JP2017183210A - Sulfide solid electrolyte, electrode mixture, and lithium ion battery - Google Patents

Sulfide solid electrolyte, electrode mixture, and lithium ion battery Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sulfide solid electrolyte that has excellent stability and also has high ionic conductivity.SOLUTION: A sulfide solid electrolyte includes lithium, phosphorus and sulfur, with 50 mol% or more and 90 mol% or less of phosphorus included in PSstructure.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、硫化物固体電解質、電極合材及びリチウムイオン電池に関する。   The present invention relates to a sulfide solid electrolyte, an electrode mixture, and a lithium ion battery.

近年の移動通信、情報電子機器の発達に伴い、高容量且つ軽量なリチウムイオン二次電池の需要が増加する傾向にある。室温で高いリチウムイオン伝導性を示す電解質のほとんどが液体であり、市販されているリチウムイオン二次電池の多くが有機系電解液を用いている。この有機系電解液を用いたリチウムイオン二次電池では、漏洩、発火、爆発の危険性があり、より安全性の高い電池が望まれている。上記要望に対し、硫化物固体電解質を用いた全固体電池が開発されている。   With the recent development of mobile communication and information electronic equipment, demand for high-capacity and lightweight lithium ion secondary batteries tends to increase. Most electrolytes exhibiting high lithium ion conductivity at room temperature are liquids, and many of the commercially available lithium ion secondary batteries use organic electrolytes. In the lithium ion secondary battery using this organic electrolyte, there is a risk of leakage, ignition and explosion, and a battery with higher safety is desired. In response to the above demand, an all-solid battery using a sulfide solid electrolyte has been developed.

硫化物固体電解質の一つとして、Li結晶構造を有する硫化物固体電解質が挙げられる(特許文献1)。Li結晶構造は、イオン伝導性の向上に対して好ましくない結晶成分であると考えられている(特許文献2)。 One of the sulfide solid electrolytes is a sulfide solid electrolyte having a Li 4 P 2 S 6 crystal structure (Patent Document 1). Li 4 P 2 S 6 crystal structure is considered to be an unfavorable crystal component for improving ion conductivity (Patent Document 2).

特開2002−109955号公報JP 2002-109955 A 特開2008−120666号公報JP 2008-120666 A

Li結晶構造はイオン伝導性が低いものの、結晶構造の基となっているP 4−構造は、架橋硫黄を有さないなど、構造上の安定性に優れていると考えられる。
本発明は、安定性に優れ、且つイオン伝導性も高い硫化物固体電解質を提供することを課題とする。
Although the Li 4 P 2 S 6 crystal structure has low ion conductivity, the P 2 S 6 4- structure that is the basis of the crystal structure is excellent in structural stability, such as having no cross-linking sulfur. it is conceivable that.
An object of the present invention is to provide a sulfide solid electrolyte having excellent stability and high ion conductivity.

本発明者らは、これまで知られている硫化物固体電解質のうち、P 4−構造を多く含んでいるものは、いずれも合成の過程において、低イオン伝導相であるLi結晶構造が多量に生じるという課題を発見した。そして、鋭意研究の結果、P 4−構造を多く含むにもかかわらず、イオン伝導性が高い硫化物固体電解質の存在を見出した。
本発明によれば、以下の硫化物固体電解質等が提供される。
1.リチウム、リン及び硫黄を含む硫化物固体電解質であって、前記リンの50mol%以上90mol%以下がP 4−構造に含まれる硫化物固体電解質。
2.ハロゲンを含む、1に記載の硫化物固体電解質。
3.前記リチウム、リン及び硫黄の合計に対するリチウムの元素比(MLi)、リンの元素比(M)及び硫黄の元素比(M)が下記式(1)〜(3)を満たす、1又は2に記載の硫化物固体電解質。
0.350≦MLi≦0.600・・・(1)
0.050≦M≦0.200・・・(2)
0.300≦M≦0.500・・・(3)
(式中、MLiはリチウムの元素比、Mはリンの元素比、Mは硫黄の元素比を表す。)
4.X線回折測定において、Li結晶構造由来のピークが観測されない、1〜3のいずれかに記載の硫化物固体電解質。
5.X線回折測定において、P 4−を基本単位とする結晶構造由来のピークが観測されない、1〜4のいずれかに記載の硫化物固体電解質。
6.X線回折測定において、P a−(xは1〜3の整数であり、yは3〜11の整数であり、x<yである。aは3〜7の整数である。)を基本単位とする結晶構造由来のピークが観測されない、1〜5のいずれかに記載の硫化物固体電解質。
7.1〜6のいずれかに記載の硫化物固体電解質と、活物質を含む電極合材。
8.1〜6のいずれかに記載の硫化物固体電解質及び7に記載の電極合材のうち少なくとも1つを含むリチウムイオン電池。
9.1〜6のいずれかに記載の硫化物固体電解質により製造された電極合材。
10.1〜6のいずれかに記載の硫化物固体電解質、7に記載の電極合材及び9に記載の電極合材のうち少なくとも1つにより製造されたリチウムイオン電池。
The inventors of the present invention have clarified that, among the known sulfide solid electrolytes, those containing many P 2 S 6 4− structures are Li 4 P, which is a low ion conductive phase, in the process of synthesis. A problem has been discovered that a large amount of 2 S 6 crystal structure is generated. As a result of intensive studies, the inventors have found the presence of a sulfide solid electrolyte having high ion conductivity despite containing a large amount of P 2 S 6 4− structure.
According to the present invention, the following sulfide solid electrolyte and the like are provided.
1. A sulfide solid electrolyte containing lithium, phosphorus and sulfur, wherein 50 mol% or more and 90 mol% or less of the phosphorus is contained in a P 2 S 6 4- structure.
2. 2. The sulfide solid electrolyte according to 1, comprising a halogen.
3. The lithium element ratio (M Li ), phosphorus element ratio (M P ), and sulfur element ratio (M S ) satisfy the following formulas (1) to (3), or 1 or 2. The sulfide solid electrolyte according to 2.
0.350 ≦ M Li ≦ 0.600 (1)
0.050 ≦ M P ≦ 0.200 (2)
0.300 ≦ M S ≦ 0.500 (3)
(Wherein, M Li is the element ratio of lithium, M P is the element ratio of phosphorus, the M S represents an element ratio of sulfur.)
4). The sulfide solid electrolyte according to any one of 1 to 3, wherein a peak derived from the Li 4 P 2 S 6 crystal structure is not observed in the X-ray diffraction measurement.
5. In X-ray diffraction measurement, P 2 S 6 4-a not peak derived from crystal structures to a basic unit is observed, the sulfide solid electrolyte according to any one of 1 to 4.
6). In the X-ray diffraction measurement, P x S y a- (x is an integer of 1 to 3, y is an integer of 3 to 11, and x <y. A is an integer of 3 to 7) The sulfide solid electrolyte according to any one of 1 to 5, wherein a peak derived from a crystal structure having a basic unit of 1 is not observed.
The electrode compound material containing the sulfide solid electrolyte in any one of 7.1-6, and an active material.
A lithium ion battery including at least one of the sulfide solid electrolyte according to any one of 8.1 to 6 and the electrode mixture according to 7.
The electrode compound material manufactured with the sulfide solid electrolyte in any one of 9.1-6.
10. A lithium ion battery manufactured by at least one of the sulfide solid electrolyte according to any one of 10.1 to 6, the electrode mixture according to 7, and the electrode mixture according to 9.

本発明によれば、安定性に優れ、且つイオン伝導性も高い硫化物固体電解質を提供することができる。   According to the present invention, a sulfide solid electrolyte having excellent stability and high ion conductivity can be provided.

実施例1で得た硫化物固体電解質の示差走査熱量(DSC)測定結果である。2 is a differential scanning calorimetry (DSC) measurement result of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 1. 実施例1で得た硫化物固体電解質のX線回折(XRD)パターンである。2 is an X-ray diffraction (XRD) pattern of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得た硫化物固体電解質の熱処理後のXRDパターンである。3 is an XRD pattern after heat treatment of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 1. 実施例1で得た硫化物固体電解質の熱処理後の31P−NMRスペクトルである。3 is a 31 P-NMR spectrum after heat treatment of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 1. 実施例2で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果である。4 is a DSC measurement result of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 2. 実施例2で得た硫化物固体電解質の熱処理後のXRDパターンである。3 is an XRD pattern after heat treatment of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 2. 実施例2で得た硫化物固体電解質の熱処理後の31P−NMRスペクトルである。3 is a 31 P-NMR spectrum after heat treatment of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 2. 実施例3で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果である。4 is a DSC measurement result of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 3. 実施例3で得た硫化物固体電解質のXRDパターンである。3 is an XRD pattern of a sulfide solid electrolyte obtained in Example 3. 実施例3で得た硫化物固体電解質の熱処理後のXRDパターンである。4 is an XRD pattern after heat treatment of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 3. 実施例3で得た硫化物固体電解質の熱処理後の31P−NMRスペクトルである。3 is a 31 P-NMR spectrum after heat treatment of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 3. 実施例4で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果である。4 is a DSC measurement result of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 4. 実施例4で得た硫化物固体電解質のXRDパターンである。4 is an XRD pattern of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 4. 実施例4で得た硫化物固体電解質の熱処理後のXRDパターンである。It is a XRD pattern after heat processing of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 4. 実施例4で得た硫化物固体電解質の熱処理後の31P−NMRスペクトルである。4 is a 31 P-NMR spectrum after heat treatment of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 4. 実施例5で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果である。4 is a DSC measurement result of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 5. 実施例5で得た硫化物固体電解質のXRDパターンである。7 is an XRD pattern of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 5. 実施例5で得た硫化物固体電解質の熱処理後のXRDパターンである。7 is an XRD pattern after heat treatment of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 5. 実施例5で得た硫化物固体電解質の熱処理後の31P−NMRスペクトルである。6 is a 31 P-NMR spectrum after heat treatment of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 5. 実施例6で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果である。4 is a DSC measurement result of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 6. 実施例6で得た硫化物固体電解質のXRDパターンである。7 is an XRD pattern of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 6. 実施例6で得た硫化物固体電解質の熱処理後のXRDパターンである。It is a XRD pattern after heat processing of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 6. 実施例6で得た硫化物固体電解質の熱処理後の31P−NMRスペクトルである。It is a 31 P-NMR spectrum after the heat treatment of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 6. 比較例1で得た硫化物ガラスのDSC測定結果である。3 is a DSC measurement result of the sulfide glass obtained in Comparative Example 1. 比較例1で得た硫化物ガラスのXRDパターンである。3 is an XRD pattern of the sulfide glass obtained in Comparative Example 1. 比較例1で得た硫化物ガラスの熱処理後のXRDパターンである。3 is an XRD pattern after heat treatment of the sulfide glass obtained in Comparative Example 1. 比較例1で得た硫化物ガラスの熱処理後の31P−NMRスペクトルである。3 is a 31 P-NMR spectrum after heat treatment of the sulfide glass obtained in Comparative Example 1. 比較例2で得た硫化物ガラスのDSC測定結果である。It is a DSC measurement result of the sulfide glass obtained in Comparative Example 2. 比較例2で得た硫化物ガラスのXRDパターンである。3 is an XRD pattern of the sulfide glass obtained in Comparative Example 2. 比較例2で得た硫化物ガラスの熱処理後のXRDパターンである。4 is an XRD pattern after heat treatment of the sulfide glass obtained in Comparative Example 2. 比較例2で得た硫化物ガラスの熱処理後の31P−NMRスペクトルである。3 is a 31 P-NMR spectrum after heat treatment of the sulfide glass obtained in Comparative Example 2. 比較例3で得た硫化物ガラスのDSC測定結果である。It is a DSC measurement result of the sulfide glass obtained in Comparative Example 3. 比較例3で得た硫化物ガラスのXRDパターンである。4 is an XRD pattern of the sulfide glass obtained in Comparative Example 3. 比較例3で得た硫化物ガラスの熱処理後のXRDパターンである。4 is an XRD pattern after heat treatment of the sulfide glass obtained in Comparative Example 3. 比較例3で得た硫化物ガラスの熱処理後の31P−NMRスペクトルである。4 is a 31 P-NMR spectrum after heat treatment of the sulfide glass obtained in Comparative Example 3.

本発明の硫化物固体電解質は、リチウム、リン及び硫黄を含む。また、P a−(xは1〜3の整数であり、yは3〜11の整数であり、x<yである。aは3〜7の整数である。)で表される構造を含む。
a−構造としては、例えば、PS 3−構造、P 4−構造、P 4−構造が挙げられる。本発明において、P a−構造は少なくともP 4−構造を含み、P 4−構造の他にPS 3−構造等を含む。
なお、本願において「硫化物固体電解質」とは、硫黄を含み、1気圧下、25℃で固体であり、リチウムイオン伝導性を有する物質である。
The sulfide solid electrolyte of the present invention contains lithium, phosphorus and sulfur. Also, P x S y a- (where x is an integer from 1 to 3, y is an integer of 3 to 11, which is x <y .a is an integer of 3-7.) Represented by Includes structure.
The P x S y a- structure, for example, PS 4 3- structure, P 2 S 7 4- structures include P 2 S 6 4- structures. In the present invention, P x S y a- structure includes at least P 2 S 6 4- structures, including PS 4 3- structure like in addition to the P 2 S 6 4- structures.
In the present application, the “sulfide solid electrolyte” is a substance that contains sulfur and is solid at 25 ° C. under 1 atm and has lithium ion conductivity.

