JP2014038755A - Manufacturing method of sulfide solid electrolytic material - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a sulfide solid electrolytic material having a high Li ion conductivity.SOLUTION: A manufacturing method of a sulfide solid electrolytic material comprises: an amorphization step for synthesizing sulfide glass by amorphization of a raw material composition including LiS, a sulfide of A (A is at least one of P, Si, Ge, Al and B), and LiX (X is halogen); and a synthesis step for heating the sulfide glass at a crystallization temperature or higher, cooling the sulfide glass at a cooling rate of 1K sor faster to synthesize a glass ceramic having peaks at 2θ=20.2° and 23.6° in X-ray diffraction measurement by use of Cu Kα rays. The proportion of the LiX included in the raw material composition, and the heating temperature and a heating time in the synthesis step are controlled so that the glass ceramic can be obtained.

Description

本発明は、高いLiイオン伝導度を有する硫化物固体電解質材料の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a sulfide solid electrolyte material having high Li ion conductivity.

近年におけるパソコン、ビデオカメラおよび携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として利用される電池の開発が重要視されている。また、自動車産業界等においても、電気自動車用あるいはハイブリッド自動車用の高出力且つ高容量の電池の開発が進められている。現在、種々の電池の中でも、エネルギー密度が高いという観点から、リチウム電池が注目を浴びている。   With the rapid spread of information-related equipment and communication equipment such as personal computers, video cameras, and mobile phones in recent years, development of batteries that are used as power sources has been regarded as important. Also in the automobile industry and the like, development of high-power and high-capacity batteries for electric vehicles or hybrid vehicles is being promoted. Currently, lithium batteries are attracting attention among various batteries from the viewpoint of high energy density.

現在市販されているリチウム電池は、可燃性の有機溶媒を含む電解液が使用されているため、短絡時の温度上昇を抑える安全装置の取り付けや短絡防止のための構造・材料面での改善が必要となる。これに対し、電解液を固体電解質層に変えて、電池を全固体化したリチウム電池は、電池内に可燃性の有機溶媒を用いないので、安全装置の簡素化が図れ、製造コストや生産性に優れると考えられている。さらに、このような固体電解質層に用いられる固体電解質材料として、硫化物固体電解質材料が知られている。   Since lithium batteries currently on the market use an electrolyte containing a flammable organic solvent, it is possible to install safety devices that suppress the temperature rise during short circuits and to improve the structure and materials to prevent short circuits. Necessary. In contrast, a lithium battery in which the electrolyte is changed to a solid electrolyte layer to make the battery completely solid does not use a flammable organic solvent in the battery, so the safety device can be simplified, and manufacturing costs and productivity can be reduced. It is considered excellent. Furthermore, a sulfide solid electrolyte material is known as a solid electrolyte material used for such a solid electrolyte layer.

硫化物固体電解質材料は、Liイオン伝導度が高いため、電池の高出力化を図る上で有用であり、従来から種々の研究がなされている。例えば、特許文献1では、オルト組成を有するイオン伝導体とLiIとを有し、ガラス転移点を有するガラスである硫化物固体電解質材料が開示されている。
また、高いLiイオン伝導度を有する硫化物固体電解質材料を得る方法として、結晶化温度以上で固相反応を行った後に、急冷することにより高温安定相の硫化物固体電解質材料を得る方法や、ガラス転移点温度以上で熱処理を行い、上記温度以下まで急冷させて硫化物ガラスを得た後、さらに再度熱処理を行うことにより硫化物固体電解質材料を得る方法が開示されている(特許文献2および3参照)。
Since the sulfide solid electrolyte material has a high Li ion conductivity, it is useful for increasing the output of the battery, and various studies have been made heretofore. For example, Patent Document 1 discloses a sulfide solid electrolyte material, which is a glass having an ionic conductor having an ortho composition and LiI and having a glass transition point.
Further, as a method for obtaining a sulfide solid electrolyte material having high Li ion conductivity, a method for obtaining a sulfide solid electrolyte material having a high temperature stable phase by performing a solid-phase reaction at a crystallization temperature or higher and then rapidly cooling, A method of obtaining a sulfide solid electrolyte material by performing a heat treatment at a glass transition temperature or higher, quenching to a temperature lower than the above temperature to obtain a sulfide glass, and further performing a heat treatment again is disclosed (Patent Document 2 and 3).

特開2012−048973号公報JP 2012-048773 A 特開2001−250580号公報JP 2001-250580 A 特開2008−103229号公報JP 2008-103229 A

上記特許文献等に示されるように、高いLiイオン伝導度を有する硫化物固体電解質材料が求められている。
本発明者等は、鋭意研究を重ねた結果、硫化物電解質材料の合成方法として、LiXをドープした硫化物ガラスに熱処理を加えてガラスセラミックスを合成する際、ある限られたLiXの添加範囲、加熱温度範囲および加熱時間で熱処理を行うことにより、Liイオン伝導度が極めて高いガラスセラミックスが得られることを見出した。また、Liイオン伝導度が高くなる理由が、従来知られていない新規結晶相によるものであることも見出している。
しかし、本発明者等が見出したガラスセラミックスは、上記熱処理時には新規結晶相が多く形成されている可能性が高いにも関わらず、冷却後には新規結晶相の結晶性(割合)が向上せず、Liイオン伝導度が低下するという問題がある。
As shown in the above patent documents and the like, a sulfide solid electrolyte material having high Li ion conductivity is required.
As a result of intensive research, the inventors have made a limited LiX addition range when synthesizing glass ceramics by applying heat treatment to a sulfide glass doped with LiX as a method for synthesizing a sulfide electrolyte material, It has been found that glass ceramics with extremely high Li ion conductivity can be obtained by performing heat treatment in a heating temperature range and a heating time. It has also been found that the reason why the Li ion conductivity is increased is due to a novel crystal phase that has not been conventionally known.
However, the glass ceramics found by the present inventors do not improve the crystallinity (ratio) of the new crystal phase after cooling despite the high possibility that many new crystal phases are formed during the heat treatment. There is a problem that Li ion conductivity is lowered.

本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、高いLiイオン伝導度を有する硫化物固体電解質材料の製造方法の提供を主目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and its main object is to provide a method for producing a sulfide solid electrolyte material having high Li ion conductivity.

本発明者等は、さらに鋭意研究を重ねた結果、上記問題が生じる要因が熱処理後から冷却する過程にあることを見出した。本発明者等は、熱処理時に形成されるLiイオン伝導度の高い新規結晶相は熱力学的に若干不安定なもの(準安定相)であり、熱処理後から冷却する過程において上記新規結晶相は熱力学的に安定な別の結晶相もしくはガラスに相転移を生じるため、新規結晶相の結晶性(割合)が向上せず、冷却後においてガラスセラミックスは高いLiイオン伝導度を有することができないと推定した。そこで、本発明者等は、熱処理を行い所定の速度で冷却することにより、熱力学的に安定な別の結晶相等への相転移を生じることなく、Liイオン伝導度の高い新規結晶相を保持したガラスセラミックスの硫化物固体電解質材料が得られることを見出すことにより、本発明を完成するに至った。   As a result of further intensive studies, the present inventors have found that the cause of the above problem is the process of cooling after heat treatment. The present inventors found that the new crystal phase with high Li ion conductivity formed during the heat treatment is thermodynamically slightly unstable (metastable phase), and in the process of cooling after the heat treatment, the new crystal phase is Since a phase transition occurs in another crystalline phase or glass that is thermodynamically stable, the crystallinity (ratio) of the new crystalline phase does not improve, and the glass ceramics cannot have high Li ion conductivity after cooling. Estimated. Accordingly, the present inventors maintain a new crystal phase with high Li ion conductivity without causing a phase transition to another crystal phase that is thermodynamically stable by performing heat treatment and cooling at a predetermined rate. The present invention has been completed by finding that a glass ceramic sulfide solid electrolyte material can be obtained.

すなわち、本発明においては、LiS、A(Aは、P、Si、Ge、AlおよびBの少なくとも一種である)の硫化物、およびLiX(Xはハロゲンである)を含有する原料組成物を非晶質化し、硫化物ガラスを合成する非晶質化工程と、上記硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で加熱し、1K・s−1以上の冷却速度で冷却し、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=20.2°、23.6°にピークを有するガラスセラミックスを合成する合成工程と、を有し、上記原料組成物に含まれる上記LiXの割合、および、上記合成工程における加熱温度および加熱時間を、上記ガラスセラミックスが得られるように調整することを特徴とする硫化物固体電解質材料の製造方法を提供する。 That is, in the present invention, a raw material composition containing a sulfide of Li 2 S, A (A is at least one of P, Si, Ge, Al and B), and LiX (X is a halogen) Amorphization step of synthesizing sulfide glass, heating the sulfide glass at a temperature higher than the crystallization temperature, cooling at a cooling rate of 1 K · s −1 or more, A synthesis step of synthesizing glass ceramics having peaks at 2θ = 20.2 ° and 23.6 ° in the X-ray diffraction measurement used, and the proportion of LiX contained in the raw material composition, and Provided is a method for producing a sulfide solid electrolyte material, wherein the heating temperature and heating time in the synthesis step are adjusted so that the glass ceramic is obtained.

本発明によれば、非晶質化工程により、LiXの割合を調整して合成した硫化物ガラスに対し、CuKα線を用いたX線回折測定において特定のピークを有するまで、加熱温度および加熱時間を調整しながら熱処理を行い、さらに1K・s−1以上の冷却速度で冷却させることにより、高いLiイオン伝導度を示す結晶相から安定な結晶相等へ相転移が起こること防ぐことができ、また、高いLiイオン伝導度を示す結晶相の結晶性(割合)を向上させることができる。これにより、上記結晶相の単相が得やすくなり、冷却後においても高いLiイオン伝導度を有するガラスセラミックスの硫化物固体電解質材料を合成することができる。 According to the present invention, the heating temperature and the heating time until the sulfide glass synthesized by adjusting the ratio of LiX by the amorphization process has a specific peak in the X-ray diffraction measurement using CuKα rays. By performing heat treatment while adjusting the temperature, and further cooling at a cooling rate of 1 K · s −1 or more, it is possible to prevent a phase transition from a crystalline phase exhibiting high Li ion conductivity to a stable crystalline phase, etc. The crystallinity (ratio) of the crystal phase exhibiting high Li ion conductivity can be improved. This makes it easy to obtain a single phase of the crystalline phase, and it is possible to synthesize a glass ceramic sulfide solid electrolyte material having high Li ion conductivity even after cooling.

上記発明においては、上記硫化物固体電解質材料に含有されるLiXの割合が、13mol%より多く30mol%よりも少ないことが好ましい。LiXの割合が上記範囲内である硫化物固体電解質材料は、Liイオン伝導度の高い結晶相を有することができるからである。   In the said invention, it is preferable that the ratio of LiX contained in the said sulfide solid electrolyte material is more than 13 mol% and less than 30 mol%. This is because the sulfide solid electrolyte material in which the ratio of LiX is within the above range can have a crystal phase with high Li ion conductivity.

上記発明においては、上記加熱温度が160℃〜200℃の範囲内であることが好ましい。非晶質化工程で得られた硫化物ガラスを上記加熱温度で熱処理を行うことにより、CuKα線を用いたX線回折測定において特定のピークを有する結晶相を有することができるからである。   In the said invention, it is preferable that the said heating temperature exists in the range of 160 to 200 degreeC. This is because the sulfide glass obtained in the amorphization step is heat-treated at the above heating temperature, thereby having a crystal phase having a specific peak in X-ray diffraction measurement using CuKα rays.

また、本発明においては、正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された固体電解質材料層と、を有するリチウム固体電池の製造方法であって、上記正極活物質層、上記負極活物質層および上記固体電解質材料層の少なくとも一つが、上述した製造方法により得られた硫化物固体電解質材料を用いて形成されたものであることを特徴とするリチウム固体電池の製造方法を提供する。   In the present invention, a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and a solid electrolyte formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer A sulfide solid electrolyte in which at least one of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the solid electrolyte material layer is obtained by the above-described production method. Provided is a method for producing a lithium solid state battery, characterized by being formed using a material.

本発明によれば、上述した製造方法により得られた硫化物固体電解質材料を用いることにより、Liイオン伝導度の高いリチウム固体電池とすることができ、電池の高出力化を図ることが可能となる。   According to the present invention, by using the sulfide solid electrolyte material obtained by the manufacturing method described above, a lithium solid battery having high Li ion conductivity can be obtained, and the battery can have high output. Become.

本発明においては、硫化物ガラスに対し、加熱温度および加熱時間を調整しながら硫化物ガラスの結晶化温度以上の温度で熱処理を行い、且つ、1K・s−1以上の冷却速度で冷却することにより、高いLiイオン伝導度を示す結晶相が相転移を生じることを抑制し、上記結晶相の結晶性(割合)を向上させることができる。そのため、冷却後においても高いLiイオン伝導度を有する硫化物固体電解質材料を得ることができるという効果を奏する。 In the present invention, the sulfide glass is heat-treated at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of the sulfide glass while adjusting the heating temperature and the heating time, and cooled at a cooling rate of 1 K · s −1 or more. Therefore, it is possible to suppress the crystal phase exhibiting high Li ion conductivity from causing a phase transition and improve the crystallinity (ratio) of the crystal phase. Therefore, there is an effect that a sulfide solid electrolyte material having high Li ion conductivity can be obtained even after cooling.

本発明の硫化物固体電解質材料の製造方法の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the manufacturing method of the sulfide solid electrolyte material of this invention. 実施例1〜2および比較例1〜2で得られた評価用サンプルに対する、CuKα線を用いたX線回折測定の結果である。It is a result of the X-ray-diffraction measurement using the CuK alpha ray with respect to the sample for evaluation obtained in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2. 実施例1〜2および比較例1〜2で得られた評価用サンプルに対する、25℃におけるLiイオン伝導度である。It is Li ion conductivity in 25 degreeC with respect to the sample for evaluation obtained in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2. 参考例A1〜A5で得られたガラスセラミックスに対する、X線回折測定の結果である。It is a result of the X-ray diffraction measurement with respect to the glass ceramic obtained by reference example A1-A5. 参考例B2〜B4で得られたガラスセラミックスに対する、X線回折測定の結果である。It is a result of the X-ray-diffraction measurement with respect to the glass ceramic obtained by reference example B2-B4. 参考例A1〜A5、参考例B1〜B9で得られたサンプルに対する、Liイオン伝導度の測定結果である。It is a measurement result of Li ion conductivity with respect to the sample obtained by reference example A1-A5 and reference example B1-B9.

