JP2018005985A - Positive electrode mixture - Google Patents

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小鹿 博道
Hiromichi Kojika
博道 小鹿
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positive electrode mixture by which a lithium ion battery with a high discharge voltage can be obtained.SOLUTION: A positive electrode mixture comprises: a solid electrolyte including a lithium element, a phosphorus element and a sulfur element, and at least one element M selected from a group consisting of Si, Sn, Pb, Sb, B, Al, Ga, In, Ti, Zr, V and Nb, and having peaks at, at least 2θ=20.1±0.5° and 23.9±0.5° in powder X-ray diffraction measurement with Cu Kα rays; and a positive electrode active material including a sulfur element.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、正極合材、正極及びリチウムイオン電池に関する。   The present invention relates to a positive electrode mixture, a positive electrode, and a lithium ion battery.

従来のリチウムイオン電池は、電解質として有機溶媒を含む電解液を使用していたため、液漏れの心配や発火の危険性があった。そのため、溶媒を使用しない固体電解質を使用した全固体のリチウムイオン電池が検討されている。
また、全固体電池の高容量化や高出力化のため、電極で使用する電極合材の開発が進められている。例えば、Li元素又はNa元素と、S元素と、I、Br、Cl及びFからなる群より選択されるハロゲン元素と、を含む固体電解質と、硫黄系活物質と、を含む正極合材が提案されている(特許文献1参照。)。
Since the conventional lithium ion battery uses an electrolytic solution containing an organic solvent as an electrolyte, there is a risk of liquid leakage and a risk of ignition. Therefore, an all-solid lithium ion battery using a solid electrolyte that does not use a solvent has been studied.
In addition, in order to increase the capacity and output of an all-solid-state battery, development of electrode composites used for electrodes is being promoted. For example, a positive electrode mixture including a solid electrolyte containing a Li element or Na element, an S element, and a halogen element selected from the group consisting of I, Br, Cl, and F, and a sulfur-based active material is proposed. (See Patent Document 1).

特開2014−11033号公報JP 2014-11033 A

特許文献1に記載の正極合材を使用することにより、高容量である硫黄系活物質を用いつつ、放電電圧が高いリチウムイオン電池を得ることができる。しかしながら、さらなる改善が求められていた。
本発明の課題は、放電電圧の高いリチウムイオン電池が得られる正極合材を提供することである。
By using the positive electrode mixture described in Patent Document 1, a lithium ion battery having a high discharge voltage can be obtained while using a sulfur-based active material having a high capacity. However, further improvements have been sought.
The subject of this invention is providing the positive electrode compound material from which the lithium ion battery with a high discharge voltage is obtained.

本発明によれば、以下の正極合材等が提供される。
1.リチウム元素、リン元素及び硫黄元素と、
Si、Sn、Pb、Sb、B、Al、Ga、In、Ti、Zr、V及びNbからなる群より選択される少なくとも1つの元素Mと、を含み、
CuKα線を用いた粉末X線回折測定において、少なくとも2θ=20.1±0.5°及び23.9±0.5°にピークを有する固体電解質と、
硫黄元素を含有する正極活物質と、を含む正極合材。
2.前記固体電解質が、さらにハロゲン元素を含む、1に記載の正極合材。
3.前記元素MがSiである、1又は2に記載の正極合材。
4.さらに導電性物質を含む、1〜3のいずれかに記載の正極合材。
5.前記正極活物質と前記導電性物質が複合化している、4に記載の正極合材。
6.前記導電性物質が細孔を有する多孔質炭素である、4又は5に記載の正極合材。
7.1〜6のいずれかに記載の正極合材を含む正極。
8.7に記載の正極を有するリチウムイオン電池。
According to the present invention, the following positive electrode mixture and the like are provided.
1. Elemental lithium, elemental phosphorus and elemental sulfur;
And at least one element M selected from the group consisting of Si, Sn, Pb, Sb, B, Al, Ga, In, Ti, Zr, V and Nb,
In a powder X-ray diffraction measurement using CuKα rays, a solid electrolyte having peaks at least 2θ = 20.1 ± 0.5 ° and 23.9 ± 0.5 °;
And a positive electrode active material containing a sulfur element.
2. 2. The positive electrode mixture according to 1, wherein the solid electrolyte further contains a halogen element.
3. The positive electrode mixture according to 1 or 2, wherein the element M is Si.
4). Furthermore, the positive electrode compound material in any one of 1-3 containing an electroconductive substance.
5. 5. The positive electrode mixture according to 4, wherein the positive electrode active material and the conductive material are combined.
6). 6. The positive electrode mixture according to 4 or 5, wherein the conductive substance is porous carbon having pores.
The positive electrode containing the positive electrode compound material in any one of 7.1-6.
A lithium ion battery having the positive electrode according to 8.7.

本発明によれば、放電電圧の高いリチウムイオン電池が得られる正極合材を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the positive electrode compound material from which the lithium ion battery with a high discharge voltage is obtained can be provided.

本発明の正極合材は、下記の固体電解質と、硫黄元素を含有する正極活物質と、を含むことを特徴とする。
固体電解質:
リチウム元素(Li)、リン元素(P)及び硫黄元素(S)と、
Si、Sn、Pb、Sb、B、Al、Ga、In、Ti、Zr、V及びNbからなる群より選択される少なくとも1つの元素Mと、を含み、
CuKα線を用いた粉末X線回折測定において、少なくとも2θ=20.1±0.5°及び23.9±0.5°にピークを有する。
なお、固体電解質はゲルマニウム元素(Ge)を含有しない。
The positive electrode mixture of the present invention includes the following solid electrolyte and a positive electrode active material containing a sulfur element.
Solid electrolyte:
Lithium element (Li), phosphorus element (P) and sulfur element (S);
And at least one element M selected from the group consisting of Si, Sn, Pb, Sb, B, Al, Ga, In, Ti, Zr, V and Nb,
In powder X-ray diffraction measurement using CuKα rays, there are peaks at least at 2θ = 20.1 ± 0.5 ° and 23.9 ± 0.5 °.
The solid electrolyte does not contain germanium element (Ge).

粉末X線回折測定において、上記ピークを有することは、固体電解質がLi4−xGe1−x(xは0<x<1である。)系チオリシコンリージョンII(thio−LISICON Region II)型結晶構造又は該型と類似の結晶構造を含んでいることを示す。 In the powder X-ray diffraction measurement, having the above-mentioned peak indicates that the solid electrolyte is Li 4-x Ge 1-x P x S 4 (x is 0 <x <1) system thiolithic region II (thio-LISICON) It shows that it contains a region II) type crystal structure or a crystal structure similar to this type.

本発明で使用する固体電解質の元素組成は、下記式(1)を満たすことが好ましい。
Li (1)
(式中、Mは、Si、Sn、Pb、Sb、B、Al、Ga、In、Ti、Zr、V及びNbからなる群より選択される少なくとも1つの元素である。XはI、Cl、Br及びFからなる群より選択される少なくとも1つの元素である。a〜eは、それぞれ各元素の組成比を示す。)
The elemental composition of the solid electrolyte used in the present invention preferably satisfies the following formula (1).
Li a M b P c S d X e (1)
(Wherein M is at least one element selected from the group consisting of Si, Sn, Pb, Sb, B, Al, Ga, In, Ti, Zr, V and Nb. X is I, Cl, (At least one element selected from the group consisting of Br and F. a to e indicate the composition ratio of each element.)

式(1)において、aは8≦a≦12であることが好ましく、特に、9≦a≦11が好ましい。
b及びcは、b>0かつc>0であり、2≦b+c≦4であることが好ましく、特に、2.5≦b+c≦3.5が好ましい。
dは10≦d≦14であることが好ましく、特に、11≦d≦13が好ましい。
eは0≦e≦0.5であることが好ましく、特に、0.2≦e≦0.4が好ましい。
In the formula (1), a is preferably 8 ≦ a ≦ 12, and particularly preferably 9 ≦ a ≦ 11.
b and c are b> 0 and c> 0, preferably 2 ≦ b + c ≦ 4, and particularly preferably 2.5 ≦ b + c ≦ 3.5.
d is preferably 10 ≦ d ≦ 14, and particularly preferably 11 ≦ d ≦ 13.
e is preferably 0 ≦ e ≦ 0.5, and particularly preferably 0.2 ≦ e ≦ 0.4.

式(1)において、MはSiが好ましい。MがSiである場合、式(1)において、aは8≦a≦12であることが好ましく、特に、9≦a≦11が好ましい。
b、cはb>0かつc>0であり、2≦b+c≦4であることが好ましく、特に、2.5≦b+c≦3.5が好ましい。
dは10≦d≦14であることが好ましく、特に、11≦d≦13が好ましい。
eは、0<e<0.5が好ましく、特に、0.2≦e≦0.4が好ましい。
Xは、F、Cl、Br又はIが好ましく、特にClが好ましい。
a〜eは、固体電解質の原料の配合比を調整することにより制御できる。
In the formula (1), M is preferably Si. When M is Si, in the formula (1), a is preferably 8 ≦ a ≦ 12, and particularly preferably 9 ≦ a ≦ 11.
b and c are b> 0 and c> 0, preferably 2 ≦ b + c ≦ 4, and particularly preferably 2.5 ≦ b + c ≦ 3.5.
d is preferably 10 ≦ d ≦ 14, and particularly preferably 11 ≦ d ≦ 13.
e is preferably 0 <e <0.5, and particularly preferably 0.2 ≦ e ≦ 0.4.
X is preferably F, Cl, Br or I, and particularly preferably Cl.
a to e can be controlled by adjusting the mixing ratio of the solid electrolyte raw materials.

