JP2016066405A - Solid electrolyte for all-solid type secondary battery, method for manufacturing the same, and all-solid type secondary battery including the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a Mg-S based solid electrolyte having high conductivity, which enables the manufacturing of an all-solid type secondary battery of a high capacity; and a method for manufacturing such a Mg-S based solid electrolyte.SOLUTION: A solid electrolyte for an all-solid type secondary battery is expressed by the compositional formula (I), MgS-MgX(where X is a halogen atom selected from F, Cl, Br and I) or MgX. A method for manufacturing the solid electrolyte for an all-solid type secondary battery comprises the steps of: performing a mechanical milling process on a raw material mixture including MgS and MgXin a given proportion, or a raw material mixture including MgXin a given proportion, thereby obtaining a processed product; and performing a thermal treatment on the processed product at a temperature of 200°C or higher, thereby obtaining MgS-MgX.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、全固体二次電池用固体電解質、その製造方法及びそれを含む全固体二次電池に関する。更に詳しくは、本発明は、低コストで全固体二次電池を与え得る高い導電率を有する固体電解質、その製造方法及びそれを含む全固体二次電池に関する。   The present invention relates to a solid electrolyte for an all-solid-state secondary battery, a method for producing the same, and an all-solid-state secondary battery including the same. More specifically, the present invention relates to a solid electrolyte having high conductivity that can provide an all-solid-state secondary battery at low cost, a method for producing the same, and an all-solid-state secondary battery including the same.

リチウム二次電池は、高電圧、高容量を有するため、携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ノートパソコン、電気自動車等の電源として多用されている。一般に流通しているリチウム二次電池は、電解質として、電解塩を非水系溶媒に溶解した液状電解質を使用しているリチウムイオン二次電池である。非水系溶媒には、可燃性の溶媒が多く含まれているため、安全性の確保が望まれている。
安全性を確保するために、非水系溶媒を使用せずに、電解質をガラスセラミックス製の固体材料であるLi2S−P25から形成する、いわゆるリチウム−硫黄系固体電解質を使用した全固体二次電池が提案されている(非特許文献1)。
Lithium secondary batteries have high voltage and high capacity, and are therefore widely used as power sources for mobile phones, digital cameras, video cameras, notebook computers, electric vehicles and the like. A lithium secondary battery that is generally distributed is a lithium ion secondary battery that uses a liquid electrolyte in which an electrolytic salt is dissolved in a non-aqueous solvent as an electrolyte. Since non-aqueous solvents contain a lot of flammable solvents, it is desired to ensure safety.
In order to ensure safety, an electrolyte is formed from Li 2 S—P 2 S 5, which is a solid material made of glass ceramics, without using a non-aqueous solvent. A solid secondary battery has been proposed (Non-Patent Document 1).

近年、電気自動車、ハイブリッド自動車等の自動車、太陽電池、風力発電等の発電装置等において、電力を貯蔵するためにリチウム二次電池の需要が増大している。しかし、リチウム二次電池は、埋蔵量が少なく、かつ産出地が偏在しているリチウムを使用するため、需要に供給が追いつかないという懸念があると共に、高コストであるという課題があった。
上記課題の観点から、Liに代えて資源量が豊富なMgを使用する全固体二次電池が提案されている(非特許文献2)。資源量の豊富さに加えて、それぞれの金属を負極に用いる場合に、二価のMgは一価のLiよりも単位体積当たりの充放電の理論容量を大きくできるという利点がある。この文献では、リチウム系固体電解質での知見を踏まえ、ガラスセラミックス製のMgS−P25−MgI2からなるマグネシウム−硫黄系固体電解質の物性が報告されている。
In recent years, demand for lithium secondary batteries has been increasing in order to store electric power in automobiles such as electric vehicles and hybrid vehicles, power generation devices such as solar cells and wind power generation. However, since the lithium secondary battery uses lithium that has a small reserve and is unevenly distributed, there are concerns that supply cannot catch up with demand, and there is a problem of high cost.
From the viewpoint of the above problem, an all-solid-state secondary battery that uses Mg with abundant resources instead of Li has been proposed (Non-Patent Document 2). In addition to the abundance of resources, when each metal is used for the negative electrode, divalent Mg has the advantage that the theoretical capacity of charge / discharge per unit volume can be larger than monovalent Li. In this document, the physical properties of a magnesium-sulfur solid electrolyte made of glass ceramics made of MgS—P 2 S 5 —MgI 2 are reported based on the knowledge of a lithium solid electrolyte.

M. Tatsumisago et.al., Funct.Mater.Lett., 1 (2008) 31M. Tatsumisago et.al., Funct. Mater. Lett., 1 (2008) 31 T. Yamanaka et.al., Solid State Ionics 262 (2014) 601-603T. Yamanaka et.al., Solid State Ionics 262 (2014) 601-603

非特許文献2では、200℃において、10-7Scm-1オーダーの比較的高い導電率が得られている。しかしながら、この導電率でも十分ではなく、更なる導電率の向上が望まれている。 In Non-Patent Document 2, a relatively high conductivity of the order of 10 −7 Scm −1 is obtained at 200 ° C. However, this conductivity is not sufficient, and further improvement in conductivity is desired.

非特許文献1でのリチウム−硫黄系固体電解質であるガラスセラミックス製のLi2S−P25は、比較的高い導電率が得られている。この知見を踏まえて、非特許文献2では、MgSにP25を添加し、次いで熱処理してガラスセラミックス状態とすることで、高い導電率の実現が試みられている。ところで、全固体二次電池用のマグネシウム−硫黄系固体電解質は、最近研究され出した新しい材料であるため、非特許文献1の知見を適用すること自体が適切であるかどうか定かではないのが現状である。
そこで、本発明の発明者等は、マグネシウム−硫黄系固体電解質用の材料を一から見直したところ、P25の不存在下において、MgSとハロゲン化マグネシウムとを組み合わせることで、非特許文献2で報告されている10-7Scm-1オーダーを超える10-6Scm-1オーダーの高い導電率が得られることを意外にも見い出すことで本発明に至った。
Li 2 S—P 2 S 5 made of glass ceramics, which is a lithium-sulfur based solid electrolyte in Non-Patent Document 1, has a relatively high conductivity. Based on this knowledge, Non-Patent Document 2 attempts to achieve high electrical conductivity by adding P 2 S 5 to MgS and then heat-treating it into a glass ceramic state. By the way, since the magnesium-sulfur-based solid electrolyte for an all-solid-state secondary battery is a new material that has recently been studied, it is unclear whether or not it is appropriate to apply the knowledge of Non-Patent Document 1. Currently.
Therefore, the inventors of the present invention reviewed the material for the magnesium-sulfur solid electrolyte from the beginning, and in the absence of P 2 S 5 , combined the MgS and the magnesium halide in the non-patent literature. Surprisingly, a high conductivity of the order of 10 −6 Scm −1 exceeding the 10 −7 Scm −1 order reported in 2 was obtained, and the present invention was achieved.