本発明の硫化物固体電解質は、硫化物固体電解質に含まれるリンの50mol%以上90mol%以下がP 4−構造に含まれることを特徴とする。本発明では、P 4−構造の含有率が高いため、安定性に優れている。
一方、Li結晶構造の硫化物固体電解質よりも、高いイオン伝導性を有する。硫化物固体電解質に含まれるリンのうち、P 4−構造に含まれるリンは、55mol%以上88mol%以下であることが好ましく、57mol%以上86mol%以下であることが更に好ましく、59mol%以上84mol%以下であることが最も好ましい。
The sulfide solid electrolyte of the present invention is characterized in that 50 mol% or more and 90 mol% or less of phosphorus contained in the sulfide solid electrolyte is contained in the P 2 S 6 4− structure. In the present invention, due to the high content of P 2 S 6 4- structure, it has excellent stability.
On the other hand, it has higher ionic conductivity than the sulfide solid electrolyte having a Li 4 P 2 S 6 crystal structure. Of the phosphorus contained in the sulfide solid electrolyte, the phosphorus contained in the P 2 S 6 4− structure is preferably 55 mol% or more and 88 mol% or less, more preferably 57 mol% or more and 86 mol% or less, and 59 mol. It is most preferable that the amount be from 84% to 84 mol%.

なお、本願において、硫化物固体電解質の各構造に含まれるリンの含有率(mol%)は、後述するように、31P−NMRスペクトル解析で観測される各構造由来のピークの面積から算出する。よって、例えば、硫化物固体電解質が有する特定の構造量が非常に微小であることや、原料の単体リンや硫化リン、PPS等が残留していることもあるが、後述する測定条件において31P−NMRスペクトル解析をした場合に観測することができるピークの面積に基づいて算出したものを、各構造に含まれるリンの含有率(mol%)と定義することにする。 In addition, in this application, the content rate (mol%) of phosphorus contained in each structure of sulfide solid electrolyte is computed from the area of the peak derived from each structure observed by 31 P-NMR spectrum analysis so that it may mention later. . Thus, for example, and it is a specific structure volume is very small with the sulfide solid electrolyte, a single phosphorus and phosphorus sulfide raw material, although PPS or the like sometimes remaining, 31 P in the measurement conditions described later -Calculated based on the area of the peak that can be observed when NMR spectrum analysis is performed, is defined as the phosphorus content (mol%) contained in each structure.

本発明の硫化物固体電解質は、リチウム、リン及び硫黄の他に任意の元素を含んでいてもよく、また、含まなくてもよい。任意の元素としては、例えば、ハロゲン(F、I、Br、Cl、At等)、B、Zn、Si、Cu、Ga、Ge等が挙げられる。本発明の硫化物固体電解質は、ハロゲンを含むことが好ましい。   The sulfide solid electrolyte of the present invention may or may not contain any element in addition to lithium, phosphorus and sulfur. Examples of the optional element include halogen (F, I, Br, Cl, At, etc.), B, Zn, Si, Cu, Ga, Ge, and the like. The sulfide solid electrolyte of the present invention preferably contains a halogen.

本発明の硫化物固体電解質に含まれるリチウム、リン及び硫黄の合計(Li+P+S)に対するリチウムの元素比(MLi)、リンの元素比(M)及び硫黄の元素比(M)は下記式(1)〜(3)を満たすことが好ましい。
0.350≦MLi≦0.600・・・(1)
0.050≦M≦0.200・・・(2)
0.300≦M≦0.500・・・(3)
(式中、MLiはリチウムの元素比、Mはリンの元素比、Mは硫黄の元素比を表す。)
更に好ましくは下記式を満たすことが好ましい。
0.365≦MLi≦0.575
0.080≦M≦0.195
0.315≦M≦0.485
最も好ましくは下記式を満たすことが好ましい。
0.380≦MLi≦0.550
0.100≦M≦0.190
0.330≦M≦0.470
The lithium element ratio (M Li ), phosphorus element ratio (M P ) and sulfur element ratio (M S ) with respect to the total of lithium, phosphorus and sulfur contained in the sulfide solid electrolyte of the present invention (Li + P + S) It is preferable to satisfy (1) to (3).
0.350 ≦ M Li ≦ 0.600 (1)
0.050 ≦ M P ≦ 0.200 (2)
0.300 ≦ M S ≦ 0.500 (3)
(Wherein, M Li is the element ratio of lithium, M P is the element ratio of phosphorus, the M S represents an element ratio of sulfur.)
More preferably, the following formula is satisfied.
0.365 ≦ M Li ≦ 0.575
0.080 ≦ M P ≦ 0.195
0.315 ≦ M S ≦ 0.485
Most preferably, the following formula is satisfied.
0.380 ≦ M Li ≦ 0.550
0.100 ≦ M P ≦ 0.190
0.330 ≦ M S ≦ 0.470

また、硫化物固体電解質に含まれるリンの元素比を相対的に高くすることが好ましい。ここで、リンの元素比を相対的に高くするとは、以下のことを意味する。硫化物固体電解質の原料全体に含まれるリチウム元素、硫黄及びリンの元素比をそれぞれx、y及びz(x+y+z=1)とし、これら元素をLiS及びPの混合物[aLiS+bP、(a+b=1)]からなると仮定したとき、各元素比x、y及びzは下記式(a)〜(c)で表される。
x=2a (a)
y=a+5b (b)
z=2b (c)
本願では、リンの元素比zが2bより高い場合(z>2b)をリンの元素比が相対的に高いとする。
Moreover, it is preferable to make the element ratio of phosphorus contained in the sulfide solid electrolyte relatively high. Here, the relatively high element ratio of phosphorus means the following. The element ratios of lithium element, sulfur and phosphorus contained in the entire raw material of the sulfide solid electrolyte are x, y and z (x + y + z = 1), respectively, and these elements are a mixture of Li 2 S and P 2 S 5 [aLi 2 S + bP. 2 S 5 , (a + b = 1)], the element ratios x, y, and z are expressed by the following formulas (a) to (c).
x = 2a (a)
y = a + 5b (b)
z = 2b (c)
In the present application, the phosphorus element ratio is relatively high when the phosphorus element ratio z is higher than 2b (z> 2b).

本発明の硫化物固体電解質がハロゲンを含有する場合、ハロゲン(X)の元素比(M=X/(Li+P+S+X))は0.001〜0.400であることが好ましく、さらに、0.005〜0.300であることが好ましく、0.01〜0.250であることが好ましく、特に、0.015〜0.200であることが好ましい。 When the sulfide solid electrolyte of the present invention contains halogen, the elemental ratio of halogen (X) (M X = X / (Li + P + S + X)) is preferably 0.001 to 0.400, and further 0.005 Is preferably ˜0.300, more preferably 0.01 to 0.250, and particularly preferably 0.015 to 0.200.

硫化物固体電解質の元素組成を調整するためには、例えば、原料として、硫化リチウム及び硫化リンを使用する場合、さらに、単体リンやリン化合物を原料として用い、リンのmol比を相対的に高くすることが挙げられる。特に、単体リンを原料として用いることが好ましい。
また、原料として、硫化リチウム、硫化リン、ハロゲン化リチウム(例えば、LiI、LiBr、LiCl、LiFが挙げられ、これらのうち1種としてもよく、2種以上としてもよい。)及び単体リンを使用してもよい。
In order to adjust the elemental composition of the sulfide solid electrolyte, for example, when using lithium sulfide and phosphorus sulfide as raw materials, further using simple phosphorus or phosphorus compounds as raw materials, the molar ratio of phosphorus is relatively high. To do. In particular, it is preferable to use simple phosphorus as a raw material.
Further, as the raw material, lithium sulfide, phosphorus sulfide, lithium halide (for example, LiI, LiBr, LiCl, LiF can be used, and one or more of them may be used) and simple phosphorus are used. May be.

本発明の硫化物固体電解質は、X線回折測定において、Li結晶構造由来のピークが観測されないことが好ましい。例えば、2θ=32.5±0.5degが観測されないことが好ましい。さらに、2θ=16.9±0.5、27.1±0.5、40.4±0.5、51.4±0.5、52.2±0.5、59.8±0.5deg等のピークも観測されないことが好ましい。
また、X線回折測定において、Li結晶構造以外のP 4−を基本単位とする結晶構造由来のピークが観測されなくてもよい。
さらに、X線回折測定において、PS 3−を基本単位とする結晶構造由来のピークが観測されなくてもよい。
さらに、X線回折測定において、P27 4−を基本単位とする結晶構造由来のピークが観測されなくてもよい。
In the sulfide solid electrolyte of the present invention, it is preferable that no peak derived from the Li 4 P 2 S 6 crystal structure is observed in the X-ray diffraction measurement. For example, 2θ = 32.5 ± 0.5 deg is preferably not observed. Furthermore, 2θ = 16.9 ± 0.5, 27.1 ± 0.5, 40.4 ± 0.5, 51.4 ± 0.5, 52.2 ± 0.5, 59.8 ± 0. It is preferable that no peak such as 5 deg is observed.
In the X-ray diffraction measurement, a peak derived from a crystal structure having P 2 S 6 4- as a basic unit other than the Li 4 P 2 S 6 crystal structure may not be observed.
Furthermore, in the X-ray diffraction measurement, a peak derived from a crystal structure having PS 4 3- as a basic unit may not be observed.
Further, in the X-ray diffraction measurement, a peak derived from a crystal structure having P 2 S 7 4− as a basic unit may not be observed.

本発明の硫化物固体電解質は、リチウム、リン及び硫黄、並びに所望により上述したハロゲン等の任意元素を含む原料を混合して合成処理することにより製造できる。
原料としては、LiS(硫化リチウム)、硫化リン、SiS(硫化珪素)、LiSiO(オルト珪酸リチウム)、Al(硫化アルミニウム)、単体リン(P)、単体の硫黄(S)、シリコン(Si)、GeS(硫化ゲルマニウム)、B(三硫化二ホウ素)、LiPO(リン酸リチウム)、LiGeO(ゲルマン酸リチウム)、LiSnO(スズ酸リチウム)、LiBO(メタホウ酸リチウム)、LiAlO(リチウムアルミネート)、LiF(フッ化リチウム)、LiCl(塩化リチウム)、LiI(ヨウ化リチウム)、LiBr(臭化リチウム)等を用いることができる。
The sulfide solid electrolyte of the present invention can be produced by mixing and synthesizing raw materials containing optional elements such as lithium, phosphorus and sulfur, and the above-mentioned halogen as desired.
As raw materials, Li 2 S (lithium sulfide), phosphorus sulfide, SiS 2 (silicon sulfide), Li 4 SiO 4 (lithium orthosilicate), Al 2 S 3 (aluminum sulfide), simple phosphorus (P), simple sulfur (S), silicon (Si), GeS 2 (germanium sulfide), B 2 S 3 (diboron trisulfide), Li 3 PO 4 (lithium phosphate), Li 4 GeO 4 (lithium germanate), Li 2 SnO 3 (lithium stannate), LiBO 2 (lithium metaborate), LiAlO 3 (lithium aluminate), LiF (lithium fluoride), LiCl (lithium chloride), LiI (lithium iodide), LiBr (lithium bromide), etc. Can be used.

以下、原料として、硫化リチウム、硫化リン、単体リン及びハロゲン化リチウムを使用した例について説明する。
原料として使用する硫化リチウムは特に制限はなく、例えば、工業的に入手可能なものが使用でき、また特開平7−330312号公報、特開平9−283156号公報、特開2010−163356号公報、特開2011−084438号公報に開示の方法に製造できる硫化リチウムを使用できる。
なお、上記特開2010−163356号公報では、炭化水素系有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを70℃〜300℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成する。また、上記特開2011−084438号公報では、水溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを10℃〜100℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成する。
Hereinafter, an example using lithium sulfide, phosphorus sulfide, simple phosphorus and lithium halide as raw materials will be described.
Lithium sulfide used as a raw material is not particularly limited, and for example, industrially available ones can be used, and Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 7-3301212, 9-283156, 2010-163356, Lithium sulfide that can be produced by the method disclosed in JP 2011-084438 A can be used.
In JP-A-2010-163356, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted at 70 ° C. to 300 ° C. in a hydrocarbon organic solvent to produce lithium hydrosulfide, and this reaction solution is then desulfurized. Lithium sulfide is synthesized by hydrogenation. Moreover, in the said Unexamined-Japanese-Patent No. 2011-084438, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are made to react at 10 to 100 degreeC in a water solvent, lithium lithium sulfide is produced | generated, and this reaction liquid is then dehydrosulfurized. To synthesize lithium sulfide.

特開平7−330312号及び特開平9−283156号に記載の硫化リチウムの製造方法では、得られる硫化リチウムは硫黄酸化物のリチウム塩等を含むため、精製することが好ましい。一方、特開2010−163356号に記載の硫化リチウムの製造方法では、得られる硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩等の含有量が非常に少ないため、精製せずにそのまま用いることができる。   In the method for producing lithium sulfide described in JP-A-7-330312 and JP-A-9-283156, the obtained lithium sulfide contains a lithium salt of sulfur oxide and the like, and thus it is preferably purified. On the other hand, in the method for producing lithium sulfide described in JP 2010-163356 A, the obtained lithium sulfide can be used as it is without purification because it contains a very small amount of lithium oxide lithium salt or the like.

