JP2014127387A - Method for producing sulfide solid electrolyte material and lithium solid battery - Google Patents

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尚己 長田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sulfide solid electrolyte material having high Li ion conductivity.SOLUTION: There are provided a method for producing a sulfide solid electrolyte material, and a lithium solid battery containing a sulfide solid electrolyte material produced by the method for producing a sulfide solid electrolyte material. The method for producing a sulfide solid electrolyte material comprises: an amorphization step of performing the amorphization of a raw material composition containing LiS, a sulfide of A (A represents at least one of P, Si, Ge, Al and B), and LiX (X represents a halogen) to synthesize sulfide glass; and a heat treatment step of heating the sulfide glass at a temperature of a crystallization temperature or above to synthesize glass ceramic. In the heat treatment step, the rate of temperature increase up to the crystallization temperature is 6°C/min or more.

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および該硫化物固体電解質材料を含有するリチウム固体電池に関する。   The present invention relates to a method for producing a sulfide solid electrolyte material having high Li ion conductivity and a lithium solid state battery containing the sulfide solid electrolyte material.

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 the manufacturing cost and productivity It is considered excellent. Furthermore, sulfide solid electrolyte materials are known as solid electrolyte materials used for such solid electrolyte layers.

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。特許文献1には、上記硫化物固体電解質材料を結晶化温度以上の温度で加熱処理を行ってもよい旨が記載されている(段落0068)。   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. Patent Document 1 describes that the sulfide solid electrolyte material may be heat-treated at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature (paragraph 0068).

特開2012−48973号公報JP 2012-48973 A

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おり、特許文献1に記載されたような従来の硫化物固体電解質材料にもさらなるイオン伝導度向上の余地がある。   There is a demand for a sulfide solid electrolyte material having high Li ion conductivity, and the conventional sulfide solid electrolyte material described in Patent Document 1 has room for further improvement in ion conductivity.

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、鋭意研究を重ねた結果、LiXをドープした特定の硫化物ガラスに熱処理を施して合成されたガラスセラミックスは、極めて高いLiイオン伝導度を有することを見出した。
本発明者等がさらに鋭意検討したところ、ガラスを熱処理してガラスセラミックス化する際には、結晶を充分に成長させるべくガラスをゆっくりと昇温(例えば、昇温速度1〜5℃/min)させるのが技術常識であるが、驚くべきことに、6℃/min以上の昇温速度で硫化物ガラスを急昇温させることによって、得られるガラスセラミックスのLiイオン伝導度が大幅に向上することを見出した。
As a result of intensive studies, the present inventors have found that glass ceramics synthesized by subjecting a specific sulfide glass doped with LiX to heat treatment have extremely high Li ion conductivity.
As a result of further intensive studies by the present inventors, when the glass is heat-treated into glass ceramics, the glass is slowly heated (for example, at a heating rate of 1 to 5 ° C./min) in order to sufficiently grow crystals. Although it is common technical knowledge, it is surprising that the Li ion conductivity of the resulting glass ceramic is greatly improved by rapidly raising the temperature of the sulfide glass at a rate of temperature increase of 6 ° C./min or more. I found.

すなわち、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、前記硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で加熱し、ガラスセラミックスを合成する熱処理工程と、を有し、前記熱処理工程において、前記結晶化温度までの昇温速度が6℃/min以上であることを特徴とするものである。
本発明の製造方法によれば、Liイオン伝導性の高い硫化物固体電解質材料を得ることが可能である。
That is, the method for producing a sulfide solid electrolyte material of the present invention includes Li 2 S, A (A is at least one of P, Si, Ge, Al, and B), and LiX (X is halogen). An amorphizing step of amorphizing a raw material composition containing (a) and synthesizing a sulfide glass; and a heat treatment step of synthesizing glass ceramics by heating the sulfide glass at a temperature equal to or higher than a crystallization temperature. In the heat treatment step, the rate of temperature rise to the crystallization temperature is 6 ° C./min or more.
According to the production method of the present invention, it is possible to obtain a sulfide solid electrolyte material having high Li ion conductivity.

前記熱処理工程においては、前記硫化物ガラスを、予め前記結晶化温度以上に加熱した系内に投入することができる。予め加熱した系内に硫化物ガラスを投入することで、硫化物ガラスの昇温速度を6℃/min以上の所望の速度にコントロールしやすい。   In the heat treatment step, the sulfide glass can be put into a system heated in advance to the crystallization temperature or higher. By introducing the sulfide glass into the preheated system, the temperature rise rate of the sulfide glass can be easily controlled to a desired rate of 6 ° C./min or more.

また、前記熱処理工程においては、前記硫化物ガラスを、前記結晶化温度以上の温度で1〜3時間加熱することが好ましい。   In the heat treatment step, the sulfide glass is preferably heated at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature for 1 to 3 hours.

前記原料組成物としては、例えば、前記Aの硫化物としてPの硫化物を含有し、前記LiXとしてLiIを含有するものが挙げられる。   Examples of the raw material composition include those containing P sulfide as the A sulfide and LiI as the LiX.

本発明のリチウム固体電池は、正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、前記正極活物質層および前記負極活物質層の間に介在する固体電解質層と、を有するリチウム固体電池であって、前記正極活物質層、前記負極活物質層および前記固体電解質層の少なくとも一つが、上記本発明の製造方法により製造された硫化物固体電解質材料を含有することを特徴とするものである。
本発明のリチウム固体電池は、上記本発明の製造方法により得られた硫化物固体電解質材料を含有しているため、Liイオン伝導度が高く、高出力化を図ることが可能である。
The lithium solid state battery of the present invention includes 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 interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. A positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the solid electrolyte layer containing a sulfide solid electrolyte material produced by the production method of the present invention. It is characterized by doing.
Since the lithium solid state battery of the present invention contains the sulfide solid electrolyte material obtained by the production method of the present invention, it has a high Li ion conductivity and can achieve high output.