かくして本発明によれば、一般式(I):MgS−MgX2(XはF、Cl、Br及びIから選択されるハロゲン原子である)又はMgX2で示される全固体二次電池用固体電解質が提供される。
更に、本発明によれば、上記全固体二次電池用固体電解質の製造方法であって、
前記一般式(I):MgS−MgX2を与えるMgSとMgX2とを所定割合で含む原料混合物又はMgX2を所定割合で含む原料混合物をメカニカルミリング処理に付して処理物を得る工程と、前記処理物を200℃以上の温度で熱処理することで前記一般式(I):MgS−MgX2を得る工程とを含むことを特徴とする全固体二次電池用固体電解質の製造方法が提供される。
また、本発明によれば、正極、負極、及び前記正極と前記負極間に位置する固体電解質層とを少なくとも備え、前記固体電解質層が、上記全固体二次電池用固体電解質を含むことを特徴とする全固体二次電池が提供される。
Thus, according to the present invention, the solid electrolyte for an all-solid-state secondary battery represented by the general formula (I): MgS—MgX 2 (X is a halogen atom selected from F, Cl, Br and I) or MgX 2 Is provided.
Furthermore, according to the present invention, there is provided a method for producing the solid electrolyte for an all-solid secondary battery,
A step of subjecting the general formula (I): MgS-MgX 2 MgS and MgX 2 in a predetermined ratio or a raw material mixture containing MgX 2 in a predetermined ratio to mechanical milling to obtain a processed product; And a step of obtaining the general formula (I): MgS—MgX 2 by heat-treating the treated product at a temperature of 200 ° C. or higher. The
Further, according to the present invention, at least a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer positioned between the positive electrode and the negative electrode are provided, and the solid electrolyte layer includes the solid electrolyte for an all-solid secondary battery. An all-solid-state secondary battery is provided.

本発明によれば、リチウムの資源量に依存せず、高い導電率を有し、高容量の全固体二次電池を提供し得る固体電解質を提供できる。
また、MgX2が、MgBr2である場合、より高い導電率を有する全固体二次電池用固体電解質を提供できる。
また、MgX2が、50〜60モル%含まれる場合、より高い導電率を有する全固体二次電池用固体電解質を提供できる。
本発明の全固体二次電池用固体電解質の製造方法によれば、メカニカルミリング処理と熱処理という簡便な方法で、リチウムの資源量に依存しない、高い導電率を有する固体電解質を提供できる。
本発明の全固体二次電池は、高い導電率を有するマグネシウムを含む固体電解質層を使用するため、高容量化を、リチウムの資源量に依存せず、実現可能である。
According to the present invention, it is possible to provide a solid electrolyte that can provide a high-capacity all-solid-state secondary battery without depending on the amount of lithium resources.
Further, MgX 2 is the case of MgBr 2, it can provide an all-solid secondary battery solid electrolyte having a higher conductivity.
Further, MgX 2 If the contained 50-60 mol%, can provide an all-solid secondary battery solid electrolyte having a higher conductivity.
According to the method for producing a solid electrolyte for an all-solid-state secondary battery of the present invention, it is possible to provide a solid electrolyte having high conductivity that does not depend on the amount of lithium resources by a simple method of mechanical milling and heat treatment.
Since the all-solid-state secondary battery of the present invention uses a solid electrolyte layer containing magnesium having high electrical conductivity, it is possible to achieve a high capacity without depending on the amount of lithium resources.

実施例1の50MgS−50MgBr2の熱処理前のXRDパターンである。It is an XRD pattern before the heat treatment of 50MgS-50MgBr 2 of Example 1. 実施例1のMgBr2の熱処理前のXRDパターンである。It is an XRD pattern before the heat treatment of MgBr 2 in Example 1. 実施例1の50MgS−50MgBr2の熱処理前のラマンスペクトルである。Is a Raman spectrum before the heat treatment 50MgS-50MgBr 2 of Example 1. 実施例1の50MgS−50MgBr2の熱処理後のXRDパターンである。It is an XRD pattern after heat treatment 50MgS-50MgBr 2 of Example 1. 実施例1の50MgS−50MgBr2とMgBr2の熱処理後のインピーダンスプロットである。 2 is an impedance plot after heat treatment of 50MgS-50MgBr 2 and MgBr 2 in Example 1. FIG. 実施例1の50MgS−50MgBr2とMgBr2の加熱及び冷却サイクル中の導電率を示すグラフである。Is a graph showing the heating and conductivity in the cooling cycle of 50MgS-50MgBr 2 and MgBr 2 of Example 1. 実施例1の50MgS−50MgBr2とMgBr2の熱処理後の直流分極時の電流値のプロットである。4 is a plot of current values during direct current polarization after heat treatment of 50MgS-50MgBr 2 and MgBr 2 in Example 1. FIG. 実施例2のMgS−MgBr2とMgBr2の熱処理前のXRDパターンである。It is an XRD pattern before the heat treatment of MgS-MgBr 2 and MgBr 2 of Example 2. 実施例2のMgS−MgBr2の熱処理前のラマンスペクトルである。It is a Raman spectrum before the heat treatment of MgS-MgBr 2 of Example 2. 実施例2のMgS−MgBr2の熱処理後のXRDパターンである。4 is an XRD pattern after heat treatment of MgS—MgBr 2 of Example 2. 実施例2のMgS−MgBr2の熱処理後のラマンスペクトルである。It is a Raman spectrum after heat treatment of MgS-MgBr 2 of Example 2. 実施例2のMgS−MgBr2のモル比と導電率の関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the molar ratio of MgS—MgBr 2 and the conductivity in Example 2.