硫化リチウムを精製する場合、好ましい精製法としては、例えば、国際公開WO2005/40039号に開示の精製法等が挙げられ、得られた硫化リチウムを、有機溶媒を用いて100℃以上の温度で洗浄することにより精製する。
また、硫化リチウムは、純度が90.0%以上であることが好ましく、98.0%以上であることがさらに好ましく、99.0%以上であることがより好ましく、99.9%以上であることが最も好ましい。
When purifying lithium sulfide, a preferable purification method includes, for example, a purification method disclosed in International Publication WO2005 / 40039, and the obtained lithium sulfide is washed with an organic solvent at a temperature of 100 ° C. or higher. To purify.
Further, the purity of the lithium sulfide is preferably 90.0% or more, more preferably 98.0% or more, more preferably 99.0% or more, and 99.9% or more. Most preferred.

硫化リンとしては特に限定はなく、例えば、工業的に製造され、販売されているものであってもよい。具体的には、例えばP(三硫化二リン)、P(五硫化二リン)が挙げられる。これら硫化リンは、1種単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
また、硫化リンは、純度が90.0%以上であることが好ましく、98.0%以上であることがさらに好ましく、99.0%以上であることがより好ましく、99.9%以上であることが最も好ましい。
There is no limitation in particular as phosphorus sulfide, For example, what was manufactured and sold industrially may be used. Specific examples include P 2 S 3 (phosphorus trisulfide) and P 2 S 5 (phosphorus pentasulfide). These phosphorus sulfides can be used alone or in combination of two or more.
The purity of phosphorus sulfide is preferably 90.0% or more, more preferably 98.0% or more, more preferably 99.0% or more, and 99.9% or more. Most preferred.

単体リンとしては特に限定はなく、例えば、工業的に製造され、販売されているものであってもよい。例えば、赤リン、黒リン、紫リン、白リンが挙げられる。単体リンは、1種単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
また、単体リンは、純度が90.0%以上であることが好ましく、98.0%以上であることがさらに好ましく、99.0%以上であることがより好ましく、99.9%以上であることが最も好ましい。
There is no limitation in particular as simple phosphorus, For example, what is manufactured and sold industrially may be used. Examples include red phosphorus, black phosphorus, purple phosphorus, and white phosphorus. Simple phosphorus can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
The purity of simple phosphorus is preferably 90.0% or more, more preferably 98.0% or more, more preferably 99.0% or more, and 99.9% or more. Most preferred.

ハロゲン化リチウムとしては特に限定はなく、例えば、工業的に製造され、販売されているものであってもよい。例えば、LiF、LiCl、LiI、LiBrが挙げられる。ハロゲン化リチウムは、1種単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
また、ハロゲン化リチウムは、純度が90.0%以上であることが好ましく、98.0%以上であることがさらに好ましく、99.0%以上であることがより好ましく、99.9%以上であることが最も好ましい。
There is no limitation in particular as lithium halide, For example, what is manufactured and sold industrially may be used. Examples thereof include LiF, LiCl, LiI, and LiBr. Lithium halides can be used alone or in combination of two or more.
Further, the purity of the lithium halide is preferably 90.0% or more, more preferably 98.0% or more, more preferably 99.0% or more, and 99.9% or more. Most preferably it is.

原料における硫化リチウムと硫化リンの割合は、98〜60mol%:2〜40mol%が好ましく、95〜62mol%:5〜38mol%が好ましく、92〜64mol%:8〜36mol%がさらに好ましく、90〜66mol%:10〜34mol%が最も好ましい。
単体リンの添加量は、例えば、硫化リチウム、硫化リン、及び赤リンを原料として含む場合、硫化リチウムと硫化リン(LiS+P)、及び赤リンの合計量を100mol%とした場合、1mol%〜40mol%が好ましく、2mol%〜35mol%が好ましく、3mol%〜28mol%がさらに好ましい。
ハロゲン化リチウムの添加量は、例えば、硫化リチウム、硫化リン、及び赤リンを原料として含む場合、硫化リチウムと硫化リン(LiS+P)、赤リン及びハロゲン化リチウムの合計量を100mol%とした場合、例えば、0.1mol%〜50mol%であればよい。また、例えば1mol%〜40mol%であってもよく、3mol%〜30mol%であってもよい。
The ratio of lithium sulfide and phosphorus sulfide in the raw material is preferably 98 to 60 mol%: 2 to 40 mol%, preferably 95 to 62 mol%: 5 to 38 mol%, more preferably 92 to 64 mol%: 8 to 36 mol%, 90 to 66 mol%: 10 to 34 mol% is most preferable.
The amount of simple phosphorus added is, for example, when lithium sulfide, phosphorus sulfide, and red phosphorus are used as raw materials, and when the total amount of lithium sulfide, phosphorus sulfide (Li 2 S + P 2 S 5 ), and red phosphorus is 100 mol% 1 mol% to 40 mol% is preferable, 2 mol% to 35 mol% is preferable, and 3 mol% to 28 mol% is more preferable.
The amount of lithium halide added is, for example, when lithium sulfide, phosphorus sulfide, and red phosphorus are used as raw materials, and the total amount of lithium sulfide, phosphorus sulfide (Li 2 S + P 2 S 5 ), red phosphorus, and lithium halide is 100 mol. %, For example, it may be 0.1 mol% to 50 mol%. Moreover, 1 mol%-40 mol% may be sufficient, for example, and 3 mol%-30 mol% may be sufficient.

上記原料から硫化物固体電解質を製造する方法としては、MM(メカニカルミリング)法、溶融急冷法、炭化水素系溶媒中で原料を接触させる方法(WO2009/047977)、炭化水素系溶媒中で原料を接触させる手段と粉砕合成手段とを交互に行う方法(特開2010−140893)、溶媒中で原料を接触させる工程の後に粉砕合成工程を行う方法(PCT/JP2012/005992)のいずれでもよい。   As a method for producing a sulfide solid electrolyte from the above raw materials, a MM (mechanical milling) method, a melt quenching method, a method of bringing a raw material into contact in a hydrocarbon solvent (WO2009 / 047977), and a raw material in a hydrocarbon solvent. Either a method of alternately performing the contacting means and the pulverizing / synthesizing means (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-140893) or a method of performing the pulverizing / synthesizing step after the step of contacting the raw materials in the solvent (PCT / JP2012 / 005992) may be used.

上記溶媒は、極性溶媒であっても非極性溶媒であってもよい。非極性溶媒としては、炭化水素溶媒が挙げられる。当該炭化水素溶媒としては、脂肪族炭化水素溶媒、芳香族炭化水素溶媒が挙げられ、芳香族炭化水素溶媒中で混合することが好ましい。芳香族炭化水素溶媒としては、アルキルベンゼンが好ましい。アルキルベンゼンとしては、トルエンが好ましい。   The solvent may be a polar solvent or a nonpolar solvent. Nonpolar solvents include hydrocarbon solvents. Examples of the hydrocarbon solvent include aliphatic hydrocarbon solvents and aromatic hydrocarbon solvents, and mixing in an aromatic hydrocarbon solvent is preferable. As the aromatic hydrocarbon solvent, alkylbenzene is preferable. As the alkylbenzene, toluene is preferable.

製造時の温度は特に限定は無いが、例えば0℃以上150℃以下、5℃以上140℃以下である。溶媒を用いる場合には、溶媒の沸点以下が好ましい。
製造時間は特に限定は無いが、例えば1時間以上72時間以下、2時間以上48時間以下である。
Although the temperature at the time of manufacture does not have limitation in particular, For example, they are 0 degreeC or more and 150 degrees C or less, 5 degreeC or more and 140 degrees C or less. When using a solvent, the boiling point of the solvent or less is preferred.
The production time is not particularly limited, but is, for example, 1 hour to 72 hours, 2 hours to 48 hours.

本発明の硫化物固体電解質は、ガラス状で得られる。通常、硫化物ガラスは熱処理により結晶化する。結晶化により、イオン伝導性が向上することがある。一方、本発明の硫化物固体電解質は通常の熱処理温度(例えば、350℃以下)では一部又は全部が結晶化しない場合がある。従って、熱による性能変化が少ないという利点がある。
なお、本発明の硫化物固体電解質は、他のP a−構造(例えば、PS 3−構造)も含有しているので、必要な場合は熱処理をしてもよい。熱処理の温度は160〜350℃が好ましい。加熱時間は、0.005分以上、20時間以下が好ましい。さらに好ましくは、0.005分以上、10時間以下であり、特に好ましくは、1分以上、5時間以下である。
昇温方法については特に指定がない。所定温度までゆっくり昇温してもよいし、急速に加熱してもよい。
加熱は、露点−40℃以下の環境下で行うことが好ましく、より好ましくは露点−60℃以下の環境下で行うことが好ましい。加熱時の気圧は、常圧であってもよく、減圧下であってもよい。雰囲気は、空気中であってもよく、不活性雰囲気下であってもよい。
The sulfide solid electrolyte of the present invention is obtained in the form of glass. Usually, sulfide glass is crystallized by heat treatment. Crystallization may improve ionic conductivity. On the other hand, some or all of the sulfide solid electrolyte of the present invention may not crystallize at a normal heat treatment temperature (for example, 350 ° C. or lower). Therefore, there is an advantage that the performance change due to heat is small.
Nao, sulfide solid electrolyte of the present invention, other P x S y a- structure (e.g., PS 4 3- structure) also because it contains, if necessary may be heat-treated. The heat treatment temperature is preferably 160 to 350 ° C. The heating time is preferably 0.005 minutes or more and 20 hours or less. More preferably, it is 0.005 minutes or more and 10 hours or less, and particularly preferably 1 minute or more and 5 hours or less.
There is no specific specification for the temperature raising method. The temperature may be raised slowly to a predetermined temperature or heated rapidly.
Heating is preferably performed in an environment with a dew point of −40 ° C. or lower, more preferably in an environment with a dew point of −60 ° C. or lower. The atmospheric pressure during heating may be a normal pressure or a reduced pressure. The atmosphere may be in the air or an inert atmosphere.

本発明の硫化物固体電解質は、リチウムイオン二次電池等の固体電解質層、正極、負極等に用いることができる。   The sulfide solid electrolyte of the present invention can be used for a solid electrolyte layer such as a lithium ion secondary battery, a positive electrode, a negative electrode, and the like.

[電極合材]
本発明の電極合材は、上述した本発明の硫化物固体電解質と、活物質を含む。又は、本発明の硫化物固体電解質により製造される。活物質として負極活物質を使用すると負極合材となる。一方、正極活物質を使用すると正極合材となる。
[Electrode compound]
The electrode mixture of the present invention includes the above-described sulfide solid electrolyte of the present invention and an active material. Or it manufactures with the sulfide solid electrolyte of this invention. When a negative electrode active material is used as the active material, a negative electrode mixture is obtained. On the other hand, when a positive electrode active material is used, it becomes a positive electrode mixture.

・負極合材
本発明の硫化物固体電解質に負極活物質を配合することにより負極合材が得られる。
負極活物質としては、例えば、炭素材料、金属材料等を使用することができる。これらのうち2種以上からなる複合体も使用できる。また、今後開発される負極活物質も使用することができる。
また、負極活物質は電子伝導性を有していることが好ましい。
炭素材料としては、グラファイト(例えば、人造黒鉛)、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛及び難黒鉛化性炭素等が挙げられる。
金属材料としては、金属単体、合金、金属化合物が挙げられる。当該金属単体としては、金属ケイ素、金属スズ、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミニウムが挙げられる。当該合金としては、ケイ素、スズ、リチウム、インジウム及びアルミニウムのうち少なくとも1つを含む合金が挙げられる。当該金属化合物としては、金属酸化物が挙げられる。金属酸化物は、例えば酸化ケイ素、酸化スズ、酸化アルミニウムである。
-Negative electrode compound material A negative electrode compound material is obtained by mix | blending a negative electrode active material with the sulfide solid electrolyte of this invention.
As the negative electrode active material, for example, a carbon material, a metal material, or the like can be used. Among these, a complex composed of two or more kinds can be used. Moreover, a negative electrode active material developed in the future can also be used.
Moreover, it is preferable that the negative electrode active material has electronic conductivity.
Examples of carbon materials include graphite (eg, artificial graphite), graphite carbon fiber, resin-fired carbon, pyrolytic vapor-grown carbon, coke, mesocarbon microbeads (MCMB), furfuryl alcohol resin-fired carbon, polyacene, pitch-based carbon. Examples thereof include fibers, vapor-grown carbon fibers, natural graphite, and non-graphitizable carbon.
Examples of the metal material include simple metals, alloys, and metal compounds. Examples of the metal simple substance include metal silicon, metal tin, metal lithium, metal indium, and metal aluminum. Examples of the alloy include an alloy containing at least one of silicon, tin, lithium, indium, and aluminum. Examples of the metal compound include metal oxides. Examples of the metal oxide include silicon oxide, tin oxide, and aluminum oxide.

