JP2017139188A - Method for suppressing temporal deterioration of ion conductor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for suppressing temporal deterioration generated after exposing an ion conductor containing LiBHand an alkali metal compound to a high temperature once.SOLUTION: According to an embodiment, there is provided a method for suppressing temporal deterioration of an ion conductor containing LiBHand an alkali metal compound represented by the following formula (1): MX (1), where M represents an alkali metal atom selected from a group consisting of a lithium atom, a rubidium atom and a cerium atom and X represents a halogen atom, by mixing the LiBHand the alkali metal compound at a molar ratio of LiBH:alkali metal compound=1:1 to 2.6:1.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、イオン伝導体の経時劣化を抑制する方法に関する。   The present invention relates to a method for suppressing deterioration of an ion conductor over time.

近年、携帯情報端末、携帯電子機器、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、更には定置型蓄電システムなどの用途において、リチウムイオン二次電池の需要が増加している。しかしながら、現状のリチウムイオン二次電池は、電解液として可燃性の有機溶媒を使用しており、有機溶媒が漏れないように強固な外装を必要とする。また、携帯型のパソコン等においては、万が一電解液が漏れ出した時のリスクに備えた構造を取る必要があるなど、機器の構造に対する制約も出ている。   In recent years, the demand for lithium ion secondary batteries has increased in applications such as portable information terminals, portable electronic devices, electric vehicles, hybrid electric vehicles, and stationary power storage systems. However, the current lithium ion secondary battery uses a flammable organic solvent as an electrolyte, and requires a strong exterior so that the organic solvent does not leak. In addition, in a portable personal computer or the like, there are restrictions on the structure of the device, such as the need to take a structure in preparation for the risk that the electrolyte should leak.

更には、自動車や飛行機等の移動体にまでその用途が広がり、定置型のリチウムイオン二次電池においては大きな容量が求められている。このような状況の下、安全性が従来よりも重視される傾向にあり、有機溶媒等の有害な物質を使用しない全固体リチウムイオン二次電池の開発に力が注がれている。   Furthermore, the use is extended to mobile bodies such as automobiles and airplanes, and a large capacity is required for stationary lithium ion secondary batteries. Under such circumstances, safety tends to be more important than before, and efforts are being made to develop all-solid lithium ion secondary batteries that do not use harmful substances such as organic solvents.

全固体リチウムイオン二次電池における固体電解質として、酸化物、リン酸化合物、有機高分子、硫化物等を使用することが検討されている。   The use of oxides, phosphate compounds, organic polymers, sulfides and the like as solid electrolytes in all solid-state lithium ion secondary batteries has been studied.

しかしながら、酸化物やリン酸化合物は、その粒子が堅いという特性を有する。従って、これらの材料を使用して固体電解質層を成形するには、一般的に600℃以上の高い温度での焼結を必要とし、手間がかかる。更には、固体電解質層の材料として酸化物やリン酸化合物を使用した場合、電極活物質との間の界面抵抗が大きくなってしまうという欠点も有する。有機高分子については、室温におけるリチウムイオン伝導度が低く、温度が下がると急激に伝導性が低くなるという欠点を有する。   However, oxides and phosphoric acid compounds have the property that the particles are hard. Therefore, in order to form a solid electrolyte layer using these materials, generally, sintering at a high temperature of 600 ° C. or higher is required, which is troublesome. Furthermore, when an oxide or a phosphoric acid compound is used as the material for the solid electrolyte layer, there is a disadvantage that the interfacial resistance with the electrode active material is increased. The organic polymer has a drawback that the lithium ion conductivity at room temperature is low and the conductivity rapidly decreases as the temperature decreases.

新しいリチウムイオン伝導性固体電解質に関しては、2007年に錯体水素化物固体電解質であるLiBHの高温相が高いリチウムイオン伝導性を有することが報告された(非特許文献1)。LiBHは密度が小さく、これを固体電解質として用いた場合には軽い電池を作製できる。また、LiBHは高温(例えば、約200℃)においても安定であるため、耐熱性の電池を作製することも可能である。 Regarding the new lithium ion conductive solid electrolyte, it was reported in 2007 that the high temperature phase of LiBH 4 which is a complex hydride solid electrolyte has high lithium ion conductivity (Non-patent Document 1). LiBH 4 has a low density, and when this is used as a solid electrolyte, a light battery can be produced. In addition, since LiBH 4 is stable even at a high temperature (for example, about 200 ° C.), a heat-resistant battery can be manufactured.

LiBHは、相転移温度である115℃未満において、リチウムイオン伝導度が大きく低下してしまうという問題がある。そこで、相転移温度である115℃未満においても高いリチウムイオン伝導性を有する固体電解質を得るべく、LiBHとアルカリ金属化合物とを組み合わせた固体電解質が提案されている。例えば、2009年には、LiBHにLiIを加えることによってできる固溶体が、室温においても高温相を保つことができることが報告された(非特許文献2および特許文献1)。また、この固溶体からなる錯体水素化物固体電解質は金属リチウムに対して安定であり、負極に金属リチウムを使用できることから、高容量な全固体電池を作製することができる(特許文献2および特許文献3)。 LiBH 4 has a problem that the lithium ion conductivity is greatly lowered at a phase transition temperature of less than 115 ° C. Therefore, in order to obtain a solid electrolyte having high lithium ion conductivity even at a phase transition temperature of less than 115 ° C., a solid electrolyte combining LiBH 4 and an alkali metal compound has been proposed. For example, in 2009, it was reported that a solid solution obtained by adding LiI to LiBH 4 can maintain a high-temperature phase even at room temperature (Non-patent Document 2 and Patent Document 1). Moreover, since the complex hydride solid electrolyte made of this solid solution is stable against metallic lithium and metal lithium can be used for the negative electrode, a high-capacity all-solid battery can be produced (Patent Document 2 and Patent Document 3). ).

特許第5187703号公報Japanese Patent No. 5187703 国際公開第2015−030052号International Publication No. 2015-030052 国際公開第2015−030053号International Publication No. 2015-030053

Applied Physics Letters(2007) 91、p.224103Applied Physics Letters (2007) 91, p. 224103 Journal of the American Chemical Society(2009)、131、p.894−895Journal of the American Chemical Society (2009), 131, p. 894-895

上記のとおり、LiBHとアルカリ金属化合物とを組み合わせた固体電解質は、115℃未満の温度においても高いリチウムイオン伝導度を示し、耐熱性にも優れる有望な固体電解質である。しかし、本発明者らは、このような固体電解質(あるいはイオン伝導体)を一旦高温に曝した後に室温に戻した場合、そのイオン伝導度が時間とともに大きく低下する場合があるという新たな課題を発見した。従って、本発明は、LiBHとアルカリ金属化合物とを含むイオン伝導体を一旦高温に曝した後に生じる経時劣化を抑制する方法を提供することを目的とする。 As described above, a solid electrolyte obtained by combining LiBH 4 and an alkali metal compound is a promising solid electrolyte that exhibits high lithium ion conductivity even at a temperature below 115 ° C. and is excellent in heat resistance. However, the present inventors have a new problem that when such a solid electrolyte (or ionic conductor) is once exposed to a high temperature and then returned to room temperature, its ionic conductivity may be greatly reduced with time. discovered. Therefore, an object of the present invention is to provide a method for suppressing deterioration with the lapse of time after an ionic conductor containing LiBH 4 and an alkali metal compound is once exposed to a high temperature.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、イオン伝導体に用いられる特定のLiBHとアルカリ金属化合物とを特定のモル比で混合することで、一旦高温に曝した後に室温に戻した場合のイオン伝導体の経時劣化を大幅に抑制することができるという予想外の知見を得た。本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors once exposed to high temperature by mixing specific LiBH 4 used for the ion conductor and an alkali metal compound at a specific molar ratio. As a result, the inventors have obtained an unexpected finding that the deterioration over time of the ionic conductor when the temperature is returned to room temperature can be significantly suppressed. The present invention has been completed based on such findings.

