JP2013201110A - 固体電解質 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】構成成分として、アルカリ金属元素、リン、硫黄及びハロゲンを含む固体電解質。
【選択図】なし
Description
この加水分解性を抑制する技術が特許文献2に提案されている。しかしながら、本技術では加水分解性が低減する代わりにイオン伝導度が大きく低下するという問題がある。
1.構成成分として、アルカリ金属元素、リン、硫黄及びハロゲンを含む固体電解質。
2.前記アルカリ金属元素がリチウムである1に記載の固体電解質。
3.1P−NMRスペクトルにおいて、75.0ppm以上80.0ppm以下であるピーク領域にピークを有する1又は2に記載の固体電解質。
4.31P−NMRスペクトルにおいて、86.0ppm以上92.0ppm以下であるピーク領域にピークを有する1〜3のいずれかに記載の固体電解質。
5.31P−NMRスペクトルにおいて、75.0ppm以上80.0ppm以下である第一ピーク領域に第一ピークを有し、
前記第一ピーク領域、及び86.0ppm以上92.0ppm以下の領域である第二ピーク領域以外の領域にあるピークの強度比が、前記第一ピークに対し0.5以下である1〜4のいずれかに記載の固体電解質。
6.前記第一ピーク領域及び第二ピーク領域に、それぞれピークを有する5に記載の固体電解質。
7.前記第一ピーク(I1)に対する、前記第二ピーク領域にある第二ピーク(I2)のピーク強度比(I2/I1)が1〜10である6に記載の固体電解質。8.イオン伝導度が5×10−4S/cm以上である5〜7のいずれかに記載の固体電解質。
9.加水分解試験による硫化水素濃度平均値が200ppm以下である5〜8のいずれかに記載の固体電解質。
10.イオン伝導度が3×10−4S/cm以上である1〜4のいずれかに記載の固体電解質。
11.加水分解試験による硫化水素濃度平均値が200ppm以下である1〜4、10のいずれかに記載の固体電解質。
12.下記式(A’)に示す組成を有する1〜11のいずれかに記載の固体電解質。
LaMbPcSdXe…(A’)
(式中、Lはアルカリ金属を示し、MはB,Al,Si,Ge,As,Se,Sn,Sb,Te,PbもしくはBi、又はこれらの組合せを示し、XはI,Cl,BrもしくはF又はこれらの組合せを示す。a〜eは、0<a≦12、0≦b≦0.2、c=1,0<d≦9、0<e≦9を満たす。)
13.前記bが0である12に記載の固体電解質。
14.前記dが4である12に記載の固体電解質。
15.前記Xが、I、Br又はClである12〜14のいずれかに記載の固体電解質。
16.結晶構造を有する12〜15のいずれかに記載の固体電解質。
17.前記Xが、Br又はClであり、非晶質である12〜14のいずれかに記載の固体電解質。
18.硫化リチウムと硫化リン、硫黄とリン、硫化リンと硫黄、又は硫化リンと硫黄とリンと、
下記式(E’)で表される化合物と、
を原料とする12〜17のいずれかに記載の固体電解質。
MwXx…(E’)
(式中、MはLi,B,Al,Si,P,S,Ge,As,Se,Sn,Sb,Te,Pb又はBiを示し、XはF,Cl,Br又はIを示す。wは1〜2の整数を示し、xは1〜10の整数を示す。)
19.前記MがPであり、前記XがBr、I又はClである18に記載の固体電解質。
20.前記MがLiであり、前記XがBr、I又はClである18に記載の固体電解質。
21.非晶質であり、示差熱−熱重量測定において、結晶化ピークを2つ有する12〜15、17〜20のいずれかに記載の固体電解質。
22.前記2つの結晶化ピークが150℃以上360℃以下の範囲にある21に記載の固体電解質。
23.前記2つの結晶化ピーク間の幅が20〜100℃である21又は22に記載の固体電解質。
24.非晶質である12〜15、17〜23のいずれかに記載の固体電解質を150℃以上360℃以下で加熱することにより得られる固体電解質。
25.上記21〜23のいずれかに記載の固体電解質を、前記2つの結晶化ピークで示される温度の間の温度で加熱して得られる固体電解質。
26.構成成分としてアルカリ金属元素を含み、
粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、少なくとも2θ=16.3±0.3deg,21.3±0.3deg,33.1±0.8degに回折ピークを有する固体電解質。
27.構成成分としてアルカリ金属元素を含み、
粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、少なくとも2θ=16.3±0.3deg,21.3±0.3deg,33.1±0.5degに回折ピークを有する固体電解質。
28.構成成分としてアルカリ金属元素を含み、
粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=15.6±0.3deg,16.3±0.3deg,21.3±0.3deg,30.1±0.3deg,31.5±0.3deg,33.1±0.3degに回折ピークを有する固体電解質。
29.構成成分としてアルカリ金属元素を含み、
粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=15.6±0.3deg,16.3±0.3deg,21.3±0.3deg,30.1±0.5deg,31.5±0.3deg,33.1±0.3degに回折ピークを有する固体電解質。
30.構成成分としてアルカリ金属元素を含み、
粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=15.6±0.3deg,16.3±0.3deg,21.3±0.3deg,29.8±0.3deg,31.5±0.3deg,33.1±0.3degに回折ピークを有する固体電解質。
31.構成成分としてアルカリ金属元素を含み、
粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=15.6±0.3deg,16.3±0.3deg,21.3±0.3deg,31.5±0.3deg,32.6±0.3degに回折ピークを有する固体電解質。
32.前記アルカリ金属元素が、リチウムである26〜31のいずれかに記載の固体電解質。
33.イオン伝導度が3×10−4S/cm以上である26〜32のいずれかに記載の固体電解質。
34.加水分解試験による硫化水素濃度平均値が200ppm以下である25〜33のいずれかに記載の固体電解質。
35.構成成分として硫黄元素、リン元素及びハロゲン元素から選択される元素を1以上含む26〜34のいずれかに記載の固体電解質。
36.構成成分としてハロゲン元素を20モル%以下含む26〜35のいずれかに記載の固体電解質。
37.前記ハロゲン元素を15モル%以下含む36に記載の固体電解質。
38.上記1〜4,10〜25のいずれかに記載の固体電解質を含む電解質含有物。
39.上記1〜4,10〜25のいずれかに記載の固体電解質及び38に記載の電解質含有物の少なくとも1つを含む電解質層。
40.上記1〜4,10〜25のいずれかに記載の固体電解質及び38の電解質含有物の少なくとも1つを用いて製造された電解質層。
41.正極層、電解質層及び負極層の少なくとも一つが、1〜4,10〜25のいずれかに記載の固体電解質及び38の電解質含有物の少なくとも1つを含む電池。
42.正極層、電解質層及び負極層の少なくとも一つが、1〜4,10〜25のいずれかに記載の固体電解質及び38の電解質含有物の少なくとも1つを用いて製造された電池。
43.上記5〜9のいずれかに記載の固体電解質を含む電解質含有物。
44.上記5〜9のいずれかに記載の固体電解質及び43に記載の電解質含有物の少なくとも1つを含む電解質層。
45.上記5〜9のいずれかに記載の固体電解質及び43の電解質含有物の少なくとも1つを用いて製造された電解質層。
46.正極層、電解質層及び負極層の少なくとも一つが、5〜9のいずれかに記載の固体電解質及び43の電解質含有物の少なくとも1つを含む電池。
47.正極層、電解質層及び負極層の少なくとも一つが、5〜9のいずれかに記載の固体電解質及び43の電解質含有物の少なくとも1つを用いて製造された電池。
48.上記26〜37のいずれかに記載の固体電解質を含む電解質含有物。
49.上記26〜37のいずれかに記載の固体電解質を原料とする電解質含有物。
50.上記26〜37のいずれかに記載の固体電解質及び48又は49に記載の電解質含有物の少なくとも1つを含む電解質層。
51.上記26〜37のいずれかに記載の固体電解質及び48又は49の電解質含有物の少なくとも1つを用いて製造された電解質層。
52.正極層、電解質層及び負極層の少なくとも一つが、26〜37のいずれかに記載の固体電解質及び48又は49の電解質含有物の少なくとも1つを含む電池。