負極活物質と固体電解質の配合割合は、負極活物質:固体電解質=95重量%:5重量%〜5重量%:95重量%が好ましく、90重量%:10重量%〜10重量%:90重量%がより好ましく、85重量%:15重量%〜15重量%:85重量%がさらに好ましい。
負極合材における負極活物質の含有量が少なすぎると電気容量が小さくなる。また、負極活物質が電子伝導性を有し、導電助剤を含まないか、又は少量の導電助剤しか含まない場合には、負極内の電子伝導性(電子伝導パス)が低下し、レート特性が低くなるおそれや、負極活物質の利用率が下がり、電気容量が低下するおそれがあると考える。一方、負極合材における負極活物質の含有量が多すぎると、負極内のイオン伝導性(イオン伝導パス)が低下し、レート特性が低くなるおそれや、負極活物質の利用率が下がり、電気容量が低下するおそれがあると考える。
The mixing ratio of the negative electrode active material and the solid electrolyte is preferably negative electrode active material: solid electrolyte = 95 wt%: 5 wt% to 5 wt%: 95 wt%, 90 wt%: 10 wt% to 10 wt%: 90 wt%. % Is more preferable, and 85% by weight: 15% by weight to 15% by weight: 85% by weight is more preferable.
When there is too little content of the negative electrode active material in a negative electrode compound material, an electrical capacity will become small. In addition, when the negative electrode active material has electronic conductivity and does not contain a conductive aid or contains only a small amount of a conductive aid, the electronic conductivity (electron conduction path) in the negative electrode is reduced, and the rate It is considered that there is a possibility that the characteristics may be lowered, or the utilization rate of the negative electrode active material may be reduced, and the electric capacity may be reduced. On the other hand, if the content of the negative electrode active material in the negative electrode mixture is too large, the ion conductivity (ion conduction path) in the negative electrode is lowered, the rate characteristics may be lowered, the utilization rate of the negative electrode active material is lowered, and We think that capacity may decrease.

負極合材は導電助剤をさらに含有することができる。
負極活物質の電子伝導性が低い場合には、導電助剤を添加することが好ましい。導電助剤は、導電性を有していればよく、その電子伝導度は、好ましくは1×10S/cm以上であり、より好ましくは1×10S/cm以上である。
導電助剤の具体例としては、好ましくは炭素材料、ニッケル、銅、アルミニウム、インジウム、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、クロム、金、ルテニウム、白金、ベリリウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、オスニウム、ロジウム、タングステン及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも1つの元素を含む物質であり、より好ましくは導電性が高い炭素単体、炭素単体以外の炭素材料;ニッケル、銅、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、ルテニウム、金、白金、ニオブ、オスニウム又はロジウムを含む金属単体、混合物又は化合物である。
なお、炭素材料の具体例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等のカーボンブラック;黒鉛、炭素繊維、活性炭等が挙げられ、これらは単独でも2種以上でも併用可能である。なかでも、電子伝導性が高いアセチレンブラック、デンカブラック、ケッチェンブラックが好適である。
The negative electrode mixture can further contain a conductive additive.
When the negative electrode active material has low electronic conductivity, it is preferable to add a conductive additive. The conductive auxiliary agent only needs to have conductivity, and its electronic conductivity is preferably 1 × 10 3 S / cm or more, more preferably 1 × 10 5 S / cm or more.
Specific examples of conductive aids are preferably carbon materials, nickel, copper, aluminum, indium, silver, cobalt, magnesium, lithium, chromium, gold, ruthenium, platinum, beryllium, iridium, molybdenum, niobium, osnium, rhodium, A substance containing at least one element selected from the group consisting of tungsten and zinc, and more preferably a carbon simple substance having a high conductivity, or a carbon material other than simple carbon; nickel, copper, silver, cobalt, magnesium, lithium, ruthenium , Gold, platinum, niobium, osnium or rhodium, simple metals, mixtures or compounds.
Specific examples of carbon materials include carbon blacks such as ketjen black, acetylene black, denka black, thermal black, and channel black; graphite, carbon fiber, activated carbon, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Is possible. Among these, acetylene black, denka black, and ketjen black having high electron conductivity are preferable.

負極合材が導電助剤を含む場合の導電助剤の合材中の含有量は、好ましくは1〜40重量%、より好ましくは2〜20重量%である。導電助剤の含有量が少なすぎると、負極の電子伝導性が低下してレート特性が低くなるおそれや、負極活物質の利用率が下がり、電気容量が低下するおそれがあると考える。一方、導電助剤の含有量が多すぎると、負極活物質の量及び/又は固体電解質の量が少なくなる。負極活物質の量が少なくなると電気容量が低下すると推測する。また、固体電解質の量が少なくなると負極のイオン伝導性が低下し、レート特性が低くなるおそれや、負極活物質の利用率が下がり、電気容量が低下するおそれがあると考える。   When the negative electrode mixture contains a conductive additive, the content of the conductive additive in the mixed material is preferably 1 to 40% by weight, more preferably 2 to 20% by weight. If the content of the conductive additive is too small, the electron conductivity of the negative electrode may be reduced to lower the rate characteristics, and the utilization rate of the negative electrode active material may be reduced, resulting in a decrease in electric capacity. On the other hand, when there is too much content of a conductive support agent, the quantity of a negative electrode active material and / or the quantity of a solid electrolyte will decrease. It is estimated that the electric capacity decreases when the amount of the negative electrode active material decreases. Further, when the amount of the solid electrolyte is reduced, it is considered that the ion conductivity of the negative electrode is lowered, the rate characteristics may be lowered, the utilization rate of the negative electrode active material is lowered, and the electric capacity may be lowered.

負極活物質と固体電解質を互いに密に結着させるため、さらに結着剤を含んでもよい。
結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、あるいはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。
In order to tightly bind the negative electrode active material and the solid electrolyte to each other, a binder may be further included.
Binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-containing resins such as fluorine rubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), and sulfonation. EPDM, natural butyl rubber (NBR) or the like can be used alone or as a mixture of two or more. In addition, an aqueous dispersion of cellulose or styrene butadiene rubber (SBR), which is an aqueous binder, can also be used.

負極合材は、固体電解質と負極活物質、並びに任意の導電助剤及び/又は結着剤を混合することで製造できる。
混合方法は特に限定されないが、例えば、乳鉢、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル、遊星ボールミル、振動ボールミル、サンドミル、カッターミルを用いて混合する乾式混合;及び有機溶媒中に原料を分散させた後に、乳鉢、ボールミル、ビーズミル、遊星ボールミル、振動ボールミル、サンドミル、フィルミックスを用いて混合し、その後溶媒を除去する湿式混合を適用することができる。これらのうち、負極活物質粒子を破壊しないために湿式混合が好ましい。
The negative electrode mixture can be produced by mixing a solid electrolyte, a negative electrode active material, and an optional conductive additive and / or binder.
The mixing method is not particularly limited, but, for example, dry mixing using a mortar, ball mill, bead mill, jet mill, planetary ball mill, vibrating ball mill, sand mill, cutter mill; and mortar after dispersing the raw material in an organic solvent , Ball mill, bead mill, planetary ball mill, vibrating ball mill, sand mill, and wet mix, and then wet mixing to remove the solvent can be applied. Among these, wet mixing is preferable in order not to destroy the negative electrode active material particles.

・正極合材
本発明の固体電解質に正極活物質を配合することにより正極合材が得られる。
正極活物質は、リチウムイオンの挿入脱離が可能な物質であり、電池分野において正極活物質として公知のものが使用できる。また、今後開発される正極活物質も使用することができる。
-Positive electrode mixture A positive electrode mixture is obtained by mix | blending a positive electrode active material with the solid electrolyte of this invention.
The positive electrode active material is a material capable of inserting and removing lithium ions, and those known as positive electrode active materials in the battery field can be used. Moreover, the positive electrode active material developed in the future can also be used.

正極活物質としては、例えば、金属酸化物、硫化物等が挙げられる。硫化物には、金属硫化物、非金属硫化物が含まれる。
金属酸化物は、例えば遷移金属酸化物である。具体的には、V、V13、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiMn、Li(NiCoMn)O(ここで、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1)、LiNi1−YCo、LiCo1−YMn、LiNi1−YMn(ここで、0≦Y<1)、Li(NiCoMn)O(0<a<2、0<b<2、0<c<2、a+b+c=2)、LiMn2−ZNi、LiMn2−ZCo(ここで、0<Z<2)、LiCoPO、LiFePO、CuO、Li(NiCoAl)O(ここで、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1)等が挙げられる。
金属硫化物としては、硫化チタン(TiS)、硫化モリブデン(MoS)、硫化鉄(FeS、FeS)、硫化銅(CuS)及び硫化ニッケル(Ni)等が挙げられる。
その他、金属酸化物としては、酸化ビスマス(Bi)、鉛酸ビスマス(BiPb)等が挙げられる。
非金属硫化物としては、有機ジスルフィド化合物、カーボンスルフィド化合物等が挙げられる。
上記の他、セレン化ニオブ(NbSe)、金属インジウム、硫黄も正極活物質として使用できる。
Examples of the positive electrode active material include metal oxides and sulfides. The sulfide includes a metal sulfide and a nonmetal sulfide.
The metal oxide is, for example, a transition metal oxide. Specifically, V 2 O 5 , V 6 O 13 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li (Ni a Co b Mn c ) O 2 (where 0 <a <1, 0 <b <1, 0 <c <1, a + b + c = 1), LiNi 1-Y Co Y 2 O 2 , LiCo 1-Y Mn Y 2 O 2 , LiNi 1-Y Mn Y 2 O 2 (where 0 ≦ Y <1), Li (Ni a Co b Mn c) O 4 (0 <a <2,0 <b <2,0 <c <2, a + b + c = 2), LiMn 2-Z Ni Z O 4, LiMn 2 -Z Co Z O 4 (where 0 <Z <2), LiCoPO 4 , LiFePO 4 , CuO, Li (Ni a Co b Al c ) O 2 (where 0 <a <1, 0 <b < 1, 0 <c <1, a + b + c = 1) and the like.
Examples of the metal sulfide include titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), iron sulfide (FeS, FeS 2 ), copper sulfide (CuS), and nickel sulfide (Ni 3 S 2 ).
Other examples of the metal oxide include bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) and bismuth leadate (Bi 2 Pb 2 O 5 ).
Examples of non-metal sulfides include organic disulfide compounds and carbon sulfide compounds.
In addition to the above, niobium selenide (NbSe 3 ), metal indium, and sulfur can also be used as the positive electrode active material.

正極合材は、さらに導電助剤を含んでいてもよい。
導電助剤は、負極合材と同様である。
The positive electrode mixture may further contain a conductive additive.
The conductive auxiliary agent is the same as the negative electrode mixture.

正極合材の固体電解質及び正極活物質の配合割合、導電助剤の含有量、並びに正極合材の製造方法は、上述した負極合材と同様である。   The blending ratio of the solid electrolyte and the positive electrode active material of the positive electrode mixture, the content of the conductive additive, and the method for producing the positive electrode mixture are the same as those of the negative electrode mixture described above.

[リチウムイオン電池]
本発明のリチウムイオン電池は、上述した本発明の硫化物固体電解質及び電極合材のうち少なくとも1つを含む。又は、本発明の硫化物固体電解質及び電極合材のうち少なくとも1つにより製造される。
リチウムイオン電池の構成は特に限定されないが、一般に、負極層、電解質層及び正極層をこの順に積層した構造を有する。以下、リチウムイオン電池の各層について説明する。
[Lithium ion battery]
The lithium ion battery of the present invention includes at least one of the above-described sulfide solid electrolyte and electrode mixture of the present invention. Or it manufactures with at least 1 among the sulfide solid electrolyte of this invention, and an electrode compound material.
The configuration of the lithium ion battery is not particularly limited, but generally has a structure in which a negative electrode layer, an electrolyte layer, and a positive electrode layer are laminated in this order. Hereinafter, each layer of the lithium ion battery will be described.

(1)負極層
負極層は、好ましくは本発明の負極合材から製造される層である。
又は、負極層は、好ましくは本発明の負極合材を含む層である。
負極層の厚さは、100nm以上5mm以下が好ましく、1μm以上3mm以下がより好ましく、5μm以上1mm以下がさらに好ましい。
負極層は公知の方法により製造することができ、例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。
(1) Negative electrode layer The negative electrode layer is preferably a layer produced from the negative electrode mixture of the present invention.
Alternatively, the negative electrode layer is preferably a layer containing the negative electrode mixture of the present invention.
The thickness of the negative electrode layer is preferably from 100 nm to 5 mm, more preferably from 1 μm to 3 mm, and even more preferably from 5 μm to 1 mm.
A negative electrode layer can be manufactured by a well-known method, for example, can be manufactured by the apply | coating method and an electrostatic method (an electrostatic spray method, an electrostatic screen method, etc.).

(2)電解質層
電解質層は、固体電解質を含む層又は固体電解質から製造された層である。当該固体電解質は特に限定されないが、好ましくは本発明の硫化物固体電解質である。
電解質層は、固体電解質のみからなってもよく、さらにバインダーを含んでもよい。当該バインダーとしては、本発明の負極合材の結着剤と同じものが使用できる。
(2) Electrolyte layer The electrolyte layer is a layer containing a solid electrolyte or a layer manufactured from a solid electrolyte. The solid electrolyte is not particularly limited, but is preferably the sulfide solid electrolyte of the present invention.
The electrolyte layer may consist only of a solid electrolyte, and may further contain a binder. As the binder, the same binder as that for the negative electrode mixture of the present invention can be used.

電解質層の厚さは、0.001mm以上1mm以下であることが好ましい。
電解質層の固体電解質は、融着していてもよい。融着とは、固体電解質粒子の一部が溶解し、溶解した部分が他の固体電解質粒子と一体化することを意味する。また、電解質層は、固体電解質の板状体であってもよく、当該板状体は、固体電解質粒子の一部又は全部が溶解し、板状体になっている場合も含む。
電解質層は、公知の方法により製造することができ、例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。
The thickness of the electrolyte layer is preferably 0.001 mm or more and 1 mm or less.
The solid electrolyte of the electrolyte layer may be fused. Fusion means that a part of the solid electrolyte particles is dissolved and the dissolved part is integrated with other solid electrolyte particles. The electrolyte layer may be a solid electrolyte plate, and the plate includes a case where a part or all of the solid electrolyte particles are dissolved to form a plate.
The electrolyte layer can be manufactured by a known method, and can be manufactured by, for example, a coating method or an electrostatic method (an electrostatic spray method, an electrostatic screen method, or the like).