本発明によれば、Liイオン伝導性の高い硫化物固体電解質材料およびリチウム固体電池を提供することが可能である。   According to the present invention, it is possible to provide a sulfide solid electrolyte material and a lithium solid battery having high Li ion conductivity.

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. 本発明のリチウム固体電池の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the lithium solid battery of this invention. 実施例1〜2および比較例1〜3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 in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3.

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について、詳細に説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the sulfide solid electrolyte material of the present invention and the lithium solid state battery 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、前記硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で加熱し、ガラスセラミックスを合成する熱処理工程と、を有し、前記熱処理工程において、前記結晶化温度までの昇温速度が6℃/min以上であ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 amorphization step of amorphizing a raw material composition containing sulphide and synthesizing a sulfide glass; and a heat treatment step of synthesizing glass ceramics by heating the sulphide glass at a temperature equal to or higher than a crystallization temperature. And in the heat treatment step, the rate of temperature rise to the crystallization temperature is 6 ° C./min or more.

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。図1においては、まず、LiS、PおよびLiIを含有する原料組成物を用意する。次に、非晶質化工程として、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を、6℃/min以上の昇温速度で昇温させ、結晶化温度以上の温度による熱処理を施し、ガラスセラミックス(硫化物固体電解質材料)を得る。
尚、本発明において、硫化物ガラスとは、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、後述する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、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。
また、本発明において、ガラスセラミックスとは、硫化物ガラスを結晶化した材料をいう。ガラスセラミックスであるか否かは、例えばX線回折法により確認することができる。
FIG. 1 is a flowchart showing an example of a method for producing a sulfide solid electrolyte material of the present invention. In FIG. 1, first, a raw material composition containing Li 2 S, P 2 S 5 and LiI is prepared. Next, a sulfide containing an ion conductor (for example, Li 3 PS 4 ) having Li, P and S and LiI by performing mechanical milling on the raw material composition as an amorphization step. Synthesize glass. Next, the sulfide glass obtained by the amorphization step is heated at a temperature increase rate of 6 ° C./min or more, and heat treatment is performed at a temperature of the crystallization temperature or more, so that glass ceramics (sulfide solid electrolyte material) )
In the present invention, the sulfide glass means a material synthesized by amorphizing the raw material composition, not only a strict “glass” in which periodicity as a crystal is not observed in X-ray diffraction measurement or the like, It means all materials synthesized by amorphization by mechanical milling described later. Therefore, even in the case where, for example, a peak derived from a raw material (LiI or the like) is observed in X-ray diffraction measurement or the like, any material synthesized by amorphization corresponds to sulfide glass.
In the present invention, glass ceramics refers to a material obtained by crystallizing sulfide glass. Whether it is glass ceramics can be confirmed by, for example, an X-ray diffraction method.

本発明者等は、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て得られる硫化物ガラスに対して、結晶化温度以上の温度で熱処理を行うことにより、高いLiイオン伝導性を有するガラスセラミックスの合成に成功している。これは、上記硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で加熱することによって、Liイオン伝導性に優れる結晶相(以下、高Liイオン伝導性結晶相ということがある)が生成するためと考えられる。 The inventors have prepared 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). A glass ceramic having high Li ion conductivity has been successfully synthesized by heat-treating a sulfide glass obtained by amorphization at a temperature higher than the crystallization temperature. This is considered to be because a crystalline phase excellent in Li ion conductivity (hereinafter sometimes referred to as a high Li ion conductive crystal phase) is produced by heating the sulfide glass at a temperature higher than the crystallization temperature. .

ガラスセラミックスにおいて、上記のような高Liイオン伝導性結晶相の結晶性(割合)を増加させることによって、ガラスセラミックスのLiイオン伝導性を向上させることができる。そこで、本発明者等は、ガラスセラミックスの結晶性を増加させるべく鋭意検討したところ、驚くべきことに、上記硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度まで昇温させる際に、昇温速度を6℃/min以上とすることによって、得られるガラスセラミックスのLiイオン伝導度が大幅に向上することを見出した。   In the glass ceramics, the Li ion conductivity of the glass ceramics can be improved by increasing the crystallinity (ratio) of the high Li ion conductive crystal phase as described above. Therefore, the present inventors have intensively studied to increase the crystallinity of the glass ceramics. Surprisingly, when the temperature of the sulfide glass is raised to a temperature higher than the crystallization temperature, the rate of temperature increase is 6. It has been found that the Li ion conductivity of the glass ceramic obtained is significantly improved by setting the temperature to be at least ° C / min.

一般的に、ガラスに熱処理を施すことによって結晶相を生成させ、ガラスセラミックスを合成する際、結晶を充分に成長させるためには、ゆっくりと昇温させ(例えば、1〜5℃/min)、長時間かけて加熱することが有効であると考えられている。そのため、6℃/min以上という技術常識に反した高い昇温速度で硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度まで急昇温することによって得られるガラスセラミックスが、高いLiイオン伝導性を示すことは予想外の結果といえる。
上記硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で熱処理する際に、結晶化温度以上の温度まで6℃/min以上で昇温することによって、ガラスセラミックスのLiイオン伝導度が向上する理由は次のように推測される。
In general, when glass is heat-treated to generate a crystal phase and synthesize glass ceramics, in order to sufficiently grow the crystal, the temperature is raised slowly (for example, 1 to 5 ° C./min), It is considered effective to heat for a long time. Therefore, glass ceramics obtained by rapidly raising the temperature of a sulfide glass to a temperature equal to or higher than the crystallization temperature at a high temperature rising rate contrary to the technical common sense of 6 ° C./min or higher exhibit high Li ion conductivity. This is an unexpected result.
The reason why the Li ion conductivity of the glass ceramic is improved by heating the sulfide glass at a temperature of 6 ° C./min or higher to a temperature of the crystallization temperature or higher when heat-treating the sulfide glass at a temperature of the crystallization temperature or higher is as follows. So guessed.

