JP2018006297A - Lithium ion conductor - Google Patents

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Shintaro Kitajima
慎太郎 北島
藤井 雄一
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雄一 藤井
松岡 直樹
Naoki Matsuoka
直樹 松岡
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion conductor enables the stable conduction at a low temperature.SOLUTION: A lithium ion-conducting film 120 has a structure in which crystalline oxide-based inorganic solid electrolyte particles 110 having lithium ion conductivity are arrayed in one layer, each taking an independent particle form, of which the activation energy is 0.10 eV and higher and lower than 0.30 eV during lithium ion conduction. It is preferred that in the lithium ion-conducting film 120, the crystalline oxide-based inorganic solid electrolyte particles 110 are 60-150 nm in crystallite size.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、リチウムイオン伝導体に関するものである。   The present invention relates to a lithium ion conductor.

リチウムイオン二次電池は、軽量、高エネルギー及び長寿命であることが大きな特徴であり、例えばノートブックコンピューター、携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ等の携帯用電子機器の電源として広範囲に用いられている。また、低環境負荷社会への移行に伴い、リチウムイオン二次電池は、ハイブリッド型電気自動車(Hybrid Electric Vehicle:HEV)及びプラグインHEV(Plug−in Hybrid Electric Vehicle:PHEV)の電源、更には住宅用蓄電システム等の電力貯蔵分野においても注目されている。   Lithium ion secondary batteries are characterized by their light weight, high energy, and long life, and are widely used as power sources for portable electronic devices such as notebook computers, mobile phones, digital cameras, and video cameras. Yes. In addition, with the shift to a low environmental impact society, lithium-ion secondary batteries are used as power sources for hybrid electric vehicles (HEVs) and plug-in HEVs (Plug-in Hybrid Electric Vehicles: PHEVs), as well as housing. It is also attracting attention in the field of power storage such as power storage systems.

ところで、従来、リチウムイオン二次電池の電解質には、リチウム塩を有機溶媒に溶解した有機電解液が用いられており、漏液に伴う安全性の懸念があった。
電解液の代わりに固体電解質を用いることで、正極材、電解質および負極材をすべて固体とした全固体電池は、可燃性の電解液が不要になり、かつ安全性が飛躍的に向上した技術として提案されている。
Conventionally, an organic electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent has been used as an electrolyte of a lithium ion secondary battery, and there has been a concern about safety associated with leakage.
By using a solid electrolyte instead of the electrolyte, all-solid-state batteries in which the positive electrode material, electrolyte, and negative electrode material are all solid are no longer required as a flammable electrolyte, and the safety has been dramatically improved. Proposed.

全固体電池に用いる固体電解質としては、例えば、高いリチウムイオン伝導性から硫化物系材料を用いた技術の開示がある。しかしながら、硫化物系材料は化学的安定性に乏しく、大気暴露において硫化水素が発生したり、硫化物系固体電解質と正極材とを直接接触させた場合、境界面に、リチウムの存在しない、厚さ数ナノメートルの「欠乏層」が出現し、出力特性が著しく低下したりするなどの課題がある。さらに、硫化物系固体電解質は柔軟性を有するため、加圧により粒子間の界面抵抗を減らして高いリチウムイオン伝導性を得ているが、加圧の際に短絡が発生し易い。そのため、硫化物系固体電解質は、一定厚み以上を確保する必要があり、固体電解質層を薄くして活物質充てん量を増やすことで電池としての電気容量を増やす観点から問題があった。   As a solid electrolyte used for an all solid state battery, for example, there is a disclosure of a technique using a sulfide-based material because of high lithium ion conductivity. However, sulfide-based materials have poor chemical stability, and when hydrogen sulfide is generated by exposure to the atmosphere or when a sulfide-based solid electrolyte and a positive electrode material are brought into direct contact with each other, there is no lithium on the interface. There are problems such as the appearance of a “deficient layer” of several nanometers, and a significant reduction in output characteristics. Furthermore, since the sulfide-based solid electrolyte has flexibility, the interfacial resistance between particles is reduced by pressurization to obtain high lithium ion conductivity, but a short circuit is likely to occur during pressurization. Therefore, the sulfide-based solid electrolyte needs to ensure a certain thickness or more, and there is a problem from the viewpoint of increasing the electric capacity as a battery by thinning the solid electrolyte layer and increasing the active material filling amount.

上記課題に対して、リチウムイオン伝導性を有し、かつ化学的に安定なガーネット型酸化物、NASICON型又はペロブスカイト型の酸化物などの金属酸化物系の材料を固体電解質として用いる試みが為されている。例えば、特許文献4では、ガーネット型酸化物の組成及びリチウムイオン伝導における活性化エネルギーを低減する検討がなされている。   In response to the above problems, attempts have been made to use metal oxide-based materials such as garnet-type oxides, NASICON-type or perovskite-type oxides having lithium ion conductivity and chemically stable as solid electrolytes. ing. For example, in Patent Document 4, studies are made to reduce the composition of garnet-type oxide and the activation energy in lithium ion conduction.

しかしながら、酸化物系材料は柔軟性に乏しく加工が難しいため、硫化物系固体電解質のように加圧操作により粒界の抵抗を減少させてイオン伝導性を高めることは困難である。また、酸化物系材料は界面抵抗が高いため出力特性が悪い。さらに、酸化物系材料の低温における出力特性はより一層低下する問題があった。   However, since oxide-based materials have poor flexibility and are difficult to process, it is difficult to increase the ion conductivity by reducing the resistance of grain boundaries by pressurizing operation like sulfide-based solid electrolytes. In addition, since the oxide material has a high interface resistance, the output characteristics are poor. Furthermore, there is a problem that the output characteristics of the oxide-based material at a low temperature are further deteriorated.

上記したように、無機固体電解質の課題を解決するために、絶縁性の高分子を用いて無機固体電解質粒子を結着し、薄膜化に伴う低抵抗化と優れた加工性を得る試みが為されている。
例えば、特許文献1には、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、ネオプレンゴム、及びシリコーンゴムの群から選ばれる一種類以上の可塑性材料で無機固体電解質の粒子を結着した固体電解質の技術の開示がある。
また、特許文献2には、シクロオレフィンポリマー、ポリパラキシレン、及びベンゾシクロブテンの群から選ばれる一種類以上の可塑性材料で無機固体電解質粒子を結着した固体電解質の技術の開示がある。
非特許文献1には、可塑性材料としてシクロオレフィンポリマーを使用し無機固体電解質粒子を結着することで、焼結体と比較して低抵抗化に成功した技術の開示がある。特許文献3には、可塑性材料としてポリビニルアルコール(PVA)を使用して無機固体電解質を結着することで、ポリエチレンオキサイド電解質と積層させることで単粒子膜と焼結体を比較し、単粒子膜がより低抵抗であることを示した技術の開示がある。
As described above, in order to solve the problems of the inorganic solid electrolyte, an attempt is made to bind the inorganic solid electrolyte particles using an insulating polymer to obtain low resistance and excellent workability due to thinning. Has been.
For example, Patent Document 1 discloses a solid electrolyte technique in which inorganic solid electrolyte particles are bound with one or more types of plastic materials selected from the group of polyethylene, polypropylene, styrene butadiene rubber, neoprene rubber, and silicone rubber. is there.
Patent Document 2 discloses a technique of a solid electrolyte in which inorganic solid electrolyte particles are bound with one or more kinds of plastic materials selected from the group of cycloolefin polymer, polyparaxylene, and benzocyclobutene.
Non-Patent Document 1 discloses a technique that succeeds in reducing resistance as compared with a sintered body by using a cycloolefin polymer as a plastic material and binding inorganic solid electrolyte particles. Patent Document 3 compares a single particle film and a sintered body by binding an inorganic solid electrolyte using polyvinyl alcohol (PVA) as a plastic material, and laminating with a polyethylene oxide electrolyte. There is a disclosure of a technique that shows that is a lower resistance.