本発明で使用する固体電解質は、固体電解質が必須として含む元素(Li、P、S及び元素M)を全体として含むように、2種以上の原料(化合物又は単体)を選択し、それらを反応させることにより製造できる。
リチウム元素を含む原料としては、硫化リチウム(LiS)、酸化リチウム(LiO)、炭酸リチウム(LiCO)等のリチウム化合物、及びリチウム金属単体の少なくとも1つであることが好ましい。リチウム化合物としては硫化リチウム(LiS)が特に好ましい。
For the solid electrolyte used in the present invention, two or more raw materials (compounds or simple substances) are selected and reacted so that the solid electrolyte contains the elements (Li, P, S and element M) which are essential as a whole. Can be manufactured.
The raw material containing lithium element is preferably at least one of lithium compounds such as lithium sulfide (Li 2 S), lithium oxide (Li 2 O), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), and lithium metal alone. . As the lithium compound, lithium sulfide (Li 2 S) is particularly preferable.

リン元素及び/又は硫黄元素を含む原料としては、例えば、三硫化二リン(P)、五硫化二リン(P)等の硫化リン、リン酸ナトリウム(NaPO)等のリン化合物、硫化亜鉛(ZnS)及びリン単体又は硫黄単体の少なくとも1つであることが好ましい。なかでも、硫化リンが好ましい。これら原料は、工業的に製造され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。 Examples of the raw material containing phosphorus element and / or sulfur element include phosphorus sulfide such as diphosphorus trisulfide (P 2 S 3 ) and diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), and sodium phosphate (Na 3 PO 4 ). It is preferable that they are at least one of phosphorus compounds, such as zinc sulfide (ZnS), phosphorus simple substance, or sulfur simple substance. Of these, phosphorus sulfide is preferable. These raw materials can be used without particular limitation as long as they are industrially produced and sold.

元素Mを含む原料としては、元素Mの硫化物やハロゲン化物が好ましい。硫化物としては、例えば、硫化ケイ素(SiS)、硫化ホウ素(B)、硫化ガリウム(Ga)、硫化スズ(SnS又はSnS)、硫化アルミニウム(Al)等が挙げられる。
ハロゲン化物としては、後述する式(2)で表されるハロゲン含有化合物が挙げられる。
As a raw material containing the element M, a sulfide or halide of the element M is preferable. Examples of the sulfide include silicon sulfide (SiS 2 ), boron sulfide (B 2 S 3 ), gallium sulfide (Ga 2 S 3 ), tin sulfide (SnS or SnS 2 ), aluminum sulfide (Al 2 S 3 ), and the like. Is mentioned.
As a halide, the halogen containing compound represented by Formula (2) mentioned later is mentioned.

原料は、さらにフッ素(F)、塩素(Cl)、臭素(Br)及びヨウ素(I)等の少なくとも1種のハロゲン元素を含むことが好ましく、塩素、臭素及びヨウ素の少なくとも1種がさらに好ましい。例えば、下記式(2)で表されるハロゲン含有化合物が好ましい。   The raw material preferably further contains at least one halogen element such as fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br) and iodine (I), and more preferably at least one of chlorine, bromine and iodine. For example, a halogen-containing compound represented by the following formula (2) is preferable.

M’−X (2)
式(2)中、M’は、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、リン(P)、硫黄(S)、ヒ素(As)、セレン(Se)、スズ(Sn)、アンチモン(Sb)、テルル(Te)、鉛(Pb)、又はビスマス(Bi)を示し、リチウム(Li)又はリン(P)が好ましく、特にリチウムが好ましい。
Xは、フッ素、塩素、臭素、及びヨウ素から選択されるハロゲン元素である。
また、lは1又は2の整数であり、mは1〜10の整数である。
M ′ l −X m (2)
In the formula (2), M ′ is sodium (Na), lithium (Li), boron (B), aluminum (Al), silicon (Si), phosphorus (P), sulfur (S), arsenic (As), Selenium (Se), tin (Sn), antimony (Sb), tellurium (Te), lead (Pb), or bismuth (Bi) are shown, lithium (Li) or phosphorus (P) is preferable, and lithium is particularly preferable.
X is a halogen element selected from fluorine, chlorine, bromine and iodine.
L is an integer of 1 or 2, and m is an integer of 1 to 10.

上記式(2)で表されるハロゲン含有化合物としては、具体的には、NaI、NaF、NaCl、NaBr等のハロゲン化ナトリウム、LiF、LiCl、LiBr、LiI等のハロゲン化リチウム、BCl、BBr、BI等のハロゲン化ホウ素、AlF、AlBr、AlI、AlCl等のハロゲン化アルミニウム、SiF、SiCl、SiCl、SiCl、SiBr、SiBrCl、SiBrCl、SiI等のハロゲン化ケイ素、PF、PF、PCl、PCl、POCl、PBr、POBr、PI、PCl、P等のハロゲン化リン、SF、SF、SF、S10、SCl、SCl、SBr等のハロゲン化硫黄、AsF、AsCl、AsBr、AsI、AsF等のハロゲン化ヒ素、SeF、SeF、SeCl、SeCl、SeBr、SeBr等のハロゲン化セレン、SnF、SnCl、SnBr、SnI、SnF、SnCl、SnBr、SnI等のハロゲン化スズ、SbF、SbCl、SbBr、SbI、SbF、SbCl等のハロゲン化アンチモン、TeF、Te10、TeF、TeCl、TeCl、TeBr、TeBr、TeI等のハロゲン化テルル、PbF、PbCl、PbF、PbCl、PbBr、PbI等のハロゲン化鉛、BiF、BiCl、BiBr、BiI等のハロゲン化ビスマス等が挙げられる。 Specific examples of the halogen-containing compound represented by the above formula (2) include sodium halides such as NaI, NaF, NaCl and NaBr, lithium halides such as LiF, LiCl, LiBr and LiI, BCl 3 and BBr. 3 , boron halides such as BI 3 , aluminum halides such as AlF 3 , AlBr 3 , AlI 3 , AlCl 3 , SiF 4 , SiCl 4 , SiCl 3 , Si 2 Cl 6 , SiBr 4 , SiBrCl 3 , SiBr 2 Cl 2, SiI 4 halides such as silicon, PF 3, PF 5, PCl 3, PCl 5, POCl 3, PBr 3, POBr 3, PI 3, P 2 Cl 4, phosphorus halides such as P 2 I 4, SF 2 , halogeno such as SF 4 , SF 6 , S 2 F 10 , SCl 2 , S 2 Cl 2 , S 2 Br 2 Arsenic halides such as sulfur nitride, AsF 3 , AsCl 3 , AsBr 3 , AsI 3 , AsF 5 , selenium halides such as SeF 4 , SeF 6 , SeCl 2 , SeCl 4 , Se 2 Br 2 , SeBr 4 , SnF 4 , SnCl 4 , SnBr 4 , SnI 4 , SnF 2 , SnCl 2 , SnBr 2 , SnI 2 , tin halides such as SbF 3 , SbCl 3 , SbBr 3 , SbI 3 , SbF 5 , SbCl 5, etc. , TeF 4 , Te 2 F 10 , TeF 6 , TeCl 2 , TeCl 4 , TeBr 2 , TeBr 4 , TeI 4 and the like tellurium halides, PbF 4 , PbCl 4 , PbF 2 , PbCl 2 , PbBr 2 , PbBr 2, etc. of lead halide, BiF 3, BiCl 3, BiBr 3, BiI 3 , etc. Ha Gen bismuth, and the like.

上記ハロゲン含有化合物のうち、塩化リチウム(LiCl)、臭化リチウム(LiBr)、ヨウ化リチウム(LiI)等のハロゲン化リチウム、五塩化リン(PCl)、三塩化リン(PCl)、五臭化リン(PBr)、三臭化リン(PBr)等のハロゲン化リンが好ましい。中でも、塩化リチウム(LiCl)、臭化リチウム(LiBr)、ヨウ化リチウム(LiI)等のハロゲン化リチウム、及び三臭化リン(PBr)が好ましく、塩化リチウム(LiCl)、臭化リチウム(LiBr)、ヨウ化リチウム(LiI)等のハロゲン化リチウムがより好ましい。ハロゲン含有化合物は、上記の化合物の中から一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい、すなわち上記の化合物の少なくとも1つを用いることができる。 Among the halogen-containing compounds, lithium halides such as lithium chloride (LiCl), lithium bromide (LiBr), and lithium iodide (LiI), phosphorus pentachloride (PCl 5 ), phosphorus trichloride (PCl 3 ), and five odors Phosphorus halides such as phosphorus bromide (PBr 5 ) and phosphorus tribromide (PBr 3 ) are preferred. Among these, lithium halides such as lithium chloride (LiCl), lithium bromide (LiBr), and lithium iodide (LiI), and phosphorus tribromide (PBr 3 ) are preferable, and lithium chloride (LiCl) and lithium bromide (LiBr) are preferable. ) And lithium halides such as lithium iodide (LiI) are more preferable. As the halogen-containing compound, one of the above compounds may be used alone, or two or more thereof may be used in combination, that is, at least one of the above compounds can be used.

