JP2017199631A - Sulfide solid electrolyte, electrode mixture material, and lithium ion battery - Google Patents

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

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恒太 寺井
Kota Terai
恒太 寺井
孝 梅木
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孝 梅木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sulfide solid electrolyte which exhibits an argyrodite structure regardless of particular manufacturing condition.SOLUTION: A sulfide solid electrolyte comprises lithium, phosphorus, sulfur and halogen. The sulfide solid electrolyte has diffraction peaks at least, at 2θ=15.2±0.5 deg and 2θ=17.6±0.5 deg in powder X-ray diffraction (CuKα: λ=1.5418 Å), and satisfies the following expression (1): 0.6≤S/S≤1.0 (1) (where Sis an area of the diffraction peak at 2θ=15.2±0.5 deg, and Sis an area of the diffraction peak at 2θ=17.6±0.5 deg).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、高容量か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結晶構造としては種々のものが存在するが、中でもアルジロダイト(Argyrodite)構造は、安定性が高く、且つイオン伝導度が比較的高いものとして知られている。
アルジロダイト構造を有する硫化物固体電解質は、例えば、特許文献1、非特許文献1及び非特許文献2に開示されている。しかしながら、遊星ボールミルを用いてメカニカルミリング反応を行った後、550℃の高温で熱処理するなど、特殊な製造条件でないとアルジロダイト結晶構造を十分に発現することができなかった。
There are various crystal structures of the sulfide solid electrolyte. Among them, the Argyrodite structure is known to have high stability and relatively high ionic conductivity.
For example, Patent Document 1, Non-Patent Document 1, and Non-Patent Document 2 disclose sulfide solid electrolytes having an aldilodite structure. However, after performing a mechanical milling reaction using a planetary ball mill, heat treatment at a high temperature of 550 ° C., and the like, the aldilodite crystal structure could not be fully expressed unless the production conditions were special.

特開2013−211171号公報JP 2013-211171 A

Angew.chem Vol.47(2008),No.4,P.755−758Angew. chem Vol. 47 (2008), no. 4, P. 755-758 Phys.Status.Solidi Vol.208(2011),No.8,P.1804−1807Phys. Status. Solidi Vol. 208 (2011), no. 8, P.I. 1804-1807

本発明は、特殊な製造条件によらずにアルジロダイト構造が発現する硫化物固体電解質を提供することを課題とする。   It is an object of the present invention to provide a sulfide solid electrolyte that exhibits an aldilodite structure regardless of special production conditions.

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、硫黄及びハロゲンを含み、粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、少なくとも2θ=15.2±0.5deg、及び2θ=17.6±0.5degに回折ピークを有し、下記式(1)を満たす、硫化物固体電解質。
0.6≦S/S≦1.0・・・(1)
(式中、Sは前記2θ=15.2±0.5degにある回折ピークの面積であり、Sは前記2θ=17.6±0.5degにある回折ピークの面積である。)
2.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(2)〜(4)を満たす、1に記載の硫化物固体電解質。
0.350≦MLi≦0.500・・・(2)
0.010≦M≦0.150・・・ (3)
0.400≦M≦0.550・・・ (4)
(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。)
3.粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=25.0±0.5degに回折ピークを有する、1又は2に記載の硫化物固体電解質。
4.1〜3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。
5.1〜3のいずれかに記載の硫化物固体電解質及び4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。
6.1〜3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。
7.1〜3のいずれかに記載の硫化物固体電解質、4に記載の電極合材及び6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。
According to the present invention, the following sulfide solid electrolyte and the like are provided.
1. Lithium, phosphorus, sulfur and halogen are contained, and in powder X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.54184), diffraction peaks are at least 2θ = 15.2 ± 0.5 deg and 2θ = 17.6 ± 0.5 deg. A sulfide solid electrolyte having and satisfying the following formula (1).
0.6 ≦ S a / S b ≦ 1.0 (1)
(In the formula, S a is the area of the diffraction peak at 2θ = 15.2 ± 0.5 deg, and S b is the area of the diffraction peak at 2θ = 17.6 ± 0.5 deg.)
2. The lithium element ratio (M Li ), the phosphorus element ratio (M P ), and the sulfur element ratio (M S ) with respect to the total of lithium, phosphorus and sulfur satisfy the following formulas (2) to (4): The sulfide solid electrolyte described.
0.350 ≦ M Li ≦ 0.500 (2)
0.010 ≦ M P ≦ 0.150 ··· ( 3)
0.400 ≦ M S ≦ 0.550 (4)
(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.)
3. 3. The sulfide solid electrolyte according to 1 or 2, which has a diffraction peak at 2θ = 25.0 ± 0.5 deg in powder X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.5418Å).
The electrode compound material containing the sulfide solid electrolyte in any one of 4.1-3, and an active material.
5. A lithium ion battery comprising at least one of the sulfide solid electrolyte according to any one of 5.1 to 3 and the electrode mixture according to 4.
The electrode compound material manufactured with the sulfide solid electrolyte in any one of 6.1-3.
7.1 A lithium ion battery manufactured by at least one of the sulfide solid electrolyte according to any one of 1 to 3 and the electrode mixture according to 4, and the electrode mixture according to 6.

本発明によれば、アルジロダイト構造を含有する硫化物固体電解質を従来法よりも容易に製造することができる。   According to the present invention, a sulfide solid electrolyte containing an aldilodite structure can be manufactured more easily than the conventional method.

