JP2013075816A - Lithium sulfide, method for producing the lithium sulfide, and method for producing inorganic solid electrolyte - Google Patents

Lithium sulfide, method for producing the lithium sulfide, and method for producing inorganic solid electrolyte Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing lithium sulfide of small particle diameter.SOLUTION: There is provided a method for producing lithium sulfide by: bringing lithium carbonate of ≤10 μm average particle diameter into contact with a gaseous sulfur compound in a fluidizing state from at a temperature of 450°C or higher to at a melting point of lithium carbonate or lower; and reacting lithium carbonate with the sulfur compound to obtain the lithium sulfide.

Description

本発明は、硫化リチウムの製造方法に関する。また、本発明は、該硫化リチウムの製造方法により得られた硫化リチウムを用いる無機固体電解質の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing lithium sulfide. The present invention also relates to a method for producing an inorganic solid electrolyte using lithium sulfide obtained by the method for producing lithium sulfide.

硫化リチウムは、リチウム二次電池の正極材や無機固体電解質の原料として有用である。   Lithium sulfide is useful as a positive electrode material for lithium secondary batteries and a raw material for inorganic solid electrolytes.

この硫化リチウムの製造方法として、例えば特許文献1には、非プロトン性有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを反応させて水硫化リチウムを生成させ、次いでこの反応液を脱硫化水素化して硫化リチウムを生成させる方法、或いは、非プロトン性有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを反応させ、直接硫化リチウムを生成させる方法が開示されている。また、特許文献2には、非プロトン性有機溶媒中で、水硫化ナトリウムと塩化リチウムを反応させて、次いで生成した水硫化リチウムを脱硫化水素化することにより硫化リチウムを生成させる方法が開示されている。   As a method for producing this lithium sulfide, for example, in Patent Document 1, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted in an aprotic organic solvent to produce lithium hydrosulfide, and then this reaction solution is dehydrosulfurized. A method for producing lithium sulfide or a method for producing lithium sulfide directly by reacting lithium hydroxide and hydrogen sulfide in an aprotic organic solvent is disclosed. Patent Document 2 discloses a method for producing lithium sulfide by reacting sodium hydrosulfide and lithium chloride in an aprotic organic solvent and then dehydrosulfiding the produced lithium hydrosulfide. ing.

しかしながら、特許文献1及び特許文献2は、非プロトン性有機溶媒中で硫化リチウムを合成する方法であり、高価な有機溶媒を使用すること、使用後の有機溶媒は、廃棄又は再生が必要となるため、それにかかる費用が高価なものとなること等から、硫化リチウムの製造コスト面で不利であるという問題があった。   However, Patent Document 1 and Patent Document 2 are methods for synthesizing lithium sulfide in an aprotic organic solvent. The use of an expensive organic solvent requires disposal or regeneration of the organic solvent after use. For this reason, there is a problem in that it is disadvantageous in terms of the production cost of lithium sulfide because the cost for that is expensive.

一方、有機溶媒を使用しない硫化リチウムの製造方法が提案されている。例えば特許文献3には、金属リチウムと硫黄蒸気或いは硫化水素とを低温域で直接反応させ、その後、不活性ガスと置換して高温域で未反応の金属リチウムを、既に生成している硫化リチウムに拡散、浸透させ、このサイクルを繰り返すことにより硫化リチウムを得る方法が開示されている。しかしながら、特許文献3においては、金属リチウムと硫化水素との反応において、低温域での反応は金属リチウムの表面のみしか反応しないという問題があり、高温域での反応は、反応が激しすぎて制御が難しいという問題があった。   On the other hand, a method for producing lithium sulfide that does not use an organic solvent has been proposed. For example, Patent Document 3 discloses a lithium sulfide in which metallic lithium and sulfur vapor or hydrogen sulfide are directly reacted in a low temperature range, and then replaced with an inert gas to generate unreacted metallic lithium in a high temperature range. A method is disclosed in which lithium sulfide is obtained by diffusing and permeating into a metal and repeating this cycle. However, in Patent Document 3, in the reaction between metallic lithium and hydrogen sulfide, there is a problem that the reaction in the low temperature region only reacts on the surface of the metallic lithium, and the reaction in the high temperature region is too intense. There was a problem that control was difficult.

また、特許文献4には、粒子の直径が0.1mmから1.5mmの水酸化リチウムと硫化水素とを130℃以上445℃未満の温度で反応させることにより硫化リチウムを得る方法が開示されている。特許文献4においては、原料として使用する水酸化リチウムは、通常、1水塩で供給されており、反応に際しては脱水工程が必要となるため、工程が煩雑になるという問題があった。   Patent Document 4 discloses a method of obtaining lithium sulfide by reacting lithium hydroxide having a particle diameter of 0.1 mm to 1.5 mm with hydrogen sulfide at a temperature of 130 ° C. or higher and lower than 445 ° C. Yes. In Patent Document 4, lithium hydroxide used as a raw material is usually supplied as a monohydrate, and a dehydration step is required for the reaction, which causes a problem that the process becomes complicated.

特開平7−330312号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-330312 特開平10−130005号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-130005 特開平9−110404号公報JP-A-9-110404 特開平9−278423号公報JP-A-9-278423

不燃性の無機固体電解質は、電池の安全性を高めることから特に注目されている材料である。この無機固体電解質を製造する上で、他の原料と容易に均一混合可能で反応性にも優れた微細な硫化リチウムが要望されている。   Incombustible inorganic solid electrolytes are materials that are particularly attracting attention because they increase the safety of batteries. In producing this inorganic solid electrolyte, there is a demand for fine lithium sulfide that can be easily and uniformly mixed with other raw materials and has excellent reactivity.

ところが、特許文献4では、0.1〜1.5mmと粗粒の硫化リチウムしか得られない。また、特許文献1及び特許文献2の溶媒を用いる方法においても、平均粒子径が10μm以下の微細な硫化リチウムを製造することは、困難である。   However, in Patent Document 4, only 0.1 to 1.5 mm of coarse-grained lithium sulfide can be obtained. Further, even in the methods using the solvents of Patent Document 1 and Patent Document 2, it is difficult to produce fine lithium sulfide having an average particle diameter of 10 μm or less.

一方、微細な硫化リチウムを得るために、得られた粗粒の硫化リチウムを粉砕する方法も考えられるが、硫化リチウム自体が不安定な物質であることから、過度の粉砕は望ましくない。また、分解により発生するガスの問題もあることから、粉砕操作は外気を遮断した状態で行わなければならない。   On the other hand, in order to obtain fine lithium sulfide, a method of pulverizing the obtained coarse lithium sulfide may be considered, but excessive pulverization is not desirable because lithium sulfide itself is an unstable substance. In addition, since there is a problem of gas generated by decomposition, the pulverization operation must be performed in a state where the outside air is shut off.

従って、本発明の目的は、粒子径が小さい硫化リチウムを得ることができる硫化リチウムの製造方法を提供することにある。また、本発明の目的は、無機固体電解質の製造を容易にすることができる硫化リチウムを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing lithium sulfide capable of obtaining lithium sulfide having a small particle size. Moreover, the objective of this invention is providing the lithium sulfide which can make manufacture of an inorganic solid electrolyte easy.

前記目的は、以下の本発明により達成される。
すなわち、本発明(1)は、平均粒子径が10μm以下の炭酸リチウムを流動状態で、ガス状の硫黄化合物と、450℃以上炭酸リチウムの融点以下の温度で接触させて、炭酸リチウムと硫黄化合物との反応を行うことにより、硫化リチウムを得ることを特徴とする硫化リチウムの製造方法を提供するものである。
The object is achieved by the present invention described below.
That is, in the present invention (1), lithium carbonate having an average particle size of 10 μm or less is brought into contact with a gaseous sulfur compound at a temperature not lower than 450 ° C. and not higher than the melting point of lithium carbonate. The present invention provides a method for producing lithium sulfide, which is characterized in that lithium sulfide is obtained by performing a reaction with.

また、本発明(2)は、本発明(1)の硫化リチウムの製造方法により、硫化リチウムを得、次いで、得られた硫化リチウムと、硫化リン、硫化ケイ素、硫化ゲルマニウム、硫化ホウ素、硫化アルミニウム及び硫化ガリウムの群から選ばれる1種又は2種以上の硫化物と、を反応させることを特徴とする無機固体電解質の製造方法を提供するものである。   Moreover, this invention (2) obtains lithium sulfide by the manufacturing method of lithium sulfide of this invention (1), and then obtained lithium sulfide, phosphorus sulfide, silicon sulfide, germanium sulfide, boron sulfide, aluminum sulfide And a method for producing an inorganic solid electrolyte, characterized by reacting with one or more sulfides selected from the group of gallium sulfide.

また、本発明(3)は、平均粒子径が5〜10μmであり、且つ、X線回折分析における(a)硫化リチウムに由来する2θ=27°付近(111面)の回折ピークに対する(b)炭酸リチウムに由来する2θ=32°付近(002面)の回折ピークの強度比(b/a)が0.01以下であることを特徴とする硫化リチウムを提供するものである。   Further, the present invention (3) has an average particle diameter of 5 to 10 μm and (b) a diffraction peak in the vicinity of 2θ = 27 ° (111 plane) derived from lithium sulfide (a) in X-ray diffraction analysis. The present invention provides lithium sulfide characterized in that the intensity ratio (b / a) of diffraction peaks around 2θ = 32 ° (002 plane) derived from lithium carbonate is 0.01 or less.