以下、本発明の硫化物固体電解質材料の製造方法、およびリチウム固体電池の製造方法について、詳細に説明する   Hereinafter, a method for producing a sulfide solid electrolyte material and a method for producing a lithium solid battery of the present invention will be described in detail.

A.硫化物固体電解質材料の製造方法
まず、本発明の硫化物固体電解質材料の製造方法について説明する。本発明の硫化物固体電解質材料の製造方法は、LiS、A(Aは、P、Si、Ge、AlおよびBの少なくとも一種である)の硫化物、およびLiX(Xはハロゲンである)を含有する原料組成物を非晶質化し、硫化物ガラスを合成する非晶質化工程と、上記硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で加熱し、1K・s−1以上の冷却速度で冷却し、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=20.2°、23.6°にピークを有するガラスセラミックスを合成する合成工程と、を有し、上記原料組成物に含まれる上記LiXの割合、および、上記合成工程における加熱温度および加熱時間を、上記ガラスセラミックスが得られるように調整することを特徴とするものである。
A. First, a method for producing a sulfide solid electrolyte material of the present invention will be described. The method for producing a sulfide solid electrolyte material of the present invention includes a sulfide of Li 2 S, A (A is at least one of P, Si, Ge, Al and B), and LiX (X is a halogen). An amorphizing step for amorphizing a raw material composition containing sulphide and synthesizing a sulfide glass, and heating the sulfide glass at a temperature equal to or higher than a crystallization temperature, and at a cooling rate of 1 K · s −1 or higher. And a synthesis step of synthesizing a glass ceramic having a peak at 2θ = 20.2 ° and 23.6 ° in an X-ray diffraction measurement using CuKα rays, and is included in the raw material composition The ratio of LiX, and the heating temperature and heating time in the synthesis step are adjusted so that the glass ceramic is obtained.

本発明の硫化物固体電解質材料の製造方法について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の硫化物固体電解質材料の製造方法の一例を示すフローチャートである。
まず、LiI、LiSおよびPを含有する原料組成物を用意する。この時、原料組成物に含まれるLiIの割合が、所望のガラスセラミックスの組成となるように調整する。次に、非晶質化工程として、上記原料組成物に対して、メカニカルミリングを行うことにより、Li、PおよびSを有するイオン伝導体(例えば、LiPS)と、LiIとを含有する硫化物ガラスを合成する。次に、非晶質化工程により得られた硫化物ガラスに対し、結晶化温度以上の温度で加熱し、加熱温度および加熱時間を調整することにより(熱処理)、上記硫化物ガラスはCuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=20.2°、23.6°にピークを有する結晶相となり、さらに、所定の速度で冷却させることにより(冷却処理)、上記ピークを有する結晶相を保持した硫化物固体電解質材料を得ることができる(合成工程)。なお、本発明により得られる硫化物固体電解質材料はガラスセラミックスであり、以下の説明において、「硫化物固体電解質材料」を「ガラスセラミックス」と称する場合がある。また、本発明における硫化物固体電解質材料については、「A.硫化物固体電解質材料の製造方法 5.硫化物固体電解質材料」の項で詳細に説明するため、ここでの説明は省略する。
A method for producing a sulfide solid electrolyte material of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart showing an example of a method for producing a sulfide solid electrolyte material of the present invention.
First, a raw material composition containing LiI, Li 2 S and P 2 S 5 is prepared. At this time, the ratio of LiI contained in the raw material composition is adjusted to be a desired glass ceramic composition. Next, as an amorphization process, the raw material composition is subjected to mechanical milling to contain an ion conductor having Li, P and S (for example, Li 3 PS 4 ) and LiI. Synthesize sulfide glass. Next, the sulfide glass obtained by the amorphization process is heated at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature, and the heating temperature and the heating time are adjusted (heat treatment), whereby the sulfide glass exhibits CuKα rays. In the X-ray diffraction measurement used, a crystal phase having peaks at 2θ = 20.2 ° and 23.6 ° is obtained, and further, the crystal phase having the above peaks is retained by cooling at a predetermined rate (cooling treatment). Thus obtained sulfide solid electrolyte material can be obtained (synthesis process). The sulfide solid electrolyte material obtained by the present invention is a glass ceramic, and in the following description, the “sulfide solid electrolyte material” may be referred to as “glass ceramic”. In addition, the sulfide solid electrolyte material in the present invention will be described in detail in the section of “A. Method for producing sulfide solid electrolyte material 5. Sulfide solid electrolyte material”, and thus the description thereof is omitted here.

ここで、本発明において、「CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=20.2°のピーク」とは、厳密な2θ=20.2°のピークのみならず、2θ=20.2°±0.5°の範囲内にあるピークをいう。結晶の状態によって、ピークの位置が多少前後する可能性があるため、上記のように定義する。同様に、2θ=23.6°のピークとは、厳密な2θ=23.6°のピークのみならず、2θ=23.6°±0.5°の範囲内にあるピークをいう。
また、以下の説明において、「CuKα線を用いたX線回折測定における2θ=20.2°および23.6°のピーク」を、「2本の特定ピーク」と略する場合がある。
Here, in the present invention, “the peak at 2θ = 20.2 ° in the X-ray diffraction measurement using CuKα ray” means not only a strict peak at 2θ = 20.2 ° but also 2θ = 20.2. A peak in the range of ± 0.5 °. Depending on the crystal state, the position of the peak may slightly move back and forth, so it is defined as above. Similarly, the peak at 2θ = 23.6 ° is not only a strict peak at 2θ = 23.6 °, but also a peak within a range of 2θ = 23.6 ° ± 0.5 °.
In the following description, “peaks at 2θ = 20.2 ° and 23.6 ° in X-ray diffraction measurement using CuKα rays” may be abbreviated as “two specific peaks”.

本発明者等の研究において、LiS、A(Aは、P、Si、Ge、AlおよびBの少なくとも一種である)の硫化物、および所望の割合を有するLiX(Xはハロゲンである)を含有する原料組成物を非晶質化して得られる硫化物ガラスは、加熱時間を調節しながら結晶化温度以上の特定の温度領域内となるように熱処理を行うことにより、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=20.2°、23.6°にピークを有する結晶相となる。この2本の特定ピークは、従来知られていない新規結晶相のピークであり、上記新規結晶相は、高いLiイオン伝導度を示すことが解った。すなわち、上述の方法により得られるガラスセラミックスは、上記新規結晶相を有するLiイオン伝導度の高い硫化物固体電解質材料であると考えられる
なお、以下の説明において、上記新規結晶相を高Liイオン伝導性結晶相と称する場合がある。
In our study, sulfides of Li 2 S, A (A is at least one of P, Si, Ge, Al and B), and LiX having a desired ratio (X is a halogen) The sulfide glass obtained by amorphizing the raw material composition containing Cu was subjected to heat treatment so as to be within a specific temperature range above the crystallization temperature while adjusting the heating time, thereby using CuKα rays. In the X-ray diffraction measurement, the crystal phase has peaks at 2θ = 20.2 ° and 23.6 °. These two specific peaks are peaks of a novel crystal phase that has not been conventionally known, and it has been found that the novel crystal phase exhibits high Li ion conductivity. That is, the glass ceramic obtained by the above-described method is considered to be a sulfide solid electrolyte material having a high Li ion conductivity having the above novel crystal phase. In the following description, the above novel crystal phase is converted to a high Li ion conductivity. May be referred to as a crystalline crystal phase.

しかし、本発明者等が見出したガラスセラミックスは、熱処理時には上述した新規結晶相が多く形成されている可能性が高いにも関わらず、冷却後には上記新規結晶相の結晶性(割合)が向上せず、Liイオン伝導度が低下するという問題があることが解った。
これに対し、本発明者らは、ガラスセラミックスのLiイオン伝導度が低下する要因が、熱処理後から冷却する過程にあると見出した。
熱処理時のガラスセラミックスでは、高いLiイオン伝導度を示す結晶相が多く形成されている可能性が高いが、上記結晶相は熱学的に若干不安定な結晶相(以下、準安定相と称する場合がある。)であるため、熱処理後に徐冷させる間に、準安定相である高Liイオン伝導性結晶相は熱力学的に安定な結晶相(以下、安定相と称する場合がある。)もしくはガラスへ相転移を生じる。その結果、冷却後においてガラスセラミックスは準安定相が減少し、安定相もしくはガラスを多く有することとなり、高Liイオン伝導性結晶相の結晶性(割合)が向上しないため、Liイオン伝導度が低下すると推定した。
そこで、本発明者らは、硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で加熱し、上記2本の特定ピークが出現するように加熱温度および加熱時間を調整しながら熱処理を行った後に、所定の冷却速度で冷却させることにより、ガラスセラミックスの結晶相が高Liイオン伝導性結晶相から安定相もしくはガラスへ相転移するのを抑制し、高Liイオン伝導性結晶相の結晶性(割合)が向上することを見出した。これにより、高Liイオン伝導性結晶相の単相が得やすくなり、冷却後においても高いLiイオン伝導度を有するガラスセラミックスの硫化物固体電解質材料とすることが可能となった。
However, the glass ceramics found by the present inventors improve the crystallinity (ratio) of the new crystal phase after cooling despite the high possibility that many of the new crystal phases described above are formed during the heat treatment. However, it was found that there was a problem that the Li ion conductivity was lowered.
On the other hand, the present inventors have found that the cause of the decrease in Li ion conductivity of the glass ceramic is in the process of cooling after the heat treatment.
In glass ceramics at the time of heat treatment, there is a high possibility that many crystal phases exhibiting high Li ion conductivity are formed. However, the above crystal phases are thermally unstable crystal phases (hereinafter referred to as metastable phases). Therefore, during the slow cooling after the heat treatment, the high Li ion conductive crystal phase which is a metastable phase is a thermodynamically stable crystal phase (hereinafter sometimes referred to as a stable phase). Or a phase transition to glass occurs. As a result, after cooling, the glass ceramic has a reduced metastable phase and has a lot of stable phase or glass, and the crystallinity (ratio) of the high Li ion conductive crystal phase does not improve, so the Li ion conductivity decreases. I estimated.
Therefore, the present inventors heated the sulfide glass at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature, and after performing the heat treatment while adjusting the heating temperature and the heating time so that the two specific peaks appear, By cooling at the cooling rate, the crystal phase of the glass ceramic is prevented from phase transition from the high Li ion conductive crystal phase to the stable phase or glass, and the crystallinity (ratio) of the high Li ion conductive crystal phase is improved. I found out. Thereby, a single phase of a high Li ion conductive crystal phase can be easily obtained, and a glass ceramic sulfide solid electrolyte material having high Li ion conductivity even after cooling can be obtained.

本発明の硫化物固体電解質材料の製造方法は、非晶質化工程および合成工程を少なくとも有するものである。
以下、各工程について順に説明する。
The method for producing a sulfide solid electrolyte material of the present invention comprises at least an amorphization step and a synthesis step.
Hereinafter, each process is demonstrated in order.

1.非晶質化工程
まず、本発明における非晶質化工程について説明する。本発明における非晶質化工程は、LiS、A(Aは、P、Si、Ge、AlおよびBの少なくとも一種である)の硫化物、およびLiX(Xはハロゲンである)を含有する原料組成物を非晶質化し、硫化物ガラスを合成する工程である。また、本工程は、上記原料組成物に含まれる上記LiXの割合を、所望のガラスセラミックスが得られるように調整することを特徴とするものである。
1. Amorphization process
First, the amorphization process in the present invention will be described. The amorphizing step in the present invention contains a sulfide of Li 2 S, A (A is at least one of P, Si, Ge, Al and B), and LiX (X is a halogen). This is a step of making the raw material composition amorphous to synthesize sulfide glass. Moreover, this process adjusts the ratio of the said LiX contained in the said raw material composition so that desired glass ceramics may be obtained.

(1)原料組成物
本工程における原料組成物は、LiS、A(Aは、P、Si、Ge、AlおよびBの少なくとも一種である)の硫化物、およびLiX(Xはハロゲンである)を含有するものである。
(1) Raw material composition The raw material composition in this step is a sulfide of Li 2 S, A (A is at least one of P, Si, Ge, Al and B), and LiX (X is a halogen). ).

上記原料組成物に含まれるLiSは不純物が少ないことが好ましい。副反応を抑制することができるからである。LiSの合成方法としては、例えば特開平7−330312号公報に記載された方法等を挙げることができる。さらに、LiSは、WO2005/040039に記載された方法等を用いて精製されていることが好ましい。
一方、原料組成物に含まれる上記Aの硫化物としては、例えば、P、P、SiS、GeS、Al、B等を挙げることができる。
The Li 2 S contained in the raw material composition preferably has few impurities. This is because side reactions can be suppressed. Examples of the method for synthesizing Li 2 S include the method described in JP-A-7-330312. Furthermore, Li 2 S is preferably purified using the method described in WO2005 / 040039.
On the other hand, examples of the sulfide A contained in the raw material composition include P 2 S 3 , P 2 S 5 , SiS 2 , GeS 2 , Al 2 S 3 , and B 2 S 3 .

上記原料組成物が、LiSおよびPを含有する場合、LiSおよびPの合計に対するLiSの割合は、70mol%〜80mol%の範囲内であることが好ましく、72mol%〜78mol%の範囲内であることがより好ましく、74mol%〜76mol%の範囲内であることがさらに好ましい。なお、上記原料組成物が、LiSおよびAlを含有する場合、LiSおよびBを含有する場合も同様である。一方、上記原料組成物が、LiSおよびSiSを含有する場合、LiSおよびSiSの合計に対するLiSの割合は、62.5mol%〜70.9mol%の範囲内であることが好ましく、63mol%〜70mol%の範囲内であることがより好ましく、64mol%〜68mol%の範囲内であることがさらに好ましい。なお、上記原料組成物が、LiSおよびGeSを含有する場合も同様である。 The raw material composition is, when containing Li 2 S and P 2 S 5, the proportion of Li 2 S to the total of Li 2 S and P 2 S 5 is preferably in the range of 70 mol% 80 mol% 72 mol% to 78 mol% is more preferable, and 74 mol% to 76 mol% is more preferable. Incidentally, the raw material composition is, when containing Li 2 S and Al 2 S 3, which is the same when containing Li 2 S and B 2 S 3. On the other hand, the raw material composition is, when containing Li 2 S and SiS 2, the ratio of Li 2 S to the total of Li 2 S and SiS 2 is in the range of 62.5mol% ~70.9mol% Is preferable, it is more preferable that it is in the range of 63 mol% to 70 mol%, and it is more preferable that it is in the range of 64 mol% to 68 mol%. The same applies when the raw material composition contains Li 2 S and GeS 2 .