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7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 7. 実施例7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 7. 実施例7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 7. 実施例9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 9. 実施例9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 9. 実施例9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 9. 実施例11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 11. 実施例11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 11. 実施例11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。6 is an XRD pattern after heat treatment of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 11. FIG. 比較例1で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果である。3 is a DSC measurement result of the sulfide solid electrolyte obtained in Comparative Example 1. 比較例1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 Comparative Example 1. 比較例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。4 is an XRD pattern after heat treatment of the sulfide solid electrolyte obtained in Comparative Example 1. 比較例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 Comparative Example 3. 比較例3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 a sulfide solid electrolyte obtained in Comparative Example 3. 比較例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 Comparative Example 3. 比較例5で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果である。6 is a DSC measurement result of the sulfide solid electrolyte obtained in Comparative Example 5. 比較例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 a sulfide solid electrolyte obtained in Comparative Example 5. 比較例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。6 is an XRD pattern after heat treatment of the sulfide solid electrolyte obtained in Comparative Example 5.

本発明の硫化物固体電解質は、リチウム、リン、硫黄及びハロゲン(F、I、Br、Cl、At等)を含み、粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、少なくとも2θ=15.2±0.5deg、及び2θ=17.6±0.5degに回折ピークを有する。そして、下記式(1)を満たすことを特徴とする。
0.6≦S/S≦1.0・・・(1)
(式中、Sは前記2θ=15.2±0.5degにある回折ピークの面積であり、Sは前記2θ=17.6±0.5degにある回折ピークの面積である。)
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。また、例えば、2θ=15.2±0.5degにある回折ピークとは、2θ=15.2±0.5degの範囲にピークトップがあり、該当するピークが複数ある場合は、ピーク面積が最大であるピークを意味する。
The sulfide solid electrolyte of the present invention contains lithium, phosphorus, sulfur and halogen (F, I, Br, Cl, At, etc.), and at least 2θ = 15 in powder X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.54184). It has diffraction peaks at 2 ± 0.5 deg and 2θ = 17.6 ± 0.5 deg. And it is characterized by satisfy | filling following formula (1).
0.6 ≦ S a / S b ≦ 1.0 (1)
(In the formula, S a is the area of the diffraction peak at 2θ = 15.2 ± 0.5 deg, and S b is the area of the diffraction peak at 2θ = 17.6 ± 0.5 deg.)
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. Further, for example, a diffraction peak at 2θ = 15.2 ± 0.5 deg has a peak top in the range of 2θ = 15.2 ± 0.5 deg, and when there are a plurality of corresponding peaks, the peak area is maximum. Means a peak.

粉末X線回折における2θ=15.2±0.5、及び17.6±0.5degの回折ピークは、アルジロダイト結晶構造に由来するピークである。即ち、本発明の硫化物固体電解質は、アルジロダイト結晶構造を有する。アルジロダイト結晶構造としては、例えば、特表2010−540396号公報、特開2011−096630号公報、特開2013−211171号公報等に開示されている結晶構造を挙げることができる。具体的には、例えば、LiPSX、Li7−xPS6−x(X=Cl,Br,I、x=0.0〜1.8)等が挙げられる。
なお、X線回折測定において、アルジロダイト結晶構造の回折ピークは、例えば、2θ=25.0±0.5deg、47.0±0.5deg又は52.0±0.5degにも現れる。本発明の硫化物固体電解質は、これらのピークを有していてもよい。
The diffraction peaks at 2θ = 15.2 ± 0.5 and 17.6 ± 0.5 deg in the powder X-ray diffraction are peaks derived from the aldilodite crystal structure. That is, the sulfide solid electrolyte of the present invention has an aldilodite crystal structure. Examples of the aldilodite crystal structure include crystal structures disclosed in JP-T 2010-540396, JP-A 2011-096630, JP-A 2013-211171, and the like. Specific examples include Li 6 PS 5 X, Li 7-x PS 6-x X x (X = Cl, Br, I, x = 0.0 to 1.8).
In the X-ray diffraction measurement, the diffraction peak of the aldilodite crystal structure also appears at 2θ = 25.0 ± 0.5 deg, 47.0 ± 0.5 deg, or 52.0 ± 0.5 deg, for example. The sulfide solid electrolyte of the present invention may have these peaks.

上記式(1)は、2θ=15.2±0.5degにあるピークの、2θ=17.6±0.5degにあるピークに対する強度比が0.6以上1.0以下であることを意味する。
強度比(S/S)は、0.65以上0.99以下であることが好ましく、0.7以上0.99以下が更に好ましく、特に0.74以上0.99以下が好ましい。
なお、ピーク面積の測定、解析手法等については後述する実施例に記載の方法によるものとする。
The above formula (1) means that the intensity ratio of the peak at 2θ = 15.2 ± 0.5 deg to the peak at 2θ = 17.6 ± 0.5 deg is 0.6 or more and 1.0 or less. To do.
The intensity ratio (S a / S b ) is preferably from 0.65 to 0.99, more preferably from 0.7 to 0.99, and particularly preferably from 0.74 to 0.99.
In addition, about the measurement of a peak area, an analysis method, etc., it shall be based on the method as described in the Example mentioned later.

また、上述した2θ=15.2±0.5degの回折ピークは、2θ=15.2±0.3degの範囲に存在することが好ましく、2θ=15.2±0.2degの範囲に存在することがさらに好ましい。同様に、2θ=17.6±0.5degの回折ピークは、2θ=17.6±0.3degの範囲に存在することが好ましく、2θ=17.6±0.2degの範囲に存在することがさらに好ましい
さらに、2θ=25±0.5deg、47±0.5deg、52±0.5degのいずれかにピークが存在する場合には、それぞれ、2θ=25±0.3deg、47±0.3deg、52±0.3degの範囲にピークが存在することが好ましく、2θ=25±0.2deg、47±0.2deg、52±0.2degの範囲にピークが存在することがさらに好ましい。
The diffraction peak of 2θ = 15.2 ± 0.5 deg described above preferably exists in the range of 2θ = 15.2 ± 0.3 deg, and preferably exists in the range of 2θ = 15.2 ± 0.2 deg. More preferably. Similarly, the diffraction peak of 2θ = 17.6 ± 0.5 deg is preferably in the range of 2θ = 17.6 ± 0.3 deg, and preferably in the range of 2θ = 17.6 ± 0.2 deg. Is more preferable. Further, when a peak exists at any of 2θ = 25 ± 0.5 deg, 47 ± 0.5 deg, 52 ± 0.5 deg, 2θ = 25 ± 0.3 deg, 47 ± 0. A peak is preferably present in the range of 3 deg and 52 ± 0.3 deg, and more preferably in the range of 2θ = 25 ± 0.2 deg, 47 ± 0.2 deg and 52 ± 0.2 deg.