特開昭63−78405号公報JP-A-63-78405 米国特許出願公開第2015/0255767号明細書US Patent Application Publication No. 2015/0255767 米国特許出願公開第2015/0079485号明細書US Patent Application Publication No. 2015/0079485 特開2010−202499号公報JP 2010-202499 A

N.B.Aetukuri, Adv, Energy Mater DOI:10.1002/aenm.201500265N. B. Aetukuri, Adv, Energy Mater DOI: 10.1002 / aenm. 201500265

前記したように、結晶性酸化物系無機固体電解質の層を、加工性を維持しつつ、単粒子層として得て、安全性の高い酸化物系無機固体電解質を用いた全固体リチウムイオン電池を得る技術が望まれていた。全固体リチウムイオン電池は、従来のリチウムイオン電池と比較して、体積エネルギー密度が高いことが魅力である。   As described above, a crystalline oxide inorganic solid electrolyte layer is obtained as a single particle layer while maintaining workability, and an all solid lithium ion battery using a highly safe oxide inorganic solid electrolyte is obtained. The technology to obtain was desired. An all-solid-state lithium ion battery is attractive because it has a higher volumetric energy density than conventional lithium ion batteries.

しかしながら、特許文献1では、電気化学的情報は含まれておらず、具体的なイオン伝導度の算出に至っていない。
特許文献2と非特許文献1では、加工性向上又は膜のフレキシブル性について言及されている。しかしながら、特許文献2では、具体的なイオン伝導度について値を示したものではない。非特許文献1では、焼結体との厚みの差分程度の低抵抗化の効果は確かに示されている。しかしながら、非特許文献1のFigure S1およびFugure S2のように、単粒子膜に使用されているLATP粒子が45μm〜53μmであり、焼結体500μmと比較と比較をすると、単粒子膜の厚みは焼結体の厚みと比較して約1/10となっているが、交流インピーダンス測定結果の評価結果はIntra GrainとGrain Boundaryの総和で比較すると1/3程度にしか低抵抗化が実現していない。
However, Patent Document 1 does not include electrochemical information, and has not yet calculated specific ion conductivity.
In Patent Document 2 and Non-Patent Document 1, mention is made of workability improvement or film flexibility. However, Patent Document 2 does not indicate a specific ion conductivity value. Non-Patent Document 1 certainly shows the effect of reducing the resistance of the thickness difference from the sintered body. However, like FIG. S1 and FIG. S2 of Non-Patent Document 1, the LATP particles used in the single particle film are 45 μm to 53 μm, and when compared with the sintered body 500 μm, the thickness of the single particle film is Compared to the thickness of the sintered body, it is about 1/10. However, the evaluation result of the AC impedance measurement result shows that the resistance is reduced to about 1/3 compared with the sum of Intra Grain and Grain Boundary. Absent.

特許文献3も同様で、焼結体を粉砕した粒子を使用したもので、大幅な低抵抗化が実現しているわけではない。具体的には、TABLE1に示されているように、Comparative Example 1では市販品である厚さ260μmのLATP(オハラ社製)が評価されており交流インピーダンス評価において厚さ260μmのLATPが920Ωとされている。これに対して、Example 1では樹脂にPVAを使用した厚さ70μmの単粒子膜が480Ωと評価されている。単粒子膜はオハラ社製焼結体と比較して厚みが約1/4となったが、抵抗値は1/2にも到達していない。   The same applies to Patent Document 3, which uses particles obtained by pulverizing a sintered body, and does not realize a significant reduction in resistance. Specifically, as shown in TABLE 1, LAFT (made by OHARA) with a thickness of 260 μm, which is a commercial product, is evaluated in Comparative Example 1, and LATP with a thickness of 260 μm is set to 920Ω in the AC impedance evaluation. ing. On the other hand, in Example 1, a single particle film having a thickness of 70 μm using PVA as a resin is evaluated as 480Ω. The single particle film has a thickness of about ¼ compared with the sintered body manufactured by OHARA, but the resistance value does not reach even ½.

一般的に焼結体としてガーネット型酸化物は、ペロブスカイト型酸化物又はNASICON型酸化物より界面抵抗を低減し易いとの開示があるが、いずれの組成においても後述するアレニウスプロットから算出した活性化エネルギーは0.30eVを下回ることはなく、結果的に低温特性を向上させることに成功していない。
従来の結晶性酸化物系無機固体電解質の層の抵抗が高く、電池全体の出力を低下させることから、二次電池用途への展開は完遂されていない。
即ち、本発明は、低温において安定的に伝導可能なリチウムイオン伝導体の提供を目的とする。
In general, garnet-type oxide as a sintered body has been disclosed that it is easier to reduce the interface resistance than perovskite-type oxide or NASICON-type oxide, but activation calculated from the Arrhenius plot described later in any composition The energy never falls below 0.30 eV, and as a result, it has not succeeded in improving the low temperature characteristics.
Since the resistance of the conventional crystalline oxide inorganic solid electrolyte layer is high and the output of the entire battery is reduced, the development of secondary battery applications has not been completed.
That is, an object of the present invention is to provide a lithium ion conductor that can be stably conducted at a low temperature.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究し、実験を重ねた。その結果、特定の結晶性酸化物系無機固体電解質粒子が一層に配列した構造を有し、安全性が高く固体電解質層を薄くでき、これにより低温特性に優れたリチウムイオン伝導体が得られることを見出し、本発明を成すに至ったものである。
すなわち、本発明は以下のとおりのものである。
[1]
リチウムイオン伝導性を有する結晶性酸化物系無機固体電解質粒子が単一粒子状態で一層に配列した構造を有し、リチウムイオン伝導における活性化エネルギーが0.10eV以上0.30eV未満のリチウムイオン伝導膜。
[2]
前記結晶性酸化物系無機固体電解質粒子の結晶子サイズが60nm〜150nmである、[1]に記載のリチウムイオン伝導膜。
なお、リチウムイオン伝導性を有する結晶性酸化物系無機固体電解質粒子が単一粒子状態で一層に配列した構造を有し、かつ結晶性酸化物系無機固体電解質粒子の結晶子サイズが60nm〜150nmであるリチウムイオン伝導膜も本発明の一態様である。
The present inventors diligently researched and repeated experiments to solve the above problems. As a result, it has a structure in which specific crystalline oxide-based inorganic solid electrolyte particles are arranged in a single layer, and it is safe and can thin the solid electrolyte layer, thereby obtaining a lithium ion conductor having excellent low-temperature characteristics. And have led to the present invention.
That is, the present invention is as follows.
[1]
Lithium ion conduction having a structure in which crystalline oxide-based inorganic solid electrolyte particles having lithium ion conductivity are arranged in a single particle state and the activation energy in lithium ion conduction is 0.10 eV or more and less than 0.30 eV film.
[2]
The lithium ion conductive film according to [1], wherein the crystalline oxide inorganic solid electrolyte particle has a crystallite size of 60 nm to 150 nm.
The crystalline oxide inorganic solid electrolyte particles having lithium ion conductivity have a structure in which the crystalline oxide inorganic solid electrolyte particles are arranged in a single particle state, and the crystallite size of the crystalline oxide inorganic solid electrolyte particles is 60 nm to 150 nm. The lithium ion conductive film is also an embodiment of the present invention.

本発明によれば、加工性を維持しつつ、薄い層として得ることが出来、さらに低温において安定的に伝導可能なリチウムイオン伝導体を提供することが出来る。   According to the present invention, it is possible to provide a lithium ion conductor that can be obtained as a thin layer while maintaining workability, and can be stably conducted at a low temperature.

図1は、本実施形態に係るリチウムイオン伝導体の一例を概略的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a lithium ion conductor according to the present embodiment. 図2は、実施例1で作製された単粒子膜の走査型電子顕微鏡(SEM)観察像である。FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM) observation image of the single particle film produced in Example 1.

以下、本発明を実施するための形態(以下、単に「本実施形態」という。)について詳細に説明する。本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。尚、本明細書において「〜」を用いて記載される範囲は、その前後に記載される数値を含むものである。   Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. The present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made within the scope of the invention. In addition, the range described using "-" in this specification includes the numerical value described before and behind that.