本発明によれば、粒子径が小さい硫化リチウムを得ることができる硫化リチウムの製造方法を提供することができる。また、本発明によれば、無機固体電解質の製造を容易にすることができる硫化リチウムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of lithium sulfide which can obtain lithium sulfide with a small particle diameter can be provided. Moreover, according to this invention, the lithium sulfide which can make manufacture of an inorganic solid electrolyte easy can be provided.

実施例1で得られた硫化リチウムのX線回折図である。2 is an X-ray diffraction pattern of lithium sulfide obtained in Example 1. FIG. 実施例2で得られた硫化リチウムのX線回折図である。2 is an X-ray diffraction pattern of lithium sulfide obtained in Example 2. FIG. 比較例1で得られた硫化リチウムのX線回折図である。2 is an X-ray diffraction pattern of lithium sulfide obtained in Comparative Example 1. FIG. 比較例2で得られた硫化リチウムのX線回折図である。5 is an X-ray diffraction pattern of lithium sulfide obtained in Comparative Example 2. FIG. 比較例3で得られた硫化リチウムのX線回折図である。6 is an X-ray diffraction pattern of lithium sulfide obtained in Comparative Example 3. FIG. 実施例3で得られた硫化リチウムのX線回折図である。4 is an X-ray diffraction pattern of lithium sulfide obtained in Example 3. FIG. 実施例4で得られた硫化リチウムのX線回折図である。6 is an X-ray diffraction pattern of lithium sulfide obtained in Example 4. FIG. 比較例4で得られた硫化リチウムのX線回折図である。6 is an X-ray diffraction pattern of lithium sulfide obtained in Comparative Example 4. FIG. 比較例5で得られた硫化リチウムのX線回折図である。6 is an X-ray diffraction pattern of lithium sulfide obtained in Comparative Example 5. FIG.

本発明の硫化リチウムの製造方法は、平均粒子径が10μm以下の炭酸リチウムを流動状態で、ガス状の硫黄化合物と、450℃以上炭酸リチウムの融点以下の温度で接触させて、炭酸リチウムと硫黄化合物との反応を行うことにより、硫化リチウムを得ることを特徴とする硫化リチウムの製造方法である。   In the method for producing lithium sulfide of the present invention, lithium carbonate having an average particle diameter of 10 μm or less is brought into contact with a gaseous sulfur compound at a temperature not lower than 450 ° C. and not higher than the melting point of lithium carbonate. It is a method for producing lithium sulfide, characterized in that lithium sulfide is obtained by reacting with a compound.

本発明の硫化リチウムの製造方法では、リチウム源として、炭酸リチウムを用いる。炭酸リチウムは、無水塩であるため、微粉砕が可能である。そのため、微粉砕した炭酸リチウムを用いることにより、微粒子の炭酸リチウムを得ることができる。一方、水酸化リチウムは、潮解性があるため、微粉砕しても、粉砕した粒子が凝集してしまうので、微粒子の水酸化リチウムを得ることができない。また、炭酸リチウムは、中性塩であるため、炭酸リチウムの微粉砕には、水酸化リチウムを粉砕する場合のように、アルカリ性粉塵の対策が必要ないことも、有利な点である。   In the method for producing lithium sulfide of the present invention, lithium carbonate is used as the lithium source. Since lithium carbonate is an anhydrous salt, it can be finely pulverized. Therefore, finely divided lithium carbonate can be obtained by using finely pulverized lithium carbonate. On the other hand, since lithium hydroxide has deliquescence, even if it is finely pulverized, the pulverized particles are aggregated, so that fine lithium hydroxide cannot be obtained. In addition, since lithium carbonate is a neutral salt, it is also advantageous that the fine pulverization of lithium carbonate does not require measures against alkaline dust as in the case of pulverizing lithium hydroxide.

本発明の硫化リチウムの製造方法に用いられる炭酸リチウムは、如何なる製造方法により得られたものであってもよく、市販品であってもよい。炭酸リチウムは、通常、異種金属やその他の不純物を含有するが、副反応を抑える観点から、できる限り高純度のものが好ましい。   The lithium carbonate used in the method for producing lithium sulfide of the present invention may be obtained by any production method or may be a commercial product. Lithium carbonate usually contains dissimilar metals and other impurities, but is preferably as pure as possible from the viewpoint of suppressing side reactions.

本発明の硫化リチウムの製造方法に用いられる炭酸リチウムの平均粒子径は、10μm以下、好ましくは0.1〜5μmである。炭酸リチウムの平均粒子径が上記範囲にあることにより、硫化リチウムの粒子径を小さくすることができる。また、平均粒子径が上記範囲の炭酸リチウムを、流動状態で、ガス状の硫黄化合物と接触させることにより、後述する硫化リチウムの(a)硫化リチウムに由来する2θ=27°付近(111面)の回折ピークに対する(b)炭酸リチウムに由来する2θ=32°付近(002面)の回折ピークの強度比(b/a)(以下、単に「b/a値」とも記載する。)を、0.01以下、好ましくは0.001以下、特に好ましくは0.00とすることができる。   The average particle size of lithium carbonate used in the method for producing lithium sulfide of the present invention is 10 μm or less, preferably 0.1 to 5 μm. When the average particle diameter of lithium carbonate is in the above range, the particle diameter of lithium sulfide can be reduced. Further, by bringing lithium carbonate having an average particle diameter in the above range into contact with a gaseous sulfur compound in a flowing state, lithium sulfide (a), which will be described later, is around 2θ = 27 ° (111 plane) derived from lithium sulfide. (B) The intensity ratio (b / a) of the diffraction peak in the vicinity of 2θ = 32 ° (002 plane) derived from lithium carbonate (b / a) (hereinafter also simply referred to as “b / a value”) is 0. 0.01 or less, preferably 0.001 or less, particularly preferably 0.00.

本発明の硫化リチウムの製造方法に用いられる炭酸リチウムの最大粒子径は、好ましくは50μm以下、特に好ましくは20μm以下である。炭酸リチウムの最大粒子径が上記範囲にあることにより、反応効率を高くすることができる。また、最大粒子径が上記範囲の炭酸リチウムを、流動状態で、ガス状の硫黄化合物と接触させることにより、b/a値を、0.01以下、好ましくは0.001以下、特に好ましくは0.00とすることができるという効果が高まる。   The maximum particle size of lithium carbonate used in the method for producing lithium sulfide of the present invention is preferably 50 μm or less, particularly preferably 20 μm or less. When the maximum particle size of lithium carbonate is in the above range, the reaction efficiency can be increased. Further, by bringing lithium carbonate having a maximum particle size in the above range into contact with a gaseous sulfur compound in a flowing state, the b / a value is 0.01 or less, preferably 0.001 or less, particularly preferably 0. The effect that it can be set to 0.00 is increased.

なお、本発明において、平均粒子径は、レーザー回折・散乱法による体積頻度粒度分布測定により求められる積算50%(D50)の粒径である。また、最大粒子径は、レーザー回折・散乱法により求められる体積頻度粒度分布測定の最大粒子径である。   In the present invention, the average particle diameter is an integrated 50% (D50) particle diameter determined by volume frequency particle size distribution measurement by a laser diffraction / scattering method. Further, the maximum particle size is the maximum particle size of volume frequency particle size distribution measurement obtained by a laser diffraction / scattering method.

本発明の硫化リチウムの製造方法に用いられる炭酸リチウムとしては、粉砕原料となる粒径が大きい炭酸リチウムを粉砕処理することにより、平均粒子径及び最大粒子径が調節されたものが用いられる。粉砕処理は、特に制限されないが、乾式粉砕が好ましい。乾式粉砕の方法としては、例えば、ジェットミル、ボールミル等を用いる方法が挙げられる。   As the lithium carbonate used in the method for producing lithium sulfide of the present invention, lithium carbonate having a large average particle diameter and a maximum particle diameter adjusted by pulverizing lithium carbonate having a large particle diameter as a pulverization raw material is used. The pulverization treatment is not particularly limited, but dry pulverization is preferable. Examples of the dry pulverization method include a method using a jet mill, a ball mill, or the like.

本発明の硫化リチウムの製造方法では、炭酸リチウムに、ガス状の硫黄化合物を接触させて、炭酸リチウムとガス状の硫黄化合物とを反応させる。   In the method for producing lithium sulfide of the present invention, a gaseous sulfur compound is brought into contact with lithium carbonate to react the lithium carbonate with the gaseous sulfur compound.