(全固体二次電池用固体電解質)
本発明の固体電解質は、一般式(I):MgS−MgX2(XはF、Cl、Br及びIから選択されるハロゲン原子である)又はMgX2で表される。具体的には、MgF2、MgCl2、MgBr2、MgI2、MgS−MgF2、MgS−MgCl2、MgS−MgBr2、MgS−MgI2が挙げられる。この内、MgS−MgBr2が特に好ましい。更にMg(CF3SO3)2 やMg[N(SO2CF3)2]等の他のマグネシウム塩やイオン伝導性材料を加えてもよい。
(Solid electrolyte for all-solid-state secondary battery)
The solid electrolyte of the present invention is represented by the general formula (I): MgS—MgX 2 (X is a halogen atom selected from F, Cl, Br and I) or MgX 2 . Specifically, MgF 2, MgCl 2, MgBr 2, MgI 2, MgS-MgF 2, MgS-MgCl 2, MgS-MgBr 2, MgS-MgI 2 and the like. Of these, MgS—MgBr 2 is particularly preferable. Further, other magnesium salts such as Mg (CF 3 SO 3 ) 2 and Mg [N (SO 2 CF 3 ) 2 ] and ion conductive materials may be added.

MgS−MgX2は、MgS及びMgX2の合計に対して、40モル%より大きく、100モル%未満のMgX2を含む。この範囲であれば、より導電率を向上できる。また、MgX2は、50モル%、60モル%、70モル%、80モル%、90モル%、100モル%未満で含みうる。 MgS-MgX 2 is the total of MgS and MgX 2, greater than 40 mole%, including MgX 2 of less than 100 mol%. If it is this range, electrical conductivity can be improved more. Further, MgX 2 may be contained in less than 50 mol%, 60 mol%, 70 mol%, 80 mol%, 90 mol%, and 100 mol%.

固体電解質は、メカニカルミリング処理後においてMgBr2に由来するXRDパターン中のピークがブロードとなっていることが好ましい。ブロードとなる原因は不明であるが、導電率が向上した固体電解質のこれらピークは、ブロードとなっているため、向上に寄与する何らかの成分が発生していることが予想される。ブロードの程度は、例えば、2θで表される14°付近の(001)面、28°付近の(002)面、及び48°付近の(110)面のピークが、0.7°〜7.0°程度の半値幅を示す程度であることが好ましい。より好ましい半値幅は、1.2°〜4.5°である。メカニカルミリング処理後の試料を熱処理して最終品を得るが、その際得られた固体電解質の上記XRDピークの半値幅は、0.2°〜1.0°である。 The solid electrolyte preferably has a broad peak in the XRD pattern derived from MgBr 2 after mechanical milling. The cause of the broad is unknown, but since these peaks of the solid electrolyte with improved conductivity are broad, it is expected that some component contributing to the improvement is generated. As for the degree of broadness, for example, the peaks of the (001) plane near 14 ° represented by 2θ, the (002) plane near 28 °, and the (110) plane near 48 ° are 0.7 ° to 7 °. It is preferable that the half value width is about 0 °. A more preferable half width is 1.2 ° to 4.5 °. The sample after the mechanical milling treatment is heat-treated to obtain a final product, and the half width of the XRD peak of the solid electrolyte obtained at that time is 0.2 ° to 1.0 °.

更に、(002)面のピークの強度Aと(110)面のピークの強度Bとの比A/Bが、0.5〜2.5であることが好ましい。比A/Bがこの範囲となる原因は不明であるが、上記半値幅と同様、導電率の向上に寄与する何らかの成分が発生していることが予想される。原料のMgBr2の比A/Bが約25であることから、固体電解質中の比A/Bは導電率を向上させるための指標として利用可能であると推測される。より好ましい比A/Bは0.9〜2.0である。 Furthermore, the ratio A / B of the peak intensity A on the (002) plane and the peak intensity B on the (110) plane is preferably 0.5 to 2.5. The reason why the ratio A / B falls within this range is unknown, but it is expected that some component that contributes to the improvement of the conductivity is generated as in the case of the half width. Since the ratio A / B of the raw material MgBr 2 is about 25, it is estimated that the ratio A / B in the solid electrolyte can be used as an index for improving the electrical conductivity. A more preferable ratio A / B is 0.9 to 2.0.

(固体電解質の製造方法)
固体電解質の製造方法は、
(i)一般式(I):MgS−MgX2を与えるMgSとMgX2とを所定割合で含む原料混合物又はMgX2を所定割合で含む原料混合物をメカニカルミリング処理に付して処理物を得る工程
(ii)処理物を200℃以上の温度で熱処理することで一般式(I):MgS−MgX2を得る工程
とを含んでいる。
(Method for producing solid electrolyte)
The manufacturing method of the solid electrolyte is:
(I) General formula (I): A step of obtaining a processed product by subjecting a raw material mixture containing MgS and MgX 2 giving MgS—MgX 2 at a predetermined ratio or a raw material mixture containing MgX 2 at a predetermined ratio to a mechanical milling process. (Ii) A step of obtaining a general formula (I): MgS—MgX 2 by heat-treating the treated product at a temperature of 200 ° C. or higher.

(1)工程(i)
工程(i)におけるメカニカルミリング処理は、原料を十分混合できさえすれば、処理装置及び処理条件には特に限定されない。
処理装置としては、通常ボールミルが使用できる。ボールミルは、大きな機械的エネルギーが得られるため好ましい。ボールミルの中でも、遊星型ボールミルは、ポットが自転回転すると共に、台盤が公転回転するため、高い衝撃エネルギーを効率よく発生させることができるので、好ましい。
(1) Step (i)
The mechanical milling process in the step (i) is not particularly limited to the processing apparatus and the processing conditions as long as the raw materials can be sufficiently mixed.
As a processing apparatus, a ball mill can be used normally. A ball mill is preferable because large mechanical energy can be obtained. Among the ball mills, the planetary ball mill is preferable because the pot rotates and the base plate revolves and high impact energy can be generated efficiently.