図1は、本実施形態に係るリチウムイオン伝導体の一例を示す概略断面図である。
本実施形態に係るリチウムイオン伝導体は、特定の結晶性酸化物系無機固体電解質粒子が一層に配列した構造を有し、かつ、粒子同士を樹脂で結着させていることを特徴とし、低温特性に優れたイオン伝導体を実現することができる。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a lithium ion conductor according to the present embodiment.
The lithium ion conductor according to this embodiment has a structure in which specific crystalline oxide-based inorganic solid electrolyte particles are arranged in a single layer, and the particles are bound together by a resin, An ionic conductor having excellent characteristics can be realized.

[固体電解質層]
本実施形態に係る固体電解質層は、図1のように、結晶性酸化物系無機固体電解質粒子110が一層に配列した構造を有し、かつ、粒子110同士を樹脂100で結着させている単粒子膜120であるものとする。
なお、以下の説明では、「結晶性酸化物系無機固体電解質粒子」が一層にした構造を有し、かつ、粒子同士を樹脂で結着させた膜を「単粒子膜」と記す場合があり、また「結晶性酸化物系無機固体電解質粒子」を「固体電解質粒子」あるいは単に「粒子」等と記す場合もある。
[Solid electrolyte layer]
The solid electrolyte layer according to this embodiment has a structure in which crystalline oxide inorganic solid electrolyte particles 110 are arranged in a single layer as shown in FIG. The single particle film 120 is assumed.
In the following description, a film in which “crystalline oxide-based inorganic solid electrolyte particles” have a single layer structure and particles are bound with a resin may be referred to as a “single particle film”. In addition, “crystalline oxide-based inorganic solid electrolyte particles” may be referred to as “solid electrolyte particles” or simply “particles”.

固体電解質粒子は、リチウムイオン伝導性を有する結晶性酸化物系無機固体電解質であればいずれのものも用いることができる。例えばγ−LiPO型酸化物、逆蛍石型酸化物、NASICON型酸化物、ペロブスカイト型酸化物、ガーネット型酸化物等が用いられ、NASICON型酸化物であるLi1.3Al0.3Ti1.7(PO、ペロブスカイト型酸化物であるLa(2/3)−xLi3xTiO、及びガーネット型酸化物であるLiLaZr12が好ましく用いられる。イオン伝導性を高める目的、化学的な安定性を高める目的、及び加工性を高める目的で、上記基本結晶構造に対して置換、ドープにより元素を置換した結晶性酸化物系固体電解質粒子も用いることができる。より好ましくは、NASICON型酸化物Li1.3Al0.3Ti1.7(PO、及びガーネット型酸化物LiLaZr12が用いられ、最も好ましくはガーネット型酸化物の元素置換体Li6.25Al0.25LaZr12、LiLaZr2−xNb12(式中、0<X<0.95)、LiLaZr2−xTa12(式中、0<X<0.95)が用いられる。 As the solid electrolyte particles, any crystalline oxide inorganic solid electrolyte having lithium ion conductivity can be used. For example, γ-LiPO 4 type oxide, reverse fluorite type oxide, NASICON type oxide, perovskite type oxide, garnet type oxide and the like are used, and the NASICON type oxide Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 , La (2/3) -x Li 3x TiO 3 that is a perovskite oxide, and Li 7 La 3 Zr 2 O 12 that is a garnet oxide are preferably used. For the purpose of enhancing ion conductivity, enhancing chemical stability, and enhancing workability, crystalline oxide solid electrolyte particles in which the above basic crystal structure is substituted or element is substituted by doping are also used. Can do. More preferably, NASICON type oxide Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 and garnet type oxide Li 3 La 7 Zr 2 O 12 are used, most preferably garnet type oxide. Element substitution product of Li 6.25 Al 0.25 La 3 Zr 2 O 12 , Li 7 La 3 Zr 2-x Nb x O 12 (where 0 <X <0.95), Li 7 La 3 Zr 2 (wherein, 0 <X <0.95) -x Ta x O 12 is used.

さらに固体電解質粒子は、単粒子膜を形成した時に、後述する活性化エネルギーが0.10eV以上0.30eV未満である。さらに活性化エネルギーが0.10eV以上0.30eV未満であるためには、結晶子サイズが60nm〜150nmであることが好ましい。結晶子サイズが60nm〜150nmとなるためには、粒子合成プロセスでは溶融急冷法よりも固相混合法を採用する方が好ましい。溶融急冷法のように溶融状態から低温へ急冷することで、結晶核生成と核成長が頻発し、結晶子サイズの小さい多結体となることは好ましくない。
溶融急冷法では、粒子は、結晶子サイズの小さい結晶成分と過冷却液体からガラス転移を経たガラス成分とから成るため、密度の高いディスク状の焼結体を作製することができるため、これまで焼結体を作製する上では有用であった。しかしながら、単粒子膜では、粒子を焼結し高密度化するプロセスが最適であるとは限らず、それ故に固相混合法が好ましい。溶融急冷法であっても急冷をせずに徐冷することで結晶子サイズが大きくなることも可能であり、その場合は単粒子膜に適用可能である。具体的には、固相混合法が好ましいが、溶融法でも結晶子サイズが60nm〜150nmとなれば良い。
Furthermore, the solid electrolyte particles have an activation energy described later of 0.10 eV or more and less than 0.30 eV when a single particle film is formed. Further, in order that the activation energy is 0.10 eV or more and less than 0.30 eV, the crystallite size is preferably 60 nm to 150 nm. In order to achieve a crystallite size of 60 nm to 150 nm, it is preferable to employ a solid phase mixing method rather than a melt quenching method in the particle synthesis process. By quenching from the molten state to a low temperature as in the melt quenching method, it is not preferable that crystal nucleation and nucleation occur frequently, resulting in a multicrystal having a small crystallite size.
In the melt quench method, the particles are composed of a crystal component having a small crystallite size and a glass component that has undergone a glass transition from a supercooled liquid, so that a high-density disk-shaped sintered body can be produced. It was useful in producing a sintered body. However, for single particle films, the process of sintering and densifying the particles is not always optimal, and therefore the solid phase mixing method is preferred. Even in the melt quenching method, the crystallite size can be increased by slow cooling without quenching, and in that case, it can be applied to a single particle film. Specifically, the solid phase mixing method is preferable, but the crystallite size may be 60 nm to 150 nm even in the melting method.

単粒子膜に使用する無機固体電解質粒子の具体例として次に挙げるものであることが好ましい。
例えば、上記で説明されたペロブスカイト型酸化物La(2/3)−xLi3xTiOなどは、米国特許出願公開第2015/0255767号明細書(特許文献2)の段落[0051]に記載されているように、単結晶状態では高イオン伝導を示すが、実際には溶融急冷法や固相混合法においてμオーダーサイズの単結晶合成方法は見つかっておらず、見つかったとしても、低温での伝導度は担保されるものの、高温ではそれほど伝導度が向上せず、出力駆動における電池特性を悪化させ得るものである。したがって、本実施形態では、具体的には、結晶子サイズが60nm〜150nmであることが好ましい。結晶子サイズが60nm〜150nmとなるためには、粒子合成を固相混合法で行うことが好ましい。
Specific examples of the inorganic solid electrolyte particles used in the single particle film are preferably as follows.
For example, the perovskite oxide La (2/3) -x Li 3x TiO 3 described above is described in paragraph [0051] of US Patent Application Publication No. 2015/0255767 (Patent Document 2). As shown in the figure, it shows high ionic conduction in the single crystal state, but in reality, no micro-order size single crystal synthesis method has been found in the melt quenching method or the solid phase mixing method. Although conductivity is ensured, conductivity is not improved so much at high temperatures, and battery characteristics in output driving can be deteriorated. Therefore, specifically in this embodiment, it is preferable that a crystallite size is 60 nm-150 nm. In order to obtain a crystallite size of 60 nm to 150 nm, the particle synthesis is preferably performed by a solid phase mixing method.