原料の組み合わせとして、例えば、下記の組み合わせが好ましい。
・硫化リチウム、元素Mの硫黄化合物及び硫化リン
・硫化リチウム、元素Mの硫黄化合物、硫化リン及びハロゲン又はハロゲン元素を含む化合物(ハロゲン化リチウムが好ましい。)
なかでも、LiS、P、SiS及びハロゲン化リチウム(LiCl等)を使用することが好ましい。
As a combination of raw materials, for example, the following combinations are preferable.
Lithium sulfide, sulfur compound of element M and phosphorus sulfide / lithium sulfide, sulfur compound of element M, phosphorus sulfide and halogen or a compound containing a halogen element (lithium halide is preferred)
Among them, Li 2 S, it is preferable to use a P 2 S 5, SiS 2 and halogenated lithium (LiCl, etc.).

上記原料から固体電解質を製造する方法としては、溶媒を用いない方法及び溶媒を用いる方法が挙げられる。
溶媒を用いない方法としては、機械的エネルギーを与える方法、熱エネルギーを与える方法がある。機械的エネルギーを与える方法は、例えば、ミルを用いた乾式メカニカルミリング法である。熱エネルギーを与える方法は、例えば溶融急冷法である。
溶媒を用いる方法としては、ミルに原料と溶媒を入れる湿式メカニカルミリング法、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)が挙げられる。
Examples of the method for producing a solid electrolyte from the raw materials include a method not using a solvent and a method using a solvent.
As a method not using a solvent, there are a method of applying mechanical energy and a method of applying thermal energy. The method of giving mechanical energy is, for example, a dry mechanical milling method using a mill. A method for applying thermal energy is, for example, a melt quenching method.
As a method using a solvent, a wet mechanical milling method in which a raw material and a solvent are put into a mill, a method of bringing a raw material into contact with a hydrocarbon solvent (WO2009 / 047977), a method of bringing a raw material into contact with a hydrocarbon solvent, and pulverization synthesis Examples include a method of alternately performing means (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-140893), and a method of performing a pulverization synthesis step after a step of contacting a raw material in a solvent (PCT / JP2012 / 005992).

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.

具体的な製造例として、例えば、Nature energy30,1−5(2016) Yuki Kato et. al.を参照できる。   As a specific production example, for example, Nature energy 30, 1-5 (2016) Yuki Kato et. al. Can be referred to.

本発明で使用する正極活物質は、硫黄元素を構成要素に含む活物質である。
例えば、単体硫黄(S)や、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)、硫化リチウム、有機ジスルフィド化合物、カーボンスルフィド化合物等の硫黄元素を含む化合物が使用できる。
The positive electrode active material used in the present invention is an active material containing a sulfur element as a constituent element.
For example, elemental sulfur (S), titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), iron sulfide (FeS, FeS 2 ), copper sulfide (CuS), nickel sulfide (Ni 3 S 2 ), lithium sulfide, Compounds containing sulfur elements such as organic disulfide compounds and carbon sulfide compounds can be used.

有機ジスルフィド化合物及びカーボンスルフィド化合物を以下に例示する。

Figure 2018005985
Organic disulfide compounds and carbon sulfide compounds are exemplified below.
Figure 2018005985

式(A)〜(C)において、Xはそれぞれ置換基であり、n及びmはそれぞれ独立に1〜2の整数であり、p及びqはそれぞれ独立に1〜4の整数である。
式(D)において、Zはそれぞれ−S−又は−NH−であり、nは繰返数2〜300の整数である。
In formulas (A) to (C), X is a substituent, n and m are each independently an integer of 1 to 2, and p and q are each independently an integer of 1 to 4.
In formula (D), Z is -S- or -NH-, respectively, and n is an integer of 2 to 300 repetitions.

Figure 2018005985
Figure 2018005985

上記のうち、高い理論容量を有する単体硫黄又は硫化リチウムが好ましい。
硫黄としては、特に限定はないが、好ましくは純度が95重量%以上の硫黄単体であり、より好ましくは純度が96重量%以上の硫黄単体であり、特に好ましくは純度が97重量%以上の硫黄単体である。
硫黄の純度が95重量%以上であれば、この硫黄を用いて製造した電池の不可逆容量を少なくすることができる。
硫黄単体の結晶系としては、α硫黄(斜方晶系)、β硫黄(単斜晶系)、γ硫黄(単斜晶系)、無定形硫黄等が挙げられ、これらは単独でも2種以上でも併用可能である。
Of the above, elemental sulfur or lithium sulfide having a high theoretical capacity is preferred.
The sulfur is not particularly limited, but is preferably a simple sulfur having a purity of 95% by weight or more, more preferably a simple sulfur having a purity of 96% by weight or more, and particularly preferably a sulfur having a purity of 97% by weight or more. It is a simple substance.
If the purity of sulfur is 95% by weight or more, the irreversible capacity of a battery manufactured using this sulfur can be reduced.
Examples of the crystal system of simple sulfur include α sulfur (orthorhombic system), β sulfur (monoclinic system), γ sulfur (monoclinic system), amorphous sulfur, and the like. But they can be used together.

硫化リチウムとしては、例えば、LiS、Li、Li、Li等を挙げることができる。なかでもLiSが好ましい。 Examples of lithium sulfide include Li 2 S, Li 2 S 2 , Li 2 S 4 , and Li 2 S 8 . Of these, Li 2 S is preferable.

本発明の正極合材では、正極活物質として、硫黄、及び硫黄原子を含む化合物の少なくとも1つを含めばよく、単体硫黄のみを含む場合、硫黄原子を含む化合物のみを含む場合、単体硫黄と硫黄原子を含む化合物の両方を含む場合がある。これらの場合において、2種以上の単体硫黄を含んでもよく、2種以上の硫黄原子を含む化合物を含んでもよい。   In the positive electrode mixture of the present invention, as the positive electrode active material, it is sufficient to include at least one of sulfur and a compound containing a sulfur atom. When only the elemental sulfur is included, when only the compound containing a sulfur atom is included, elemental sulfur and It may contain both compounds containing sulfur atoms. In these cases, two or more kinds of elemental sulfur may be contained, or a compound containing two or more kinds of sulfur atoms may be contained.

本発明の正極合材は、上述した固体電解質及び正極活物質の他に、導電性物質を含むことが好ましい。
導電性物質は、電気伝導率が1.0×10S/m以上の物質であり、好ましくは1.0×10S/m以上の物質であり、より好ましくは1.0×10S/m以上の物質である。
上記導電性物質は、細孔を有することが好ましい。細孔を有することにより、正極活物質を細孔内に含めることができ、正極活物質と導電性物質の接触面積を増やすことができると共に、正極活物質の比表面積を大きくすることができる。
導電性物質の形状は特に限定されず、粒子状導電性物質であってもよく、板状導電性物質であってもよく、棒状導電性物質であってもよい。例えば、板状導電性物質としてはグラフェンが挙げられ、棒状導電性物質としては、例えば、カーボンナノチューブ等であり、粒子状導電性物質としては、表面積が大きく、細孔容量が大きく、かつ電子伝導性が高いケッチェンブラックや活性炭が挙げられる。
The positive electrode mixture of the present invention preferably contains a conductive substance in addition to the above-described solid electrolyte and positive electrode active material.
The conductive material is a material having an electric conductivity of 1.0 × 10 3 S / m or more, preferably a material having 1.0 × 10 4 S / m or more, more preferably 1.0 × 10 5. It is a substance of S / m or more.
The conductive substance preferably has pores. By having the pores, the positive electrode active material can be included in the pores, the contact area between the positive electrode active material and the conductive material can be increased, and the specific surface area of the positive electrode active material can be increased.
The shape of the conductive material is not particularly limited, and may be a particulate conductive material, a plate-shaped conductive material, or a rod-shaped conductive material. For example, the plate-like conductive material may be graphene, the rod-like conductive material may be, for example, carbon nanotubes, etc., and the particulate conductive material may have a large surface area, a large pore volume, and an electronic conductivity. Examples include ketjen black and activated carbon, which have high properties.

導電性物質としては、炭素、金属粉末、金属化合物等が挙げられる。好ましくは炭素である。本発明の正極合材が導電性物質として炭素を含む場合、炭素は、導電度が高く、且つ軽いために、重量当りのエネルギー密度が高い電池を得ることができる。
より好ましくは、導電性物質は細孔を有する多孔質炭素である。
導電性物質である多孔質炭素としては、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、活性炭等の炭素が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
Examples of the conductive substance include carbon, metal powder, and metal compound. Carbon is preferred. When the positive electrode mixture of the present invention contains carbon as a conductive substance, since carbon has high conductivity and is light, a battery having a high energy density per weight can be obtained.
More preferably, the conductive material is porous carbon having pores.
Examples of the porous carbon that is a conductive substance include carbon blacks such as ketjen black, acetylene black, denka black, thermal black, and channel black; and carbons such as graphite, carbon fiber, and activated carbon. These may be used alone or in combination of two or more.