すなわち、本発明は、以下に記載する特徴を有するものである。
[1]LiBHと下記式(1):
MX (1)
[式(1)中、Mは、リチウム原子、ルビジウム原子およびセシウム原子からなる群より選択されるアルカリ金属原子を表し、Xは、ハロゲン原子を表す。]
で表されるアルカリ金属化合物とを含むイオン伝導体の経時劣化を抑制する方法であって、
前記LiBHと前記アルカリ金属化合物とを、LiBH:アルカリ金属化合物=1:1〜2.6:1のモル比で混合することによって前記イオン伝導体の経時劣化を抑制する、方法。
[2]前記イオン伝導体は、X線回折(CuKα:λ=1.5405Å)において、少なくとも、2θ=23.9±1.2deg、25.6±1.5deg、27.3±1.5deg、35.4±2.0degおよび42.2±2.0degに回折ピークを有する、[1]に記載の方法。
[3]前記アルカリ金属化合物は、ハロゲン化リチウムである、[1]または[2]に記載の方法。
[4]前記アルカリ金属化合物はヨウ化リチウムである、[3]に記載の方法。
[5]前記混合はメカニカルミリングによって行われる、[1]〜[4]のいずれかに記載の方法。
[6]150℃の温度に曝し、その後25℃まで冷却した時点で測定した前記イオン伝導体のイオン伝導度を第1のイオン伝導度とし、
前記25℃まで冷却した時点から、温度を25℃に維持して148時間経過した時点で測定した前記イオン伝導体のイオン伝導度を第2のイオン伝導度とした際、
下記式(2):
で示すイオン伝導度の維持率が45%以上である、[1]〜[5]のいずれかに記載の方法。
[7]前記混合の後に、前記イオン伝導体を90℃〜280℃の温度に曝し、その後25℃まで冷却することを含む、[1]〜[6]のいずれかに記載の方法。
[8]LiBHと下記式(1):
MX (1)
[式(1)中、Mは、リチウム原子、ルビジウム原子およびセシウム原子からなる群より選択されるアルカリ金属原子を表し、Xは、ハロゲン原子を表す。]
で表されるアルカリ金属化合物とを含み、
前記LiBHと前記アルカリ金属化合物とのモル比が、LiBH:アルカリ金属化合物=1:1〜2.6:1である、イオン伝導体。
[9]90℃〜280℃の温度に曝し、その後25℃で1日経過した後に、X線回折(CuKα:λ=1.5405Å)スペクトルにおいて、2θ=26.85±0.14degにおける最大回折強度が、2θ=26.60±0.10における最大回折強度よりも大きい、[8]に記載のイオン伝導体。
[10]150℃の温度に曝し、その後25℃まで冷却した時点で測定した前記イオン伝導体のイオン伝導度を第1のイオン伝導度とし、
前記25℃まで冷却した時点から、温度を25℃に維持して148時間経過した時点で測定した前記イオン伝導体のイオン伝導度を第2のイオン伝導度とした際、
下記式(2):
で示すイオン伝導度の維持率が45%以上である、[8]または[9]に記載のイオン伝導体。
[11][8]〜[10]のいずれかに記載のイオン伝導体を含む、全固体電池用固体電解質。
[12][11]に記載の全固体電池用固体電解質を使用した、全固体電池。
That is, the present invention has the characteristics described below.
[1] LiBH 4 and the following formula (1):
MX (1)
[In the formula (1), M represents an alkali metal atom selected from the group consisting of a lithium atom, a rubidium atom and a cesium atom, and X represents a halogen atom. ]
A method for suppressing deterioration over time of an ionic conductor comprising an alkali metal compound represented by
A method in which the LiBH 4 and the alkali metal compound are mixed at a molar ratio of LiBH 4 : alkali metal compound = 1: 1 to 2.6: 1 to suppress deterioration of the ion conductor with time.
[2] The ion conductor is at least 2θ = 23.9 ± 1.2 deg, 25.6 ± 1.5 deg, 27.3 ± 1.5 deg in X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.540540). The method according to [1], which has diffraction peaks at 35.4 ± 2.0 deg and 42.2 ± 2.0 deg.
[3] The method according to [1] or [2], wherein the alkali metal compound is lithium halide.
[4] The method according to [3], wherein the alkali metal compound is lithium iodide.
[5] The method according to any one of [1] to [4], wherein the mixing is performed by mechanical milling.
[6] The ionic conductivity of the ionic conductor measured when exposed to a temperature of 150 ° C. and then cooled to 25 ° C. is defined as a first ionic conductivity,
When the ionic conductivity of the ionic conductor measured at the time when 148 hours have passed after maintaining the temperature at 25 ° C. from the time of cooling to 25 ° C. is defined as the second ionic conductivity,
Following formula (2):
The method in any one of [1]-[5] whose maintenance rate of ionic conductivity shown by is 45% or more.
[7] The method according to any one of [1] to [6], comprising exposing the ion conductor to a temperature of 90 ° C. to 280 ° C. and then cooling to 25 ° C. after the mixing.
[8] LiBH 4 and the following formula (1):
MX (1)
[In the formula (1), M represents an alkali metal atom selected from the group consisting of a lithium atom, a rubidium atom and a cesium atom, and X represents a halogen atom. ]
And an alkali metal compound represented by
Molar ratio of the alkali metal compound and the LiBH 4 is, LiBH 4: alkali metal compound = 1: 1 to 2.6: 1, ion conductor.
[9] Maximum diffraction at 2θ = 26.85 ± 0.14 deg in an X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.5405Å) spectrum after exposure to a temperature of 90 ° C. to 280 ° C. and after 1 day at 25 ° C. The ionic conductor according to [8], wherein the intensity is larger than the maximum diffraction intensity at 2θ = 26.60 ± 0.10.
[10] The ionic conductivity of the ionic conductor measured when exposed to a temperature of 150 ° C. and then cooled to 25 ° C. is defined as a first ionic conductivity,
When the ionic conductivity of the ionic conductor measured at the time when 148 hours have passed after maintaining the temperature at 25 ° C. from the time of cooling to 25 ° C. is defined as the second ionic conductivity,
Following formula (2):
The ionic conductor according to [8] or [9], wherein the retention rate of ionic conductivity indicated by is at least 45%.
[11] A solid electrolyte for an all-solid battery, comprising the ionic conductor according to any one of [8] to [10].
[12] An all-solid battery using the solid electrolyte for an all-solid battery according to [11].

本発明によれば、一旦高温に曝した後に室温に戻した場合に生じるイオン伝導体の経時劣化を大幅に抑制する方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the method of suppressing the temporal deterioration of the ionic conductor produced when it returns to room temperature after once exposing to high temperature can be provided.

実施例1〜3および比較例1〜3で得たイオン伝導体のイオン伝導度を示す図。The figure which shows the ionic conductivity of the ion conductor obtained in Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3. 実施例1〜3および比較例1〜3で得たイオン伝導体の経時劣化を示す図。The figure which shows the time-dependent deterioration of the ion conductor obtained in Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3. 実施例1〜3および比較例1〜3で得たイオン伝導体の150℃に加熱前、加熱直後、および25℃で1日経過した後のXRDスペクトルを示す図[(a)実施例1、(b)実施例2、(c)実施例3、(d)比較例1、(e)比較例2、(f)比較例3]。The figure which shows the XRD spectrum of the ionic conductor obtained in Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3 before heating to 150 degreeC, immediately after a heating, and after 1 day passes at 25 degreeC [(a) Example 1, (B) Example 2, (c) Example 3, (d) Comparative Example 1, (e) Comparative Example 2, (f) Comparative Example 3]. イオン伝導体の加熱によるXRDスペクトルの回折ピーク位置の変化を示す図。The figure which shows the change of the diffraction peak position of the XRD spectrum by the heating of an ion conductor. LiBHとLiIをLiBH:LiI=2.5:1のモル比で混合して得たイオン伝導体(a)と3.0:1のモル比で混合して得たイオン伝導体(b)の、150℃に加熱する前後および、加熱後25℃で1日経過後のXRDスペクトルを示す図。Ion conductor (a) obtained by mixing LiBH 4 and LiI at a molar ratio of LiBH 4 : LiI = 2.5: 1 and ionic conductor obtained by mixing at a molar ratio of 3.0: 1 (b ) Shows XRD spectra before and after heating to 150 ° C. and after 1 day at 25 ° C. after heating.

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する材料、構成等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。   Embodiments of the present invention will be described below. The materials, configurations, and the like described below do not limit the present invention and can be variously modified within the scope of the gist of the present invention.