上記原料組成物において、LiXにおけるXはハロゲンであり、具体的には、F、Cl、Br、Iを挙げることができる。Liイオン伝導度の高いガラスセラミックスを得ることができるからである。中でも、Cl、Br、Iが好ましく、特に、Iが好ましい。
また、原料組成物におけるLiXの割合は、所望のガラスセラミックスを合成できる割合に調整されるものであり、合成条件よって若干異なるものであるが、13mol%より多く30mol%よりも少ない範囲内で、ガラスセラミックスを合成できる割合であることが好ましい。
In the raw material composition, X in LiX is halogen, and specific examples include F, Cl, Br, and I. This is because glass ceramics having high Li ion conductivity can be obtained. Of these, Cl, Br, and I are preferable, and I is particularly preferable.
Further, the ratio of LiX in the raw material composition is adjusted to a ratio capable of synthesizing a desired glass ceramic and is slightly different depending on the synthesis conditions, but within a range of more than 13 mol% and less than 30 mol%, The ratio is preferably such that glass ceramics can be synthesized.

(2)非晶質化工程
本工程において、原料組成物を非晶質化する方法としては、例えば、メカニカルミリングおよび溶融急冷法を挙げることができ、中でもメカニカルミリングが好ましい。常温での処理が可能であり、製造工程の簡略化を図ることができるからである。また、溶融急冷法は、反応雰囲気や反応容器に制限があるものの、メカニカルミリングは、目的とする組成の硫化物ガラスを簡便に合成できるという利点がある。メカニカルミリングは、乾式メカニカルミリングであっても良く、湿式メカニカルミリングであっても良いが、後者が好ましい。容器等の壁面に原料組成物が固着することを防止でき、より非晶質性の高い硫化物ガラスを得ることができるからである。
(2) Amorphization process In this process, as a method of amorphizing the raw material composition, for example, mechanical milling and melt quenching can be mentioned, and among these, mechanical milling is preferable. This is because processing at room temperature is possible, and the manufacturing process can be simplified. In addition, although the melt quench method has limitations on the reaction atmosphere and reaction vessel, mechanical milling has an advantage that a sulfide glass having a desired composition can be easily synthesized. The mechanical milling may be dry mechanical milling or wet mechanical milling, but the latter is preferred. This is because the raw material composition can be prevented from adhering to the wall surface of a container or the like, and a more amorphous sulfide glass can be obtained.

メカニカルミリングは、原料組成物を、機械的エネルギーを付与しながら混合する方法であれば特に限定されるものではないが、例えばボールミル、振動ミル、ターボミル、メカノフュージョン、ディスクミル等を挙げることができ、中でもボールミルが好ましく、特に遊星型ボールミルが好ましい。所望の硫化物ガラスを効率良く得ることができるからである。   Mechanical milling is not particularly limited as long as the raw material composition is mixed while applying mechanical energy, and examples thereof include a ball mill, a vibration mill, a turbo mill, a mechanofusion, and a disk mill. Among these, a ball mill is preferable, and a planetary ball mill is particularly preferable. This is because the desired sulfide glass can be obtained efficiently.

また、メカニカルミリングの各種条件は、所望の硫化物ガラスを得ることができるように設定する。例えば、遊星型ボールミルを用いる場合、容器に原料組成物および粉砕用ボールを加え、所望の回転数および時間で処理を行う。一般的に、回転数が大きいほど、硫化物ガラスの生成速度は速くなり、処理時間が長いほど、原料組成物から硫化物ガラスへの転化率は高くなる。具体的には、遊星型ボールミルを行う際の台盤回転数としては、例えば、200rpm〜500rpmの範囲内、中でも、250rpm〜400rpmの範囲内であることが好ましい。また、遊星型ボールミルを行う際の処理時間は、例えば1時間〜100時間の範囲内、中でも1時間〜50時間の範囲内であることが好ましい。また、ボールミルに用いられる容器および粉砕用ボールの材料としては、例えばZrOおよびAl等を挙げることができ、上記粉砕用ボールの径は、例えば1mm〜20mmの範囲内、ボール重量は10g〜100gの範囲内であることが好ましい。 Various conditions of mechanical milling are set so that a desired sulfide glass can be obtained. For example, when a planetary ball mill is used, the raw material composition and grinding balls are added to the container, and the treatment is performed at a desired rotation speed and time. In general, the larger the number of revolutions, the faster the generation rate of sulfide glass, and the longer the treatment time, the higher the conversion rate from the raw material composition to sulfide glass. Specifically, the rotation speed of the base plate when performing the planetary ball mill is, for example, preferably in the range of 200 rpm to 500 rpm, and more preferably in the range of 250 rpm to 400 rpm. Further, the treatment time when performing the planetary ball mill is preferably in the range of 1 hour to 100 hours, and more preferably in the range of 1 hour to 50 hours. Examples of the material of the container used for the ball mill and the ball for grinding include ZrO 2 and Al 2 O 3. The diameter of the ball for grinding is within a range of 1 mm to 20 mm, for example. It is preferably within the range of 10 g to 100 g.

湿式メカニカルミリングに用いられる液体としては、上記原料組成物との反応で硫化水素を発生しない性質を有するものであることが好ましい。硫化水素は、液体の分子から解離したプロトンが、原料組成物や硫化物ガラスと反応することによって発生する。そのため、上記液体は、硫化水素が発生しない程度の非プロトン性を有していることが好ましい。また、非プロトン性液体は、通常、極性の非プロトン性液体と、無極性の非プロトン性液体とに大別することができる。   The liquid used for wet mechanical milling preferably has a property of not generating hydrogen sulfide by the reaction with the raw material composition. Hydrogen sulfide is generated when protons dissociated from liquid molecules react with the raw material composition or sulfide glass. Therefore, it is preferable that the liquid has an aprotic property that does not generate hydrogen sulfide. In addition, aprotic liquids can be broadly classified into polar aprotic liquids and nonpolar aprotic liquids.

極性の非プロトン性液体としては、特に限定されるものではないが、例えばアセトン等のケトン類;アセトニトリル等のニトリル類;N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)等のアミド類;ジメチルスルホキシド(DMSO)等のスルホキシド類等を挙げることができる。   Although it does not specifically limit as a polar aprotic liquid, For example, Ketones, such as acetone; Nitriles, such as acetonitrile; Amides, such as N, N- dimethylformamide (DMF); Dimethyl sulfoxide (DMSO) And the like.

無極性の非プロトン性液体の一例としては、常温(25℃)で液体のアルカンを挙げることができる。上記アルカンは、鎖状アルカンであっても良く、環状アルカンであっても良い。上記鎖状アルカンの炭素数は、例えば5以上であることが好ましい。一方、上記鎖状アルカンの炭素数の上限は、常温で液体であれば特に限定されるものではない。上記鎖状アルカンの具体例としては、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、パラフィン等を挙げることができる。なお、上記鎖状アルカンは、分岐を有するものであっても良い。一方、上記環状アルカンの具体例としては、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロパラフィン等を挙げることができる。   An example of a nonpolar aprotic liquid is alkane that is liquid at room temperature (25 ° C.). The alkane may be a chain alkane or a cyclic alkane. The chain alkane preferably has, for example, 5 or more carbon atoms. On the other hand, the upper limit of the carbon number of the chain alkane is not particularly limited as long as it is liquid at room temperature. Specific examples of the chain alkane include pentane, hexane, heptane, octane, nonane, decane, undecane, dodecane, and paraffin. The chain alkane may have a branch. On the other hand, specific examples of the cyclic alkane include cyclopentane, cyclohexane, cycloheptane, cyclooctane, and cycloparaffin.

また、無極性の非プロトン性液体の別の例としては、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類;ジエチルエーテル、ジメチルエーテル等の鎖状エーテル類;テトロヒドロフラン等の環状エーテル類;クロロホルム、塩化メチル、塩化メチレン等のハロゲン化アルキル類;酢酸エチル等のエステル類;フッ化ベンゼン、フッ化ヘプタン、2,3−ジハイドロパーフルオロペンタン、1,1,2,2,3,3,4−ヘプタフルオロシクロペンタン等のフッ素系化合物を挙げることができる。なお、上記液体の添加量は、特に限定されるものではない。   Other examples of nonpolar aprotic liquids include aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene; chain ethers such as diethyl ether and dimethyl ether; cyclic ethers such as tetrohydrofuran; chloroform Alkyl halides such as methyl chloride and methylene chloride; esters such as ethyl acetate; fluorinated benzene, heptane fluoride, 2,3-dihydroperfluoropentane, 1,1,2,2,3,3 Fluorine compounds such as 4-heptafluorocyclopentane can be exemplified. The amount of the liquid added is not particularly limited.

湿式メカニカルミリングにより原料組成物を非晶質化させた場合、得られた硫化物ガラスは乾燥させることが好ましい。硫化物ガラスに残留しているメカニカルミリングの際に用いた上述の液体を除去するためである。乾燥温度としては、硫化物ガラスの結晶化温度よりも低い温度であることが好ましく、例えば、100℃〜150℃の範囲内であることが好ましい。   When the raw material composition is amorphized by wet mechanical milling, the obtained sulfide glass is preferably dried. This is for removing the liquid used in the mechanical milling remaining in the sulfide glass. The drying temperature is preferably lower than the crystallization temperature of the sulfide glass, and is preferably in the range of 100 ° C to 150 ° C, for example.

(3)硫化物ガラス
本工程において得られる硫化物ガラスとは、上記原料組成物を非晶質化して合成した材料をいい、X線回折測定等において結晶としての周期性が観測されない厳密な「ガラス」のみならず、メカニカルミリング等により非晶質化して合成した材料全般を意味する。そのため、CuKα線を用いたX線回折測定等において、例えば原料(LiI等)に由来するピークが観察される場合であっても、非晶質化して合成した材料であれば、硫化物ガラスに該当する。
(3) Sulfide glass The sulfide glass obtained in this step refers to a material synthesized by amorphizing the above raw material composition. Strict “No periodicity as a crystal is observed in X-ray diffraction measurement etc. It means not only “glass” but also all materials synthesized by amorphization by mechanical milling or the like. Therefore, in the X-ray diffraction measurement using CuKα rays, for example, even if a peak derived from a raw material (LiI, etc.) is observed, if it is a material synthesized by amorphization, the sulfide glass Applicable.

2.合成工程
次に、本発明における合成工程について説明する。本発明における合成工程は、上記硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で加熱し、1K・s−1以上の冷却速度で冷却し、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=20.2°、23.6°にピークを有するガラスセラミックスを合成する工程である。
また、本工程は、加熱温度および加熱時間を所望のガラスセラミックスが得られるように調整することを特徴とするものである。
なお、以下の説明においては、本工程を「(1)熱処理」と「(2)冷却処理」とに分けて、順を追って説明する。
2. Synthesis Step Next, the synthesis step in the present invention will be described. In the synthesis step of the present invention, the sulfide glass is heated at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature, cooled at a cooling rate of 1 K · s −1 or higher, and in X-ray diffraction measurement using CuKα rays, 2θ = 20. In this step, glass ceramics having peaks at 2 ° and 23.6 ° are synthesized.
Moreover, this process is characterized by adjusting the heating temperature and the heating time so that a desired glass ceramic is obtained.
In the following description, this process is divided into “(1) heat treatment” and “(2) cooling treatment”, and will be described in order.

(1)熱処理
本工程における熱処理とは、上記硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で加熱する処理である。また、上記熱処理においては、加熱温度および加熱時間を所望のガラスセラミックスが得られるように調整することを特徴とする。
(1) Heat treatment The heat treatment in this step is a treatment for heating the sulfide glass at a temperature higher than the crystallization temperature. In the heat treatment, the heating temperature and the heating time are adjusted so as to obtain a desired glass ceramic.

加熱温度は、硫化物ガラスの結晶化温度以上の温度であり、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=20.2°および23.6°にピークを有するガラスセラミックスが得られる温度である。なお、硫化物ガラスの結晶化温度は、示差熱分析(DTA)により決定することができる。
上記加熱温度の範囲は、CuKα線を用いたX線回折測定において上記2本の特定ピークが出現する温度範囲であり、硫化物ガラスの組成によって若干異なるものであるが、例えば、加熱温度が160℃〜200℃の範囲内であることが好ましく、中でも、加熱温度が170℃〜190℃の範囲内であることが好ましく、特に、180℃〜190℃の範囲内であることが好ましい。加熱温度が上記範囲内にない場合、上記2本の特定ピークを有する高Liイオン伝導性結晶相が形成されない可能性があるからである。
The heating temperature is equal to or higher than the crystallization temperature of the sulfide glass, and is a temperature at which glass ceramics having peaks at 2θ = 20.2 ° and 23.6 ° are obtained in the X-ray diffraction measurement using CuKα rays. is there. In addition, the crystallization temperature of sulfide glass can be determined by differential thermal analysis (DTA).
The range of the heating temperature is a temperature range in which the two specific peaks appear in the X-ray diffraction measurement using CuKα rays, and is slightly different depending on the composition of the sulfide glass. It is preferable that it is in the range of ° C to 200 ° C, and among them, the heating temperature is preferably in the range of 170 ° C to 190 ° C, and particularly preferably in the range of 180 ° C to 190 ° C. This is because when the heating temperature is not within the above range, the high Li ion conductive crystal phase having the two specific peaks may not be formed.