処理条件は、使用する処理装置に応じて適宜設定できる。例えば、ボールミルを使用する場合、回転速度が大きいほど及び/又は処理時間が長いほど、原料を均一に混合・反応できる。なお、「及び/又は」は、A及び/又はBで表現すると、A、B又は、A及びBを意味する。具体的には、遊星型ボールミルを使用する場合、50〜700回転/分の回転速度、0.1〜50時間の処理時間、1〜100kWh/原料混合物1kgの条件が挙げられる。より好ましい処理条件としては、200〜600回転/分の回転速度、1〜20時間の処理時間、6〜50kWh/原料混合物1kgが挙げられる。   The processing conditions can be appropriately set according to the processing apparatus to be used. For example, when a ball mill is used, the raw materials can be mixed and reacted more uniformly as the rotational speed is higher and / or the treatment time is longer. Note that “and / or” means A, B, or A and B when expressed as A and / or B. Specifically, when a planetary ball mill is used, conditions of a rotation speed of 50 to 700 revolutions / minute, a treatment time of 0.1 to 50 hours, and 1 to 100 kWh / kg of a raw material mixture are exemplified. More preferable processing conditions include a rotation speed of 200 to 600 rotations / minute, a processing time of 1 to 20 hours, and 6 to 50 kWh / kg of a raw material mixture.

(2)工程(ii)
上記工程(i)で得られた処理物を、熱処理に付すことで、固体電解質を得る。この熱処理は、200℃以上の温度で行われる。この温度以上で行えば、導電率の良好な固体電解質を得やすいという利点がある。熱処理の温度は、200〜500℃の範囲であることが好ましい。なお、熱処理の温度は、XRDにおける結晶相の存在状態を考慮して決めることができる。
熱処理時間は、導電率の向上に十分な時間であり、熱処理温度が高いと短く、低いと長くなる。熱処理時間は、通常、0.1〜10時間の範囲である。
(2) Step (ii)
A solid electrolyte is obtained by subjecting the treated product obtained in the step (i) to a heat treatment. This heat treatment is performed at a temperature of 200 ° C. or higher. If it is performed at a temperature higher than this, there is an advantage that a solid electrolyte having good conductivity can be easily obtained. It is preferable that the temperature of heat processing is the range of 200-500 degreeC. Note that the temperature of the heat treatment can be determined in consideration of the existence state of the crystal phase in XRD.
The heat treatment time is sufficient for improving the electrical conductivity, and is short when the heat treatment temperature is high and long when the heat treatment temperature is low. The heat treatment time is usually in the range of 0.1 to 10 hours.

(全固体二次電池)
全固体二次電池は、特に限定されないが、通常、正極、負極、及び正極と負極間に位置する固体電解質層とを少なくとも備えている。
(1)固体電解質層
固体電解質層には、上記固体電解質(MgS−MgX2)が含まれる。固体電解質層の厚さは、1〜1000μmであることが好ましく、1〜200μmであることがより好ましい。固体電解質層は、例えば、その原料をプレスすることで、ペレット状として得ることができる。
(All-solid secondary battery)
The all solid state secondary battery is not particularly limited, but usually includes at least a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer located between the positive electrode and the negative electrode.
(1) The solid electrolyte layer a solid electrolyte layer includes the solid electrolyte (MgS-MgX 2) is. The thickness of the solid electrolyte layer is preferably 1 to 1000 μm, and more preferably 1 to 200 μm. The solid electrolyte layer can be obtained as a pellet by pressing the raw material, for example.

(2)正極
正極は、特に限定されない。負極は、負極活物質のみからなっていてもよく、結着剤、導電剤、電解質等と混合されていてもよい。
正極活物質としては、V25、MnO2、MgFeSiO4、MgCo24、Mo68、NiS等の種々の遷移金属化合物等が挙げられる。
結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン等が挙げられる。
(2) Positive electrode A positive electrode is not specifically limited. The negative electrode may be composed of only the negative electrode active material, and may be mixed with a binder, a conductive agent, an electrolyte, and the like.
Examples of the positive electrode active material include various transition metal compounds such as V 2 O 5 , MnO 2 , MgFeSiO 4 , MgCo 2 O 4 , Mo 6 S 8 , and NiS.
Examples of the binder include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polymethyl methacrylate, and polyethylene.

導電剤としては、天然黒鉛、人工黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、デンカブラック、カーボンブラック、気相成長カーボンファィバ(VGCF)等が挙げられる。
電解質としては、固体電解質層に使用される電解質が挙げられる。
正極は、例えば、正極活物質及び、任意に結着剤、導電剤、電解質等を混合し、得られた混合物をプレスすることで、ペレット状として得ることができる。
正極は、アルミニウム又は銅等の集電体の上に形成されていてもよい。
Examples of the conductive agent include natural graphite, artificial graphite, acetylene black, ketjen black, Denka black, carbon black, vapor grown carbon fiber (VGCF) and the like.
Examples of the electrolyte include an electrolyte used for a solid electrolyte layer.
The positive electrode can be obtained as a pellet by, for example, mixing a positive electrode active material and optionally a binder, a conductive agent, an electrolyte, and the like, and pressing the obtained mixture.
The positive electrode may be formed on a current collector such as aluminum or copper.

(3)負極
負極は、特に限定されない。負極は、負極活物質のみからなっていてもよく、結着剤、導電剤、電解質等と混合されていてもよい。
負極活物質としては、Mg、In、Sn等の金属、Mg合金、ハードカーボン、TiO2、SnO等の種々の遷移金属酸化物等が挙げられる。
結着剤、導電剤及び電解質は、上記正極の欄で挙げた物をいずれも使用できる。
(3) Negative electrode A negative electrode is not specifically limited. The negative electrode may be composed of only the negative electrode active material, and may be mixed with a binder, a conductive agent, an electrolyte, and the like.
Examples of the negative electrode active material include metals such as Mg, In, and Sn, various transition metal oxides such as Mg alloy, hard carbon, TiO 2 , and SnO.
As the binder, the conductive agent, and the electrolyte, any of those mentioned in the column of the positive electrode can be used.

