JP2011181495A - Inorganic electrolyte and lithium secondary battery using the same - Google Patents

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繁雄 近藤
Kazuo Takei
一男 竹井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ionic conductive inorganic solid electrolyte high in ionic conductivity, high in thermal-electrochemical stability, and suitable as a material for an electronic device, especially a lithium ion secondary battery; and to provide the lithium ion secondary battery high in reliability, using the electrolyte. <P>SOLUTION: The inorganic solid electrolyte containing lithium sulfide contains 1 mol% or less of aluminum compound to the raw material composition. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、無機電解質とその用途に関する。より詳しくは、全固体リチウムイオン電池の電解質や電極活物質との合材として好適に用いることができる硫化物系リチウムイオン伝導性無機固体電解質とそれを用いた電子デバイス、蓄電材料、リチウム二次および、リチウム一次電池用材料に関する。   The present invention relates to an inorganic electrolyte and its use. More specifically, a sulfide-based lithium ion conductive inorganic solid electrolyte that can be suitably used as a composite material with an electrolyte or electrode active material of an all-solid-state lithium ion battery, an electronic device using the same, an electricity storage material, a lithium secondary The present invention also relates to a material for a lithium primary battery.

近年、環境問題への関心の高まりを背景に、石油や石炭等の化石燃料から風力や太陽光等の再生可能エネルギーへの転換が進められており、これらから得たエネルギーの貯蔵手段として、電池が注目されている。中でも、繰り返し充放電を行うことができる二次電池は、携帯電話やノートパソコン等の電子機器だけでなく、自動車や航空機等、様々な分野においても使用が広がり、それにつれて各種二次電池や二次電池に用いられる材料について、より性能の向上を目指した研究、開発が行われている。特に、容量が大きく、軽量のリチウムイオン電池については、今後の利用の拡大が更に期待される二次電池であり、最も研究、開発が活発に行われている電池である。
しかし、現在使用されているリチウム二次電池のほとんどは、電池内部に化学的、あるいは電気化学的に反応性の高いリチウムが使われており、更に、引火性、可燃性を有する有機溶媒を電解液に使用している。そのため、実使用時に於いて、高温時や過充電・過放電状態での信頼性に課題を有し、甚だしい時には、発火や破裂爆発のような事態が起こる危険性が秘められている。その結果、現時点では、その安全性を高めることは極めて重要な課題となっている。
特に、リチウム二次電池の高いエネルギー密度を生かした用途展開として、ハイブリッド車用電源など車載電源としての研究には、更なる高エネルギー密度化が要求され、その結果、電池内部に含まれる信頼性阻害要因物質が増大させる事になり、より一層のリチウム二次電池の安全性を確保することが、より一層、重要な課題となっている。
In recent years, against the backdrop of growing interest in environmental issues, the shift from fossil fuels such as oil and coal to renewable energy such as wind and solar has been promoted. Is attracting attention. Among them, secondary batteries that can be repeatedly charged and discharged are used not only in electronic devices such as mobile phones and laptop computers, but also in various fields such as automobiles and airplanes. Research and development has been conducted with the aim of improving the performance of materials used in secondary batteries. In particular, a lithium-ion battery having a large capacity and a light weight is a secondary battery that is expected to expand further in the future, and is a battery that is most actively researched and developed.
However, most of the lithium secondary batteries currently used use lithium that is chemically or electrochemically highly reactive inside the battery, and in addition, electrolysis of flammable and flammable organic solvents is required. Used for liquid. Therefore, in actual use, there is a problem in reliability at high temperatures or in an overcharge / overdischarge state, and there is a danger of occurrence of a situation such as ignition or burst explosion in severe cases. As a result, at the present time, increasing the safety is a very important issue.
In particular, as a development of applications that make use of the high energy density of lithium secondary batteries, research on in-vehicle power sources such as power sources for hybrid vehicles requires higher energy density, and as a result, the reliability contained in the battery. Inhibitory substances are increased, and it is an even more important issue to secure further safety of the lithium secondary battery.

こうした技術的要求の流れに対し、従来の電池に用いられてきた引火性・可燃性を有する有機溶媒を用いた有機電解質の代わりに、高分子材料や無機材料を用いたリチウムイオン伝導性固体電解質材料の研究及びそれを用いた全固体リチウム二次電池の研究開発が盛んとなっている。特に、無機材料を用いたリチウムイオン伝導性固体電解質は引火性・可燃性がないことに加え、耐熱性や電気化学的な安定性が高いことから研究が進められ、今日では、有機電解液に匹敵するイオン伝導度を有する固体電解質も得られるようになってきている。中でも、リチウムイオン伝導性固体電解質として、その構成材料に、硫黄原子を含む硫化物系リチウムイオン伝導体およびそれを用いた全固体リチウム二次電池の研究が盛んとなっている。この硫化物系リチウムイオン伝導体には非晶質系と結晶質系、およびその混合体の存在が知られている。更に、これら材料には、シリコンあるいはゲルマニウムやリンなどの原子を含む系が知られている。   In response to these technical demands, lithium ion conductive solid electrolytes using polymer materials or inorganic materials instead of organic electrolytes using flammable and flammable organic solvents used in conventional batteries. Research on materials and research and development of all-solid-state lithium secondary batteries using the materials have been active. In particular, lithium-ion conductive solid electrolytes using inorganic materials are not only flammable and flammable, but are also researched because of their high heat resistance and electrochemical stability. Solid electrolytes with comparable ionic conductivity have also been obtained. In particular, as lithium ion conductive solid electrolytes, researches on sulfide-based lithium ion conductors containing sulfur atoms in their constituent materials and all-solid lithium secondary batteries using the same have been active. It is known that the sulfide-based lithium ion conductor includes an amorphous system, a crystalline system, and a mixture thereof. Furthermore, systems containing atoms such as silicon or germanium and phosphorus are known as these materials.

中でも、シリコン、ゲルマニウム等の原子を含んだ電解質を用いて電池を構成すると、電池充電時に、負極の電位がリチウムの可逆析出電位近傍まで分極され、電解質中のシリコン、ゲルマニウムが還元される為、負極電池性能に課題を有している。その為、これらの原子を含まない電解質、例えばLiS−P系電解質が注目を浴びている。
しかしながら、この電解質を合成するに際しては、構成材料の1つであるP(硫化リン)の蒸気圧が高い為、アンプル管内に出発原料を充填したものを真空で封じ、これを900℃近い温度で加熱溶融し、その後液体窒素を用い急冷することで、この系のリチウムイオン伝導性ガラスを合成する必要があった。即ち、この材料の合成に於いて、常圧での合成が困難で有る事、又、合成したガラス状電解質のイオン伝導度が約0.1mS/cmで、実用電池に適用するには低い為、余り研究が進んでいなかった。
Among them, when a battery is configured using an electrolyte containing atoms such as silicon and germanium, the potential of the negative electrode is polarized to the vicinity of the reversible deposition potential of lithium during battery charging, and silicon and germanium in the electrolyte are reduced. There is a problem in negative electrode battery performance. Therefore, an electrolyte that does not contain these atoms, for example, a Li 2 S—P 2 S 5 electrolyte, has attracted attention.
However, when synthesizing this electrolyte, the vapor pressure of P 2 S 5 (phosphorus sulfide), which is one of the constituent materials, is high, so that the ampule tube filled with the starting material is sealed in a vacuum, and this is sealed at 900 ° C. It was necessary to synthesize lithium ion conductive glass of this system by heating and melting at a close temperature and then rapidly cooling with liquid nitrogen. That is, in the synthesis of this material, it is difficult to synthesize at normal pressure, and the ionic conductivity of the synthesized glassy electrolyte is about 0.1 mS / cm, which is low for application to a practical battery. So much research was not progressing.

