JP2011129312A - 硫化物固体電解質材料の製造方法、硫化物固体電解質材料およびリチウム電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、Li2S、および第14族または第15族の元素の硫化物を、両者の合計に対するLi2Sの割合が、オルト組成を得るLi2Sの割合未満となるように混合してなる原料組成物を、第一ガラス化処理によりガラス化することにより、Li2Sを有さず、架橋硫黄を有する中間体を形成する第一ガラス化工程と、上記中間体に、上記架橋硫黄の結合を切断する結合切断用化合物を混合してなる中間体含有組成物を、第二ガラス化処理によりガラス化することにより、上記架橋硫黄を消失させる第二ガラス化工程と、を有することを特徴とする硫化物固体電解質材料の製造方法を提供することにより、上記課題を解決する。
【選択図】図1
Description
まず、本発明の硫化物固体電解質材料の製造方法について説明する。本発明の硫化物固体電解質材料の製造方法は、Li2S、および第14族または第15族の元素の硫化物を、両者の合計に対するLi2Sの割合が、オルト組成を得るLi2Sの割合未満となるように混合してなる原料組成物を、第一ガラス化処理によりガラス化することにより、Li2Sを有さず、架橋硫黄を有する中間体を形成する第一ガラス化工程と、上記中間体に、上記架橋硫黄の結合を切断する結合切断用化合物を混合してなる中間体含有組成物を、第二ガラス化処理によりガラス化することにより、上記架橋硫黄を消失させる第二ガラス化工程と、を有することを特徴とするものである。
本発明における第一ガラス化工程は、Li2S、および第14族または第15族の元素の硫化物を、両者の合計に対するLi2Sの割合が、オルト組成を得るLi2Sの割合未満となるように混合してなる原料組成物を、第一ガラス化処理によりガラス化することにより、Li2Sを有さず、架橋硫黄を有する中間体を形成する工程である。
次に、本発明における原料組成物について説明する。本発明における原料組成物は、Li2Sと、第14族または第15族の元素の硫化物との混合物である。原料組成物に含まれるLi2Sは、不純物が少ないことが好ましい。副反応を抑制することができるからである。Li2Sの合成方法としては、例えば特開平7−330312号公報に記載された方法等を挙げることができる。さらに、Li2Sは、WO2005/040039に記載された方法等を用いて精製されていることが好ましい。
次に、本発明における第一ガラス化処理について説明する。本発明における第一ガラス化処理は、上述した原料組成物を非晶質化し、Li2Sを有さず、架橋硫黄を有する中間体を形成する処理である。第一ガラス化処理としては、例えばメカニカルミリング法および溶融急冷法を挙げることができ、中でもメカニカルミリング法が好ましい。常温での処理が可能になり、製造工程の簡略化を図ることができるからである。
次に、本発明における第二ガラス化工程について説明する。本工程は、上記中間体に、上記架橋硫黄の結合を切断する結合切断用化合物を混合してなる中間体含有組成物を、第二ガラス化処理によりガラス化することにより、上記架橋硫黄を消失させる工程である。
本発明における中間体含有組成物は、上記第一ガラス化工程で得られた中間体と、上記中間体に含まれる架橋硫黄の結合を切断する結合切断用化合物との混合物である。結合切断用化合物としては、特に限定されるものではないが、例えば、架橋硫黄と反応し得るアルカリ化合物を挙げることができ、中でも、Li2O、Li2O2、Li3N、Na2O、K2O、MgO、CaO等を挙げることができ、特にLi2Oが好ましい。Li2OにおけるO元素が、中間体に含まれる架橋硫黄を効率良く切断することができるからである。さらに、Li2Oは、Li元素を有することから、架橋硫黄を切断して得られる硫化物固体電解質材料のLiイオン伝導性を向上させることができる。
次に、本発明における第二ガラス化処理について説明する。本発明における第二ガラス化処理は、上述した中間体含有組成物を非晶質化し、上記架橋硫黄を消失させる処理である。第二ガラス化処理としては、例えばメカニカルミリング法および溶融急冷法を挙げることができ、中でもメカニカルミリング法が好ましい。常温での処理が可能になり、製造工程の簡略化を図ることができるからである。
本発明においては、上述した第一ガラス化工程および第二ガラス化工程により得られたことを特徴とする硫化物固体電解質材料を提供することができる。
次に、本発明の硫化物固体電解質材料について説明する。本発明の硫化物固体電解質材料は、Li、第14族または第15族の元素、OおよびSを含有し、架橋硫黄を実質的に含有せず、Li2S含有量が1モル%以下であることを特徴とするものである。
次に、本発明のリチウム電池について説明する。本発明のリチウム電池は、正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された電解質層と、を有するリチウム電池であって、上記正極活物質層、上記負極活物質層および上記電解質層の少なくとも一つが、上述した硫化物固体電解質材料を含有することを特徴とするものである。
以下、本発明のリチウム電池について、構成ごとに説明する。