すなわち、まず、結晶化温度以上の温度までの昇温速度が5℃/min以下のように小さいと、硫化物ガラスからS(硫黄)が抜けやすく、ガラスセラミックスの組成ずれが生じるが、6℃/min以上とすることでS抜けを抑制し、所望の組成を有するガラスセラミックスを合成することができると考えられる。   That is, first, if the rate of temperature rise to a temperature equal to or higher than the crystallization temperature is as small as 5 ° C./min or less, S (sulfur) is easily released from the sulfide glass, resulting in a composition shift of the glass ceramic. It is considered that the glass ceramics having a desired composition can be synthesized by suppressing S omission by setting to / min or more.

また、硫化物ガラスを結晶化温度以上で熱処理することによって生成する高Liイオン伝導性結晶相は、熱力学的に若干不安定なもの(準安定相)であり、しかも、その結晶化温度は、熱化学的に安定な別の結晶相(安定相)の結晶化温度と近いと考えられる。そのために、昇温速度が小さく、結晶化温度以上の温度までの昇温時間が長くなると、熱力学的に安定な別の結晶相(安定相)も生成し、ガラスセラミックスにおける高Liイオン伝導性結晶相の結晶性(割合)が低下すると考えられる。これに対して、6℃/min以上とすることで、上記準安定相から安定相への相転移を抑制し、高Liイオン伝導性結晶相の割合の増加させることができると考えられる。   In addition, the high Li ion conductive crystalline phase produced by heat-treating sulfide glass at a temperature above the crystallization temperature is a thermodynamically slightly unstable (metastable phase), and the crystallization temperature is It is considered to be close to the crystallization temperature of another crystal phase (stable phase) that is thermochemically stable. For this reason, if the rate of temperature rise is small and the temperature rise time to a temperature above the crystallization temperature is long, another crystal phase (stable phase) that is thermodynamically stable is also generated, and high Li ion conductivity in glass ceramics. It is considered that the crystallinity (ratio) of the crystal phase is lowered. On the other hand, by setting it to 6 degrees C / min or more, it is thought that the phase transition from the said metastable phase to a stable phase can be suppressed, and the ratio of a high Li ion conductive crystalline phase can be made to increase.

一方で、上記原料組成物を非晶質化して得られた硫化物ガラスを熱処理して結晶化させた高Li伝導性結晶相は、核生成温度と結晶成長温度が近いために、硫化物ガラスの表面で、核生成と結晶成長がほぼ同時に進行すると考えられる。ゆえに、結晶化温度以上の温度まで6℃/min以上で急昇温しても、結晶化温度以上の温度での熱処理を充分に行うことで、高Liイオン伝導性結晶相の結晶性を向上させることができると考えられる。
以上のような理由から、本発明によれば、組成ずれ、上記準安定相から安定相への相転移等を抑制しつつ、高Liイオン伝導性結晶相の結晶性(割合)を高くすることができるために、Liイオン伝導性の高い硫化物固体電解質を得ることができると考えられる。
On the other hand, since the high Li conductive crystal phase obtained by crystallizing the sulfide glass obtained by amorphizing the raw material composition by heat treatment is close to the nucleation temperature and the crystal growth temperature, the sulfide glass It is considered that nucleation and crystal growth proceed almost simultaneously on the surface of Therefore, even if the temperature is rapidly increased to 6 ° C / min or higher up to a temperature higher than the crystallization temperature, sufficient heat treatment at a temperature higher than the crystallization temperature improves the crystallinity of the high Li ion conductive crystal phase. It is thought that it can be made.
For the reasons as described above, according to the present invention, the crystallinity (ratio) of the high Li ion conductive crystal phase is increased while suppressing the composition shift and the phase transition from the metastable phase to the stable phase. Therefore, it is considered that a sulfide solid electrolyte having high Li ion conductivity can be obtained.

以下、本発明の硫化物固体電解質材料の製造方法について、工程ごとに説明する。
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熱処理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。
Hereafter, the manufacturing method of the sulfide solid electrolyte material of this invention is demonstrated for every process.
The method for producing a sulfide solid electrolyte material of the present invention has at least an amorphization step and a heat treatment 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。
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. 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.
The raw material composition in this step contains Li 2 S, sulfides of A (A is at least one of P, Si, Ge, Al and B), and LiX (X is a halogen). is there.

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。
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。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ことから、上記Aの硫化物としては、上記AがPであるPおよびPが好ましく、特にPが好ましい。
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.
Examples of the sulfide of A contained in the raw material composition include P 2 S 3 , P 2 S 5 , SiS 2 , GeS 2 , Al 2 S 3 , B 2 S 3 and the like. Since a glass ceramic with high Li ion conductivity can be obtained, the sulfide of A is preferably P 2 S 3 and P 2 S 5 in which A is P, and particularly preferably P 2 S 5 .

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、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、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、原料組成物が、LiSおよびGeSを含有する場合も同様である。
Feedstock composition, if 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%, More preferably, it is in the range of 72 mol% to 78 mol%, and still more preferably in the range of 74 mol% to 76 mol%. The same applies when the raw material composition contains Li 2 S and Al 2 S 3, and also when Li 2 S and B 2 S 3 are contained.
On the other hand, the raw material composition, if 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 a range of 62.5mol% ~70.9mol% Preferably, it is in the range of 63 mol% to 70 mol%, more preferably in the range of 64 mol% to 68 mol%. The same applies when the raw material composition contains Li 2 S and GeS 2 .