また、上記で説明されたNASICON型酸化物Li1.3Al0.3Ti1.7(POなどについては、米国特許出願公開第2015/0255767号明細書(特許文献2)の段落[0053]における「・・・can have conductivities of 〜10−3Scm−1(翻訳文:・・・約10−3S/cmの伝導度を示す)」という記載は誤りであり、「N.B.Aetukuri, Adv, Energy Mater DOI:10.1002/aenm.201500265(非特許文献1)」の第(2of6)頁右欄第10行の「The net conductivity for this disc(〜0.1mScm−1)・・・」の記載のように、焼結により密度を上げても約0.1mS/cmであることは、非特許文献1から分かる。また、非特許文献1では、溶融急冷法を経て合成したLATPを単粒子膜に適用している。上述したように、薄膜化効果以外の効果はインピーダンス結果には現れなかった。したがって、粒子内部での伝導性を挙げるためには結晶子サイズが60nm〜150nmであることが好ましい。結晶子サイズが60nm〜150nmとなるためには、粒子合成を固相混合法で行うことが好ましい。 In addition, the NASICON type oxide Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 described above is described in paragraphs of US Patent Application Publication No. 2015/0255567 (Patent Document 2). In [0053], the description “... can have conductivities of to 10 −3 Scm −1 (translation:... Shows conductivity of about 10 −3 S / cm)” is an error, and “N. B. Aetukuri, Adv, Energy Mater DOI: 10.1002 / aenm.201500265 (Non-patent Document 1), page (2of6), right column, line 10, "The net conductance for this disc" (-0.1 mScm- 1 ) ... ", about 0.1 mS even if the density is increased by sintering. It is cm can be seen from the non-patent document 1. In Non-Patent Document 1, LATP synthesized through a melt quenching method is applied to a single particle film. As described above, effects other than the thinning effect did not appear in the impedance result. Therefore, the crystallite size is preferably 60 nm to 150 nm in order to increase the conductivity inside the particles. In order to obtain a crystallite size of 60 nm to 150 nm, the particle synthesis is preferably performed by a solid phase mixing method.

さらに、ガーネット型酸化物LiLaZr12、又はガーネット型酸化物の元素置換体Li6.25Al0.25LaZr12、LiLaZr2−xNb12(式中、0<X<0.95)、LiLaZr2−xTa12(式中、0<X<0.95)などでも、上記で説明されたペロブスカイト型酸化物及びNASICON型酸化物と同様、結晶子サイズが60nm〜150nmとなるためには、同様に粒子合成を固相混合法で行うことが好ましい。 Furthermore, garnet-type oxide Li 3 La 7 Zr 2 O 12 , or elemental substitution of garnet-type oxide Li 6.25 Al 0.25 La 3 Zr 2 O 12 , Li 7 La 3 Zr 2 -x Nb x O 12 (where 0 <X <0.95), Li 7 La 3 Zr 2−x Ta x O 12 (where 0 <X <0.95), etc., the perovskite oxide described above Similarly to the NASICON type oxide, in order to obtain a crystallite size of 60 nm to 150 nm, it is preferable to similarly perform particle synthesis by a solid phase mixing method.

結晶性酸化物系無機固体電解質粒子の形状としては球形、不定形のいずれも用いることができる。結晶性酸化物系無機固体電解質粒子は、高いイオン伝導性を確保するために高い密度が好ましく、各結晶性酸化物系無機固体電解質の相対密度が80%〜100%のものが用いられる。好ましくは相対密度90%〜100%のものが用いられ、最も好ましくは相対密度95%〜100%のものが用いられる。ここで相対密度とは、液体置換法、ガス置換法等の一般的な測定法で求めた試料の「真密度」を実測密度として、XRD測定法等から求めた格子定数値から得られた理論密度から、下記式:
相対密度(%)=(試料実測密度/理論密度)×100
により求められる値をいう。相対密度を80%以上とすることで、結晶粒子中の粒界に由来する抵抗又はボイドに由来する抵抗が低減して、粒子自身のリチウムイオン伝導性が向上する。相対密度を100%以下とすることで、粒子の粒界又はボイドを低減させるための高い温度での加熱、高い圧力での圧縮などの煩雑な操作の負荷を減らすことができる。
As the shape of the crystalline oxide-based inorganic solid electrolyte particle, either a spherical shape or an amorphous shape can be used. The crystalline oxide inorganic solid electrolyte particles preferably have a high density in order to ensure high ion conductivity, and those having a relative density of 80% to 100% of each crystalline oxide inorganic solid electrolyte are used. Those having a relative density of 90% to 100% are preferably used, and those having a relative density of 95% to 100% are most preferably used. Here, the relative density is a theory obtained from a lattice constant value obtained from an XRD measurement method or the like, with the “true density” of the sample obtained by a general measurement method such as a liquid substitution method or a gas substitution method as an actual measurement density. From density, the following formula:
Relative density (%) = (actual sample density / theoretical density) × 100
The value obtained by. By setting the relative density to 80% or more, the resistance derived from the grain boundary in the crystal grain or the resistance derived from the void is reduced, and the lithium ion conductivity of the grain itself is improved. By setting the relative density to 100% or less, it is possible to reduce the burden of complicated operations such as heating at a high temperature for reducing grain boundaries or voids of particles and compression at a high pressure.

本明細書では、粒子が一層に配列した構造とは、その単一の粒子が層の厚み方向に1つ、層内方向に多数が配列した構造を意味するが、粒子が割れて複数の粒子となって存在したり、比較的扁平な粒子が重なったりする等、層の厚み方向の粒子が1つでない場合も、層内方向の全粒子数に対して最大で15%以下存在してもよく、5%以下存在することが好ましい。   In the present specification, the structure in which particles are arranged in a single layer means a structure in which a single particle is arranged in the thickness direction of the layer and a large number in the inner layer direction. Even if there is not one particle in the thickness direction of the layer, such as relatively flat particles overlapping, or even if there is a maximum of 15% or less with respect to the total number of particles in the in-layer direction It is preferably 5% or less.

イオン伝導体は粒子が一層に配列した構造であればよく、粒子同士は固着していても独立した状態で存在していても用いることもできる。複数の粒子が互いに独立した状態で存在した場合の粒子間の空間には何もない状態で用いることができるが、必要に応じてデンドライト生成に伴う電池短絡を防ぐために、非晶性の絶縁物、例えば絶縁性の樹脂等で満たして用いることが好ましい。複数の粒子同士が固着した状態としては、シート状として用いることができる。シート状とは、例えば、長さおよび幅に比較して極めて薄い平面状のことをいう。通常、厚さ0.2mm以上のものをシート状、それ未満をフィルム状というが、本明細書では両方を含めてシート状とする。粒子同士の固着には、非晶質の樹脂、無機化合物などを用いることができる。   The ion conductor only needs to have a structure in which particles are arranged in a single layer, and the particles can be used even if they are fixed or exist in an independent state. When multiple particles exist independently of each other, they can be used without any space between the particles, but if necessary, in order to prevent battery short circuit due to dendrite formation, an amorphous insulator For example, it is preferable to fill and use an insulating resin or the like. As a state in which a plurality of particles are fixed, it can be used as a sheet. The sheet shape means, for example, an extremely thin planar shape as compared with the length and width. In general, a sheet having a thickness of 0.2 mm or more is referred to as a sheet, and a film having a thickness of less than 0.2 mm is referred to as a film. An amorphous resin, an inorganic compound, or the like can be used for fixing the particles.