53.正極層、電解質層及び負極層の少なくとも一つが、26〜37のいずれかに記載の固体電解質及び48又は49の電解質含有物の少なくとも1つを用いて製造された電池。
本発明の第1の固体電解質は、31P−NMRスペクトルにおいて、75.0ppm以上80.0ppm以下であるピーク領域(以下、第一ピーク領域という。)にピーク(以下、第一のピークという。)を有することが好ましい。このピーク条件により特定される固体電解質は、加水分解しにくく、高いイオン伝導度を有する。
明確な極大点がなくピークトップの位置が分からない場合、ショルダーピークのピーク位置は、75.0ppm以上80.0ppm以下のピーク領域における微分値の絶対値が最も小さくなるところとする。
第二のピークも同様にショルダーピークであってもよく、明確な極大点がなくピークトップの位置が分からない場合、ショルダーピークのピーク位置は、第二ピーク領域における微分値の絶対値が最も小さくなるところとする。
上記ピーク条件により特定される固体電解質は、加水分解しにくく、高いイオン伝導度を有する。
ピーク強度は、ベースラインからピークトップまでの高さとする。
上記回折ピークにより特定される固体電解質は、加水分解しにくく、高いイオン伝導度を有する。
本発明の第2の固体電解質は、粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、より好ましくは少なくとも2θ=16.3±0.3deg,21.3±0.3deg,33.1±0.3degに回折ピークを有し、さらに好ましくは少なくとも2θ=15.6±0.3deg,16.3±0.3deg,21.3±0.3deg,30.1±0.5deg,31.5±0.3deg,33.1±0.3degに回折ピークを有し、特に好ましくは少なくとも2θ=15.6±0.3deg,16.3±0.3deg,21.3±0.3deg,30.1±0.3deg又は29.8±0.3deg,31.5±0.3deg,33.1±0.3degに回折ピークを有する。
例えば、2θ=15.6±0.3deg,16.3±0.3deg,21.3±0.3deg,25.1±0.3deg,30.1±0.3deg,31.5±0.3deg,33.1±0.3degに回折ピークを有していてもよい。
また、本発明の第2の固体電解質は、アルカリ金属元素を必須の構成成分とし、好ましくはさらにリン元素、硫黄元素及びハロゲン元素の少なくとも1つ、より好ましくは硫黄元素を構成成分として含む。
また、本発明の第2の固体電解質は、ハロゲン元素を含むことが好ましく、その含有量は好ましくは20モル%以下、より好ましくは15モル%以下である。
上記ハロゲンは、F、Cl、Br及びIから選択される1つのハロゲン原子であることが好ましく、Cl、Br又はIであることがより好ましく、特に、Br又はIであることが好ましい。
LaMbPcSdXe…(A)
式(A)において、Lは、アルカリ金属であり、リチウムとナトリウムが好ましく、特にリチウムが好ましい。
BfZngSihCuiGajGek…(B)
式(B)において、f〜kはそれぞれ各元素の組成比を示す。f、g、h、i、j、kは、それぞれ0以上1以下であり、かつ、f+g+h+i+j+k=1である。式(B)は、B、Zn、Si、Cu、Ga及びGeから選択される1種の元素、又は、これらのうち2種以上の元素の組み合わせを表す。
式(B)において、f、i及びjが0である場合、即ち、ZngSihGek(g、h、kは0以上1以下であり、かつg+h+k=1)が好ましい。
FlClmBrnIo…(C)
好ましくは、lとmが0である場合、即ち、BrnIo(n、oはそれぞれ0以上1以下であり、n+o=1)である。
Xは、F、Cl、Br及びIから選択される1つのハロゲン原子であることが好ましく、特に、Br又はIであることが好ましい。
好ましくは、bは0であり、より好ましくは、a、c、d及びeの比(a:c:d:e)がa:c:d:e=1〜9:1:3〜7:0.05〜3、さらに好ましくは、a:c:d:e=2〜4.5:1:3.5〜5:0.1〜1.5である。
LaMbPcSdXe…(A’)
式(A’)において、Lは、アルカリ金属であり、リチウムとナトリウムが好ましく、特にリチウムが好ましい。
式(A’)において、Mは下記式(B’)で表される元素を表す。
BfAlgSihGeiAsjSekSnlSbmTenPboBip…(B’)
式(B’)において、f〜pはそれぞれ各元素の組成比を示す。f、g、h、i、j、k、l、m、o,pは、それぞれ0以上1以下であり、かつ、f+g+h+i+j+k+l+m+n+o+p=1である。式(B’)は、B,Al,Si,P,S,Ge,As,Se,Sn,Sb,Te,Pb及びBiから選択される1種の元素、又は、2種以上の元素の組み合わせを表す。
式(A’)において、Xは下記式(C’)を表す。
FsItCluBrv…(C’)
式(C’)において、s、t、u及びvはそれぞれ各元素の組成比を示す。s、t、u及びvは、それぞれ0以上1以下であり、かつ、s+t+u+v=1である。式(C’)は、F、Cl、Br及びIから選択される1種のハロゲン元素、又は、2種以上のハロゲン元素の組み合わせを表す。
好ましくは、sとtが0である場合、即ち、CluBrv(u、vはそれぞれ0以上1以下であり、u+v=1)である。より好ましくは、sとtとuが0である場合、即ち、Brである場合である。
Xは、F、Cl、Br及びIから選択される1つのハロゲン原子であることが好ましく、特に、I,Br又はClであることが好ましく、より好ましくはBrである。
式(A’)において、a〜eはそれぞれ各元素の組成比を示し、0<a≦12、0≦b≦0.2、c=1,0<d≦9、0<e≦9を満たす。
好ましくは、bは0であり、より好ましくは、a、c、d及びeの比(a:c:d:e)がa:c:d:e=1〜9:1:3〜7:0.05〜3、さらに好ましくは、a:c:d:e=2〜6.5:1:3.5〜5:0.1〜1.5である。最も好ましくは、a:c:d:e=2〜6.5:1:3.5〜4.95:0.1〜1.5である。
dは4であると好ましい。
尚、イオン伝導度は高ければ高いほど好ましいが、例えば、上限として5×10−2S/cmを挙げることができる。
まず、試料を断面10mmφ(断面積S=0.785cm2)、高さ(L)0.1〜0.3cmの形状に成形する。その試料片の上下から電極端子を取り、交流インピーダンス法により測定し(周波数範囲:5MHz〜0.5Hz、振幅:10mV)、Cole−Coleプロットを得る。図1にCole−Coleプロットの一例を示す。高周波側領域に観測される円弧の右端付近で、−Z’’(Ω)が最小となる点での実数部Z’(Ω)を電解質のバルク抵抗R(Ω)とし、以下式に従い、イオン伝導度σ(S/cm)を計算する。
R=ρ(L/S)
σ=1/ρ
本願ではリードの距離を約60cmとして測定した。
一般に硫化物系固体電解質は、加水分解すると硫化水素を発生するが、本発明の固体電解質では、加水分解を抑制できるので、分解時に発生する硫化水素が少なくなる。
図2は、硫化水素濃度平均値の測定装置の概略構成図である。
測定試料11は、露点−80℃の環境の窒素グローボックス内にて乳鉢でよく粉砕したものを用いる。測定試料11を0.1g、100mlのシュレンク瓶12内に封入する。
次に、シュレンク瓶12内に、水槽14を通過させることにより加湿した空気(ウェットエア)を500ml/分で流通させる。尚、ウェットエアの温度は、25℃程度、湿度は、80〜90%とする。また、空気の供給量は流量計13で制御する。
流通開始1分後〜1分45秒後の間にシュレンク瓶12から排出されたガスをガス採集部15から捕集して測定用の第一サンプルガスとする。尚、採集時以外のガスは、トラップ16で水酸化ナトリウム水溶液にて硫化水素を除去する。
三菱化学アナリテック製TS−100を用いて、紫外蛍光法により硫黄分を定量して、サンプルガスの硫化水素濃度を算出する。尚、サンプルガスをアジレント6890(硫黄選択検出器(SIEVERS355)付)を用いてガスクロマトグラフにて定性分析したところ、硫黄分はその99%以上硫化水素ガスになっていることを確認している。
流通開始5分後〜5分45秒後、流通開始10分後〜10分45秒後、流通開始20分後〜20分45秒後、流通開始60分後〜60分45秒後にシュレンク瓶から排出されたガスについても、第一サンプルガスと同様に測定する。
硫化水素濃度と測定時間から硫化水素濃度平均値(ppm)を求める。
図3にウェットエア流通時間と硫化水素濃度の関係の一例を示す。曲線は各測定点をスムージングしたもので、この曲線と縦軸、横軸で囲まれた面積(ppm・分)を時間60分で除することにより、硫化水素濃度平均値(ppm)を求める。
粒子状の場合、電解質層を形成する際に、後述するように本発明の固体電解質又は電解質前駆体を含むスラリーを塗布することにより電解質層を製造することができる。電解質前駆体を用いて電解質シートを製造する場合には、電解質前駆体を用いて電解質層を形成後、後述する所定の加熱条件により加熱して本発明の電解質層を製造することもできる。