具体的な加熱時間としては、上述した加熱温度によって適宜選択されるものであるが、例えば、1分間〜24時間の範囲内であることが好ましく、中でも、30分〜3時間の範囲内であることが好ましく、特に、1時間〜3時間の範囲内であることが好ましい。より具体的には、加熱温度が上述した加熱温度範囲の下限の160℃である場合、1時間〜10時間の範囲内であることが好ましく、上限の200℃である場合、1時間〜3時間の範囲内であることが好ましい。上記加熱時間が短すぎると、上記2本の特定ピーク強度が所望の強度とならず、冷却処理を経て得られるガラスセラミックスが高Liイオン伝導性結晶相を有さない可能性があり、一方、加熱時間が長すぎると、上記2本の特定ピーク強度が低下し、高Liイオン伝導性結晶相から安定相もしくはガラスへ変化してしまう可能性があるからである。   The specific heating time is appropriately selected according to the heating temperature described above, but is preferably in the range of 1 minute to 24 hours, for example, and more preferably in the range of 30 minutes to 3 hours. In particular, it is preferably in the range of 1 hour to 3 hours. More specifically, when the heating temperature is 160 ° C., which is the lower limit of the heating temperature range described above, it is preferably within a range of 1 hour to 10 hours, and when the heating temperature is 200 ° C., it is 1 hour to 3 hours. It is preferable to be within the range. If the heating time is too short, the two specific peak intensities do not become the desired intensity, and the glass ceramic obtained through the cooling treatment may not have a high Li ion conductive crystal phase, This is because if the heating time is too long, the above two specific peak intensities are lowered, and there is a possibility that the high Li ion conductive crystal phase changes to a stable phase or glass.

本工程における熱処理は、不活性ガス雰囲気(例えばArガス雰囲気)で行うことが好ましい。硫化物ガラスの劣化(例えば酸化)を防止できるからである。熱処理の方法は特に限定されるものではないが、例えば、焼成炉を用いる方法を挙げることができる   The heat treatment in this step is preferably performed in an inert gas atmosphere (for example, an Ar gas atmosphere). This is because deterioration (for example, oxidation) of the sulfide glass can be prevented. Although the method of heat processing is not specifically limited, For example, the method using a baking furnace can be mentioned.

(2)冷却処理
次に、本工程における冷却処理について説明する。本工程における冷却処理は、上述した熱処理後に1K・s−1以上の冷却速度で冷却を行う処理である。
(2) Cooling process Next, the cooling process in this process is demonstrated. The cooling process in this step is a process of performing cooling at a cooling rate of 1 K · s −1 or more after the above-described heat treatment.

通常、硫化物ガラスを熱処理し冷却させる際、熱処理環境下に置いた状態、例えば、熱処理を行った炉内で静置させて冷却させる方法が用いられる。そのため、冷却速度は炉内温度の低下速度に応じて遅くなる。冷却速度が遅い場合、熱処理により形成された準安定相の高Liイオン伝導性結晶相は冷却中に安定相もしくはガラスへ相転移を生じ、また、高Liイオン伝導性結晶相の結晶性(割合)が向上しないため、冷却処理後のガラスセラミックスはLiイオン伝導度が低くなると推定される。
一方、本発明では、所定の冷却速度で冷却することにより、準安定相から安定相等への相転移が抑制されるため、冷却後におけるガラスセラミックスは高Liイオン伝導性結晶相を保持することができ、高Liイオン伝導性結晶相の結晶性(割合)が向上する。これにより、ガラスセラミックスは高Liイオン伝導性結晶相の単相が得やすくなり、冷却後においても高いLiイオン伝導度を有するとすることができる。
Usually, when the sulfide glass is heat-treated and cooled, a method in which the sulfide glass is placed in a heat-treatment environment, for example, left in a furnace in which heat treatment is performed and cooled is used. For this reason, the cooling rate becomes slower in accordance with the rate of decrease in the furnace temperature. When the cooling rate is slow, the high Li ion conductive crystalline phase of the metastable phase formed by heat treatment undergoes a phase transition to the stable phase or glass during cooling, and the crystallinity (ratio of the high Li ion conductive crystalline phase) ) Does not improve, it is estimated that the Li-ion conductivity of the glass ceramic after the cooling treatment is lowered.
On the other hand, in the present invention, since the phase transition from the metastable phase to the stable phase or the like is suppressed by cooling at a predetermined cooling rate, the glass ceramic after cooling may retain a high Li ion conductive crystal phase. And the crystallinity (ratio) of the high Li ion conductive crystal phase is improved. Thereby, the glass ceramic can easily obtain a single phase of a high Li ion conductive crystal phase, and can have high Li ion conductivity even after cooling.

冷却速度としては、冷却中において高Liイオン伝導性結晶相が保持される速度であることが好ましく、1K・s−1以上であることが好ましく、中でも、10K・s−1〜1000K・s−1の範囲内であることが好ましい。冷却速度が上記範囲よりも遅いと、高Liイオン伝導性結晶相が安定相もしくはガラスへ相転移を生じ、高Liイオン伝導性結晶相の結晶性(割合)が向上しないため、冷却後におけるガラスセラミックスが高いLiイオン伝導度を有さない可能性があるからである。 The cooling rate is preferably a rate at which a high Li ion conductive crystal phase is maintained during cooling, and is preferably 1 K · s −1 or more, and more preferably 10 K · s −1 to 1000 K · s −. It is preferable to be within the range of 1 . If the cooling rate is slower than the above range, the high Li ion conductive crystal phase undergoes a phase transition to the stable phase or glass, and the crystallinity (ratio) of the high Li ion conductive crystal phase does not improve. This is because ceramics may not have high Li ion conductivity.

冷却方法としては、所定の冷却速度で冷却することができる方法であれば特に限定されるものではないが、例えば、室温下で放冷、すなわち、空冷であっても良く、水冷、氷水による冷却、氷冷、風冷、不活性ガスの吹き付けによる冷却等の方法であっても良い。中でも、氷水中での冷却が好ましい。上記冷却方法を用いることにより、高Liイオン伝導性結晶相から安定相もしくはガラスへ相転移を生じることを抑制し、高Liイオン伝導性結晶相の結晶性(割合)を向上させることができるからである。   The cooling method is not particularly limited as long as it can be cooled at a predetermined cooling rate. For example, it may be allowed to cool at room temperature, that is, it may be air-cooled. Alternatively, ice cooling, air cooling, cooling by blowing an inert gas, or the like may be used. Among these, cooling in ice water is preferable. By using the above cooling method, it is possible to suppress the phase transition from the high Li ion conductive crystal phase to the stable phase or glass and to improve the crystallinity (ratio) of the high Li ion conductive crystal phase. It is.

本工程における冷却処理は、熱処理から一定時間以上を置かずに行うことが好ましく、具体的には、熱処理後から冷却処理を開始するまでの時間が、10秒以内であることが好ましく、中でも、1秒以内であることが好ましい。熱処理から冷却処理までの移行時間が上記範囲よりも長いと、高Liイオン伝導性結晶相が安定相もしくはガラスへ相転移を生じ、高Liイオン伝導性結晶相の結晶性(割合)が向上しないため、冷却後におけるガラスセラミックスが高いLiイオン伝導度を有さない可能性があるからである。   The cooling treatment in this step is preferably performed without placing a certain time or more from the heat treatment, specifically, the time from the heat treatment to the start of the cooling treatment is preferably within 10 seconds. It is preferably within 1 second. If the transition time from the heat treatment to the cooling treatment is longer than the above range, the high Li ion conductive crystal phase undergoes a phase transition to a stable phase or glass, and the crystallinity (ratio) of the high Li ion conductive crystal phase does not improve. Therefore, the glass ceramic after cooling may not have high Li ion conductivity.

本工程における冷却処理により、ガラスセラミックスの温度が100℃以下となるまで冷却されることが好ましく、中でも、50℃以下となるまで冷却されることが好ましく、特に25℃以下となるまで冷却されることが好ましい。冷却後におけるガラスセラミックスの温度が上記範囲よりも高いと、高Liイオン伝導性結晶相から安定相もしくはガラスへ相転移を生じ、また、高Liイオン伝導性結晶相の結晶性(割合)が向上しない可能性があるからである。
また、冷却環境温度としては冷却方法によって適宜選択されるものであるが、例えば、25℃以下であることが好ましく、中でも、10℃以下であることが好ましく、特に、0℃以下であることが好ましい。冷却環境温度が上記範囲よりも高い場合、所定の冷却速度とならず、冷却処理中に結晶相が高Liイオン伝導性結晶相から安定相もしくはガラスへ相転移を生じ、高Liイオン伝導性結晶相の結晶性(割合)が向上しない可能性があるからである。
It is preferable to cool until the temperature of the glass ceramic is 100 ° C. or lower by the cooling treatment in this step, and it is particularly preferable that the glass ceramic is cooled to 50 ° C. or lower, particularly 25 ° C. or lower. It is preferable. When the temperature of the glass ceramic after cooling is higher than the above range, a phase transition from a high Li ion conductive crystal phase to a stable phase or glass occurs, and the crystallinity (ratio) of the high Li ion conductive crystal phase is improved. Because there is a possibility of not.
The cooling environment temperature is appropriately selected depending on the cooling method, and is preferably 25 ° C. or less, for example, preferably 10 ° C. or less, and particularly preferably 0 ° C. or less. preferable. When the cooling environment temperature is higher than the above range, the predetermined cooling rate is not achieved, and the crystal phase undergoes a phase transition from the high Li ion conductive crystal phase to the stable phase or glass during the cooling process, and the high Li ion conductive crystal This is because the crystallinity (ratio) of the phase may not be improved.

冷却処理時間としては、上述した冷却方法および冷却速度によって適宜選択されるものであり、できるだけ早く、室温まで下げられることが好ましい。冷却処理中に結晶相が高Liイオン伝導性結晶相から安定相もしくはガラスへ相転移を生じ、高Liイオン伝導性結晶相の結晶性(割合)が向上しない可能性があるからである。   The cooling treatment time is appropriately selected according to the cooling method and the cooling rate described above, and is preferably lowered to room temperature as soon as possible. This is because the crystal phase may undergo a phase transition from the high Li ion conductive crystal phase to the stable phase or glass during the cooling treatment, and the crystallinity (ratio) of the high Li ion conductive crystal phase may not be improved.

本工程における冷却処理は、ガラスセラミックスが水分と直接接触しない環境下で行うことが好ましい。ガラスセラミックスが水分に直接接触することにより酸化等の劣化を生じる可能性があるからである。冷却処理の実施環境下における含水量としては、例えば、10ppm以下の環境下で行うことが好ましく、中でも、0.5ppm以下の環境下で行うことが好ましい。上記条件を有する環境として、具体的には、不活性ガス雰囲気(例えば、Arガス雰囲気)等が充填された密閉容器内で行うことが好ましい。   The cooling treatment in this step is preferably performed in an environment where the glass ceramic is not in direct contact with moisture. This is because glass ceramics may cause deterioration such as oxidation due to direct contact with moisture. As water content in the implementation environment of a cooling process, it is preferable to carry out in the environment of 10 ppm or less, for example, and it is preferable to carry out in an environment of 0.5 ppm or less especially. Specifically, the environment having the above conditions is preferably performed in a closed container filled with an inert gas atmosphere (for example, an Ar gas atmosphere).

3.その他の工程
本発明は、上述した非晶質化工程および合成工程を少なくとも有するものであるが、必要に応じてその他の工程を有していても良い。その他の工程として、例えば、微粒化工程等が挙げられる。
3. Other Steps The present invention has at least the above-described amorphization step and synthesis step, but may have other steps as necessary. Examples of other processes include a atomization process.

4.硫化物固体電解質材料
本発明により得られる硫化物固体電解質材料は、Li、A(Aは、P、Si、Ge、AlおよびBの少なくとも一種である)、X(Xはハロゲンである)、Sを有し、ガラスセラミックスであり、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=20.2°、23.6°にピークを有することを特徴とするものである。上記硫化物固体電解質材料は、上記2本の特定ピークを有しているため、高いLiイオン伝導度を有することができる。
4). Sulfide solid electrolyte material The sulfide solid electrolyte material obtained by the present invention includes Li, A (A is at least one of P, Si, Ge, Al, and B), X (X is a halogen), S The glass ceramics are characterized by having peaks at 2θ = 20.2 ° and 23.6 ° in the X-ray diffraction measurement using CuKα rays. Since the sulfide solid electrolyte material has the two specific peaks, it can have a high Li ion conductivity.

本発明により得られる硫化物固体電解質材料は、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=20.2°、23.6°のピークを有するものであるが、原理上、X線回折測定におけるピークのパターンは、結晶構造に依存するものの、結晶構造を構成する原子の種類には大きく依存しない。従って、AおよびXの種類によらず、同一の結晶構造が形成されていれば、同様のパターンが得られる。すなわち、AおよびXの種類によらず、高Liイオン伝導性結晶相が形成されていれば、同様のパターンが得られる。なお、このパターンの位置は、多少前後する可能性があり、この点からも、2θ=20.2°、23.6°のピークを、それぞれ±0.5°の範囲で定義することが好ましい。   The sulfide solid electrolyte material obtained by the present invention has peaks at 2θ = 20.2 ° and 23.6 ° in the X-ray diffraction measurement using CuKα ray. Although the peak pattern in depends on the crystal structure, it does not depend greatly on the type of atoms constituting the crystal structure. Therefore, the same pattern can be obtained if the same crystal structure is formed regardless of the types of A and X. That is, regardless of the types of A and X, the same pattern can be obtained if a high Li ion conductive crystal phase is formed. Note that the position of this pattern may slightly move back and forth. From this point, it is preferable to define the peaks at 2θ = 20.2 ° and 23.6 ° within a range of ± 0.5 °. .

本発明により得られる硫化物固体電解質材料は、高Liイオン伝導性結晶相を主体として有することが好ましく、具体的には、硫化物固体電解質材料の全結晶相における高Liイオン伝導性結晶相の割合が50mol%以上であることが好ましく、硫化物固体電解質材料のすべての結晶相が高Liイオン伝導性結晶相であることが特に好ましい。   The sulfide solid electrolyte material obtained by the present invention preferably has a high Li ion conductive crystal phase as a main component, and specifically, the high Li ion conductive crystal phase in the entire crystal phase of the sulfide solid electrolyte material. The ratio is preferably 50 mol% or more, and it is particularly preferable that all the crystal phases of the sulfide solid electrolyte material are high Li ion conductive crystal phases.