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、中でもCl、Br、Iが好ましく、特にIが好ましい。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。
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であれば特に限定されるものではなく、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. Among them, Cl, Br, and I are preferable, and I is particularly preferable. This is because glass ceramics having high Li ion conductivity can be obtained.
Further, the ratio of LiX in the raw material composition is not particularly limited as long as it is a ratio capable of synthesizing a desired glass ceramic, and is slightly different depending on the synthesis conditions, but in the range of more than 13 mol% and less than 30 mol%. It is preferable to be within.

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。   In this step, examples of the method for amorphizing the raw material composition include mechanical milling and melt quenching, and mechanical milling is particularly 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。   The polar aprotic liquid is not particularly limited. 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;テトラ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 tetrahydrofuran; chloroform, chloride Alkyl halides such as methyl and methylene chloride; esters such as ethyl acetate; fluorinated benzene, heptane fluoride, 2,3-dihydroperfluoropentane, 1,1,2,2,3,3,4 Fluorine compounds such as heptafluorocyclopentane can be mentioned.
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.

2.熱処理工程
次に、本発明における熱処理工程について説明する。本発明における熱処理工程は、上記硫化物ガラスを、昇温速度6℃/min以上で結晶化温度まで昇温し、結晶化温度以上の温度で加熱してガラスセラミックスを合成する工程である。
2. Next, the heat treatment process in the present invention will be described. The heat treatment step in the present invention is a step of synthesizing glass ceramics by heating the sulfide glass to a crystallization temperature at a heating rate of 6 ° C./min or higher and heating at a temperature higher than the crystallization temperature.

硫化物ガラスの熱処理温度は、硫化物ガラスの結晶化温度以上の温度であり、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。熱処理温度は、結晶化温度以上の温度であれば特に限定されない。例えば、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から熱処理温度を決定することができる。このピークは、高Liイオン伝導性結晶相に由来するピークである。ここで、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。
具体的な熱処理温度としては、例えば160℃以上、中でも170℃以上、特に180℃以上であることが好ましい。一方、熱処理温度の上限は、所望のガラスセラミックスを合成できる温度であれば特に限定されず、硫化物ガラスの組成によって若干異なるものであるが、通常、200℃以下、中でも190℃以下であることが好ましい。
熱処理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 temperature of the sulfide glass is a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of the sulfide glass, and the crystallization temperature of the sulfide glass can be determined by differential thermal analysis (DTA). The heat treatment temperature is not particularly limited as long as it is higher than the crystallization temperature. For example, in the X-ray diffraction measurement using CuKα rays, the heat treatment temperature can be determined from the temperature at which glass ceramics having peaks at 2θ = 20.2 ° and 23.6 ° are obtained. This peak is a peak derived from a high Li ion conductive crystal phase. Here, the peak at 2θ = 20.2 ° means not only a strict peak at 2θ = 20.2 ° but also a peak within a range of 2θ = 20.2 ° ± 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 °.
A specific heat treatment temperature is, for example, 160 ° C. or higher, particularly 170 ° C. or higher, and particularly preferably 180 ° C. or higher. On the other hand, the upper limit of the heat treatment temperature is not particularly limited as long as it is a temperature capable of synthesizing a desired glass ceramic, and is slightly different depending on the composition of the sulfide glass. Is preferred.
Although the heat treatment method is not particularly limited, for example, a method using a firing furnace can be mentioned.

上述したように、上記熱処理温度(結晶化温度以上の温度)まで硫化物ガラスを昇温させる速度が6℃/min以上である点に、本発明の大きな特徴がある。熱処理温度までの昇温速度を6℃/min以上とすることによって、組成ずれ、安定相への相転移等を抑制しつつ、高Liイオン伝導性結晶相の結晶性(割合)を高くすることができる。
昇温速度は、6℃/min以上であれば特に限定されないが、より高いLiイオン伝導性向上効果が得られることから、10℃/min以上であることが好ましい。一方、核生成速度および温度制御の観点から、昇温速度は1000℃/min以下であることが好ましい。
なお、硫化物ガラスの昇温速度は、一般的な方法で測定、制御することができる。例えば、熱電対を装着した硫化物ガラスを焼成炉内に投入し、該熱電対によって硫化物ガラスの温度を定期的(例えば、1秒ごと)に計測することで、硫化物ガラスの昇温速度を算出することができる。
硫化物ガラスの昇温速度の制御方法は特に限定されず、一般的な方法を採用することができ、例えば、熱処理を行う焼成炉の昇温速度を制御する方法が挙げられる。硫化物ガラス投入時の熱処理系内温度(焼成炉内温度)は特に限定されず、室温であってもよいし、加熱されていてもよい。熱処理の系内を、予め加熱、特に硫化物ガラスの結晶化温度以上の温度に加熱しておき、加熱された系内(焼成炉)に硫化物ガラスを投入することによって、10℃/min以上、特に20℃/min以上のような高い昇温速度を達成することが可能であり、より高いリチウム伝導性を有する硫化物固体電解質材料を得ることができる。
As described above, the present invention is characterized in that the speed of raising the temperature of the sulfide glass to the heat treatment temperature (temperature higher than the crystallization temperature) is 6 ° C./min or more. Increasing the crystallinity (ratio) of the high Li ion conductive crystal phase while suppressing the composition shift and phase transition to the stable phase by setting the rate of temperature rise to the heat treatment temperature to 6 ° C./min or more. Can do.
The rate of temperature increase is not particularly limited as long as it is 6 ° C./min or higher, but is preferably 10 ° C./min or higher because a higher effect of improving Li ion conductivity is obtained. On the other hand, from the viewpoint of nucleation rate and temperature control, the rate of temperature rise is preferably 1000 ° C./min or less.
In addition, the temperature increase rate of sulfide glass can be measured and controlled by a general method. For example, when a sulfide glass equipped with a thermocouple is put into a firing furnace and the temperature of the sulfide glass is periodically measured (for example, every second) by the thermocouple, the temperature rise rate of the sulfide glass is increased. Can be calculated.
The method for controlling the rate of temperature rise of the sulfide glass is not particularly limited, and a general method can be adopted. For example, a method for controlling the rate of temperature rise of the firing furnace for performing heat treatment can be mentioned. The temperature in the heat treatment system (temperature in the firing furnace) when the sulfide glass is charged is not particularly limited, and may be room temperature or may be heated. The heat treatment system is preheated, in particular, heated to a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of the sulfide glass, and the sulfide glass is put into the heated system (firing furnace) to be 10 ° C./min or more. In particular, it is possible to achieve a high temperature rising rate such as 20 ° C./min or more, and a sulfide solid electrolyte material having higher lithium conductivity can be obtained.