本発明の硫化物固体電解質では、粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=26.8±0.5degに回折ピーク(代表的な硫化リチウム由来のピーク)を有しないことが好ましい。
また、2θ=52.9±0.5degにも回折ピーク(その他の硫化リチウム由来のピーク)を有しないことが好ましい。
The sulfide solid electrolyte of the present invention does not have a diffraction peak (a typical lithium sulfide-derived peak) at 2θ = 26.8 ± 0.5 deg in powder X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.5418Å). Is preferred.
Further, it is preferable that 2θ = 52.9 ± 0.5 deg does not have a diffraction peak (other peaks derived from lithium sulfide).

本発明の硫化物固体電解質では、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(2)〜(4)を満たすことが好ましい。
0.350≦MLi≦0.500・・・(2)
0.010≦M≦0.150・・・ (3)
0.400≦M≦0.550・・・ (4)
(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。
0.375≦MLi≦0.495
0.020≦M≦0.130
0.450≦M≦0.540
最も好ましくは下記式を満たすことが好ましい。
0.400≦MLi≦0.490
0.040≦M≦0.110
0.452≦M≦0.530
In the sulfide solid electrolyte of the present invention, the lithium element ratio (M Li ), the phosphorus element ratio (M P ), and the sulfur element ratio (M S ) with respect to the total of lithium, phosphorus, and sulfur are the following formulas (2) to (2): It is preferable to satisfy (4).
0.350 ≦ M Li ≦ 0.500 (2)
0.010 ≦ M P ≦ 0.150 ··· ( 3)
0.400 ≦ M S ≦ 0.550 (4)
(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.
0.375 ≦ M Li ≦ 0.495
0.020 ≦ M P ≦ 0.130
0.450 ≦ M S ≦ 0.540
Most preferably, the following formula is satisfied.
0.400 ≦ M Li ≦ 0.490
0.040 ≦ M P ≦ 0.110
0.452 ≦ M S ≦ 0.530

また、硫化物固体電解質に含まれる硫黄の元素比を相対的に高くすることが好ましい。これにより、高温で熱処理しなくてもアルジロダイト結晶構造を有する硫化物固体電解質が得られやすくなる。ここで、硫黄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、硫黄の元素比yがa+5bより高い場合(y>a+5b)を硫黄の元素比が相対的に高いとする。
Moreover, it is preferable to make the element ratio of sulfur contained in the sulfide solid electrolyte relatively high. This makes it easy to obtain a sulfide solid electrolyte having an aldilodite crystal structure without heat treatment at a high temperature. Here, relatively increasing the elemental ratio of sulfur 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, when the sulfur element ratio y is higher than a + 5b (y> a + 5b), the sulfur element ratio is relatively high.

本発明の硫化物固体電解質はハロゲンを含有する。ハロゲン(X)のモル比(M/(MLi+M+M+M))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、特に、0.015〜0.200であることが好ましい。 The sulfide solid electrolyte of the present invention contains a halogen. The molar ratio of halogen (X) (M X / (M Li + MP + M S + M X )) is preferably 0.001 to 0.400, more preferably 0.005 to 0.300. In particular, it is 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、硫化リン及びをハロゲン化リチウム使用する場合、さらに、単体硫黄や有機・無機多硫化物、窒化硫黄等の硫黄化合物を原料として用い、硫黄元素の元素比を相対的に高くすることが挙げられる。特に、単体硫黄を原料として用いることが好ましい。   In order to adjust the elemental composition of the sulfide solid electrolyte, for example, when using lithium sulfide, phosphorus sulfide and lithium halide as raw materials, sulfur such as elemental sulfur, organic / inorganic polysulfides, sulfur nitride, etc. A compound is used as a raw material, and the element ratio of sulfur element is relatively increased. In particular, it is preferable to use elemental sulfur as a raw material.

本発明の硫化物固体電解質は、リチウム、リン、硫黄及びハロゲンに、所望により上述した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)、SnS(硫化スズ)、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 a raw material containing the above-mentioned optional element with lithium, phosphorus, sulfur and halogen, if desired, and performing a synthesis treatment.
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), SnS 2 (tin sulfide), B 2 S 3 (diboron trisulfide), Li 3 PO 4 (lithium phosphate), Li 4 GeO 4 (germane) Acid lithium), 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) or the like can be used.

以下、原料として、硫化リチウム、硫化リン、単体硫黄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, elemental sulfur 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.

単体硫黄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。
また、単体硫黄は、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 element sulfur, For example, what is manufactured and sold industrially may be used.
Further, the elemental sulfur preferably has a purity of 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、95〜65mol%:5〜35mol%が好ましく、95〜77mol%:5〜23mol%がさらに好ましく、93〜78mol%:7〜22mol%が最も好ましい。
単体硫黄の添加量は、例えば硫化リチウム、硫化リン、及び単体硫黄を原料として含む場合、硫化リチウムと硫化リン(LiS+P)、及び単体硫黄の合計量を100mol%とした場合、5mol%〜80mol%が好ましく、10mol%〜70mol%が好ましく、15mol%〜65mol%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、0.1mol%〜50mol%が好ましく、1mol%〜40mol%がさらに好ましく、3mol%〜30mol%が特に好ましい。
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 65 mol%: 5 to 35 mol%, more preferably 95 to 77 mol%: 5 to 23 mol%, and 93 to 78 mol%: 7-22 mol% is most preferable.
The amount of elemental sulfur added is, for example, when lithium sulfide, phosphorus sulfide, and elemental sulfur are used as raw materials, lithium sulfide and phosphorus sulfide (Li 2 S + P 2 S 5 ), and the total amount of elemental sulfur is 100 mol%. 5 mol% to 80 mol% is preferable, 10 mol% to 70 mol% is preferable, and 15 mol% to 65 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. %, Preferably 0.1 mol% to 50 mol%, more preferably 1 mol% to 40 mol%, and particularly preferably 3 mol% to 30 mol%.