本発明の硫化リチウムの製造方法に用いられるガス状の硫黄化合物としては、炭酸リチウムとガス状の硫黄化合物を反応させる反応温度で、ガス状であり且つ炭酸リチウムと反応するものであれば、特に制限されず、例えば、硫化水素、二硫化炭素、単体硫黄気体(沸点444℃)等が挙げられる。これらのうち、ガス状の硫黄化合物としては、反応性に優れ、工業的に入手が容易な点で、硫化水素が好ましい。   As the gaseous sulfur compound used in the method for producing lithium sulfide of the present invention, a gaseous sulfur compound is particularly suitable as long as it is gaseous and reacts with lithium carbonate at a reaction temperature at which lithium carbonate reacts with the gaseous sulfur compound. Without being limited, for example, hydrogen sulfide, carbon disulfide, elemental sulfur gas (boiling point 444 ° C.) and the like can be mentioned. Of these, hydrogen sulfide is preferred as the gaseous sulfur compound because it has excellent reactivity and is easily available industrially.

ガス状の硫黄化合物として硫化水素を用いる場合、硫化水素としては、不純物含有量ができる限り少ないことが好ましく、例えば、純度が99.9vol%以上、水分含有量が2mg/L以下のものが好ましい。   When hydrogen sulfide is used as the gaseous sulfur compound, it is preferable that the hydrogen sulfide has as little impurity content as possible, for example, one having a purity of 99.9 vol% or more and a water content of 2 mg / L or less is preferable. .

また、ガス状の硫黄化合物として硫化水素を用いる場合、水分を含んだ硫化水素は金属に対して腐食性を示すため、また、腐食の際に生成される腐食物が不純物として反応系に混入するため、硫化水素を反応系に供給するための配管としては、ガラス等の金属以外の材質の配管、又は内面が鏡面研磨された金属配管等を用いることが好ましい。   In addition, when hydrogen sulfide is used as a gaseous sulfur compound, hydrogen sulfide containing moisture is corrosive to metals, and corrosive substances generated during corrosion are mixed into the reaction system as impurities. Therefore, as a pipe for supplying hydrogen sulfide to the reaction system, it is preferable to use a pipe made of a material other than a metal such as glass or a metal pipe whose inner surface is mirror-polished.

そして、本発明の硫化リチウムの製造方法では、炭酸リチウムを流動させた状態で、反応系内にガス状の硫黄化合物を供給しながら、反応系内で流動状態の炭酸リチウムとガス状の硫黄化合物とを接触させて、炭酸リチウムとガス状の硫黄化合物とを反応させる。   And in the manufacturing method of lithium sulfide of the present invention, while supplying gaseous sulfur compound in the reaction system in a state in which lithium carbonate is flowed, lithium carbonate and gaseous sulfur compound in the reaction system in a fluid state To make lithium carbonate and a gaseous sulfur compound react with each other.

反応系内で、炭酸リチウムとガス状の硫黄化合物とを接触させて反応させるときの反応温度は、450℃以上炭酸リチウムの融点(723℃)以下の温度、好ましくは450〜700℃である。反応温度が上記範囲にあることにより、ガス状の硫黄化合物が活性状態となり、炭酸リチウムとの反応が促進される。   In the reaction system, the reaction temperature when the lithium carbonate and the gaseous sulfur compound are brought into contact with each other and reacted is 450 ° C. or higher and the melting point of the lithium carbonate (723 ° C.) or lower, preferably 450 to 700 ° C. When the reaction temperature is in the above range, the gaseous sulfur compound is activated, and the reaction with lithium carbonate is promoted.

炭酸リチウムにガス状の硫黄化合物を接触させる時間は、未反応の炭酸リチウムが残らない時間であれば、特に制限されない。   The time for contacting the gaseous sulfur compound with lithium carbonate is not particularly limited as long as no unreacted lithium carbonate remains.

反応系内にガス状の硫黄化合物を供給する方法としては、ガス状の硫黄化合物のみを反応系内に供給してもよいし、あるいは、ガス状の硫黄化合物を、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスのようなガス状の硫黄化合物と反応しない希釈ガスと混合して、混合ガスを反応系内に供給してもよい。ガス状の硫黄化合物を希釈ガスと混合する場合、混合ガス中のガス状の硫黄化合物の割合は、特に制限されないが、反応性の観点から、好ましくは20〜95vol%、特に好ましくは40〜90vol%、更に好ましくは55〜85vol%である。   As a method for supplying the gaseous sulfur compound into the reaction system, only the gaseous sulfur compound may be supplied into the reaction system, or the gaseous sulfur compound may be replaced with nitrogen, argon, helium, or the like. It may be mixed with a diluent gas that does not react with a gaseous sulfur compound such as an inert gas, and the mixed gas may be supplied into the reaction system. When the gaseous sulfur compound is mixed with the diluent gas, the ratio of the gaseous sulfur compound in the mixed gas is not particularly limited, but is preferably 20 to 95 vol%, particularly preferably 40 to 90 vol, from the viewpoint of reactivity. %, More preferably 55 to 85 vol%.

流動状態の炭酸リチウムとガス状の硫黄化合物との接触方法は、特に制限されず、例えば、(i)反応系内で炭酸リチウムを流動させておき、その炭酸リチウムにガス状の硫黄化合物を吹き付ける方法、(ii)反応系内で炭酸リチウムを流動させておき、一定量のガス状の硫黄化合物を反応系内に供給しつつ、一定量の反応系内のガスを排出する方法、等が挙げられる。これらの流動状態の炭酸リチウムにガス状の硫黄化合物を接触させる方法としては、ロータリーキルン内で、炭酸リチウムを流動させておき、ロータリーキルン内にガス状の硫黄化合物を供給する方法が挙げられる。   The contact method between the lithium carbonate in a fluid state and the gaseous sulfur compound is not particularly limited. For example, (i) lithium carbonate is flowed in the reaction system, and the gaseous sulfur compound is sprayed on the lithium carbonate. And (ii) a method in which lithium carbonate is allowed to flow in the reaction system, and a certain amount of gaseous sulfur compound is supplied into the reaction system while a certain amount of gas in the reaction system is discharged. It is done. Examples of a method for bringing a gaseous sulfur compound into contact with these fluidized lithium carbonates include a method in which lithium carbonate is fluidized in a rotary kiln and a gaseous sulfur compound is supplied into the rotary kiln.

炭酸リチウムに対するガス状の硫黄化合物の供給量は、炭酸リチウムが未反応のまま残存せず且つガス状の硫黄化合物の供給量が過剰になり過ぎない範囲であれば、特に制限されないが、炭酸リチウム1モルに対してS原子換算で、好ましくは1.1〜10モル、特に好ましくは1.5〜5モルである。   The supply amount of the gaseous sulfur compound to the lithium carbonate is not particularly limited as long as the lithium carbonate does not remain unreacted and the supply amount of the gaseous sulfur compound is not excessive. It is preferably 1.1 to 10 mol, particularly preferably 1.5 to 5 mol in terms of S atom with respect to 1 mol.

炭酸リチウムを硫黄化合物と反応させると、二酸化炭素が副生する。そして、反応系内に二酸化炭素が大量に滞留すると、一旦生成した硫化リチウムの粒子表面で、硫化リチウムと二酸化炭素との反応が起こり、粒子表面に炭酸リチウムが生成し易くなる。そのため、本発明の硫化リチウムの製造方法では、ガス状の硫黄化合物を反応系内に供給しつつ、反応系内の二酸化炭素を反応系内のガスと共に排出しながら、反応を行うことが、硫化リチウムと二酸化炭素との副反応を防ぎ、実質的に炭酸根を含まない硫化リチウムが得られる点で好ましい。   When lithium carbonate is reacted with a sulfur compound, carbon dioxide is by-produced. When a large amount of carbon dioxide stays in the reaction system, the reaction between lithium sulfide and carbon dioxide occurs on the surface of the lithium sulfide particles once generated, and lithium carbonate is easily generated on the particle surface. Therefore, in the method for producing lithium sulfide of the present invention, the reaction is performed while supplying the gaseous sulfur compound into the reaction system and discharging the carbon dioxide in the reaction system together with the gas in the reaction system. This is preferable in that a side reaction between lithium and carbon dioxide is prevented, and lithium sulfide substantially free of carbonate radicals is obtained.

ガス状の硫黄化合物として、硫化水素を用いる場合、炭酸リチウムと硫化水素との反応は、次式:
LiCO + HS → LiS + CO + H
であり、炭酸リチウムと硫化水素との反応では、二酸化炭素と水が副生する。この反応では、副生する水は水蒸気となっているが、この水蒸気が炭酸ガスを効率的に吸収するため、本発明の硫化リチウムの製造方法では、硫化水素を反応系内に供給しつつ、反応系内の二酸化炭素及び水を反応系内のガスと共に排出しながら、反応を行うことが、硫化リチウムと二酸化炭素との副反応を防ぎ、実質的に炭酸根を含まない硫化リチウムが得られるという効果が高まるで好ましい。
When hydrogen sulfide is used as the gaseous sulfur compound, the reaction between lithium carbonate and hydrogen sulfide is represented by the following formula:
Li 2 CO 3 + H 2 S → Li 2 S + CO 2 + H 2 O
In the reaction between lithium carbonate and hydrogen sulfide, carbon dioxide and water are by-produced. In this reaction, water produced as a by-product is water vapor, and since this water vapor efficiently absorbs carbon dioxide gas, in the method for producing lithium sulfide of the present invention, while supplying hydrogen sulfide into the reaction system, Performing the reaction while discharging the carbon dioxide and water in the reaction system together with the gas in the reaction system prevents side reaction between lithium sulfide and carbon dioxide, resulting in lithium sulfide substantially free of carbonate radicals. This is preferable because the effect is enhanced.