また、本発明により得られる硫化物固体電解質材料は、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=20.2°、23.6°のピークを有する高Liイオン伝導性結晶相の他に、2θ=21.0°、28.0°にピークを有する場合、つまり、低Liイオン伝導性結晶相を形成するものが含まれる場合がある。これらのピークは、従来知られていない新規結晶相のピークであるが、高Liイオン伝導性結晶相よりLiイオン伝導度が低い結晶相のピークである。なお、2θ=21.0°、28.0°にピークを有する結晶相を、低Liイオン伝導性結晶相と称する場合がある。また、低Liイオン伝導性結晶相を示す2θ=21.0°のピークとは、厳密な2θ=21.0°のピークのみならず、2θ=21.0°±0.5°の範囲内にあるピークをいう。結晶の状態によって、ピークの位置が多少前後する可能性があるため、上記のように定義する。同様に、2θ=28.0°のピークとは、厳密な2θ=28.0°のピークのみならず、2θ=28.0°±0.5°の範囲内にあるピークをいう。   In addition, the sulfide solid electrolyte material obtained by the present invention is not limited to the high Li ion conductive crystal phase having peaks of 2θ = 20.2 ° and 23.6 ° in the X-ray diffraction measurement using CuKα ray. 2θ = 21.0 °, having a peak at 28.0 °, that is, one forming a low Li ion conductive crystal phase may be included. These peaks are peaks of a novel crystal phase that has not been conventionally known, but are peaks of a crystal phase having a lower Li ion conductivity than a high Li ion conductive crystal phase. A crystal phase having peaks at 2θ = 21.0 ° and 28.0 ° may be referred to as a low Li ion conductive crystal phase. Further, the peak at 2θ = 21.0 ° indicating the low Li ion conductive crystal phase is not limited to the exact peak at 2θ = 21.0 °, but within the range of 2θ = 21.0 ° ± 0.5 °. The peak at. Depending on the crystal state, the position of the peak may slightly move back and forth, so it is defined as above. Similarly, the peak at 2θ = 28.0 ° is not only a strict peak at 2θ = 28.0 ° but also a peak within a range of 2θ = 28.0 ° ± 0.5 °.

本発明により得られる硫化物固体電解質材料は、低Liイオン伝導性結晶相の割合が少ないことが好ましい。具体的には、2θ=21.0°のピーク強度に対する2θ=20.2°のピーク強度を、I20.2/I21.0とし、2θ=21.0°のピーク強度に対する2θ=23.6°のピーク強度を、I23.6/I21.0とした時、I20.2/I21.0およびI23.6/I21.0が、それぞれ0.1以上であることが好ましく、中でも、それぞれ0.2以上であることが好ましく、特に、I20.2/I21.0が1以上であることが好ましい。I20.2/I21.0およびI23.6/I21.0の比率が上記範囲にない場合、低Liイオン伝導性結晶相の割合が増加し、高いLiイオン伝導度を有さない硫化物固体電解質材料となる可能性があるからである。 The sulfide solid electrolyte material obtained by the present invention preferably has a low proportion of low Li ion conductive crystal phase. Specifically, the peak intensity at 2θ = 20.2 ° with respect to the peak intensity at 2θ = 21.0 ° is I 20.2 / I 21.0, and 2θ = 23 with respect to the peak intensity at 2θ = 21.0 °. When the peak intensity at .6 ° is I 23.6 / I 21.0 , I 20.2 / I 21.0 and I 23.6 / I 21.0 are each 0.1 or more Among them, it is preferable that each is 0.2 or more, and it is particularly preferable that I 20.2 / I 21.0 is 1 or more. When the ratio of I 20.2 / I 21.0 and I 23.6 / I 21.0 is not in the above range, the ratio of the low Li ion conductive crystal phase is increased and the Li ion conductivity is not high. This is because there is a possibility of becoming a sulfide solid electrolyte material.

また、本発明により得られる硫化物固体電解質材料は、Li、A(Aは、P、Si、Ge、AlおよびBの少なくとも一種である)、およびSを有するイオン伝導体と、LiX(Xはハロゲンである)とから構成されていることが好ましい。なお、この時LiXの少なくとも一部は、通常、LiX成分としてイオン伝導体の構造中に取り込まれた状態で存在する。   In addition, the sulfide solid electrolyte material obtained by the present invention includes an ion conductor having Li, A (A is at least one of P, Si, Ge, Al, and B), and S, and LiX (X is And is preferably a halogen. At this time, at least a part of LiX is usually present in a state of being taken into the structure of the ionic conductor as a LiX component.

本発明におけるイオン伝導体は、Li、A(Aは、P、Si、Ge、AlおよびBの少なくとも一種である)、およびSを有するものである。イオン伝導体は、Li、A、Sを有するものであれば特に限定されるものではないが、中でも、オルト組成を有することが好ましい。化学的安定性の高い硫化物固体電解質材料とすることができるからである。ここで、オルトとは、一般的に、同じ酸化物を水和して得られるオキソ酸の中で、最も水和度の高いものをいう。本発明においては、硫化物で最もLiSが付加している結晶組成をオルト組成という。例えば、LiS−P系ではLiPSがオルト組成に該当し、LiS−Al系ではLiAlSがオルト組成に該当し、LiS−B系ではLiBSがオルト組成に該当し、LiS−SiS系ではLiSiSがオルト組成に該当し、LiS−GeS系ではLiGeSがオルト組成に該当する。 The ion conductor in the present invention has Li, A (A is at least one of P, Si, Ge, Al and B), and S. The ionic conductor is not particularly limited as long as it has Li, A, and S. Among them, it is preferable to have an ortho composition. This is because a sulfide solid electrolyte material having high chemical stability can be obtained. Here, ortho generally refers to one having the highest degree of hydration among oxo acids obtained by hydrating the same oxide. In the present invention, the crystal composition in which Li 2 S is added most in the sulfide is called the ortho composition. For example, Li 3 PS 4 corresponds to the ortho composition in the Li 2 S—P 2 S 5 system, Li 3 AlS 3 corresponds to the ortho composition in the Li 2 S—Al 2 S 3 system, and Li 2 S—B 2. In the S 3 system, Li 3 BS 3 corresponds to the ortho composition, in the Li 2 S—SiS 2 system, Li 4 SiS 4 corresponds to the ortho composition, and in the Li 2 S—GeS 2 system, Li 4 GeS 4 corresponds to the ortho composition. Applicable.

ここで、「オルト組成を有する」とは、厳密なオルト組成のみならず、その近傍の組成をも含むものである。具体的には、オルト組成のアニオン構造(PS 3−構造、SiS 4−構造、GeS 4−構造、AlS 3−構造、BS 3−構造)を主体とすることをいう。オルト組成のアニオン構造の割合は、イオン伝導体における全アニオン構造に対して、60mol%以上であることが好ましく、70mol%以上であることがより好ましく、80mol%以上であることがさらに好ましく、90mol%以上であることが特に好ましい。なお、オルト組成のアニオン構造の割合は、ラマン分光法、NMR、XPS等により決定することができる。 Here, “having an ortho composition” includes not only a strict ortho composition but also a composition in the vicinity thereof. Specifically, the main component is an anion structure having an ortho composition (PS 4 3− structure, SiS 4 4− structure, GeS 4 4− structure, AlS 3 3− structure, BS 3 3− structure). The ratio of the anion structure of the ortho composition is preferably 60 mol% or more, more preferably 70 mol% or more, still more preferably 80 mol% or more, based on the total anion structure in the ion conductor, 90 mol % Or more is particularly preferable. The ratio of the anion structure of the ortho composition can be determined by Raman spectroscopy, NMR, XPS, or the like.

本発明により得られる硫化物固体電解質材料は、LiSを実質的に含有しないことが好ましい。硫化水素発生量の少ない硫化物固体電解質材料とすることができるからである。LiSは水と反応することで、硫化水素が発生する。例えば、原料組成物に含まれるLiSの割合が大きいと、LiSが残存しやすい。「LiSを実質的に含有しない」ことは、CuKα線を用いたX線回折により確認することができる。具体的には、LiSのピーク(2θ=27.0°、31.2°、44.8°、53.1°)を有しない場合は、LiSを実質的に含有しないと判断することができる。 It is preferable that the sulfide solid electrolyte material obtained by the present invention does not substantially contain Li 2 S. It is because it can be set as the sulfide solid electrolyte material with little hydrogen sulfide generation amount. Li 2 S reacts with water to generate hydrogen sulfide. For example, when the proportion of Li 2 S contained in the raw material composition is large, Li 2 S tends to remain. “Substantially free of Li 2 S” can be confirmed by X-ray diffraction using CuKα rays. Specifically, when it does not have a Li 2 S peak (2θ = 27.0 °, 31.2 °, 44.8 °, 53.1 °), it is determined that it does not substantially contain Li 2 S. can do.

また、上記硫化物固体電解質材料は、架橋硫黄を実質的に含有しないことが好ましい。硫化水素発生量の少ない硫化物固体電解質材料とすることができるからである。「架橋硫黄」とは、LiSと上記Aの硫化物とが反応してなる化合物における架橋硫黄をいう。例えば、LiSおよびPが反応してなるSP−S−PS構造の架橋硫黄が該当する。このような架橋硫黄は、水と反応しやすく、硫化水素が発生しやすい。さらに、「架橋硫黄を実質的に含有しない」ことは、ラマン分光スペクトルの測定により、確認することができる。例えば、LiS−P系の硫化物固体電解質材料の場合、SP−S−PS構造のピークが、通常402cm−1に表れる。そのため、このピークが検出されないことが好ましい。また、PS 3−構造のピークは、通常417cm−1に表れる。本発明においては、402cm−1における強度I402が、417cm−1における強度I417よりも小さいことが好ましい。より具体的には、強度I417に対して、強度I402は、例えば70%以下であることが好ましく、50%以下であることがより好ましく、35%以下であることがさらに好ましい。また、LiS−P系以外の硫化物固体電解質材料についても、架橋硫黄を含有するユニットを特定し、そのユニットのピークを測定することにより、架橋硫黄を実質的に含有していないことを判断することができる。 Moreover, it is preferable that the said sulfide solid electrolyte material does not contain bridge | crosslinking sulfur substantially. It is because it can be set as the sulfide solid electrolyte material with little hydrogen sulfide generation amount. “Bridged sulfur” refers to bridged sulfur in a compound obtained by reacting Li 2 S with the sulfide of A described above. For example, Li 2 S and P 2 S 5 is bridging sulfur reactions to become S 3 PS-PS 3 structure corresponds. Such bridging sulfur easily reacts with water and easily generates hydrogen sulfide. Furthermore, “substantially free of bridging sulfur” can be confirmed by measurement of a Raman spectrum. For example, in the case of a Li 2 S—P 2 S 5 sulfide solid electrolyte material, the peak of the S 3 P—S—PS 3 structure usually appears at 402 cm −1 . Therefore, it is preferable that this peak is not detected. Moreover, the peak of PS 4 3− structure usually appears at 417 cm −1 . In the present invention, the intensity I 402 at 402 cm -1 is preferably smaller than the intensity I 417 at 417 cm -1. More specifically, the strength I 402 is preferably 70% or less, more preferably 50% or less, and even more preferably 35% or less with respect to the strength I 417 . As for the sulfide solid electrolyte material other than Li 2 S-P 2 S 5 based, to identify the unit containing the crosslinking sulfur, by measuring the peak of the unit, are substantially free of bridging sulfur It can be judged that there is no.

また、LiS−P系の硫化物固体電解質材料の場合、オルト組成を得るLiSおよびPの割合は、モル基準で、LiS:P=75:25である。LiS−Al系の硫化物固体電解質材料の場合、LiS−B系の硫化物固体電解質材料の場合も同様である。一方、LiS−SiS系の硫化物固体電解質材料の場合、オルト組成を得るLiSおよびSiSの割合は、モル基準で、LiS:SiS=66.7:33.3である。LiS−GeS系の硫化物固体電解質材料の場合も同様である。 In the case of a Li 2 S—P 2 S 5 -based sulfide solid electrolyte material, the ratio of Li 2 S and P 2 S 5 to obtain the ortho composition is Li 2 S: P 2 S 5 = 75 on a molar basis. : 25. The same applies to the Li 2 S—Al 2 S 3 -based sulfide solid electrolyte material and the Li 2 S—B 2 S 3 -based sulfide solid electrolyte material. On the other hand, in the case of a Li 2 S—SiS 2 -based sulfide solid electrolyte material, the ratio of Li 2 S and SiS 2 to obtain the ortho composition is Li 2 S: SiS 2 = 66.7: 33.3 on a molar basis. It is. The same applies to the case of a Li 2 S—GeS 2 -based sulfide solid electrolyte material.

また、上記硫化物固体電解質材料におけるLiXの割合は、高Liイオン伝導性結晶相を有するガラスセラミックスであれば特に限定されるものではないが、例えば13mol%より多く30mol%よりも少ないことが好ましく、中でも、15mol%〜25mol%の範囲内であることが好ましい。   Further, the ratio of LiX in the sulfide solid electrolyte material is not particularly limited as long as it is a glass ceramic having a high Li ion conductive crystal phase. For example, it is preferably more than 13 mol% and less than 30 mol%. Especially, it is preferable that it exists in the range of 15 mol%-25 mol%.

本発明により得られる硫化物固体電解質材料の形状としては、例えば粒子状を挙げることができる。粒子状の硫化物固体電解質材料の平均粒径(D50)は、例えば、0.1μm〜50μmの範囲内であることが好ましい。また、上記硫化物固体電解質材料は、Liイオン伝導度が高いことが好ましく、常温におけるLiイオン伝導度は、例えば1×10−4S/cm以上であることが好ましく、1×10−3S/cm以上であることがより好ましい。 Examples of the shape of the sulfide solid electrolyte material obtained by the present invention include particles. The average particle diameter (D 50 ) of the particulate sulfide solid electrolyte material is preferably in the range of 0.1 μm to 50 μm, for example. The sulfide solid electrolyte material preferably has a high Li ion conductivity, and the Li ion conductivity at room temperature is preferably 1 × 10 −4 S / cm or more, for example, 1 × 10 −3 S. / Cm or more is more preferable.