結晶化温度以上の温度(熱処理温度)による硫化物ガラスの加熱時間は、上述した熱処理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い。特に、高Li伝導性結晶相の成長を充分に進行させつつ、S抜けや高Li伝導性結晶相の他の結晶相への相転移等を抑制することができることから、1時間〜3時間の範囲内であることが好ましい。   The heating time of the sulfide glass at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature (heat treatment temperature) is appropriately selected depending on the heat treatment temperature described above, and is preferably in the range of 1 minute to 24 hours, for example. , Preferably in the range of 30 minutes to 3 hours. In particular, since the growth of the high Li conductive crystal phase is sufficiently advanced, the S loss and the phase transition to the other crystal phase of the high Li conductive crystal phase can be suppressed. It is preferable to be within the range.

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。   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.

3.その他の工程
本発明は、上述した非晶質化工程および熱処理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 heat treatment step, but may have other steps as necessary. Examples of other processes include a atomization process.

上述したような本発明の硫化物固体電解質材料の製造方法によれば、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を有するガラスセラミックスであり、高いLiイオン伝導性を有する硫化物系固体電解質材料を得ることができる。   According to the method for producing a sulfide solid electrolyte material of the present invention as described above, Li, A (A is at least one of P, Si, Ge, Al, and B), X (X is a halogen). , S-containing glass ceramics, and a sulfide-based solid electrolyte material having high Li ion conductivity can be obtained.

本発明により得られる硫化物固体電解質材料としては、例えば、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ものが挙げられる。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。
ここで、本発明におけるイオン伝導体とは、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。
Examples of the sulfide solid electrolyte material obtained by the present invention include Li, A (A is at least one of P, Si, Ge, Al and B), and S, and LiX (X Is 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.
Here, 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、本発明により得られる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。硫化水素発生量が少ないからである。「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 sulfide solid electrolyte material obtained by this invention does not contain bridge | crosslinking sulfur substantially. This is because the amount of hydrogen sulfide generated is small. “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、本発明により得られる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 obtained by the present invention is not particularly limited as long as it is a glass ceramic having a high Li ion conductive crystal phase. For example, it is more than 13 mol% and more than 30 mol%. A small amount is preferable, and in particular, it is preferable to be within a range of 15 mol% to 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、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が、電池用材料として好適に用いることができる。   The sulfide solid electrolyte material obtained by the present invention can be used for any application that requires Li ion conductivity, but can be suitably used as a battery material.

B.リチウム固体電池
次に、リチウム固体電池について説明する。本発明のリチウム固体電池は、正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された固体電解質層と、を有するリチウム固体電池であって、上記正極活物質層、上記負極活物質層および上記固体電解質層の少なくとも一つが、上述した本発明の製造方法により得られた硫化物固体電解質材料を含有するものであることを特徴とするものである。
B. Next, a lithium solid state battery will be described. The lithium solid state battery of the present invention includes 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 formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. A lithium solid state battery having an 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 of the present invention. It is characterized by containing.

上述した本発明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ることにより、Liイオン伝導度の高いリチウム固体電池を得ることができ、電池の高出力化を図ることができる。   By using the sulfide solid electrolyte material obtained by the manufacturing method of the present invention described above, a lithium solid battery having high Li ion conductivity can be obtained, and the output of the battery can be increased.

図2は、本発明のリチウム固体電池の一例を示す概略断面図である。図2に示されるリチウム固体電池10は、正極活物質を含有する正極活物質層1と、負極活物質を含有する負極活物質層2と、正極活物質層1および負極活物質層2の間に介在する固体電解質層3と、正極活物質層1の集電を行う正極集電体4と、負極活物質層2の集電を行う負極集電体5と、を有するものである。本発明においては、正極活物質層1、負極活物質層2および固体電解質層3の少なくとも一つが、上記「A.硫化物固体電解質材料の製造方法」の項で説明した製造方法により製造された硫化物固体電解質材料を含有することを大きな特徴とする。
本発明の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。本発明の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。
以下、本発明のリチウム固体電池について、構成ごとに説明する。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the lithium solid state battery of the present invention. A lithium solid battery 10 shown in FIG. 2 includes a positive electrode active material layer 1 containing a positive electrode active material, a negative electrode active material layer 2 containing a negative electrode active material, and between the positive electrode active material layer 1 and the negative electrode active material layer 2. A positive electrode current collector 4 that collects current from the positive electrode active material layer 1, and a negative electrode current collector 5 that collects current from the negative electrode active material layer 2. In the present invention, at least one of the positive electrode active material layer 1, the negative electrode active material layer 2, and the solid electrolyte layer 3 is manufactured by the manufacturing method described in the above section “A. Manufacturing method of sulfide solid electrolyte material”. The main feature is that it contains a sulfide solid electrolyte material.
The lithium solid state 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. Examples of the shape of the lithium solid state battery of the present invention include a coin type, a laminate type, a cylindrical type, and a square type.
Hereinafter, the lithium solid state battery of the present invention will be described for each configuration.