1.イオン伝導体の経時劣化を抑制する方法
本発明の1つの実施形態によると、LiBHと下記式(1):
MX (1)
[式(1)中、Mは、リチウム原子、ルビジウム原子およびセシウム原子からなる群より選択されるアルカリ金属原子を表し、Xは、ハロゲン原子を表す。]
で表されるアルカリ金属化合物とを、LiBH:アルカリ金属化合物=1:1〜2.6:1のモル比で混合することによってイオン伝導体の経時劣化を抑制する、方法が提供される。
1. Method for suppressing aging degradation of ionic conductor According to one embodiment of the present invention, LiBH 4 and the following formula (1):
MX (1)
[In the formula (1), M represents an alkali metal atom selected from the group consisting of a lithium atom, a rubidium atom and a cesium atom, and X represents a halogen atom. ]
Are mixed at a molar ratio of LiBH 4 : alkali metal compound = 1: 1 to 2.6: 1, to thereby suppress deterioration with time of the ionic conductor.

従来は、例えば特許第5187703号公報の実施例に記載のように、イオン伝導体を製造する際にアルカリ金属化合物1モルに対してLiBHを3モル以上の比で混合する方法が行われていた。しかし、このような比率でアルカリ金属化合物とLiBHを混合した場合、得られたイオン伝導体は、一旦高温に曝された後に室温でイオン伝導度が大きく経時劣化する恐れがある。これに対して、本発明による方法によれば、LiBHとアルカリ金属化合物とをLiBH:アルカリ金属化合物=1:1〜2.6:1のモル比で混合していることから、一旦高温に曝した後に室温に戻した場合に生じるイオン伝導体の経時劣化を大幅に抑制することができる。なお、本明細書において「イオン伝導体が高温に曝される」とは、イオン伝導体が高温状態を経ていれば特に限定されるものではなく、イオン伝導体を高温に至るまで加熱する場合や、イオン伝導体を固体電解質として使用した際に電池の反応によって高温となる場合も含むものとする。 Conventionally, for example, as described in Examples of Japanese Patent No. 5187703, a method of mixing LiBH 4 at a ratio of 3 mol or more with respect to 1 mol of an alkali metal compound when an ionic conductor is produced has been performed. It was. However, when the alkali metal compound and LiBH 4 are mixed in such a ratio, the obtained ionic conductor may have a high ionic conductivity at room temperature after being once exposed to a high temperature and may deteriorate with time. In contrast, according to the method of the present invention, LiBH 4 and the alkali metal compound are mixed at a molar ratio of LiBH 4 : alkali metal compound = 1: 1 to 2.6: 1. Deterioration with time of the ionic conductor that occurs when the temperature is returned to room temperature after exposure to water can be greatly suppressed. In the present specification, “the ionic conductor is exposed to a high temperature” is not particularly limited as long as the ionic conductor is in a high temperature state, and the ionic conductor is heated to a high temperature or In addition, when the ion conductor is used as a solid electrolyte, the case where the temperature becomes high due to the reaction of the battery is included.

本発明の方法に用いるLiBHとしては、通常に市販されているものを使用することができる。その純度は、90%以上であることが好ましく、95%以上であることがより好ましい。純度が上記範囲である化合物は、イオン伝導体としての性能が高いためである。また、固体の状態で市販されているLiBHを用いてもよく、THF等の溶媒に溶解した溶液の状態で市販されているLiBHを用いてもよい。なお、溶液の場合には、溶媒を除いた純度で90%以上であることが好ましく、95%以上であることがより好ましい。 As LiBH 4 used in the method of the present invention, a commercially available product can be used. Its purity is preferably 90% or more, and more preferably 95% or more. This is because a compound having a purity within the above range has high performance as an ion conductor. Moreover, LiBH 4 marketed in a solid state may be used, or LiBH 4 marketed in a solution state dissolved in a solvent such as THF may be used. In the case of a solution, the purity excluding the solvent is preferably 90% or more, and more preferably 95% or more.

上記式(1)におけるMとしてのアルカリ金属原子は、リチウム原子、ルビジウム原子およびセシウム原子からなる群より選択されるが、リチウム原子であることが好ましい。
上記式(1)におけるXとしてのハロゲン原子は、ヨウ素原子、臭素原子、フッ素原子、塩素原子等であってよい。Xは、ヨウ素原子であることがより好ましい。
The alkali metal atom as M in the formula (1) is selected from the group consisting of a lithium atom, a rubidium atom, and a cesium atom, and is preferably a lithium atom.
The halogen atom as X in the formula (1) may be an iodine atom, a bromine atom, a fluorine atom, a chlorine atom or the like. X is more preferably an iodine atom.

具体的には、アルカリ金属化合物は、ハロゲン化リチウム(例えば、LiI、LiBr、LiFまたはLiCl)、ハロゲン化ルビジウム(例えば、RbI、RbBr、RbFまたはRbCl)、あるいはハロゲン化セシウム(例えば、CsI、CsBr、CsFまたはCsCl)であることが好ましく、ヨウ化リチウム(LiI)、ヨウ化ルビジウム(RbI)またはヨウ化セシウム(CsI)であることがより好ましく、ヨウ化リチウム(LiI)であることが特に好ましい。アルカリ金属化合物は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。好ましい組合せとしては、LiIとRbIとの組合せが挙げられる。   Specifically, the alkali metal compound includes lithium halide (eg, LiI, LiBr, LiF or LiCl), rubidium halide (eg, RbI, RbBr, RbF or RbCl), or cesium halide (eg, CsI, CsBr). CsF or CsCl), lithium iodide (LiI), rubidium iodide (RbI) or cesium iodide (CsI) is more preferable, and lithium iodide (LiI) is particularly preferable. . An alkali metal compound may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. A preferred combination includes a combination of LiI and RbI.

LiBHとアルカリ金属化合物の混合比は、モル比で、LiBH:アルカリ金属化合物=1:1〜2.6:1であり、好ましくは1:1〜2.5:1であり、より好ましくは1:1〜2.3:1である。モル比が1:1以上であれば、イオン伝導体中のLiBHの量を十分に確保することができ、高いイオン伝導性を得ることができる。また、モル比が2.6:1以下であれば一旦高温に曝した後に室温に戻した場合に生じるイオン伝導体の経時劣化を大幅に抑制することができる。 The mixing ratio of LiBH 4 and the alkali metal compound is a molar ratio of LiBH 4 : alkali metal compound = 1: 1 to 2.6: 1, preferably 1: 1 to 2.5: 1, and more preferably. Is 1: 1 to 2.3: 1. When the molar ratio is 1: 1 or more, a sufficient amount of LiBH 4 in the ionic conductor can be secured, and high ionic conductivity can be obtained. In addition, when the molar ratio is 2.6: 1 or less, the deterioration over time of the ionic conductor that occurs when the temperature is once returned to room temperature after being exposed to a high temperature can be significantly suppressed.

2種以上のアルカリ金属化合物を併用する場合、その混合比は特に限定されない。例えば、LiIと他のアルカリ金属化合物(好ましくはRbIまたはCsI)とを併用する場合においては、LiIと他のアルカリ金属化合物とのモル比=1:1〜20:1であることが好ましく、5:1〜20:1であることがより好ましい。このような混合比とすることにより、高温相(高イオン伝導度の相)が維持されやすいためである。   When using 2 or more types of alkali metal compounds together, the mixing ratio is not particularly limited. For example, when LiI and another alkali metal compound (preferably RbI or CsI) are used in combination, the molar ratio between LiI and the other alkali metal compound is preferably 1: 1 to 20: 1. : More preferably, it is 1-20: 1. This is because the high temperature phase (phase with high ionic conductivity) can be easily maintained by setting the mixing ratio as described above.

LiBHとアルカリ金属化合物との混合方法は、イオン伝導体を製造できる限り特に限定されないが、例えば、メカニカルミリングや特許第5187703号公報に記載の溶融混合および溶媒を用いた混合方法(溶液混合)にて行うことができるが、その中でもメカニカルミリングが好ましい。 The mixing method of LiBH 4 and an alkali metal compound is not particularly limited as long as an ionic conductor can be produced. For example, mechanical mixing and a mixing method using a solvent and a solvent described in Japanese Patent No. 5187703 (solution mixing) Among them, mechanical milling is preferable.