粒子を一層に配列させる方法としては、例えば、粘着層の上に粒子を載せ、粘着層に固定されていない粒子を除去することにより、粒子が一層に配列した構造とすることができる。粘着層としては、粘着テープ、基板の上に除去が容易なグリース等を塗布したものも用いられる。粘着層に固定されていない粒子の除去方法としては、粒子の載った粘着層ごと反転させることにより、固定されていない粒子を落下させて除去する方法、気体の噴射等により、粘着層に固定されていない粒子を吹き飛ばして除去する方法などを用いることができる。一層に配列させた粒子層の固定化方法としては、例えば、樹脂を用いてホットメルトで固定化する方法、溶媒に溶解させた樹脂を粒子層に塗布するキャストによる方法等を用いることができる。   As a method for arranging the particles in a single layer, for example, a structure in which the particles are arranged in a single layer can be obtained by placing the particles on the adhesive layer and removing the particles not fixed to the adhesive layer. As the adhesive layer, an adhesive tape or a substrate coated with easily removable grease or the like is also used. As a method for removing particles that are not fixed to the adhesive layer, the entire adhesive layer on which particles are placed is reversed, the particles that are not fixed are dropped and removed. For example, a method of removing particles by blowing them off can be used. As a method for fixing the particle layer arranged in one layer, for example, a method of fixing by hot melt using a resin, a method of casting by applying a resin dissolved in a solvent to the particle layer, or the like can be used.

例えば、溶媒に溶解させた樹脂を粒子層に塗布するキャストによる方法を用いる場合は、特定の粘着テープを使用する必要がある。特定の粘着テープには、樹脂を粘着テープから剥離可能であることが求められる。例えば、光又は熱に伴って粘着層が重合・固化することで粘着力が低下する日東電工製の粘着剤ELP UB 2130E若しくはELP DU300、特定の有機溶媒に粘着層が可溶な日東電工製PW(Pross Well)/TRMシリーズ若しくはLi塩を含んだポリエチレンオキシド、水若しくはエタノールに可溶な3M製のWater soluble wave solder tape5414といったものを用いてもよい。少なくとも、単粒子膜に応力を加えながら、剥離用溶剤を適用していない米国特許出願公開第2015/0079485号明細書(特許文献3)では、粒子の脱落等の欠陥が散見されることが推測され、FIG.20のようにリチウム空気電池評価において繰り返し充放電測定を行うたびに性能が低下する結果に至ったと推測できる。   For example, when using a casting method in which a resin dissolved in a solvent is applied to the particle layer, it is necessary to use a specific adhesive tape. The specific adhesive tape is required to be able to peel the resin from the adhesive tape. For example, the adhesive ELP UB 2130E or ELP DU300 manufactured by Nitto Denko, whose adhesive strength decreases due to polymerization or solidification of the adhesive layer with light or heat, or PW manufactured by Nitto Denko, whose adhesive layer is soluble in a specific organic solvent (Pross Well) / TRM series or polyethylene oxide containing Li salt, 3M Water soluble wave solder type 5414 soluble in water or ethanol may be used. At least, in US Patent Application Publication No. 2015/0079485 (Patent Document 3) in which a peeling solvent is not applied while stress is applied to a single particle film, it is speculated that defects such as dropout of particles are occasionally observed. FIG. It can be presumed that the result of the performance degradation is shown each time the charge / discharge measurement is repeatedly performed in the lithium air battery evaluation as in FIG.

本実施形態では、一層に配列させた粒子層を、樹脂を用いて固定化することで、固体電解質層は可撓性を有するシート状となり、電池の変形にも追従することができる。
なお、一層に配列させた粒子層を、樹脂を用いて固定化する場合、固体電解質層のリチウムイオン伝導性を確保するために、シートの両側に粒子が露出している必要がある。粒子が樹脂で被覆されている場合、エッチング法等を用いて粒子を露出させることができる。
In this embodiment, the particle layer arranged in one layer is fixed using a resin, so that the solid electrolyte layer becomes a flexible sheet and can follow the deformation of the battery.
In addition, when fixing the particle layer arranged in one layer using resin, in order to ensure the lithium ion conductivity of a solid electrolyte layer, it is necessary to expose the particle | grains on both sides of a sheet | seat. When the particles are coated with a resin, the particles can be exposed using an etching method or the like.

結晶性酸化物系無機固体電解質粒子のサイズについては、平均粒子径5μm〜100μmの粒子が用いられ、好ましくは平均粒子径10μm〜80μmが用いられ、20μm〜50μmの粒子が最も好ましく用いられる。平均粒子径を5μm以上とすることで、固体電解質層の物理的強度が高まり、加工時の短絡を防ぐことができる。平均粒子径を100μm以下とすることで、正極および負極間の十分なリチウムイオン伝導性が得られるようになる。   Regarding the size of the crystalline oxide-based inorganic solid electrolyte particles, particles having an average particle size of 5 μm to 100 μm are used, preferably an average particle size of 10 μm to 80 μm is used, and particles of 20 μm to 50 μm are most preferably used. By setting the average particle diameter to 5 μm or more, the physical strength of the solid electrolyte layer is increased, and a short circuit during processing can be prevented. By setting the average particle diameter to 100 μm or less, sufficient lithium ion conductivity between the positive electrode and the negative electrode can be obtained.

所定のサイズの結晶性酸化物系固体電解質粒子を得るためには、固相混合法を用いて粒子サイズを制御しながら粒子を合成して得てもよいし、焼結体を作製して溶融状態から室温まで落とす溶融急冷法で粒子を得てもよい。何れの場合であっても、得た粒子を篩によって分級することで、より狭い領域の粒子を使用することが出来る。具体的な分級作業は、水分付着に配慮しながら行われる必要がある。例えば、水分付着を避けるために、水の沸点以上で加熱し、温かい状態で分級作業を行ってもよいし、ドライルームなどの低露点環境下又はアルゴンボックスなどの大気非暴露環境下で分級作業を行ってもよい。また、迅速な分級作業のために、電気あんま又は振動機を用いて篩に振動を加えながら分級作業を実施してもよい。   In order to obtain crystalline oxide solid electrolyte particles of a predetermined size, the particles may be obtained by synthesizing particles while controlling the particle size using a solid phase mixing method, or a sintered body is produced and melted. Particles may be obtained by a melt quenching method that drops from the state to room temperature. In any case, particles in a narrower region can be used by classifying the obtained particles with a sieve. The specific classification work needs to be performed in consideration of moisture adhesion. For example, in order to avoid moisture adhesion, heating may be performed above the boiling point of water and classification work may be performed in a warm state, or classification work in a low dew point environment such as a dry room or in an environment not exposed to air such as an argon box. May be performed. In addition, for quick classification work, classification work may be performed while applying vibration to the sieve using an electric bran or a vibrator.

固体電解質層の固体電解質単粒子による面内被覆率は、単位単粒子層面積の内、粒子で占める面積の比率で表される。被覆率は50%〜98%の範囲で用いられ、好ましくは60%〜90%の範囲で用いられる。被覆率を50%以上とすることで、単位単粒子層面積当たりのリチウムイオン伝導性を十分高めることができ、被覆率を98%以下とすることで、膜に柔軟性を与え、かつ脆化による膜の破損を防ぐことができる。   The in-plane coverage by the solid electrolyte single particles of the solid electrolyte layer is represented by the ratio of the area occupied by the particles in the unit single particle layer area. The coverage is used in the range of 50% to 98%, preferably in the range of 60% to 90%. By setting the coverage to 50% or more, lithium ion conductivity per unit single particle layer area can be sufficiently increased, and by setting the coverage to 98% or less, the film is flexible and embrittled. Can prevent damage to the membrane.

