flask, followed by 30 g of lithium hydroxide. (Honjo Chemical Co., Ltd.) was added and kept at 100 ° C. while stirring with a full zone stirring blade of 300 rpm.
Here, when hydrogen sulfide (manufactured by Keishokai Co., Ltd.) was blown into the liquid at a supply rate of 300 ml / min, the formation of hydrous lithium was confirmed, but the gas phase wall of the separable flask and the external condenser A large amount of white solid adhered to the upper pipe. An increase in the viscosity of the reaction solution was also observed.
This white solid is presumed to be a product derived from the decomposition of lithium hydroxide, which is a strong alkali, and the polar solvent DMF in the presence of water produced in the water flow reaction due to the amine odor.
Since there was a risk of clogging of the upper pipe with a white solid, the desulfurization reaction that was the second step could not be performed.
[固体電解質の作製]
実施例6
上記実施例1で作製したLi2S 16.27gと平均粒径50μm程度のP2S5(アルドリッチ社製)33.73gを10mmφアルミナボール175個が入った500mlアルミナ製容器に入れ密閉した。上記計量、密閉作業はすべてグローブボックス内で実施し、使用する器具類はすべて乾燥機で事前に水分除去したものを用いた。
この密閉したアルミナ容器を、遊星ボールミル(レッチェ社製PM400)にて室温下、所定時間メカニカルミリング処理を実施し、得られた白黄色の固体電解質ガラス粒子のX線回折測定(CuKα:λ=1.5418Å)をし、Li2S結晶ピークの有無を観測した。Li2Sの結晶ピークの消滅をもって固体電解質ガラスが生成したと判断できる。
その結果、Li2S結晶ピークが消滅する時間は14時間であった。
[Preparation of solid electrolyte]
Example 6
16.27 g of Li 2 S prepared in Example 1 above and 33.73 g of P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) having an average particle size of about 50 μm were placed in a 500 ml alumina container containing 175 10 mmφ alumina balls and sealed. The above weighing and sealing operations were all carried out in a glove box, and all the equipment used was water removed beforehand by a dryer.
This sealed alumina container was subjected to mechanical milling treatment at room temperature for a predetermined time using a planetary ball mill (PM400 manufactured by Lecce), and X-ray diffraction measurement (CuKα: λ = 1) of the white yellow solid electrolyte glass particles obtained. 5418) and the presence or absence of a Li 2 S crystal peak was observed. It can be determined that the solid electrolyte glass was formed with the disappearance of the Li 2 S crystal peak.
As a result, the time for the Li 2 S crystal peak to disappear was 14 hours.
比較例3
上記比較例1により作製したLi2Sを使用した他は、実施例6と同様にしてLi2S結晶ピークの有無を観測した。
その結果、Li2S結晶ピークが消滅するまでに36時間を要した。
Comparative Example 3
Except for using Li 2 S produced in Comparative Example 1, the presence or absence of a Li 2 S crystal peak was observed in the same manner as in Example 6.
As a result, it took 36 hours for the Li 2 S crystal peak to disappear.
実施例6と比較例3の比較から、本発明のLi2Sを使用することにより、固体電解質の製造時間を半分以下まで短縮できることが確認できた。 From the comparison between Example 6 and Comparative Example 3, it was confirmed that the production time of the solid electrolyte could be shortened to half or less by using Li 2 S of the present invention.