負極は、例えば、負極活物質及び、任意に結着剤、導電剤、電解質等を混合し、得られた混合物をプレスすることで、ペレット状として得ることができる。また、負極活物質として金属又はその合金からなる金属シート(箔)を使用する場合、をそのまま使用可能である。
負極は、アルミニウム又は銅等の集電体の上に形成されていてもよい。
(4)全固体二次電池の製造法
全固体二次電池は、例えば、正極と、電解質層と、負極とを積層し、プレスすることにより得ることができる。
The negative electrode can be obtained in the form of pellets by, for example, mixing a negative electrode active material and optionally a binder, a conductive agent, an electrolyte, and the like, and pressing the obtained mixture. Moreover, when using the metal sheet (foil) which consists of a metal or its alloy as a negative electrode active material, can be used as it is.
The negative electrode may be formed on a current collector such as aluminum or copper.
(4) Manufacturing method of all-solid-state secondary battery An all-solid-state secondary battery can be obtained by, for example, laminating and pressing a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode.

以下、実施例によって本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらによりなんら制限されるものではない。
実施例1
工程(i):メカニカルミリング処理
MgS(アルドリッチ社製純度99%)及びMgBr2(アルドリッチ社製純度99%)を50:50のモル比で遊星型ボールミルに投入した。投入後、メカニカルミリング処理することで、50MgS−50MgBr2を得た。メカニカルミリング処理時間を5時間、10時間及び20時間とした3試料を用意した。加えて、MgS及びMgBr2を乳鉢にて混合し、メカニカルミリング処理に付さない試料を用意した。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
Example 1
Step (i): Mechanical milling treatment MgS (purity 99% manufactured by Aldrich) and MgBr 2 (purity 99% manufactured by Aldrich) were charged into a planetary ball mill at a molar ratio of 50:50. After the addition, 50MgS-50MgBr 2 was obtained by mechanical milling. Three samples were prepared with mechanical milling time of 5 hours, 10 hours and 20 hours. In addition, MgS and MgBr 2 were mixed in a mortar to prepare a sample that was not subjected to mechanical milling.

また、MgBr2のみを50MgS−50MgBr2と同じ条件で20時間のメカニカルミリング処理に付した試料を用意した。MgBr2のみについても、メカニカルミリング処理に付さない試料を用意した。
遊星型ボールミルは、Fritsch社製Pulverisette P−7を使用し、ポット及びボールはZrO2製であり、45mlのポット内に直径4mmのボールが500個入っているミルを使用した。メカニカルミリング処理は、510rpmの回転速度、室温、乾燥窒素グローブボックス内で行った。
In addition, a sample was prepared in which only MgBr 2 was subjected to mechanical milling treatment for 20 hours under the same conditions as 50MgS-50MgBr 2 . For MgBr 2 alone, a sample not subjected to mechanical milling was prepared.
As the planetary ball mill, Pulverisette P-7 manufactured by Fritsch was used, and the pot and balls were made of ZrO 2 , and a mill containing 500 balls of 4 mm in diameter in a 45 ml pot was used. The mechanical milling process was performed in a rotation speed of 510 rpm, room temperature, and a dry nitrogen glove box.

なお、上記メカニカルミリング処理は、Akitoshi Hayashi et al., Journal of Non−Crystalline Solids 356 (2010) 2670−2673のExperimentalの記載に準じている。
上記6種の試料をプレス(圧力370MPa/cm2)することで直径10mm、厚さ約1mmのペレットとした。
Note that the mechanical milling process is performed according to Akitoshi Hayashi et al. , Journal of Non-Crystalline Solids 356 (2010) 2670-2673.
The above six samples were pressed (pressure 370 MPa / cm 2 ) to form pellets having a diameter of 10 mm and a thickness of about 1 mm.

50MgS−50MgBr2の4種の試料のXRDパターンを図1に、MgBr2のみの2種の試料のXRDパターンを図2に示す。図1及び2中、MM0h、MM5h、MM10h及びMM20hは、それぞれ、メカニカルミリング処理に、付さない、5時間、10時間及び20時間付したことを意味する。図1の下部にMgS及びMgBr2のXRDパターン、図2の下部にMgBr2のXRDパターンを記載している。図1及び2中、○はMgSに対応するピークを、▲はMgBr2に対応するピークを、◇は対応不明なピークを意味する。 The four samples of the XRD patterns of 50MgS-50MgBr 2 in FIG. 1, showing the two samples of the XRD patterns of only MgBr 2 in FIG. 1 and 2, MM0h, MM5h, MM10h, and MM20h mean that 5 hours, 10 hours, and 20 hours, which are not attached to the mechanical milling process, are applied. The XRD pattern of MgS and MgBr 2 is described in the lower part of FIG. 1, and the XRD pattern of MgBr 2 is described in the lower part of FIG. 1 and 2, ◯ means a peak corresponding to MgS, ▲ means a peak corresponding to MgBr 2 , and ◇ means a peak whose correspondence is unknown.

図1から、メカニカルミリング処理付さない場合のXRDパターンは、MgS及びMgBr2の単なる合計であるが、メカニカルミリング処理付すことでMgBr2に対応するピークがブロード化していることが分かる。このブロード化は、MgBr2のXRDパターンを示す図2からも分かる。
メカニカルミリング処理に20時間付した試料のラマンスペクトルを図3に示す。図3では、下部に示されているMgS及びMgBr2単独のスペクトルに由来するピークが観測されている。
From FIG. 1, it can be seen that the XRD pattern without mechanical milling is simply the sum of MgS and MgBr 2 , but the peak corresponding to MgBr 2 is broadened by applying mechanical milling. This broadening can also be seen from FIG. 2, which shows the XRD pattern of MgBr 2 .
FIG. 3 shows the Raman spectrum of a sample subjected to mechanical milling for 20 hours. In FIG. 3, peaks derived from the spectrum of MgS and MgBr 2 alone shown at the bottom are observed.