しかし、近年、この材料の新しい合成方法として、合成の為の出発原料を遊星ボールミルで高速、長時間混合することで、リチウムイオン伝導性が出現することが判明し、常圧下での製造方法が開示されるに至り、急速にこの材料についての研究および全固体リチウム二次電池への適用検討が活発化してきた(特許文献1)。今日では、この材料の結晶成長状態について種々検討が進められた結果、約1〜5mS/cmのイオン伝導性電解質が合成可能となっている(特許文献2)。しかし、この材料には、非晶質と結晶質が存在しており、その存在比率が一定なものを合成することが出来ない為、これを用い電池を構成した場合の電池性能を一定にする事が困難であるという課題を有している。   However, in recent years, as a new synthesis method of this material, it has been found that lithium ion conductivity appears by mixing starting materials for synthesis at a high speed for a long time with a planetary ball mill. As a result of the disclosure, research on this material and examination of application to an all-solid lithium secondary battery have been activated rapidly (Patent Document 1). Today, as a result of various studies on the crystal growth state of this material, an ion conductive electrolyte of about 1 to 5 mS / cm can be synthesized (Patent Document 2). However, this material has both amorphous and crystalline materials, and it is impossible to synthesize a material with a constant abundance ratio, so that the battery performance when a battery is configured using this material is made constant. It has the problem that things are difficult.

一方、ガラス状固体電解質は、その伝導性に於いて異方性がないため、電極活物質との接合性に於いて、安定した電池特性を発揮できることから注目されている。非特許文献1には、ヨウ化カリウムを添加することでイオン伝導性を向上させ硫化リチウム/硫化リン/ヨウ化カリウム系固体電解質が開示されている。しかし、ヨウ化物イオンが電気化学的に不安定で、リチウムの酸化還元電位に対し、約2.7Vより貴な電位領域で酸化還元を受けるため、この電位より貴な電位で、酸化還元反応を示す電極活物質、例えばコバルト酸リチウム、マンガン酸リチウムのような、材料を使用する事は困難となる。
その他、電解質組成を選定することで、イオン伝導度の向上を図る技術が特許文献3、4、5、非特許文献2、3に開示されている。しかし、何れもイオン伝導度が0.1mS/cm程度と低かったり、正極や負極との界面での反応が起こるような電気化学的に不安定な固体電解質で、未だ実用に供することができない電解質と云える。
On the other hand, glassy solid electrolytes are attracting attention because they have no anisotropy in their conductivity and can exhibit stable battery characteristics in their bonding properties with electrode active materials. Non-Patent Document 1 discloses a lithium sulfide / phosphorus sulfide / potassium iodide-based solid electrolyte in which ion conductivity is improved by adding potassium iodide. However, since iodide ions are electrochemically unstable and undergo oxidation and reduction in a potential region nobler than about 2.7 V with respect to the redox potential of lithium, the oxidation-reduction reaction is carried out at a potential nobler than this potential. It becomes difficult to use materials such as the electrode active materials shown, such as lithium cobaltate and lithium manganate.
In addition, Patent Documents 3, 4, and 5 and Non-Patent Documents 2 and 3 disclose techniques for improving ion conductivity by selecting an electrolyte composition. However, all of them are electrochemically unstable solid electrolytes whose ion conductivity is as low as about 0.1 mS / cm or reactions at the interface between the positive electrode and the negative electrode occur, and are not yet practically usable. It can be said.

このように、実用電池を構成するためのリチウムイオン伝導性電解質として、高いイオン伝導性と安定した特性を有する無機固体電解質、望ましくは、リチウムイオンの伝導経路に異方性を持たないガラス質電解質が電極活物質との接合性が優れているため、その実用的性能を有する材料開発が望まれている。   Thus, as a lithium ion conductive electrolyte for constructing a practical battery, an inorganic solid electrolyte having high ion conductivity and stable characteristics, preferably a glassy electrolyte having no anisotropy in the lithium ion conduction path However, since the bondability with the electrode active material is excellent, development of a material having practical performance is desired.

特開平11−134937号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-134937 特開2002−109955号公報JP 2002-109955 A 特開平5−310418号公報JP-A-5-310418 中国特許第101013753号明細書Chinese Patent No. 101013753 特開2009−064645号公報JP 2009-064645 A

Solid State Ionics 1984,Vol.5,P.663−666Solid State Ionics 1984, Vol. 5, P. 663-666 Khimiya v interesakh ustoichivogo razvitiya 2007,Vol.15 No.2,P.219−223Khimiya v interesakh usutichivogo razvitiya 2007, Vol. 15 No. 2, P.I. 219-223 Journal of Material Science 2004,Vol.39No.16−17,P.5125−27Journal of Material Science 2004, Vol. 39No. 16-17, P.I. 5125-27

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、高いイオン伝導性を有するだけでなく、熱的・電気化学的に安定性が高い固体電解質とそれを用いた信頼性に富んだリチウム二次電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described situation, and not only has high ionic conductivity, but also a solid electrolyte having high thermal and electrochemical stability, and a reliable lithium secondary battery using the same. An object is to provide a secondary battery.