まず、本発明における電解質層について説明する。本発明における電解質層は、正極活物質層および負極活物質層の間に形成される層である。電解質層は、Liイオンの伝導を行うことができる層であれば特に限定されるものではないが、固体電解質材料から構成される固体電解質層であることが好ましい。安全性の高いリチウム電池(全固体電池)を得ることができるからである。さらに、本発明においては、固体電解質層が、上述した硫化物固体電解質材料を含有することが好ましい。固体電解質層に含まれる上記硫化物固体電解質材料の割合は、例えば10体積%〜100体積%の範囲内、中でも50体積%〜100体積%の範囲内であることが好ましい。特に、本発明においては、固体電解質層が上記硫化物固体電解質材料のみから構成されていることが好ましい。硫化水素発生量の少ないリチウム電池を得ることができるからである。固体電解質層の厚さは、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内、中でも0.1μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。また、固体電解質層の形成方法としては、例えば、固体電解質材料を圧縮成形する方法等を挙げることができる。
次に、本発明における正極活物質層について説明する。本発明における正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有していても良い。特に、本発明においては、正極活物質層に含まれる固体電解質材料が、上述した硫化物固体電解質材料であることが好ましい。硫化水素発生量の極めて少ないリチウム電池を得ることができるからである。正極活物質層に含まれる硫化物固体電解質材料の割合は、リチウム電池の種類によって異なるものであるが、例えば0.1体積%〜80体積%の範囲内、中でも1体積%〜60体積%の範囲内、特に10体積%〜50体積%の範囲内であることが好ましい。また、正極活物質としては、例えばLiCoO2、LiMnO2、Li2NiMn3O8、LiVO2、LiCrO2、LiFePO4、LiCoPO4、LiNiO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等を挙げることができる。
次に、本発明における負極活物質層について説明する。本発明における負極活物層は、少なくとも負極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有していても良い。特に、本発明においては、負極活物質層に含まれる固体電解質材料が、上述した硫化物固体電解質材料であることが好ましい。硫化水素発生量の極めて少ないリチウム電池を得ることができるからである。負極活物質層に含まれる硫化物固体電解質材料の割合は、リチウム電池の種類によって異なるものであるが、例えば0.1体積%〜80体積%の範囲内、中でも1体積%〜60体積%の範囲内、特に10体積%〜50体積%の範囲内であることが好ましい。また、負極活物質としては、例えば金属活物質およびカーボン活物質を挙げることができる。金属活物質としては、例えばIn、Al、SiおよびSn等を挙げることができる。一方、カーボン活物質としては、例えばメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。なお、負極活物質層に用いられる導電化材および結着材については、上述した正極活物質層における場合と同様である。また、負極活物質層の厚さは、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内である。
本発明のリチウム電池は、上述した正極活物質層、電解質層および負極活物質層を少なくとも有するものである。さらに通常は、正極活物質層の集電を行う正極集電体、および負極活物質の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体の材料としては、例えばSUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができ、中でもSUSが好ましい。一方、負極集電体の材料としては、例えばSUS、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができ、中でもSUSが好ましい。また、正極集電体および負極集電体の厚さや形状等については、リチウム電池の用途等に応じて適宜選択することが好ましい。また、本発明に用いられる電池ケースには、一般的なリチウム電池の電池ケースを用いることができる。電池ケースとしては、例えばSUS製電池ケース等を挙げることができる。また、本発明のリチウム電池が全固体電池である場合、発電要素を絶縁リングの内部に形成しても良い。
本発明のリチウム電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。本発明のリチウム電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。
出発原料として、硫化リチウム(Li2S)と五硫化リン(P2S5)とを用いた。これらの粉末をアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、Li2S:P2S5=70:30のモル比となるように秤量し、メノウ乳鉢で混合し、原料組成物1gを得た。次に、得られた原料組成物1gを45mlのジルコニアポットに投入し、さらにジルコニアボール(Φ10mm、10個)を投入し、ポットを完全に密閉した。このポットを遊星型ボールミル機に取り付け、台盤回転数370rpmで20時間メカニカルミリングを行い、硫化物固体電解質材料の中間体(70Li2S・30P2S5ガラス)を得た。次に、得られた中間体に、xLi2O・(1−x)(70Li2S・30P2S5)の組成において、x=0.17のモル比となるように、酸化リチウム(Li2O)を添加し、上記と同様に台盤回転数370rpmで40時間メカニカルミリングを行い、硫化物固体電解質材料(17Li2O・58Li2S・25P2S5ガラス)を得た。