本発明により得られる硫化物固体電解質材料はガラスセラミックスであるため、硫化物ガラスに比べて耐熱性が高いという利点を有する。例えば従来の製造方法として、LiS−P系の硫化物ガラスにLiIをドープすることで、Liイオン伝導度をより高くできる。しかしながら、LiIをドープすると、硫化物ガラスの結晶化温度が低下する場合がある。結晶化温度が低い硫化物ガラスを、例えば電池に用いた場合、電池の温度が硫化物ガラスの結晶化温度以上に達すると、硫化物ガラスの結晶化に伴う発熱が生じ、その結果、電池を構成する各材料の変質(劣化)が生じたり、電池ケース等の破損が生じたりするという問題がある。これに対して、本発明では、予め結晶化させたガラスセラミックスとすることで、結晶化に伴う発熱の悪影響を防止することができる。さらに、電池の冷却機構および安全機構の簡略化を図れるという利点もある。 Since the sulfide solid electrolyte material obtained by the present invention is a glass ceramic, it has an advantage of higher heat resistance than sulfide glass. For example, as a conventional manufacturing method, Li ion conductivity can be further increased by doping LiI into Li 2 S—P 2 S 5 -based sulfide glass. However, when LiI is doped, the crystallization temperature of sulfide glass may decrease. When sulfide glass having a low crystallization temperature is used for a battery, for example, when the battery temperature reaches or exceeds the crystallization temperature of sulfide glass, heat is generated due to crystallization of the sulfide glass. There are problems in that each material constituting the material is altered (deteriorated) or the battery case or the like is damaged. On the other hand, in this invention, the bad influence of the heat_generation | fever accompanying crystallization can be prevented by setting it as the glass ceramic crystallized previously. Further, there is an advantage that the battery cooling mechanism and the safety mechanism can be simplified.

本発明により得られる硫化物固体電解質材料は、Liイオン伝導度を必要とする任意の用途に用いることができる。中でも、上記硫化物固体電解質材料は、電池に用いられるものであることが好ましい。   The sulfide solid electrolyte material obtained by the present invention can be used for any application requiring Li ion conductivity. Especially, it is preferable that the said sulfide solid electrolyte material is what is used for a battery.

B.リチウム固体電池の製造方法
次に、リチウム固体電池の製造方法について説明する。本発明のリチウム固体電池の製造方法は、正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された固体電解質層と、を有するリチウム固体電池の製造方法であって、上記正極活物質層、上記負極活物質層および上記固体電解質層の少なくとも一つが、上述の製造方法により得られた硫化物固体電解質材料を用いて形成されたものであることを特徴とするものである。
B. Next, a method for manufacturing a lithium solid state battery will be described. The method for producing a lithium solid state battery of the present invention is formed between a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. And a solid state electrolyte layer, wherein at least one of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the solid electrolyte layer is obtained by the above-described production method. It is formed using a solid electrolyte material.

本発明によれば、上述した製造方法により得られた硫化物固体電解質材料を用いることにより、Liイオン伝導度の高いリチウム固体電池とすることができ、電池の高出力化を図ることができる。
本発明のリチウム固体電池の製造方法は、固体電解質層形成工程、正極活物質層形成工程および負極活物質層形成工程を少なくとも有するものである。
以下、本発明のリチウム固体電池の製造方法について、工程ごとに説明する。
According to the present invention, by using the sulfide solid electrolyte material obtained by the manufacturing method described above, a lithium solid battery having high Li ion conductivity can be obtained, and the output of the battery can be increased.
The method for producing a lithium solid state battery of the present invention includes at least a solid electrolyte layer forming step, a positive electrode active material layer forming step, and a negative electrode active material layer forming step.
Hereafter, the manufacturing method of the lithium solid battery of this invention is demonstrated for every process.

1.固体電解質層形成工程
本発明における固体電解質層形成工程は、後述する正極活物質層および負極活物質層の間に形成される層であり、少なくとも固体電解質材料を含有する層を形成する工程である。
1. Solid electrolyte layer forming step The solid electrolyte layer forming step in the present invention is a layer formed between a positive electrode active material layer and a negative electrode active material layer, which will be described later, and is a step of forming a layer containing at least a solid electrolyte material. .

(1)固体電解質材料
本工程で用いられる固体電解質材料は、Liイオン伝導度を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、硫化物固体電解質材料、酸化物固体電解質材料等を挙げることができる。硫化物固体電解質材料は、酸化物固体電解質材料に比べて、イオン伝導度が高いものが多い点で好ましく、酸化物固体電解質材料は、硫化物固体電解質材料に比べて、化学的安定性が高い点で好ましい。
また、上記固体電解質材料は、非晶質材料であっても良く、結晶性材料であっても良い。非晶質材料は、例えば、原料組成物に対してメカニカルミリング法または溶融急冷法を適用することで得ることができる。結晶性材料は、例えば原料組成物に対して固相法を適用することで得ることができる。
中でも、本工程において用いられる上記固体電解質材料としては、上述した「A.硫化物固体電解質材料の製造方法」の項で説明した硫化物固体電解質材料であることが好ましい。
(1) Solid electrolyte material The solid electrolyte material used in this step is not particularly limited as long as it has Li ion conductivity, and examples thereof include a sulfide solid electrolyte material and an oxide solid electrolyte material. be able to. The sulfide solid electrolyte material is preferable in that it has a higher ionic conductivity than the oxide solid electrolyte material, and the oxide solid electrolyte material has higher chemical stability than the sulfide solid electrolyte material. This is preferable.
The solid electrolyte material may be an amorphous material or a crystalline material. The amorphous material can be obtained, for example, by applying a mechanical milling method or a melt quenching method to the raw material composition. The crystalline material can be obtained, for example, by applying a solid phase method to the raw material composition.
Among these, the solid electrolyte material used in this step is preferably the sulfide solid electrolyte material described in the above-mentioned section “A. Method for producing sulfide solid electrolyte material”.

上記硫化物固体電解質材料の含有量は、所望の絶縁性が得られる割合であれば特に限定されるものではないが、例えば、10体積%〜100体積%の範囲内、中でも、50体積%〜100体積%の範囲内であることが好ましい。特に、本発明においては、固体電解質層が上記硫化物固体電解質材料のみから構成されていることが好ましい。   The content of the sulfide solid electrolyte material is not particularly limited as long as a desired insulating property is obtained. For example, the content is in the range of 10% by volume to 100% by volume. It is preferable to be within the range of 100% by volume. In particular, in the present invention, it is preferable that the solid electrolyte layer is composed only of the sulfide solid electrolyte material.

(2)その他の材料
本工程で形成される固体電解質層は、上記固体電解質材料の他に結着材を含有していても良い。結着材を含有することにより、可撓性を有する固体電解質層を得ることができるからである。結着材としては、例えば、PTFE、PVDF等のフッ素含有結着材を挙げることができる。
(2) Other materials The solid electrolyte layer formed in this step may contain a binder in addition to the solid electrolyte material. This is because a solid electrolyte layer having flexibility can be obtained by containing a binder. Examples of the binder include fluorine-containing binders such as PTFE and PVDF.

(3)固体電解質層形成工程
本工程における固体電解質層の形成方法としては、例えば、プレス法等を挙げることができる。また、本工程で形成される固体電解質層の厚さは、例えば、0.1μm〜1000μmの範囲内、中でも、0.1μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。
(3) Solid electrolyte layer formation process As a formation method of the solid electrolyte layer in this process, the press method etc. can be mentioned, for example. In addition, the thickness of the solid electrolyte layer formed in this step is, for example, preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, and more preferably in the range of 0.1 μm to 300 μm.

2.正極活物質層形成工程
本発明における正極活物質層形成工程は、少なくとも正極活物質を含有する正極活物質層を形成する工程である。
2. Positive electrode active material layer forming step The positive electrode active material layer forming step in the present invention is a step of forming a positive electrode active material layer containing at least a positive electrode active material.

(1)正極活物質
本工程で用いられる正極活物質としては、特に限定されるものではないが、例えば、LiCoO、LiMnO、LiNiO、LiVO、LiNi1/3Co1/3Mn1/3等の岩塩層状型活物質、LiMn、Li(Ni0.5Mn1.5)O等のスピネル型活物質、LiFePO、LiMnPO、LiNiPO、LiCuPO等のオリビン型活物質等を挙げることができる。また、LiFeSiO、LiMnSiO等のSi含有酸化物を正極活物質として用いても良い。
(1) Positive electrode active material The positive electrode active material used in this step is not particularly limited. For example, LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1 / 3 O 2 rock salt layered type active material, LiMn 2 O 4 , spinel type active material such as Li (Ni 0.5 Mn 1.5 ) O 4 , LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , LiCuPO 4, etc. An olivine type active material etc. can be mentioned. Si-containing oxides such as Li 2 FeSiO 4 and Li 2 MnSiO 4 may be used as the positive electrode active material.

本工程で用いられる正極活物質の形状としては、例えば粒子形状を挙げることができ、中でも真球状または楕円球状であることが好ましい。また、正極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径は、例えば0.1μm〜50μmの範囲内であることが好ましい。また、本工程で形成される正極活物質層における正極活物質の含有量は、例えば10体積%〜99体積%の範囲内であることが好ましく、20体積%〜99体積%の範囲内であることがより好ましい。   Examples of the shape of the positive electrode active material used in this step include a particle shape, and among them, a true spherical shape or an elliptical spherical shape is preferable. Moreover, when a positive electrode active material is a particle shape, it is preferable that the average particle diameter exists in the range of 0.1 micrometer-50 micrometers, for example. Further, the content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer formed in this step is preferably in the range of 10% by volume to 99% by volume, for example, in the range of 20% by volume to 99% by volume. It is more preferable.

(2)その他の材料
本工程で形成される正極活物質層は、上述した正極活物質の他に、固体電解質材料を含有することが好ましい。正極活物質と固体電解質材料とが接し、正極活物質層のイオン伝導度を向上することができるからである。
本工程で用いられる固体電解質材料としては、上述した「1.固体電解質層形成工程」の項で説明した材料と同様のものを用いることができるが、中でも、上述した「A.硫化物固体電解質材料の製造方法」の項で説明した硫化物固体電解質材料であることが好ましい。
なお、硫化物固体電解質材料についての詳細な説明については、上述した「A.硫化物固体電解質材料の製造方法」の項で説明した内容と同様であるため、ここでの説明は省略する。
(2) Other materials The positive electrode active material layer formed in this step preferably contains a solid electrolyte material in addition to the positive electrode active material described above. This is because the positive electrode active material is in contact with the solid electrolyte material, and the ionic conductivity of the positive electrode active material layer can be improved.
As the solid electrolyte material used in this step, the same materials as those described in the above-mentioned section “1. Solid electrolyte layer forming step” can be used. The sulfide solid electrolyte material described in the section “Material production method” is preferable.
The detailed description of the sulfide solid electrolyte material is the same as the content described in the above-mentioned section “A. Method for producing sulfide solid electrolyte material”, and thus the description thereof is omitted here.

上記硫化物固体電解質材料の含有量は、例えば、形成される正極活物質層に対して0.1体積%〜80体積%の範囲内、中でも、1体積%〜60体積%の範囲内、特に、10体積%〜50体積%の範囲内であることが好ましい。   The content of the sulfide solid electrolyte material is, for example, in the range of 0.1% by volume to 80% by volume, particularly in the range of 1% by volume to 60% by volume, in particular, with respect to the positive electrode active material layer to be formed. It is preferably within the range of 10% by volume to 50% by volume.

また、本工程で形成される正極活物質層は、上述した正極活物質および固体電解質材料の他に、導電化材および結着材の少なくとも一つをさらに含有していても良い。導電化材としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンファイバー等を挙げることができる。結着材としては、上述した「1.固体電解質層形成工程」の項で説明した材料と同様のものを用いることができる。   The positive electrode active material layer formed in this step may further contain at least one of a conductive material and a binder in addition to the positive electrode active material and the solid electrolyte material described above. Examples of the conductive material include acetylene black, ketjen black, and carbon fiber. As the binder, the same materials as those described in the above-mentioned section “1. Solid electrolyte layer forming step” can be used.

(3)正極活物質層形成工程
本工程における正極活物質層の形成方法としては、固体電解質層上または正極集電体上に上記材料を有する正極活物質層を形成することができる方法であれば特に限定されるものではなく、例えば、プレス法、スパッタリング法、PVD法、CVD法、電解めっき法、無電解めっき法等を用いることができる。
また、本工程で形成される正極活物質層の厚さは、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。
(3) Positive electrode active material layer forming step The positive electrode active material layer forming method in this step may be a method capable of forming a positive electrode active material layer having the above material on a solid electrolyte layer or a positive electrode current collector. For example, a press method, a sputtering method, a PVD method, a CVD method, an electrolytic plating method, an electroless plating method, or the like can be used.
Moreover, it is preferable that the thickness of the positive electrode active material layer formed at this process exists in the range of 0.1 micrometer-1000 micrometers, for example.

本工程で形成される正極活物質層に含まれる固体電解質材料が、オルト組成を有するイオン伝導体を有し、且つ、LiIを用いてなる硫化物固体電解質材料である場合、上記正極活物質は、2.8V(vs Li)以上の電位を有することが好ましく、3.0V(vs Li)以上の電位を有することがより好ましい。
従来、LiIは、2.8V付近で分解すると考えられていたため、LiIを有する硫化物固体電解質材料を正極活物質層に用いてこなかった。これに対して、上述した硫化物固体電解質材料は、オルト組成を有するイオン伝導体を有するため、LiIがイオン伝導体との相互作用により安定化し、LiIの酸化分解を抑制できると考えられる。
When the solid electrolyte material contained in the positive electrode active material layer formed in this step is a sulfide solid electrolyte material having an ionic conductor having an ortho composition and using LiI, the positive electrode active material is It preferably has a potential of 2.8 V (vs Li) or higher, and more preferably has a potential of 3.0 V (vs Li) or higher.
Conventionally, since LiI was considered to decompose near 2.8 V, a sulfide solid electrolyte material having LiI has not been used for the positive electrode active material layer. On the other hand, since the above-described sulfide solid electrolyte material has an ionic conductor having an ortho composition, it is considered that LiI is stabilized by interaction with the ionic conductor and oxidative decomposition of LiI can be suppressed.

3.負極活物質層形成工程
本発明における負極活物質形成工程は、少なくとも負極活物質を含有する負極活物質層を形成する工程である。
3. Negative electrode active material layer forming step The negative electrode active material forming step in the present invention is a step of forming a negative electrode active material layer containing at least a negative electrode active material.

(1)負極活物質
本工程で用いられる負極活物質としては、例えば、金属活物質およびカーボン活物質を挙げることができる。金属活物質としては、例えば、In、Al、SiおよびSn等を挙げることができる。一方、カーボン活物質としては、例えば、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。また、本工程で形成される負極活物質層における負極活物質の含有量は、例えば10体積%〜99体積%の範囲内であることが好ましく、20体積%〜99体積%の範囲内であることがより好ましい。なお、導電化材および結着材については、上述した正極活物質層に用いられるものと同様である。負極活物質層の厚さは、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。
(1) Negative electrode active material As a negative electrode active material used at this process, a metal active material and a carbon active material can be mentioned, for example. Examples of the metal active material include In, Al, Si, and Sn. On the other hand, examples of the carbon active material include mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), hard carbon, and soft carbon. Further, the content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer formed in this step is preferably in the range of, for example, 10% by volume to 99% by volume, and in the range of 20% by volume to 99% by volume. It is more preferable. The conductive material and the binder are the same as those used for the positive electrode active material layer described above. The thickness of the negative electrode active material layer is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, for example.