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、必要な場合は熱処理をしてもよい。熱処理によって、結晶化がさらに進行したり、アルジロダイト結晶構造以外の結晶構造が発現することがある(例えば、LiPS結晶構造)。熱処理の温度は、示差走査熱量(DSC)測定で観測されるピーク位置を参考にして決定することができる。例えば、100〜350℃が好ましい。加熱時間は、0.005分以上、10時間以下が好ましい。さらに好ましくは、0.005分以上、4時間以下であり、特に好ましくは、1分以上、3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 may be heat-treated if necessary. Due to the heat treatment, crystallization may further progress, or a crystal structure other than the aldilodite crystal structure may appear (for example, Li 3 PS 4 crystal structure). The temperature of the heat treatment can be determined with reference to the peak position observed by differential scanning calorimetry (DSC) measurement. For example, 100-350 degreeC is preferable. The heating time is preferably 0.005 minutes or more and 10 hours or less. More preferably, it is 0.005 minutes or more and 4 hours or less, and particularly preferably 1 minute or more and 3 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 also 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質量%、より好ましくは2〜20質量%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。   The content of the conductive additive in the composite material when the negative electrode composite contains the conductive additive is preferably 1 to 40% by mass, more preferably 2 to 20% by mass. 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)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
測定結果より2θ=15.2±0.5deg及び17.6±0.5degに存在するアルジロダイト構造の2本のピーク面積を解析し、強度比を計算した。ピーク面積の解析では、XRD解析プログラムJADEを用い、3次式近似によりベースラインを引いて、ガウス関数対称ピークとしてピークフィッティングを行い各ピークの面積を算出した。
(3) X-ray diffraction (XRD) measurement A circular pellet having a diameter of 10 mm and a height of 0.1 to 0.3 cm was formed from a sulfide solid electrolyte powder produced in each example to prepare 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 From the measurement results, two peak areas of the argilodite structure existing at 2θ = 15.2 ± 0.5 deg and 17.6 ± 0.5 deg are analyzed, The intensity ratio was calculated. In the analysis of the peak area, an XRD analysis program JADE was used, a baseline was drawn by cubic approximation, peak fitting was performed as a Gaussian function symmetrical peak, and the area of each peak was calculated.

製造例1
(硫化リチウム(LiS)の製造)
窒素気流下で、非極性溶媒としてトルエン303.8kgを500L槽型反応器に加え、水酸化リチウム(本荘ケミカル社製無水品)33.8kgを投入し、フラットパドル型撹拌翼131rpmで撹拌した。スラリー中に硫化水素を10L/時間の供給速度で吹き込みながら108℃まで昇温した。500L槽型反応器からは、水とトルエンの共沸ガスが連続的に排出された。この共沸ガスを、系外のコンデンサで凝縮させることにより脱水した。この間、留出するトルエンと同量のトルエンを連続的に供給し、反応液レベルを一定に保持した。
凝縮液中の水分量は徐々に減少し、硫化水素導入後24時間で水の留出は認められなくなった。尚、反応の間は、トルエン中に固体が分散して撹拌された状態であり、トルエンから分層した水分はほとんど無かった。
次いで、硫化水素を吹き込みながら反応器の温度を50℃に保持し、21時間反応させた。さらに硫化水素を吹き込みながら反応器の温度を70℃に保持し、10時間反応させた。その後、反応器の温度を108℃まで昇温し、硫化水素を窒素に切り替え、20L/分で16時間流通し、硫化リチウムトルエンスラリーを得た。
得られたスラリーをコニカル乾燥機に給液し、上清トルエンを除去した後、90℃で12時間真空乾燥して硫化リチウムを得た。
Production Example 1
(Production of lithium sulfide (Li 2 S))
Under a nitrogen stream, 303.8 kg of toluene as a nonpolar solvent was added to a 500 L tank reactor, 33.8 kg of lithium hydroxide (an anhydrous product manufactured by Honjo Chemical Co., Ltd.) was added, and the mixture was stirred with a flat paddle type stirring blade 131 rpm. The temperature was raised to 108 ° C. while blowing hydrogen sulfide into the slurry at a supply rate of 10 L / hour. An azeotropic gas of water and toluene was continuously discharged from the 500 L tank reactor. This azeotropic gas was dehydrated by condensing with a condenser outside the system. During this time, the same amount of toluene as the distilled toluene was continuously supplied to keep the reaction liquid level constant.
The amount of water in the condensate gradually decreased, and water distilling was not observed 24 hours after the introduction of hydrogen sulfide. During the reaction, the solid was dispersed and stirred in toluene, and there was almost no water separated from toluene.
Subsequently, the temperature of the reactor was kept at 50 ° C. while blowing hydrogen sulfide, and the reaction was carried out for 21 hours. Further, while the hydrogen sulfide was blown in, the temperature of the reactor was kept at 70 ° C. and reacted for 10 hours. Thereafter, the temperature of the reactor was raised to 108 ° C., the hydrogen sulfide was switched to nitrogen, and the mixture was circulated at 20 L / min for 16 hours to obtain a lithium sulfide toluene slurry.
The obtained slurry was fed to a conical dryer, and after removing the supernatant toluene, it was vacuum dried at 90 ° C. for 12 hours to obtain lithium sulfide.