工程(ii):熱処理
上記6種の試料から、メカニカルミリング処理を20時間行った50MgS−50MgBr2及びMgBr2のみの2試料について、室温(25℃)から400℃に向かって加熱し、更に、400℃に達してから、室温に向かって冷却した。図4に50MgS−50MgBr2の試料についての熱処理前後のXRDパターンを示す。図4の下部にMgO、MgS及びMgBr2のXRDパターンを記載している。図4中、●MgOに対応するピークを、○はMgSに対応するピークを、▲はMgBr2に対応するピークを、◇は対応不明なピークを意味する。
Step (ii): From a heat treatment above six samples, the two samples of the mechanical milling process only 20 hours 50MgS-50MgBr 2 and MgBr 2 was performed, and heated towards 400 ° C. from room temperature (25 ° C.), further, After reaching 400 ° C., it was cooled to room temperature. Figure 4 shows the front and rear of the XRD patterns heat treatment for the samples of 50MgS-50MgBr 2. The XRD pattern of MgO, MgS, and MgBr 2 is shown in the lower part of FIG. In FIG. 4, the peak corresponding to ● MgO, the circle represents the peak corresponding to MgS, the triangle represents the peak corresponding to MgBr 2 , and the triangle represents an unknown peak.

図4から、熱処理によりMgBr2に帰属するピークの強度が強くなったことが分かる。これは、メカニカルミリング処理により一部非晶質化した試料中のMgBr2成分が、熱処理によって再び結晶化したためであると推測される。なお、14°付近、28°付近及び48°付近のピークの半値幅は、0.50°、0.92°及び0.44°であり、28°付近のピークの強度Aと48°付近のピークの強度Bとの比A/Bは、0.95であった。 FIG. 4 shows that the intensity of the peak attributed to MgBr 2 is increased by the heat treatment. This is presumably because the MgBr 2 component in the sample partially amorphized by the mechanical milling process was recrystallized by the heat treatment. The full widths at half maximum of the peaks near 14 °, 28 ° and 48 ° are 0.50 °, 0.92 ° and 0.44 °, and the peak intensity A near 28 ° is about 48 °. The ratio A / B with the peak intensity B was 0.95.

熱処理後の2試料において、図5(a)に50MgS−50MgBr2の325℃時の、図5(b)にMgBr2の360℃時の加熱時の交流インピーダンスプロットを示す。交流インピーダンスの測定は、試料をステンレス鋼板に挟み込んだセルに対して行い、測定条件は、印加電圧50mV、周波数は0.01Hz〜1MHzとした。これら図には、いずれも低周波側にイオンブロッキング挙動由来のスパイクが見られている。従って、両試料ともイオン伝導体であると推察される。 In 2 samples after the heat treatment, FIGS. 5 (a) to the 50MgS-50MgBr 2 of 325 ° C. during shows AC impedance plots at the time of heating of 360 ° C. during the MgBr 2 in Figure 5 (b). The measurement of AC impedance was performed on a cell in which the sample was sandwiched between stainless steel plates, and the measurement conditions were an applied voltage of 50 mV and a frequency of 0.01 Hz to 1 MHz. In these figures, spikes derived from the ion blocking behavior are seen on the low frequency side. Therefore, it is inferred that both samples are ionic conductors.

更に、上記2試料について、室温から400℃に向かって加熱し、更に、400℃に達してから、室温に向かって冷却する加熱及び冷却サイクル中、約15℃毎に、試料の導電率を測定した。測定結果を図6(a)及び(b)に示す。図中、●は加熱時、○は冷却時のプロットである。   Further, for the above two samples, the conductivity of the sample is measured about every 15 ° C. during the heating and cooling cycle in which the sample is heated from room temperature to 400 ° C. and then cooled to room temperature after reaching 400 ° C. did. The measurement results are shown in FIGS. 6 (a) and (b). In the figure, ● is a plot during heating, and ○ is a plot during cooling.

図6(a)から、50MgS−50MgBr2は冷却時の導電率が、加熱時とは異なる挙動を示している。この挙動の相違は、例えば、200℃における導電率は、加熱時には7.3×10-7Scm-1であり、冷却時には9.0×10-6Scm-1であり、異なっていることがからも分かる。一方、図6(b)から、MgBr2は、冷却時と加熱時の導電率がほぼ同じ挙動を示している。この結果から、50MgS−50MgBr2の試料については、加熱により導電率を向上させ得る構造の不可逆な変化が生じていると推察される。なお、2試料について、再度加熱及び冷却サイクルに付したところ、50MgS−50MgBr2の試料は、加熱時と冷却時共、図6(a)の冷却時と同じ挙動を示し、MgBr2の試料は、加熱時と冷却時共、図6(b)と同じ挙動を示した。この結果からも、50MgS−50MgBr2の試料については、加熱により導電率を向上させ得る構造の不可逆な変化が生じていると推察される。 Figures 6 (a), 50MgS-50MgBr 2 the conductivity at the time of cooling, show different behavior from that during heating. The difference in behavior is, for example, that the conductivity at 200 ° C. is 7.3 × 10 −7 Scm −1 during heating and 9.0 × 10 −6 Scm −1 during cooling. You can see from On the other hand, from FIG. 6 (b), MgBr 2 shows a behavior with substantially the same conductivity during cooling and heating. The results for the sample of 50MgS-50MgBr 2, irreversible changes in the structure capable of improving the conductivity by heating is presumed to have occurred. Note that two samples, was subjected to re-heating and cooling cycles, samples 50MgS-50MgBr 2, the heating time and cooling time both showed the same behavior as when cooling of FIG. 6 (a), a sample of MgBr 2 is The same behavior as in FIG. 6B was exhibited during heating and cooling. This result also for samples of 50MgS-50MgBr 2, irreversible changes in the structure capable of improving the conductivity by heating is presumed to have occurred.