そして、反応系内へガス状の硫黄化合物を、炭酸リチウム1gに対して1分当たり0.0005〜0.0040モル(モル/分/炭酸リチウム1g)の供給量で供給しつつ、反応系から反応系内のガスを排出しながら、炭酸リチウムと硫黄化合物との反応を行うことが好ましく、反応系内へガス状の硫黄化合物を、炭酸リチウム1gに対して1分当たり0.0005〜0.0025モル(モル/分/炭酸リチウム1g)の供給量で供給しつつ、反応系から反応系内のガスを排出しながら、炭酸リチウムと硫黄化合物との反応を行うことが特に好ましい。このことにより、炭酸リチウムを流動状態でガス状の硫黄化合物と接触させたときに、b/a値を、0.01以下、好ましくは0.001以下、特に好ましくは0.00とすることができるという効果が高まる。なお、炭酸リチウム1gに対する1分当たりガス状の硫黄化合物の供給量とは、反応系内への1分当たりのガス状の硫黄化合物の供給モル量(モル/分)を、反応系内で反応させる炭酸リチウムの質量で除した値である。   Then, while supplying the gaseous sulfur compound into the reaction system at a supply amount of 0.0005 to 0.0040 mol (mol / min / 1 g of lithium carbonate) per minute with respect to 1 g of lithium carbonate, It is preferable to carry out the reaction between lithium carbonate and a sulfur compound while discharging the gas in the reaction system. The gaseous sulfur compound is introduced into the reaction system at a rate of 0.0005 to 0.005 per minute with respect to 1 g of lithium carbonate. It is particularly preferable to carry out the reaction between lithium carbonate and a sulfur compound while discharging the gas in the reaction system from the reaction system while supplying at a supply amount of 0025 mol (mol / min / lithium carbonate 1 g). Thus, when the lithium carbonate is brought into contact with the gaseous sulfur compound in a fluid state, the b / a value is 0.01 or less, preferably 0.001 or less, and particularly preferably 0.00. The effect of being able to do increases. The supply amount of gaseous sulfur compound per minute per 1 g of lithium carbonate is the reaction amount of gaseous sulfur compound supplied per minute (mol / min) into the reaction system in the reaction system. It is the value divided by the mass of lithium carbonate to be made.

本発明の硫化リチウムの製造方法を行った後、冷却して、更に、必要に応じて、粉砕又は解砕、分級、包装等を行い、製品の硫化リチウムを得るが、硫化リチウムは非常に不安定な化合物であることから、反応終了後、冷却及びその後の操作を、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気下又は真空下で、行うことが好ましい。このとき用いる不活性ガスは、不純物の混入を防止する観点から、純度が高いほど好ましい。また、水分との接触を避ける点で、不活性ガスの露点は、−50℃以下が好ましく、−60℃以下が特に好ましい。   After carrying out the method for producing lithium sulfide of the present invention, it is cooled and, if necessary, further pulverized or crushed, classified, packaged, etc., to obtain lithium sulfide of the product. Since it is a stable compound, after completion of the reaction, it is preferable to carry out cooling and subsequent operations in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen, argon or helium or in a vacuum. The inert gas used at this time is preferably as high as possible from the viewpoint of preventing contamination of impurities. Further, in order to avoid contact with moisture, the dew point of the inert gas is preferably −50 ° C. or less, and particularly preferably −60 ° C. or less.

本発明の硫化リチウムの製造方法により得られる硫化リチウムの平均粒子径は、レーザー回折・散乱法による体積頻度粒度分布測定により求められる積算50%(D50)の粒径で、10μm以下、好ましくは5〜10μm、特に好ましくは0.1〜5μmである。つまり、本発明の硫化リチウムの製造方法では、粒径が小さい微細な硫化リチウムが得られる。なお、本発明の硫化リチウムの製造方法により得られる硫化リチウムは、反応後、粒子粉末がもろく結合したブロック状である場合もあるが、この場合は、適宜、粉砕又は解砕を行うことにより、平均粒子径が10μm以下、好ましくは5〜10μm、特に好ましくは0.1〜5μmの硫化リチウムが得られる。   The average particle diameter of the lithium sulfide obtained by the method for producing lithium sulfide of the present invention is an integrated 50% (D50) particle diameter determined by volume frequency particle size distribution measurement by a laser diffraction / scattering method, and is 10 μm or less, preferably 5 10 μm, particularly preferably 0.1 to 5 μm. That is, in the method for producing lithium sulfide of the present invention, fine lithium sulfide having a small particle size can be obtained. The lithium sulfide obtained by the method for producing lithium sulfide of the present invention may be in the form of a block in which the particle powder is crumbly bonded after the reaction, but in this case, by appropriately crushing or crushing, Lithium sulfide having an average particle diameter of 10 μm or less, preferably 5 to 10 μm, particularly preferably 0.1 to 5 μm is obtained.

本発明の硫化リチウムの製造方法により得られる硫化リチウムは、無機固体電解質の原料として用いられる場合、上記特性に加えて、イオン伝導度の低下を防ぐという点で、硫黄酸化物の含有量が、1000ppm以下であることが好ましく、500ppm以下であることが特に好ましい。なお、本発明において硫黄酸化物の含有量とは、イオンクロマトグラフィー法により求められるSO 2−、SO 2−及びS 2−の総量の含有量を示す。 When lithium sulfide obtained by the method for producing lithium sulfide of the present invention is used as a raw material for an inorganic solid electrolyte, in addition to the above characteristics, the content of sulfur oxides is to prevent a decrease in ionic conductivity. It is preferably 1000 ppm or less, and particularly preferably 500 ppm or less. Note that the content of sulfur oxides in the present invention, showing the content of SO 3 2-, SO 4 2- and S 2 O 3 2- of the total amount as determined by ion chromatography.

更に、本発明の硫化リチウムの製造方法により得られる硫化リチウムは、無機固体電解質の原料として用いられる場合、上記特性に加えて、イオン伝導度の低下を防ぐという点で、実質的に炭酸リチウムを含有しないことが好ましい。なお、本発明において、硫化リチウムが炭酸リチウムを実質的に含有しないとは、硫化リチウムをCu−Kα線を用いてX線回折分析したときに(a)硫化リチウムに由来する2θ=27°付近(111面)の回折ピークに対する(b)炭酸リチウムに由来する2θ=32°付近(002面)の回折ピークの強度比(b/a)が0.01以下、好ましくは0.001以下であることを示す。なお、本発明において、回折ピークの強度比(b/a)とは、(a)の回折ピーク面積に対する(b)の回折ピーク面積の比である。   Furthermore, the lithium sulfide obtained by the method for producing lithium sulfide of the present invention, when used as a raw material for an inorganic solid electrolyte, substantially contains lithium carbonate in terms of preventing the decrease in ionic conductivity in addition to the above characteristics. It is preferable not to contain. In the present invention, lithium sulfide substantially does not contain lithium carbonate when lithium sulfide is subjected to X-ray diffraction analysis using Cu-Kα rays (a) around 2θ = 27 ° derived from lithium sulfide. The intensity ratio (b / a) of the diffraction peak in the vicinity of 2θ = 32 ° (002 plane) derived from lithium carbonate with respect to the diffraction peak of (111 plane) is 0.01 or less, preferably 0.001 or less. It shows that. In the present invention, the diffraction peak intensity ratio (b / a) is the ratio of the diffraction peak area of (b) to the diffraction peak area of (a).

本発明の硫化リチウムの製造方法により得られる硫化リチウムは、リチウムイオン二次電池の無機固体電解質の原料として好適に用いられる。   The lithium sulfide obtained by the method for producing lithium sulfide of the present invention is suitably used as a raw material for an inorganic solid electrolyte of a lithium ion secondary battery.

本発明の無機固体電解質の製造方法は、本発明の硫化リチウムの製造方法により硫化リチウムを得、次いで、得られた硫化リチウムと、硫化リン、硫化ケイ素、硫化ゲルマニウム、硫化ホウ素、硫化アルミニウム及び硫化ガリウムの群から選ばれる1種又は2種以上の硫化物(A)とを反応させることを特徴とする無機固体電解質の製造方法である。なお、以下、本発明の無機固体電解質の製造方法において、硫化リチウムと反応させる硫化物を、硫化リチウムと区別するために硫化物(A)と記載する。   The method for producing an inorganic solid electrolyte of the present invention is obtained by obtaining lithium sulfide by the method for producing lithium sulfide of the present invention, and then the obtained lithium sulfide, phosphorus sulfide, silicon sulfide, germanium sulfide, boron sulfide, aluminum sulfide and sulfide. An inorganic solid electrolyte production method comprising reacting one or more sulfides (A) selected from the group of gallium. Hereinafter, in the method for producing an inorganic solid electrolyte of the present invention, a sulfide to be reacted with lithium sulfide is referred to as sulfide (A) in order to distinguish it from lithium sulfide.