より高いイオン伝導性を付与する為の1つとして、可動イオンであるリチウムイオンと、対イオンを形成し得る新しい単位ネットワーク構造を構成させ、これによって、可動リチウムイオンを増加させ、イオン伝導性を向上させる事が考えられる。新しい可動リチウムイオンと対イオンを形成し得る可能性を有する材料としては、硫黄、硼素、アルミニウム、ガリウム、シリコン、ゲルマニウム、燐、ヒ素等の群から選択される元素を含む化合物を使用する事が挙げられる。これら元素を含む化合物の1つ以上を、リチウムイオン伝導を担う母体構造の化合物と混合し、熱反応させることで、リチウムイオンと新しい対イオンのネットワーク構造を合成する。これにより、合成した化合物内では可動リチウムイオンの数が増加し、リチウムイオン伝導性の向上が期待される。
中でも、本発明は、電解質性能向上のため、特にリチウムイオン伝導性の改良に、複雑な組成や製造手順に陥りがちな固体電解質の開発にあって、特定量のアルミニウム化合物のリチウムイオン伝導体構成原料への添加が顕著なイオン伝導度の向上を導くことを見出し、本発明に至ったものである。
To provide higher ion conductivity, a new unit network structure that can form counter ions with lithium ions, which are mobile ions, is constructed, thereby increasing the mobile lithium ions and increasing the ion conductivity. It can be improved. As a material having a possibility of forming a counter ion with a new movable lithium ion, a compound containing an element selected from the group of sulfur, boron, aluminum, gallium, silicon, germanium, phosphorus, arsenic and the like may be used. Can be mentioned. One or more compounds containing these elements are mixed with a matrix-structured compound responsible for lithium ion conduction and thermally reacted to synthesize a network structure of lithium ions and a new counter ion. Thereby, the number of movable lithium ions increases in the synthesized compound, and improvement in lithium ion conductivity is expected.
Among them, the present invention is for the development of solid electrolytes that tend to fall into complicated compositions and manufacturing procedures, particularly for improving lithium ion conductivity, in order to improve electrolyte performance. The inventors have found that addition to a raw material leads to a significant improvement in ionic conductivity, and have led to the present invention.

即ち、リチウムイオンと対イオンとなる新しいネットワーク構造を形成させるに際し、原料となる硫化物イオン伝導体、例えば、一般によく知られている非晶質硫化リン系リチウムイオン伝導体、非晶質硫化シリコンリチウムイオン伝導体等を使用し、これに新しいネットワーク形成材料として、アルミニウム化合物を加え、熱反応させる事で、従来のリチウムイオン伝導体ネットワークのみならず、アルミニウムを新しくネットワーク内に組み込ませた構造材料を形成させる事で、全体的に修飾させるリチウムイオン濃度の増加を図り、リチウムイオン伝導性を高めるものである。
更に、詳しくは、硫化リチウムを含んでなるリチウムイオン伝導性固体電解質原料において、原料組成に対して1mol%以下のアルミニウム化合物を含むことを特徴とするリチウムイオン伝導性固体電解質を作成するものである。
That is, when forming a new network structure that becomes counter ions with lithium ions, a sulfide ion conductor as a raw material, for example, a well-known amorphous phosphorus sulfide lithium ion conductor, amorphous silicon sulfide Using lithium ion conductor, etc., as a new network forming material, an aluminum compound is added and thermally reacted, so that not only the conventional lithium ion conductor network but also aluminum is newly incorporated into the network As a result, the concentration of lithium ions to be modified as a whole is increased, and the lithium ion conductivity is enhanced.
More specifically, in the lithium ion conductive solid electrolyte raw material comprising lithium sulfide, a lithium ion conductive solid electrolyte is characterized in that it contains 1 mol% or less of an aluminum compound with respect to the raw material composition. .

本発明のリチウムイオン伝導性固体電解質は、添加するアルミニウム化合物が均一に母体リチウムイオン伝導性固体電解質内の非晶質ネットワークに取り込まれたもので、従来のネットワークに付加して新たに形成される為、これらネットワークに修飾される可動リチウムイオンの数が増大する結果、リチウムイオン伝導性の向上が計れると共に、フリーな硫黄原子が少なくなり、硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質一般で生じやすい硫黄の酸化還元反応(約2.5V(VS.Li))をも減少させ、高電圧正極活物質の電池反応を有利に進行させ得るものとなる。   In the lithium ion conductive solid electrolyte of the present invention, the aluminum compound to be added is uniformly incorporated into the amorphous network in the base lithium ion conductive solid electrolyte, and is newly formed in addition to the conventional network. Therefore, as the number of mobile lithium ions modified by these networks increases, lithium ion conductivity can be improved, free sulfur atoms are reduced, and sulfur-based lithium ion conductive solid electrolytes generally generate sulfur. This also reduces the redox reaction (about 2.5 V (VS. Li)), and allows the battery reaction of the high-voltage positive electrode active material to proceed advantageously.

更に、合成した非晶質のリチウムイオン伝導性固体電解質をイオン伝導性に優れた結晶成長をさせる事により、イオン伝導性の向上が可能である。即ち、これらリチウムイオン伝導性固体電解質は室温において優れたイオン伝導性を発揮するだけでなく、室温以下の低温領域でも良好なイオン伝導性を発揮し、更に耐電圧性にも優れることから、リチウムイオン電池等の電池のリチウムイオン伝導性固体電解質や電極作成用合材に好適に用いることができる電池用材料であり、当然、これを用いて、全固体リチウム二次電池を構成し、提供可能とし、極めて工業的価値を高めるものである。   Furthermore, the ionic conductivity can be improved by crystal growth of the synthesized amorphous lithium ion conductive solid electrolyte with excellent ionic conductivity. That is, these lithium ion conductive solid electrolytes not only exhibit excellent ion conductivity at room temperature, but also exhibit good ion conductivity even in a low temperature region below room temperature, and also have excellent voltage resistance. It is a battery material that can be suitably used for lithium ion conductive solid electrolytes and electrode-forming composites for batteries such as ion batteries. Naturally, it can be used to configure and provide all-solid lithium secondary batteries And extremely increase industrial value.

LiS/SiS固体電解質におけるAlの添加量とイオン伝導度の関係を示した図Diagram showing the relationship of the additive amount and the ion conductivity of Al 2 S 3 in Li 2 S / SiS 2 solid electrolyte LiS/P固体電解質におけるAlの添加量とイオン伝導度の関係を示した図Diagram showing the relationship of the additive amount and the ion conductivity of Al 2 S 3 in Li 2 S / P 2 S 5 solid electrolyte 本発明で得られた固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池の断面図Sectional drawing of the all-solid-state lithium secondary battery using the solid electrolyte obtained by this invention 本発明で得られた固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池の放電特性Discharge characteristics of an all-solid lithium secondary battery using the solid electrolyte obtained in the present invention

本発明の無機固体電解質は、硫化リチウムを原料として必須に含んでいる。硫化リチウムを含むことにより、高いイオン伝導性と優れた耐電圧性を有するイオン伝導性固体電解質を得ることができる。硫化リチウムは原料全体を100mol%として10mol%以上含む。好ましくは30mol%以上、より好ましくは、45mol%以上、さらに好ましくは55mol%以上である。   The inorganic solid electrolyte of the present invention essentially contains lithium sulfide as a raw material. By including lithium sulfide, an ion conductive solid electrolyte having high ion conductivity and excellent voltage resistance can be obtained. Lithium sulfide contains 10 mol% or more of the entire raw material as 100 mol%. Preferably it is 30 mol% or more, More preferably, it is 45 mol% or more, More preferably, it is 55 mol% or more.