1.固体電解質層
まず、本発明における固体電解質層について説明する。本発明における固体電解質層は、正極活物質層および負極活物質層の間に介在する層であり、少なくとも固体電解質材料を含有する層である。
固体電解質層に含まれる固体電解質材料は、Liイオン伝導性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、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」により製造された硫化物固体電解質材料であることが好ましい。
1. Solid electrolyte layer First, the solid electrolyte layer in the present invention will be described. The solid electrolyte layer in the present invention is a layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer, and is a layer containing at least a solid electrolyte material.
The solid electrolyte material contained in the solid electrolyte layer 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. 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 them, the solid electrolyte material is preferably a sulfide solid electrolyte material produced by the above-described “A. Method for producing sulfide solid electrolyte material”.

固体電解質層において、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。
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。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。
In the solid electrolyte layer, 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. , Preferably in the range of 50% to 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.
The solid electrolyte layer may contain a binder in addition to the solid electrolyte material. By containing a binder, a flexible solid electrolyte layer can be obtained. Examples of the binder include fluorine-containing binders such as PTFE and PVDF.

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、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。   Examples of the method for forming the solid electrolyte layer include a pressing method. In addition, the thickness of the solid electrolyte layer 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
次に、本発明における正極活物質層について説明する。本発明における正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つをさらに含有していても良い。
2. Next, the positive electrode active material layer in the present invention will be described. The positive electrode active material layer in the present invention is a layer containing at least a positive electrode active material, and may further contain at least one of a solid electrolyte material, a conductive material and a binder as necessary.

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。
特に、上述した硫化物固体電解質材料が、オルト組成を有するイオン伝導体を有し、かつ、LiIを用いてなるものである場合、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。LiIの酸化分解を効果的に抑制できるからである。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。
As the positive electrode active material, is not particularly limited, for example, LiCoO 2, LiMnO 2, LiNiO 2, LiVO 2, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 rock salt layered type active material such as O 2 And spinel type active materials such as LiMn 2 O 4 and Li (Ni 0.5 Mn 1.5 ) O 4 , and olivine type active materials such as LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , and LiCuPO 4 . Si-containing oxides such as Li 2 FeSiO 4 and Li 2 MnSiO 4 may be used as the positive electrode active material.
In particular, when the above-described sulfide solid electrolyte material has an ionic conductor having an ortho composition and uses LiI, the positive electrode active material has a potential of 2.8 V (vs. Li) or higher. It is preferable to have a potential of 3.0 V (vs. Li) or more. It is because the oxidative decomposition of LiI can be effectively suppressed. 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.

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、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 include a particle shape, and among them, a spherical shape or an elliptical 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 is, for example, preferably in the range of 10% by volume to 99% by volume, and more preferably in the range of 20% by volume to 99% by volume.

正極活物質層は、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。固体電解質材料としては、「1.固体電解質層」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」により製造された硫化物固体電解質材料であることが好ましい。
正極活物質層において、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 positive electrode active material layer preferably contains a solid electrolyte material in addition to the positive electrode active material. 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, the same materials as those described in the section “1. Solid electrolyte layer” can be used, and among them, the solid electrolyte material is manufactured by the above-mentioned “A. Method for manufacturing sulfide solid electrolyte material”. A sulfide solid electrolyte material is preferred.
In the positive electrode active material layer, the content of the sulfide solid electrolyte material is, for example, in the range of 0.1% by volume to 80% by volume with respect to the formed positive electrode active material layer, and in particular, 1% by volume to 60% by volume. %, Particularly in the range of 10% to 50% by volume.

また、正極活物質層は、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」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 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. Examples of the conductive material include acetylene black, ketjen black, and carbon fiber. As the binder, the same materials as those described in the section “1. Solid electrolyte layer” described above can be used.

正極活物質層の形成方法としては、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、無電解めっき法等により、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層を形成する方法が挙げられる。
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。
As a method for forming the positive electrode active material layer, for example, the above-described material is formed on the solid electrolyte layer or the positive electrode current collector by a press method, a sputtering method, a PVD method, a CVD method, an electrolytic plating method, an electroless plating method, or the like. The method of forming a layer is mentioned.
The thickness of the positive electrode active material layer is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, for example.

3.負極活物質層
次に、本発明における負極活物質層について説明する。本発明における負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つをさらに含有していても良い。
3. Next, the negative electrode active material layer in the present invention will be described. The negative electrode active material layer in the present invention is a layer containing at least a negative electrode active material, and may further contain at least one of a solid electrolyte material, a conductive material, and a binder as necessary.

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。
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。
Examples of the negative electrode active material include a metal active material and a carbon active material. 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.
The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is, for example, preferably in the range of 10% by volume to 99% by volume, and more preferably in the range of 20% by volume to 99% by volume.

負極活物質層は、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。
固体電解質材料としては、「1.固体電解質層」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」により製造された硫化物固体電解質材料であることが好ましい。
上記硫化物固体電解質材料の含有量は、例えば、0.1体積%〜80体積%の範囲内、中でも、1体積%〜60体積%の範囲内、特に、10体積%〜50体積%の範囲内であることが好ましい。
The negative electrode active material layer preferably contains a solid electrolyte material in addition to the negative electrode active material. 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, the same materials as those described in the section “1. Solid electrolyte layer” can be used, and among them, the solid electrolyte material is manufactured by the above-mentioned “A. Method for manufacturing sulfide solid electrolyte material”. A sulfide solid electrolyte material is preferred.
The content of the sulfide solid electrolyte material is, for example, in the range of 0.1% by volume to 80% by volume, especially in the range of 1% by volume to 60% by volume, in particular in the range of 10% by volume to 50% by volume. It is preferable to be within.