導電性物質は、好ましくは細孔を有し、当該細孔容量が0.1cc/g以上5.0cc/g以下である導電性物質である。当該細孔容量は、より好ましくは0.1cc/g以上4.5cc/g以下であり、特に好ましくは0.75cc/g以上3.9cc/g以下である。また、導電性物質は、好ましくは細孔を有し、当該平均細孔直径が100nm以下である導電性物質である。当該平均細孔直径は、より好ましくは0.1nm以上100nm以下であり、さらに好ましくは0.1nm以上25nm以下であり、最も好ましくは0.5nm以上17nm以下である。
導電性物質が細孔を有することで、導電性物質の細孔内部に正極活物質を挿入することができ、導電性物質と正極活物質との接触状態を向上させることができ、正極合材の電子伝導性を高めることができる。また、導電性物質と正極活物質とを複合化する場合には、細孔を有することにより複合化しやすくなり、正極合材の電子伝導性を高めることができる。
導電性物質の細孔容量が0.1cc/g未満の場合、導電性物質内部の正極活物質含有量を多くすることができないおそれがあり、電気容量が高いリチウムイオン電池を得ることが困難になるおそれがある。一方、導電性物質の細孔容量が5.0cc/g超の場合、正極活物質と複合化しても電子伝導性が十分に確保できないおそれがある。
導電性物質の平均細孔直径が0.1nm未満の場合、細孔内に正極活物質を含浸させることが困難となるおそれがある。一方、導電性物質の平均細孔直径が100nm超である場合、細孔内に含浸した正極活物質が活物質として十分に機能しないおそれがある。
The conductive material is preferably a conductive material having pores, and the pore volume is 0.1 cc / g or more and 5.0 cc / g or less. The pore volume is more preferably 0.1 cc / g or more and 4.5 cc / g or less, and particularly preferably 0.75 cc / g or more and 3.9 cc / g or less. The conductive substance is preferably a conductive substance having pores and having an average pore diameter of 100 nm or less. The average pore diameter is more preferably 0.1 nm to 100 nm, still more preferably 0.1 nm to 25 nm, and most preferably 0.5 nm to 17 nm.
Since the conductive material has pores, the positive electrode active material can be inserted into the pores of the conductive material, and the contact state between the conductive material and the positive electrode active material can be improved. The electron conductivity of can be increased. In addition, when the conductive material and the positive electrode active material are combined, it is easy to form a composite by having pores, and the electron conductivity of the positive electrode mixture can be increased.
If the pore capacity of the conductive material is less than 0.1 cc / g, the positive electrode active material content inside the conductive material may not be increased, making it difficult to obtain a lithium ion battery having a high electric capacity. There is a risk. On the other hand, when the pore capacity of the conductive material is more than 5.0 cc / g, there is a possibility that sufficient electron conductivity cannot be ensured even if it is combined with the positive electrode active material.
When the average pore diameter of the conductive material is less than 0.1 nm, it may be difficult to impregnate the positive electrode active material in the pores. On the other hand, when the average pore diameter of the conductive material is more than 100 nm, the positive electrode active material impregnated in the pores may not function sufficiently as the active material.

導電性物質の比表面積は10m/g以上5000m/g以下であることが好ましい。例えば、硫黄と多孔質炭素を複合化した硫黄−多孔質炭素複合体が、固体電解質との接触面積を確保するためには、多孔質炭素の比表面積は大きい方がよいが、大きすぎると、平均細孔直径が小さくなるため、硫黄を細孔内に含有させにくい。多孔質炭素の比表面積が小さいと、硫黄との接触が十分でなくなり電子伝導性が確保できなくなり、硫黄が活物質として十分に機能しないおそれがある。よって、多孔質炭素のBET比表面積は、10m/g以上5000m/g以下であることが好ましい。より好ましくは、50m/g以上4500m/g以下、より好ましくは70m/g以上4000m/g以下、最も好ましくは、100m/g以上3500m/g以下である。 The specific surface area of the conductive material is preferably 10 m 2 / g or more and 5000 m 2 / g or less. For example, in order for the sulfur-porous carbon composite obtained by combining sulfur and porous carbon to ensure a contact area with the solid electrolyte, the porous carbon should have a large specific surface area. Since the average pore diameter is small, it is difficult to contain sulfur in the pores. If the specific surface area of the porous carbon is small, the contact with sulfur is not sufficient and the electron conductivity cannot be secured, and there is a possibility that sulfur does not sufficiently function as an active material. Therefore, the BET specific surface area of the porous carbon is preferably 10 m 2 / g or more and 5000 m 2 / g or less. More preferably, 50 m 2 / g or more 4500 m 2 / g or less, more preferably 70m 2 / g or more 4000 m 2 / g or less, and most preferably not more than 100 m 2 / g or more 3500 m 2 / g.

導電性物質のBET比表面積、細孔直径、細孔容量及び平均細孔直径は、以下の方法で測定することができる。以下、導電性物質が多孔質炭素の場合を例に説明するが、下記測定方法は、導電性物質が多孔質炭素の場合に限定されない。
BET比表面積、細孔直径、細孔容量及び平均細孔直径は、多孔質炭素を液体窒素温度下において、多孔質炭素に窒素ガスを吸着して得られる窒素吸着等温線を用いて求めることができる。
具体的には、窒素吸着等温線を用いて、Brenauer−Emmet−Telle(BET)法により比表面積を求めることができる。また、窒素吸着等温線(吸着側)を用いて、Barret−Joyner−Halenda(BJH)法により細孔直径、細孔容量を求めることができる。また、平均細孔直径は、細孔構造を円筒型であると仮定して、全細孔容積とBET比表面積から計算される。
測定装置としては、例えば、Quantacrome社製の比表面積・細孔分布測定装置(Autosorb−3)を用いて測定できる。測定の前処理は、例えば、200℃で3時間の加熱真空排気等が挙げられる。
The BET specific surface area, pore diameter, pore volume and average pore diameter of the conductive material can be measured by the following methods. Hereinafter, although the case where a conductive substance is porous carbon is demonstrated to an example, the following measuring method is not limited to the case where a conductive substance is porous carbon.
The BET specific surface area, the pore diameter, the pore volume and the average pore diameter can be determined using a nitrogen adsorption isotherm obtained by adsorbing nitrogen gas to the porous carbon at a liquid nitrogen temperature. it can.
Specifically, the specific surface area can be determined by the Brenauer-Emmet-Telle (BET) method using a nitrogen adsorption isotherm. Further, the pore diameter and pore volume can be determined by the Barret-Joyner-Halenda (BJH) method using a nitrogen adsorption isotherm (adsorption side). The average pore diameter is calculated from the total pore volume and the BET specific surface area assuming that the pore structure is cylindrical.
As a measuring apparatus, it can measure using the specific surface area and pore distribution measuring apparatus (Autosorb-3) made from Quantachrome, for example. Examples of the pretreatment for measurement include heating and evacuation at 200 ° C. for 3 hours.

本発明では、正極活物質と導電性物質は接触していることが好ましい。正極活物質と導電性物質を接触させるためには、メカニカルミリング処理等の力学的な作用により一体化させたり、下記のように正極活物質−導電性物質を複合化させたりすることが好ましい。より好ましくは正極活物質−導電性物質複合体となっている。「正極活物質−導電性物質複合体」とは、正極活物質を導電性物質の表面に蒸着させたもの、正極活物質を溶解させて導電性物質に表面と接触させてから固体化させたもの、正極活物質を導電性物質の存在下で合成して導電性物質と一体化させたものであり、例えば、正極活物質と導電性物質をメカニカルミリング処理等の力学的な作用により一体化させたものは含まれない。
なお、導電性物質の表面とは、導電性物質が細孔を有する場合には当該細孔表面が含まれる。
正極活物質−導電性物質複合体としては、導電性物質が細孔を有し、その細孔内部に正極活物質が存在していることが好ましい。
In the present invention, the positive electrode active material and the conductive material are preferably in contact with each other. In order to bring the positive electrode active material and the conductive material into contact with each other, it is preferable to integrate them by a mechanical action such as mechanical milling or to combine the positive electrode active material and the conductive material as described below. More preferably, it is a positive electrode active material-conductive material composite. “Positive electrode active material-conductive material composite” is a positive electrode active material deposited on the surface of the conductive material, dissolved in the positive electrode active material and brought into contact with the surface of the conductive material and then solidified The positive electrode active material is synthesized in the presence of a conductive material and integrated with the conductive material. For example, the positive electrode active material and the conductive material are integrated by a mechanical action such as mechanical milling. Does not include
The surface of the conductive material includes the surface of the pore when the conductive material has pores.
As the positive electrode active material-conductive material complex, it is preferable that the conductive material has pores, and the positive electrode active material exists in the pores.

正極活物質と導電性物質が複合化した正極活物質−導電性物質複合体において、正極活物質の含有量は、例えば、5〜90重量%であり、好ましくは40〜90重量%であり、より好ましくは50〜80重量%である。   In the positive electrode active material-conductive material composite in which the positive electrode active material and the conductive material are combined, the content of the positive electrode active material is, for example, 5 to 90% by weight, preferably 40 to 90% by weight, More preferably, it is 50-80 weight%.