また、静電法を用いて電解質層を製造することもできる。
本願において、粒径の測定方法は、レーザー回折式粒度分布測定方法により行うことが好ましい。レーザー回折式粒度分布測定方法は、組成物を乾燥せずに粒度分布を測定することができる。レーザー回折式粒度分布測定方法では、組成物中の粒子群にレーザーを照射して、その散乱光を解析することで粒度分布を測定する。
本願では、乾燥した固体電解質又はその前駆体である硫化物系ガラスを用いて粒径を測定する。
まず、装置の分散槽に脱水処理されたトルエン(和光純薬製、製品名:特級)110mlを入れ、さらに分散剤として脱水処理されたターシャリーブチルアルコール(和光純薬製、特級)を6%添加する。
上記混合物を十分混合した後、測定対象である「乾燥した固体電解質又はその前駆体」を添加して粒子径を測定する。測定対象の添加量は、マスターサイザー2000で規定されている操作画面で、粒子濃度に対応するレーザー散乱強度が規定の範囲内(10〜20%)に収まるように加減して加える。この範囲を超えると多重散乱が発生し、正確な粒子径分布を求めることができなくなるおそれがある。また、この範囲より少ないとSN比が悪くなり、正確な測定ができないおそれがある。マスターサイザー2000では、測定対象の添加量に基づき、レーザー散乱強度が表示されるので、上記レーザー散乱強度に入る添加量を見つけるとよい。
測定対象の添加量はイオン伝導性物質の種類等により最適量は異なるが、概ね0.01g〜0.05g程度である。
結晶化温度(ピーク)は、示差熱−熱重量測定装置(メトラートレド社製TGA/DSC1)、又は示差走査熱量測定装置(パーキンエルマー社製Diamond DSC)を使用し、固体電解質(ガラス)約20mgを10℃/分で測定して特定できる。
また、2つの結晶化ピークが170℃以上330℃以下の範囲にあることがさらに好ましく、また2つの結晶化ピーク間の幅が30〜140℃であることがさらに好ましい。
また、固体電解質(ガラス)は、2つの結晶化ピークがあり、2つの結晶化ピークが175℃以上320℃以下の範囲にあり、かつ2つの結晶化ピーク間の幅が30〜140℃であることが特に好ましい。
また、2つの結晶化ピークが175℃以上320℃以下の範囲にあることが特に好ましく、また、2つの結晶化ピーク間の幅が35〜130℃であることが特に好ましい。また、固体電解質(ガラス)は、2つの結晶化ピークがあり、2つの結晶化ピークが180℃以上310℃以下の範囲にあり、かつ2つの結晶化ピーク間の幅が40〜120℃であることが最も好ましい。
固体電解質(ガラス)は、原料aとハロゲン元素を含む化合物とを所定の方法により反応させることにより製造することができる。
(a)原料a
原料aとしては、Li2S(硫化リチウム)、P2S3(三硫化二リン)、P2S5(五硫化二リン)、SiS2(硫化珪素)、Li4SiO4(オルト珪酸リチウム)、Al2S3(硫化アルミニウム)、単体リン(P)、単体の硫黄(S)、シリコン(Si)、GeS2(硫化ゲルマニウム)、B2S3(三硫化二砒素)、Li3PO4(燐酸リチウム)、Li4GeO4(ゲルマン酸リチウム)、LiBO2(メタホウ酸リチウム)、LiAlO3(リチウムアルミネート)、Na2S(硫化ナトリウム)、Na4GeO4(ゲルニウム酸ナトリウム)、Na4SiO4(オルト珪酸ナトリウム)、Na3PO4(リン酸ナトリウム)、NaBO2(メタホウ酸ナトリウム)、NaAlO3(アルミン酸ナトリウム)等を用いることができる。これらは2種以上混合して使用してもよい。
好ましい原料aとしては、Li2SとP2S5等の硫化リン、単体硫黄と単体リン、硫化リンと単体硫黄、硫化リンと単体硫黄と単体リンが挙げられる。
また、水溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを10℃〜100℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成できる(特願2009−238952)。
一方、特開2010−163356に記載の硫化リチウムの製法で製造した硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩等の含有量が非常に少ないため、精製せずに用いてもよい。
好ましい精製法としては、例えば、国際公開WO2005/40039号に記載された精製法等が挙げられる。具体的には、上記のようにして得られた硫化リチウムを、有機溶媒を用い、100℃以上の温度で洗浄する。
ハロゲン元素を含む化合物としては、下記式(E)に示す化合物を用いることができ、1つの化合物を用いてもよく、複数の化合物を用いてもよい。
Y−X…(E)
Xは、上記式(C)のXと同様である。
ハロゲン元素を含む化合物としては、NaI,NaF,NaCl,NaBr、LiI、LiF、LiCl又はLiBrが好ましい。
Mw−Xx…(E’)
式(E’)において、Mは、Li,B,Al,Si,P,S,Ge,As,Se,Sn,Sb,Te,Pb又はBiを示す。特にP又はLiが好ましい。wは1〜2の任意の整数、xは1〜10の範囲の任意の整数である。
Xは、上記式(C)のXと同様である。
以下、原料aとして、硫化リチウム及び五硫化二リンを用いた固体電解質(ガラス)の製造方法について説明する。
硫化リチウムと五硫化二リンの割合(モル比)は、60:40〜90:10、好ましくは65:35〜85:15又は70:30〜90:10であり、さらに好ましくは67:33〜83:17又は72:28〜88:12であり、特に好ましくは67:33〜80:20又は74:26〜86:14である。特により好ましくは、70:30〜80:20又は75:25〜85:15である。最も好ましくは、硫化リチウムと五硫化二リンの割合(モル比)は、72:28〜78:22、又は77:23〜83:17である。
硫化リチウムのモル量と五硫化二リンのモル量の合計とハロゲン元素を含む化合物の割合(モル比)は、50:50〜99:1が好ましく、より好ましくは55:45〜97:3又は70:30〜98:2であり、さらに好ましくは60:40〜96:4又は80:10〜98:2であり、特に好ましくは70:30〜96:4又は80:20〜98:2である。尚、硫化リチウムのモル量と五硫化二リンのモル量の合計とハロゲン元素を含む化合物は、MM処理等により混合してから加熱処理することが好ましい。
溶融急冷法は、例えば、特開平6−279049、WO2005/119706に記載されている。具体的には、P2S5とLi2Sとハロゲンを含む化合物とを所定量乳鉢にて混合しペレット状にしたものを、カーボンコートした石英管中に入れ真空封入する。所定の反応温度で反応させた後、氷中に投入し急冷することにより、固体電解質(ガラス)が得られる。
反応時間は、好ましくは0.1時間〜12時間、より好ましくは、1〜12時間である。
MM法は、例えば、特開平11−134937、特開2004−348972、特開2004−348973に記載されている。
具体的には、P2S5とLi2Sとハロゲンを含む化合物とを所定量乳鉢にて混合し、例えば、各種ボールミル等を使用して所定時間反応させることにより、固体電解質(ガラス)が得られる。
上記原料を用いたMM法は、室温で反応させることができる。そのため、原料の熱分解が起らず、仕込み組成の固体電解質(ガラス)を得ることができるという利点がある。
また、MM法では固体電解質(ガラス)の製造と同時に、微粉末化できるという利点もある。
MM法の条件としては、例えば、遊星型ボールミル機を使用した場合、回転速度を数十〜数百回転/分とし、0.5時間〜100時間処理すればよい。
また、特開2010−90003に記載されているように、ボールミルのボールは異なる径のボールを混合して使用してもよい。
また、特開2009−110920や特開2009−211950に記載されているように、原料に有機溶媒を添加してスラリー状にし、このスラリーをMM処理してもよい。
また、特開2010−30889に記載のようにMM処理の際のミル内の温度を調整してもよい。
MM処理時の原料温度が、60℃以上160℃以下になるようにすることが好ましい。
スラリー法は、WO2004/093099、WO2009/047977に記載されている。
具体的には、所定量のP2S5粒子とLi2S粒子とハロゲンを含む化合物とを有機溶媒中で所定時間反応させることにより、固体電解質(ガラス)が得られる。
ハロゲンを含む化合物は、有機溶媒に溶解するか、又は粒子であることが好ましい。
また、WO2009/047977に記載されているように、原料の硫化リチウムを予め粉砕しておくと効率的に反応を進行させることができる。
また、特願2010−270191に記載されているように、原料の硫化リチウムの比表面積を大きくするために溶解パラメーターが9.0以上の極性溶媒(例えば、メタノール、ジエチルカーネート、アセトニトリル)に所定時間浸漬してもよい。
反応時間は、好ましくは1時間以上16時間以下、より好ましくは、2時間以上14時間以下である。