本発明の硫化リチウムの製造方法により得られる無機固体電解質は、LiS−P、LiS−SiS、LiS−GeS、LiS−Ga、LiS−B、LiS−Al等が挙げられる。 The inorganic solid electrolyte obtained by the method for producing lithium sulfide of the present invention is Li 2 S—P 2 S 3 , Li 2 S—SiS 2 , Li 2 S—GeS 2 , Li 2 S—Ga 2 S 3 , Li 2. etc. S-B 2 S 3, Li 2 S-Al 2 S 3 and the like.

本発明の無機固体電解質の製造方法に用いられる硫化物(A)の物性等は、特に制限されないが、硫化リチウムとの均一混合が容易になる点で、硫化物(A)の平均粒子径は、20μm以下が好ましく、1〜10μmが特に好ましい。   The physical properties and the like of the sulfide (A) used in the method for producing an inorganic solid electrolyte of the present invention are not particularly limited, but the average particle diameter of the sulfide (A) is easy in that uniform mixing with lithium sulfide is facilitated. 20 μm or less is preferable, and 1 to 10 μm is particularly preferable.

本発明の無機固体電解質の製造方法において、硫化リチウムと硫化物(A)とを反応させる方法としては、例えば、(i)硫化リチウムと、硫化物(A)とをメカニカルミリングによりガラス化した後、得られるガラスをガラス転移以上で加熱処理する方法、(ii)硫化リチウムと硫化物(A)とを混合し、得られる混合物を不活性ガス雰囲気中で、加熱して溶融させた後、急冷する方法等が挙げられる。   In the method for producing an inorganic solid electrolyte of the present invention, as a method of reacting lithium sulfide and sulfide (A), for example, (i) after lithium sulfide and sulfide (A) are vitrified by mechanical milling And (ii) mixing lithium sulfide and sulfide (A), heating and melting the resulting mixture in an inert gas atmosphere, and then quenching. And the like.

前記(i)及び(ii)の方法において、目的とする無機固体電解質の組成に合わせて、硫化リチウムと硫化物(A)との配合割合を適宜選択する。例えば、無機固体電解質として、硫化リチウムと五硫化リンからLiS−Pの組成のものを得る場合には、硫化リチウム1モルに対する五硫化リンの配合量は、0.1〜0.7モル、好ましくは0.25〜0.5モルである。 In the methods (i) and (ii), the blending ratio of lithium sulfide and sulfide (A) is appropriately selected according to the composition of the target inorganic solid electrolyte. For example, when an inorganic solid electrolyte having a composition of Li 2 S—P 2 S 5 is obtained from lithium sulfide and phosphorus pentasulfide, the compounding amount of phosphorus pentasulfide with respect to 1 mol of lithium sulfide is 0.1 to 0. 0.7 mol, preferably 0.25 to 0.5 mol.

また、(i)及び(ii)の方法において、硫化リチウムと硫化物(A)以外に、組成調整を目的として、必要により硫黄を配合してもよい。   In addition, in the methods (i) and (ii), in addition to lithium sulfide and sulfide (A), sulfur may be blended as necessary for the purpose of adjusting the composition.

(i)の方法は、硫化リチウムと、硫化物(A)とをメカニカルミリングによりガラス化するガラス化工程と、得られるガラスをガラス転移以上で加熱処理する加熱処理工程と、を有する。   The method (i) includes a vitrification step in which lithium sulfide and sulfide (A) are vitrified by mechanical milling, and a heat treatment step in which the obtained glass is heat-treated at a glass transition or higher.

(i)の方法に係るガラス化工程は、所定量の硫化リチウムと、所定量の硫化物(A)とを、遊星ボールミル等の機械的手段を用いて、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下でメカニカルミリングする。メカニカルミリングを行う機器としては、例えば、ビーズミル、遊星型ボールミル、振動ミル等の粉砕機器、つまり、混合対象である粉体中に粒状媒体を存在させて、それらを高速で流動させる機器が挙げられる。そして、それらを高速で流動させることで、粒状媒体により、混合対象である粉体に、機械的エネルギーが加えられる。メカニカルミリングの回転速度及び回転時間をコントロールすることで、より微細で均質なガラス粉末を調製することができるが、装置の種類や原料の種類或いは使用用途に応じて適切な条件を適宜選択してメカニカルミリングを行うことが好ましい。なお、回転速度が速いほどがガラスの生成速度は速くなり、回転時間が長いほどガラスへの転化率は高くなる傾向にある。   In the vitrification step according to the method (i), a predetermined amount of lithium sulfide and a predetermined amount of sulfide (A) are inactivated by using a mechanical means such as a planetary ball mill or the like using nitrogen gas, argon gas, or the like. Mechanical milling in a gas atmosphere. Examples of the equipment for performing mechanical milling include pulverizing equipment such as a bead mill, a planetary ball mill, and a vibration mill, that is, equipment in which a granular medium is present in powder to be mixed and fluidized at high speed. . And by making them flow at high speed, mechanical energy is added to the powder to be mixed by the granular medium. By controlling the rotation speed and rotation time of mechanical milling, finer and more homogeneous glass powder can be prepared, but appropriate conditions can be selected appropriately according to the type of equipment, the type of raw material, and the intended use. It is preferable to perform mechanical milling. In addition, there exists a tendency for the conversion rate to glass to become high, so that the production | generation speed | rate of glass becomes quick, so that rotation speed is fast, and rotation time is long.

(i)の方法に係る加熱処理工程では、得られたガラスをそのガラス転移温度以上で、加熱処理する。この加熱処理により、ガラス化工程のみを行ったものに比べて、リチウムイオン伝導性を向上させることができる。(i)の方法に係る加熱処理工程での加熱温度は、用いる原料の種類や配合量により異なるが、例えば、LiS−Pの組成の無機固体電解質を得る場合は、200℃以上、好ましくは250〜400℃である。また、加熱時間は、1時間以上、好ましくは3〜12時間である。また、固体電解質の酸化による、リチウムイオン伝導性の低下を抑制する観点から、不活性ガス雰囲気又は真空下で加熱を行うことが好ましい。 In the heat treatment step according to the method (i), the obtained glass is heat-treated at a glass transition temperature or higher. By this heat treatment, lithium ion conductivity can be improved as compared with the case where only the vitrification step is performed. The heating temperature in the heat treatment step according to the method (i) varies depending on the type and blending amount of raw materials used. For example, when obtaining an inorganic solid electrolyte having a composition of Li 2 S—P 2 S 5 , 200 ° C. As mentioned above, Preferably it is 250-400 degreeC. The heating time is 1 hour or longer, preferably 3 to 12 hours. Moreover, it is preferable to heat in inert gas atmosphere or a vacuum from a viewpoint of suppressing the fall of lithium ion conductivity by the oxidation of a solid electrolyte.

(ii)の方法は、硫化リチウムと硫化物(A)とを混合し、得られる混合物を不活性ガス雰囲気中で、加熱して溶融させる溶融工程と、溶融物を急冷する急冷工程と、を有する。   In the method (ii), lithium sulfide and sulfide (A) are mixed, a melting step of heating and melting the resulting mixture in an inert gas atmosphere, and a quenching step of quenching the melt. Have.

(ii)の方法に係る溶融工程は、所定量の硫化リチウムと、所定量の硫化物(A)とを、機械的手段を用いて、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下で混合を行って均一混合物を得る。用いることができる混合装置としては、均一混合ができるものであれば特に制限はなく、例えば、ビーズミル、ボールミル、ペイントシェーカー、アトライタ、サンドミルが挙げられる。次いで、原料の混合物を、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で、加熱して混合物を溶融させる。加熱温度は、溶融させる混合物の組成により異なるが、LiS−Pの組成のものを得る場合には、加熱温度は700〜1000℃、好ましくは800〜950℃であり、加熱時間は1時間以上、好ましくは3〜6時間である。 In the melting step according to the method (ii), a predetermined amount of lithium sulfide and a predetermined amount of sulfide (A) are mixed in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas or argon gas using mechanical means. To obtain a homogeneous mixture. The mixing apparatus that can be used is not particularly limited as long as uniform mixing can be performed, and examples thereof include a bead mill, a ball mill, a paint shaker, an attritor, and a sand mill. Next, the mixture of raw materials is heated in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas or argon gas to melt the mixture. The heating temperature varies depending on the composition of the mixture to be melted, but when obtaining a composition of Li 2 S—P 2 S 5 , the heating temperature is 700 to 1000 ° C., preferably 800 to 950 ° C., and the heating time Is 1 hour or more, preferably 3 to 6 hours.

(ii)の方法に係る急冷工程では、溶融工程で得た溶融物を急冷して無機固体電解質を得る。急冷工程では、急冷により溶融物を、10℃以下、好ましくは0℃以下まで冷却する。また、そのときの冷却速度は、1〜1000℃/秒、好ましくは100〜1000℃/秒である。急冷する方法としては、例えば、水冷、液体窒素による急冷、双ローラー急冷、スプラット急冷方法等の常用の方法が挙げられる。   In the rapid cooling process according to the method (ii), the melt obtained in the melting process is rapidly cooled to obtain an inorganic solid electrolyte. In the rapid cooling step, the melt is cooled to 10 ° C. or lower, preferably 0 ° C. or lower by rapid cooling. Moreover, the cooling rate at that time is 1-1000 degreeC / second, Preferably it is 100-1000 degreeC / second. Examples of the rapid cooling method include conventional methods such as water cooling, rapid cooling with liquid nitrogen, twin-roller rapid cooling, and splat rapid cooling method.