xLi2O・(1−x)(70Li2S・30P2S5)の組成において、x=0.20のモル比となるように、酸化リチウム(Li2O)を添加したこと以外は、実施例1と同様にして硫化物固体電解質材料(20Li2O・56Li2S・24P2S5ガラス)を得た。
xLi2O・(1−x)(70Li2S・30P2S5)の組成において、x=0.25のモル比となるように、酸化リチウム(Li2O)を添加したこと以外は、実施例1と同様にして硫化物固体電解質材料(25Li2O・52.5Li2S・22.5P2S5ガラス)を得た。
出発原料として、硫化リチウム(Li2S)と、五硫化リン(P2S5)と、酸化リチウム(Li2O)とを用いた。これらの粉末をアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、xLi2O・(1−x)(70Li2S・30P2S5)の組成において、x=0.17のモル比となるように秤量し、メノウ乳鉢で混合し、原料組成物1gを得た。次に、得られた原料組成物1gを45mlのジルコニアポットに投入し、さらにジルコニアボール(Φ10mm、10個)を投入し、ポットを完全に密閉した。このポットを遊星型ボールミル機に取り付け、台盤回転数370rpmで40時間メカニカルミリングを行い、硫化物固体電解質材料(17Li2O・58Li2S・25P2S5ガラス)を得た。
xLi2O・(1−x)(70Li2S・30P2S5)の組成において、x=0.20のモル比となるように変更したこと以外は、比較例1と同様にして、硫化物固体電解質材料(20Li2O・56Li2S・24P2S5ガラス)を得た。
xLi2O・(1−x)(70Li2S・30P2S5)の組成において、x=0.25のモル比となるように変更したこと以外は、比較例1と同様にして、硫化物固体電解質材料(25Li2O・52.5Li2S・22.5P2S5ガラス)を得た。
出発原料として、硫化リチウム(Li2S)と五硫化リン(P2S5)とを用いた。これらの粉末をアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、Li2S:P2S5=75:25のモル比となるように秤量し、メノウ乳鉢で混合し、原料組成物1gを得た。次に、得られた原料組成物1gを45mlのジルコニアポットに投入し、さらにジルコニアボール(Φ10mm、10個)を投入し、ポットを完全に密閉した。このポットを遊星型ボールミル機に取り付け、台盤回転数370rpmで40時間メカニカルミリングを行い、硫化物固体電解質材料(75Li2S・25P2S5ガラス)を得た。
(硫化水素発生量の測定)
実施例1〜3および比較例1〜4で得られた硫化物固体電解質材料を用いて、硫化水素発生量の測定を行った。硫化水素の発生量は以下のように測定した。すなわち、硫化物固体電解質材料の粉末を100mg秤量し、その粉末を密閉された1755ccのデシケータ(大気雰囲気、温度25℃、湿度50%)の中に入れ、硫化水素検知センサー(GX−2009、理研計器社製)によって硫化水素の発生量を測定した。その結果を図4および図5に示す。図4に示されるように、実施例1〜3では、いずれもセンサーの検出限界(0.009cc/g)以下であることが確認された。なお、図4に示される75Li2S・25P2S5の結果は、比較例4を参照として記載したものである。一方、図5に示されるように、比較例1〜4では、硫化水素の発生が確認された。
実施例1〜3および比較例1〜3で得られた硫化物固体電解質材料を用いて、X線回折測定を行った。その結果を図6および図7に示す。図6に示されるように、実施例1では、Li2OおよびLi2Sの合計が75mol%になるため、Li2Oのピークは検出されなかった。これに対して、実施例2および実施例3では、Li2OおよびLi2Sの合計が75mol%を超えるため、Li2Oのピークが検出された。同様に、図7に示されるように、比較例1では、Li2OおよびLi2Sの合計が75mol%になるため、Li2Oのピークは検出されなかった。これに対して、比較例2および比較例3では、Li2OおよびLi2Sの合計が75mol%を超えるため、Li2Oのピークが検出された。また、実施例2のLi2Oのピークと、比較例2のLi2Oのピークとを比べると、実施例2の方がやや鮮明であった。同様に、実施例3のLi2Oのピークと、比較例3のLi2Oのピークとを比べると、実施例3の方がやや鮮明であった。これは、実施例においては、二段階に分けてガラス化処理を行っているため、中間体に含まれるLi2Sと、Li2Oとが効率良く反応したためであると推測される。
実施例1〜3および比較例1〜4で得られた硫化物固体電解質材料を用いて、Liイオン伝導度測定を行った。Liイオン伝導度は以下のように測定した。すなわち、硫化物固体電解質材料の粉末をペレット化し、交流インピーダンス法によって室温でのLiイオン伝導度を測定した。その結果を図9に示す。図9に示すように、実施例1〜3は、それぞれ比較例1〜3に対して、高いLiイオン伝導性を示した。さらに、実施例2(Li2O=20mol%)付近で、Liイオン伝導度が極大値を取り、その値は1.6×10−4S/cmであった。これに対して、比較例2では、Liイオン伝導度が1.2×10−4S/cmであった。このことから、実施例2では、比較例2に対して、約1.3倍のLiイオン伝導性を有することが確認された。