本発明の正極合材は、例えば、上述した固体電解質、又は、加熱等により上記固体電解質となる固体電解質前駆体(例えば、ガラス、ガラスとガラスセラミックスの混合物、又はこれらと原料化合物の混合物を意味する。)と、上述した正極活物質を、メカニカルミリング処理等の力学的な作用により一体化させることにより製造できる。具体的には、混錬機、遊星ボールミル、転動ボールミル、振動ボールミル等のボールミル、リングローラーミル等の竪型ローラーミル、ハンマーミル、ケージミル等の高速回転ミル、ジェットミル等の気流式ミルにより混合する方法や、フィルミックス等での湿式混合、メカノフュージョン等での乾式混合等にて処理することにより製造できる。   The positive electrode mixture of the present invention means, for example, the above-described solid electrolyte, or a solid electrolyte precursor that becomes the solid electrolyte by heating or the like (for example, glass, a mixture of glass and glass ceramics, or a mixture of these and a raw material compound) And the positive electrode active material described above can be manufactured by integrating them by a mechanical action such as mechanical milling. Specifically, by kneading machines, planetary ball mills, rolling ball mills, vibrating ball mills, vertical roller mills such as ring roller mills, high speed rotating mills such as hammer mills and cage mills, and airflow mills such as jet mills. It can manufacture by processing by the method of mixing, the wet mixing in a fill mix etc., the dry mixing in a mechano-fusion, etc.

加熱等により上記固体電解質となる固体電解質前駆体を用いる場合、力学的な作用により一体化させるとき、又は一体化させた後に、必要により加熱してもよい。加熱温度は、例えば、固体電解質前駆体がガラスを含む場合はそのTg以上、(Tc+100℃)以下であることが好ましい(Tg:ガラス転移温度、Tc:結晶化温度)。Tg未満だと結晶化が非常に遅くなるおそれがある。(Tc+100℃)を超えると、電解質が劣化し、イオン伝導度が低下するおそれがある。より好ましくは、(Tg+5℃)以上、(Tc+90℃)以下、さらに好ましくは、(Tg+10℃)以上、(Tc+80℃)以下である。
例えば、加熱温度は、150℃以上360℃以下であり、好ましくは160℃以上350℃以下であり、より好ましくは180℃以上310℃以下であり、さらに好ましくは180℃以上290℃以下であり、特に好ましくは190℃以上270℃以下である。
When the solid electrolyte precursor that becomes the solid electrolyte by heating or the like is used, the solid electrolyte precursor may be heated as necessary when integrated by mechanical action or after integration. For example, when the solid electrolyte precursor contains glass, the heating temperature is preferably Tg or more and (Tc + 100 ° C.) or less (Tg: glass transition temperature, Tc: crystallization temperature). If it is less than Tg, crystallization may be very slow. If it exceeds (Tc + 100 ° C.), the electrolyte may be deteriorated and the ionic conductivity may be lowered. More preferably, it is (Tg + 5 ° C.) or more and (Tc + 90 ° C.) or less, and more preferably (Tg + 10 ° C.) or more and (Tc + 80 ° C.) or less.
For example, the heating temperature is 150 ° C. or higher and 360 ° C. or lower, preferably 160 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, more preferably 180 ° C. or higher and 310 ° C. or lower, more preferably 180 ° C. or higher and 290 ° C. or lower, Especially preferably, it is 190 degreeC or more and 270 degrees C or less.

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、5時間以下であり、特に好ましくは、0.01分以上、3時間以下である。0.005分未満だと加熱が不十分になるおそれがある。10時間を超えると、電解質が劣化し、イオン伝導度が低下するおそれがある。
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。
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 5 hours or less, and particularly preferably 0.01 minutes or more and 3 hours or less. If it is less than 0.005 minutes, heating may be insufficient. If it exceeds 10 hours, the electrolyte may deteriorate and the ionic conductivity may decrease.
There is no specific specification for the temperature raising method. The temperature may be raised slowly to a predetermined temperature or heated rapidly.

加熱処理は、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。
加熱時の圧力は、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。
さらに、特開2010−186744に記載されているように溶媒中で加熱してもよい。
The heat treatment is preferably performed in an environment with a dew point of −40 ° C. or less, and more preferably in an environment with a dew point of −60 ° C. or less.
The pressure at the time of heating may be a normal pressure or a reduced pressure.
The atmosphere may be in the air or an inert atmosphere.
Furthermore, you may heat in a solvent as it describes in Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-186744.

正極活物質と、固体電解質又は固体電解質前駆体の混合割合は、特に限定されない。但し、正極活物質が多すぎると合材内でイオン電導パスが形成されにくく、電圧の低下や活物質の利用率低下を招く。一方、正極活物質の量が少ないと、電気容量が小さくなる。従って、正極活物質と、固体電解質又は固体電解質前駆体の重量比(正極活物質:固体電解質)は、20:80〜90:10が好ましく、より好ましくは30:70〜80:20、さらに好ましくは40:60〜75:25であり、もっとも好ましくは50:50〜70:30である。   The mixing ratio of the positive electrode active material and the solid electrolyte or solid electrolyte precursor is not particularly limited. However, when there are too many positive electrode active materials, an ion conduction path is difficult to be formed in the composite material, resulting in a decrease in voltage and a decrease in utilization rate of the active material. On the other hand, when the amount of the positive electrode active material is small, the electric capacity becomes small. Therefore, the weight ratio of the positive electrode active material to the solid electrolyte or solid electrolyte precursor (positive electrode active material: solid electrolyte) is preferably 20:80 to 90:10, more preferably 30:70 to 80:20, still more preferably. Is 40:60 to 75:25, most preferably 50:50 to 70:30.

なお、本発明の正極合材では、上述した固体電解質及び正極活物質と、必要により導電性物質の他に、バインダー樹脂、導電性物質(導電助剤)、他の正極活物質等を添加してもよい。
バインダーとしては、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、或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−ジエンマー(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、又は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。
導電助剤としては、上述した導電性物質が使用できる。
In the positive electrode mixture of the present invention, a binder resin, a conductive material (conductive auxiliary agent), other positive electrode active materials, etc. are added in addition to the above-described solid electrolyte and positive electrode active material and, if necessary, a conductive material. May be.
Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine-containing resins such as fluorine rubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene-propylene-dienemer (EPDM), sulfonated 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.
As the conductive assistant, the above-described conductive substances can be used.

本発明の正極合材は、リチウムイオン電池の正極を形成する材料として好適である。本発明の正極は、本発明の正極合材を原料として製造されるか、又は、正極合材を含む。正極の製造方法は公知の方法や今後開発される方法が採用できる。例えば、本発明の正極合材を通常の方法でプレス成形して、シート状の電極とする方法により形成できる。また、静電法や塗布法により成膜することによっても製造することができる。
正極の厚さは、リチウムイオン電池の要求性能に合わせて適宜調整できる。
The positive electrode mixture of the present invention is suitable as a material for forming a positive electrode of a lithium ion battery. The positive electrode of the present invention is produced using the positive electrode mixture of the present invention as a raw material, or contains a positive electrode mixture. A known method or a method developed in the future can be adopted as a method for producing the positive electrode. For example, the positive electrode mixture of the present invention can be formed by a method of press-molding by a usual method to form a sheet-like electrode. Moreover, it can also manufacture by forming into a film by the electrostatic method or the apply | coating method.
The thickness of the positive electrode can be appropriately adjusted according to the required performance of the lithium ion battery.

本発明のリチウムイオン電池は、上述した本発明の正極合材から得られる正極を有していればよく、固体電解質層、負極、集電体等、他の構成については公知のものが使用できる。   The lithium ion battery of the present invention only needs to have a positive electrode obtained from the above-described positive electrode mixture of the present invention, and other components such as a solid electrolyte layer, a negative electrode, and a current collector can be used. .

固体電解質層は、固体電解質からなる層であり、固体電解質としては、ポリマー系固体電解質、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質等、公知の固体電解質が使用できる。好ましくは、上述した本発明の正極合材で使用する固体電解質である。
固体電解質層の厚さは、好ましくは0.001mm以上1mm以下である。
The solid electrolyte layer is a layer made of a solid electrolyte. As the solid electrolyte, a known solid electrolyte such as a polymer-based solid electrolyte, an oxide-based solid electrolyte, or a sulfide-based solid electrolyte can be used. Preferably, it is a solid electrolyte used with the positive electrode mixture of the present invention described above.
The thickness of the solid electrolyte layer is preferably 0.001 mm or more and 1 mm or less.

負極層は、負極活物質、電解質、及び導電助剤を含むことが好ましい。また、バインダーを含んでいてもよい。形成法や厚さは正極の場合と同様である。
負極活物質としては、リチウムイオンの挿入脱離が可能な物質、電池分野において負極活物質として公知のものが使用できる。
例えば、炭素材料、具体的には、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。又はその混合物でもよい。好ましくは、人造黒鉛である。
また、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミ、金属ケイ素等の金属自体や他の元素、化合物と組合わせた合金を、負極材として用いることができる。中でも、高い理論容量を有するケイ素、スズ、リチウム金属が好ましい。
電解質及び導電助剤については、上述した正極合材や固体電解質層と同様なものが使用できる。
It is preferable that a negative electrode layer contains a negative electrode active material, an electrolyte, and a conductive support agent. Moreover, the binder may be included. The formation method and thickness are the same as in the case of the positive electrode.
As the negative electrode active material, a material capable of inserting and desorbing lithium ions, and a material known as a negative electrode active material in the battery field can be used.
For example, carbon materials, specifically 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. Or it may be a mixture thereof. Preferably, it is artificial graphite.
Also, an alloy in combination with a metal itself such as metallic lithium, metallic indium, metallic aluminum, metallic silicon, or another element or compound can be used as the negative electrode material. Among these, silicon, tin, and lithium metal having a high theoretical capacity are preferable.
About an electrolyte and a conductive support agent, the same thing as the positive electrode mixture and the solid electrolyte layer mentioned above can be used.