実施例7
ビーズミルで固体電解質を製造した。具体的に、実施例1で製造したLi2S 35.2gとP2S5(アルドリッチ社製)73.1gをアイメックス社製バッチ式レディーミル(RMB−08)により粉砕合成した。粉砕合成条件は、800mlZrO2製ポットに0.5mmφZrO2ビーズ1271g、無水トルエン溶媒252.7g、Li2S 35.2g、P2S5 73.1gを仕込み、回転数2000rpmで1.5時間処理し、固体電解質ガラス粒子スラリーを得た。この固体電解質ガラス粒子スラリーを、25μm目開きメッシュシートを用いたヌッチェ式真空ろ過を施し0.5mmφZrO2ビーズを分離除去し、固形分濃度が30%の固体電解質ガラストルエン混合液を得た。
乾燥後に得られた粒子のX線回折測定(CuKα:λ=1.5418Å)を行なった結果、原料Li2Sのピークが消滅し、ほぼ固体電解質ガラスに起因するハローパターンであった。乾燥粒子の回収率は98%であった。
上記固体電解質粒子をグローブボックス内Ar雰囲気下でSUS製チューブに密閉し、300℃、2時間の加熱処理を施し電解質ガラスセラミック粒子を得た。このガラスセラミック粒子のX線回折測定では、2θ=17.8、18.2、19.8、21.8、23.8、25.9、29.5、30.0degにピークが観測された。
Example 7
A solid electrolyte was produced with a bead mill. Specifically, 35.2 g of Li 2 S produced in Example 1 and 73.1 g of P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) were pulverized and synthesized by a batch-type ready mill (RMB-08) manufactured by Imex. Ground synthetic conditions, 0.5MmfaiZrO 2 beads 1271g to 800MlZrO 2 pot was charged anhydrous toluene solvent 252.7g, Li 2 S 35.2g, the P 2 S 5 73.1g, 1.5 hours at a rotation speed 2000rpm Thus, a solid electrolyte glass particle slurry was obtained. This solid electrolyte glass particle slurry was subjected to Nutsche-type vacuum filtration using a mesh sheet having a mesh size of 25 μm to separate and remove 0.5 mmφZrO 2 beads to obtain a solid electrolyte glass toluene mixed solution having a solid content concentration of 30%.
As a result of X-ray diffraction measurement (CuKα: λ = 1.54184) of the particles obtained after drying, the peak of the raw material Li 2 S disappeared, and it was almost a halo pattern due to the solid electrolyte glass. The recovery rate of dry particles was 98%.
The solid electrolyte particles were sealed in a SUS tube under an Ar atmosphere in a glove box, and subjected to heat treatment at 300 ° C. for 2 hours to obtain electrolyte glass ceramic particles. In the X-ray diffraction measurement of this glass ceramic particle, peaks were observed at 2θ = 17.8, 18.2, 19.8, 21.8, 23.8, 25.9, 29.5, 30.0 deg. .
比較例4
実施例5において、比較例1で製造したLi2Sを使用してビーズミルで固体電解質を製造した。具体的に、比較例1で製造したLi2S 35.2gとP2S5(アルドリッチ社製)73.1gをアイメックス社製バッチ式レディーミル(RMB−08)により粉砕合成した。粉砕合成条件は、800mlZrO2製ポットに0.5mmφZrO2ビーズ1271g、無水トルエン溶媒252.7g、Li2S 35.2g、P2S5 73.1gを仕込み、回転数2000rpmで1.5時間及び3.5時間処理し、それぞれ固体電解質ガラス粒子スラリーを得た。この固体電解質ガラス粒子スラリーを、25μm目開きメッシュシートを用いたヌッチェ式真空ろ過を施し0.5mmφZrO2ビーズを分離除去し、固形分濃度が30%の固体電解質ガラストルエン混合液を得た。
乾燥後に得られた粒子のX線回折測定(CuKα:λ=1.5418Å)を行なった結果、1.5時間処理した固体電解質ガラスでは原料Li2Sに起因するピークが2θ=26.8、31.0、44.6、52.8degに観測され、
3.5時間処理した粒子では、原料Li2Sのピークが消滅し、ほぼ固体電解質ガラスに起因するハローパターンであった。乾燥粒子の回収率はそれぞれ98%であった。
1.5時間処理した固体電解質粒子をグローブボックス内Ar雰囲気下でSUS製チューブに密閉し、300℃、2時間の加熱処理を施した電解質ガラスセラミック粒子では、X線回折測定によりLi2Sに起因するピークが依然として存在する一方、Li4P2S6に起因するピークが観測された。これに対して3.5時間処理し加熱処理を施した電解質ガラスセラミック粒子のX線回折測定では、2θ=17.8、18.2、19.8、21.8、23.8、25.9、29.5、30.0degにピークが観測された。
以上のことから、ビーズミルによる合成でも製造時間を半分以下にできることを確認した。
Comparative Example 4
In Example 5, a solid electrolyte was produced by a bead mill using Li 2 S produced in Comparative Example 1. Specifically, 35.2 g of Li 2 S and 73.1 g of P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) manufactured in Comparative Example 1 were pulverized and synthesized by a batch-type ready mill (RMB-08) manufactured by IMEX. The pulverization and synthesis conditions were as follows: an 800 ml ZrO 2 pot with 1271 g of 0.5 mmφZrO 2 beads, 252.7 g of anhydrous toluene solvent, 35.2 g of Li 2 S, and 73.1 g of P 2 S 5 , 1.5 hours at a rotational speed of 2000 rpm, It was treated for 3.5 hours to obtain solid electrolyte glass particle slurries. This solid electrolyte glass particle slurry was subjected to Nutsche-type vacuum filtration using a mesh sheet having a mesh size of 25 μm to separate and remove 0.5 mmφZrO 2 beads to obtain a solid electrolyte glass toluene mixed solution having a solid content concentration of 30%.