(2)その他の材料
本工程で形成される負極活物質層は、上述した負極活物質の他に、固体電解質材料を含有することが好ましい。負極活物質と固体電解質材料とが接し、負極活物質層のイオン伝導度を向上することができるからである。
本工程で用いられる固体電解質材料としては、上述した「1.固体電解質層形成工程」の項で説明した材料と同様のものを用いることができるが、中でも、上述した「A.硫化物固体電解質材料の製造方法」の項で説明した硫化物固体電解質材料であることが好ましい。なお、硫化物固体電解質材料についての詳細な説明については、上述した「A.硫化物固体電解質材料の製造方法」の項で説明した内容と同様であるため、ここでの説明は省略する。
(2) Other materials The negative electrode active material layer formed in this step preferably contains a solid electrolyte material in addition to the negative electrode active material described above. This is because the negative electrode active material and the solid electrolyte material are in contact with each other, and the ionic conductivity of the negative electrode active material layer can be improved.
As the solid electrolyte material used in this step, the same materials as those described in the above-mentioned section “1. Solid electrolyte layer forming step” can be used. The sulfide solid electrolyte material described in the section “Material production method” is preferable. The detailed description of the sulfide solid electrolyte material is the same as the content described in the above-mentioned section “A. Method for producing sulfide solid electrolyte material”, and thus the description thereof is omitted here.

上記硫化物固体電解質材料の含有量は、例えば、形成される負極活物質層に対して0.1体積%〜80体積%の範囲内、中でも、1体積%〜60体積%の範囲内、特に、10体積%〜50体積%の範囲内であることが好ましい。   The content of the sulfide solid electrolyte material is, for example, in the range of 0.1% by volume to 80% by volume, particularly in the range of 1% by volume to 60% by volume, in particular, with respect to the negative electrode active material layer to be formed. It is preferably within the range of 10% by volume to 50% by volume.

また、本工程で形成される負極活物質層は、上述した負極活物質および固体電解質材料の他に、導電化材および結着材の少なくとも一つをさらに含有していても良い。導電化材としては、上述した「B.リチウム固体電池の製造方法 2.正極活物質層形成工程 (2)その他の材料」の項で説明した材料と同様のもの用いることができ、また、結着材としては、上述した「B.リチウム固体電池の製造方法 1.固体電解質層形成工程」の項で説明した材料と同様のものを用いることができる。   The negative electrode active material layer formed in this step may further contain at least one of a conductive material and a binder in addition to the negative electrode active material and the solid electrolyte material described above. As the conductive material, the same materials as those described in the above-mentioned section “B. Manufacturing method of lithium solid battery 2. Positive electrode active material layer forming step (2) Other materials” can be used. As the depositing material, the same materials as those described in the above-mentioned section “B. Manufacturing method of lithium solid battery 1. Solid electrolyte layer forming step” can be used.

(3)負極活物質層形成工程
本工程における負極活物質層の形成方法としては、固体電解質層上または負極集電体上に上記材料を有する負極活物質層を形成することができる方法であれば特に限定されるものではなく、例えば、プレス法、スパッタリング法、PVD法、CVD法、電解めっき法、無電解めっき法等を用いることができる。
また、本工程で形成される負極活物質層の厚さは、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。
(3) Negative electrode active material layer forming step The negative electrode active material layer forming method in this step may be a method capable of forming a negative electrode active material layer having the above material on a solid electrolyte layer or a negative electrode current collector. For example, a press method, a sputtering method, a PVD method, a CVD method, an electrolytic plating method, an electroless plating method, or the like can be used.
Moreover, it is preferable that the thickness of the negative electrode active material layer formed at this process exists in the range of 0.1 micrometer-1000 micrometers, for example.

4.その他の工程
本発明においては、上述した工程の他に、正極活物質層の表面上に正極集電体を配置する工程、負極活物質層の表面上に負極集電体を配置する工程、発電要素を電池ケースに収納する工程等を有していても良い。
正極集電体の材料としては、例えば、SUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができ、中でも、SUSが好ましい。一方、負極集電体の材料としては、例えば、SUS、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができ、中でも、SUSが好ましい。
また、正極集電体および負極集電体の厚さや形状等については、リチウム固体電池の用途等に応じて適宜選択することが好ましい。また、本発明に用いられる電池ケースには、一般的なリチウム固体電池の電池ケースを用いることができ、例えば、SUS製電池ケース等を挙げることができる。
4). Other Steps In the present invention, in addition to the steps described above, a step of disposing a positive electrode current collector on the surface of the positive electrode active material layer, a step of disposing a negative electrode current collector on the surface of the negative electrode active material layer, power generation You may have the process of accommodating an element in a battery case.
Examples of the material for the positive electrode current collector include SUS, aluminum, nickel, iron, titanium, and carbon. Among them, SUS is preferable. On the other hand, examples of the material for the negative electrode current collector include SUS, copper, nickel, and carbon. Among them, SUS is preferable.
In addition, the thickness and shape of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are preferably appropriately selected according to the use of the lithium solid state battery. Moreover, the battery case used for this invention can use the battery case of a common lithium solid battery, for example, the battery case made from SUS etc. can be mentioned.

5.リチウム固体電池
本発明のリチウム固体電池の製造方法により得られるリチウム固体電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも、二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば、車載用電池として有用だからである。さらに、本発明により得られるリチウム固体電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。
5. Lithium Solid Battery The lithium solid battery obtained by the method for producing a lithium solid battery of the present invention may be a primary battery or a secondary battery, but among them, a secondary battery is preferable. This is because it can be repeatedly charged and discharged and is useful, for example, as a vehicle-mounted battery. Furthermore, examples of the shape of the lithium solid state battery obtained by the present invention include a coin type, a laminate type, a cylindrical type, and a square type.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

以下に実施例および比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、特段の断りがない限り、秤量、合成、乾燥等の各操作は、Ar雰囲気下で行った。   The present invention will be described more specifically with reference to the following examples and comparative examples. Unless otherwise specified, each operation such as weighing, synthesis, and drying was performed in an Ar atmosphere.

[実施例1]
(非晶質化工程)
出発原料として、硫化リチウム(LiS、日本化学工業社製)、五硫化二リン(P、アルドリッチ社製)およびヨウ化リチウム(LiI、アルドリッチ社製)を用いた。次に、LiSを0.606g、Pを0.978g、LiIを0.416g秤量し、メノウ乳鉢で5分間混合した。得られた混合物2gを遊星型ボールミルの容器(45cc、ZrO製)に投入し、脱水ヘプタン(水分量30ppm以下、4g)を投入し、さらにZrOボール(φ=5mm、53g)を投入し、容器を完全に密閉した。この容器を遊星型ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、台盤回転数500rpmで、20時間メカニカルミリングを行った。その後、100℃で乾燥することによりヘプタンを除去し、硫化物ガラスを得た。
[Example 1]
(Amorphization process)
As starting materials, lithium sulfide (Li 2 S, manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.), diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 , manufactured by Aldrich) and lithium iodide (LiI, manufactured by Aldrich) were used. Next, 0.606 g of Li 2 S, 0.978 g of P 2 S 5 and 0.416 g of LiI were weighed and mixed for 5 minutes in an agate mortar. 2 g of the obtained mixture is put into a planetary ball mill container (45 cc, made of ZrO 2 ), dehydrated heptane (moisture content of 30 ppm or less, 4 g) is added, and further ZrO 2 balls (φ = 5 mm, 53 g) are added. The container was completely sealed. This container was attached to a planetary ball mill (P7 made by Fritsch), and mechanical milling was performed for 20 hours at a base plate rotation speed of 500 rpm. Then, heptane was removed by drying at 100 ° C. to obtain a sulfide glass.

(合成工程)
上記非晶質化工程により得られた硫化物ガラス1gを石英管の中に入れた後、真空封入した。その石英管を卓上マッフル炉に入れて、185℃で3時間熱処理を行い、サンプルを得た。
(Synthesis process)
1 g of the sulfide glass obtained by the above amorphization process was placed in a quartz tube and then vacuum-sealed. The quartz tube was placed in a tabletop muffle furnace and heat treated at 185 ° C. for 3 hours to obtain a sample.

上記熱処理後、上記サンプルが入った石英管を大気中、室温で冷却処理(空冷)を行い、結晶化して、ガラスセラミックスを得た。得られたガラスセラミックスのモル組成は、xLiI・(100−x)(0.75LiS・0.25P)においてx=15に該当した。なお、この時の空冷の冷却速度は1K・s−1〜10K・s−1であり、冷却時間は10分であった。 After the heat treatment, the quartz tube containing the sample was subjected to a cooling treatment (air cooling) at room temperature in the atmosphere and crystallized to obtain glass ceramics. The molar composition of the obtained glass ceramics corresponded to x = 15 in xLiI · (100−x) (0.75Li 2 S · 0.25P 2 S 5 ). The cooling rate of air cooling at this time was 1K · s -1 ~10K · s -1 , cooling time was 10 minutes.

[実施例2]
冷却処理において、上記サンプルが入った石英管ごと水中に投入して冷却処理(水冷)を行ったこと以外は、実施例1と同様にしてガラスセラミックスを得た。得られたガラスセラミックスのモル組成は、xLiI・(100−x)(0.75LiS・0.25P)においてx=15に該当した。なお、この時の水冷の冷却速度は10K・s−1〜10K・s−1であり、冷却時間は3秒(0.05分)であった。
[Example 2]
In the cooling treatment, glass ceramics were obtained in the same manner as in Example 1 except that the quartz tube containing the sample was put into water and subjected to a cooling treatment (water cooling). The molar composition of the obtained glass ceramics corresponded to x = 15 in xLiI · (100−x) (0.75Li 2 S · 0.25P 2 S 5 ). The cooling rate of water cooling at this time was 10 K · s −1 to 10 2 K · s −1 , and the cooling time was 3 seconds (0.05 minutes).

[比較例1]
硫化物ガラス1gを石英管の中に入れた後、Ar雰囲気を充填させたSUS製の熱処理容器中に密閉し卓上マッフル炉にて熱処理を行い、冷却処理として、上記熱処理容器中のサンプルを卓上マッフル炉内で室温になるまで冷却させたこと以外は、実施例1と同様にしてガラスセラミックスを得た。得られたガラスセラミックスのモル組成は、xLiI・(100−x)(0.75LiS・0.25P)においてx=15に該当した。なお、この時の炉内放冷における冷却速度は約10−2K・S−1であり、冷却時間は60分であった。
[Comparative Example 1]
After putting 1 g of sulfide glass into a quartz tube, it is sealed in a heat treatment vessel made of SUS filled with Ar atmosphere and heat-treated in a desktop muffle furnace, and the sample in the heat treatment vessel is placed on the table as a cooling treatment. A glass ceramic was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was cooled to room temperature in a muffle furnace. The molar composition of the obtained glass ceramics corresponded to x = 15 in xLiI · (100−x) (0.75Li 2 S · 0.25P 2 S 5 ). In addition, the cooling rate in the furnace cooling at this time was about 10 −2 K · S −1 , and the cooling time was 60 minutes.

[比較例2]
実施例1の非晶質化工程で得られた硫化物ガラスに対し合成工程を行わずに、上記硫化物ガラスを比較用サンプルとした。
[Comparative Example 2]
The above-mentioned sulfide glass was used as a comparative sample without performing the synthesis step on the sulfide glass obtained in the amorphization step of Example 1.

実施例1〜2および比較例1〜2における、加熱温度および冷却方法の違いによる冷却速度をまとめたものを、表1に示す。   Table 1 shows a summary of cooling rates according to differences in heating temperature and cooling method in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2.

Figure 2014038755
Figure 2014038755

[評価1]
(XRD測定)
実施例1〜2および比較例1〜2で得られた評価用サンプルに対して、XRD装置(Rigaku製、RINT−UltimaIII)を用いて粉末XRD測定を行った。なお、上記測定は、ドーム上の冶具中に評価用サンプルを配置して、Arガスの不活性雰囲気下で2θ=10°〜60°の範囲で測定した。その結果を図2に示す。
図2に示すように、炉内放冷よりも空冷または水冷で冷却処理を行うことにより、2θ=20.2°および23.6°において出現するピークの強度が高くなっている。このことから、所定の冷却速度とすることにより、高Liイオン伝導性結晶相から安定相もしくはガラスへの相転移が抑制され、高Liイオン伝導性結晶相の結晶性(割合)が向上したものと考えられる。
[Evaluation 1]
(XRD measurement)
Powder XRD measurement was performed on the samples for evaluation obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 using an XRD apparatus (Rigaku, RINT-UltimaIII). In addition, the said measurement measured the sample for evaluation in the jig on a dome, and measured it in the range of 2 (theta) = 10 degrees-60 degrees under the inert atmosphere of Ar gas. The result is shown in FIG.
As shown in FIG. 2, the intensity of the peaks appearing at 2θ = 20.2 ° and 23.6 ° is increased by performing the cooling process by air cooling or water cooling rather than cooling in the furnace. From this, by setting a predetermined cooling rate, the phase transition from the high Li ion conductive crystal phase to the stable phase or glass is suppressed, and the crystallinity (ratio) of the high Li ion conductive crystal phase is improved. it is conceivable that.