集電体としては、ステンレス鋼、金、白金、銅、亜鉛、ニッケル、スズ、アルミニウム又はこれらの合金等からなる板状体、箔状体、網目状体等が使用できる。   As the current collector, a plate-like body, a foil-like body, a mesh-like body, or the like made of stainless steel, gold, platinum, copper, zinc, nickel, tin, aluminum, or an alloy thereof can be used.

本発明のリチウムイオン電池は、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 lithium ion battery of the present invention can be produced by a known method, for example, by a coating method or an electrostatic method (an electrostatic spray method, an 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)X線回折(XRD)測定
各例で製造した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
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
The evaluation method is as follows.
(1) X-ray diffraction (XRD) measurement From the 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 molded 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

(2)イオン伝導度測定
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。
(2) Ionic conductivity measurement The solid electrolyte 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.

実施例1
(1)硫化リチウム(LiS)の合成
撹拌機付きの500mLセパラブルフラスコに、不活性ガス下で乾燥した水酸化リチウム無水物(本荘ケミカル社製)を200g仕込んだ。窒素気流下にて昇温し、内部温度を200℃に保持した。窒素ガスを硫化水素ガス(住友精化社製)に切り替え、500mL/minの流量にし、水酸化リチウム無水物と硫化水素を反応させた。
反応により発生する水分は、コンデンサにより凝縮して回収した。反応を6時間行った時点で水が144mL回収された。さらに3時間反応を継続したが、水の発生は見られなかった。
生成した粉末を回収し、純度測定及びX線回折測定した。純度は98.5%であり、X線回折測定で硫化リチウムのピークパターンが確認できた。
Example 1
(1) Synthesis of lithium sulfide (Li 2 S) In a 500 mL separable flask equipped with a stirrer, 200 g of lithium hydroxide anhydride (manufactured by Honjo Chemical Co., Ltd.) dried under an inert gas was charged. The temperature was raised under a nitrogen stream, and the internal temperature was maintained at 200 ° C. Nitrogen gas was switched to hydrogen sulfide gas (manufactured by Sumitomo Seika Co., Ltd.), the flow rate was 500 mL / min, and lithium hydroxide anhydride and hydrogen sulfide were reacted.
The water generated by the reaction was condensed and collected by a condenser. When the reaction was performed for 6 hours, 144 mL of water was recovered. The reaction was further continued for 3 hours, but no generation of water was observed.
The produced powder was collected and measured for purity and X-ray diffraction. The purity was 98.5%, and the peak pattern of lithium sulfide was confirmed by X-ray diffraction measurement.

(2)固体電解質の作製
窒素を充填したグローブボックスにて、上記(1)で合成した硫化リチウム(0.3891g、8.47×10−3mol)、五硫化二リン(P、0.2934g、1.32×10−3mol)、硫化ケイ素(SiS、0.2942g、3.19×10−3mol)、及び塩化リチウム(LiCl、0.0233g、0.55×10−3mol)と、粉砕メディアである直径10mmのZrOボール15ケをステンレス製45mLポットに仕込み、密閉した。原料全体の元素組成はLi10Si1.81.512.3Cl0.3である。
ポットをグローブボックスから取り出し、加熱式遊星ボールミル(伊藤製作所製:回転半径0.075m、自公転の回転方向逆で比は1)に装着した。回転数を350rpmにてミリングを行いながら250℃昇温し、昇温後30時間処理した。
得られた粉末のX線回折測定から2θ=20.1±0.5°、及び23.9±0.5°にピークを有していることを確認した。また、イオン伝導度σは1.3×10−3S/cmであった。
(2) Production of solid electrolyte In a glove box filled with nitrogen, lithium sulfide (0.3891 g, 8.47 × 10 −3 mol) synthesized in the above (1), diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 , 0.2934 g, 1.32 × 10 −3 mol), silicon sulfide (SiS 2 , 0.2942 g, 3.19 × 10 −3 mol), and lithium chloride (LiCl, 0.0233 g, 0.55 × 10 − 3 mol) and 15 Zr 2 O balls having a diameter of 10 mm as grinding media were charged into a stainless steel 45 mL pot and sealed. Elemental composition of the whole material is Li 10 Si 1.8 P 1.5 S 12.3 Cl 0.3.
The pot was taken out of the glove box and mounted on a heated planetary ball mill (manufactured by Ito Seisakusho: rotation radius 0.075 m, reverse rotation direction of rotation and revolution 1). While milling at a rotational speed of 350 rpm, the temperature was raised to 250 ° C., and the treatment was performed for 30 hours after the temperature was raised.
From the X-ray diffraction measurement of the obtained powder, it was confirmed that it had peaks at 2θ = 20.1 ± 0.5 ° and 23.9 ± 0.5 °. The ion conductivity σ was 1.3 × 10 −3 S / cm.

(3)正極活物質と導電性物質の複合体の作製
硫黄(アルドリッチ製、純度99.998%)0.500gと多孔質炭素(ケッチェンブラック(KB)EC600JD、ライオン社製)0.214gを乳鉢で混合した後、混合物を密閉性のステンレス容器に入れ、電気炉にて加熱処理した。加熱条件は室温から10℃/分にて150℃まで昇温し、150℃で6時間保持した後、300℃まで10℃/分で昇温し、2.75時間保持、その後自然冷却し、複合体を得た。
なお、ケッチェンブラックの細孔直径が100nm以下である細孔の細孔容量は2.7cc/g、平均細孔直径は12.7nm、BET比表面積は1365mであった。
(3) Preparation of composite of positive electrode active material and conductive material 0.500 g of sulfur (manufactured by Aldrich, purity 99.998%) and 0.214 g of porous carbon (Ketjen Black (KB) EC600JD, manufactured by Lion) After mixing in a mortar, the mixture was placed in a hermetic stainless steel container and heat-treated in an electric furnace. The heating conditions were from room temperature to 150 ° C. at 10 ° C./minute, held at 150 ° C. for 6 hours, then heated to 300 ° C. at 10 ° C./minute, held for 2.75 hours, then naturally cooled, A complex was obtained.
In addition, the pore capacity | capacitance of the pore whose pore diameter of ketjen black is 100 nm or less was 2.7 cc / g, the average pore diameter was 12.7 nm, and the BET specific surface area was 1365 m 2 .

(4)正極合材の作製
上記(2)で合成した固体電解質の粉末0.5gと、上記(3)で作製した複合体0.5gとを、ミルポットに入れ、遊星型ボールミル(フリッチュ製:型番P−7)でアルゴン中、室温(25℃)にて、回転速度を370rpmとし、5時間メカニカルミリング処理し、正極合材を得た。
(4) Production of positive electrode composite material 0.5 g of the solid electrolyte powder synthesized in (2) above and 0.5 g of the composite produced in (3) above were put in a mill pot, and a planetary ball mill (manufactured by Fritsch: Model No. P-7) was subjected to mechanical milling for 5 hours at room temperature (25 ° C.) in argon at room temperature (25 ° C.) to obtain a positive electrode mixture.

比較例1
(1)硫化リチウムの合成
撹拌翼のついた10LオートクレーブにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)3326.4g(33.6モル)及び水酸化リチウム287.4g(12モル)を仕込み、300rpm、130℃に昇温した。昇温後、液中に硫化水素を3リットル/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)昇温し、反応した硫化水素の一部を脱硫化水素化した。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を始めたが、この水は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は上昇するが、180℃に達した時点で昇温を停止し、一定温度に保持した。脱硫化水素反応が終了後(約80分)反応を終了し、硫化リチウム(スラリー反応溶液)を得た。
Comparative Example 1
(1) Synthesis of lithium sulfide A 10 L 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 lithium hydroxide, 300 rpm, The temperature was raised to 130 ° C. After the temperature rise, hydrogen sulfide was blown into the liquid at a supply rate of 3 liters / minute for 2 hours.
Subsequently, this reaction solution was heated in a nitrogen stream (200 cc / min) to dehydrosulfide a part of the reacted hydrogen sulfide. As the temperature increased, water produced as a by-product due to the reaction between hydrogen sulfide and lithium hydroxide started to evaporate, but this water was condensed by the condenser and extracted out of the system. While water was distilled out of the system, the temperature of the reaction solution rose, but when the temperature reached 180 ° C., the temperature increase was stopped and the temperature was kept constant. After completion of the dehydrosulfurization reaction (about 80 minutes), the reaction was completed to obtain lithium sulfide (slurry reaction solution).

上記で得られた500mLのスラリー反応溶液(NMP−硫化リチウムスラリー)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。さらにNMP100mLを加え、105℃で約1時間撹拌し、その温度のままNMPをデカンテーションし、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、窒素気流下230℃(NMPの沸点以上の温度)で硫化リチウムを常圧下で3時間乾燥した。得られた硫化リチウム中の不純物含有量を測定した。
なお、亜硫酸リチウム(LiSO)、硫酸リチウム(LiSO)並びにチオ硫酸リチウム(Li)の各硫黄酸化物、及びN−メチルアミノ酪酸リチウム(LMAB)の含有量は、イオンクロマトグラフ法により定量した。その結果、硫黄酸化物の総含有量は0.13重量%であり、LMABは0.07重量%であった。
After decanting NMP in the 500 mL slurry reaction solution (NMP-lithium sulfide slurry) obtained above, 100 mL of dehydrated NMP was added and stirred at 105 ° C. for about 1 hour. NMP was decanted at that temperature. Further, 100 mL of NMP was added, stirred at 105 ° C. for about 1 hour, NMP was decanted at that temperature, and the same operation was repeated a total of 4 times. After completion of the decantation, lithium sulfide was dried at 230 ° C. (temperature higher than the boiling point of NMP) under a nitrogen stream for 3 hours under normal pressure. The impurity content in the obtained lithium sulfide was measured.
Incidentally, lithium sulfite (Li 2 SO 3), the content of each sulfur oxide lithium sulfate (Li 2 SO 4) and lithium thiosulfate (Li 2 S 2 O 3) , and N- methylamino acid lithium (LMAB) Was quantified by ion chromatography. As a result, the total content of sulfur oxides was 0.13% by weight, and LMAB was 0.07% by weight.