非プロトン性有機溶媒としては、非プロトン性の非極性有機溶媒(例えば、炭化水素系有機溶媒)、非プロトン性の極性有機化合物(例えば、アミド化合物,ラクタム化合物,尿素化合物,有機イオウ化合物,環式有機リン化合物等)を、単独溶媒として、又は、混合溶媒として、好適に使用することができる。
飽和炭化水素としては、ヘキサン、ペンタン、2−エチルヘキサン、ヘプタン、デカン、シクロヘキサン等が挙げられる。
不飽和炭化水素しては、ヘキセン、ヘプテン、シクロヘキセン等が挙げられる。
芳香族炭化水素としては、トルエン、キシレン、デカリン、1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン等が挙げられる。
これらのうち、特にトルエン、キシレンが好ましい。
例えば、硫化リチウムは有機溶媒に溶解しないが、三臭化リンは有機溶媒に溶解するため、硫化リチウム、五硫化二リン及び臭化リンを原料に用いる場合には、全ての原料が有機溶媒に溶解しない場合よりも反応性が高くなるため、反応時間を短くでき、未反応残留物の少ない高純度の固体電解質(ガラス)を得ることができる。
固相法は、例えば、「H−J.Deiseroth,et.al.,Angew.Chem.Int.Ed.2008,47,755−758」に記載されている。具体的には、P2S5とLi2Sとハロゲンを含む化合物を所定量乳鉢にて混合し、100〜900℃の温度で加熱することにより、固体電解質(ガラス)が得られる。
固体電解質(ガラス)の製造法としては、MM法、スラリー法又は固相法が好ましい。低コストで製造可能であることから、MM法、スラリー法がより好ましく、特にスラリー法が好ましい。
上記の他、2回以上混合処理を行う場合、2種以上の異なる方法を組み合わせてもよい。例えばLi2SとP2S5をメカニカルミリングで処理した上でLiBrを混合し固相法で処理を行ってもよく、Li2SとLiBrを固相法で処理を行ったものとP2S5とLiBrとを溶融急冷処理を行ったものを混合し、スラリー法を行うことで固体電解質(ガラス)を製造してもよい。
結晶化固体電解質(ガラスセラミックス)は、上記固体電解質(ガラス)(硫化物ガラス)を加熱処理することにより得られる。加熱は、露点−40℃以下の環境下で行うことが好ましく、より好ましくは露点−60℃以下の環境下で行うことが好ましい。
加熱時の圧力は、常圧であってもよく、減圧下であってもよい。
雰囲気は、空気中であってもよく、不活性雰囲気下であってもよい。
さらに、特開2010−186744に記載されているように溶媒中で加熱してもよい。
加熱温度は、より好ましくは、(Tg+5℃)以上、(Tc+90℃)以下、さらに好ましくは、(Tg+10℃)以上、(Tc+80℃)以下である。
例えば、加熱温度は、150℃以上360℃以下であり、好ましくは160℃以上350℃以下であり、より好ましくは180℃以上310℃以下であり、さらに好ましくは180℃以上290℃以下であり、特に好ましくは190℃以上270℃以下である。
また、熱物性の測定により2つのピークがある場合は、低温側のピーク温度をTcとし、低温側のTcと高温側の第2結晶化ピーク(Tc2)との間で熱処理することが好ましい。
尚、結晶化温度等は昇温速度等により変化することがあるため、熱処理する昇温速度に近い速度で測定したTcを基準とする必要がある。従って、実施例以外の昇温速度で処理する場合は、最適な熱処理温度は変化するが、熱処理する昇温速度で測定されたTcを基準として上記条件にて熱処理することが望ましい。
第二の製造方法は、上述した第一の製造方法の固体電解質(ガラス)に、さらに、ハロゲン化合物を添加して、所定温度及び所定時間加熱する方法である。
固体電解質(ガラス)とハロゲン化合物は、MM処理等により混合しておくことが好ましい。固体電解質(ガラス)の製造方法や、固体電解質(ガラス)にハロゲン化合物を添加した材料の加熱時間、加熱温度等は、第一の製造方法と同様であるので、その説明は省略する。
ハロゲン化合物としては、上述した第一の製造方法と同じハロゲン元素を含む化合物が使用できる。
尚、第二の製造方法において、固体電解質(ガラス)の原料として使用するハロゲン元素を含む化合物の量と、固体電解質(ガラス)に混合するハロゲン化合物の量の合計は、第一の製造方法における固体電解質(ガラス)の原料として使用するハロゲン元素を含む化合物の量と同様である。固体電解質(ガラス)の原料であるハロゲン元素を含む化合物と、固体電解質(ガラス)に混合するハロゲン化合物との割合は特に限定しない。
第三の製造方法では、電解質前駆体1とハロゲン元素を含む化合物を所定温度及び所定時間加熱することにより固体電解質を製造する。
電解質前駆体1は、31P−NMRにおいて75.0ppm以上80.0ppm以下(第一ピーク領域)にピークを有さず、かつ下記式(F)を満たす化合物であることが好ましい。
LiaMbPcSd…(F)
(式(F)において、M,a,b,c及びdは上記式(A)と同様である。)
即ち、原料aのみにより電解質前駆体1[固体電解質(ガラス)]を製造し、電解質前駆体1とハロゲン元素を含む化合物との混合物を所定温度及び所定時間加熱している他は、第一の製造方法と同様である。従って、原料a、ハロゲン元素を含む化合物、電解質前駆体1の製造方法、及び固体電解質の製造条件は、上記第一の製造方法と同様であるので、その説明を省略する。
本発明の固体電解質は、バインダー(結着剤)、正極活物質、負極活物質、導電助剤、又は、上述した製造方法と同様のハロゲン元素を含む化合物や有機溶媒等と混合して、電解質含有物として使用してもよい。電解質含有物は、正極、電解質層、負極等、電池の構成材料として、及び電池を構成する部材(層)を形成するための材料として使用できる。
バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンマー(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、又は2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。
例えば、V2O5、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、Li(NiaCobMnc)O2(ここで、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1)、LiNi1−YCoYO2、LiCo1−YMnYO2、LiNi1−YMnYO2(ここで、0≦Y<1)、Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2、0<b<2、0<c<2、a+b+c=2)、LiMn2−ZNiZO4、LiMn2−ZCoZO4(ここで、0<Z<2)、LiCoPO4、LiFePO4、酸化ビスマス(Bi2O3)、鉛酸ビスマス(Bi2Pb2O5)、酸化銅(CuO)、酸化バナジウム(V6O13)、LixCoO2,LixNiO2,LixMn2O4,LixFePO4,LixCoPO4,LixMn1/3Ni1/3Co1/3O2,LixMn1.5Ni0.5O2等の酸化物が挙げられる。それ以外の正極活物質としては、例えば、硫化物系では、単体硫黄(S)、硫化チタン(TiS2)、硫化モリブデン(MoS2)、硫化鉄(FeS、FeS2)、硫化銅(CuS)及び硫化ニッケル(Ni3S2)、硫化リチウム(Li2S)、有機ジスルフィド化合物、カーボンスルフィド化合物、硫黄等が使用できる。好ましくは、高い理論容量を有するS、Li2Sが使用できる。
例えば、炭素材料、具体的には、人造黒鉛、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛及び難黒鉛化性炭素等が挙げられる。又はその混合物でもよい。好ましくは、人造黒鉛である。
導電助剤としては、炭素材料、金属粉末及び金属化合物から選択される物質や、これらの混合物が挙げられる。
導電助剤の具体例としては、炭素、ニッケル、銅、アルミニウム、インジウム、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、クロム、金、ルテニウム、白金、ベリリウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、オスニウム、ロジウム、タングステン及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも1つの元素を含む物質が好ましい。より好ましくは、導電性が高い炭素単体、炭素、ニッケル、銅、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、ルテニウム、金、白金、ニオブ、オスニウム又はロジウムを含む金属単体、混合物又は化合物である。
なかでも、電子伝導性が高いアセチレンブラック、デンカブラック、ケッチェンブラックが好適である。