(Liイオン伝導度測定)
実施例1〜2および比較例1〜2で得られた評価用サンプルに対して、交流インピーダンス法によるLiイオン伝導度(常温)の測定を行った。Liイオン伝導度の測定は以下のように行った。まず、各実施例および比較例で合成されたガラスセラミックスの粉末または硫化物ガラスの粉末を4.3ton/cmの圧力でコールドプレスすることで、φ=11.29mm、厚さ約500μmのペレットを作製した。次に、ペレットを、Arガスで充填した不活性雰囲気の容器内に設置して測定を行った。測定には、東陽テクニカ社製のソーラトロン(SI1260)を用いた。また、恒温槽で測定温度を25℃に調整した。その結果を図3に示す。
図3から、所定の冷却速度で冷却処理を行った実施例1および2のガラスセラミックスは、放冷により冷却処理を行った比較例1のガラスセラミックスや、合成工程を行わなかった比較例2の硫化物ガラスと比較して、高いLiイオン伝導度を示した。
(Li ion conductivity measurement)
For the samples for evaluation obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, Li ion conductivity (normal temperature) was measured by the AC impedance method. Li ion conductivity was measured as follows. First, the glass ceramic powder or sulfide glass powder synthesized in each Example and Comparative Example was cold-pressed at a pressure of 4.3 ton / cm 2 to obtain a pellet of φ = 11.99 mm and a thickness of about 500 μm. Was made. Next, the pellets were placed in an inert atmosphere container filled with Ar gas, and measurement was performed. For the measurement, Solartron (SI1260) manufactured by Toyo Corporation was used. Moreover, the measurement temperature was adjusted to 25 ° C. in a thermostatic bath. The result is shown in FIG.
From FIG. 3, the glass ceramics of Examples 1 and 2 subjected to the cooling treatment at a predetermined cooling rate are the glass ceramics of Comparative Example 1 subjected to the cooling treatment by cooling, and those of Comparative Example 2 where the synthesis process was not performed. Compared with sulfide glass, it showed high Li ion conductivity.

[参考例A1]
出発原料として、硫化リチウム(LiS、日本化学工業社製)、五硫化二リン(P、アルドリッチ社製)およびヨウ化リチウム(LiI、アルドリッチ社製)を用いた。次に、LiSおよびPを、75LiS・25Pのモル比(LiPS、オルト組成)となるように秤量した。次に、LiIの割合が14mol%となるようにLiIを秤量した。秤量した出発原料をメノウ乳鉢で5分間混合し、その混合物2gを遊星型ボールミルの容器(45cc、ZrO製)に投入し、脱水ヘプタン(水分量30ppm以下、4g)を投入し、さらにZrOボール(φ=5mm、53g)を投入し、容器を完全に密閉した。この容器を遊星型ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、台盤回転数500rpmで、40時間メカニカルミリングを行った。その後、100℃で乾燥することによりヘプタンを除去し、硫化物ガラスを得た。
[Reference Example A1]
As starting materials, lithium sulfide (Li 2 S, manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.), diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 , manufactured by Aldrich) and lithium iodide (LiI, manufactured by Aldrich) were used. Next, Li 2 S and P 2 S 5 were weighed so as to have a molar ratio of 75Li 2 S · 25P 2 S 5 (Li 3 PS 4 , ortho composition). Next, LiI was weighed so that the LiI ratio was 14 mol%. The weighed starting materials were mixed in an agate mortar for 5 minutes, 2 g of the mixture was put into a planetary ball mill container (45 cc, made of ZrO 2 ), dehydrated heptane (moisture content of 30 ppm or less, 4 g) was added, and ZrO 2 was further added. A ball (φ = 5 mm, 53 g) was charged, and the container was completely sealed. This container was attached to a planetary ball mill (P7 made by Fritsch), and mechanical milling was performed for 40 hours at a base plate rotation speed of 500 rpm. Then, heptane was removed by drying at 100 ° C. to obtain a sulfide glass.

得られた硫化物ガラス0.5gをガラス管の中に入れ、そのガラス管をSUS製密閉容器に入れた。その密閉容器に対して、190℃で10時間熱処理を行い、ガラスセラミックスを得た。得られたガラスセラミックスのモル組成は、xLiI・(100−x)(0.75LiS・0.25P)においてx=14に該当する。 0.5 g of the obtained sulfide glass was placed in a glass tube, and the glass tube was placed in a SUS sealed container. The sealed container was heat-treated at 190 ° C. for 10 hours to obtain glass ceramics. The molar composition of the obtained glass ceramic corresponds to x = 14 in xLiI · (100−x) (0.75Li 2 S · 0.25P 2 S 5 ).

[参考例A2〜A5]
LiIの割合をxLiI・(100−x)(0.75LiS・0.25P)においてそれぞれx=15、20、24、25となるように変更し、且つ、加熱温度をそれぞれ表2に記載した温度に変更したこと以外は、参考例A1と同様にしてガラスセラミックスを得た。
[Reference Examples A2 to A5]
The ratio of LiI was changed to x = 15, 20 , 24, 25 in xLiI · (100−x) (0.75Li 2 S · 0.25P 2 S 5 ), respectively, and the heating temperature was changed to a table. A glass ceramic was obtained in the same manner as in Reference Example A1, except that the temperature was changed to the temperature described in 2.

[参考例B1〜B4]
LiIの割合をxLiI・(100−x)(0.75LiS・0.25P)においてそれぞれx=0、10、13、30となるように変更し、且つ、加熱温度をそれぞれ表2に記載した温度に変更したこと以外は、参考例A1と同様にしてガラスセラミックスを得た。
[Reference Examples B1 to B4]
The ratio of LiI was changed to x = 0, 10, 13, and 30 in xLiI · (100−x) (0.75Li 2 S · 0.25P 2 S 5 ), respectively, and the heating temperature was expressed respectively. A glass ceramic was obtained in the same manner as in Reference Example A1, except that the temperature was changed to the temperature described in 2.

[参考例B5〜B9]
LiIの割合をxLiI・(100−x)(0.75LiS・0.25P)においてそれぞれx=0、10、20、30、40となるように変更したこと以外は、参考例A1と同様にして硫化物ガラスを得た。その後、熱処理は行わずに、硫化物ガラスを比較用サンプルとした。
[Reference Examples B5 to B9]
Reference examples except that the ratio of LiI was changed to x = 0, 10, 20, 30, 40 in xLiI. (100-x) (0.75Li 2 S.0.25P 2 S 5 ), respectively. A sulfide glass was obtained in the same manner as A1. Then, without performing heat treatment, sulfide glass was used as a comparative sample.

Figure 2014038755
Figure 2014038755

[評価2]
(X線回折測定)
参考例A1〜A5、B2〜B4で得られたガラスセラミックスに対して、CuKα線を用いたX線回折(XRD)測定を行った。XRD測定には、リガク製RINT UltimaIIIを使用した。その結果を図4、図5に示す。図4に示すように、参考例A1〜A5で得られたガラスセラミックスは、2θ=20.2°および23.6°に、高Liイオン伝導性結晶相のピークを有することが確認された。これに対して、図5に示すように、参考例B2〜B4で得られたガラスセラミックスは、高Liイオン伝導性結晶相のピークは確認されず、2θ=21.0°および28.0°の低Liイオン伝導性結晶相のピークしか確認されなかった。また、得られたXRDチャートから、2θ=21.0°に対する2θ=20.2°のピーク強度比(I20.2/I21.0)、および、2θ=21.0°に対する2θ=23.6°のピーク強度比(I23.6/I21.0)を求めた。その結果を表3に示す。なお、参考例A1においては、2θ=21.0°および28.0°のピークが確認されなかったため、上記のピーク強度比は求めていない。
[Evaluation 2]
(X-ray diffraction measurement)
X-ray diffraction (XRD) measurement using CuKα rays was performed on the glass ceramics obtained in Reference Examples A1 to A5 and B2 to B4. For XRD measurement, RINT Ultimate III manufactured by Rigaku was used. The results are shown in FIGS. As shown in FIG. 4, it was confirmed that the glass ceramics obtained in Reference Examples A1 to A5 have peaks of a high Li ion conductive crystal phase at 2θ = 20.2 ° and 23.6 °. On the other hand, as shown in FIG. 5, in the glass ceramics obtained in Reference Examples B2 to B4, the peak of the high Li ion conductive crystal phase was not confirmed, and 2θ = 21.0 ° and 28.0 °. Only the peak of the low Li ion conductive crystal phase was confirmed. Further, from the obtained XRD chart, the peak intensity ratio (I 20.2 / I 21.0 ) of 2θ = 20.2 ° with respect to 2θ = 21.0 ° and 2θ = 23 with respect to 2θ = 21.0 ° A peak intensity ratio (I 23.6 / I 21.0 ) of .6 ° was determined. The results are shown in Table 3. In Reference Example A1, since the peaks at 2θ = 21.0 ° and 28.0 ° were not confirmed, the above peak intensity ratio was not obtained.

Figure 2014038755
Figure 2014038755

(Liイオン伝導度測定)
参考例A1〜A5、参考例B1〜B9で得られたサンプルに対して、交流インピーダンス法によるLiイオン伝導度(常温)の測定を行った。Liイオン伝導度の測定は、コールドプレスの圧力を4ton/cmとしたこと以外は、上述の実施例と同様の方法を用いて測定を行った。その結果を表4および図6に示す。
(Li ion conductivity measurement)
For the samples obtained in Reference Examples A1 to A5 and Reference Examples B1 to B9, Li ion conductivity (normal temperature) was measured by the AC impedance method. Li ion conductivity was measured using the same method as in the above-described example except that the pressure of the cold press was 4 ton / cm 2 . The results are shown in Table 4 and FIG.

Figure 2014038755
Figure 2014038755

表4および図6に示すように、参考例A1〜A5で得られたガラスセラミックスは、いずれも、高いLiイオン伝導度を示した。これは、参考例A1〜A5で得られたサンプルが、2θ=20.2°および23.6°のピークを有する高Liイオン伝導性結晶相を備えるためであると考えられる。また、参考例B1および参考例B5、参考例B2および参考例B6、並びに、参考例B4および参考例B8は、それぞれ、LiIの含有量xが同一である。このように、LiIをドープした硫化物ガラスを熱処理すると、通常は、Liイオン伝導度が低下する。これに対して、参考例A1〜A5で得られた熱処理後のガラスセラミックスでは、硫化物ガラスを熱処理することで、Liイオン伝導度が向上するという異質な挙動を示し、さらに、そのLiイオン伝導度はガラスセラミックスとして極めて高いものであった。   As shown in Table 4 and FIG. 6, the glass ceramics obtained in Reference Examples A1 to A5 all exhibited high Li ion conductivity. This is considered to be because the samples obtained in Reference Examples A1 to A5 have a high Li ion conductive crystal phase having peaks of 2θ = 20.2 ° and 23.6 °. Reference Example B1 and Reference Example B5, Reference Example B2 and Reference Example B6, and Reference Example B4 and Reference Example B8 each have the same LiI content x. Thus, when the sulfide glass doped with LiI is heat-treated, the Li ion conductivity usually decreases. In contrast, the glass ceramics after heat treatment obtained in Reference Examples A1 to A5 exhibit a heterogeneous behavior that Li ion conductivity is improved by heat-treating sulfide glass. The degree was extremely high as glass ceramics.

なお、参考例A2において得られたガラスセラミックスは、上述した実施例1および2において得られたガラスセラミックスと同様に、モル組成がxLiI・(100−x)(0.75LiS・0.25P)においてx=15を示すものである。実施例1および2では、参考例A2と比較して低い加熱温度により短い加熱時間で熱処理を行っているが、得られたガラスセラミックスは、参考例A2のガラスセラミックスと同等のLiイオン伝導度を有することが確認された。
つまり、熱処理後に所定の冷却速度により冷却処理を行ったことにより、高Liイオン伝導性結晶相の結晶性(割合)が向上し、高いLiイオン伝導度を示すガラスセラミックスとなることが解る。
The glass ceramic obtained in Reference Example A2 had a molar composition of xLiI · (100−x) (0.75Li 2 S · 0.25P), similar to the glass ceramic obtained in Examples 1 and 2 described above. 2 S 5 ) indicates x = 15. In Examples 1 and 2, heat treatment was performed at a shorter heating time at a lower heating temperature than in Reference Example A2, but the obtained glass ceramic had Li ion conductivity equivalent to that of the glass ceramic of Reference Example A2. It was confirmed to have.
That is, it can be seen that by performing the cooling treatment at a predetermined cooling rate after the heat treatment, the crystallinity (ratio) of the high Li ion conductive crystal phase is improved, and the glass ceramic exhibits high Li ion conductivity.

Claims (4)

LiS、A(Aは、P、Si、Ge、AlおよびBの少なくとも一種である)の硫化物、およびLiX(Xはハロゲンである)を含有する原料組成物を非晶質化し、硫化物ガラスを合成する非晶質化工程と、
前記硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で加熱し、1K・s−1以上の冷却速度で冷却し、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=20.2°、23.6°にピークを有するガラスセラミックスを合成する合成工程と、
を有し、
前記原料組成物に含まれる前記LiXの割合、および、前記合成工程における加熱温度および加熱時間を、前記ガラスセラミックスが得られるように調整することを特徴とする硫化物固体電解質材料の製造方法。
A raw material composition containing a sulfide of Li 2 S, A (A is at least one of P, Si, Ge, Al, and B) and LiX (X is halogen) is made amorphous and sulfided An amorphization step of synthesizing the glass,
The sulfide glass is heated at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature, cooled at a cooling rate of 1 K · s −1 or higher, and in X-ray diffraction measurement using CuKα rays, 2θ = 20.2 °, 23.6 °. A synthesis step of synthesizing a glass ceramic having a peak at
Have
A method for producing a sulfide solid electrolyte material, wherein the ratio of LiX contained in the raw material composition, and the heating temperature and heating time in the synthesis step are adjusted so that the glass ceramic is obtained.
前記硫化物固体電解質材料に含有されるLiXの割合が、13mol%より多く30mol%よりも少ないことを特徴とする請求項1に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法。   The method for producing a sulfide solid electrolyte material according to claim 1, wherein the ratio of LiX contained in the sulfide solid electrolyte material is more than 13 mol% and less than 30 mol%. 前記加熱温度が、160℃〜200℃の範囲内であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法。   The method for producing a sulfide solid electrolyte material according to claim 1 or 2, wherein the heating temperature is in a range of 160 ° C to 200 ° C. 正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、前記正極活物質層および前記負極活物質層の間に形成された固体電解質材料層と、を有するリチウム固体電池の製造方法であって、
前記正極活物質層、前記負極活物質層および前記固体電解質材料層の少なくとも一つが、請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載の製造方法により得られた硫化物固体電解質材料を用いて形成されたものであることを特徴とするリチウム固体電池の製造方法。
Lithium having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and a solid electrolyte material layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer A method for producing a solid state battery comprising:
The sulfide solid electrolyte material obtained by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 3, wherein at least one of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the solid electrolyte material layer. A method for producing a lithium solid state battery, characterized in that it is formed using
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