本発明の無機固体電解質の製造方法により無機固体電解質を得た後、必要により、無機固体電解質を粉砕して、或いはシート状に成形し、例えば、少なくとも正極と負極と無機固体電解質から構成される全固体リチウム電池の無機固体電解質、あるいは、正極、負極、セパレータ、及びリチウム塩を含有する非水の有機電解液からなるリチウム二次電池において、正極材或いは負極に使用するリチウム金属又はリチウム合金の被覆材として使用する。   After obtaining the inorganic solid electrolyte by the method for producing an inorganic solid electrolyte of the present invention, if necessary, the inorganic solid electrolyte is pulverized or formed into a sheet shape, for example, composed of at least a positive electrode, a negative electrode, and an inorganic solid electrolyte In a lithium secondary battery composed of an inorganic solid electrolyte of an all-solid-state lithium battery or a non-aqueous organic electrolyte containing a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a lithium salt, lithium metal or lithium alloy used for the positive electrode material or the negative electrode Used as a covering material.

本発明の硫化リチウムは、平均粒子径が5〜10μmであり、且つ、X線回折分析における(a)硫化リチウムに由来する2θ=27°付近(111面)の回折ピークに対する(b)炭酸リチウムに由来する2θ=32°付近(002面)の回折ピークの強度比(b/a)が0.01以下であることを特徴とする硫化リチウムである。   The lithium sulfide of the present invention has an average particle diameter of 5 to 10 μm, and (b) lithium carbonate with respect to a diffraction peak in the vicinity of 2θ = 27 ° (111 plane) derived from (a) lithium sulfide in X-ray diffraction analysis Lithium sulfide is characterized in that the intensity ratio (b / a) of the diffraction peak in the vicinity of 2θ = 32 ° (002 plane) derived from is 0.01 or less.

本発明の硫化リチウムの平均粒子径は、5〜10μm、好ましくは0.1〜5μmである。硫化リチウムの平均粒子径が上記範囲にあることにより、無機固体電解質の製造に用いる場合に、その製造が容易となる。特に、硫化リチウムの平均粒子径が上記範囲にあることにより、硫化リチウムと硫化物との反応による無機固体電解質の製造工程において、反応の際に反応装置に固着してしまう無機固体電解質の量を少なくすることができる。   The average particle diameter of the lithium sulfide of the present invention is 5 to 10 μm, preferably 0.1 to 5 μm. When the average particle diameter of lithium sulfide is in the above range, the production thereof is facilitated when used for the production of an inorganic solid electrolyte. In particular, since the average particle diameter of lithium sulfide is in the above range, the amount of inorganic solid electrolyte that adheres to the reactor during the reaction in the production process of the inorganic solid electrolyte by the reaction between lithium sulfide and sulfide can be reduced. Can be reduced.

本発明の硫化リチウムのX線回折分析における(a)硫化リチウムに由来する2θ=27°付近(111面)の回折ピークに対する(b)炭酸リチウムに由来する2θ=32°付近(002面)の回折ピークの強度比(b/a)は、0.01以下、好ましくは0.001以下、特に好ましくは0.00である。硫化リチウムの(a)の回折ピークに対する(b)の回折ピークの強度比(b/a)が上記範囲にあることにより、無機固体電解質のイオン伝導度を高くすることができる。なお、本発明において、回折ピークの強度比(b/a)とは、(a)の回折ピーク面積に対する(b)の回折ピーク面積の比である。   In the X-ray diffraction analysis of lithium sulfide of the present invention, (a) the diffraction peak near 2θ = 27 ° (111 plane) derived from lithium sulfide (b) near 2θ = 32 ° (002 plane) derived from lithium carbonate. The intensity ratio (b / a) of the diffraction peak is 0.01 or less, preferably 0.001 or less, and particularly preferably 0.00. When the intensity ratio (b / a) of the diffraction peak of (b) to the diffraction peak of (a) of lithium sulfide is in the above range, the ionic conductivity of the inorganic solid electrolyte can be increased. In the present invention, the diffraction peak intensity ratio (b / a) is the ratio of the diffraction peak area of (b) to the diffraction peak area of (a).

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(1)平均粒子径及び最大粒子径
装置名:マイクロトラック、メーカー:日機装(株)、型式:HRAを、用いて、レーザー回折・散乱法による体積粒度分布測定により、平均粒子径(D50)及び最大粒子径を求めた。
(2)X線回折測定
装置名:D8 ADVANCE、メーカー:Bruker AXS、を用いて、測定条件:ターゲットCu−Kα、管電圧40kV、管電流40mA、走査速度0.1°/sec、により、X線回折測定を行った。
(3)イオン伝導度測定
固体電解質の両面を電極(95重量%のNiと、5重量%のSnで構成される)0.30gで挟んだのち、20MPaで5分間保持することにより3層構造の成型体を作成した。当該成型体を測定サンプルとして、交流インピーダンス測定装置(ソーラトロン社製)を用いることにより、イオン伝導度を測定した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to these.
(1) Average particle diameter and maximum particle diameter Device name: Microtrac, manufacturer: Nikkiso Co., Ltd., model: HRA, volume particle size distribution measurement by laser diffraction / scattering method was used, and average particle diameter (D50) and The maximum particle size was determined.
(2) X-ray diffraction measurement Device name: D8 ADVANCE, manufacturer: Bruker AXS, measurement conditions: target Cu-Kα, tube voltage 40 kV, tube current 40 mA, scanning speed 0.1 ° / sec, X Line diffraction measurement was performed.
(3) Ionic conductivity measurement After sandwiching both sides of a solid electrolyte with 0.30 g of electrodes (composed of 95 wt% Ni and 5 wt% Sn), the structure is held at 20 MPa for 5 minutes to form a three-layer structure A molded body was created. The ion conductivity was measured by using an AC impedance measuring device (manufactured by Solartron) using the molded body as a measurement sample.

(実施例1)
原料ガスを内部へ供給するための導入口及び内部のガスを排出するための排出口を備えた内径34cm、長さ66cmのロータリーキルン(高砂工業社製、バッチ式ロータリーキルン)に、平均粒子径3.0μm、最大粒子径が12μmの炭酸リチウム(日本化学工業社製、炭酸リチウムS)を100g投入した。次いで、回転数1rpmでキルンを回転させながら、原料ガスとして、硫化水素の体積割合が75vol%の硫化水素と窒素との混合ガスを、導入口から5L/分の流量で供給しながら、600℃で2時間反応させた。反応中は、ロータリーキルン内のガスを排出口から排出させながら反応を行った。
反応終了後、原料ガスを窒素ガスに切り替え、室温まで冷却した。得られた硫化リチウムの評価結果を表1に示す。また、X線回折図を図1に示す。(a)硫化リチウムに由来する2θ=27°付近(111面)の回折ピークに対する(b)炭酸リチウムに由来する2θ=32°付近(002面)の回折ピークの強度比(b/a)は、0.00であった。
Example 1
An average particle size of 3 cm in a rotary kiln (manufactured by Takasago Industry Co., Ltd., batch type rotary kiln) having an inner diameter of 34 cm and a length of 66 cm provided with an inlet for supplying the raw material gas into the interior and an outlet for discharging the internal gas. 100 g of lithium carbonate (manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd., lithium carbonate S) having a maximum particle size of 12 μm was added. Next, while rotating the kiln at a rotation speed of 1 rpm, a raw material gas having a volume ratio of hydrogen sulfide of 75 vol% and supplying a mixed gas of hydrogen sulfide and nitrogen at a flow rate of 5 L / min from the inlet is 600 ° C. For 2 hours. During the reaction, the reaction was carried out while discharging the gas in the rotary kiln from the outlet.
After completion of the reaction, the raw material gas was switched to nitrogen gas and cooled to room temperature. The evaluation results of the obtained lithium sulfide are shown in Table 1. An X-ray diffraction diagram is shown in FIG. (A) The intensity ratio (b / a) of the diffraction peak near 2θ = 32 ° (002 plane) derived from lithium carbonate to the diffraction peak near 2θ = 27 ° (111 plane) derived from lithium sulfide is (b / a). 0.00.

(実施例2)
原料ガスを、硫化水素の体積割合が75vol%の硫化水素と窒素との混合ガスに代えて、100vol%の硫化水素とすること、及び原料ガスの供給量を、5L/分の流量に代えて、2L/分の流量とすること以外は、実施例1と同じ方法で行った。得られた硫化リチウムの評価結果を表1に示す。また、X線回折図を図2に示す。また、回折ピークの強度比(b/a)は、0.00であった。
(Example 2)
The raw material gas is changed to a hydrogen sulfide of 100 vol% instead of the mixed gas of hydrogen sulfide and nitrogen whose volume ratio of hydrogen sulfide is 75 vol%, and the supply amount of the raw material gas is changed to a flow rate of 5 L / min. The same method as in Example 1 was performed except that the flow rate was 2 L / min. The evaluation results of the obtained lithium sulfide are shown in Table 1. An X-ray diffraction diagram is shown in FIG. The intensity ratio (b / a) of the diffraction peak was 0.00.