本発明の無機固体電解質は、硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質の原料全体に対して、アルミニウム化合物が1×10−6mol%以上1mol%以下の範囲で含まれることを特徴とする。この範囲であると、高いイオン伝導性と優れた耐電圧性を有するリチウムイオン伝導性固体電解質を得ることができる。このとき、アルミニウム化合物が含まれなければ、高いイオン伝導性を有する無機固体電解質を得ることができない。また、1mol%を超える量が含まれる場合、イオン伝導性の低下を招き、リチウム電池用材料として好適な特性を発揮することができない。 The inorganic solid electrolyte of the present invention is characterized in that the aluminum compound is contained in the range of 1 × 10 −6 mol% to 1 mol% with respect to the entire raw material of the sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte. Within this range, a lithium ion conductive solid electrolyte having high ion conductivity and excellent voltage resistance can be obtained. At this time, if an aluminum compound is not included, an inorganic solid electrolyte having high ion conductivity cannot be obtained. Moreover, when the amount exceeding 1 mol% is contained, the ion conductivity is lowered, and the characteristics suitable as a lithium battery material cannot be exhibited.

使用するアルミニウム化合物の添加量は、所望の特性に応じて適宜調整すれば良いが、
好ましくは1×10−6mol%以上1mol%以下の範囲であり、より好ましくは1×10−3mol%以上0.9mol%以下、更に好ましくは、1×10−2mol%以上0.8mol%以下である。
The addition amount of the aluminum compound to be used may be appropriately adjusted according to the desired characteristics,
The range is preferably 1 × 10 −6 mol% to 1 mol%, more preferably 1 × 10 −3 mol% to 0.9 mol%, and still more preferably 1 × 10 −2 mol% to 0.8 mol. % Or less.

本発明に用いるアルミニウム化合物は、硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質原料と反応できるものであれば特に限定されないが、円滑な反応が期待される酸化アルミニウムやアルミニウムカルコゲニドの他、リン酸・硫酸などの鉱酸塩やハロゲン化物、水素化リチウムアルミニウム(LiAlH)、アルミニウムアルコキシドなどが挙げられるが、中でも酸化アルミニウムやアルミニウムカルコゲニドが好ましい。更に好ましいのは、酸化アルミニウムや硫化アルミニウムである。酸化アルミニウムとしては、α−Al、γ−Al、硫化アルミニウムとしては、Alが挙げられる。もっとも好ましくはAlである。 The aluminum compound used in the present invention is not particularly limited as long as it can react with the sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte raw material. In addition to aluminum oxide and aluminum chalcogenide that are expected to react smoothly, phosphoric acid, sulfuric acid, etc. Mineral oxides and halides, lithium aluminum hydride (LiAlH 4 ), aluminum alkoxides, and the like, among which aluminum oxide and aluminum chalcogenide are preferable. More preferred are aluminum oxide and aluminum sulfide. Examples of aluminum oxide include α-Al 2 O 3 and γ-Al 2 O 3 , and examples of aluminum sulfide include Al 2 S 3 . Most preferred is Al 2 S 3 .

本発明の硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質の製造にあたって、用いる硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質原料として、亜鉛やホウ素、ガリウム、インジウム、ケイ素、ゲルマニウム、錫、リン、砒素、アンチモンなどの化合物を含むリチウムイオン伝導性固体電解質材料を原料として用いることができる。これらの中でも、亜鉛やホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、錫、リンの化合物が好ましく、特に好ましいのは、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、リンの化合物である。   In the production of the sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte of the present invention, as the sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte raw material used, zinc, boron, gallium, indium, silicon, germanium, tin, phosphorus, arsenic, antimony, etc. A lithium ion conductive solid electrolyte material containing a compound can be used as a raw material. Among these, compounds of zinc, boron, silicon, germanium, tin, and phosphorus are preferable, and compounds of boron, silicon, germanium, and phosphorus are particularly preferable.

これらの化合物を用いる場合、アルミニウム化合物同様、硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質原料と反応できるものであれば特に限定されないが、円滑な反応が期待される酸化物やカルコゲニド、鉱酸塩、水素化物、ハロゲン化物、アルコキシド化合物などが挙げられる。中でも酸化物やカルコゲニドが好ましい。更に好ましいのは、酸化物や硫化物である。具体的には、B、B、SiO、SiS、GeO、GeS、P、P、P、P10、P、P、P、P、P10が挙げられる。 When these compounds are used, they are not particularly limited as long as they can react with the sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte raw material, as in the case of aluminum compounds, but oxides, chalcogenides, mineral salts, hydrogens that are expected to have a smooth reaction are used. Compound, halide, alkoxide compound and the like. Of these, oxides and chalcogenides are preferable. More preferred are oxides and sulfides. Specifically, B 2 O 3 , B 2 S 3 , SiO 2 , SiS 2 , GeO 2 , GeS 2 , P 2 O 5 , P 4 O 6 , P 4 O 8 , P 4 O 10 , P 2 S 5 , P 4 S 3 , P 4 S 5 , P 4 S 7 , and P 4 S 10 .

本発明では、硫化物を用いるのが最も好ましい形態であり、硫化リン、硫化ケイ素、硫化ゲルマニウムおよび硫化ホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含むことが好ましい。より好ましくは硫化ケイ素、硫化リンである。   In the present invention, sulfide is most preferably used, and preferably contains at least one compound selected from the group consisting of phosphorus sulfide, silicon sulfide, germanium sulfide, and boron sulfide. More preferred are silicon sulfide and phosphorus sulfide.

上記化合物は、硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質を製造する際に使用される原料全体を100mol%として、5〜90mol%含む。好ましくは、10〜70mol%、より好ましくは、15〜50mol%である。上記範囲内であると、高いイオン伝導性と優れた耐電圧性を有する硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質を得ることができる。また上記化合物は、単独であっても複数混合して使用しても良い。複数混合する場合、上記化合物の添加量の合計が上記の範囲内に入るようにする。また、上記化合物、硫化リチウムおよびアルミニウム化合物の合計は100mol%を超えることはない。   The said compound contains 5-90 mol% by making the whole raw material used when manufacturing a sulfide type lithium ion conductive solid electrolyte into 100 mol%. Preferably, it is 10-70 mol%, More preferably, it is 15-50 mol%. Within the above range, a sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte having high ion conductivity and excellent voltage resistance can be obtained. The above compounds may be used alone or in combination. When mixing two or more, it is made for the sum total of the addition amount of the said compound to enter into said range. Moreover, the sum total of the said compound, lithium sulfide, and an aluminum compound does not exceed 100 mol%.