本実施形態では、リチウムイオン伝導性を有する単粒子膜のリチウムイオン伝導に関する活性化エネルギーは、0.10eV以上0.30eV未満であり、好ましくは0.15eV以上0.25eV以下である。活性化エネルギーを0.10eV以上とすることで、25℃の環境下におけるリチウムイオン伝導を著しく低下させることがなく、一方で活性化エネルギーを0.30eV未満とすることで、低温でのリチウムイオン伝導を著しく低下させることがない。ここで、活性化エネルギーとは、アレニウスの式により求められるエネルギーをいう。また、アレニウスの式は、各測定温度におけるリチウムイオン伝導度の値により得られる。活性化エネルギーの算出方法及び条件は、実施例において詳細に説明される。   In this embodiment, the activation energy related to lithium ion conduction of the single particle film having lithium ion conductivity is 0.10 eV or more and less than 0.30 eV, preferably 0.15 eV or more and 0.25 eV or less. By setting the activation energy to 0.10 eV or more, lithium ion conduction in a 25 ° C. environment is not significantly reduced, while by setting the activation energy to less than 0.30 eV, lithium ions at a low temperature can be obtained. It does not significantly reduce conduction. Here, the activation energy means energy obtained by the Arrhenius equation. The Arrhenius equation is obtained from the value of lithium ion conductivity at each measurement temperature. The calculation method and conditions of activation energy will be described in detail in Examples.

単粒子膜を構成する固体電解質粒子の結晶子サイズは60nm以上150nm以下であることが好ましい。結晶子サイズが60nm以上であれば、25℃環境下におけるリチウムイオン伝導を向上させることが出来る。また、結晶子サイズが150nm以下であれば、低温でもリチウムイオン伝導を著しく低下させることがない。ここで、結晶子サイズとは、広角X線回折測定におけるメインピーク(LATPの場合は(113)面)の半値幅からシェラーの式を用いて算出したものと定義する。   The crystallite size of the solid electrolyte particles constituting the single particle film is preferably 60 nm or more and 150 nm or less. When the crystallite size is 60 nm or more, lithium ion conduction in a 25 ° C. environment can be improved. In addition, when the crystallite size is 150 nm or less, lithium ion conduction is not significantly reduced even at low temperatures. Here, the crystallite size is defined as a value calculated using the Scherrer equation from the half-value width of the main peak ((113) plane in the case of LATP) in wide-angle X-ray diffraction measurement.

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。   As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, this invention is not limited to the said embodiment. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.

以下、本発明の効果を確認するために行った実施例および比較例について説明する。   Examples and comparative examples performed for confirming the effects of the present invention will be described below.

[実施例1]
<単粒子膜の成膜>
結晶性酸化物系無機粒子として、平均粒子径38μm〜45μmの豊島製作所製NASICON型酸化物である結晶子サイズが87nmのLi1.3Al0.3Ti1.7(PO(LATP)を用いた。平均粒子径38μm〜45μmの粒子を得るために、110℃に加熱した粒子をオーブンから取り出し、直後から10分の間に分級を実施した。静電除去しながら38μmの目開きの篩の上面に45μmの目開きの篩(飯田製作所製)を重ね、45μmの目開きの篩の上面に110℃に加熱した直後の粒子を0.2gずつ展開し、電気あんまで振動を加える作業を行った。パイレックス(登録商標)ガラス平滑基板上に、アセトニトリルに可溶な粘着テープ(日東電工製 PW−3610W)を粘着面が上になるように(つまり、粘着テープの粘着面が、ガラス平滑基板と接しない方向を向くように)、4cm×4cmの広さで張り付けた。38μmの目開きの篩の上面に残った38μm〜45μmのLATP粒子を粘着テープの粘着面上に載せ、パイレックス(登録商標)ガラス基板ごと反転させることで、粘着テープに固定化されていない余剰粒子を除去した。さらにLATP粒子を粘着テープに載せ、反転させることで余剰粒子を除去する操作を数回繰り返し、単粒子が配列した状態とし、パイレックス(登録商標)ガラスごとアクリル平滑版の上へ設置した。
[Example 1]
<Deposition of single particle film>
As the crystalline oxide-based inorganic particles, Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 (LATP) having a crystallite size of 87 nm, which is a NASICON type oxide manufactured by Toshima Seisakusho with an average particle size of 38 μm to 45 μm. ) Was used. In order to obtain particles having an average particle size of 38 μm to 45 μm, particles heated to 110 ° C. were taken out of the oven and classified immediately after 10 minutes. While removing static electricity, a sieve of 45 μm openings (made by Iida Seisakusho) is layered on the top of a sieve of 38 μm openings, and 0.2 g of particles just after heating to 110 ° C. on the top of a sieve of 45 μm openings. Expanded and worked to add vibrations to the electric noise. On a Pyrex (registered trademark) glass smooth substrate, put an adhesive tape soluble in acetonitrile (PW-3610W made by Nitto Denko) so that the adhesive surface is on top (that is, the adhesive surface of the adhesive tape is in contact with the glass smooth substrate). It was pasted with an area of 4 cm × 4 cm. The surplus particles that are not fixed to the adhesive tape by placing the 38 μm to 45 μm LATP particles remaining on the upper surface of the 38 μm mesh sieve on the adhesive surface of the adhesive tape and inverting the entire Pyrex (registered trademark) glass substrate Was removed. Further, the operation of removing the excess particles by placing the LATP particles on the adhesive tape and inverting it was repeated several times, so that the single particles were arranged, and the Pyrex (registered trademark) glass was placed on the acrylic smooth plate.

ポリシクロオレフィンポリマー(日本ゼオン製、Zeonor1060R)をデカリンに溶解し、8wt%のシクロオレフィンポリマー(COP)溶液を調製した。次いでCOP溶液を、単粒子が配列した面に、表面が覆う量で滴下し、ベーカー式アプリケータSA201(テスター産業製)を用いて、311μmのクリアランス、2cm/sec.の速度でポリマー溶液のコートを実施した。コート終了後、アズワン製ホットスターラーを用いて粘着テープごと90℃で20分加熱した。上記で説明されたコートおよび加熱操作を3回繰り返し、ホットスターラーで130℃で3時間加熱し、単粒子膜と粘着テープが一体化した膜を得た。次いで、単粒子膜と粘着テープが一体化した膜を、100mlのアセトニトリルが入ったビーカーへ入れ、十分に浸した。常温にて粘着テープを溶解させたところ、単粒子膜が分離した。得られた単粒子膜を80℃及び減圧条件下、一晩乾燥させ、片面が粒子の露出した単粒子膜とした。   A polycycloolefin polymer (Zeonor 1060R manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) was dissolved in decalin to prepare an 8 wt% cycloolefin polymer (COP) solution. Next, the COP solution was dropped onto the surface on which the single particles were arranged in such an amount that the surface covered, and using a Baker type applicator SA201 (manufactured by Tester Sangyo), a clearance of 311 μm, 2 cm / sec. The polymer solution was coated at a rate of After completion of the coating, the whole adhesive tape was heated at 90 ° C. for 20 minutes using an Aswan hot stirrer. The coating and heating operation described above were repeated three times, and heated with a hot stirrer at 130 ° C. for 3 hours to obtain a film in which the single particle film and the adhesive tape were integrated. Next, the membrane in which the single particle membrane and the adhesive tape were integrated was put into a beaker containing 100 ml of acetonitrile and sufficiently immersed. When the adhesive tape was dissolved at room temperature, the single particle film was separated. The obtained single particle film was dried overnight at 80 ° C. and under reduced pressure to obtain a single particle film with one side exposed.

<単粒子膜の表面露出操作>
得られた片面が粒子の露出した単粒子膜を、(株)モリエンジニアリングMPC−600装置のチャンバー内に、固体電解質粒子表面が露出していない面を上側として入れ、基板温度35℃、酸素ガス流量200SCCM、及びRF出力200Wの条件下でプラズマ処理を60分間行った。処理後の膜をチャンバーから取り出し、両面の表面に固体電解質粒子が露出した単粒子の配列した膜とした。
<Surface exposure operation of single particle film>
The obtained single particle film with one side exposed particle is placed in the chamber of Mori Engineering MPC-600 apparatus with the surface where the solid electrolyte particle surface is not exposed as the upper side, substrate temperature 35 ° C., oxygen gas Plasma treatment was performed for 60 minutes under conditions of a flow rate of 200 SCCM and an RF output of 200 W. The membrane after the treatment was taken out from the chamber, and a single-particle array in which solid electrolyte particles were exposed on both surfaces was obtained.