(2)固体電解質の作製
原料として、上記(1)で合成した硫化リチウム0.306g(6.66×10−3mol)、五硫化二リン(アルドリッチ社製)0.494g(2.22×10−3mol)、ヨウ化リチウム(アルドリッチ社製)0.200g(1.49×10−3mol)を用いた。
これらを混合した粉末と直径10mmのジルコニア製ボール10ケとを遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)アルミナ製ポットに投入し完全密閉した。本操作は露点−80℃以下のアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で行った。
はじめの数分間は、遊星型ボールミルの回転を低速回転(85rpm)にして混合粉末を十分混合した。その後、徐々に遊星型ボールミルの回転数を上げ370rpmまで回転数を上げた。遊星型ボールミルの回転数を370rpmで20時間メカニカルミリングを行った。このメカニカルミリング処理をした粉体をX線回折測定により評価した結果、硫化物ガラス(電解質前駆体)であることが確認できた。
なお、電解質前駆体を230℃で2時間熱処理することで、固体電解質(ガラスセラミックス)を作製できることを確認した。
(2) Production of solid electrolyte As raw materials, 0.306 g (6.66 × 10 −3 mol) of lithium sulfide synthesized in (1) above, 0.494 g (2.22 ×) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Aldrich) 10 −3 mol) and 0.200 g (1.49 × 10 −3 mol) of lithium iodide (Aldrich) were used.
The mixed powder and 10 zirconia balls having a diameter of 10 mm were put into a planetary ball mill (Fritsch Co., Ltd. model number P-7) alumina pot and completely sealed. This operation was performed in a glove box under an argon atmosphere with a dew point of -80 ° C or lower.
For the first few minutes, the planetary ball mill was rotated at a low speed (85 rpm) to sufficiently mix the mixed powder. Thereafter, the rotational speed of the planetary ball mill was gradually increased to 370 rpm. Mechanical milling was performed for 20 hours at a rotational speed of the planetary ball mill at 370 rpm. As a result of evaluating the mechanically milled powder by X-ray diffraction measurement, it was confirmed that it was sulfide glass (electrolyte precursor).
In addition, it confirmed that a solid electrolyte (glass ceramic) was producible by heat-processing an electrolyte precursor at 230 degreeC for 2 hours.

(3)正極合材の作製
上記(2)で作製した電解質前駆体粉末0.5gと、上記実施例1(2)で作製した複合体0.5gとをミルポットに入れ、遊星型ボールミル(フリッチュ製:型番P−7)でアルゴン中、室温(25℃)にて、回転速度を370rpmとし、5時間メカニカルミリング処理した。
メカニカルミリング処理後の混合物0.5gを温度210℃に制御されたオーブン内で、予め210℃に加熱された2枚のステンレス板の間にすばやく挟み、10分間放置した。なお、加熱した金属板に挟むことにより、試料は約2分で210℃に達する。その後、空冷し、正極合材を得た。
(3) Preparation of positive electrode composite material 0.5 g of the electrolyte precursor powder prepared in the above (2) and 0.5 g of the composite prepared in Example 1 (2) were put in a mill pot, and a planetary ball mill (Fritsch Product: Model No. P-7) was mechanically milled for 5 hours at room temperature (25 ° C.) in argon at a rotational speed of 370 rpm.
0.5 g of the mixture after the mechanical milling treatment was quickly sandwiched between two stainless steel plates previously heated to 210 ° C. in an oven controlled at a temperature of 210 ° C. and left for 10 minutes. The sample reaches 210 ° C. in about 2 minutes by being sandwiched between heated metal plates. Then, it air-cooled and obtained the positive electrode compound material.

比較例2
(1)固体電解質の作製
国際公開公報WO07/066539の実施例1に準拠した方法で製造した。
具体的には、原料として、比較例1(1)で合成した硫化リチウム0.325g(0.00707mol)と五硫化二リン(アルドリッチ社製)を0.675g(0.00303mol)を用いた他は、比較例1と同様にした。
メカニカルミリング処理をした白黄色の粉体をX線回折測定により評価した結果、ガラス化(硫化物ガラス)していることが確認できた。
得られた硫化物ガラス0.5gをSUS製容器に投入し、予め温度300℃に制御したオーブンにセットした。そのまま2時間放置後、空冷し、固体電解質(ガラスセラミックス)を得た。
Comparative Example 2
(1) Preparation of solid electrolyte It manufactured with the method based on Example 1 of international publication gazette WO07 / 0666539.
Specifically, 0.325 g (0.00707 mol) of lithium sulfide synthesized in Comparative Example 1 (1) and 0.675 g (0.00303 mol) of diphosphorus pentasulfide (manufactured by Aldrich) were used as raw materials. Was the same as in Comparative Example 1.
As a result of evaluating the mechanically milled white yellow powder by X-ray diffraction measurement, it was confirmed that it was vitrified (sulfide glass).
0.5 g of the obtained sulfide glass was put into a SUS container and set in an oven controlled at a temperature of 300 ° C. in advance. The mixture was allowed to stand for 2 hours and then air-cooled to obtain a solid electrolyte (glass ceramic).

(2)正極合材の作製
上記(1)で作製した固体電解質0.5gと、上記実施例1(2)で作製した複合体0.5gとをミルポットに入れ、遊星型ボールミル(フリッチュ製:型番P−7)でアルゴン中、室温(25℃)にて、回転速度を370rpmとし、5時間メカニカルミリング処理し、正極合材を得た。
(2) Production of positive electrode composite material 0.5 g of the solid electrolyte produced in the above (1) and 0.5 g of the composite produced in Example 1 (2) were put in a mill pot, and a planetary ball mill (manufactured by Fritsch: Model No. P-7) was subjected to mechanical milling for 5 hours at room temperature (25 ° C.) in argon at room temperature (25 ° C.) to obtain a positive electrode mixture.

[放電電圧の評価]
上記実施例及び比較例で作製した正極合材を使用して、リチウムイオン電池を作製し、放電開始から10秒後の放電電圧(V10)を評価した。
具体的に、比較例2(1)で作製した固体電解質(ガラスセラミックス)60mgを、直径10mmのプラスチック製の円筒に投入し加圧成型した。その後、円筒に正極合材を6.9mg投入し再び加圧成型し、正極と固体電解質の積層体とした。固体電解質側に、インジウム箔(厚さ0.3mm、直径9.5mm)とリチウム箔(厚さ0.2mm、直径9.5mm)を投入して、正極、固体電解質層及び負極の三層構造であるリチウムイオン電池を作製した。
作製したリチウムイオン電池について、充放電の電流密度0.500mA/cm、充放電電位範囲0.7−2.2V、充放電温度25℃で定電流充放電試験を行った。次に、電流密度0.500mA/cmにて2.2Vまで充電した後、放電電流密度を10mA/cmとして同様の試験を行った。電流密度10mA/cmで放電した際の、放電開始から10秒後の放電電圧(V10)を評価した。測定結果を表1に示す。
[Evaluation of discharge voltage]
Lithium ion batteries were produced using the positive electrode composites produced in the above Examples and Comparative Examples, and the discharge voltage (V 10 ) 10 seconds after the start of discharge was evaluated.
Specifically, 60 mg of the solid electrolyte (glass ceramics) produced in Comparative Example 2 (1) was put into a plastic cylinder having a diameter of 10 mm and subjected to pressure molding. Thereafter, 6.9 mg of the positive electrode mixture was charged into the cylinder, and pressure-molded again to obtain a laminate of the positive electrode and the solid electrolyte. An indium foil (thickness 0.3 mm, diameter 9.5 mm) and a lithium foil (thickness 0.2 mm, diameter 9.5 mm) are put on the solid electrolyte side, and a three-layer structure of a positive electrode, a solid electrolyte layer, and a negative electrode A lithium ion battery was produced.
The produced lithium ion battery was subjected to a constant current charge / discharge test at a charge / discharge current density of 0.500 mA / cm 2 , a charge / discharge potential range of 0.7-2.2 V, and a charge / discharge temperature of 25 ° C. Then, after charging at a current density of 0.500mA / cm 2 to 2.2V, the same test was conducted with a discharge current density of 10 mA / cm 2. When discharging at a current density of 10 mA / cm 2 , the discharge voltage (V 10 ) 10 seconds after the start of discharge was evaluated. The measurement results are shown in Table 1.