本発明の硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質の結晶状態に、特に限定はないが、同程度のリチウムイオン伝導性を持つ硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質の場合、ガラス状態であることが好ましい。これは、結晶相が残存している場合、結晶粒界がイオン伝導の抵抗となる他、結晶化率や結晶径の影響で特性が安定し難いため、ガラス化(非晶質化)することにより、安定した特性を発揮させることができる。一方、リチウムイオン伝導性を向上させるのに、合成したガラス質の化合物を結晶成長させる事は有効な方法で、良イオン伝導性を示す結晶相をより選択的に結晶成長をさせる事が出来れば、優れたリチウムイオン伝導性を発揮させうるものとなり、延いては全固体リチウム二次電池の性能を向上させることができる。   The crystalline state of the sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte of the present invention is not particularly limited, but in the case of a sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte having the same level of lithium ion conductivity, it may be in a glass state. preferable. This is because if the crystal phase remains, the crystal grain boundary becomes resistance to ion conduction, and the characteristics are difficult to stabilize due to the influence of the crystallization rate and the crystal diameter, so vitrification (amorphization) occurs. Thus, stable characteristics can be exhibited. On the other hand, in order to improve lithium ion conductivity, it is an effective method to crystallize a synthesized glassy compound, and if a crystal phase exhibiting good ion conductivity can be more selectively grown. Thus, it is possible to exhibit excellent lithium ion conductivity, and as a result, the performance of the all-solid lithium secondary battery can be improved.

本発明の硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質の製造にあたって、硫化リチウムが酸素や水と反応性を有するため、窒素やアルゴンなどの不活性乾燥ガス雰囲気下や真空中で反応を行うことが好ましい。また、その反応方法は、既知の硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質の合成方法を採用することができるが、以下に記すような方法が好ましい。
(1)融液を急冷する方法
(2)メカノケミカル反応を行う方法
(3)不活性ガスもしくは真空中、500℃以下で焼成する方法
(4)原料混合物の粉砕/ペレット化/焼成を繰り返す方法 などが挙げられる。
(2)から(4)に記した固相反応を行う場合、原料を粉砕し50μm以下、好ましくは30μm、更に好ましくは10μm以下の小粒径化するとともに反応前に均一に混合することにより、反応時間の短縮や得られる硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質の特性の振れが小さくなるため、好ましい。
In producing the sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte of the present invention, since lithium sulfide is reactive with oxygen and water, the reaction is preferably performed in an inert dry gas atmosphere such as nitrogen or argon or in a vacuum. . As the reaction method, a known method for synthesizing a sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte can be adopted, but the following method is preferable.
(1) Method of rapidly cooling the melt (2) Method of performing a mechanochemical reaction (3) Method of firing at 500 ° C. or less in an inert gas or vacuum (4) Method of repeating pulverization / pelletization / firing of the raw material mixture Etc.
When the solid phase reaction described in (2) to (4) is performed, the raw material is pulverized to reduce the particle size to 50 μm or less, preferably 30 μm, more preferably 10 μm or less and uniformly mixed before the reaction, This is preferable because the reaction time is shortened and fluctuations in characteristics of the obtained sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte are reduced.

非晶質化したガラス状の無機固体電解質の製造には、(1)や(2)の方法が好ましい。(1)は1000℃前後で融解した原料混合物を液体窒素や双冷却ロールに流下することで、容易にガラス状の無機固体電解質を得る方法が挙げられる。また、(2)に関しては、ボールミルなどの高せん断粉砕混合装置を用いることにより、高温を掛けることなくガラス状の無機固体電解質を得る方法が挙げられる。   For the production of an amorphous glassy inorganic solid electrolyte, the methods (1) and (2) are preferred. (1) includes a method of easily obtaining a glassy inorganic solid electrolyte by flowing a raw material mixture melted at around 1000 ° C. into liquid nitrogen or twin cooling rolls. Regarding (2), there is a method of obtaining a glassy inorganic solid electrolyte without applying a high temperature by using a high shear pulverizing and mixing apparatus such as a ball mill.

本発明の全固体一次および二次電池は、主に、正極、電解質、負極より構成され、二次電池における正極としては、正極活物質、硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質、必要に応じて導電助剤、及びバインダー等の添加剤を含む正極合剤組成物からなる。また、負極としては、負極活物質、必要に応じて、硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質、導電助剤、及び、バインダー等の添加剤を含む負極合剤組成物からなる。   The all solid primary and secondary batteries of the present invention are mainly composed of a positive electrode, an electrolyte, and a negative electrode. As the positive electrode in the secondary battery, a positive electrode active material, a sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte, and as required It consists of a positive electrode mixture composition containing additives, such as a conductive support agent and a binder. The negative electrode comprises a negative electrode active material, and, if necessary, a negative electrode mixture composition containing additives such as a sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte, a conductive additive, and a binder.

上記正極活物質としては、硫黄、マンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン−コバルト複合酸化物系正極活物質、ニッケル−マンガン−コバルト複合酸化物系正極活物質、五酸化バナジウム、バナジン酸リチウム、オリビン型リン酸鉄のリチウム塩、ポリアセチレン、ポリピレン、ポリアニリン、ポリフェニレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキサイド、ポリピロール、ポリフラン、ポリアズレン等を用いることができる。   Examples of the positive electrode active material include sulfur, lithium manganate, lithium cobaltate, lithium nickelate, manganese-cobalt composite oxide positive electrode active material, nickel-manganese-cobalt composite oxide positive electrode active material, vanadium pentoxide, and vanadium. Lithium acid, lithium salt of olivine-type iron phosphate, polyacetylene, polypyrene, polyaniline, polyphenylene, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polypyrrole, polyfuran, polyazulene, and the like can be used.

これらの中でも、現在リチウム二次電池の正極として用いられているマンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン−コバルト複合酸化物系正極活物質、ニッケル−マンガン−コバルト複合酸化物系正極活物質などに加え、安全性や過充電に対する安定性、及び、製造コストの面から、硫黄、オリビン型リン酸鉄のリチウム塩が好ましい。蓄電容量の面から、硫黄が更に好ましい。   Among these, lithium manganate, lithium cobaltate, lithium nickelate, manganese-cobalt composite oxide-based positive electrode active materials, nickel-manganese-cobalt composite oxide-based positive electrode actives currently used as positive electrodes for lithium secondary batteries In addition to substances and the like, sulfur and lithium salts of olivine-type iron phosphate are preferable from the viewpoints of safety, stability against overcharge, and production cost. From the viewpoint of the storage capacity, sulfur is more preferable.

上記導電助剤としては、主に導電性カーボンが用いられる。導電性カーボンとしては、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックやファイバー状カーボン、グラファイト、黒鉛等がある。これらの中でもケッチェンブラック、アセチレンブラック、グラファイト等が好ましい。   As the conductive aid, conductive carbon is mainly used. Examples of the conductive carbon include carbon black such as ketjen black and acetylene black, fiber-like carbon, graphite, and graphite. Among these, ketjen black, acetylene black, graphite and the like are preferable.

正極合剤組成物は、硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質のバインダー能により新たな添加剤を用いることなく正極合剤を形成することができるが、更にバインダーや分散剤等の添加剤を使用することも可能である。添加剤としては、特に制限されず、アニオン性、ノニオン性若しくはカチオン性の界面活性剤、又は、高分子分散剤等の種々の分散剤や結着性を有するゴム成分、ポリ(メタ)アクリル酸等などを用いることができる。分散剤により、正極活物質及び導電助剤の微粒子化を促進し分散性を向上させることで、より安定した正極膜の伝導度を達成できる。   The positive electrode mixture composition can form a positive electrode mixture without using a new additive due to the binder ability of the sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte, but further uses additives such as a binder and a dispersant. It is also possible to do. The additive is not particularly limited, and various dispersants such as anionic, nonionic or cationic surfactants, polymer dispersants, and rubber components having binding properties, poly (meth) acrylic acid Etc. can be used. A more stable conductivity of the positive electrode film can be achieved by promoting the formation of fine particles of the positive electrode active material and the conductive auxiliary agent and improving the dispersibility.