(3)正極層
正極層は、正極活物質を含む層であり、好ましくは本発明の正極合材を含む層又は本発明の正極合材から製造された層である。
正極層の厚さは、0.01mm以上10mm以下であることが好ましい。
正極層は、公知の方法により製造することができ、例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。
(3) Positive electrode layer A positive electrode layer is a layer containing a positive electrode active material, Preferably it is a layer containing the positive electrode compound material of this invention, or the layer manufactured from the positive electrode compound material of this invention.
The thickness of the positive electrode layer is preferably 0.01 mm or more and 10 mm or less.
A positive electrode layer can be manufactured by a well-known method, for example, can be manufactured by the apply | coating method and an electrostatic method (an electrostatic spray method, an electrostatic screen method, etc.).

(4)集電体
本発明のリチウムイオン電池は、好ましくは集電体をさらに備える。例えば負極集電体は負極層の電解質層側とは反対側に、正極集電体は正極層の電解質層側とは反対側に設ける。
集電体として、銅、マグネシウム、ステンレス鋼、チタン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、アルミニウム、ゲルマニウム、インジウム、リチウム、又はこれらの合金等からなる板状体や箔状体等が使用できる。
(4) Current collector The lithium ion battery of the present invention preferably further comprises a current collector. For example, the negative electrode current collector is provided on the side of the negative electrode layer opposite to the electrolyte layer side, and the positive electrode current collector is provided on the side of the positive electrode layer opposite to the electrolyte layer side.
As the current collector, a plate or foil made of copper, magnesium, stainless steel, titanium, iron, cobalt, nickel, zinc, aluminum, germanium, indium, lithium, or an alloy thereof can be used.

本発明のリチウムイオン電池は、上述した各部材を貼り合せ、接合することで製造できる。接合する方法としては、各部材を積層し、加圧・圧着する方法や、2つのロール間を通して加圧する方法(roll to roll)等がある。
また、接合面にイオン伝導性を有する活物質や、イオン伝導性を阻害しない接着物質を介して接合してもよい。
接合においては、固体電解質の結晶構造が変化しない範囲で加熱融着してもよい。
また、本発明のリチウムイオン電池は、上述した各部材を順次形成することでも製造できる。公知の方法により製造することができ、例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。
The lithium ion battery of the present invention can be manufactured by bonding and joining the above-described members. As a method of joining, there are a method of laminating each member, pressurizing and pressure bonding, a method of pressing through two rolls (roll to roll), and the like.
Moreover, you may join to the joining surface through the active material which has ion conductivity, and the adhesive material which does not inhibit ion conductivity.
In joining, heat fusion may be performed as long as the crystal structure of the solid electrolyte does not change.
The lithium ion battery of the present invention can also be manufactured by sequentially forming the above-described members. It can be manufactured by a known method, for example, it can be manufactured by a coating method or an electrostatic method (electrostatic spray method, electrostatic screen method, etc.).

以下、本発明を実施例により、さらに詳細に説明する。
なお、評価方法は以下のとおりである。
(1)イオン伝導度測定
各例で製造した硫化物固体電解質を、錠剤成形機に充填し、22MPaの圧力を加え成形体とした。電極としてカーボンを成形体の両面に乗せ、再度錠剤成形機にて圧力を加えることで、測定用の成形体(直径約10mm、厚み0.1〜0.2cm)を作製した。この成形体について交流インピーダンス測定によりイオン伝導度を測定した。伝導度の値は25℃における数値を採用した。
なお、本実施例で用いたイオン伝導度の測定方法では、イオン伝導度が1.0×10−6S/cm未満の場合には、イオン伝導度を正確に測ることができないため、測定不能とした。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
The evaluation method is as follows.
(1) Ionic conductivity measurement The sulfide solid electrolyte produced in each example was filled in a tablet molding machine, and a pressure of 22 MPa was applied to obtain a molded body. Carbon was placed on both sides of the molded body as an electrode, and pressure was again applied with a tablet molding machine to prepare a molded body for measurement (diameter of about 10 mm, thickness of 0.1 to 0.2 cm). The ion conductivity of this molded body was measured by AC impedance measurement. The conductivity value was a value at 25 ° C.
In addition, in the measurement method of the ionic conductivity used in the present example, when the ionic conductivity is less than 1.0 × 10 −6 S / cm, the ionic conductivity cannot be measured accurately, and thus cannot be measured. It was.

(2)示差走査熱量(DSC)測定
乾燥窒素雰囲気下、昇温速度2℃/minで50〜350℃の温度範囲で実施した。ここで、ピークを測定する目的は、結晶化温度を探すことであるため、ピークが現れた時点で、350℃に到達する前に任意の温度で測定を止めることがある。示差走査熱量測定装置(パーキンエルマー社製Diamond DSC)を使用し、試料を約15mgで測定した。
(2) Differential scanning calorific value (DSC) measurement It carried out in the temperature range of 50-350 degreeC by the temperature increase rate of 2 degree-C / min in dry nitrogen atmosphere. Here, since the purpose of measuring the peak is to search for the crystallization temperature, the measurement may be stopped at an arbitrary temperature before reaching 350 ° C. when the peak appears. Using a differential scanning calorimeter (Diamond DSC manufactured by Perkin Elmer), the sample was measured at about 15 mg.

(3)31P−NMR測定
粉末試料約100mgをNMR試料管へ充填し、下記の装置及び条件にて31P−NMRスペクトルを得た。なお、硫化物固体電解質中に出発原料由来の硫化リン(P)が存在する場合(P有り)と、存在しない場合(P無し)では測定条件が異なる。本測定を行う前に、粉末試料を別途XRD測定することにより、Pの有無を確認した。本願実施例及び比較例の硫化物固体電解質には、硫化リンは存在しなかった。
装置:ECZ400R装置(株式会社JEOL RESONANCE製)
観測核:31
観測周波数:161.944MHz
測定温度:室温
パルス系列:シングルパルス
無しの固体電解質 90°パルスを使用。
有りの固体電解質 45°パルスを使用
90°パルス幅:3.8μs
FID測定後、次のパルス印加までの待ち時間:
60s(P無し)
1500s(P有り)
マジックアングル回転の回転数:
12kHz(P無し)
15kHz(P有り)
積算回数:
64回(P無し)
32回(P有り)
測定範囲:
250ppm〜−150ppm(P無し)
350ppm〜−250ppm(P有り)
31P−NMRスペクトルの測定において、化学シフトは、外部基準として(NHHPO(化学シフト1.33ppm)を用いることで得た。
(3) 31 P-NMR measurement About 100 mg of a powder sample was filled into an NMR sample tube, and a 31 P-NMR spectrum was obtained using the following apparatus and conditions. Incidentally, if there are phosphosulfurized from starting in the sulfide solid electrolyte (P 2 S 5) and (P 2 S 5 there), in the absence (P 2 S without 5) in the measurement conditions are different. Before performing this measurement, the presence or absence of P 2 S 5 was confirmed by separately performing XRD measurement on the powder sample. Phosphorous sulfide was not present in the sulfide solid electrolytes of Examples and Comparative Examples of the present application.
Equipment: ECZ400R equipment (manufactured by JEOL RESONANCE)
Observation nucleus: 31 P
Observation frequency: 161.944 MHz
Measurement temperature: room temperature Pulse series: single pulse 90 ° pulse of solid electrolyte without P 2 S 5
Solid electrolyte with P 2 S 5 45 ° pulse used 90 ° pulse width: 3.8 μs
Wait time until the next pulse application after FID measurement:
60s (P No 2 S 5)
1500s (P 2 S 5 there)
Magic angle rotation speed:
12 kHz (no P 2 S 5 )
15 kHz (with P 2 S 5 )
Integration count:
64 times (no P 2 S 5 )
32 times (with P 2 S 5 )
range of measurement:
250 ppm to -150 ppm (without P 2 S 5 )
350 ppm to -250 ppm (with P 2 S 5 )
In the measurement of 31 P-NMR spectrum, the chemical shift was obtained by using (NH 4 ) 2 HPO 4 (chemical shift 1.33 ppm) as an external reference.

31P−NMRスペクトルから硫化物固体電解質に含まれるリンのうち各P a−構造に含まれるリンの比率(リン比率、mol%)を測定した。
(i)P無しの場合
無しの硫化物固体電解質の250ppm〜−150ppmの範囲で測定した固体31P−NMRスペクトルには、例えば70〜120ppmに現れる主ピークと、主ピークの化学シフトからマジック角回転の回転数の倍数に対応する化学シフト幅を加減することで得られる化学シフト位置にスピニングサイドバンドと呼ばれるピークが観察される。スピニングサイドバンドは、主ピークに帰属されるPの電子オービタルの異方性によって生じる影響をマジック角回転により完全に消去できなかった場合に生じるピークであり、主ピークの強度とマジック角回転数の回転数に応じてその強度が変化する。上述した条件で測定したP無しの硫化物固体電解質の固体31P−NMRスペクトルでは、主ピークに対するスピニングサイドバンドの強度比が1/10より小さく、全体の面積和に対する影響も小さい。そのため、スピニングサイドハンドのピークは主ピークの波形分離で得られる面積比率と同じ比率で各構造に分離されると仮定し、主ピークのみ波形分離を実施して各構造のリン比率を求めた。なお、主ピークの波形分離は構造のピークがガウス曲線であると仮定し、各々の構造の化学シフト及び線幅が表6の範囲に入るようにした非線形最少二乗法にて実施した。この波形分離の結果、70ppm〜120ppmの範囲には、表1に記載のあるように、PS 3−構造、P 4−構造、P 4−構造(P a−構造)に帰属されるピークが検出され、各ピークの面積をa1、a2、a3とした。また、これらのピークの面積の総和(=a1+a2+a3)をSとした。
31 P-NMR from the spectrum of the phosphorus contained in the sulfide solid electrolyte each P x S phosphorus ratio (phosphorus ratio, mol%) contained in y a- structure was measured.
(I) P 2 Solid 31 P-NMR spectrum as measured in the range of 250ppm~-150ppm when P 2 S without 5 the sulfide solid electrolyte of S no 5, for example, a main peak appearing in 70~120Ppm, the main A peak called a spinning sideband is observed at a chemical shift position obtained by adding or subtracting a chemical shift width corresponding to a multiple of the number of rotations of magic angle rotation from the chemical shift of the peak. The spinning sideband is a peak that occurs when the influence caused by the anisotropy of the P electron orbit attributed to the main peak cannot be completely erased by the magic angle rotation. The intensity changes according to the rotational speed. In the solid 31 P-NMR spectrum of the sulfide solid electrolyte without P 2 S 5 measured under the conditions described above, the intensity ratio of the spinning sideband to the main peak is smaller than 1/10, and the influence on the total area sum is small. Therefore, assuming that the peak of the spinning side hand is separated into each structure at the same ratio as the area ratio obtained by waveform separation of the main peak, waveform separation was performed only on the main peak, and the phosphorus ratio of each structure was obtained. In addition, the waveform separation of the main peak was performed by a non-linear least square method in which the chemical shift and the line width of each structure were within the range shown in Table 6 assuming that the peak of the structure was a Gaussian curve. As a result of this waveform separation, within the range of 70 ppm to 120 ppm, as shown in Table 1, PS 4 3- structure, P 2 S 7 4- structure, P 2 S 6 4- structure (P x S y a - are detected peak attributed to the structure), the area of each peak was a1, a2, a3. A sum of the areas of these peaks the (= a1 + a2 + a3) was S a.

Figure 2017183210
Figure 2017183210

硫化物固体電解質に含まれるリンのうち、PS 3−構造、P 4−構造及びP 4−構造に含まれるリンの比率(リン比率、mol%)は、以下の式で求めた。
PS 3−のリン比率=100×a1/S
4−のリン比率=100×a2/S
4−のリン比率=100×a3/S
Among the phosphorus contained in the sulfide solid electrolyte, the ratio of phosphorus contained in the PS 4 3- structure, P 2 S 7 4- structure and P 2 S 6 4- structure (phosphorus ratio, mol%) is expressed by the following formula: I asked for it.
PS 4 3- phosphorus ratio = 100 × a1 / S a
Phosphorus ratio of P 2 S 6 4- = 100 × a2 / S a
Phosphorus ratio of P 2 S 7 4- = 100 × a3 / S a

(ii)Pありの場合
有りの硫化物固体電解質の350ppm〜−250ppmの範囲で測定した固体31P−NMRスペクトルには、P無しの固体電解質で見られた70〜120ppm付近の主ピークとそのスピニングサイドバンドに加えて、44〜64ppm付近に観察されるPの主ピークと134〜158ppm、−50〜−30ppm、−145〜−130ppmの範囲にPのスピニングサイドバンドによる信号が観察される。そこで、まず表7で示した領域にある各ピークの積分値b1〜b6を求めた。なお、本願記載の製造法で作製したP有りの硫化物固体電解質に対し、上述した測定条件で測定して得た固体31P−NMRスペクトルにおいて、上ピークが観察されない350〜200ppmの領域の信号の強度の振れ幅をノイズの最大強度(ノイズレベル)とし、表2の化学シフト領域において、ノイズレベルを超える強度を有するピークのみ積分を実施した。さらにこれらの積分値の総和をS(=b1+b2+b3+b4+b5+b6)とし、Pに由来するピークの積分値の総和をS(=b1+b3+b5+b6)とした。
(Ii) the P 2 S 5 has a solid 31 P-NMR spectrum as measured in the range of 350ppm~-250ppm sulfide solid electrolyte when P 2 S 5 there of, seen in the solid electrolyte without P 2 S 5 In addition to the main peak in the vicinity of 70 to 120 ppm and its spinning sideband, the main peak of P 2 S 5 observed in the vicinity of 44 to 64 ppm and the range of 134 to 158 ppm, −50 to −30 ppm, and −145 to −130 ppm A signal due to the spinning sideband of P 2 S 5 is observed. Therefore, first, integral values b1 to b6 of each peak in the region shown in Table 7 were obtained. In addition, in the solid 31 P-NMR spectrum obtained by measuring under the above-described measurement conditions for the sulfide solid electrolyte with P 2 S 5 produced by the production method described in the present application, 350 to 200 ppm of which no upper peak is observed. The amplitude fluctuation of the signal in the region was defined as the maximum noise intensity (noise level), and integration was performed only on peaks having an intensity exceeding the noise level in the chemical shift region of Table 2. Further, the sum of these integral values was S b (= b1 + b2 + b3 + b4 + b5 + b6), and the sum of the integral values of the peaks derived from P 2 S 5 was S c (= b1 + b3 + b5 + b6).