Figure 2018005985
Figure 2018005985

比較例3
(1)固体電解質の作製
比較例1(1)で合成した硫化リチウムと五硫化二リン(アルドリッチ製)を出発原料に用いた。これらをモル比70:30に調整した混合物約1gと、直径10mmのアルミナ製ボール10ケとを45mLのアルミナ製容器に入れ、遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)にて、窒素中、室温(25℃)にて、回転速度を370rpmとし、20時間メカニカルミリング処理することで、白黄色の粉末である固体電解質(硫化物ガラス)を得た。ガラス転移温度をDSC(示差走査熱量測定)により測定したところ、220℃であった。
固体電解質の組成(Li)は、a=7、b=3、c=11である。製造した固体電解質を窒素雰囲気下、300℃で2時間加熱した。得られた固体電解質(硫化物ガラスセラミックス)について、X線回折測定したところ、2θ=17.8、18.2、19.8、21.8、23.8、25.9、29.5、30.0degにピークが観測された。
Comparative Example 3
(1) Production of solid electrolyte Lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide (manufactured by Aldrich) synthesized in Comparative Example 1 (1) were used as starting materials. About 1 g of a mixture adjusted to a molar ratio of 70:30 and 10 alumina balls having a diameter of 10 mm were placed in a 45 mL alumina container, and nitrogen was measured using a planetary ball mill (manufactured by Fritsch: Model No. P-7). A solid electrolyte (sulfide glass) as a white-yellow powder was obtained by performing mechanical milling for 20 hours at room temperature (25 ° C.) with a rotational speed of 370 rpm. It was 220 degreeC when the glass transition temperature was measured by DSC (differential scanning calorimetry).
The composition (Li a P b S c ) of the solid electrolyte is a = 7, b = 3, c = 11. The produced solid electrolyte was heated at 300 ° C. for 2 hours under a nitrogen atmosphere. The obtained solid electrolyte (sulfide glass ceramic) was measured by X-ray diffraction. As a result, 2θ = 17.8, 18.2, 19.8, 21.8, 23.8, 25.9, 29.5, A peak was observed at 30.0 deg.

(2)硫黄と導電性物質の複合体の作製
硫黄(アルドリッチ製、純度99.998%)0.400gと多孔質炭素(ケッチェンブラック(KB)EC600JD、ライオン社製)0.400gを乳鉢で混合した後、混合物を密閉性のステンレス容器に入れ、電気炉にて加熱処理した。加熱条件は室温から10℃/分にて150℃まで昇温し、150℃で6時間保持した後、300℃まで10℃/分で昇温し、2.75時間保持、その後自然冷却し、複合体を得た。
(2) Production of a composite of sulfur and a conductive substance 0.400 g of sulfur (manufactured by Aldrich, purity 99.998%) and 0.400 g of porous carbon (Ketjen Black (KB) EC600JD, manufactured by Lion) in a mortar After mixing, the mixture was placed in an airtight stainless steel container and heat-treated in an electric furnace. The heating conditions were from room temperature to 150 ° C. at 10 ° C./minute, held at 150 ° C. for 6 hours, then heated to 300 ° C. at 10 ° C./minute, held for 2.75 hours, then naturally cooled, A complex was obtained.

(3)正極合材の作製
上記(2)で作製した複合体0.5gと上記(1)で作製した固体電解質(硫化物ガラスセラミックス)粉末0.5gをミルポットに入れ、遊星型ボールミル(フリッチュ製:型番P−7)でアルゴン中、室温(25℃)にて、回転速度を370rpmとし、5時間メカニカルミリング処理することで正極合材を得た。
(3) Production of positive electrode composite material 0.5 g of the composite produced in (2) above and 0.5 g of the solid electrolyte (sulfide glass ceramic) powder produced in (1) above were placed in a mill pot, and a planetary ball mill (Fritsch Product: Model No. P-7) A positive electrode mixture was obtained by mechanical milling for 5 hours at 370 rpm in argon at room temperature (25 ° C.).

(4)リチウムイオン電池の作製
上記で調製した硫化物系固体電解質50mgを直径10mmのプラスチック製の円筒に投入し、加圧成型して、さらに調製した正極材料を7.2mg投入し再び加圧成型した。正極材料とは反対側から、インジウム箔(厚さ0.3mm、9.5mmφ)とリチウム箔(厚さ0.2mm、9.5mmφ)を投入して、正極、固体電解質層及び負極の三層構造とし、リチウムイオン電池を作製した。
作製したリチウムイオン電池について、充放電の電流密度0.500mA/cm、充放電電位範囲0.5−2.2V、充放電温度25℃で定電流充放電試験を行った。なお、この充電及び放電は、電池作製後に行った後の1回目の充電と放電を意味する。1回目の放電容量は1907mAh/g、1回目の充電容量は1859mAh/g、効率は97%であった。
(4) Production of Lithium Ion Battery 50 mg of the sulfide-based solid electrolyte prepared above is put into a plastic cylinder having a diameter of 10 mm, pressure-molded, and 7.2 mg of the prepared positive electrode material is further charged and pressurized again. Molded. From the side opposite to the positive electrode material, indium foil (thickness 0.3 mm, 9.5 mmφ) and lithium foil (thickness 0.2 mm, 9.5 mmφ) are introduced, and the positive electrode, solid electrolyte layer, and negative electrode three layers A lithium ion battery was produced with a structure.
The produced lithium ion battery was subjected to a constant current charge / discharge test at a charge / discharge current density of 0.500 mA / cm 2 , a charge / discharge potential range of 0.5-2.2 V, and a charge / discharge temperature of 25 ° C. In addition, this charge and discharge means the 1st charge and discharge after performing after battery preparation. The first discharge capacity was 1907 mAh / g, the first charge capacity was 1859 mAh / g, and the efficiency was 97%.

比較例4
正極合材に用いる固体電解質及び固体電解質層に用いる固体電解質を、チオリシコンLi3.25Ge0.250.75とした以外は、比較例3に記載の方法で正極合材及びリチウムイオン電池を作製した。
作製したリチウムイオン電池について、充放電の電流密度0.500mA/cm、充放電電位範囲0.5−2.2V、充放電温度25℃で定電流充放電試験を行った。なお、この充電及び放電は、電池作製後に行った後の1回目の充電と放電を意味する。1回目の放電容量は1210mAh/g、1回目の充電容量は571mAh/g、効率は47%であった。
比較例3及び4から、固体電解質をLi11からLi3.25Ge0.250.75に変更すると、電池の充放電容量及び効率が低下することが分かる。
Comparative Example 4
The positive electrode mixture and lithium were prepared by the method described in Comparative Example 3 except that the solid electrolyte used for the positive electrode mixture and the solid electrolyte used for the solid electrolyte layer were thiolithicone Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4. An ion battery was produced.
The produced lithium ion battery was subjected to a constant current charge / discharge test at a charge / discharge current density of 0.500 mA / cm 2 , a charge / discharge potential range of 0.5-2.2 V, and a charge / discharge temperature of 25 ° C. In addition, this charge and discharge means the 1st charge and discharge after performing after battery preparation. The first discharge capacity was 1210 mAh / g, the first charge capacity was 571 mAh / g, and the efficiency was 47%.
From Comparative Examples 3 and 4, it can be seen that when the solid electrolyte is changed from Li 7 P 3 S 11 to Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , the charge / discharge capacity and efficiency of the battery decrease.

本発明の正極合材は、リチウムイオン電池の正極の材料として好適である。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、モーターを電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の電池として用いることができる。   The positive electrode mixture of the present invention is suitable as a material for a positive electrode of a lithium ion battery. The lithium ion battery of the present invention can be used as a battery for a portable information terminal, a portable electronic device, a small electric power storage device for home use, a motorcycle using a motor as a power source, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, or the like.

Claims (8)

リチウム元素、リン元素及び硫黄元素と、
Si、Sn、Pb、Sb、B、Al、Ga、In、Ti、Zr、V及びNbからなる群より選択される少なくとも1つの元素Mと、を含み、
CuKα線を用いた粉末X線回折測定において、少なくとも2θ=20.1±0.5°及び23.9±0.5°にピークを有する固体電解質と、
硫黄元素を含有する正極活物質と、を含む正極合材。
Elemental lithium, elemental phosphorus and elemental sulfur;
And at least one element M selected from the group consisting of Si, Sn, Pb, Sb, B, Al, Ga, In, Ti, Zr, V and Nb,
In a powder X-ray diffraction measurement using CuKα rays, a solid electrolyte having peaks at least 2θ = 20.1 ± 0.5 ° and 23.9 ± 0.5 °;
And a positive electrode active material containing a sulfur element.
前記固体電解質が、さらにハロゲン元素を含む、請求項1に記載の正極合材。   The positive electrode mixture according to claim 1, wherein the solid electrolyte further contains a halogen element. 前記元素MがSiである、請求項1又は2に記載の正極合材。   The positive electrode mixture according to claim 1, wherein the element M is Si. さらに導電性物質を含む、請求項1〜3のいずれかに記載の正極合材。   Furthermore, the positive electrode compound material in any one of Claims 1-3 containing an electroconductive substance. 前記正極活物質と前記導電性物質が複合化している、請求項4に記載の正極合材。   The positive electrode mixture according to claim 4, wherein the positive electrode active material and the conductive material are combined. 前記導電性物質が細孔を有する多孔質炭素である、請求項4又は5に記載の正極合材。   The positive electrode mixture according to claim 4 or 5, wherein the conductive substance is porous carbon having pores. 請求項1〜6のいずれかに記載の正極合材を含む正極。   A positive electrode comprising the positive electrode mixture according to claim 1. 請求項7に記載の正極を有するリチウムイオン電池。   A lithium ion battery having the positive electrode according to claim 7.
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