(比較例1)
平均粒子径3.0μm、最大粒子径が12μmの炭酸リチウム(日本化学工業社製、炭酸リチウムS)に代えて、平均粒子径60μm、最大粒子径が400μmの炭酸リチウム(日本化学工業社製、炭酸リチウムH)とすること以外は、実施例1と同じ方法で行った。得られた硫化リチウムの評価結果を表1に示す。また、X線回折図を図3に示す。また、回折ピークの強度比(b/a)は、0.12であった。
(Comparative Example 1)
Instead of lithium carbonate having an average particle size of 3.0 μm and a maximum particle size of 12 μm (made by Nippon Chemical Industry Co., Ltd., lithium carbonate S), lithium carbonate having an average particle size of 60 μm and a maximum particle size of 400 μm (manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd., The same method as in Example 1 was performed except that lithium carbonate H) was used. The evaluation results of the obtained lithium sulfide are shown in Table 1. An X-ray diffraction diagram is shown in FIG. In addition, the intensity ratio (b / a) of the diffraction peak was 0.12.

(比較例2)
600℃で2時間反応させることに代えて、300℃で10時間反応させること以外は、実施例1と同じ方法で行った。得られた硫化リチウムの評価結果を表1に示す。また、X線回折図を図4に示す。また、回折ピークの強度比(b/a)は、1.89であった。
(Comparative Example 2)
It replaced with making it react at 600 degreeC for 2 hours, and it carried out by the same method as Example 1 except making it react at 300 degreeC for 10 hours. The evaluation results of the obtained lithium sulfide are shown in Table 1. An X-ray diffraction diagram is shown in FIG. The intensity ratio (b / a) of the diffraction peak was 1.89.

(比較例3)
600℃で2時間反応させることに代えて、800℃で2時間反応させること以外は、実施例1と同じ方法で行った。得られた硫化リチウムの評価結果を表1に示す。また、X線回折図を図5に示す。また、回折ピークの強度比(b/a)は、0.00であった。
(Comparative Example 3)
It replaced with making it react at 600 degreeC for 2 hours, and it carried out by the same method as Example 1 except making it react at 800 degreeC for 2 hours. The evaluation results of the obtained lithium sulfide are shown in Table 1. An X-ray diffraction diagram is shown in FIG. The intensity ratio (b / a) of the diffraction peak was 0.00.

(実施例3)
原料ガスを内部へ供給するための導入口及び内部のガスを排出するための排出口を備えた横型管状炉に、平均粒子径3.0μm、最大粒子径が12μmの炭酸リチウム(日本化学工業社製、炭酸リチウムS)を100g投入した。次いで、反応装置内に、原料ガスとして、硫化水素の体積割合が75vol%の硫化水素と窒素との混合ガスを、導入口から5L/分の流量で供給しながら、600℃で6時間反応させた。反応中は、反応装置内のガスを排出口から排出させながら反応を行った。
反応終了後、原料ガスを窒素ガスに切り替え、室温まで冷却した。得られた硫化リチウムの評価結果を表1に示す。また、X線回折図を図6に示す。また、回折ピークの強度比(b/a)は、0.00であった。
(Example 3)
Lithium carbonate (Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) with an average particle size of 3.0 μm and a maximum particle size of 12 μm was added to a horizontal tubular furnace equipped with an inlet for supplying the raw material gas and an exhaust port for discharging the internal gas. 100 g of lithium carbonate S) was added. Next, while supplying a mixed gas of hydrogen sulfide and nitrogen having a volume ratio of 75% by volume of hydrogen sulfide as a source gas into the reaction apparatus at a flow rate of 5 L / min from the inlet, the reaction is performed at 600 ° C. for 6 hours. It was. During the reaction, the reaction was carried out while discharging the gas in the reactor from the outlet.
After completion of the reaction, the raw material gas was switched to nitrogen gas and cooled to room temperature. The evaluation results of the obtained lithium sulfide are shown in Table 1. An X-ray diffraction diagram is shown in FIG. The intensity ratio (b / a) of the diffraction peak was 0.00.

(実施例4)
原料ガスを内部へ供給するための導入口及び内部のガスを排出するための排出口を備えた内径34cm、長さ66cmのロータリーキルン(高砂工業社製、バッチ式ロータリーキルン)に、平均粒子径3.0μm、最大粒子径が12μmの炭酸リチウム(日本化学工業社製、炭酸リチウムS)を100g投入した。次いで、回転数1rpmでキルンを回転させながら、原料ガスとして、二硫化炭素の体積割合が50vol%の二硫化炭素と窒素との混合ガスを、導入口から5L/分の流量で供給しながら、650℃で10時間反応させた。反応中は、ロータリーキルン内のガスを排出口から排出させながら反応を行った。
反応終了後、原料ガスを窒素ガスに切り替え、室温まで冷却した。得られた硫化リチウムの評価結果を表1に示す。また、X線回折図を図7に示す。また、回折ピークの強度比(b/a)は、0.00であった。
Example 4
An average particle size of 3 cm in a rotary kiln (manufactured by Takasago Industry Co., Ltd., batch type rotary kiln) having an inner diameter of 34 cm and a length of 66 cm provided with an inlet for supplying the raw material gas into the interior and an outlet for discharging the internal gas. 100 g of lithium carbonate (manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd., lithium carbonate S) having a maximum particle size of 12 μm was added. Next, while rotating the kiln at a rotation speed of 1 rpm, while supplying a mixed gas of carbon disulfide and nitrogen having a volume ratio of carbon disulfide of 50 vol% as a source gas at a flow rate of 5 L / min, The reaction was carried out at 650 ° C. for 10 hours. During the reaction, the reaction was carried out while discharging the gas in the rotary kiln from the outlet.
After completion of the reaction, the raw material gas was switched to nitrogen gas and cooled to room temperature. The evaluation results of the obtained lithium sulfide are shown in Table 1. An X-ray diffraction diagram is shown in FIG. The intensity ratio (b / a) of the diffraction peak was 0.00.

(比較例4)
平均粒子径1mmの水酸化リチウム(日本化学工業社製)を、コーヒーミルにて粉砕した。粉砕処理した水酸化リチウムを観察したところ、水酸化リチウムの微粒子が凝集していることが確認された。
次いで、平均粒径3.0μm、最大粒子径が12μmの炭酸リチウム(日本化学工業社製、炭酸リチウムS)に代えて、上記で粉砕処理して得た水酸化リチウムとすること以外は、実施例1と同じ方法で行った。得られた硫化リチウムの評価結果を表1に示す。また、回折ピークの強度比(b/a)は、0.00であった。
(Comparative Example 4)
Lithium hydroxide (manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) having an average particle diameter of 1 mm was pulverized with a coffee mill. Observation of the pulverized lithium hydroxide confirmed that fine particles of lithium hydroxide were agglomerated.
Next, in place of lithium carbonate having an average particle size of 3.0 μm and a maximum particle size of 12 μm (made by Nippon Kagaku Kogyo Co., Ltd., lithium carbonate S) Performed in the same manner as Example 1. The evaluation results of the obtained lithium sulfide are shown in Table 1. The intensity ratio (b / a) of the diffraction peak was 0.00.

(比較例5)
原料ガスを内部へ供給するための導入口及び内部のガスを排出するための排出口を備えた加熱炉内に、平均粒子径3.0μm、最大粒子径が12μmの炭酸リチウム(日本化学工業社製、炭酸リチウムS)100gを静置した。次いで、炭酸リチウムを静置したままで、原料ガスとして、硫化水素の体積割合が75vol%の硫化水素と窒素との混合ガスを、導入口から5L/分の流量で供給しながら、600℃で2時間反応させた。反応中は、加熱炉内のガスを排出口から排出させながら反応を行った。
反応終了後、原料ガスを窒素ガスに切り替え、室温まで冷却した。得られた硫化リチウムの評価結果を表1に示す。また、X線回折図を図9に示す。(a)硫化リチウムに由来する2θ=27°付近(111面)の回折ピークに対する(b)炭酸リチウムに由来する2θ=32°付近(002面)の回折ピークの強度比(b/a)は、0.53であった。
(Comparative Example 5)
Lithium carbonate having an average particle size of 3.0 μm and a maximum particle size of 12 μm (Nihon Kagaku Kogyo Co., Ltd.) in a heating furnace equipped with an introduction port for supplying the raw material gas and an exhaust port for discharging the internal gas. Manufactured, lithium carbonate S) 100 g. Next, while the lithium carbonate was left standing, a mixed gas of hydrogen sulfide and nitrogen having a volume ratio of 75% by volume of hydrogen sulfide was supplied as a raw material gas at a flow rate of 600 ° C. at a flow rate of 5 L / min. The reaction was performed for 2 hours. During the reaction, the reaction was carried out while discharging the gas in the heating furnace from the outlet.
After completion of the reaction, the raw material gas was switched to nitrogen gas and cooled to room temperature. The evaluation results of the obtained lithium sulfide are shown in Table 1. An X-ray diffraction diagram is shown in FIG. (A) The intensity ratio (b / a) of the diffraction peak near 2θ = 32 ° (002 plane) derived from lithium carbonate to the diffraction peak near 2θ = 27 ° (111 plane) derived from lithium sulfide is (b / a). 0.53.