Figure 2017183210
Figure 2017183210

次に、P a−構造由来のピークについては、(i)と同様な方法で分離し、各ピークの面積値、及び面積の総和Sを得た。
PS 3−構造、P 4−構造、P 4−構造及び硫化リンのリン比率(mol%)は、以下の式で求めた。
PS 3−のリン比率=100×[a1/S]×[(b2+b4)/S
4−のリン比率=100×[a2/S]×[(b2+b4)/S
4−のリン比率=100×[a3/S]×[(b2+b4)/S
硫化リンのリン比率=100×S/S
Next, the peak derived from P x S y a- structure, separated in the same manner as (i), to give the area value of each peak, and the sum S a of the area.
PS 4 3- structure, P 2 S 7 4- structure, P 2 S 6 4- structure and phosphorus ratio (mol%) of phosphorus sulfide were determined by the following formula.
PS 4 3- phosphorus ratio = 100 × [a1 / S a ] × [(b2 + b4) / S b ]
Phosphorus ratio of P 2 S 6 4- = 100 × [a2 / S a ] × [(b2 + b4) / S b ]
Phosphorus ratio of P 2 S 7 4- = 100 × [a3 / S a ] × [(b2 + b4) / S b ]
Phosphorus sulfide phosphorus ratio = 100 × S c / S b

上述したように、硫化物固体電解質に含まれるリンのうち各P a−構造に含まれるリンの比率(リン比率、mol%)は、31P−NMRスペクトルから算出する。例えば、特定のP a−構造が非常に微量に存在する場合、又は、原料の単体リンや硫化リン、PPS等が残留する場合、これらに起因するピークが検知できないことがあり得る。これらの場合でも、本願において、硫化物固体電解質に含まれるリンのうち各P a−構造に含まれるリンの比率(リン比率、mol%)は、上述した条件で算出した値を指すものとする。 As described above, the ratio of phosphorus contained in the P x S y a- structure of the phosphorus contained in the sulfide solid electrolyte (phosphate ratio, mol%) is calculated from the 31 P-NMR spectrum. For example, if a particular P x S y a- structure present in very small amount, or, if the single phosphorus or phosphorus sulfide raw material, PPS or the like remains, it is possible that the peak caused by these can not be detected. In these cases, in the present application, the ratio of phosphorus contained in the P x S y a- structure of the phosphorus contained in the sulfide solid electrolyte (phosphate ratio, mol%) refers to the value calculated by the conditions described above Shall.

(4)X線回折(XRD)測定
各例で製造した硫化物固体電解質の粉末から、直径10mm、高さ0.1〜0.3cmの円形ペレットを成形して試料とした。この試料を、XRD用気密ホルダーを用いて空気に触れさせずに測定した。回折ピークの2θ位置は、XRD解析プログラムJADEを用いて重心法にて決定した。
株式会社リガクの粉末X線回折測定装置SmartLabを用いて以下の条件にて実施した。
管電圧:45kV
管電流:200mA
X線波長:Cu−Kα線(1.5418Å)
光学系:平行ビーム法
スリット構成:ソーラースリット5°、入射スリット1mm、受光スリット1mm
検出器:シンチレーションカウンター
測定範囲:2θ=10−60°
ステップ幅、スキャンスピード:0.02°、1°/分
(4) X-ray diffraction (XRD) measurement From the sulfide solid electrolyte powder produced in each example, a circular pellet having a diameter of 10 mm and a height of 0.1 to 0.3 cm was formed as a sample. This sample was measured using an airtight holder for XRD without being exposed to air. The 2θ position of the diffraction peak was determined by the centroid method using the XRD analysis program JADE.
The measurement was performed under the following conditions using a powder X-ray diffraction measurement device SmartLab manufactured by Rigaku Corporation.
Tube voltage: 45kV
Tube current: 200 mA
X-ray wavelength: Cu-Kα ray (1.5418mm)
Optical system: Parallel beam method Slit configuration: Solar slit 5 °, entrance slit 1 mm, light receiving slit 1 mm
Detector: Scintillation counter Measurement range: 2θ = 10-60 °
Step width, scan speed: 0.02 °, 1 ° / min

製造例1
(硫化リチウム(LiS)の製造)
(1)硫化リチウムの製造
撹拌翼のついた10リットルオートクレーブにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)3326.4g(33.6mol)及び無水水酸化リチウム287.4g(12mol)を仕込み、300rpmで130℃に昇温した。昇温後、液中に硫化水素を3L/分の供給速度で2時間吹き込んだ。
続いて、この反応液を窒素気流下(200cc/分)で昇温し、生成した水硫化リチウムを脱硫化水素化し硫化リチウムを得た。昇温するにつれ、上記硫化水素と水酸化リチウムの反応により副生した水が蒸発しはじめ、この水をコンデンサにより凝縮し、系外に抜き出した。水を系外に留去すると共に反応液の温度が上昇し、180℃に達した時点で昇温を停止し、一定温度に保持した。水硫化リチウムの脱硫化水素反応(約80分)が終了後、反応を終了し硫化リチウムを得た。
Production Example 1
(Production of lithium sulfide (Li 2 S))
(1) Production of lithium sulfide A 10 liter autoclave equipped with a stirring blade was charged with 3326.4 g (33.6 mol) of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and 287.4 g (12 mol) of anhydrous lithium hydroxide at 300 rpm. The temperature was raised to 130 ° C. After the temperature increase, hydrogen sulfide was blown into the liquid for 2 hours at a supply rate of 3 L / min.
Subsequently, the temperature of the reaction solution was raised under a nitrogen stream (200 cc / min), and the produced lithium hydrosulfide was desulfurized to obtain lithium sulfide. As the temperature increased, water produced as a by-product due to the reaction between hydrogen sulfide and lithium hydroxide began to evaporate, and this water was condensed by a condenser and extracted out of the system. Water was distilled out of the system and the temperature of the reaction solution rose. When the temperature reached 180 ° C., the temperature increase was stopped and the temperature was kept constant. After the dehydrosulfurization reaction of lithium hydrosulfide (about 80 minutes) was completed, the reaction was terminated to obtain lithium sulfide.

(2)硫化リチウムの精製
(1)で得られた500mLのスラリ反応溶液(NMP−硫化リチウムスラリ)中のNMPをデカンテーションした後、脱水したNMP100mLを加え、105℃で約1時間撹拌した。その温度のままNMPをデカンテーションした。同様の操作を合計4回繰り返した。デカンテーション終了後、脱水ヘプタン100mLを加え、室温で撹拌して、上澄み除去を行った。この操作を5回繰り返した。このヘプタンスラリーを採取し、窒素気流下でろ過することで溶媒を除去した。200℃で真空乾燥を行い、精製硫化リチウムを得た。
BET比表面積(クリプトン法)を評価したところ、比表面積0.04m/g、細孔容積0.001mL/g以下であった。
(2) Purification of lithium sulfide After decanting NMP in the 500 mL slurry reaction solution (NMP-lithium sulfide slurry) obtained in (1), 100 mL of dehydrated NMP was added and stirred at 105 ° C. for about 1 hour. NMP was decanted at that temperature. The same operation was repeated 4 times in total. After completion of the decantation, 100 mL of dehydrated heptane was added, and the mixture was stirred at room temperature to remove the supernatant. This operation was repeated 5 times. The heptane slurry was collected and filtered under a nitrogen stream to remove the solvent. Vacuum drying was performed at 200 ° C. to obtain purified lithium sulfide.
When the BET specific surface area (krypton method) was evaluated, the specific surface area was 0.04 m 2 / g and the pore volume was 0.001 mL / g or less.

実施例1
製造例1で製造した硫化リチウム(純度98.6%)、五硫化二リン(FS SPEC、サーモフォス社製、純度99.9%以上)、赤リン(PPE02PB、(株)高純度化学研究所製、純度99.999%以上)、及び臭化リチウム(臭化リチウム(無水物)、本荘ケミカル(株)製、純度99.4%以上)を出発原料に用いた(以下、全ての実施例において、各出発原料の純度は同様である)。硫化リチウム(LiS)、五硫化二リン(P)、赤リン(P)及び臭化リチウム(LiBr)のmol比(LiS:P:P:LiBr)が68.9:7.7:8.5:14.9となるように、各原料を混合した。具体的には、硫化リチウム0.4995g、五硫化二リン0.2650g、赤リン0.0410g、臭化リチウム0.2020gを混合し、原料混合物とした。
原料混合物と、直径10mmのジルコニア製ボール30gとを遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)アルミナ製ポット(45mL)に入れ、完全密閉した。ポット内はアルゴン雰囲気とした。遊星型ボールミルで回転数を370rpmにして72時間メカニカルミリングを行い、硫化物固体電解質(硫化物ガラス)の粉末を得た。
Example 1
Lithium sulfide produced in Production Example 1 (purity 98.6%), diphosphorus pentasulfide (FS SPEC, Thermophos, purity 99.9% or more), red phosphorus (PPE02PB, manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.) , Purity 99.999% or more) and lithium bromide (lithium bromide (anhydride), Honjo Chemical Co., Ltd., purity 99.4% or more) were used as starting materials (hereinafter, in all examples) The purity of each starting material is the same). The molar ratio of lithium sulfide (Li 2 S), diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), red phosphorus (P) and lithium bromide (LiBr) (Li 2 S: P 2 S 5 : P: LiBr) is 68. .9: 7.7: 8.5: 14.9 Each raw material was mixed. Specifically, 0.4995 g of lithium sulfide, 0.2650 g of diphosphorus pentasulfide, 0.0410 g of red phosphorus, and 0.2020 g of lithium bromide were mixed to obtain a raw material mixture.
The raw material mixture and 30 g of a zirconia ball having a diameter of 10 mm were placed in a planetary ball mill (manufactured by Fritsch: Model No. P-7) made of alumina (45 mL) and completely sealed. The inside of the pot was an argon atmosphere. Mechanical milling was performed with a planetary ball mill at a rotation speed of 370 rpm for 72 hours to obtain a sulfide solid electrolyte (sulfide glass) powder.

実施例1で得た硫化物固体電解質の示差走査熱量(DSC)測定結果を図1に示す。また、X線回折(XRD)パターンを図2に示す。DSC測定では、明確な結晶化温度は観測されなかった。   The differential scanning calorimetry (DSC) measurement results of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 1 are shown in FIG. An X-ray diffraction (XRD) pattern is shown in FIG. In the DSC measurement, a clear crystallization temperature was not observed.

硫化物固体電解質約0.5gを窒素雰囲気下、ホットプレート(ND−1 ASONE社製)上で熱処理した。具体的に、ホットプレートを予め210℃にし、アルミ箔上に均一に広げた硫化物固体電解質をホットプレート上に置き、1時間加熱した。
熱処理後の硫化物固体電解質についてイオン伝導度(σ)を測定した結果、2.5×10−5S/cmであった。熱処理後の硫化物固体電解質のXRDパターンを図3に示す。残留したLiSやLiBr由来のピークは存在するが、他に明確な結晶構造は確認できなかった。
図2及び図3から、本実施例の硫化物固体電解質では、XRDパターンが、熱処理前後でほとんど変化していないことが確認できる。なお、熱処理をすることにより、新たなピークが出現したり、特定のピーク強度が高まるなどの変化が起こり得るが、LiBrの偏析によるものだと推察できる。
About 0.5 g of the sulfide solid electrolyte was heat-treated on a hot plate (manufactured by ND-1 ASONE) under a nitrogen atmosphere. Specifically, the hot plate was set to 210 ° C. in advance, and the sulfide solid electrolyte uniformly spread on the aluminum foil was placed on the hot plate and heated for 1 hour.
The ionic conductivity (σ) of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment was measured and found to be 2.5 × 10 −5 S / cm. FIG. 3 shows the XRD pattern of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment. Although there are residual Li 2 S and LiBr-derived peaks, other clear crystal structures could not be confirmed.
2 and 3, it can be confirmed that in the sulfide solid electrolyte of this example, the XRD pattern hardly changed before and after the heat treatment. In addition, although heat peaks may cause changes such as new peaks appearing and specific peak intensities increasing, it can be inferred that this is due to LiBr segregation.