溶媒を用いた混合方法は、材料を均一に混合することが可能であることから、イオン伝導体を大量に製造する場合に適している。更に、溶液混合は、溶融混合のように高い温度を必要とせず、溶媒の除去もLiBHが安定に存在できる200℃以下で実施することが可能である。なお、溶液混合において使用する溶媒は、LiBHとアルカリ金属化合物のいずれか一方が溶解する溶媒であれば使用することができるが、これらの両方が溶解する溶媒が好ましい。LiBHとアルカリ金属化合物の両方が溶解することにより、均一な溶液を得ることができ、結果としてイオン伝導性のより優れたイオン伝導体を得られるからである。 A mixing method using a solvent is suitable for manufacturing an ionic conductor in large quantities because the materials can be mixed uniformly. Furthermore, solution mixing does not require a high temperature unlike melt mixing, and the solvent can be removed at 200 ° C. or lower at which LiBH 4 can stably exist. Incidentally, the solvent used in the solution mixture, which can be used as long as any solvent in which one dissolves the LiBH 4 and the alkali metal compound, the solvent in which these both are soluble are preferred. This is because, by dissolving both LiBH 4 and the alkali metal compound, a uniform solution can be obtained, and as a result, an ionic conductor having better ion conductivity can be obtained.

溶媒としては、特に限定されず、種々の有機溶媒を用いることができる。そのような有機溶媒としては、例えば、テトラヒドロフランやジエチルエーテル等のエーテル系溶媒や、N,N−ジメチルホルムアミドやN,N−ジメチルアセトアミド等のアミド系溶媒等が挙げられる。その中でもエーテル系溶媒が好ましい。エーテル系溶媒は原料に安定で、原料の溶解度が高いものが使用でき、例えば、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、1,2−ジメトキシエタン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、シクロペンチルメチルエーテル、メチル−t−ブチルエーテル、ジオキサン等をあげることができる。その中でもテトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、シクロペンチルメチルエーテルがより好ましい。   The solvent is not particularly limited, and various organic solvents can be used. Examples of such an organic solvent include ether solvents such as tetrahydrofuran and diethyl ether, amide solvents such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide, and the like. Of these, ether solvents are preferred. Ether solvents that are stable to the raw material and have high solubility of the raw material can be used, such as dimethyl ether, diethyl ether, dibutyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,2-dimethoxyethane, triethylene glycol dimethyl ether. , Cyclopentyl methyl ether, methyl-t-butyl ether, dioxane and the like. Of these, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, and cyclopentylmethyl ether are more preferable.

LiBHとアルカリ金属化合物との混合は、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。不活性ガスとしては、例えばヘリウム、窒素、アルゴンを挙げることができるが、より好ましくはアルゴンである。
混合時間は、混合する方法によって異なるが、例えば遊星ボールミルを用いた場合には、0.5〜24時間であり、2〜20時間が好ましい。溶液を用いた場合には、混合物が均一となる時間が確保できれば十分である。その時間は製造規模に左右されることが多いが、例えば0.1〜5時間行うことで十分に均一な混合物を得ることができる。
The mixing of LiBH 4 and the alkali metal compound is preferably performed in an inert gas atmosphere. Examples of the inert gas include helium, nitrogen, and argon, and argon is more preferable.
The mixing time varies depending on the mixing method. For example, when a planetary ball mill is used, the mixing time is 0.5 to 24 hours, and preferably 2 to 20 hours. When a solution is used, it is sufficient if the time for the mixture to be uniform can be secured. Although the time often depends on the production scale, for example, a sufficiently uniform mixture can be obtained by performing for 0.1 to 5 hours.

上記のようにして得られたイオン伝導体の結晶化を進行させるため、加熱処理を行ってもよい。加熱温度は、通常50〜300℃の範囲であり、より好ましくは60〜250℃の範囲であり、特に好ましくは65〜200℃未満である。50℃以上の温度であれば結晶化が生じ易く、一方、300℃以下の温度であれば、イオン伝導体が分解することや、結晶が変質することを十分に抑制することができる。なお、溶液混合において、溶媒除去のために加熱した場合は結晶化が同時に進行し、効率的である。   In order to advance crystallization of the ionic conductor obtained as described above, heat treatment may be performed. The heating temperature is usually in the range of 50 to 300 ° C, more preferably in the range of 60 to 250 ° C, and particularly preferably 65 to 200 ° C. If the temperature is 50 ° C. or higher, crystallization is likely to occur. On the other hand, if the temperature is 300 ° C. or lower, it is possible to sufficiently suppress the decomposition of the ionic conductor and the alteration of the crystal. In addition, in solution mixing, when heating is performed to remove the solvent, crystallization proceeds simultaneously and is efficient.

加熱時間は、加熱温度との関係で若干変化するものの、通常は0.1〜12時間の範囲で十分に結晶化される。加熱時間は、好ましくは0.3〜6時間であり、より好ましくは0.5〜4時間である。イオン伝導体の変質を抑える観点から、加熱時間は短い方が好ましい。   Although the heating time varies slightly in relation to the heating temperature, it is usually sufficiently crystallized in the range of 0.1 to 12 hours. The heating time is preferably 0.3 to 6 hours, more preferably 0.5 to 4 hours. From the viewpoint of suppressing the deterioration of the ionic conductor, the heating time is preferably short.

本発明の方法が適用されるイオン伝導体は、X線回折(CuKα:λ=1.5405Å)において、少なくとも、2θ=23.9±1.2deg、25.6±1.5deg、27.3±1.5deg、35.4±2.0degおよび42.2±2.0degに回折ピークを有することが好ましい。少なくとも2θ=23.6±0.8deg、25.2±0.8deg、26.9±1.0deg、35.0±1.2degおよび41.4±1.2degに回折ピークを有することがより好ましく、少なくとも2θ=23.5±0.5deg、24.9±0.5deg、26.7±0.5deg、34.6±0.7degおよび40.9±0.7degに回折ピークを有することがさらに好ましい。また、少なくとも2θ=23.5±0.3deg、25.0±0.4deg、26.7±0.3deg、34.6±0.5degおよび40.9±0.5degに回折ピークを有することが特に好ましい。これら5つの領域の回折ピークは、LiBHの高温相の回折ピークに相当するものである。LiBHの高温相の転移温度(115℃)未満においてもこのように5つの領域に回折ピークを有する材料は、上記転移温度未満においても高いイオン伝導性を示す傾向にある。 The ion conductor to which the method of the present invention is applied is at least 2θ = 23.9 ± 1.2 deg, 25.6 ± 1.5 deg, 27.3 in X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.540540). It is preferable to have diffraction peaks at ± 1.5 deg, 35.4 ± 2.0 deg, and 42.2 ± 2.0 deg. It is more preferable to have diffraction peaks at 2θ = 23.6 ± 0.8 deg, 25.2 ± 0.8 deg, 26.9 ± 1.0 deg, 35.0 ± 1.2 deg, and 41.4 ± 1.2 deg. Preferably, it has diffraction peaks at least 2θ = 23.5 ± 0.5 deg, 24.9 ± 0.5 deg, 26.7 ± 0.5 deg, 34.6 ± 0.7 deg, and 40.9 ± 0.7 deg. Is more preferable. Further, it has diffraction peaks at least at 2θ = 23.5 ± 0.3 deg, 25.0 ± 0.4 deg, 26.7 ± 0.3 deg, 34.6 ± 0.5 deg, and 40.9 ± 0.5 deg. Is particularly preferred. The diffraction peaks of these five regions correspond to the diffraction peaks of the high temperature phase of LiBH 4 . Even when the temperature is lower than the transition temperature (115 ° C.) of the high-temperature phase of LiBH 4, the material having diffraction peaks in the five regions as described above tends to exhibit high ionic conductivity even below the transition temperature.