<単粒子膜の被覆率測定>
得られた膜の走査型電子顕微鏡(SEM)観察は、VE−9800(KEYENCE社製)を用い、加速電圧1.2KV、スポット径6(装置の設定値)、及び真空度3Paの条件下で、二次電子検出器を使用して行った。
導電性両面テープを用いて試料を試料台に固定し、非蒸着の条件下、200倍の倍率にてエッチングを行っていない面を観察した。装置付属のソフトウェアで、粒子が占める面積を算出し、非エッチング面の全体の面積で割ることで、単粒子膜の粒子の占める割合を算出し、粒子の被覆率とした。視野を変えて同様の計算を3回繰り返し、割合の平均を算出したところ、79.1%の被覆率となった。実施例1で作製された単粒子膜の非エッチング面のSEM観察像の一例を図2に示す。
<Measurement of coverage of single particle film>
Scanning electron microscope (SEM) observation of the obtained film was performed using VE-9800 (manufactured by KEYENCE) under the conditions of an acceleration voltage of 1.2 KV, a spot diameter of 6 (set value of the apparatus), and a degree of vacuum of 3 Pa. A secondary electron detector was used.
The sample was fixed to the sample stage using a conductive double-sided tape, and the surface that was not etched was observed under non-deposition conditions at a magnification of 200 times. The area occupied by the particles was calculated by the software attached to the apparatus, and the ratio of the particles in the single particle film was calculated by dividing the area by the total area of the non-etched surface, and was defined as the particle coverage. The same calculation was repeated three times while changing the field of view, and the average ratio was calculated. As a result, the coverage was 79.1%. An example of the SEM observation image of the non-etched surface of the single particle film produced in Example 1 is shown in FIG.

<結晶子サイズの算出>
試料を直径25mmの標準ガラスホルダに詰め、広角X線回折法で測定を行った。以下に測定装置および条件を示す。
X線回折装置:BrukerAXS社製、D8ADVANCE (封入管型)
X線源:Cukα線(Niフィルター使用)
出力: 40kV, 40mA、
スリット系: Div. Slit; 0. 3°
検出器: LynxEye(高速検出器)の装備で、スキャン方式を2θ/θ連続スキャンとした。
測定範囲(2θ):5〜100°
ステップ幅(2θ):0.01712°
計数時間:1秒間/ステップ
結晶性酸化物の結晶子サイズは、広角X線回折法で得られる粒子のメインピークの半値幅に対して、以下に示すシェラーの式を用いて算出することができる。
結晶子サイズ(nm)=Kλ/βcosθ
β=(b2−B2)1/2
K=0.9
λ=0.15406(nm)
b:回折ピークの半値幅
B:半値幅の補正値(0.07°)
また、積分強度は次のように求めることができる。測定後のX線回折プ口ファイルに対して、スムージング処理と、バックグラウンド除去処理を続けて行う。得られたプロファイルに対して、pseudo−Voigt関数を適用してピーク分離を行い、Kα1のピーク面積を積分強度とした。
<Calculation of crystallite size>
The sample was packed in a standard glass holder with a diameter of 25 mm and measured by wide angle X-ray diffraction. The measuring equipment and conditions are shown below.
X-ray diffractometer: Bruker AXS, D8ADVANCE (enclosed tube type)
X-ray source: Cukα ray (using Ni filter)
Output: 40kV, 40mA,
Slit system: Div. Slit; 3 °
Detector: Equipped with LynxEye (high-speed detector), the scanning method was 2θ / θ continuous scanning.
Measurement range (2θ): 5 to 100 °
Step width (2θ): 0.01712 °
Counting time: 1 second / step The crystallite size of the crystalline oxide can be calculated using the Scherrer equation shown below with respect to the full width at half maximum of the main peak of the particles obtained by the wide-angle X-ray diffraction method. .
Crystallite size (nm) = Kλ / βcosθ
β = (b2-B2) 1/2
K = 0.9
λ = 0.15406 (nm)
b: Half width of diffraction peak B: Correction value of half width (0.07 °)
Further, the integral intensity can be obtained as follows. The smoothing process and the background removal process are continuously performed on the X-ray diffraction profile file after the measurement. The pseudo-Voigt function was applied to the obtained profile to perform peak separation, and the Kα1 peak area was defined as the integrated intensity.

<イオン伝導度の測定>
(1)電極作製
マグネトロンスパッタ装置(真空デバイス製)にAuターゲット円盤(真空デバイス製、0.1t×Φ51mm)を設置し、真空度6Paの環境下、放電電流15mAで6分間、単粒子膜の両面5mm径に金電極をコートした。
<Measurement of ionic conductivity>
(1) Electrode preparation An Au target disk (manufactured by vacuum device, 0.1t × Φ51mm) was installed in a magnetron sputtering apparatus (manufactured by vacuum device), and a single particle film was formed at a discharge current of 15mA for 6 minutes in an environment with a vacuum degree of 6Pa. Gold electrodes were coated on both sides with a diameter of 5 mm.

(2)交流インピーダンス測定
交流インピーダンス測定装置65120P(Wayne Kerr Electronics製)を用い、恒温槽(ESPEC製)で専用の簡易耐熱サンプルホルダSH−T−SP1(東洋テクニカ製)を使用して交流インピーダンス測定を実施した。測定前に装置の機能として付帯されているキャリブレーション機能でSHORT,OPEN、100R、100PFおよび10PFのHF校正キット(SMDタイプ)を使用して、測定前校正を実施した。配線には1m長のBNCケーブルを使用し、ターミネータキットでサンプルホルダと接続した。交流インピーダンスの測定条件としては、測定周波数範囲を100Hz〜120MHzとし、測定温度範囲を−20℃〜80℃で測定した。AC振幅電圧を100mVに設定し、周波数一桁当たりの測定数を10とした。
(2) AC impedance measurement AC impedance measurement using an AC impedance measuring device 65120P (Wayne Kerr Electronics) and a dedicated simple heat-resistant sample holder SH-T-SP1 (Toyo Technica) in a thermostatic chamber (ESPEC) Carried out. Prior to measurement, calibration was performed using a SHORT, OPEN, 100R, 100PF, and 10PF HF calibration kit (SMD type) with a calibration function attached as a function of the apparatus. For wiring, a 1 m long BNC cable was used and connected to the sample holder with a terminator kit. As AC impedance measurement conditions, the measurement frequency range was 100 Hz to 120 MHz, and the measurement temperature range was -20 ° C to 80 ° C. The AC amplitude voltage was set to 100 mV, and the number of measurements per digit of frequency was 10.

(3)活性化エネルギーの算出
単粒子膜のイオン伝導度を算出するための抵抗値は、インピーダンス測定で得られるナイキスト線図を用いて読み取った。周波数10kHz以上の測定領域において、容量成分が示される円弧(容量性半円)と実軸との交点を抵抗値とし、イオン伝導度を算出した。容量性半円が実軸と交差しない場合は、ソフトウェアZviewを用いて、等価回路からナイキスト線図上の容量性半円の大きさを計算した。得られた抵抗値(Ω)から伝導度σ(mS/cm)を算出した。算出に使用する膜の厚みは、単一粒子膜の場合、分級された範囲の中間値を使用した。38μmと45μmの目開きの篩を使用し38μm〜45μmの粒子を使用した場合は、領域の中間値である41.5μmを膜の厚みとした。アレニウスの式:σ=Aexp(−Ea/kT)(式中、σ:イオン伝導度、A:頻度因子、k:ボルツマン定数、T:絶対温度)を用い、アレニウスプットの傾きにより求めたところ、単粒子膜の活性化エネルギーEaが0.22eVであることを確認した。算出にはアレニウスの式を使用したもので、修正アレニウスの式などで補正作業は行わなかった。
(3) Calculation of activation energy The resistance value for calculating the ionic conductivity of the single particle film was read using a Nyquist diagram obtained by impedance measurement. In the measurement region having a frequency of 10 kHz or more, the ion conductivity was calculated using the intersection between the arc (capacitive semicircle) indicating the capacitive component and the real axis as a resistance value. When the capacitive semicircle did not intersect the real axis, the size of the capacitive semicircle on the Nyquist diagram was calculated from the equivalent circuit using the software Zview. The conductivity σ (mS / cm) was calculated from the obtained resistance value (Ω). As the thickness of the film used for the calculation, an intermediate value in the classified range was used in the case of a single particle film. When 38 μm and 45 μm sieves were used and particles having a particle size of 38 μm to 45 μm were used, the film thickness was set to 41.5 μm, which is an intermediate value of the region. Using the Arrhenius equation: σ = Aexp (−Ea / kT) (where σ: ion conductivity, A: frequency factor, k: Boltzmann constant, T: absolute temperature) It was confirmed that the activation energy Ea of the single particle film was 0.22 eV. The calculation was performed using the Arrhenius equation, and no correction was made using the modified Arrhenius equation.