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)、硫黄(Sulfur 99.998%(213292)、シグマアルドリッチ社製)、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)、硫黄(S)及び臭化リチウム(LiBr)のmol比(LiS:P:S:LiBr)が47.6:5.3:35.2:11.9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0.4011g、五硫化二リン0.2128g、硫黄0.2044g、臭化リチウム0.1877g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、硫化物固体電解質の粉末を得た。
Example 1
Lithium sulfide (purity 98.6%), diphosphorus pentasulfide (FS SPEC, manufactured by Thermophos, purity 99.9% or more), sulfur (Sulfur 99.998% (213292)), Sigma-Aldrich, manufactured in Production Example 1 And lithium bromide (lithium bromide (anhydride), manufactured by 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 ), sulfur (S) and lithium bromide (LiBr) (Li 2 S: P 2 S 5 : S: LiBr) is 47. Each raw material was mixed so that it might become 6: 5.3: 35.2: 11.9. Specifically, 0.4011 g of lithium sulfide, 0.2128 g of diphosphorus pentasulfide, 0.2044 g of sulfur, and 0.1877 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 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。DSC測定では、明確な結晶化温度は観測されなかったが、120℃付近に未反応成分に起因すると思われる微小なピークが観察された。
また、X線回折(XRD)パターンを図2に示す。2θ=26.8、31.0、44.6、52.9degの位置に残留したLiS由来と考えられるピークと、2θ=15.2、17.6、25.0、29.5、31.0、44.6、47.3、51.7degにアルジロダイト構造由来と考えられるピークが観測された。なお、2θ=31.0、44.6degのピークは、LiS由来のピークと、アルジロダイト構造由来と考えられるピークが重なっていると推察される。
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モル比及び熱処理温度を表1に示す。また、XRDで観測された2θ=15.2±0.5degのピークの面積S、2θ=17.6±0.5degのピーク面積S及び強度比を表2に示す。
The differential scanning calorimetry (DSC) measurement results of the sulfide solid electrolyte obtained in Example 1 are shown in FIG. In the DSC measurement, a clear crystallization temperature was not observed, but a minute peak thought to be attributed to an unreacted component was observed around 120 ° C.
An X-ray diffraction (XRD) pattern is shown in FIG. 2θ = 26.8, 31.0, 44.6, 52.9 deg, peaks that are considered to be derived from Li 2 S, and 2θ = 15.2, 17.6, 25.0, 29.5, Peaks thought to be derived from the aldilodite structure were observed at 31.0, 44.6, 47.3, and 51.7 deg. The peak of 2θ = 31.0,44.6deg has a peak derived from Li 2 S, it is inferred that overlaps a peak considered to be derived from Arujirodaito structure.
Table 1 shows the molar ratio of each element and the heat treatment temperature in the raw materials of Example 1 and Examples and Comparative Examples described later. Also shows the area of the peak of 2θ = 15.2 ± 0.5deg observed by XRD S a, the peak area S b and the intensity ratio of 2 [Theta] = 17.6 ± 0.5 deg in Table 2.

Figure 2017199631
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Figure 2017199631
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実施例2
実施例1の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135℃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、1.2×10−4S/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3に示す。2θ=26.8、31.0、44.6、52.9degの位置に残留したLiS由来と考えられるピークと、2θ=15.2、17.7、25.0、29.5、31.0、44.6、47.2、51.7、58.4degにアルジロダイト構造由来と考えられるピークが観測された。なお、2θ=31.0、44.6degのピークは、LiS由来のピークと、アルジロダイト構造由来と考えられるピークが重なっていると推察される。
Example 2
About 0.5 g of the sulfide solid electrolyte of Example 1 was heat-treated on a hot plate (manufactured by ND-1 ASONE) under a nitrogen atmosphere. Specifically, the hot plate was previously set to 135 ° C., and the sulfide solid electrolyte spread uniformly 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 heat treatment was measured and found to be 1.2 × 10 −4 S / cm.
FIG. 3 shows the XRD pattern of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment. 2θ = 26.8, 31.0, 44.6, 52.9 deg, the peaks considered to be derived from Li 2 S, and 2θ = 15.2, 17.7, 25.0, 29.5, Peaks thought to be derived from the aldilodite structure were observed at 31.0, 44.6, 47.2, 51.7, and 58.4 deg. The peak of 2θ = 31.0,44.6deg has a peak derived from Li 2 S, it is inferred that overlaps a peak considered to be derived from Arujirodaito structure.

実施例3
原料のmol比(LiS:P:S:LiBr)が54.2:13.6:17.0:15.2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0.3428g、五硫化二リン0.4092g、硫黄0.0737g、臭化リチウム0.1797g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4に示す。DSC測定では、170℃付近に結晶化ピークが観察された。また、XRDパターンを図5に示す。
Example 3
The respective raw materials were mixed so that the molar ratio of the raw materials (Li 2 S: P 2 S 5 : S: LiBr) was 54.2: 13.6: 17.0: 15.2. Specifically, 0.3428 g of lithium sulfide, 0.4092 g of diphosphorus pentasulfide, 0.0737 g of sulfur, and 0.1797 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. In the DSC measurement, a crystallization peak was observed around 170 ° C. An XRD pattern is shown in FIG.