上記のとおり、従来のイオン伝導体は、一旦高温に曝されるとその後室温に冷却したとしても時間とともにイオン伝導度が大きく低下する。理論に拘束されるものではないが、LiBHの比率が高いイオン伝導体(具体的には、アルカリ金属化合物1モルに対してLiBHを3モル以上の比で混合したイオン伝導体)は、高温に加熱した際に相転移による新たな結晶構造を形成し、その結晶構造が不安定であるものと推定される。この点について、図4および5のグラフを用いて以下に説明する。 As described above, once the conventional ionic conductor is exposed to a high temperature, the ionic conductivity greatly decreases with time even if it is subsequently cooled to room temperature. Without being bound by theory, an ionic conductor having a high ratio of LiBH 4 (specifically, an ionic conductor in which LiBH 4 is mixed at a ratio of 3 mol or more with respect to 1 mol of an alkali metal compound) It is presumed that when heated to a high temperature, a new crystal structure is formed due to phase transition, and the crystal structure is unstable. This point will be described below with reference to the graphs of FIGS.

図4は、LiBHとLiI(アルカリ金属化合物)をLiBH:LiI=3:1のモル比で混合して得たイオン伝導体を種々の温度に加熱し、冷却した後のXRDスペクトルである。図4では特に、2θ=22〜28°の領域を拡大して示している。このグラフからわかるように、80℃に加熱したサンプルのピークと比較して、100℃で加熱したサンプルでは、ピークの一部が高角度側にシフトしていることが観測される。さらに高温(120℃)に加熱したサンプルでは、80℃に加熱したサンプルで観測されたピークがほぼ完全にシフトしていることが分かる。このことから、80℃〜100℃付近で相転移が生じ、新たな結晶構造が発現しているものと推定される。 FIG. 4 is an XRD spectrum after heating and cooling an ionic conductor obtained by mixing LiBH 4 and LiI (alkali metal compound) at a molar ratio of LiBH 4 : LiI = 3: 1. . In FIG. 4, the region of 2θ = 22 to 28 ° is particularly enlarged. As can be seen from this graph, it is observed that a part of the peak is shifted to the high angle side in the sample heated at 100 ° C. as compared with the peak of the sample heated at 80 ° C. It can be seen that in the sample heated to a higher temperature (120 ° C.), the peak observed in the sample heated to 80 ° C. is almost completely shifted. From this, it is presumed that a phase transition occurs around 80 ° C. to 100 ° C. and a new crystal structure is developed.

そして、LiBHの比率が高いイオン伝導体においては、この高角度側にシフトしたピークの一部が冷却後に25℃で一日経過した後に低角度側にシフトする(図5(b))。一方で、LiBHとLiI(アルカリ金属化合物)をLiBH:LiI=2.5:1のモル比で混合して得たイオン伝導体においては、そのような低角側へのピークのシフトは観察されない(図5(a))。詳細は不明であるが、このような新しい不安定な結晶構造が存在することによって、LiBHの比率が高いイオン伝導体においては経時劣化が大きくなると推察される。 In the ionic conductor having a high LiBH 4 ratio, a part of the peak shifted to the high angle side shifts to the low angle side after one day at 25 ° C. after cooling (FIG. 5B). On the other hand, in an ionic conductor obtained by mixing LiBH 4 and LiI (alkali metal compound) at a molar ratio of LiBH 4 : LiI = 2.5: 1, such a peak shift toward the low angle side is Not observed (FIG. 5 (a)). Although details are unknown, it is speculated that the existence of such a new unstable crystal structure causes a deterioration over time in an ion conductor having a high LiBH 4 ratio.

本発明による方法を適用したイオン伝導体を150℃の温度に曝し、その後25℃まで冷却した時点で測定した前記イオン伝導体のイオン伝導度を第1のイオン伝導度とし、
前記25℃まで冷却した時点から、温度を25℃に維持して148時間経過した時点で測定した前記イオン伝導体のイオン伝導度を第2のイオン伝導度とした際、
下記式(2):
で示すイオン伝導度の維持率が45%以上であることが好ましく、50%以上であることがより好ましく、50〜70%であることがさらに好ましい。上記式(2)で示される維持率が45%以上であれば、従来のイオン伝導体と比較して、イオン伝導体を全固体電池に用いて長時間動作させた際の出力電圧の低下や抵抗成分による熱損失の増加をより効果的に抑えることができる。本明細書において、「イオン伝導体を150℃の温度に曝し、その後25℃まで冷却した時点」とは、サンプルを25℃に設定した恒温槽に入れて30分間保持した後にイオン伝導度を測定し、続いて30℃〜150℃まで10℃ずつ恒温槽を昇温して各温度で同様の操作を繰り返し、150℃での測定を終えた後に、140℃〜30℃まで10℃ずつ恒温槽を降温し、各温度で40分間保持した後にイオン伝導度を測定し、最後に25℃に設定した恒温槽で40分間保持した後にイオン伝導度を測定した時点を示す。
The ionic conductivity of the ionic conductor measured when the ionic conductor to which the method according to the present invention is applied is exposed to a temperature of 150 ° C. and then cooled to 25 ° C. is defined as a first ionic conductivity,
When the ionic conductivity of the ionic conductor measured at the time when 148 hours have passed after maintaining the temperature at 25 ° C. from the time of cooling to 25 ° C. is defined as the second ionic conductivity,
Following formula (2):
Is preferably 45% or more, more preferably 50% or more, and even more preferably 50 to 70%. If the maintenance factor represented by the above formula (2) is 45% or more, compared to the conventional ion conductor, the decrease in output voltage when the ion conductor is operated for a long time using an all-solid battery, An increase in heat loss due to the resistance component can be more effectively suppressed. In this specification, “when the ionic conductor is exposed to a temperature of 150 ° C. and then cooled to 25 ° C.” means that the ionic conductivity is measured after the sample is placed in a thermostat set at 25 ° C. and held for 30 minutes. Then, the temperature of the thermostatic bath was increased from 30 ° C. to 150 ° C. by 10 ° C., and the same operation was repeated at each temperature. After finishing the measurement at 150 ° C., the thermostatic bath was increased from 140 ° C. to 30 ° C. The ionic conductivity was measured after the temperature was lowered and held at each temperature for 40 minutes, and finally the ionic conductivity was measured after being held for 40 minutes in a constant temperature bath set at 25 ° C.

2.イオン伝導体
本発明の他の実施形態によると、LiBHと下記式(1):
MX (1)
[式(1)中、Mは、リチウム原子、ルビジウム原子およびセシウム原子からなる群より選択されるアルカリ金属原子を表し、Xは、ハロゲン原子を表す。]
で表されるアルカリ金属化合物とを含み、LiBHとアルカリ金属化合物とのモル比が、LiBH:アルカリ金属化合物=1:1〜2.6:1、好ましくは1:1〜2.5:1、より好ましくは1:1〜2.3:1である、イオン伝導体が提供される。本発明の他の実施形態によるイオン伝導体は、高温に曝された後でもイオン伝導度の維持率が高い。上述したように、従来のイオン伝導体には、一旦高温に曝された後に室温に戻した場合、イオン伝導度が時間とともに大きく低下するという問題点がある。しかしながら、本発明のイオン伝導体では、このようなイオン伝導度の低下は大幅に抑制され、イオン伝導度を高い値に維持することができる。
2. Ionic Conductor According to another embodiment of the present invention, LiBH 4 and the following formula (1):
MX (1)
[In the formula (1), M represents an alkali metal atom selected from the group consisting of a lithium atom, a rubidium atom and a cesium atom, and X represents a halogen atom. ]
And a alkali metal compound represented in the molar ratio of LiBH 4 and the alkali metal compound is, LiBH 4: alkali metal compound = 1: 1 to 2.6: 1, preferably 1: 1 to 2.5: An ionic conductor is provided that is 1, more preferably 1: 1 to 2.3: 1. The ionic conductor according to another embodiment of the present invention has a high ionic conductivity maintenance rate even after being exposed to high temperatures. As described above, the conventional ionic conductor has a problem that when it is once exposed to a high temperature and then returned to room temperature, the ionic conductivity greatly decreases with time. However, in the ionic conductor of the present invention, such a decrease in ionic conductivity is greatly suppressed, and the ionic conductivity can be maintained at a high value.