比較例1〜4で得られた硫化物固体電解質材料を用いて、X線光分子分光測定を行った。その結果を、それぞれ図10〜図13に示す。図10〜図13に示されるように、X線回折測定では検出できないLi2Sが、XPSでは検出された。また、上述したピーク分離の条件により、Li2S含有量を測定したところ、比較例1ではLi2S含有量が3モル%であり、比較例2ではLi2S含有量が2モル%であり、比較例3ではLi2S含有量が1.5モル%であり、比較例4ではLi2S含有量が4.7モル%であった。
2 … 負極活物質層
3 … 電解質層
10 … 発電要素
Claims (16)
- Li2S、および第14族または第15族の元素の硫化物を、両者の合計に対するLi2Sの割合が、オルト組成を得るLi2Sの割合未満となるように混合してなる原料組成物を、第一ガラス化処理によりガラス化することにより、Li2Sを有さず、架橋硫黄を有する中間体を形成する第一ガラス化工程と、
前記中間体に、前記架橋硫黄の結合を切断する結合切断用化合物を混合してなる中間体含有組成物を、第二ガラス化処理によりガラス化することにより、前記架橋硫黄を消失させる第二ガラス化工程と、
を有することを特徴とする硫化物固体電解質材料の製造方法。 - 前記第二ガラス化工程において、前記結合切断用化合物を、架橋硫黄を実質的に含有しない硫化物固体電解質材料が得られる割合で添加することを特徴とする請求項1に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法。
- 前記結合切断用化合物が、Li2Oであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法。
- 前記第14族または第15族の元素の硫化物がP2S5であり、
前記原料組成物において、前記Li2Sおよび前記P2S5の合計に対する前記Li2Sの割合が、モル基準で75%未満であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法。 - 前記中間体含有組成物において、前記Li2S、前記P2S5および前記Li2Oの合計に対する前記Li2Sおよび前記Li2Oの合計の割合が、モル基準で75%以上であることを特徴とする請求項4に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法。
- 前記第14族または第15族の元素の硫化物がGeS2あり、
前記原料組成物において、前記Li2Sおよび前記GeS2の合計に対する前記Li2Sの割合が、モル基準で66.7%未満であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法。 - 前記中間体含有組成物において、前記Li2S、前記GeS2および前記Li2Oの合計に対する前記Li2Sおよび前記Li2Oの合計の割合が、モル基準で66.7%以上であることを特徴とする請求項6に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法。
- 前記第14族または第15族の元素の硫化物がSiS2あり、
前記原料組成物において、前記Li2Sおよび前記SiS2の合計に対する前記Li2Sの割合が、モル基準で66.7%未満であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法。 - 前記中間体含有組成物において、前記Li2S、前記SiS2および前記Li2Oの合計に対する前記Li2Sおよび前記Li2Oの合計の割合が、モル基準で66.7%以上であることを特徴とする請求項8に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法。
- 前記第一ガラス化処理が、メカニカルミリングであることを特徴とする請求項1から請求項9までのいずれかの請求項に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法。
- 前記第二ガラス化処理が、メカニカルミリングであることを特徴とする請求項1から請求項10までのいずれかの請求項に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法。
- Li、第14族または第15族の元素、OおよびSを含有し、
架橋硫黄を実質的に含有せず、Li2S含有量が1モル%以下であることを特徴とする硫化物固体電解質材料。 - 前記第14族または第15族の元素が、Pであることを特徴とする請求項12に記載の硫化物固体電解質材料。
- Li2S、P2S5およびLi2Oをガラス化してなるものであることを特徴とする請求項13に記載の硫化物固体電解質材料。
- Li2O相を有することを特徴とする請求項12から請求項14までのいずれかの請求項に記載の硫化物固体電解質材料。
- 正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、前記正極活物質層および前記負極活物質層の間に形成された電解質層と、を有するリチウム電池であって、
前記正極活物質層、前記負極活物質層および前記電解質層の少なくとも一つが、請求項12から請求項15までのいずれかの請求項に記載の硫化物固体電解質材料を含有することを特徴とするリチウム電池。
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