熱処理後の硫化物固体電解質について、31P−NMR測定を行った。NMRスペクトルを図4に示す。その結果、P 4−構造のリン比率は76.8mol%、PS 3−構造のリン比率は23.2mol%であった。多くをP 4−構造が占めていることが分かった。
実施例1及び後述する実施例及び比較例の原料における各元素の元素比、得られた硫化物固体電解質のP 4−構造のリン比率及び熱処理後のイオン伝導率を表3に示す。
The 31 P-NMR measurement was performed about the sulfide solid electrolyte after heat processing. The NMR spectrum is shown in FIG. As a result, the phosphorus ratio of the P 2 S 6 4- structure was 76.8 mol%, and the phosphorus ratio of the PS 4 3- structure was 23.2 mol%. It was found that the P 2 S 6 4− structure occupied the majority.
Table 3 shows the element ratio of each element in the raw materials of Example 1 and Examples and Comparative Examples described later, the phosphorus ratio of the P 2 S 6 4- structure of the obtained sulfide solid electrolyte, and the ionic conductivity after heat treatment. .

Figure 2017183210
Figure 2017183210

実施例2
原料のmol比(LiS:P:P:LiBr)が54.8:6.1:26.1:13.0となるように、各原料を混合した。具体的には、硫化リチウム0.4400g、五硫化二リン0.2334g、赤リン0.1393g、臭化リチウム0.1940gを混合し、原料混合物とした他は実施例1と同様にして、硫化物固体電解質を製造し、評価した。
実施例2で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果を図5に示す。明確な結晶化温度は観測されなかった。
Example 2
The raw materials were mixed so that the molar ratio of the raw materials (Li 2 S: P 2 S 5 : P: LiBr) was 54.8: 6.1: 26.1: 13.0. Specifically, 0.4400 g of lithium sulfide, 0.2334 g of diphosphorus pentasulfide, 0.1393 g of red phosphorus, and 0.1940 g of lithium bromide were mixed to obtain a raw material mixture. A solid electrolyte was manufactured and evaluated.
The DSC measurement result of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 2 is shown in FIG. A clear crystallization temperature was not observed.

実施例1と同様にして、硫化物固体電解質を熱処理した。熱処理温度は220℃とした。熱処理後の硫化物固体電解質のイオン伝導度は2.5×10−5S/cmであった。
熱処理後の硫化物固体電解質のXRDパターンを図6に示す。残留したLiSやLiBr由来のピークは存在するが、他に明確な結晶構造は確認できなかった。なお、熱処理をすることにより、新たなピークが出現したり、特定のピーク強度が高まるなどの変化が起こり得るが、LiBrの偏析によるものだと推察できる。
31P−NMRスペクトルを図7に示す。NMR測定の結果、P 4−構造のリン比率は74.9mol%、PS 3−構造のリン比率は25.1mol%であった。多くをP 4−構造が占めていることが分かった。
The sulfide solid electrolyte was heat-treated in the same manner as in Example 1. The heat treatment temperature was 220 ° C. The ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment was 2.5 × 10 −5 S / cm.
The XRD pattern of the sulfide solid electrolyte after heat treatment is shown in FIG. Although there are residual Li 2 S and LiBr-derived peaks, other clear crystal structures could not be confirmed. In addition, although heat peaks may cause changes such as new peaks appearing and specific peak intensities increasing, it can be inferred that this is due to LiBr segregation.
The 31 P-NMR spectrum is shown in FIG. As a result of NMR measurement, the phosphorus ratio of the P 2 S 6 4- structure was 74.9 mol%, and the phosphorus ratio of the PS 4 3- structure was 25.1 mol%. It was found that the P 2 S 6 4− structure occupied the majority.

実施例3
原料のmol比(LiS:P:P:LiBr)が60.2:15.1:8.4:16.4、となるように、各原料を混合した。具体的には、硫化リチウム0.3601g、五硫化二リン0.4299g、赤リン0.0332g、臭化リチウム0.1824gを混合し、原料混合物とした他は実施例1と同様にして、硫化物固体電解質を製造し、評価した。
実施例3で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果を図8に示す。また、XRDパターンを図9に示す。DSC測定では、明確な結晶化温度は見られなかったが、205℃付近に微小なピークが観察された。
Example 3
Each raw material was mixed so that the molar ratio of the raw materials (Li 2 S: P 2 S 5 : P: LiBr) was 60.2: 15.1: 8.4: 16.4. Specifically, 0.3601 g of lithium sulfide, 0.4299 g of diphosphorus pentasulfide, 0.0332 g of red phosphorus, and 0.1824 g of lithium bromide were mixed to obtain a raw material mixture. A solid electrolyte was manufactured and evaluated.
The DSC measurement result of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 3 is shown in FIG. An XRD pattern is shown in FIG. In DSC measurement, a clear crystallization temperature was not observed, but a minute peak was observed at around 205 ° C.

実施例1と同様にして、硫化物固体電解質を熱処理した。熱処理温度は210℃とした。熱処理後の硫化物固体電解質のイオン伝導度は1.8×10−4S/cmであった。
熱処理後の硫化物固体電解質のXRDパターンを図10に示す。残留したLiSやLiBr由来のピークは存在するが、他に明確な結晶構造は確認できなかった。なお、熱処理をすることにより、新たなピークが出現したり、特定のピーク強度が高まるなどの変化が起こり得るが、LiBrの偏析によるものだと推察できる。
31P−NMRスペクトルを図11に示す。NMR測定の結果、P 4−構造のリン比率は58.6mol%、PS 3−構造のリン比率は41.4mol%であった。多くをP 4−構造が占めていることが分かった。
The sulfide solid electrolyte was heat-treated in the same manner as in Example 1. The heat treatment temperature was 210 ° C. The ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment was 1.8 × 10 −4 S / cm.
The XRD pattern of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment is shown in FIG. Although there are residual Li 2 S and LiBr-derived peaks, other clear crystal structures could not be confirmed. In addition, although heat peaks may cause changes such as new peaks appearing and specific peak intensities increasing, it can be inferred that this is due to LiBr segregation.
The 31 P-NMR spectrum is shown in FIG. As a result of NMR measurement, the phosphorus ratio of the P 2 S 6 4- structure was 58.6 mol%, and the phosphorus ratio of the PS 4 3- structure was 41.4 mol%. It was found that the P 2 S 6 4− structure occupied the majority.

実施例4
原料のmol比(LiS:P:P:LiBr)が48.1:12.0:25.8:14.1、となるように、各原料を混合した。具体的には、硫化リチウム0.3245g、五硫化二リン0.3874g、赤リン0.1156g、臭化リチウム0.1776gを混合し、原料混合物とした他は実施例1と同様にして、硫化物固体電解質を製造し、評価した。
実施例4で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果を図12に示す。また、XRDパターンを図13に示す。DSC測定では、明確な結晶化温度は観測されなかった。
Example 4
Each raw material was mixed so that the molar ratio of the raw materials (Li 2 S: P 2 S 5 : P: LiBr) was 48.1: 12.0: 25.8: 14.1. Specifically, lithium sulfide 0.3245 g, diphosphorus pentasulfide 0.3874 g, red phosphorus 0.1156 g, and lithium bromide 0.1776 g were mixed to obtain a raw material mixture. A solid electrolyte was manufactured and evaluated.
The DSC measurement result of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 4 is shown in FIG. An XRD pattern is shown in FIG. In the DSC measurement, a clear crystallization temperature was not observed.

実施例1と同様にして、硫化物固体電解質を熱処理した。熱処理温度は220℃とした。熱処理後の硫化物固体電解質のイオン伝導度は7.8×10−5S/cmであった。
熱処理後の硫化物固体電解質のXRDパターンを図14に示す。残留したLiSやLiBr由来のピークは存在するが、他に明確な結晶構造は確認できなかった。なお、熱処理をすることにより、新たなピークが出現したり、特定のピーク強度が高まるなどの変化が起こり得るが、LiBrの偏析によるものだと推察できる。
31P−NMRスペクトルを図15に示す。NMR測定の結果、P 4−構造のリン比率は74.7mol%、PS 3−構造のリン比率は25.3mol%であった。多くをP 4−構造が占めていることが分かった。
The sulfide solid electrolyte was heat-treated in the same manner as in Example 1. The heat treatment temperature was 220 ° C. The ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment was 7.8 × 10 −5 S / cm.
FIG. 14 shows an XRD pattern of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment. Although there are residual Li 2 S and LiBr-derived peaks, other clear crystal structures could not be confirmed. In addition, although heat peaks may cause changes such as new peaks appearing and specific peak intensities increasing, it can be inferred that this is due to LiBr segregation.
The 31 P-NMR spectrum is shown in FIG. As a result of NMR measurement, the phosphorus ratio of the P 2 S 6 4- structure was 74.7 mol%, and the phosphorus ratio of the PS 4 3- structure was 25.3 mol%. It was found that the P 2 S 6 4− structure occupied the majority.

実施例5
原料のmol比(LiS:P:P:LiBr)が56.0:18.7:8.3:17.0、となるように、各原料を混合した。具体的には、硫化リチウム 0.3085g、五硫化二リン0.4910g、赤リン0.0304g、臭化リチウム0.1751gを混合し、原料混合物とした他は実施例1と同様にして、硫化物固体電解質を製造し、評価した。
実施例5で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果を図16に示す。また、XRDパターンを図17に示す。DSC測定では、明確な結晶化温度は観測されなかったが、229℃付近に微小なピークが観察された。
Example 5
Each raw material was mixed so that the molar ratio of the raw materials (Li 2 S: P 2 S 5 : P: LiBr) would be 56.0: 18.7: 8.3: 17.0. Specifically, 0.3085 g of lithium sulfide, 0.4910 g of diphosphorus pentasulfide, 0.0304 g of red phosphorus, and 0.1751 g of lithium bromide were mixed to obtain a raw material mixture. A solid electrolyte was manufactured and evaluated.
The DSC measurement result of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 5 is shown in FIG. An XRD pattern is shown in FIG. In DSC measurement, a clear crystallization temperature was not observed, but a minute peak was observed around 229 ° C.

実施例1と同様にして、硫化物固体電解質を熱処理した。熱処理温度は250℃とした。熱処理後の硫化物固体電解質のイオン伝導度は1.7×10−4S/cmであった。
熱処理後の硫化物固体電解質のXRDパターンを図18に示す。残留したLiSやLiBr由来のピークは存在するが、他に明確な結晶構造は確認できなかった。なお、熱処理をすることにより、新たなピークが出現したり、特定のピーク強度が高まるなどの変化が起こり得るが、LiBrの偏析によるものだと推察できる。
31P−NMRスペクトルを図19に示す。NMR測定の結果、P 4−構造のリン比率は60.3mol%、PS 3−構造のリン比率は39.7mol%であった。多くをP 4−構造が占めていることが分かった。
The sulfide solid electrolyte was heat-treated in the same manner as in Example 1. The heat treatment temperature was 250 ° C. The ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment was 1.7 × 10 −4 S / cm.
FIG. 18 shows the XRD pattern of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment. Although there are residual Li 2 S and LiBr-derived peaks, other clear crystal structures could not be confirmed. In addition, although heat peaks may cause changes such as new peaks appearing and specific peak intensities increasing, it can be inferred that this is due to LiBr segregation.
The 31 P-NMR spectrum is shown in FIG. As a result of NMR measurement, the phosphorus ratio of the P 2 S 6 4- structure was 60.3 mol%, and the phosphorus ratio of the PS 4 3- structure was 39.7 mol%. It was found that the P 2 S 6 4− structure occupied the majority.

実施例6
原料のmol比(LiS:P:P:LiBr)が50.5:16.8:16.8:15.9、となるように、各原料を混合した。具体的には、硫化リチウム0.2955g、五硫化二リン0.4703g、赤リン0.0655g、臭化リチウム0.1735gを混合し、原料混合物とした他は実施例1と同様にして、硫化物固体電解質を製造し、評価した。
実施例6で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果を図20に示す。また、XRDパターンを図21に示す。DSC測定では、明確な結晶化温度は観測されなかった。
Example 6
Each raw material was mixed so that the molar ratio of the raw materials (Li 2 S: P 2 S 5 : P: LiBr) was 50.5: 16.8: 16.8: 15.9. Specifically, 0.2955 g of lithium sulfide, 0.4703 g of diphosphorus pentasulfide, 0.0655 g of red phosphorus, and 0.1735 g of lithium bromide were mixed to obtain a raw material mixture. A solid electrolyte was manufactured and evaluated.
The DSC measurement result of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 6 is shown in FIG. An XRD pattern is shown in FIG. In the DSC measurement, a clear crystallization temperature was not observed.

実施例1と同様にして、硫化物固体電解質を熱処理した。熱処理温度は250℃とした。熱処理後の硫化物固体電解質のイオン伝導度は8.1×10−5S/cmであった。
熱処理後の硫化物固体電解質のXRDパターンを図22に示す。残留したLiSやLiBr由来のピークは存在するが、他に明確な結晶構造は確認できなかった。なお、熱処理をすることにより、新たなピークが出現したり、特定のピーク強度が高まるなどの変化が起こり得るが、LiBrの偏析によるものだと推察できる。
31P−NMRスペクトルを図23に示す。NMR測定の結果、P 4−構造のリン比率は83.3mol%、PS 3−構造のリン比率は16.7mol%であった。多くをP 4−構造が占めていることが分かった。
The sulfide solid electrolyte was heat-treated in the same manner as in Example 1. The heat treatment temperature was 250 ° C. The ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment was 8.1 × 10 −5 S / cm.
FIG. 22 shows the XRD pattern of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment. Although there are residual Li 2 S and LiBr-derived peaks, other clear crystal structures could not be confirmed. In addition, although heat peaks may cause changes such as new peaks appearing and specific peak intensities increasing, it can be inferred that this is due to LiBr segregation.
The 31 P-NMR spectrum is shown in FIG. As a result of NMR measurement, the phosphorus ratio of the P 2 S 6 4- structure was 83.3 mol%, and the phosphorus ratio of the PS 4 3- structure was 16.7 mol%. It was found that the P 2 S 6 4− structure occupied the majority.