熱処理後の2試料において、図7(a)に熱処理後の50MgS−50MgBr2の330℃加熱時の、図7(b)に熱処理後のMgBr2の365℃加熱時の直流分極時の電流値のプロットを示す。電流値の測定条件は、一対のステンレス極に2試料をそれぞれ挟み、印加電圧を0.1Vとし、印加時間を50MgS−50MgBr2について3600秒、MgBr2について3000秒とした。両試料共、電圧印加初期に急激な分極が生じた。図7(a)から入手した50MgS−50MgBr2の定常電流値(2.7×10-6A)と、交流インピーダンス法とから、トータルの電気伝導度が2.9×10-5Scm-1、電子伝導度が2.5×10-6Scm-1と算出され、その結果イオン伝導度が2.5×10-5Scm-1であった。50MgS−50MgBr2の全伝導度(電気伝導度)に占めるイオン伝導度の割合は約90%となり、固体電解質として有用であることが分かる。図7(a)と同様に、図7(b)から入手したMgBr2の定常電流値(9.0×10-6A)と、交流インピーダンス法とから、全伝導度に占めるイオン伝導度の割合を算出したところ約40%であり、電子伝導度の割合が大きいことが分かる。 In two samples after the heat treatment, FIG. 7A shows the current value during direct current polarization of the heat-treated 50MgS-50MgBr 2 when heated at 330 ° C. and FIG. 7B shows the heat-treated MgBr 2 when heated at 365 ° C. A plot of is shown. The current value was measured under the condition that two samples were sandwiched between a pair of stainless steel electrodes, the applied voltage was 0.1 V, and the application time was 3600 seconds for 50MgS-50MgBr 2 and 3000 seconds for MgBr 2 . In both samples, rapid polarization occurred in the initial stage of voltage application. From the steady-state current value (2.7 × 10 −6 A) of 50MgS-50MgBr 2 obtained from FIG. 7A and the AC impedance method, the total electric conductivity is 2.9 × 10 −5 Scm −1. The electron conductivity was calculated to be 2.5 × 10 −6 Scm −1, and as a result, the ionic conductivity was 2.5 × 10 −5 Scm −1 . The proportion of the ionic conductivity to the total conductivity (electrical conductivity) of 50MgS-50MgBr 2 rose to about 90%, is found to be useful as a solid electrolyte. Similarly to FIG. 7 (a), the ionic conductivity of the total conductivity is calculated from the steady-state current value (9.0 × 10 −6 A) of MgBr 2 obtained from FIG. 7 (b) and the AC impedance method. When the ratio is calculated, it is about 40%, which shows that the ratio of electron conductivity is large.

実施例2
工程(i):メカニカルミリング処理
MgS及びMgBr2を60:40、40:60及び30:70のモル比とすること以外は実施例1と同様に20時間のメカニカルミリング処理に付して3種のMgS−MgBr2の試料(ペレット)を得た。
Example 2
Step (i): the mechanical milling MgS and MgBr 2 60: 40,40: 60 and three subjected to mechanical milling process similarly 20 hours as in Example 1 except that the molar ratio of 30:70 A sample (pellet) of MgS-MgBr 2 was obtained.

3種の試料のXRDパターンを図8に示す。図8には、図1の50MgS−50MgBr2のメカニカルミリング処理10時間と20時間のXRDパターン及びMgBr2のみのメカニカルミリング処理20時間のXRDパターンも記載する。図8中、xはMgBr2のモル比を意味し、MM10hは、メカニカルミリング処理に10時間付したことを意味する。図8の下部にMgS及びMgBr2のXRDパターンを記載している。図8中、○はMgSに対応するピークを、▲はMgBr2に対応するピークを、◇は対応不明なピークを意味する。 The XRD patterns of the three types of samples are shown in FIG. FIG. 8 also shows the 10-hour and 20-hour XRD patterns of 50MgS-50MgBr 2 of FIG. 1 and the 20-hour XRD pattern of mechanical milling treatment of only MgBr 2 . In FIG. 8, x means the molar ratio of MgBr 2 , and MM10h means that the mechanical milling process was performed for 10 hours. The XRD pattern of MgS and MgBr 2 is shown in the lower part of FIG. In FIG. 8, ◯ means a peak corresponding to MgS, ▲ means a peak corresponding to MgBr 2 , and ◇ means a peak whose correspondence is unknown.

図8から、メカニカルミリング処理に付すことでどのモル比でもMgBr2に対応するピークがブロード化していることが分かる。また、モル比が50:50〜30:70の範囲で、下部に示されているMgS及びMgBr2単独のスペクトルに帰属しないピークが見られる。
3種の試料のラマンスペクトルを図9に示す。図9には、図3の50MgS−50MgBr2のラマンスペクトルも記載する。図9では、下部に示されているMgS及びMgBr2単独のスペクトルに由来するピークが観測されている。
From FIG. 8, it can be seen that the peak corresponding to MgBr 2 is broadened at any molar ratio by being subjected to the mechanical milling treatment. The molar ratio of 50: 50 to 30: in the range of 70 peaks not attributable to the spectrum of MgS and MgBr 2 alone are shown in the lower part is seen.
FIG. 9 shows the Raman spectra of the three samples. FIG. 9 also shows the Raman spectrum of 50MgS-50MgBr 2 in FIG. In FIG. 9, peaks derived from the spectra of MgS and MgBr 2 alone shown at the bottom are observed.

工程(ii):熱処理
上記3種の試料を実施例1と同様にして熱処理に付した。熱処理後の試料のXRDパターンを図10に示す。図10には、図4の50MgS−50MgBr2のXRDパターンも記載する。図10の下部にMgS及びMgBr2のXRDパターンを記載している。図10中、●MgOに対応するピークを、○はMgSに対応するピークを、▲はMgBr2に対応するピークを、◇は対応不明なピークを意味する。
Step (ii): Heat treatment The three types of samples were subjected to heat treatment in the same manner as in Example 1. FIG. 10 shows the XRD pattern of the sample after the heat treatment. FIG. 10 also shows the XRD pattern of 50MgS-50MgBr 2 in FIG. The XRD pattern of MgS and MgBr 2 is shown at the bottom of FIG. In FIG. 10, ● represents a peak corresponding to MgO, ◯ represents a peak corresponding to MgS, ▲ represents a peak corresponding to MgBr 2 , and ◇ represents an unknown peak.