ポリマー系固体電解質は、特に制限はない。例えば、特開2010−262860に開示されているように、フッ素樹脂、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリアクリレートやこれらの誘導体、共重合体等の、ポリマー電解質として用いられる材料が挙げられる。
本発明の電解質層は、例えば、本発明の固体電解質、バインダー及び溶媒を含むスラリーを塗布して製造してもよく、また、粒状の固体電解質を用いて静電スクリーン印刷法により製造してもよい。
本発明の電池の第一の態様は、正極層、電解質層及び負極層の少なくとも一つが、本発明の固体電解質を含む。各層の製造は、公知の方法により製造することができる。
尚、上述した電解質前駆体を用いて正極層、負極層又は電解質層を製造する場合には、電解質前駆体を用いて層を形成後、上記所定の加熱条件により加熱して本発明の電池を製造することもできる。
正極層において、正極活物質、電解質、導電助剤等の割合は、特に制限は無く公知の割合を用いることができる。
正極層の厚さは、0.01mm以上10mm以下であることが好ましい。
正極層は、公知の方法により製造することができる。例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。
電解質層の固体電解質は、融着していていることが好ましい。ここで、融着とは、固体電解質粒子の一部が溶解し、溶解した部分が他の個体電解質粒子と一体化することを意味する。
電解質層の厚さは、0.001mm以上1mm以下であることが好ましい。
尚、電解質及びバインダーは正極層と同様であることからその説明を省略する。
本態様では、正極層、電解質層及び負極層の少なくとも一つが本発明の固体電解質又は電解質含有物を用いて製造されておればよく、その他については、上述した第一の態様と同様である。
(1)31P−NMRスペクトルの測定
日本電子(株)製JNM−CMXP302NMR装置に、5mmCP/MASプローブを取り付け室温で行った。31P−NMRスペクトルは、シングルパルス法を用い、90°パルス4μs、マジック角回転の回転数8.6kHzで測定した。
化学シフトは、リン酸水素アンモニウムを外部標準(1.3ppm)として用いることにより測定した。測定範囲は、0ppm〜150ppmである。
試料を断面10mmφ(断面積S=0.785cm2)、高さ(L)0.1〜0.3cmの形状に成形し、その試料片の上下から電極端子を取り、交流インピーダンス法により測定し(周波数範囲:5MHz〜0.5Hz、振幅:10mV)、Cole−Coleプロットを得た。高周波側領域に観測される円弧の右端付近で、−Z’’(Ω)が最小となる点での実数部Z’(Ω)を電解質のバルク抵抗R(Ω)とし、以下式に従い、イオン伝導度σ(S/cm)を計算した。
R=ρ(L/S)
σ=1/ρ
本願ではリードの距離を約60cmとして測定した。
図2に示す測定装置を使用した。
測定試料を、露点−80℃の環境の窒素グローボックス内にて乳鉢でよく粉砕した。測定試料0.1gを100mlシュレンク瓶内に封入した。
次に、シュレンク瓶内に一旦水中に通した空気(ウェットエア)を500ml/分で流通させた。ウェットエアの温度は25℃、湿度は80〜90%であった。
流通開始1分後〜1分45秒後の間にシュレンク瓶から排出されたガスを捕集して第一サンプルガスとし、三菱化学アナリテック製TS−100を用いて、紫外蛍光法により硫黄分を定量して、サンプルガスの硫化水素濃度を算出した。尚、サンプルガスをアジレント6890(硫黄選択検出器(SIEVERS355)付)を用いてガスクロマトグラフにて定性分析したところ、硫黄分はその99%以上硫化水素ガスになっていることを確認した。
流通開始5分後〜5分45秒後、流通開始10分後〜10分45秒後、流通開始20分後〜20分45秒後、流通開始60分後〜60分45秒後にシュレンク瓶から排出されたガスについても、第一サンプルガスと同様に測定した。
硫化水素濃度と測定時間から硫化水素濃度平均値(ppm)を求めた。
硫化リチウムの製造及び精製は、国際公開公報WO2005/040039A1の実施例と同様に行った。具体的には、下記のとおりである。
(1)硫化リチウムの製造
撹拌翼のついた10リットルオートクレーブにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)3326.4g(33.6モル)及び水酸化リチウム287.4g(12モル)を仕込み、300rpm、130℃に昇温した。昇温後、液中に硫化水素を3リットル/分の供給速度で2時間吹き込んだ。
続いて、この反応液を窒素気流下(200cc/分)昇温し、反応した硫化水素の一部を脱硫化水素化した。昇温するにつれ、上記硫化水素と水酸化リチウムの反応により副生した水が蒸発を始めたが、この水はコンデンサにより凝縮し系外に抜き出した。水を系外に留去すると共に反応液の温度は上昇するが、180℃に達した時点で昇温を停止し、一定温度に保持した。脱硫化水素反応が終了後(約80分)反応を終了し、硫化リチウムを得た。
上記(1)で得られた500mLのスラリー反応溶液(NMP−硫化リチウムスラリー)中のNMPをデカンテーションした後、脱水したNMP100mLを加え、105℃で約1時間撹拌した。その温度のままNMPをデカンテーションした。さらにNMP100mLを加え、105℃で約1時間撹拌し、その温度のままNMPをデカンテーションし、同様の操作を合計4回繰り返した。デカンテーション終了後、窒素気流下230℃(NMPの沸点以上の温度)で硫化リチウムを常圧下で3時間乾燥した。得られた硫化リチウム中の不純物含有量を測定した。
製造例1で製造した硫化リチウムを用いて、国際公開公報WO07/066539の実施例1に準拠した方法で電解質前駆体(硫化物系ガラス)を製造した。
具体的に、製造例1で製造した硫化リチウム0.383g(0.00833mol)と五硫化二リン(アルドリッチ社製)を0.618g(0.00278mol)をよく混合した。そして、この混合した粉末と直径10mmのジルコニア製ボール10ケと遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)アルミナ製ポットに投入し完全密閉するとともにこのアルミナ製ポット内に窒素を充填し、窒素雰囲気にした。
得られた試料の31P−NMR測定結果、イオン伝導度σ、硫化水素濃度平均値を表1に示す。また、ガラス転移温度(Tg)及び結晶化温度(Tc)を表2に示す。
尚、ガラス転移温度(Tg)及び結晶化温度(Tc)の測定は、示差走査熱量測定装置(パーキンエルマー社製Diamond DSC)により10℃/分で測定した。
硫化リチウムの量を0.325g(0.00707mol)、五硫化二リンの量を0.675g(0.00303mol)とした以外は製造例2と同様にして硫化物系ガラスを得た。得られた試料の31P−NMR測定結果、イオン伝導度σ、硫化水素濃度平均値を表1に、Tg及びTcを表2に示す。
原料として、製造例2で得られた硫化物系ガラス0.781g、よう化リチウム(アルドリッチ社製)0.221gを用いた以外は、製造例2と同様にして硫化物系ガラス(固体電解質)を得た。得られた試料の31P−NMR測定結果、イオン伝導度σ、硫化水素濃度平均値を表1に、Tg及びTcを表2に示す。
原料として、硫化リチウム0.299g(0.0065mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.482g(0.00217mol)、よう化リチウム(アルドリッチ社製)0.221g(0.00165mol)を用いた以外は、製造例2と同様にして硫化物系ガラス(固体電解質)を得た。得られた試料の31P−NMR測定結果、イオン伝導度σ、硫化水素濃度平均値を表1に、Tg、Tc及びTc2を表2に示す。
原料として、製造例2で得られた硫化物系ガラス0.600g、よう化リチウム0.400gを用いた以外は、製造例2と同様にして硫化物系ガラス(固体電解質)を得た。得られた試料の31P−NMR測定結果、イオン伝導度σ、硫化水素濃度平均値を表1に、Tg、Tc及びTc2を表2に示す。
実施例1で得られた固体電解質(硫化物系ガラス)0.5gをSUS製容器に投入し、予め温度210℃に制御したオーブンにセットした。そのまま2時間放置後、空冷し、硫化物系固体電解質を得た。31P−NMR測定を行ったところ、90ppmと77ppmにピークを示し、その強度比(I2/I1)は2.5であった。105ppm付近、45ppm付近にもピークが見られたが、77ppmのピークの4分の1以下と非常に小さいものであった。得られた固体電解質のイオン伝導度σ、硫化水素濃度平均値を表3に示す。
実施例1で得られた硫化物系ガラス0.5gを、温度210℃に制御されたオーブン内で、予め210℃に加熱された2枚のステンレス板の間にすばやく挟み、10分間放置した。加熱した金属板に挟むことにより、試料は約2分で210℃に達する。尚、実施例4では試料が所定温度に達するまでに数十分かかる。本操作により得られた固体電解質の31P−NMRの測定結果、イオン伝導度σ、硫化水素濃度平均値を表3に示す。