実施例4
実施例3の硫化物固体電解質を、実施例2と同様に熱処理した。熱処理温度は180℃とした。熱処理後の硫化物固体電解質のイオン伝導度は1.6×10−3S/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。2θ=26.8、31.0、44.6、53.0degの位置に残留したLiS由来と考えられるピークと、2θ=15.2、17.7、25.1、29.5、31.0、44.6、47.2、51.7、58.5degにアルジロダイト構造由来と考えられるピークが観測された。なお、2θ=31.0、44.6degのピークは、LiS由来のピークと、アルジロダイト構造由来と考えられるピークが重なっていると推察される。
Example 4
The sulfide solid electrolyte of Example 3 was heat-treated in the same manner as in Example 2. The heat treatment temperature was 180 ° C. The ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment was 1.6 × 10 −3 S / cm.
The XRD pattern of the sulfide solid electrolyte after heat treatment is shown in FIG. 2θ = 26.8, 31.0, 44.6, 53.0 deg, the peaks considered to be derived from Li 2 S, and 2θ = 15.2, 17.7, 25.1, 29.5, Peaks believed to be derived from the aldilodite structure were observed at 31.0, 44.6, 47.2, 51.7, and 58.5 deg. The peak of 2θ = 31.0,44.6deg has a peak derived from Li 2 S, it is inferred that overlaps a peak considered to be derived from Arujirodaito structure.

実施例5
原料のmol比(LiS:P:S:LiBr)が57.8:10.2:17.0:15.0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0.3978g、五硫化二リン0.3352g、硫黄0.0805g、臭化リチウム0.1926g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7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、137℃付近に微小なピークが観察された。また、XRDパターンを図8に示す。
Example 5
The respective raw materials were mixed so that the molar ratio of the raw materials (Li 2 S: P 2 S 5 : S: LiBr) was 57.8: 10.2: 17.0: 15.0. Specifically, lithium sulfide 0.3978 g, diphosphorus pentasulfide 0.3352 g, sulfur 0.0805 g, and lithium bromide 0.1926 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 5 is shown in FIG. In DSC measurement, a clear crystallization temperature was not observed, but a minute peak was observed at around 137 ° C. An XRD pattern is shown in FIG.

実施例6
実施例5の硫化物固体電解質を、実施例2と同様に熱処理した。熱処理温度は140℃とした。熱処理後の硫化物固体電解質のイオン伝導度は4.4×10−4S/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9に示す。2θ=26.9、31.0、44.5、53.1degの位置に残留したLiS由来と考えられるピークと、2θ=15.3、17.7、25.2、29.6、31.0、44.5、47.3、51.8、58.6degにアルジロダイト構造由来と考えられるピークが観測された。なお、2θ=31.0、44.5degのピークは、LiS由来のピークと、アルジロダイト構造由来と考えられるピークが重なっていると推察される。
Example 6
The sulfide solid electrolyte of Example 5 was heat-treated in the same manner as in Example 2. The heat treatment temperature was 140 ° C. The ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment was 4.4 × 10 −4 S / cm.
FIG. 9 shows the XRD pattern of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment. 2θ = 26.9, 31.0, 44.5, 53.1 deg, the peak considered to be derived from Li 2 S, and 2θ = 15.3, 17.7, 25.2, 29.6, Peaks believed to be derived from the aldilodite structure were observed at 31.0, 44.5, 47.3, 51.8, and 58.6 deg. The peak of 2θ = 31.0,44.5deg has a peak derived from Li 2 S, it is inferred that overlaps a peak considered to be derived from Arujirodaito structure.

実施例7
原料のmol比(LiS:P:S:LiBr)が42.1:8.9:34.0:15.0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0.3107g、五硫化二リン0.3147g、硫黄0.1728g、臭化リチウム0.2067g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7で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果を図10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、136℃付近に微小なピークが観察された。また、XRDパターンを図11に示す。
Example 7
Each raw material was mixed so that the molar ratio of the raw material (Li 2 S: P 2 S 5 : S: LiBr) was 42.1: 8.9: 34.0: 15.0. Specifically, 0.3107 g of lithium sulfide, 0.3147 g of diphosphorus pentasulfide, 0.1728 g of sulfur and 0.2067 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 7 is shown in FIG. In DSC measurement, a clear crystallization temperature was not observed, but a minute peak was observed at around 136 ° C. An XRD pattern is shown in FIG.

実施例8
実施例7の硫化物固体電解質を、実施例2と同様に熱処理した。熱処理温度は145℃とした。熱処理後の硫化物固体電解質のイオン伝導度は4.6×10−4S/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12に示す。2θ=26.8、30.9、44.4、53.0degの位置に残留したLiS由来と考えられるピークと、2θ=15.2、17.6、25.1、29.5、30.9、44.4、47.3、51.7,58.4degにアルジロダイト構造由来と考えられるピークが観測された。なお、2θ=30.9、44.4degのピークは、LiS由来のピークと、アルジロダイト構造由来と考えられるピークが重なっていると推察される。
Example 8
The sulfide solid electrolyte of Example 7 was heat-treated in the same manner as in Example 2. The heat treatment temperature was 145 ° C. The ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment was 4.6 × 10 −4 S / cm.
The XRD pattern of the sulfide solid electrolyte after heat treatment is shown in FIG. 2θ = 26.8, 30.9, 44.4, 53.0 deg, the peaks considered to be derived from Li 2 S, and 2θ = 15.2, 17.6, 25.1, 29.5, Peaks thought to be derived from the argilodite structure were observed at 30.9, 44.4, 47.3, 51.7, and 58.4 deg. The peak of 2θ = 30.9,44.4deg has a peak derived from Li 2 S, it is inferred that overlaps a peak considered to be derived from Arujirodaito structure.

実施例9
原料のmol比(LiS:P:S:LiBr)が37.1:7.9:30.0:25.0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0.2625g、五硫化二リン0.2659g、硫黄0.1460g、臭化リチウム0.3298g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9で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果を図13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、114℃付近に微小なピークが観察された。また、XRDパターンを図14に示す。
Example 9
Each raw material was mixed so that the molar ratio of the raw materials (Li 2 S: P 2 S 5 : S: LiBr) was 37.1: 7.9: 30.0: 25.0. Specifically, 0.2625 g of lithium sulfide, 0.2659 g of diphosphorus pentasulfide, 0.1460 g of sulfur, and 0.3298 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 9 is shown in FIG. In DSC measurement, a clear crystallization temperature was not observed, but a minute peak was observed at around 114 ° C. An XRD pattern is shown in FIG.