1)炭酸リチウム1gに対する1分当たりの硫黄化合物の供給量 1) Supply amount of sulfur compounds per minute per gram of lithium carbonate

(実施例5)
実施例1において製造した硫化リチウム0.651g(70mol%)を秤量し、五二硫化リン(Aldrich社製)1.349g(30mol%)を秤量して加えたものに対して遊星ミルを用いて400回転、20時間処理を行い、固体電解質を製造した。
次いで、遊星ミル内から、固体電解質を回収した。回収した固体電解質の重量を秤量し、上述の硫化リチウム及び五二硫化リンの重量の合計との差を計算することにより、遊星ミルに固着したために回収できなかった固体電解質が、上述の硫化リチウム及び五二硫化リンの重量合計に占める割合(以下「容器固着率」とする)を算出した。
容器固着率及び固体電解質のイオン伝導度を表2に示す。
容器固着率(%)=((硫化リチウム及び五二硫化リンの重量合計−回収した固体電解質の重量)/硫化リチウム及び五二硫化リンの重量合計)×100
(Example 5)
Using a planetary mill, weighed 0.651 g (70 mol%) of lithium sulfide produced in Example 1, and weighed and added 1.349 g (30 mol%) of phosphorus pentasulfide (manufactured by Aldrich). The solid electrolyte was manufactured by performing a process for 400 rotations for 20 hours.
Next, the solid electrolyte was recovered from the planetary mill. The weight of the collected solid electrolyte was weighed, and the difference from the total weight of the above-mentioned lithium sulfide and phosphorus pentasulfide was calculated, so that the solid electrolyte that could not be recovered because it was fixed on the planetary mill was And the ratio (henceforth "the container adhering rate") to the total weight of phosphorus pentadisulfide was calculated.
Table 2 shows the container adhesion rate and the ionic conductivity of the solid electrolyte.
Container fixing ratio (%) = ((total weight of lithium sulfide and phosphorus pentasulfide−weight of recovered solid electrolyte) / total weight of lithium sulfide and phosphorus pentasulfide) × 100

(実施例6)
実施例1において製造した硫化リチウムに代えて、実施例4において製造した硫化リチウムを用いたこと以外は、実施例5と同じ方法を用いることにより、固体電解質を製造した。
固体電解質の容器固着率及びイオン伝導度を表2に示す。
(Example 6)
A solid electrolyte was produced by using the same method as in Example 5 except that the lithium sulfide produced in Example 4 was used in place of the lithium sulfide produced in Example 1.
Table 2 shows the container adhesion rate and ionic conductivity of the solid electrolyte.

(比較例6)
実施例1において製造した硫化リチウムに代えて、比較例1において製造した硫化リチウムを用いたこと以外は、実施例5と同じ方法を用いることにより、固体電解質を製造した。
固体電解質の容器固着率及びイオン伝導度を表2に示す。
(Comparative Example 6)
A solid electrolyte was produced by using the same method as in Example 5, except that the lithium sulfide produced in Comparative Example 1 was used instead of the lithium sulfide produced in Example 1.
Table 2 shows the container adhesion rate and ionic conductivity of the solid electrolyte.

(比較例7)
実施例1において製造した硫化リチウムに代えて、比較例4において製造した硫化リチウムを用いたこと以外は、実施例5と同じ方法を用いることにより、固体電解質を製造した。
固体電解質の容器固着率及びイオン伝導度を表2に示す。
(Comparative Example 7)
A solid electrolyte was produced by using the same method as in Example 5 except that the lithium sulfide produced in Comparative Example 4 was used instead of the lithium sulfide produced in Example 1.
Table 2 shows the container adhesion rate and ionic conductivity of the solid electrolyte.

表2の結果より、本発明の硫化リチウムを用いて作成された無機固体電解質は、比較例のものと比べて高いイオン伝導度と容器固着率の低減の両立が認められた。   From the results in Table 2, it was confirmed that the inorganic solid electrolyte prepared using the lithium sulfide of the present invention has both high ionic conductivity and reduced container fixing rate as compared with the comparative example.

Claims (9)

平均粒子径が10μm以下の炭酸リチウムを流動状態で、ガス状の硫黄化合物と、450℃以上炭酸リチウムの融点以下の温度で接触させて、炭酸リチウムと硫黄化合物との反応を行うことにより、硫化リチウムを得ることを特徴とする硫化リチウムの製造方法。   By bringing lithium carbonate having an average particle size of 10 μm or less into contact with a gaseous sulfur compound at a temperature not lower than 450 ° C. and not higher than the melting point of lithium carbonate, the reaction between lithium carbonate and the sulfur compound is carried out. A method for producing lithium sulfide, comprising obtaining lithium. 前記炭酸リチウムの平均粒子径が10μm以下であり且つ最大粒子径が50μm以下であり、反応系内に前記ガス状の硫黄化合物を、炭酸リチウム1gに対して1分当たり0.0005〜0.0040モル(モル/分/炭酸リチウム1g)の供給量で供給しつつ、反応系内から反応系内のガスを排出しながら、反応系内で、前記炭酸リチウムと前記ガス状の硫黄化合物との反応を行うことを特徴とする請求項1記載の硫化リチウムの製造方法。   The lithium carbonate has an average particle size of 10 μm or less and a maximum particle size of 50 μm or less. The gaseous sulfur compound is added to the reaction system in an amount of 0.0005 to 0.0040 per minute with respect to 1 g of lithium carbonate. The reaction of the lithium carbonate and the gaseous sulfur compound in the reaction system while discharging the gas in the reaction system from the reaction system while supplying at a supply amount of mol (mol / min / lithium carbonate 1 g) The method for producing lithium sulfide according to claim 1, wherein: 前記炭酸リチウムの平均粒子径が0.1〜5μmであり且つ最大粒子径が50μm以下であることを特徴とする請求項1又は2いずれか1項記載の硫化リチウムの製造方法。   3. The method for producing lithium sulfide according to claim 1, wherein the lithium carbonate has an average particle size of 0.1 to 5 μm and a maximum particle size of 50 μm or less. 前記ガス状の硫黄化合物が、硫化水素であることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項記載の硫化リチウムの製造方法。   The method for producing lithium sulfide according to any one of claims 1 to 3, wherein the gaseous sulfur compound is hydrogen sulfide. 前記炭酸リチウムと前記ガス状の硫黄化合物との反応温度が、450〜700℃であることを特徴とする請求項1〜4いずれか1項記載の硫化リチウムの製造方法。   The reaction temperature of the said lithium carbonate and the said gaseous sulfur compound is 450-700 degreeC, The manufacturing method of the lithium sulfide of any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. 前記ガス状の硫黄化合物が硫化水素であり、反応系内に硫化水素を供給しつつ、反応系内で生成した二酸化炭素及び水蒸気を、反応系外に排出しながら、前記炭酸リチウムと前記ガス状の硫黄化合物との反応を行うことを特徴とする請求項1〜5いずれか1項記載の硫化リチウムの製造方法。   The gaseous sulfur compound is hydrogen sulfide, and while supplying hydrogen sulfide into the reaction system, while discharging carbon dioxide and water vapor generated in the reaction system to the outside of the reaction system, the lithium carbonate and the gaseous state The method for producing lithium sulfide according to any one of claims 1 to 5, wherein the reaction with a sulfur compound is performed. 生成する硫化リチウムの平均粒子径が10μm以下であることを特徴とする請求項1〜6いずれか1項記載の硫化リチウムの製造方法。   The method for producing lithium sulfide according to any one of claims 1 to 6, wherein the generated lithium sulfide has an average particle size of 10 µm or less. 請求項1〜7いずれか1項記載の硫化リチウムの製造方法により、硫化リチウムを得、次いで、得られた硫化リチウムと、硫化リン、硫化ケイ素、硫化ゲルマニウム、硫化ホウ素、硫化アルミニウム及び硫化ガリウムの群から選ばれる1種又は2種以上の硫化物と、を反応させることを特徴とする無機固体電解質の製造方法。   Lithium sulfide is obtained by the method for producing lithium sulfide according to any one of claims 1 to 7, and then the obtained lithium sulfide and phosphorus sulfide, silicon sulfide, germanium sulfide, boron sulfide, aluminum sulfide and gallium sulfide are obtained. A method for producing an inorganic solid electrolyte, comprising reacting one or more sulfides selected from the group. 平均粒子径が5〜10μmであり、且つ、X線回折分析における(a)硫化リチウムに由来する2θ=27°付近(111面)の回折ピークに対する(b)炭酸リチウムに由来する2θ=32°付近(002面)の回折ピークの強度比(b/a)が0.01以下であることを特徴とする硫化リチウム。   (B) 2θ = 32 ° derived from lithium carbonate with respect to a diffraction peak in the vicinity of 2θ = 27 ° (111 plane) derived from lithium sulfide (a) in X-ray diffraction analysis in an average particle diameter of 5 to 10 μm. Lithium sulfide, wherein the intensity ratio (b / a) of the diffraction peak in the vicinity (002 plane) is 0.01 or less.
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