図4に実施例1で得られた固体電解質及び実施例5で得られた固体電解質の31P−NMRスペクトルを示す。
熱処理条件を250℃、10分とした以外は、実施例5と同様にして固体電解質を製造した。得られた試料の31P−NMRの測定結果、イオン伝導度σ、硫化水素濃度平均値を表3に示す。
実施例2で得られた硫化物系ガラスを用いた以外は、実施例4と同様にして固体電解質を製造した。得られた試料の31P−NMRの測定結果、イオン伝導度σ、硫化水素濃度平均値を表3に示す。
実施例2で得られた硫化物系ガラスを用いた以外は、実施例5と同様にして固体電解質を製造した。得られた試料の31P−NMRの測定結果、イオン伝導度σ、硫化水素濃度平均値を表3に示す。
実施例3で得られた硫化物系ガラスを用いた以外は、実施例5と同様にして固体電解質を製造した。得られた試料の31P−NMRの測定結果、イオン伝導度σ、硫化水素濃度平均値を表3に示す。
製造例2で得られた硫化物系ガラスを用い、熱処理温度を300℃とした以外は、実施例4と同様に操作を行った。得られた試料の31P−NMRの測定結果、イオン伝導度σ、硫化水素濃度平均値を表3に示す。
製造例3で得られた硫化物系ガラスを用い、熱処理温度を300℃とした以外は、実施例4と同様に操作を行った。得られた試料の31P−NMRの測定結果、イオン伝導度σ、硫化水素濃度平均値を表3に示す。
また、実施例1〜9の硫化物系固体電解質は、いずれも、耐加水分解性に優れているため、従来よりも高い露点環境で使用できる可能性がある。このように、耐加水分解性に優れた硫化物系固体電解質は、これまで知られていない。比較例1の硫化物系固体電解質は、耐加水分解性に優れるが、イオン伝導度が低く、電池用途に適さない。
比較例2の硫化物系固体電解質は、高いイオン伝導度を示すが、耐加水分解性が悪く、作業環境を低露点に保つ必要がある。
(1)固体電解質(硫化物系ガラス:Li2S/P2S5/LiBr=64/21/14、MM法)の製造
製造例1で製造した硫化リチウムを用いて、国際公開公報WO07/066539の実施例1に準拠した方法で固体電解質(硫化物系ガラス)を製造した。
原料として、硫化リチウム0.333g(0.00725mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.532g(0.00239mol)、臭化リチウム(アルドリッチ社製)0.140g(0.00161mol)をよく混合した。そして、この混合した粉末と直径10mmのジルコニア製ボール10ケと遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)アルミナ製ポットに投入し完全密閉するとともにこのアルミナ製ポット内にアルゴンを充填し、アルゴン雰囲気にした。
得られた固体電解質について、イオン伝導度(熱処理前)及びTG−DTA(熱重量測定装置)により結晶化温度(Tc)を測定した。結果を表4に示す。結晶化温度はメトラートレド社製TGA−DSC1を用いて測定した。
得られた硫化物系ガラス0.5gを、温度230℃に制御したオーブン内で、予め230℃に加熱された2枚のステンレス板の間にすばやく挟み、10分間放置することで硫化物系固体電解質を得た。加熱した金属板に挟むことにより、試料は約2分で230℃に達する。
得られた固体電解質のイオン伝導度(熱処理後)を評価した。結果を表4に示す。得られた試料の31P−NMR結果を図5に示す。第一ピークの位置(ショルダーピークとして現れた)は77.7ppm、第二ピーク位置は88.0ppm、他のピークの位置は107.7ppm、I2/I1は2.57、Ic/I1は0.27であった。
図7から分かるように、実施例10の固体電解質は、2θ=15.7,16.3,21.4,25.0,30.1,31.5,33.1degに回折ピークを有することが分かる。
(1)固体電解質(硫化物系ガラス:Li2S/P2S5=75/25):MM法)の製造
原料として硫化リチウム0.383g(0.00833mol)と五硫化二リン(アルドリッチ社製)を0.618g(0.00278mol)を用いた以外は実施例10と同様にして硫化物系ガラスを製造した。
得られた硫化物系ガラスについて、TG−DTAにより、結晶化温度(Tc)を測定した。結果を表4に示す。尚、得られた硫化物系ガラスのイオン伝導度は、1.3×10−4S/cmであった。
得られた硫化物系ガラスの粉末を、公開特許公報2005−228570Aに従い260℃まで10℃/minで昇温後、室温まで冷却することで硫化物系固体電解質を得た。
得られた固体電解質のイオン伝導度を評価した。結果を表4に示す。また、得られた固体電解質の粉末XRD回折パターンを図6に示す。
図6から分かるように、比較例3の固体電解質は、2θ=13.7,17.5,18.1,19.9,22.8,25.8,27.6,29.1,31.3degに回折ピークを有することが分かる。
(1)固体電解質(硫化物系ガラス:Li2S/P2S5/LiBr=64/21/14、MM法)の製造
実施例10と同様にして硫化物系ガラスを製造した。
得られた硫化物系ガラスについて、イオン伝導度σ、及びTG−DTAにより結晶化温度(Tc)を測定した。結果を表4に示す。
得られた硫化物系ガラス0.5gをSUS製容器に投入し、予め温度230℃に制御したオーブンにセットした。そのまま2時間放置後、空冷し、硫化物系固体電解質を製造した。尚、試料が所定温度に達するまでに数十分かかる。
得られた固体電解質のイオン伝導度σを評価した。結果を表4に示す。また、得られた固体電解質の粉末XRD回折パターンを図6に示す。
図6から分かるように、実施例11の固体電解質は、2θ=15.6,16.3,21.2,25.1,30.0,31.4,33.1degに回折ピークを有することが分かる。
(1)固体電解質(硫化物系ガラス:Li2S/P2S5/LiBr=64/21/14、MM法)の製造
原料として、比較例3で得られた硫化物系ガラス0.864g、臭化リチウム(アルドリッチ社製)0.140gを用いた以外は、実施例10と同様にして硫化物系ガラスを製造した。
得られた硫化物系ガラスについて、イオン伝導度σ、及びTG−DTAにより結晶化温度(Tc)を測定した。結果を表4に示す。
得られた硫化物系ガラスを実施例10と同様の加熱処理を実施して硫化物系固体電解質を製造した。
得られた固体電解質のイオン伝導度を評価した。結果を表4に示す。また、得られた固体電解質の粉末XRD回折パターンを図6に示す。
図6から分かるように、実施例12の固体電解質は、2θ=15.5,16.2,21.2,25.1,30.1(ショルダー部),31.5,33.1degに回折ピークを有することが分かる。
(1)電解質前駆体(硫化物系ガラス:Li2S/P2S5=70/30、MM法)の製造
硫化リチウムの量を0.325g(0.00707mol)、五硫化二リンの量を0.675g(0.00303mol)とした以外は実施例10と同様にして硫化物系ガラスを製造した。
得られた硫化物系ガラスについて、イオン伝導度σ、及びTG−DTAにより結晶化温度(Tc)を測定した。結果を表4に示す。
得られた硫化物系ガラスの粉末を、公開特許公報2005−228570Aに従い260℃まで10℃/minで昇温後、室温まで冷却することで硫化物系固体電解質を製造した。
得られた固体電解質のイオン伝導度を評価した。結果を表4に示す。また、得られた固体電解質の粉末XRD回折パターンを図6に示す。
図6から分かるように、比較例4の固体電解質は、2θ=17.8,18.2,19.8,21.8,23.8,25.9,29.5,30.0degに回折ピークを有することが分かる。
(1)固体電解質(硫化物系ガラス:Li2S/P2S5/LiBr=69/23/7.5、MM法)の製造
原料として、硫化リチウム0.358g(0.00779mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.573g(0.00258mol)、臭化リチウム(アルドリッチ社製)0.073g(0.00084mol)を用いた以外は、実施例10と同様にして硫化物系ガラスを製造した。
得られた硫化物系ガラスについて、イオン伝導度σ、及びTG−DTAにより結晶化温度(Tc)を測定した。結果を表4に示す。
得られた硫化物系ガラスを、加熱温度を240℃とした他は実施例10と同様の加熱処理を実施して硫化物系固体電解質を製造した。
得られた固体電解質のイオン伝導度σを評価した。結果を表4に示す。また、得られた固体電解質の粉末XRD回折パターンを図7に示す。
図7から分かるように、実施例13の固体電解質は、2θ=15.6,16.3,21.2,25.1,30.1,31.5,33.1degに回折ピークを有することが分かる。
(1)固体電解質(硫化物系ガラス:Li2S/P2S5/LiBr=58/19/23、MM法)の製造