正極合剤組成物に、硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質以外の添加剤を用いる場合、その含有量は、導電助剤100質量%に対して5〜20質量%であることが好ましい。分散剤の含有量がこのような範囲であると、正極活物質と導電助剤とを充分に均一に分散させることが可能となる。より好ましくは、導電助剤100質量%に対して6〜15質%である。   When using additives other than sulfide type lithium ion conductive solid electrolyte for a positive mix composition, it is preferable that the content is 5-20 mass% with respect to 100 mass% of conductive support agents. When the content of the dispersant is in such a range, the positive electrode active material and the conductive additive can be sufficiently uniformly dispersed. More preferably, it is 6 to 15% by mass with respect to 100% by mass of the conductive additive.

上記負極活物質としては、負極活物質として一般に用いられるものを用いることができ、重合体、有機物、ピッチ等を焼成して得られたカーボンや天然黒鉛、リチウム金属及び、Al、Si、Ge、Sn、Pb、In、Zn及びTiから選ばれる少なくとも1種、或いは各元素を含むリチウム合金、或いは各元素を含む酸化物、チタン酸リチウム等のリチウムを可逆的に吸蔵、放出可能な材料等を用いることができる。   As the negative electrode active material, those generally used as the negative electrode active material can be used. Carbon, natural graphite, lithium metal, and Al, Si, Ge, obtained by firing a polymer, organic matter, pitch, and the like. At least one selected from Sn, Pb, In, Zn and Ti, or a lithium alloy containing each element, an oxide containing each element, a material capable of reversibly occluding and releasing lithium such as lithium titanate, etc. Can be used.

上記負極合材組成物にバインダーを使用する場合、硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質のバインダー能により新たな添加剤を用いることなく負極合剤を形成することができるが、更にバインダーや分散剤等の添加剤を使用することも可能である。添加剤としては、特に制限されず、アニオン性、ノニオン性若しくはカチオン性の界面活性剤、又は、高分子分散剤等の種々の分散剤や結着性を有するゴム成分、ポリ(メタ)アクリル酸等などを用いることができる。分散剤により、負極及び導電助剤の微粒子化を促進し分散性を向上させることで、より安定した負極の伝導度を達成できる。   When a binder is used in the negative electrode mixture composition, the negative electrode mixture can be formed without using a new additive due to the binder ability of the sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte. It is also possible to use additives such as The additive is not particularly limited, and various dispersants such as anionic, nonionic or cationic surfactants, polymer dispersants, and rubber components having binding properties, poly (meth) acrylic acid Etc. can be used. A more stable conductivity of the negative electrode can be achieved by promoting the atomization of the negative electrode and the conductive additive and improving the dispersibility by the dispersant.

以下に実施例を掲げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」は「重量部」を、「%」は「質量%」を意味するものとする。   The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to these examples. Unless otherwise specified, “part” means “part by weight” and “%” means “mass%”.

酸素や水分の影響を防ぐため、原料の秤量や混合などの操作は、不活性乾燥ガスで雰囲気を管理し、露点−50℃以下に制御したグローブボックス内で行った。また、製造や測定に際して、グローブボックスから取り出す際は、密閉状態で取り出した。
測定の際は次の条件で行った。
In order to prevent the influence of oxygen and moisture, operations such as weighing and mixing of raw materials were performed in a glove box in which the atmosphere was controlled with an inert dry gas and the dew point was controlled to −50 ° C. or lower. In addition, when taking out from the glove box during production or measurement, it was taken out in a sealed state.
The measurement was performed under the following conditions.

[ペレット作成]
乳鉢で十分磨り潰した無機固体電解質140mgを内径10mmの金型に計り取り、均一に充填した後プレス機にかけ、5t/cmで加圧成形した。
[イオン伝導度]
作成したペレットを絶縁性アルミナ製治具に挿入し、SUS電極で挟み込み、全体的に5t/cm2で圧縮下、複素インピーダンス法にて測定した。測定装置は、インピーダンスアナライザーSI1260(ソーラトロン社製)を用いた。
[Pellet making]
140 mg of an inorganic solid electrolyte that was sufficiently ground in a mortar was weighed into a mold having an inner diameter of 10 mm, uniformly filled, and then subjected to a press machine to press-mold at 5 t / cm 2 .
[Ionic conductivity]
The prepared pellet was inserted into an insulating alumina jig, sandwiched between SUS electrodes, and measured by the complex impedance method under compression at 5 t / cm 2 as a whole. As a measuring device, an impedance analyzer SI1260 (manufactured by Solartron) was used.

<充放電試験>
本実施形態で使用した全固体リチウム二次電池の断面図を図3に示す。
[電極合材の作成]
正極合材;コバルト酸リチウム11.7g、硫化物リチウムイオン伝導性固体電解質5gを乳鉢で良く混合した後、チタン製導電性金属金網と共に金型に充填し、プレス機により直径13mmφ厚さ0.6mmのディスク状に加圧成型した。
負極合材;人造黒鉛12g、硫化物リチウムイオン伝導性固体電解質5gを正極合材と同じ方法で加圧成形し、直径13mmφ厚さ0.6mmのディスクを得た。
[電池素子の作成]
上記で作成した正極合材に続いて、硫化物リチウムイオン伝導性固体電解質を電極合材を作成するのに使用した金型に平滑に充填した後、もう一方の電極合材を積み重ね、全体を5t/cmで加圧することにより、正負電極間に固体電解質を介在させた電池素子を得た。
[全固体リチウム二次電池の作成]
上記で作成した電池素子の正負電極にそれぞれ図3に示す電極リード板(9,13)およびリード線(5,6)を接続した後、アルミニウム製電池蓋(4)に設けられた絶縁性セラミックス(3)を介して、正負電極端子(1,2)に接続した。
続いて、電池蓋と接続された電池素子を、電子的絶縁性かつ、電池構成材料に対し不活性なエポキシ樹脂(7)を充填したアルミニウム製電池容器(8)に挿入し、該樹脂を硬化させた後、電池蓋と電池容器にアルミ半田を用い、電池素子を完全シールし、全固体リチウム二次電池を得た。
[充放電条件]
下記の条件で充放電を行い、放電容量を求めた。
・充電電流;127μA/cm(定電流)、遮断電圧;4.2V
・放電電流;67μA/cm
<Charge / discharge test>
A cross-sectional view of the all-solid lithium secondary battery used in this embodiment is shown in FIG.
[Creation of electrode mixture]
Positive electrode mixture: 11.7 g of lithium cobaltate and 5 g of sulfide lithium ion conductive solid electrolyte were mixed well in a mortar, then filled in a mold together with a titanium conductive metal wire mesh, and a diameter of 13 mmφ with a press machine was adjusted to a thickness of 0.1 mm. Press-molded into a 6 mm disk.
Negative electrode composite; 12 g of artificial graphite and 5 g of sulfide lithium ion conductive solid electrolyte were pressure-molded by the same method as the positive electrode composite to obtain a disk having a diameter of 13 mm and a thickness of 0.6 mm.
[Create battery element]
After the positive electrode mixture prepared above, the sulfide lithium ion conductive solid electrolyte was smoothly filled in the mold used to create the electrode mixture, and then the other electrode mixture was stacked, By applying pressure at 5 t / cm 2 , a battery element in which a solid electrolyte was interposed between positive and negative electrodes was obtained.
[Creation of all-solid lithium secondary battery]
Insulating ceramics provided on the aluminum battery lid (4) after connecting the electrode lead plates (9, 13) and the lead wires (5, 6) shown in FIG. It was connected to the positive and negative electrode terminals (1, 2) via (3).
Subsequently, the battery element connected to the battery lid is inserted into an aluminum battery container (8) filled with an epoxy resin (7) that is electrically insulative and inert to the battery constituent material, and the resin is cured. Thereafter, aluminum solder was used for the battery lid and the battery container, and the battery element was completely sealed to obtain an all-solid lithium secondary battery.
[Charging / discharging conditions]
Charging / discharging was performed under the following conditions to determine the discharge capacity.
Charging current: 127 μA / cm 2 (constant current), cutoff voltage: 4.2 V
・ Discharge current: 67 μA / cm 2