As a result of X-ray diffraction measurement (CuKα: λ = 1.54184) of the particles obtained after drying, in the solid electrolyte glass treated for 1.5 hours, the peak due to the raw material Li 2 S is 2θ = 26.8, Observed at 31.0, 44.6, 52.8 deg,
In the particles treated for 3.5 hours, the peak of the raw material Li 2 S disappeared, and the halo pattern was almost due to the solid electrolyte glass. The recovery rate of dry particles was 98%.
The solid electrolyte particles treated for 1.5 hours were sealed in a SUS tube in an Ar atmosphere in a glove box, and the electrolyte glass ceramic particles subjected to heat treatment at 300 ° C. for 2 hours were converted to Li 2 S by X-ray diffraction measurement. A peak due to Li 4 P 2 S 6 was observed while a peak due to it was still present. On the other hand, in the X-ray diffraction measurement of the electrolyte glass ceramic particles treated for 3.5 hours and heat-treated, 2θ = 17.8, 18.2, 19.8, 21.8, 23.8, 25. Peaks were observed at 9, 29.5 and 30.0 deg.
From the above, it was confirmed that the production time could be reduced to less than half even by synthesis with a bead mill.
実施例8
上記実施例1で作製したLi2S 1.63gと平均粒径50μm程度のP2S5(アルドリッチ社製)3.37gを500mlシュレンクビンに投入し、キシレン溶媒(脱水p−キシレン:和光純薬社製)を固形分濃度が30%になるように加え、撹拌子を用いて撹拌しながら140℃に昇温し、所定時間反応した。
反応時間毎のスラリーサンプルを注射器により5ml抜き出し、乾燥して得られた白黄色の固体電解質ガラス粒子のX線回折測定(CuKα:λ=1.5418Å)し、Li2S結晶ピークの有無を観測した。
その結果、Li2S結晶ピークが消滅する時間は22時間であった。
Example 8
1.63 g of Li 2 S prepared in Example 1 above and 3.37 g of P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) having an average particle size of about 50 μm were charged into a 500 ml Schlenk bottle, and a xylene solvent (dehydrated p-xylene: Wako Pure) (Manufactured by Yakuhin Co., Ltd.) was added so that the solid concentration was 30%, and the temperature was raised to 140 ° C. while stirring with a stirrer, and reacted for a predetermined time.
5 ml of a slurry sample for each reaction time is extracted with a syringe and dried to obtain white-yellow solid electrolyte glass particles, which are subjected to X-ray diffraction measurement (CuKα: λ = 1.5418 mm) and observed for the presence of a Li 2 S crystal peak. did.
As a result, it took 22 hours for the Li 2 S crystal peak to disappear.
比較例5
上記比較例1により作製したLi2Sを使用した他は、実施例8と同様にしてLi2S結晶ピークの有無を観測した。
その結果、Li2S結晶ピークが消滅するまでに48時間を要した。
Comparative Example 5
Except for using Li 2 S produced in Comparative Example 1, the presence or absence of a Li 2 S crystal peak was observed in the same manner as in Example 8.
As a result, it took 48 hours for the Li 2 S crystal peak to disappear.
実施例8と比較例5の比較から、本発明のLi2Sを使用することにより、固体電解質の製造時間を半分以下まで短縮できることが確認できた。 From the comparison between Example 8 and Comparative Example 5, it was confirmed that the production time of the solid electrolyte could be shortened to half or less by using Li 2 S of the present invention.