原料として、硫化リチウム0.302g(0.00657mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.482g(0.00217mol)、臭化リチウム(アルドリッチ社製)0.220g(0.00253mol)を用いた以外は、実施例10と同様にして硫化物系ガラスを製造した。
得られた硫化物系ガラスについて、イオン伝導度、及びTG−DTAにより結晶化温度(Tc)を測定した。結果を表4に示す。
得られた硫化物系ガラスを、加熱温度を220℃とした他は実施例10と同様の加熱処理を実施して硫化物系固体電解質を製造した。
得られた固体電解質のイオン伝導度σを評価した。結果を表4に示す。また、得られた固体電解質の粉末XRD回折パターンを図7に示す。
図7から分かるように、実施例14の固体電解質は、2θ=15.6,16.3,21.2,25.0,29.9,31.4,33.0degに回折ピークを有することが分かる。
(1)固体電解質(硫化物系ガラス:Li2S/P2S5/LiBr=52/17/31、MM法)の製造
原料として、硫化リチウム0.270g(0.00588mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.431g(0.00194mol)、臭化リチウム(アルドリッチ社製)0.302g(0.00348mol)を用いた以外は、実施例10と同様にして硫化物系ガラスを製造した。
得られた硫化物系ガラスについて、イオン伝導度σ、及びTG−DTAにより結晶化温度(Tc)を測定した。結果を表4に示す。
得られた硫化物系ガラスを、加熱温度を200℃とした他は実施例10と同様の加熱処理を実施して硫化物系固体電解質を製造した。
得られた固体電解質のイオン伝導度σを評価した。結果を表4に示す。また、得られた固体電解質の粉末XRD回折パターンを図7に示す。
図7から分かるように、実施例15の固体電解質は、2θ=15.5,16.3,21.2,25.0,30.1,31.4,32.9degに回折ピークを有することが分かる。
実施例10及び13並びに比較例3及び4について前述の方法で硫化水素濃度平均値を評価した。結果を表5に示す。
一方、比較例3の硫化物系固体電解質は、耐加水分解性に優れるが、イオン伝導度が低く、電池用途に適さず、比較例4の硫化物系固体電解質は、高いイオン伝導度を示すが、耐加水分解性が悪く、作業環境を低露点に保つ必要がある。
(1)固体電解質(硫化物系ガラス:Li2S/P2S5/LiCl=64/21/14、MM法)の製造
原料として、硫化リチウム0.359g(0.00773mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.574g(0.00258mol)、塩化リチウム(アルドリッチ社製)0.072g(0.00175mol)を用いた以外は、実施例10と同様にして硫化物系ガラスを製造した。
得られた硫化物系ガラスについて、TG−DTAにより結晶化温度(Tc)を測定した。結果を表6に示す。
得られた硫化物系ガラスを実施例10と同様の加熱処理を実施して硫化物系固体電解質を製造した。
得られた固体電解質のイオン伝導度σを評価した。結果を表6に示す。また、得られた固体電解質の粉末XRD回折パターンを図8に示す。尚、比較のため、実施例13のXRD回折パターンも示した。
実施例16の固体電解質は、2θ=15.6,16.3,17.9,20.3,21.4,26.0,29.8,31.7,33.2degに回折ピークを有することが分かる。
実施例16について前述の方法で硫化水素濃度平均値を評価した。結果は7.4ppmであった。
(1)固体電解質(硫化物系ガラス:Li2S/P2S5/LiCl=69/23/7.5、MM法)の製造
原料として、硫化リチウム0.373g(0.00804mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.596g(0.00268mol)、塩化リチウム(アルドリッチ社製)0.036g(0.00086mol)を用いた以外は、実施例10と同様にして硫化物系ガラスを製造した。
得られた硫化物系ガラスについて、TG−DTAにより結晶化温度(Tc)を測定した。結果を表6に示す。
得られた硫化物系ガラスを、加熱温度を230℃とした他は実施例10と同様の加熱処理を実施して硫化物系固体電解質を製造した。
得られた固体電解質のイオン伝導度を評価した。結果を表6に示す。また、得られた固体電解質の粉末XRD回折パターンを図9に示す。
図9から分かるように、実施例17の固体電解質は、2θ=15.9,16.4,17.6,20.1,21.4,26.0,29.9,31.8,33.0degに回折ピークを有することが分かる。
(1)固体電解質(硫化物系ガラス:Li2S/P2S5/LiCl=58/19/23、MM法)の製造
原料として、硫化リチウム0.341g(0.00735mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.546g(0.00245mol)、塩化リチウム(アルドリッチ社製)0.119g(0.00286mol)を用いた以外は、実施例10と同様にして硫化物系ガラスを製造した。
得られた硫化物系ガラスについて、TG−DTAにより結晶化温度(Tc)を測定した。結果を表6に示す。
得られた硫化物系ガラスを、加熱温度を230度とした他は実施例10と同様の加熱処理を実施して硫化物系固体電解質を製造した。
得られた固体電解質のイオン伝導度を評価した。結果を表6に示す。また、得られた固体電解質の粉末XRD回折パターンを図9に示す。
図9から分かるように、実施例18の固体電解質は、2θ=15.9,16.3,17.7,20.2,21.4,26.1,29.9,31.6,33.1degに回折ピークを有することが分かる。
(1)固体電解質(硫化物系ガラス:Li2S/P2S5/LiCl=52/17/31、MM法)の製造
原料として、硫化リチウム0.321g(0.00691mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.513g(0.00230mol)、臭化リチウム(アルドリッチ社製)0.171g(0.00413mol)を用いた以外は、実施例10と同様にして硫化物系ガラスを製造した。
得られた硫化物系ガラスについて、TG−DTAにより結晶化温度(Tc)を測定した。結果を表6に示す。
得られた硫化物系ガラスを、加熱温度を230度とした他は実施例10と同様の加熱処理を実施して硫化物系固体電解質を製造した。
得られた固体電解質のイオン伝導度σを評価した。結果を表6に示す。また、得られた固体電解質の粉末XRD回折パターンを図9に示す。
図9から分かるように、実施例19の固体電解質は、2θ=15.8,16.3,17.8,21.4,30.0,31.7,33.0degに回折ピークを有することが分かる。
(1)固体電解質(硫化物系ガラス:Li2S/P2S5/PBr3=76/19/5、MM法)の製造
アルゴン雰囲気下において、製造例1で製造した硫化リチウム0.388g(0.00844mol)と五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.471g(0.00212mol)を、Li2S/P2S5=80/20(mol/mol)となるように混合し、さらに三臭化リン0.160g(0.00058mol)を滴下し、よく混合した。そして、この混合した粉末と直径10mmのアルミナ製ボール10コと遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)をアルミナ製ポットに投入しアルゴン雰囲気のまま完全密閉した。
得られた硫化物系ガラス0.5gを、温度240℃に制御したオーブン内で、予め240℃に加熱された2枚のステンレス板の間にすばやく挟み、10分間放置することで硫化物系固体電解質を得た。加熱した金属板に挟むことにより、試料は約2分で240℃に達する。
得られた固体電解質のイオン伝導度σを評価したところ8x10−4S/cmであった。
得られた試料の31P−NMR測定では、第一ピークの位置(ショルダーピークとして現れた)は78.3ppm、第二ピーク位置は88.0ppm、他のピークの位置は107.9ppm、I2/I1は2.40、Ic/I1は0.42であった。
図10から分かるように、実施例20の固体電解質は、2θ=15.4,16.2,20.1,21.2,23.6,26.9,29.4,31.3,32.6degに回折ピークを有することが分かる(代表ピークを記載)。また、この化合物の組成はLi3.56PS3.95Br0.36である。
前述の方法で硫化水素濃度平均値を評価した。硫化水素平均発生濃度は38.3ppmであり比較例3と同等であり比較的少ない発生量であった。
12 シュレンク瓶
13 流量計
14 水槽
15 ガス採集部
16 トラップ
Claims (53)