本発明によるイオン伝導体は、X線回折(CuKα:λ=1.5405Å)において、少なくとも、2θ=23.9±1.2deg、25.6±1.5deg、27.3±1.5deg、35.4±2.0degおよび42.2±2.0degに回折ピークを有することが好ましい。少なくとも2θ=23.6±0.8deg、25.2±0.8deg、26.9±1.0deg、35.0±1.2degおよび41.4±1.2degに回折ピークを有することがより好ましく、少なくとも2θ=23.5±0.5deg、24.9±0.5deg、26.7±0.5deg、34.6±0.7degおよび40.9±0.7degに回折ピークを有することがさらに好ましい。また、少なくとも2θ=23.5±0.3deg、25.0±0.4deg、26.7±0.3deg、34.6±0.5degおよび40.9±0.5degに回折ピークを有することが特に好ましい。これら5つの領域の回折ピークは、LiBHの高温相の回折ピークに相当するものである。LiBHの高温相の転移温度(115℃)未満においてもこのように5つの領域に回折ピークを有する材料は、上記転移温度未満においても高いイオン伝導性を示す傾向にある。 The ionic conductor according to the present invention has at least 2θ = 23.9 ± 1.2 deg, 25.6 ± 1.5 deg, 27.3 ± 1.5 deg, in X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.5405Å), It is preferable to have diffraction peaks at 35.4 ± 2.0 deg and 42.2 ± 2.0 deg. It is more preferable to have diffraction peaks at 2θ = 23.6 ± 0.8 deg, 25.2 ± 0.8 deg, 26.9 ± 1.0 deg, 35.0 ± 1.2 deg, and 41.4 ± 1.2 deg. Preferably, it has diffraction peaks at least 2θ = 23.5 ± 0.5 deg, 24.9 ± 0.5 deg, 26.7 ± 0.5 deg, 34.6 ± 0.7 deg, and 40.9 ± 0.7 deg. Is more preferable. Further, it has diffraction peaks at least at 2θ = 23.5 ± 0.3 deg, 25.0 ± 0.4 deg, 26.7 ± 0.3 deg, 34.6 ± 0.5 deg, and 40.9 ± 0.5 deg. Is particularly preferred. The diffraction peaks of these five regions correspond to the diffraction peaks of the high temperature phase of LiBH 4 . Even when the temperature is lower than the transition temperature (115 ° C.) of the high-temperature phase of LiBH 4, the material having diffraction peaks in the five regions as described above tends to exhibit high ionic conductivity even below the transition temperature.

本発明によるイオン伝導体は、90℃〜280℃の温度に曝し、その後25℃で1日経過した後に、X線回折(CuKα:λ=1.5405Å)スペクトルにおいて、2θ=26.85±0.14degにおける最大回折強度が、2θ=26.60±0.10における最大回折強度よりも大きいことが好ましい。本明細書において、ある角度範囲における「最大回折強度」とは、その範囲内において最も大きな回折強度を示すものであり、必ずしも回折ピークを示すものではない。また、X線回折に使用する試料の調製方法により回折ピーク全体のシフトが生じる可能性もあるが、従来の組成でみられた高角度側にシフトしたピークの一部が冷却後に低角度側にシフトする現象が本発明によるイオン伝導体では発生しないという特徴に変わりはない。   The ionic conductor according to the present invention is exposed to a temperature of 90 ° C. to 280 ° C., and then after 1 day at 25 ° C., 2θ = 26.85 ± 0 in the X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.540540) spectrum. It is preferable that the maximum diffraction intensity at .14 deg is larger than the maximum diffraction intensity at 2θ = 26.60 ± 0.10. In this specification, the “maximum diffraction intensity” in a certain angle range indicates the highest diffraction intensity in the range, and does not necessarily indicate a diffraction peak. In addition, there is a possibility that the entire diffraction peak shifts depending on the preparation method of the sample used for X-ray diffraction, but a part of the peak shifted to the high angle side seen in the conventional composition is moved to the low angle side after cooling. The characteristic that the phenomenon of shifting does not occur in the ionic conductor according to the present invention remains unchanged.

本発明によるイオン伝導体を150℃の温度に曝し、その後25℃まで冷却した時点で測定した前記イオン伝導体のイオン伝導度を第1のイオン伝導度とし、
前記25℃まで冷却した時点から、温度を25℃に維持して148時間経過した時点で測定した前記イオン伝導体のイオン伝導度を第2のイオン伝導度とした際、
下記式(2):
で示すイオン伝導度の維持率が45%以上であることが好ましく、50%以上であることがより好ましく、50〜70%であることがさらに好ましい。上記式(2)で示される維持率が45%以上であれば、従来のイオン伝導体と比較して、イオン伝導体を全固体電池に用いて長時間動作させた際の出力電圧の低下や抵抗成分による熱損失の増加をより効果的に抑えることができる。
The ionic conductivity of the ionic conductor measured when the ionic conductor according to the present invention is exposed to a temperature of 150 ° C. and then cooled to 25 ° C. is defined as a first ionic conductivity,
When the ionic conductivity of the ionic conductor measured at the time when 148 hours have passed after maintaining the temperature at 25 ° C. from the time of cooling to 25 ° C. is defined as the second ionic conductivity,
Following formula (2):
Is preferably 45% or more, more preferably 50% or more, and even more preferably 50 to 70%. If the maintenance factor represented by the above formula (2) is 45% or more, compared to the conventional ion conductor, the decrease in output voltage when the ion conductor is operated for a long time using an all-solid battery, An increase in heat loss due to the resistance component can be more effectively suppressed.

本発明のイオン伝導体は、リチウム(Li)とボロハイドライド(BH )とハロゲン原子とを主要成分として含むが、これら以外の成分を含んでいてもよい。他の成分としては、例えば、酸素(O)、窒素(N)ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)等が挙げられる。 The ionic conductor of the present invention contains lithium (Li), borohydride (BH 4 ), and a halogen atom as main components, but may contain components other than these. Examples of other components include oxygen (O), nitrogen (N) silicon (Si), and germanium (Ge).

3.全固体電池用固体電解質および全固体電池
本発明の他の実施形態によると、本発明の一実施形態によるイオン伝導体を含む、全固体電池用固体電解質が提供される。また、本発明のさらなる実施形態によると、この全固体電池用固体電解質を使用した全固体電池が提供される。
3. Solid electrolyte for all solid state battery and all solid state battery According to another embodiment of the present invention, a solid electrolyte for all solid state battery including an ionic conductor according to one embodiment of the present invention is provided. Moreover, according to the further embodiment of this invention, the all-solid-state battery using this solid electrolyte for all-solid-state batteries is provided.

本明細書において、全固体電池とは、リチウムイオンが電気伝導を担う全固体電池であり、特に全固体リチウムイオン二次電池である。全固体電池は、正極層と負極層との間に固体電解質層が配置された構造を有する。本発明のイオン伝導体は、正極層、負極層および固体電解質層のいずれか1層以上に、固体電解質として含まれてよい。電極層に使用する場合には、負極層よりも正極層に使用することが好ましい。正極層の方が、副反応が生じにくいためである。正極層または負極層に実施形態に関わるイオン伝導体が含まれる場合、イオン伝導体と公知のリチウムイオン二次電池用正極活物質または負極活物質とを組み合わせて使用する。正極層としては、活物質と固体電解質が混じり合ったバルク型を用いると、単セルあたりの容量が大きくなることから好ましい。   In this specification, the all solid state battery is an all solid state battery in which lithium ions are responsible for electrical conduction, and in particular, is an all solid state lithium ion secondary battery. The all solid state battery has a structure in which a solid electrolyte layer is disposed between a positive electrode layer and a negative electrode layer. The ion conductor of the present invention may be contained as a solid electrolyte in any one or more of the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the solid electrolyte layer. When used for the electrode layer, it is preferably used for the positive electrode layer rather than the negative electrode layer. This is because a side reaction is less likely to occur in the positive electrode layer. When the ionic conductor according to the embodiment is included in the positive electrode layer or the negative electrode layer, the ionic conductor and a known positive electrode active material or negative electrode active material for a lithium ion secondary battery are used in combination. As the positive electrode layer, it is preferable to use a bulk type in which an active material and a solid electrolyte are mixed because the capacity per unit cell is increased.