実施例9
図2に示す固体電解質製造装置にて固体電解質を製造した。この装置3では、ビーズミル30での反応と撹拌付き反応槽40での反応がある。
固体電解質製造装置3は、原料を粉砕しつつ反応させて固体電解質を合成するビーズミル30と、原料を反応させて固体電解質を合成する撹拌付き反応槽40とを備える。反応槽40は容器42と撹拌翼44からなる。撹拌翼44はモータ(M)により駆動される。
ビーズミル30には、ビーズミル30内を20℃〜80℃に保つために、ビーズミル30の周りに温水を通すことのできるヒーター50が設けられている。反応槽40は、反応槽40内を60℃〜300℃に保つために、オイルバス60に入っている。オイルバス60は容器42内の原料と溶媒を所定温度に加熱する。反応槽40には気化した溶媒を冷却して液化する冷却管46が設けられる。
ビーズミル30と反応槽40は、第1の連結管70と第2の連結管72(連結手段)で連結されている。第1の連結管70は、ビーズミル30内の原料と溶媒を反応槽40に移動させ、第2の連結部72は、反応槽40内の原料及び溶媒をビーズミル30内に移動させる。原料等を連結管50,52を通して循環するために、ポンプ74が、第2の連結管52に設けられている。
ビーズミル30としてアシザワ・ファインテック社製スターミルミニツェア(0.15L)を用い、0.5mmφジルコニアボールを仕込んで使用した。
反応槽40としては、撹拌機付の1.5Lガラス製反応器を使用した。
Example 9
A solid electrolyte was manufactured using the solid electrolyte manufacturing apparatus shown in FIG. In this apparatus 3, there are a reaction in the
The solid electrolyte manufacturing apparatus 3 includes a
The
The
A star mill mini-zea (0.15 L) manufactured by Ashizawa Finetech Co., Ltd. was used as the
As the
実施例1により製造したLi2S 39.05g(70mol%)とアルドリッチ社製P2S5 80.95g(30mol%)、広島和光純薬製社製 脱水トルエン 1080gを加えた混合物を、反応槽40及びビーズミル30に充填した。
ポンプ74により内容物を400mL/分の流量で循環させ、反応槽40を80℃になるまで昇温した。
ビーズミル30本体は、液温が70℃に保持できるよう外部循環により温水を通水し、周速8m/sの条件で運転した。6時間後にスラリーを抜き出し、150℃にて乾燥し白色粉末を得た。
得られた粉末のXRDを測定した結果、原料であるLi2Sのピークは消失し固体電解質ガラスとなっていることが判明した。
A reaction tank was prepared by adding 39.05 g (70 mol%) of Li 2 S produced in Example 1, 80.95 g (30 mol%) of P 2 S 5 (30 mol%) manufactured by Aldrich, and 1080 g of dehydrated toluene manufactured by Hiroshima Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 40 and
The contents were circulated by the
The main body of the
As a result of measuring the XRD of the obtained powder, it was found that the peak of Li 2 S as a raw material disappeared to become a solid electrolyte glass.
比較例6
比較例1で作製したLi2Sを用いた他は、実施例9と同様にして固体電解質を製造した。この場合、6時間後のスラリーから得た粉末のXRDを測定した結果、原料であるLi2Sのピークは消滅せず、処理が不十分であった。さらに処理を継続して12時間反応後に得られた粉末のXRDを測定した結果、原料であるLi2Sのピークは消失し固体電解質ガラスとなっていることが判明した。
Comparative Example 6
A solid electrolyte was produced in the same manner as in Example 9 except that Li 2 S produced in Comparative Example 1 was used. In this case, as a result of measuring the XRD of the powder obtained from the slurry after 6 hours, the peak of the raw material Li 2 S did not disappear, and the treatment was insufficient. Further, the XRD of the powder obtained after the reaction was continued for 12 hours, and as a result, it was found that the peak of Li 2 S as a raw material disappeared to become a solid electrolyte glass.
実施例9と比較例6の比較から、本発明のLi2Sを使用することにより、固体電解質の製造時間を半分程度まで短縮できることが確認できた。 From comparison between Example 9 and Comparative Example 6, it was confirmed that the production time of the solid electrolyte could be shortened to about half by using Li 2 S of the present invention.