実施例10
実施例9の硫化物固体電解質を、実施例2と同様に熱処理した。熱処理温度は130℃とした。熱処理後の硫化物固体電解質のイオン伝導度は9.5×10−4S/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15に示す。2θ=26.9、30.9、44.3、53.0degの位置に残留したLiS由来と考えられるピークと、2θ=15.2、17.6、25.1、29.5、30.9、44.3、47.2、51.7、58.4degにアルジロダイト構造由来と考えられるピークが観測された。なお、2θ=30.9、44.3degのピークは、LiS由来のピークと、アルジロダイト構造由来と考えられるピークが重なっていると推察される。
Example 10
The sulfide solid electrolyte of Example 9 was heat-treated as in Example 2. The heat treatment temperature was 130 ° C. The ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment was 9.5 × 10 −4 S / cm.
FIG. 15 shows the XRD pattern of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment. 2θ = 26.9, 30.9, 44.3, 53.0 deg, the peaks considered to be derived from Li 2 S, and 2θ = 15.2, 17.6, 25.1, 29.5, Peaks thought to be derived from the aldilodite structure were observed at 30.9, 44.3, 47.2, 51.7, and 58.4 deg. The peak of 2θ = 30.9,44.3deg has a peak derived from Li 2 S, it is inferred that overlaps a peak considered to be derived from Arujirodaito structure.

実施例11
原料のmol比(LiS:P:S:LiBr)が32.2:6.8:26.0:35.0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0.2183g、五硫化二リン0.2211g、硫黄0.1214g、臭化リチウム0.4430g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11で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果を図16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、120℃付近に微小なピークが観察された。また、XRDパターンを図17に示す。
Example 11
Each raw material was mixed so that the molar ratio of the raw materials (Li 2 S: P 2 S 5 : S: LiBr) was 32.2: 6.8: 26.0: 35.0. Specifically, 0.2183 g of lithium sulfide, 0.2211 g of diphosphorus pentasulfide, 0.1214 g of sulfur, and 0.4430 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 11 is shown in FIG. In DSC measurement, a clear crystallization temperature was not observed, but a minute peak was observed around 120 ° C. An XRD pattern is shown in FIG.

実施例12
実施例11の硫化物固体電解質を、実施例2と同様に熱処理した。熱処理温度は135℃とした。熱処理後の硫化物固体電解質のイオン伝導度は5.2×10−4S/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。2θ=26.8、30.8、44.3degの位置に残留したLiS由来と考えられるピークと、2θ=15.2、17.6、25.0、29.5、30.8、44.3、46.6、51.7、58.0degにアルジロダイト構造由来と考えられるピークが観測された。なお、2θ=30.8、44.3degのピークは、LiS由来のピークと、アルジロダイト構造由来と考えられるピークが重なっていると推察される。
Example 12
The sulfide solid electrolyte of Example 11 was heat-treated as in Example 2. The heat treatment temperature was 135 ° C. The ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment was 5.2 × 10 −4 S / cm.
FIG. 18 shows the XRD pattern of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment. 2θ = 26.8, 30.8, a peak considered to be derived from Li 2 S remaining at the position of 44.3 deg, 2θ = 15.2, 17.6, 25.0, 29.5, 30.8, Peaks thought to be derived from the aldilodite structure were observed at 44.3, 46.6, 51.7, and 58.0 deg. The peak of 2θ = 30.8,44.3deg has a peak derived from Li 2 S, it is inferred that overlaps a peak considered to be derived from Arujirodaito structure.

比較例1
硫化リチウム、五硫化二リンのmol比(LiS:P)が87.5:12.5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0.5913g、五硫化二リン0.4087g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。
比較例1で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果を図19に示す。DSC測定では、238℃付近に結晶化ピークが観察された。また、XRDパターンを図20に示す。
Comparative Example 1
Each raw material was mixed so that the molar ratio of lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide (Li 2 S: P 2 S 5 ) was 87.5: 12.5. Specifically, a sulfide solid electrolyte was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that 0.5913 g of lithium sulfide and 0.4087 g of diphosphorus pentasulfide were mixed to obtain a raw material mixture.
The DSC measurement result of the sulfide solid electrolyte obtained in Comparative Example 1 is shown in FIG. In the DSC measurement, a crystallization peak was observed around 238 ° C. An XRD pattern is shown in FIG.

比較例2
比較例1の硫化物固体電解質を、実施例2と同様に熱処理した。熱処理温度は550℃とした。熱処理後の硫化物固体電解質のイオン伝導度は6.4×10−6S/cmであった。
硫化物固体電解質のXRDパターンを図21に示す。2θ=15.4、17.8、25.3、29.8、31.4、39.6、44.8、47.4、52.1degの位置にアルジロダイト結晶構造に由来するピークが得られた。
Comparative Example 2
The sulfide solid electrolyte of Comparative Example 1 was heat-treated as in Example 2. The heat treatment temperature was 550 ° C. The ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment was 6.4 × 10 −6 S / cm.
The XRD pattern of the sulfide solid electrolyte is shown in FIG. 2θ = 15.4, 17.8, 25.3, 29.8, 31.4, 39.6, 44.8, 47.4, 52.1 deg. It was.

比較例3
硫化リチウム、五硫化二リン及び臭化リチウム(LiBr)のmol比(LiS:P:LiBr)が62.5:12.5:25.0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0.3672g、五硫化二リン0.3552g、臭化リチウム0.2776g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。
比較例3で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果を図22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、182℃付近に微小なピークが観察された。また、XRDパターンを図23に示す。
Comparative Example 3
Each raw material was mixed so that the molar ratio (Li 2 S: P 2 S 5 : LiBr) of lithium sulfide, phosphorous pentasulfide and lithium bromide (LiBr) was 62.5: 12.5: 25.0 did. Specifically, a sulfide solid electrolyte was produced in the same manner as in Example 1 except that 0.3672 g of lithium sulfide, 0.3552 g of diphosphorus pentasulfide, and 0.2776 g of lithium bromide were mixed to obtain a raw material mixture. ,evaluated.
The DSC measurement result of the sulfide solid electrolyte obtained in Comparative Example 3 is shown in FIG. In DSC measurement, a clear crystallization temperature was not observed, but a minute peak was observed around 182 ° C. An XRD pattern is shown in FIG.