また、負極活物質層は、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。導電化材および結着材としては、「2.正極活物質層」の項で説明した材料と同様のもの用いることができる。   The negative electrode active material layer 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. As the conductive material and the binder, the same materials as those described in the section “2. Positive electrode active material layer” can be used.

負極活物質層の形成方法としては、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、無電解めっき法等により、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層を形成する方法が挙げられる。
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。
As a method for forming the negative electrode active material layer, for example, the above-described material is formed on the solid electrolyte layer or the negative electrode current collector by a press method, a sputtering method, a PVD method, a CVD method, an electrolytic plating method, an electroless plating method, or the like. The method of forming a layer is mentioned.
The thickness of the negative electrode active material layer is preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, for example.

4.その他の構成
本発明のリチウム固体電池は、上述した正極活物質層、負極活物質層および固体電解質層を少なくとも有するものである。さらに通常は、正極活物質層の集電を行う正極集電体、および負極活物質層の集電を行う負極集電体を有する。
正極集電体の材料としては、例えば、SUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができ、中でも、SUSが好ましい。一方、負極集電体の材料としては、例えば、SUS、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができ、中でも、SUSが好ましい。また、正極集電体および負極集電体の厚さや形状等については、リチウム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。
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る。電池ケースとしては、例えば、SUS製電池ケース等を挙げることができる。
4). Other Configurations The lithium solid state battery of the present invention has at least the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the solid electrolyte layer described above. Furthermore, it usually has a positive electrode current collector for collecting current of the positive electrode active material layer and a negative electrode current collector for collecting current of the negative electrode active material layer.
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.
As a battery case used in the present invention, a general lithium solid battery case can be used. Examples of the battery case include a SUS battery case.

本発明のリチウム固体電池の製造方法は、上述したリチウム固体電池を得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、一般的なリチウム固体電池の製造方法と同様の方法を用いることができる。リチウム固体電池の製造方法の一例としては、正極活物質層を構成する材料、固体電解質層を構成する材料、および負極活物質層を構成する材料を順次プレスすることにより、発電要素を作製し、この発電要素を電池ケースの内部に収納し、電池ケースをかしめる方法等を挙げることができる。   The method for producing a lithium solid state battery of the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining the above-described lithium solid state battery, and a method similar to a general method for producing a lithium solid state battery may be used. it can. As an example of a method for producing a lithium solid state battery, a power generation element is manufactured by sequentially pressing a material constituting the positive electrode active material layer, a material constituting the solid electrolyte layer, and a material constituting the negative electrode active material layer, A method of storing the power generation element in the battery case and caulking the battery case can be exemplified.

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(露点−70℃)で行った。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. Unless otherwise specified, each operation such as weighing, synthesis, and drying was performed under an Ar atmosphere (dew point -70 ° C.).

[比較例1]
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、LiS、PおよびLiIの合計に対するLiIの割合が20mol%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 P−7)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。
[Comparative Example 1]
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 ratio of LiI to the total of Li 2 S, P 2 S 5 and LiI was 20 mol%. The weighed starting materials are mixed for 5 minutes in an agate mortar, 2 g of the mixture is put into a planetary ball mill container (45 cc, made of ZrO 2 ), 4 g of dehydrated heptane (water content of 30 ppm or less) is added, and further ZrO 2 balls (Φ = 5 mm) 53 g was added, and the container was completely sealed. This container was attached to a planetary ball mill (P-7 manufactured by Fritsch), and mechanical milling was performed at a base plate rotation speed of 500 rpm for 40 hours. Then, heptane was removed by drying at 100 ° C. to obtain a sulfide glass.

[比較例2]
比較例1と同様にして得た硫化物ガラス0.5gをガラス管に入れ、そのガラス管をSUS製密閉容器に入れた。その密閉容器を、室温(約25℃)の炉内に設置し、180℃まで1℃/minで昇温し、180℃で3時間熱処理を行い、ガラスセラミックスを得た。
[Comparative Example 2]
0.5 g of sulfide glass obtained in the same manner as in Comparative Example 1 was placed in a glass tube, and the glass tube was placed in a SUS sealed container. The sealed container was placed in a furnace at room temperature (about 25 ° C.), heated to 180 ° C. at 1 ° C./min, and heat-treated at 180 ° C. for 3 hours to obtain glass ceramics.

[比較例3]
比較例1と同様にして得た硫化物ガラス0.5gを石英管に真空封入し、その石英管を、室温(約25℃)の炉内に設置し、180℃まで昇温速度5℃/minで昇温し、180℃で3時間熱処理を行い、ガラスセラミックスを得た。
[Comparative Example 3]
0.5 g of sulfide glass obtained in the same manner as in Comparative Example 1 was vacuum-sealed in a quartz tube, and the quartz tube was placed in a furnace at room temperature (about 25 ° C.). The temperature was raised in min and heat treatment was performed at 180 ° C. for 3 hours to obtain glass ceramics.

[実施例1]
昇温速度を10℃/minに変更したこと以外は、比較例3と同様にしてガラスセラミックスを得た。
[Example 1]
Glass ceramics were obtained in the same manner as in Comparative Example 3 except that the temperature increase rate was changed to 10 ° C./min.