- 構成成分として、アルカリ金属元素、リン、硫黄及びハロゲンを含む固体電解質。
- 前記アルカリ金属元素がリチウムである請求項1に記載の固体電解質。
- 31P−NMRスペクトルにおいて、75.0ppm以上80.0ppm以下であるピーク領域にピークを有する請求項1又は2に記載の固体電解質。
- 31P−NMRスペクトルにおいて、86.0ppm以上92.0ppm以下であるピーク領域にピークを有する請求項1〜3のいずれかに記載の固体電解質。
- 31P−NMRスペクトルにおいて、75.0ppm以上80.0ppm以下である第一ピーク領域に第一ピークを有し、
前記第一ピーク領域、及び86.0ppm以上92.0ppm以下の領域である第二ピーク領域以外の領域にあるピークの強度比が、前記第一ピークに対し0.5以下である請求項1〜4のいずれかに記載の固体電解質。 - 前記第一ピーク領域及び第二ピーク領域に、それぞれピークを有する請求項5に記載の固体電解質。
- 前記第一ピーク(I1)に対する、前記第二ピーク領域にある第二ピーク(I2)のピーク強度比(I2/I1)が1〜10である請求項6に記載の固体電解質。
- イオン伝導度が5×10−4S/cm以上である請求項5〜7のいずれかに記載の固体電解質。
- 加水分解試験による硫化水素濃度平均値が200ppm以下である請求項5〜8のいずれかに記載の固体電解質。
- イオン伝導度が3×10−4S/cm以上である請求項1〜4のいずれかに記載の固体電解質。
- 加水分解試験による硫化水素濃度平均値が200ppm以下である請求項1〜4、10のいずれかに記載の固体電解質。
- 下記式(A’)に示す組成を有する請求項1〜11のいずれかに記載の固体電解質。
LaMbPcSdXe…(A’)
(式中、Lはアルカリ金属を示し、MはB,Al,Si,Ge,As,Se,Sn,Sb,Te,PbもしくはBi、又はこれらの組合せを示し、XはI,Cl,BrもしくはF又はこれらの組合せを示す。a〜eは、0<a≦12、0≦b≦0.2、c=1,0<d≦9、0<e≦9を満たす。) - 前記bが0である請求項12に記載の固体電解質。
- 前記dが4である請求項12に記載の固体電解質。
- 前記Xが、I、Br又はClである請求項12〜14のいずれかに記載の固体電解質。
- 結晶構造を有する請求項12〜15のいずれかに記載の固体電解質。
- 前記Xが、Br又はClであり、非晶質である請求項12〜14のいずれかに記載の固体電解質。
- 硫化リチウムと硫化リン、硫黄とリン、硫化リンと硫黄、又は硫化リンと硫黄とリンと、
下記式(E’)で表される化合物と、
を原料とする請求項12〜17のいずれかに記載の固体電解質。
MwXx…(E’)
(式中、MはLi,B,Al,Si,P,S,Ge,As,Se,Sn,Sb,Te,Pb又はBiを示し、XはF,Cl,Br又はIを示す。wは1〜2の整数を示し、xは1〜10の整数を示す。) - 前記MがPであり、前記XがBr、I又はClである請求項18に記載の固体電解質。
- 前記MがLiであり、前記XがBr、I又はClである請求項18に記載の固体電解質。
- 非晶質であり、示差熱−熱重量測定において、結晶化ピークを2つ有する請求項12〜15、17〜20のいずれかに記載の固体電解質。
- 前記2つの結晶化ピークが150℃以上360℃以下の範囲にある請求項21に記載の固体電解質。
- 前記2つの結晶化ピーク間の幅が20〜100℃である請求項21又は22に記載の固体電解質。
- 非晶質である請求項12〜15、17〜23のいずれかに記載の固体電解質を150℃以上360℃以下で加熱することにより得られる固体電解質。
- 請求項21〜23のいずれかに記載の固体電解質を、前記2つの結晶化ピークで示される温度の間の温度で加熱して得られる固体電解質。
- 構成成分としてアルカリ金属元素を含み、
粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、少なくとも2θ=16.3±0.3deg,21.3±0.3deg,33.1±0.8degに回折ピークを有する固体電解質。 - 構成成分としてアルカリ金属元素を含み、
粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、少なくとも2θ=16.3±0.3deg,21.3±0.3deg,33.1±0.5degに回折ピークを有する固体電解質。 - 構成成分としてアルカリ金属元素を含み、
粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=15.6±0.3deg,16.3±0.3deg,21.3±0.3deg,30.1±0.3deg,31.5±0.3deg,33.1±0.3degに回折ピークを有する固体電解質。 - 構成成分としてアルカリ金属元素を含み、
粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=15.6±0.3deg,16.3±0.3deg,21.3±0.3deg,30.1±0.5deg,31.5±0.3deg,33.1±0.3degに回折ピークを有する固体電解質。 - 構成成分としてアルカリ金属元素を含み、
粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=15.6±0.3deg,16.3±0.3deg,21.3±0.3deg,29.8±0.3deg,31.5±0.3deg,33.1±0.3degに回折ピークを有する固体電解質。 - 構成成分としてアルカリ金属元素を含み、
粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=15.6±0.3deg,16.3±0.3deg,21.3±0.3deg,31.5±0.3deg,32.6±0.3degに回折ピークを有する固体電解質。 - 前記アルカリ金属元素が、リチウムである請求項26〜31のいずれかに記載の固体電解質。
- イオン伝導度が3×10−4S/cm以上である請求項26〜32のいずれかに記載の固体電解質。
- 加水分解試験による硫化水素濃度平均値が200ppm以下である請求項25〜33のいずれかに記載の固体電解質。
- 構成成分として硫黄元素、リン元素及びハロゲン元素から選択される元素を1以上含む請求項26〜34のいずれかに記載の固体電解質。
- 構成成分としてハロゲン元素を20モル%以下含む請求項26〜35のいずれかに記載の固体電解質。
- 前記ハロゲン元素を15モル%以下含む請求項36に記載の固体電解質。
- 請求項1〜4,10〜25のいずれかに記載の固体電解質を含む電解質含有物。
- 請求項1〜4,10〜25のいずれかに記載の固体電解質及び請求項38に記載の電解質含有物の少なくとも1つを含む電解質層。
- 請求項1〜4,10〜25のいずれかに記載の固体電解質及び請求項38の電解質含有物の少なくとも1つを用いて製造された電解質層。
- 正極層、電解質層及び負極層の少なくとも一つが、請求項1〜4,10〜25のいずれかに記載の固体電解質及び請求項38の電解質含有物の少なくとも1つを含む電池。
- 正極層、電解質層及び負極層の少なくとも一つが、請求項1〜4,10〜25のいずれかに記載の固体電解質及び請求項38の電解質含有物の少なくとも1つを用いて製造された電池。
- 請求項5〜9のいずれかに記載の固体電解質を含む電解質含有物。
- 請求項5〜9のいずれかに記載の固体電解質及び請求項43に記載の電解質含有物の少なくとも1つを含む電解質層。
- 請求項5〜9のいずれかに記載の固体電解質及び請求項43の電解質含有物の少なくとも1つを用いて製造された電解質層。
- 正極層、電解質層及び負極層の少なくとも一つが、請求項5〜9のいずれかに記載の固体電解質及び請求項43の電解質含有物の少なくとも1つを含む電池。
- 正極層、電解質層及び負極層の少なくとも一つが、請求項5〜9のいずれかに記載の固体電解質及び請求項43の電解質含有物の少なくとも1つを用いて製造された電池。
- 請求項26〜37のいずれかに記載の固体電解質を含む電解質含有物。
- 請求項26〜37のいずれかに記載の固体電解質を原料とする電解質含有物。
- 請求項26〜37のいずれかに記載の固体電解質及び請求項48又は49に記載の電解質含有物の少なくとも1つを含む電解質層。
- 請求項26〜37のいずれかに記載の固体電解質及び請求項48又は49の電解質含有物の少なくとも1つを用いて製造された電解質層。
- 正極層、電解質層及び負極層の少なくとも一つが、請求項26〜37のいずれかに記載の固体電解質及び請求項48又は49の電解質含有物の少なくとも1つを含む電池。
- 正極層、電解質層及び負極層の少なくとも一つが、請求項26〜37のいずれかに記載の固体電解質及び請求項48又は49の電解質含有物の少なくとも1つを用いて製造された電池。
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