比較例4
比較例3の硫化物固体電解質を、実施例2と同様に熱処理した。熱処理温度は550℃とした。熱処理後の硫化物固体電解質のイオン伝導度は2.4×10−3S/cmであった。
硫化物固体電解質のXRDパターンを図24に示す。2θ=15.3、17.7、25.2、29.6、31.0、44.4、47.3、51.8degの位置にアルジロダイト結晶構造に由来するピークが得られた。
Comparative Example 4
The sulfide solid electrolyte of Comparative Example 3 was heat-treated as in Example 2. The heat treatment temperature was 550 ° C. The ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment was 2.4 × 10 −3 S / cm.
The XRD pattern of the sulfide solid electrolyte is shown in FIG. Peaks derived from the aldilodite crystal structure were obtained at the positions 2θ = 15.3, 17.7, 25.2, 29.6, 31.0, 44.4, 47.3, 51.8 deg.

比較例5
硫化リチウム、五硫化二リン、臭化リチウム(LiBr)のmol比(LiS:P:LiBr)が66.1:16.5:17.4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0.3745g、五硫化二リン0.4470g、臭化リチウム0.1843g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。
比較例5で得た硫化物固体電解質のDSC測定結果を図25に示す。また、XRDパターンを図26に示す。DSC測定では、190℃、222℃及び236℃付近に微小なピークが観察された。
Comparative Example 5
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 (LiBr) was 66.1: 16.5: 17.4 did. Specifically, a sulfide solid electrolyte was produced in the same manner as in Example 1 except that 0.3745 g of lithium sulfide, 0.4470 g of diphosphorus pentasulfide, and 0.1843 g of lithium bromide were mixed to obtain a raw material mixture. ,evaluated.
The DSC measurement result of the sulfide solid electrolyte obtained in Comparative Example 5 is shown in FIG. An XRD pattern is shown in FIG. In the DSC measurement, minute peaks were observed around 190 ° C, 222 ° C and 236 ° C.

比較例6
比較例5の硫化物固体電解質を、実施例2と同様に熱処理した。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2.0×10−6S/cmであった。
硫化物固体電解質のXRDパターンを図27に示す2θ=25.0、29.4、31.0、44.6、47.1、51.7degの位置にアルジロダイト結晶構造に由来するピークが得られた。なお、2θ=31.0、44.6degのピークは、LiS由来のピークと、アルジロダイト構造由来と考えられるピークが重なっていると推察される。
Comparative Example 6
The sulfide solid electrolyte of Comparative Example 5 was heat-treated as in Example 2. The heat treatment temperature was 250 ° C. The ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte after the heat treatment was 2.0 × 10 −6 S / cm.
In the XRD pattern of the sulfide solid electrolyte, peaks derived from the aldilodite crystal structure are obtained at the positions of 2θ = 25.0, 29.4, 31.0, 44.6, 47.1, 51.7 deg shown in FIG. It was. The peak of 2θ = 31.0,44.6deg has a peak derived from Li 2 S, it is inferred that overlaps a peak considered to be derived from Arujirodaito structure.

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 (7)

リチウム、リン、硫黄及びハロゲンを含み、
粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、少なくとも2θ=15.2±0.5deg、及び2θ=17.6±0.5degに回折ピークを有し、
下記式(1)を満たす、硫化物固体電解質。
0.6≦S/S≦1.0・・・(1)
(式中、Sは前記2θ=15.2±0.5degにある回折ピークの面積であり、Sは前記2θ=17.6±0.5degにある回折ピークの面積である。)
Including lithium, phosphorus, sulfur and halogen,
In powder X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.54184), it has diffraction peaks at least at 2θ = 15.2 ± 0.5 deg and 2θ = 17.6 ± 0.5 deg,
A sulfide solid electrolyte satisfying the following formula (1).
0.6 ≦ S a / S b ≦ 1.0 (1)
(In the formula, S a is the area of the diffraction peak at 2θ = 15.2 ± 0.5 deg, and S b is the area of the diffraction peak at 2θ = 17.6 ± 0.5 deg.)
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(2)〜(4)を満たす、請求項1に記載の硫化物固体電解質。
0.350≦MLi≦0.500・・・(2)
0.010≦M≦0.150・・・ (3)
0.400≦M≦0.550・・・ (4)
(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 (2) to (4). 2. The sulfide solid electrolyte according to 1.
0.350 ≦ M Li ≦ 0.500 (2)
0.010 ≦ M P ≦ 0.150 ··· ( 3)
0.400 ≦ M S ≦ 0.550 (4)
(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.)
粉末X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=25.0±0.5degに回折ピークを有する、請求項1又は2に記載の硫化物固体電解質。   The sulfide solid electrolyte according to claim 1, which has a diffraction peak at 2θ = 25.0 ± 0.5 deg in powder X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.54181.5). 請求項1〜3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 1-3, and an active material. 請求項1〜3のいずれかに記載の硫化物固体電解質及び請求項4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。   The lithium ion battery containing at least 1 among the sulfide solid electrolyte in any one of Claims 1-3, and the electrode compound material of Claim 4. 請求項1〜3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 1-3. 請求項1〜3のいずれかに記載の硫化物固体電解質、請求項4に記載の電極合材及び請求項6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 manufactured by at least one of the sulfide solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3, the electrode mixture according to claim 4, and the electrode mixture according to claim 6.
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