(実施例1)
硫化リチウム1.28部、硫化ケイ素1.71部、硫化アルミニウム0.01部をグローブボックス中で秤量し、これをメノウ乳鉢で粉砕・混合した後、カーボン坩堝内に充填した後、アルゴン気流で雰囲気管理をした電気炉内に挿入し、950℃で3時間加熱溶融させた後、溶融した試料を液体窒素に挿入することで、非晶質硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質を得た。25℃で測定したイオン伝導度は、2.86mS/cmであった。
Example 1
1.28 parts of lithium sulfide, 1.71 parts of silicon sulfide and 0.01 part of aluminum sulfide were weighed in a glove box, ground and mixed in an agate mortar, filled in a carbon crucible, After inserting into an electric furnace with atmosphere control and heating and melting at 950 ° C. for 3 hours, the molten sample was inserted into liquid nitrogen to obtain an amorphous sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte. The ionic conductivity measured at 25 ° C. was 2.86 mS / cm.

(実施例2〜5)
合成に用いる原料の組成を表1に示す様にしたこと以外は、実施例1と同様の方法で非晶質固体電解質を得た。得られた電解質のイオン伝導度を合わせて表1に示す。
(Examples 2 to 5)
An amorphous solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 1 except that the composition of the raw materials used for the synthesis was as shown in Table 1. The ionic conductivity of the obtained electrolyte is shown together in Table 1.

(比較例1)
実施例1において、硫化アルミニウムを使用しないこと以外は、実施例1と同様の方法で非晶質固体電解質を得た。25℃で測定したイオン伝導度は、0.10mS/cmであった。
(Comparative Example 1)
In Example 1, an amorphous solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 1 except that aluminum sulfide was not used. The ionic conductivity measured at 25 ° C. was 0.10 mS / cm.

(実施例6)
グローブボックス中で秤量した実施例1と同量の原料を粉砕用アルミナボールと共に遊星ボールミル用アルミナポット内に充填・密封し、グローブボックスから取り出し、遊星ボールミル粉砕器を用いて350rpmで、45時間粉砕混合し、硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質を得た。25℃で測定したイオン伝導度は0.27mS/cmであった。
(Example 6)
The same amount of raw material weighed in the glove box as in Example 1 was filled and sealed in an alumina pot for planetary ball mill together with alumina balls for grinding, taken out from the glove box, and ground for 45 hours at 350 rpm using a planetary ball mill grinder. By mixing, a sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte was obtained. The ionic conductivity measured at 25 ° C. was 0.27 mS / cm.

(実施例7)
硫化リチウム0.98部、硫化リン2.01部、硫化アルミニウム0.014部をグローブボックス内で秤量、メノウ乳鉢で粉砕・混合した後、内壁をカーボンコートした石英管に充填した後、石英管を真空封じした。
これを電気炉内で950℃の温度で3時間加熱溶融させた後、液体窒素中に挿入する事で、溶融した試料を急冷することにより、非晶質硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質を合成した。25℃で測定したイオン伝導度は0.32mS/cmを示した。
(Example 7)
After 0.98 parts of lithium sulfide, 2.01 parts of phosphorus sulfide, and 0.014 part of aluminum sulfide are weighed in a glove box and ground and mixed in an agate mortar, the inner wall is filled into a quartz tube coated with carbon, and then the quartz tube Was vacuum sealed.
This is heated and melted at a temperature of 950 ° C. for 3 hours in an electric furnace, and then inserted into liquid nitrogen, whereby the molten sample is quenched to obtain an amorphous sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte. Synthesized. The ionic conductivity measured at 25 ° C. was 0.32 mS / cm.

(実施例8〜10)
合成に用いる原料組成を表2に記載した組成とした以外、実施例7と同様の方法で非晶質固体電解質を得た。得られた電解質のイオン伝導度を表2に示す。
(Examples 8 to 10)
An amorphous solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example 7, except that the raw material composition used in the synthesis was the composition described in Table 2. Table 2 shows the ionic conductivity of the obtained electrolyte.

(比較例2)
実施例7において、硫化アルミニウムを使用しないこと以外は、実施例7と同様の法で固体電解質を得た。得られた非晶質固体電解質の25℃でのイオン伝導度は、0.19mS/cmであった。
(Comparative Example 2)
In Example 7, a solid electrolyte was obtained by the same method as Example 7 except that aluminum sulfide was not used. The resulting amorphous solid electrolyte had an ionic conductivity at 25 ° C. of 0.19 mS / cm.

Figure 2011181495
Figure 2011181495

Figure 2011181495
(実施例11)
実施例1で合成した非晶質硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質を粉砕し、実施例7で使用した石英菅内に充填、真空封入したものを、グローブボックス中から取り出し、350℃の温度で2時間加熱し、非晶質状態から結晶成長をさせ、X線回折を試みると共に、そのイオン伝導度の測定を行った。
その結果、結晶化したことを示す幾つかの結晶ピークの存在が認められると共に、25℃でのイオン伝導度は、3.5mS/cmを示し、イオン伝導度の向上が認められた。
Figure 2011181495
(Example 11)
The amorphous sulfide type lithium ion conductive solid electrolyte synthesized in Example 1 was pulverized, filled in the quartz cage used in Example 7, and vacuum-sealed, taken out from the glove box, and heated at 350 ° C. Heating was performed for 2 hours, crystal growth was started from an amorphous state, X-ray diffraction was attempted, and the ionic conductivity was measured.
As a result, the presence of several crystal peaks indicating crystallization was observed, and the ionic conductivity at 25 ° C. was 3.5 mS / cm, indicating an improvement in ionic conductivity.