[実施例2]
硫化物ガラスを真空封入した石英管を、予め180℃に保持しておいた炉内に設置し、昇温速度を20℃/minに変更したこと以外は、比較例3と同様にしてガラスセラミックスを得た。
[Example 2]
Glass ceramics sealed in a vacuum glass with sulfide glass was installed in a furnace previously maintained at 180 ° C., and the glass ceramics was the same as in Comparative Example 3 except that the heating rate was changed to 20 ° C./min. Got.

[評価]
(Liイオン伝導度測定)
実施例1〜2および比較例1〜3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以下のように行った。まず、サンプル粉末を4ton/cmの圧力でコールドプレスすることで、φ11.28mm、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。測定温度は、恒温槽で25℃に調整した。
結果を表1および図3に示す。
[Evaluation]
(Li ion conductivity measurement)
For the samples obtained in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3, Li ion conductivity (normal temperature) was measured by the AC impedance method. Li ion conductivity was measured as follows. First, the sample powder was cold pressed at a pressure of 4 ton / cm 2 to produce a pellet having a diameter of 11.28 mm and a thickness of about 500 μm. 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. The measurement temperature was adjusted to 25 ° C. with a thermostatic bath.
The results are shown in Table 1 and FIG.

Figure 2014127387
Figure 2014127387

表1および図3に示すように、実施例1〜2および比較例2〜3で得られたガラスセラミックスは、比較例1の硫化物ガラスよりも高いLiイオン伝導度を示した。これは、硫化物ガラスを熱処理することによって、高Liイオン伝導性結晶相(準安定相)が析出したためと考えられる。
また、実施例1〜2のガラスセラミックスは、いずれも、比較例2〜3のガラスセラミックスと比較して、高いLiイオン伝導度を示した。これは、硫化物ガラスを熱処理する際に、硫化物ガラスの結晶化温度へ昇温速度を大きくすることで、Sの揮発による組成ずれの発生や、準安定相の安定相への相転移等に起因するリチウムイオン伝導度の低下が抑制されたためと考えられる。また、高Liイオン伝導性結晶相は、核生成温度と結晶成長温度が近いために、硫化物ガラスの表面でほぼ同時に進行すると考えられる。ゆえに、結晶化温度までの昇温速度を大きくしても、結晶化温度以上の温度での加熱時間を確保すれば、高Liイオン伝導度を有する結晶相の生成および成長を充分に進行させることができると考えられる。
As shown in Table 1 and FIG. 3, the glass ceramics obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 2 to 3 showed higher Li ion conductivity than the sulfide glass of Comparative Example 1. This is presumably because a high Li ion conductive crystal phase (metastable phase) was precipitated by heat treatment of the sulfide glass.
Moreover, as for the glass ceramics of Examples 1-2, all showed high Li ion conductivity compared with the glass ceramics of Comparative Examples 2-3. This is because, when heat-treating the sulfide glass, by increasing the rate of temperature rise to the crystallization temperature of the sulfide glass, a composition shift due to volatilization of S, a phase transition from a metastable phase to a stable phase, etc. This is thought to be because the decrease in lithium ion conductivity caused by the above was suppressed. In addition, the high Li ion conductive crystal phase is considered to proceed almost simultaneously on the surface of the sulfide glass because the nucleation temperature and the crystal growth temperature are close. Therefore, even if the heating rate up to the crystallization temperature is increased, if the heating time at a temperature higher than the crystallization temperature is secured, the generation and growth of the crystal phase having high Li ion conductivity can be sufficiently advanced. It is thought that you can.

1…正極活物質層
2…負極活物質層
3…固体電解質層
4…正極集電体
5…負極集電体
10…リチウム固体電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode active material layer 2 ... Negative electrode active material layer 3 ... Solid electrolyte layer 4 ... Positive electrode collector 5 ... Negative electrode collector 10 ... Lithium solid battery

Claims (5)

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、ガラスセラミックスを合成する熱処理工程と、
を有し、
前記熱処理工程において、前記結晶化温度までの昇温速度が6℃/min以上であ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,
A heat treatment step of heating the sulfide glass at a temperature equal to or higher than a crystallization temperature to synthesize glass ceramics;
Have
The method for producing a sulfide solid electrolyte material, wherein, in the heat treatment step, a rate of temperature rise to the crystallization temperature is 6 ° C./min or more.
前記熱処理工程において、前記硫化物ガラスを、予め前記結晶化温度以上に加熱した系内に投入する、請求項1に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法。   2. The method for producing a sulfide solid electrolyte material according to claim 1, wherein, in the heat treatment step, the sulfide glass is charged into a system heated in advance to the crystallization temperature or higher. 前記熱処理工程において、前記結晶化温度以上の温度で1〜3時間加熱する、請求項1又は2に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法。   3. The method for producing a sulfide solid electrolyte material according to claim 1, wherein in the heat treatment step, heating is performed at a temperature not lower than the crystallization temperature for 1 to 3 hours. 前記原料組成物が、前記Aの硫化物としてPの硫化物を含有し、前記LiXとしてLiIを含有する、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の硫化物固体電解質材料の製造方法。   4. The method for producing a sulfide solid electrolyte material according to claim 1, wherein the raw material composition contains a sulfide of P as the sulfide of A and LiI as the LiX. 5. 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介在する固体電解質層と、を有するリチウム固体電池であって、
前記正極活物質層、前記負極活物質層および前記固体電解質層の少なくとも一つが、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の製造方法により製造された硫化物固体電解質材料を含有することを特徴とするリチウム固体電池。
A lithium solid state battery 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 layer interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer Because
5. The sulfide solid electrolyte material produced by the production method according to claim 1, wherein at least one of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the solid electrolyte layer contains. A lithium solid state battery characterized by that.
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