比較例1
硫化リチウム、五硫化二リン、臭化リチウムのmol比(LiS:P:LiBr)が47.8:31.9::20.4となるように、各原料を混合した。具体的には、硫化リチウム0.2016g、五硫化二リン0.6418g、臭化リチウム0.1602gを混合し、原料混合物とした他は実施例1と同様にして、硫化物ガラスを製造し、評価した。
比較例1で得た硫化物ガラスのDSC測定結果を図24に示す。また、XRDパターンを図25に示す。DSC測定から硫化物ガラスの結晶化温度は249℃であった。
Comparative Example 1
Each raw material was mixed so that the molar ratio (Li 2 S: P 2 S 5 : LiBr) of lithium sulfide, diphosphorus pentasulfide and lithium bromide was 47.8: 31.9 :: 20.4. Specifically, a sulfide glass was produced in the same manner as in Example 1 except that 0.2016 g of lithium sulfide, 0.6418 g of diphosphorus pentasulfide, and 0.1602 g of lithium bromide were mixed to obtain a raw material mixture. evaluated.
The DSC measurement result of the sulfide glass obtained in Comparative Example 1 is shown in FIG. An XRD pattern is shown in FIG. From the DSC measurement, the crystallization temperature of the sulfide glass was 249 ° C.

実施例1と同様にして、硫化物ガラスを熱処理した。熱処理温度は260℃とした。熱処理後の硫化物のイオン伝導度は測定不能であった。
熱処理後のXRDパターンを図26に示す。2θ=16.5、26.7、32.0、51.2degの位置にLi結晶構造に由来するピークがあった。また、LiBrに由来するピークがあった。
図25及び図26から、比較例1の硫化物ガラスは熱処理により結晶化することが確認できる。これは、本願実施例1等の結果とは異なっている。
31P−NMRスペクトルを図27に示す。NMR測定の結果、P 4−構造のリン比率は94.9mol%、PS 3−構造のリン比率は2.7mol%、P2 構造のリン比率は2.0mol%、帰属不明な成分のリン比率は0.4mol%であった。多くをP 4−構造が占めていることが分かった。
The sulfide glass was heat-treated in the same manner as in Example 1. The heat treatment temperature was 260 ° C. The ionic conductivity of the sulfide after the heat treatment was not measurable.
FIG. 26 shows the XRD pattern after the heat treatment. There were peaks derived from the Li 4 P 2 S 6 crystal structure at the positions of 2θ = 16.5, 26.7, 32.0, 51.2 deg. Moreover, there was a peak derived from LiBr.
25 and 26, it can be confirmed that the sulfide glass of Comparative Example 1 is crystallized by heat treatment. This is different from the result of Example 1 of the present application.
The 31 P-NMR spectrum is shown in FIG. Results of NMR measurement, phosphorus ratio 94.9Mol% of P 2 S 6 4- structures, phosphorus ratio 2.7 mol% of PS 4 3- structure, phosphorus ratio of P 2 S 7 3 structure 2.0 mol%, The phosphorus ratio of the component with unknown attribution was 0.4 mol%. It was found that the P 2 S 6 4− structure occupied the majority.

比較例2
原料のmol比(LiS:P:P:LiBr)が41.5:17.8:25.4:15.3、となるように、各原料を混合した。具体的には、硫化リチウム0.2426g、五硫化二リン0.4965g、赤リン0.0987g、臭化リチウム0.1662gを混合し、原料混合物とした他は実施例1と同様にして、硫化物ガラスを製造し、評価した。
比較例2で得た硫化物ガラスのDSC測定結果を図28に示す。また、XRDパターンを図29に示す。DSC測定では、明確な結晶化温度は観測されなかった。
Comparative Example 2
Each raw material was mixed so that the molar ratio of the raw materials (Li 2 S: P 2 S 5 : P: LiBr) was 41.5: 17.8: 25.4: 15.3. Specifically, 0.2426 g of lithium sulfide, 0.4965 g of diphosphorus pentasulfide, 0.0987 g of red phosphorus, and 0.1662 g of lithium bromide were mixed to obtain a raw material mixture. A glass product was manufactured and evaluated.
The DSC measurement result of the sulfide glass obtained in Comparative Example 2 is shown in FIG. An XRD pattern is shown in FIG. In the DSC measurement, a clear crystallization temperature was not observed.

実施例1と同様にして、硫化物ガラスを熱処理した。熱処理温度は300℃とした。熱処理後の硫化物のイオン伝導度は3.6×10−6S/cmであった。
熱処理後の硫化物ガラスのXRDパターンを図30に示す。2θ=16.7、26.9、32.2、40.1、51.1、51.8degの位置にLi結晶構造に由来するピークがあった。また、LiBrに由来するピークがあった。
図29及び図30から、比較例2の硫化物ガラスでは、XRDパターンが、熱処理前後であまり変化していないことが確認できる。すなわち、熱処理前の段階で、Li結晶構造に由来するピークが観測されていることが分かる。
31P−NMRスペクトルを図31に示す。NMR測定の結果、P 4−構造のリン比率は100mol%であった。
The sulfide glass was heat-treated in the same manner as in Example 1. The heat treatment temperature was 300 ° C. The ionic conductivity of the sulfide after the heat treatment was 3.6 × 10 −6 S / cm.
FIG. 30 shows an XRD pattern of the sulfide glass after the heat treatment. There were peaks derived from the Li 4 P 2 S 6 crystal structure at the positions of 2θ = 16.7, 26.9, 32.2, 40.1, 51.1, 51.8 deg. Moreover, there was a peak derived from LiBr.
From FIG. 29 and FIG. 30, in the sulfide glass of Comparative Example 2, it can be confirmed that the XRD pattern does not change much before and after the heat treatment. That is, it can be seen that a peak derived from the Li 4 P 2 S 6 crystal structure is observed before the heat treatment.
The 31 P-NMR spectrum is shown in FIG. As a result of NMR measurement, the phosphorus ratio of the P 2 S 6 4− structure was 100 mol%.

比較例3
原料のmol比(LiS:P:P:LiBr)が30.6:13.1:43.7:12.6、となるように、各原料を混合した。具体的には、硫化リチウム0.2106g、五硫化二リン0.4310g、赤リン0.2000g、臭化リチウム0.1620gを混合し、原料混合物とした他は実施例1と同様にして、硫化物ガラスを製造し、評価した。
比較例3で得た硫化物ガラスのDSC測定結果を図32に示す。また、XRDパターンを図33に示す。DSC測定では、明確な結晶化温度は観測されなかった。
Comparative Example 3
The raw materials were mixed so that the molar ratio of the raw materials (Li 2 S: P 2 S 5 : P: LiBr) was 30.6: 13.1: 43.7: 12.6. Specifically, 0.2106 g of lithium sulfide, 0.4310 g of diphosphorus pentasulfide, 0.2000 g of red phosphorus, and 0.1620 g of lithium bromide were mixed to obtain a raw material mixture. A glass product was manufactured and evaluated.
The DSC measurement result of the sulfide glass obtained in Comparative Example 3 is shown in FIG. An XRD pattern is shown in FIG. In the DSC measurement, a clear crystallization temperature was not observed.

実施例1と同様にして、硫化物ガラスを熱処理した。熱処理温度は250℃とした。熱処理後の硫化物のイオン伝導度は2.0×10−6S/cmであった。
熱処理後の硫化物ガラスのXRDパターンを図34に示す。2θ=16.6、26.8、32.2、40.1、51.1、51.8degの位置にLi結晶構造に由来するピークがあった。また、LiBrに由来するピークがあった。
図33及び図34から、比較例3の硫化物ガラスでは、XRDパターンが、熱処理前後であまり変化していないことが確認できる。すなわち、熱処理前の段階で、Li結晶構造に由来するピークが観測されていることが分かる。
31P−NMRスペクトルを図35に示す。NMR測定の結果、P 4−構造のリン比率は100mol%であった。
The sulfide glass was heat-treated in the same manner as in Example 1. The heat treatment temperature was 250 ° C. The ionic conductivity of the sulfide after the heat treatment was 2.0 × 10 −6 S / cm.
FIG. 34 shows the XRD pattern of the sulfide glass after the heat treatment. There were peaks derived from the Li 4 P 2 S 6 crystal structure at positions of 2θ = 16.6, 26.8, 32.2, 40.1, 51.1, 51.8 deg. Moreover, there was a peak derived from LiBr.
From FIG. 33 and FIG. 34, it can be confirmed that in the sulfide glass of Comparative Example 3, the XRD pattern does not change much before and after the heat treatment. That is, it can be seen that a peak derived from the Li 4 P 2 S 6 crystal structure is observed before the heat treatment.
The 31 P-NMR spectrum is shown in FIG. As a result of NMR measurement, the phosphorus ratio of the P 2 S 6 4− structure was 100 mol%.

本発明の硫化物固体電解質は、リチウムイオン電池の構成材料、例えば、正極、負極、電解質層等に使用できる。
本発明のリチウムイオン電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを動力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に使用できる。

The sulfide solid electrolyte of the present invention can be used as a constituent material of a lithium ion battery, for example, a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte layer, and the like.
The lithium ion battery of the present invention can be used in portable information terminals, portable electronic devices, small household power storage devices, motorcycles powered by motors, electric vehicles, hybrid electric vehicles, and the like.

Claims (10)

リチウム、リン及び硫黄を含む硫化物固体電解質であって、
前記リンの50mol%以上90mol%以下がP 4−構造に含まれる硫化物固体電解質。
A sulfide solid electrolyte containing lithium, phosphorus and sulfur,
The sulfide solid electrolyte in which 50 mol% or more and 90 mol% or less of the phosphorus is contained in the P 2 S 6 4- structure.
ハロゲンを含む、請求項1に記載の硫化物固体電解質。   The sulfide solid electrolyte according to claim 1, comprising a halogen. 前記リチウム、リン及び硫黄の合計に対するリチウムの元素比(MLi)、リンの元素比(M)及び硫黄の元素比(M)が下記式(1)〜(3)を満たす、請求項1又は2に記載の硫化物固体電解質。
0.350≦MLi≦0.600・・・(1)
0.050≦M≦0.200・・・ (2)
0.300≦M≦0.500・・・ (3)
(式中、MLiはリチウムの元素比、Mはリンの元素比、Mは硫黄の元素比を表す。)
The element ratio (M Li ) of lithium to the total of the lithium, phosphorus and sulfur, the element ratio (M P ) of phosphorus and the element ratio (M S ) of sulfur satisfy the following formulas (1) to (3). The sulfide solid electrolyte according to 1 or 2.
0.350 ≦ M Li ≦ 0.600 (1)
0.050 ≦ M P ≦ 0.200 (2)
0.300 ≦ M S ≦ 0.500 (3)
(Wherein, M Li is the element ratio of lithium, M P is the element ratio of phosphorus, the M S represents an element ratio of sulfur.)
X線回折測定において、Li結晶構造由来のピークが観測されない、請求項1〜3のいずれかに記載の硫化物固体電解質。 The sulfide solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein a peak derived from the Li 4 P 2 S 6 crystal structure is not observed in the X-ray diffraction measurement. X線回折測定において、P 4−を基本単位とする結晶構造由来のピークが観測されない、請求項1〜4のいずれかに記載の硫化物固体電解質。 The sulfide solid electrolyte according to any one of claims 1 to 4, wherein a peak derived from a crystal structure having P 2 S 6 4- as a basic unit is not observed in X-ray diffraction measurement. X線回折測定において、P a−(xは1〜3の整数であり、yは3〜11の整数であり、x<yである。aは3〜7の整数である。)を基本単位とする結晶構造由来のピークが観測されない、請求項1〜5のいずれかに記載の硫化物固体電解質。 In the X-ray diffraction measurement, P x S y a- (x is an integer of 1 to 3, y is an integer of 3 to 11, and x <y. A is an integer of 3 to 7) The sulfide solid electrolyte according to any one of claims 1 to 5, wherein a peak derived from a crystal structure having a basic unit of 1 is not observed. 請求項1〜6のいずれかに記載の硫化物固体電解質と、活物質を含む電極合材。   The electrode compound material containing the sulfide solid electrolyte in any one of Claims 1-6, and an active material. 請求項1〜6のいずれかに記載の硫化物固体電解質及び請求項7に記載の電極合材のうち少なくとも1つを含むリチウムイオン電池。   A lithium ion battery comprising at least one of the sulfide solid electrolyte according to any one of claims 1 to 6 and the electrode mixture according to claim 7. 請求項1〜6のいずれかに記載の硫化物固体電解質により製造された電極合材。   The electrode compound material manufactured with the sulfide solid electrolyte in any one of Claims 1-6. 請求項1〜6のいずれかに記載の硫化物固体電解質、請求項7に記載の電極合材及び請求項9に記載の電極合材のうち少なくとも1つにより製造されたリチウムイオン電池。   A lithium ion battery produced by at least one of the sulfide solid electrolyte according to any one of claims 1 to 6, the electrode mixture according to claim 7, and the electrode mixture according to claim 9.
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