図10から、熱処理によりMgBr2に帰属するピークの強度が強くなったことが分かる。これは、メカニカルミリング処理により一部非晶質化した試料中のMgBr2成分が、熱処理によって再び結晶化したためであると推測される。なお、モル比60:40について、14°付近、28°付近及び48°付近のピークの半値幅は、0.36°、1.28°及び0.44°であり、28°付近のピークの強度Aと48°付近のピークの強度Bとの比A/Bは、1.06であった。モル比40:60について、14°付近、28°付近及び48°付近のピークの半値幅は0.36°、0.55°及び0.36°であり、28°付近のピークの強度Aと48°付近のピークの強度Bとの比A/Bは、1.03であった。モル比30:70について、14°付近、28°付近及び48°付近のピークの半値幅は、0.30°、0.55°及び0.30°であり、28°付近のピークの強度Aと48°付近のピークの強度Bとの比A/Bは、1.04であった。また熱処理により、対応不明な◇のピークの強度が強くなったことが分かる。この◇のピークは、立方晶構造を有するMgS(○)のピークの低角側に位置しており、MgSのSの一部がBrで置換された、MgSよりも格子定数の大きな立方晶によるものと推測される。 FIG. 10 shows that the intensity of the peak attributed to MgBr 2 is increased by the heat treatment. This is presumably because the MgBr 2 component in the sample partially amorphized by the mechanical milling process was recrystallized by the heat treatment. For the molar ratio of 60:40, the half-widths of the peaks near 14 °, 28 ° and 48 ° are 0.36 °, 1.28 ° and 0.44 °, and the peaks near 28 ° The ratio A / B between the intensity A and the intensity B of the peak around 48 ° was 1.06. For the molar ratio 40:60, the full widths at half maximum of the peaks near 14 °, 28 ° and 48 ° are 0.36 °, 0.55 ° and 0.36 °, and the peak intensity A around 28 ° The ratio A / B with the intensity B of the peak in the vicinity of 48 ° was 1.03. For the molar ratio 30:70, the full widths at half maximum of the peaks near 14 °, 28 ° and 48 ° are 0.30 °, 0.55 ° and 0.30 °, and the intensity A of the peak near 28 ° And the ratio A / B of the intensity B of the peak in the vicinity of 48 ° was 1.04. In addition, it can be seen that the intensity of the ◇ peak, which is unknown, has increased due to the heat treatment. This peak of ◇ is located on the lower angle side of the peak of MgS (◯) having a cubic structure, and is due to a cubic crystal having a larger lattice constant than MgS in which a part of S of MgS is replaced with Br. Presumed to be.

上記3種の試料及び50MgS−50MgBr2のラマンスペクトルを図11に示す。図11の下部にMgS及びMgBr2のラマンスペクトルを記載している。熱処理前に存在していた220cm-1付近のピークが消失していることが確認される。MgS及びMgBr2に由来するピーク以外のピークは特に観察されていない。 Raman spectra of the samples and 50MgS-50MgBr 2 of the three shown in Figure 11. The Raman spectra of MgS and MgBr 2 are shown at the bottom of FIG. It is confirmed that the peak around 220 cm −1 that existed before the heat treatment disappeared. No peaks other than those derived from MgS and MgBr 2 are observed.

上記3種の試料についても、実施例1と同様に、インピーダンスプロットと加熱及び冷却サイクル中の試料の導電率の変化とを確認したところ、図5(a)及び図6(a)の50MgS−50MgBr2と同様の傾向を示すことを確認した。
図12にモル比と導電率との関係を示す。図中、●は加熱時、○は冷却時のプロットである。図12から、MgBr2が50モル%付近で導電率が極大を示すことが分かる。
Also for the above three types of samples, as in Example 1, the impedance plot and the change in the conductivity of the sample during the heating and cooling cycle were confirmed. As a result, the 50 MgS − in FIG. 5A and FIG. it was confirmed that shows the same tendency as 50MgBr 2.
FIG. 12 shows the relationship between the molar ratio and the electrical conductivity. In the figure, ● is a plot during heating, and ○ is a plot during cooling. From FIG. 12, it can be seen that the conductivity is maximum when MgBr 2 is around 50 mol%.

Claims (5)

一般式(I):MgS−MgX2(XはF、Cl、Br及びIから選択されるハロゲン原子である)又はMgX2で示される全固体二次電池用固体電解質。 A solid electrolyte for an all-solid-state secondary battery represented by the general formula (I): MgS—MgX 2 (X is a halogen atom selected from F, Cl, Br and I) or MgX 2 . 前記MgX2が、MgBr2である請求項1に記載の全固体二次電池用固体電解質。 The solid electrolyte for an all-solid-state secondary battery according to claim 1, wherein the MgX 2 is MgBr 2 . 前記MgX2が、50〜60モル%含まれる請求項1又は2に記載の全固体二次電池用固体電解質。 The solid electrolyte for an all-solid-state secondary battery according to claim 1, wherein the MgX 2 is contained in an amount of 50 to 60 mol%. 請求項1〜3のいずれか1つに記載の全固体二次電池用固体電解質の製造方法であって、
前記一般式(I):MgS−MgX2を与えるMgSとMgX2とを所定割合で含む原料混合物又はMgX2を所定割合で含む原料混合物をメカニカルミリング処理に付して処理物を得る工程と、前記処理物を200℃以上の温度で熱処理することで前記一般式(I):MgS−MgX2を得る工程とを含むことを特徴とする全固体二次電池用固体電解質の製造方法。
A method for producing a solid electrolyte for an all-solid-state secondary battery according to any one of claims 1 to 3,
A step of subjecting the general formula (I): MgS-MgX 2 MgS and MgX 2 in a predetermined ratio or a raw material mixture containing MgX 2 in a predetermined ratio to mechanical milling to obtain a processed product; And a step of obtaining the general formula (I): MgS—MgX 2 by heat-treating the treated product at a temperature of 200 ° C. or higher.
正極、負極、及び前記正極と前記負極間に位置する固体電解質層とを少なくとも備え、前記固体電解質層が、請求項1〜3のいずれか1つに記載の全固体二次電池用固体電解質を含むことを特徴とする全固体二次電池。   It comprises at least a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer positioned between the positive electrode and the negative electrode, and the solid electrolyte layer comprises the solid electrolyte for an all-solid-state secondary battery according to any one of claims 1 to 3. All-solid-state secondary battery characterized by including.
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