全固体電池は、上述した各層を成形して積層することによって作製されるが、各層の成形方法および積層方法については、特に限定されるものではない。例えば、固体電解質および/または電極活物質を溶媒に分散させてスラリー状としたものをドクターブレード、スピンコート等により塗布し、それを圧延することにより製膜する方法;真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等を用いて成膜および積層を行う気相法;ホットプレスまたは温度をかけないコールドプレスによって粉末を成形し、それを積層していくプレス法等がある。実施形態に関わるイオン伝導体は比較的柔らかいことから、プレスによって成形および積層して電池を作製することが特に好ましい。また、正極層は、ゾルゲル法を用いて成膜することもできる。   The all-solid-state battery is manufactured by molding and laminating the above-described layers, but the molding method and laminating method of each layer are not particularly limited. For example, a method in which a solid electrolyte and / or an electrode active material is dispersed in a solvent to form a slurry, which is applied by a doctor blade, spin coating, etc., and then rolled to form a film; vacuum deposition, ion plating There are a vapor phase method in which a film is formed and laminated using a method, a sputtering method, a laser ablation method, etc .; a press method in which powder is formed by hot pressing or cold pressing without applying temperature, and then laminated. Since the ionic conductor according to the embodiment is relatively soft, it is particularly preferable to form a battery by pressing and to produce a battery. The positive electrode layer can also be formed using a sol-gel method.

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明の内容がこれにより限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, the content of this invention is not limited by this.

(実施例1)
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、LiBH(シグマ・アルドリッチ社製、純度95%以上)とLiI(シグマ・アルドリッチ社製、純度:99.9%以上、水含有量50ppm以下)とを、LiBH:LiI=2.00:1.00のモル比になるように量り取り、メノウ乳鉢にて混合した。次に、得られた混合物を45mLのSUJ−2製ポットに投入し、さらにSUJ−2製ボール(φ7mm、20個)を投入して、ポットを完全に密閉した。このポットを遊星型ボールミル機(フリッチェ製P7)に取り付け、回転数400rpmで2時間、メカニカルミリングを行い、イオン伝導体(2.00LiBH−1.00LiI)を得た。
Example 1
LiBH 4 (manufactured by Sigma-Aldrich, purity 95% or more) and LiI (manufactured by Sigma-Aldrich, purity: 99.9% or more, water content 50 ppm or less) in a glove box under an argon atmosphere 4 : Weighed to a molar ratio of LiI = 2.00: 1.00 and mixed in an agate mortar. Next, the obtained mixture was put into a 45 mL SUJ-2 pot, and SUJ-2 balls (φ7 mm, 20 pieces) were further put into the pot to completely seal the pot. The pot was attached to a planetary ball mill (P7, manufactured by Fritche), and mechanical milling was performed at a rotation speed of 400 rpm for 2 hours to obtain an ion conductor (2.00 LiBH 4 -1.00LiI).

(実施例2)
LiBHとLiIとのモル比をLiBH:LiI=2.25:1.00に変更した以外は、実施例1と同様にイオン伝導体を得た。
(Example 2)
LiBH 4 and LiBH the molar ratio of LiI 4: LiI = 2.25: was changed to 1.00, to obtain an ionic conductor in the same manner as in Example 1.

(実施例3)
LiBHとLiIとのモル比をLiBH:LiI=2.50:1.00に変更した以外は、実施例1と同様にイオン伝導体を得た。
(Example 3)
An ionic conductor was obtained in the same manner as in Example 1 except that the molar ratio of LiBH 4 and LiI was changed to LiBH 4 : LiI = 2.50: 1.00.

(比較例1)
LiBHとLiIとのモル比をLiBH:LiI=2.75:1.00に変更した以外は、実施例1と同様にイオン伝導体を得た。
(Comparative Example 1)
LiBH 4 and LiBH the molar ratio of LiI 4: LiI = 2.75: was changed to 1.00, to obtain an ionic conductor in the same manner as in Example 1.

(比較例2)
LiBHとLiIとのモル比をLiBH:LiI=3.00:1.00に変更した以外は、実施例1と同様にイオン伝導体を得た。
(Comparative Example 2)
LiBH 4 and LiBH the molar ratio of LiI 4: LiI = 3.00: was changed to 1.00, to obtain an ionic conductor in the same manner as in Example 1.

(比較例3)
LiBHとLiIとのモル比をLiBH:LiI=4.00:1.00に変更した以外は、実施例1と同様にイオン伝導体を得た。
(Comparative Example 3)
LiBH 4 and LiBH the molar ratio of LiI 4: LiI = 4.00: was changed to 1.00, to obtain an ionic conductor in the same manner as in Example 1.

<X線回折測定>
実施例1〜3および比較例1〜3で得られたイオン伝導体の粉末について、Ar雰囲気下、室温にて、X線回折測定(PANalytical社製X‘pert Powder、CuKα:λ=1.5405Å)を実施した。
実施例1〜3および比較例1〜3では、少なくとも、2θ=23.5±0.3deg、25.0±0.4deg、26.7±0.3deg、34.6±0.5degおよび40.9±0.5degに回折ピークが観測され、LiBHの高温相の回折ピークに相当するピークが示された。
<X-ray diffraction measurement>
The powders of the ion conductors obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were subjected to X-ray diffraction measurement (X'pert 3 Powder manufactured by PANalytical, CuKα: λ = 1. 5405).
In Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3, at least 2θ = 23.5 ± 0.3 deg, 25.0 ± 0.4 deg, 26.7 ± 0.3 deg, 34.6 ± 0.5 deg and 40 A diffraction peak was observed at .9 ± 0.5 deg, and a peak corresponding to the diffraction peak of the high temperature phase of LiBH 4 was shown.

次いで、実施例1〜3および比較例1〜3で得られたイオン伝導体の粉末を、Ar雰囲気下、150℃に加熱した後、25℃まで冷却し、一日経過した時点で室温にて、X線回折測定(PANalytical社製X‘pert Powder、CuKα:λ=1.5405Å)を実施した。実施例1〜3では2θ=26.85±0.14degにおける最大回折強度が、2θ=26.60±0.10における最大回折強度よりも大きかった。図3に、加熱前、加熱直後、および25℃で1日経過した後のXRDスペクトルを示す。 Next, the ionic conductor powders obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were heated to 150 ° C. in an Ar atmosphere, then cooled to 25 ° C. X-ray diffraction measurement (X'pert 3 Powder manufactured by PANalytical, CuKα: λ = 1.5405 mm) was performed. In Examples 1 to 3, the maximum diffraction intensity at 2θ = 26.85 ± 0.14 deg was larger than the maximum diffraction intensity at 2θ = 26.60 ± 0.10. FIG. 3 shows XRD spectra before heating, immediately after heating, and after 1 day at 25 ° C.

<イオン伝導度測定>
実施例1〜3および比較例1〜3で得られたイオン伝導体を一軸成型(240MPa)に供し、厚さ約1mm、直径8mmのディスクを得た。室温(25℃)および30℃から150℃の温度範囲において10℃間隔で、リチウム電極を利用した四端子法による交流インピーダンス測定(SI1260 IMPEDANCE/GAIN―PHASE ANALYZER)を行い、イオン伝導度を算出した。具体的には、サンプルを25℃に設定した恒温槽に入れて30分間保持した後にイオン伝導度を測定し、続いて30℃〜150℃まで10℃ずつ恒温槽を昇温し、各温度で同様の操作を繰り返した。150℃での測定を終えた後は、140℃〜30℃まで10℃ずつ恒温槽を降温し、各温度で40分間保持した後にイオン伝導度を測定した。最後に25℃に設定した恒温槽で40分間保持した後のサンプルのイオン伝導度を測定した。測定周波数範囲は0.1Hz〜1MHz、振幅は50mVとした。
<Ion conductivity measurement>
The ionic conductors obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were subjected to uniaxial molding (240 MPa) to obtain a disk having a thickness of about 1 mm and a diameter of 8 mm. Ionic conductivity was calculated by performing AC impedance measurement (SI1260 IMPEDANCE / GAIN-PHASE ANALYZER) by a four-terminal method using a lithium electrode at room temperature (25 ° C) and a temperature range of 30 ° C to 150 ° C at 10 ° C intervals . Specifically, the sample was placed in a thermostat set at 25 ° C. and held for 30 minutes, and then the ionic conductivity was measured. Subsequently, the temperature of the thermostat was increased by 10 ° C. from 30 ° C. to 150 ° C. at each temperature. The same operation was repeated. After finishing the measurement at 150 ° C., the temperature of the thermostatic bath was lowered from 140 ° C. to 30 ° C. by 10 ° C. and held at each temperature for 40 minutes, and then the ionic conductivity was measured. Finally, the ionic conductivity of the sample after being held in a thermostatic bath set at 25 ° C. for 40 minutes was measured. The measurement frequency range was 0.1 Hz to 1 MHz, and the amplitude was 50 mV.