製造例 [電池セルの作製]
正極集電体であるアルミニウム箔上に正極合材を積層させ、1MPa〜68MPaで加圧プレスし正極合材層を形成した。尚、正極合材は、実施例4又は6で製造した固体電解質と正極活物質であるコバルト酸リチウム系複合酸化物を、固体電解質30重量部に対して複合酸化物70重量部を添加混合して作製した。
同様に、負極集電体であるアルミニウム箔上に、固体電解質40重量部に対して負極活物質であるカーボン60重量部を混合した負極合材を用いて負極合材層を形成した。
先述の正極合材層上に、先述の固体電解質を用いて固体電解質層を同様に形成し、正負極集電体で挟持され、正極合材層、固体電解質層及び負極合材層の3層で構成された電池を作製した。この積層体に対して、さらに1MPa〜300MPaの圧力を印加して薄膜化した。
この積層体をアルミラミネートフィルムで挟み、真空状態下で加熱密閉化し電池セルを作製した。
ここで用いた正極活物質としては、コバルト酸リチウムの他、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、これらの複合酸化物等を実施し、電池として充放電可能なことを確認した。
同様に負極活物質としては、黒鉛をはじめとするカーボンブラック系、及びこれらの混合物、スズやケイ素等の金属粉末を実施し、電池として充放電可能なことを確認した。
Production example [Production of battery cells]
A positive electrode mixture was laminated on an aluminum foil, which was a positive electrode current collector, and pressed at 1 MPa to 68 MPa to form a positive electrode mixture layer. The positive electrode mixture was prepared by adding 70 parts by weight of the composite oxide to 30 parts by weight of the solid electrolyte and the solid electrolyte produced in Example 4 or 6 and the lithium cobaltate composite oxide as the positive electrode active material. Made.
Similarly, a negative electrode mixture layer was formed on an aluminum foil as a negative electrode current collector using a negative electrode mixture in which 60 parts by weight of carbon as a negative electrode active material was mixed with 40 parts by weight of a solid electrolyte.
A solid electrolyte layer is similarly formed on the positive electrode mixture layer described above using the solid electrolyte described above, and is sandwiched between positive and negative electrode current collectors. The positive electrode mixture layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode mixture layer are three layers. A battery constituted by was produced. The laminate was further thinned by applying a pressure of 1 MPa to 300 MPa.
The laminate was sandwiched between aluminum laminate films and heat-sealed under vacuum to produce a battery cell.
As the positive electrode active material used here, lithium nickelate, lithium manganate, a composite oxide thereof, and the like were implemented in addition to lithium cobaltate, and it was confirmed that the battery could be charged and discharged.
Similarly, as the negative electrode active material, carbon blacks such as graphite, mixtures thereof, and metal powders such as tin and silicon were implemented, and it was confirmed that the battery can be charged and discharged.
本発明の硫化リチウムの製造方法により、微小粒径の硫化リチウムを効率よく製造できる。また、本発明の硫化リチウムは、硫化物系固体電解質の原料として好適である。 According to the method for producing lithium sulfide of the present invention, lithium sulfide having a minute particle size can be produced efficiently. The lithium sulfide of the present invention is suitable as a raw material for sulfide-based solid electrolytes.
1 硫化リチウム製造工程
11 反応槽
2 固体電解質製造工程
21 電解質反応槽
22 ビーズミル
23 結晶化加熱槽
24 乾燥機
3 固体電解質製造装置
30 ビーズミル
40 撹拌付き反応槽
42 容器
44 撹拌翼
46 冷却管
50 ヒーター
60 オイルバス
70 第1の連結管
72 第2の連結管
74 ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lithium sulfide manufacturing process 11 Reaction tank 2 Solid electrolyte manufacturing process 21 Electrolyte reaction tank 22 Bead mill 23 Crystallization heating tank 24 Dryer 3 Solid
Claims (3)
前記反応により生じる水を、前記スラリーから除去しながら反応を継続し、
系内の水分が実質的に無くなった後、硫化水素の吹き込みを止め、不活性ガスを吹き込むことを特徴とする硫化リチウムの製造方法。 Into a slurry composed of lithium hydroxide and a hydrocarbon organic solvent, hydrogen sulfide gas is blown to react the lithium hydroxide with hydrogen sulfide.
The reaction is continued while removing water generated by the reaction from the slurry,
A method for producing lithium sulfide, characterized in that after water in the system is substantially exhausted, blowing of hydrogen sulfide is stopped and inert gas is blown.
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