(実施例12)
実施例7で合成した非晶質硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質に実施例11と同様の処理を施し、非晶質状態から結晶成長をさせることにより、25℃でのイオン伝導度は、2.5mS/cmを示し、著しいイオン伝導度の向上が認められた。
(Example 12)
By subjecting the amorphous sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte synthesized in Example 7 to the same treatment as in Example 11 and crystal growth from an amorphous state, the ionic conductivity at 25 ° C. is 2.5 mS / cm was exhibited, and a marked improvement in ionic conductivity was observed.

(実施例13)
実施例7で合成した非晶質硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質を用い、全固体リチウム二次電池を作成し、作成した電池の充放電試験を行った。放電容量として、約65mAh/gを示した。
(Example 13)
Using the amorphous sulfide type lithium ion conductive solid electrolyte synthesized in Example 7, an all-solid lithium secondary battery was prepared, and a charge / discharge test of the prepared battery was performed. The discharge capacity was about 65 mAh / g.

(実施例14)
実施例12で合成した硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質を用い、全固体リチウム二次電池を作成し、作成した電池の充放電試験を行った。放電容量として、約115mAh/gを示した。
(Example 14)
Using the sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte synthesized in Example 12, an all-solid lithium secondary battery was prepared, and the prepared battery was subjected to a charge / discharge test. The discharge capacity was about 115 mAh / g.

(比較例3)
比較例2で作成した硫化物系リチウムイオン伝導性固体電解質を用い、全固体リチウム二次電池を作成し、作成した電池の充放電試験を行った。放電容量として、約60mAh/gを示した。
(Comparative Example 3)
Using the sulfide-based lithium ion conductive solid electrolyte prepared in Comparative Example 2, an all-solid lithium secondary battery was prepared, and the prepared battery was subjected to a charge / discharge test. The discharge capacity was about 60 mAh / g.

実施例13、14と比較例3の結果を図4に示した。実施例13および比較例3から判るように、これら全固体リチウム二次電池で用いた電解質のイオン伝導度は、0.32mS/cmおよび0.19mS/cmと実用的には低いものであるが、硫化アルミニウムを含んだ本発明の実施例による固体電解質では、比較電池と比べ放電容量が向上している。
硫化物系固体電解質を使用した場合、電解質中に存在するフリーな硫黄成分{約2.5V(vs.Li)電位付近で酸化還元反応が進行}が、正極活物質との接触界面で酸化を受ける事で、その界面に薄い抵抗層を形成し、充放電性能を阻害すると云われているが、アルミニウムの存在は、電解質中のフリーな硫黄成分を少なくし、その結果、正極との接合界面で形成される抵抗層の成長を阻害することができ、その結果、放電開始直後の電圧降下を軽減し、放電容量の向上しているものと発明者らは推察している。
更に、実施例14の電池では、非晶質状態の電解質を結晶化させることにより、イオン伝導度を10−3S/cmオーダーに向上させたものを使用したものである。これら電池の放電性能を見ると、明らかに本発明の全固体リチウム電池の放電性能が優れており、ほぼコバルト酸リチウムの理論容量が放電する事が示されている。と同時に、この電池の充放電過電圧の低下が著しく、単にイオン伝導度の改善だけでは説明しがたく、本発明の電解質を用いる事で、正極界面で起こるとされている抵抗層の形成を抑止する効果に繋がっていると判断される。
The results of Examples 13 and 14 and Comparative Example 3 are shown in FIG. As can be seen from Example 13 and Comparative Example 3, the ionic conductivity of the electrolyte used in these all solid lithium secondary batteries was practically low, 0.32 mS / cm and 0.19 mS / cm. In the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention containing aluminum sulfide, the discharge capacity is improved as compared with the comparative battery.
When a sulfide-based solid electrolyte is used, the free sulfur component present in the electrolyte {the oxidation-reduction reaction proceeds near the potential of about 2.5 V (vs. Li)} is oxidized at the contact interface with the positive electrode active material. It is said that the formation of a thin resistance layer at the interface and the charge / discharge performance is hindered by receiving, but the presence of aluminum reduces the free sulfur component in the electrolyte, and as a result, the junction interface with the positive electrode. The inventors speculate that the growth of the resistance layer formed by the above can be inhibited, and as a result, the voltage drop immediately after the start of discharge is reduced and the discharge capacity is improved.
Further, in the battery of Example 14, a battery whose ionic conductivity was improved to the order of 10 −3 S / cm by crystallizing an amorphous electrolyte was used. Looking at the discharge performance of these batteries, it is clear that the discharge performance of the all-solid-state lithium battery of the present invention is excellent and that the theoretical capacity of lithium cobaltate is discharged. At the same time, the charge / discharge overvoltage of this battery is drastically reduced, and it is difficult to explain simply by improving the ionic conductivity. By using the electrolyte of the present invention, the formation of a resistance layer that is supposed to occur at the positive electrode interface is suppressed. It is judged that it leads to the effect to do.

Claims (7)

硫化リチウムを含んでなる無機固体電解質において、原料組成に対して1mol%以下のアルミニウム化合物を含むことを特徴とする無機固体電解質 An inorganic solid electrolyte comprising lithium sulfide, comprising 1 mol% or less of an aluminum compound relative to a raw material composition 硫化リン、硫化ケイ素、硫化ゲルマニウムおよび硫化ホウ素からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含むことを特徴とする請求項1記載の無機固体電解質 The inorganic solid electrolyte according to claim 1, comprising at least one compound selected from the group consisting of phosphorus sulfide, silicon sulfide, germanium sulfide, and boron sulfide. アルミニウム化合物がカルコゲニド、もしくは、酸化物であることを特徴とする請求項1または2記載の無機固体電解質 3. The inorganic solid electrolyte according to claim 1, wherein the aluminum compound is chalcogenide or an oxide. アルミニウム化合物が硫化物であることを特徴とする請求項1または2に記載の無機固体電解質 The inorganic solid electrolyte according to claim 1 or 2, wherein the aluminum compound is a sulfide. 無機固体電解質がガラス状態であることを特徴とする請求項1〜4いずれかに記載の無機固体電解質 The inorganic solid electrolyte according to claim 1, wherein the inorganic solid electrolyte is in a glass state. 請求項1〜5いずれかに記載の無機固体電解質を用いたリチウム二次電池 A lithium secondary battery using the inorganic solid electrolyte according to claim 1. 硫黄を正極活物質として使用した、請求項6記載の全固体リチウム二次電池 The all-solid-state lithium secondary battery of Claim 6 which used sulfur as a positive electrode active material.
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