実施例1〜3および比較例1〜3のイオン伝導体についてのイオン伝導度の測定結果を図1に示す。   The measurement result of the ionic conductivity about the ionic conductor of Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3 is shown in FIG.

<経時劣化測定>
上記のイオン伝導度の測定に続けて、実施例1〜3および比較例1〜3のイオン伝導体についての経時劣化を測定した。上記の25℃での最後の測定時の値を基準とし(すなわち、0時間とし)、経過時間148時間までに複数回測定を行い、イオン伝導度の経時変化を観察した。イオン伝導度の維持率は、イオン伝導体を150℃の温度に曝し、その後25℃まで冷却した時点(0時間)で測定したイオン伝導体のイオン伝導度を基準(すなわち100%)として百分率で示した。
<Deterioration measurement with time>
Subsequent to the measurement of the ionic conductivity, the aging degradation of the ionic conductors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 was measured. Using the value at the time of the last measurement at 25 ° C. as a reference (that is, 0 hour), the measurement was performed a plurality of times by the elapsed time of 148 hours, and the change in ionic conductivity with time was observed. The maintenance rate of the ionic conductivity is expressed as a percentage based on the ionic conductivity of the ionic conductor measured when the ionic conductor is exposed to a temperature of 150 ° C. and then cooled to 25 ° C. (0 hour) (ie, 100%). Indicated.

実施例1〜3および比較例1〜3のイオン伝導体についてのイオン伝導度の経時劣化測定結果を図2に示す。実施例1〜3はいずれも経過時間148時間後のイオン伝導体の維持率が50%を超えていたのに対して、比較例1〜3はいずれも40%を下回っていた。   FIG. 2 shows the measurement results of deterioration with time of ionic conductivity for the ionic conductors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3. In all of Examples 1 to 3, the retention rate of the ionic conductor after an elapsed time of 148 hours exceeded 50%, whereas in Comparative Examples 1 to 3, all of them were less than 40%.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

Claims (12)

LiBHと下記式(1):
MX (1)
[式(1)中、Mは、リチウム原子、ルビジウム原子およびセシウム原子からなる群より選択されるアルカリ金属原子を表し、Xは、ハロゲン原子を表す。]
で表されるアルカリ金属化合物とを含むイオン伝導体の経時劣化を抑制する方法であって、
前記LiBHと前記アルカリ金属化合物とを、LiBH:アルカリ金属化合物=1:1〜2.6:1のモル比で混合することによって前記イオン伝導体の経時劣化を抑制する、方法。
LiBH 4 and the following formula (1):
MX (1)
[In the formula (1), M represents an alkali metal atom selected from the group consisting of a lithium atom, a rubidium atom and a cesium atom, and X represents a halogen atom. ]
A method for suppressing deterioration over time of an ionic conductor comprising an alkali metal compound represented by
A method in which the LiBH 4 and the alkali metal compound are mixed at a molar ratio of LiBH 4 : alkali metal compound = 1: 1 to 2.6: 1 to suppress deterioration of the ion conductor with time.
前記イオン伝導体は、X線回折(CuKα:λ=1.5405Å)において、少なくとも、2θ=23.9±1.2deg、25.6±1.5deg、27.3±1.5deg、35.4±2.0degおよび42.2±2.0degに回折ピークを有する、請求項1に記載の方法。   In the X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.540540), the ion conductor is at least 2θ = 23.9 ± 1.2 deg, 25.6 ± 1.5 deg, 27.3 ± 1.5 deg, 35. The method according to claim 1, wherein the method has diffraction peaks at 4 ± 2.0 deg and 42.2 ± 2.0 deg. 前記アルカリ金属化合物は、ハロゲン化リチウムである、請求項1または2に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the alkali metal compound is lithium halide. 前記アルカリ金属化合物はヨウ化リチウムである、請求項3に記載の方法。   The method of claim 3, wherein the alkali metal compound is lithium iodide. 前記混合はメカニカルミリングによって行われる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the mixing is performed by mechanical milling. 150℃の温度に曝し、その後25℃まで冷却した時点で測定した前記イオン伝導体のイオン伝導度を第1のイオン伝導度とし、
前記25℃まで冷却した時点から、温度を25℃に維持して148時間経過した時点で測定した前記イオン伝導体のイオン伝導度を第2のイオン伝導度とした際、
下記式(2):
で示すイオン伝導度の維持率が45%以上である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
The ionic conductivity of the ionic conductor measured when exposed to a temperature of 150 ° C. and then cooled to 25 ° C. is defined as a first ionic conductivity,
When the ionic conductivity of the ionic conductor measured at the time when 148 hours have passed after maintaining the temperature at 25 ° C. from the time of cooling to 25 ° C. is defined as the second ionic conductivity,
Following formula (2):
The method as described in any one of Claims 1-5 whose maintenance rate of the ionic conductivity shown by is 45% or more.
前記混合の後に、前記イオン伝導体を90℃〜280℃の温度に曝し、その後25℃まで冷却することを含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。   The method according to claim 1, comprising exposing the ionic conductor to a temperature of 90 ° C. to 280 ° C. and then cooling to 25 ° C. after the mixing. LiBHと下記式(1):
MX (1)
[式(1)中、Mは、リチウム原子、ルビジウム原子およびセシウム原子からなる群より選択されるアルカリ金属原子を表し、Xは、ハロゲン原子を表す。]
で表されるアルカリ金属化合物とを含み、
前記LiBHと前記アルカリ金属化合物とのモル比が、LiBH:アルカリ金属化合物=1:1〜2.6:1である、イオン伝導体。
LiBH 4 and the following formula (1):
MX (1)
[In the formula (1), M represents an alkali metal atom selected from the group consisting of a lithium atom, a rubidium atom and a cesium atom, and X represents a halogen atom. ]
And an alkali metal compound represented by
Molar ratio of the alkali metal compound and the LiBH 4 is, LiBH 4: alkali metal compound = 1: 1 to 2.6: 1, ion conductor.
90℃〜280℃の温度に曝し、その後25℃で1日経過した後に、X線回折(CuKα:λ=1.5405Å)スペクトルにおいて、2θ=26.85±0.14degにおける最大回折強度が、2θ=26.60±0.10における最大回折強度よりも大きい、請求項8に記載のイオン伝導体。   After exposure to a temperature of 90 ° C. to 280 ° C., and after a day at 25 ° C., the maximum diffraction intensity at 2θ = 26.85 ± 0.14 deg in the X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.5405Å) spectrum is The ionic conductor according to claim 8, wherein the ionic conductor is larger than a maximum diffraction intensity at 2θ = 26.60 ± 0.10. 150℃の温度に曝し、その後25℃まで冷却した時点で測定した前記イオン伝導体のイオン伝導度を第1のイオン伝導度とし、
前記25℃まで冷却した時点から、温度を25℃に維持して148時間経過した時点で測定した前記イオン伝導体のイオン伝導度を第2のイオン伝導度とした際、
下記式(2):
で示すイオン伝導度の維持率が45%以上である、請求項8または9に記載のイオン伝導体。
The ionic conductivity of the ionic conductor measured when exposed to a temperature of 150 ° C. and then cooled to 25 ° C. is defined as a first ionic conductivity,
When the ionic conductivity of the ionic conductor measured at the time when 148 hours have passed after maintaining the temperature at 25 ° C. from the time of cooling to 25 ° C. is defined as the second ionic conductivity,
Following formula (2):
The ionic conductor according to claim 8 or 9, wherein the retention rate of ionic conductivity indicated by is 45% or more.
請求項8〜10のいずれか一項に記載のイオン伝導体を含む、全固体電池用固体電解質。   The solid electrolyte for all-solid-state batteries containing the ion conductor as described in any one of Claims 8-10. 請求項11に記載の全固体電池用固体電解質を使用した、全固体電池。   An all solid state battery using the solid electrolyte for an all solid state battery according to claim 11.
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