(4)評価結果
ここで、25℃環境下におけるイオン伝導が0.5mS/cm以上で、かつ−10℃環境下におけるイオン伝導が0.2mS/cm以上である試料を「高イオン伝導体」と定義する。
実施例1で作製された単粒子膜の25℃におけるイオン伝導度は、0.81mS/cmであった。また、−10℃におけるイオン伝導度は、0.29mS/cmであり、したがって、実施例1で作製された単粒子膜は高イオン伝導体であると評価された。
(4) Evaluation Results Here, a sample having an ionic conduction in a 25 ° C. environment of 0.5 mS / cm or more and an ionic conduction in a −10 ° C. environment of 0.2 mS / cm or more is referred to as a “high ionic conductor”. It is defined as
The ionic conductivity of the single particle film produced in Example 1 at 25 ° C. was 0.81 mS / cm. Moreover, the ionic conductivity in -10 degreeC is 0.29 mS / cm, Therefore, the single particle film produced in Example 1 was evaluated as a high ionic conductor.

[実施例2]
結晶性酸化物系無機粒子として、豊島製作所製NASICON型酸化物である結晶子サイズ87nmのLi1.3Al0.3Ti1.7(PO(LATP)を用いた。予め53μm〜75μmの目開きでふるい分けにより分級したLATP粒子を使用し、実施例1と同様の操作を行い、活性化エネルギー0.25eVの単粒子膜を作製した。単粒子膜の25℃におけるイオン伝導度は、1.1mS/cmであった。また、−10℃におけるイオン伝導度は、0.31mS/cmであり、したがって、実施例2で作製された単粒子膜は高イオン伝導体であると評価された。
[Example 2]
As the crystalline oxide-based inorganic particles, Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 (LATP) having a crystallite size of 87 nm, which is a NASICON type oxide manufactured by Toshima Seisakusho, was used. Using LATP particles classified in advance by sieving with an opening of 53 μm to 75 μm, the same operation as in Example 1 was performed to produce a single particle film with an activation energy of 0.25 eV. The ionic conductivity of the single particle film at 25 ° C. was 1.1 mS / cm. Further, the ionic conductivity at −10 ° C. was 0.31 mS / cm. Therefore, the single particle film produced in Example 2 was evaluated as a high ionic conductor.

[比較例1]
結晶性酸化物系無機粒子として東邦チタニウム製ペロブスカイト型酸化物であるLa(2/3)−xLi3xTiO(LLTO)の焼結体を粉砕した粒子を用いた。予め38μm〜45μmの目開きでふるい分けにより分級したLLTO粒子を使用し、実施例1と同様の操作を行い、活性化エネルギー0.31eVの単粒子膜を作製した。用いた粒子の結晶子サイズは46nmであった。単粒子膜の25℃におけるイオン伝導度は、0.07mS/cmあった。また、−10℃におけるイオン伝導度は、0.01mS/cmであり、したがって、比較例1で作製された単粒子膜は高イオン伝導体であると評価されなかった。
[Comparative Example 1]
As crystalline oxide-based inorganic particles, particles obtained by pulverizing a sintered body of La (2/3) -x Li 3x TiO 3 (LLTO), which is a perovskite oxide made by Toho Titanium, were used. Using LLTO particles classified in advance by sieving with an opening of 38 μm to 45 μm, the same operation as in Example 1 was performed to produce a single particle film with an activation energy of 0.31 eV. The crystallite size of the particles used was 46 nm. The ionic conductivity of the single particle film at 25 ° C. was 0.07 mS / cm. Moreover, the ionic conductivity in -10 degreeC is 0.01 mS / cm, Therefore, the single particle film produced in the comparative example 1 was not evaluated as a high ionic conductor.

[比較例2]
結晶性酸化物系無機粒子として活性化エネルギー0.30eVの東邦チタニウム製ペロブスカイト型酸化物であるLa(2/3)−xLi3xTiO(LLTO)の焼結体(厚み540μm)を使用した。焼結体の結晶子サイズは46nmであった。焼結体の25℃におけるイオン伝導度は、0.80mS/cmであったが、−10℃におけるイオン伝導度は、0.16mS/cmであり、比較例2で得られた焼結体は高イオン伝導性体とはならなかった。
[Comparative Example 2]
As a crystalline oxide-based inorganic particle, a sintered body (thickness 540 μm) of La (2/3) -x Li 3x TiO 3 (LLTO), which is a perovskite oxide made by Toho Titanium with an activation energy of 0.30 eV, was used. . The crystallite size of the sintered body was 46 nm. The ionic conductivity at 25 ° C. of the sintered body was 0.80 mS / cm, but the ionic conductivity at −10 ° C. was 0.16 mS / cm, and the sintered body obtained in Comparative Example 2 was It did not become a high ion conductor.

[比較例3]
結晶性酸化物系無機粒子として活性化エネルギー0.38eVのオハラ社製NASICON型酸化物である焼結体LICGCTMAG−01(厚み150μm)を使用した。結晶子サイズは51nmであった。焼結体の25℃におけるイオン伝導度は、0.08mS/cmであり、0.5mS/cm未満となり、高イオン伝導体と評価されなかった。また、−10℃におけるイオン伝導度は、0.01mS/cmであり、0.2mS/cm未満となり、良好な低温特性を兼ね備えた高イオン伝導体であると評価されなかった。
[Comparative Example 3]
As the crystalline oxide-based inorganic particles, a sintered body LICGC AG-01 (thickness 150 μm), which is a NASICON type oxide manufactured by OHARA with an activation energy of 0.38 eV, was used. The crystallite size was 51 nm. The ionic conductivity of the sintered body at 25 ° C. was 0.08 mS / cm, which was less than 0.5 mS / cm, and was not evaluated as a high ionic conductor. Further, the ionic conductivity at −10 ° C. was 0.01 mS / cm, which was less than 0.2 mS / cm, and was not evaluated as a high ionic conductor having good low-temperature characteristics.

[比較例4]
結晶性酸化物系無機粒子としてオハラ社製NASICON型酸化物である焼結体LICGC(厚み150μm)を粉砕した粒子を用いた。予め38μm〜45μmの目開きでふるい分けにより分級したLICGCTMAG−01粒子を使用し、実施例1と同様な操作を行い、活性化エネルギー0.31eVの単粒子膜を作製した。用いた粒子の結晶子サイズは51nmであった。単粒子膜の25℃におけるイオン伝導度は、0.22mS/cmであった。また、−10℃におけるイオン伝導度は、0.08mS/cmであり、したがって、比較例4で得られた単粒子膜は、高イオン伝導体であると評価されなかった。
[Comparative Example 4]
As the crystalline oxide-based inorganic particles, particles obtained by pulverizing a sintered body LICGC (thickness 150 μm), which is a NASICON type oxide manufactured by OHARA, were used. Using LICGC AG-01 particles classified beforehand by sieving with an opening of 38 μm to 45 μm, the same operation as in Example 1 was performed to produce a single particle film with an activation energy of 0.31 eV. The crystallite size of the particles used was 51 nm. The ionic conductivity of the single particle film at 25 ° C. was 0.22 mS / cm. Moreover, the ionic conductivity in -10 degreeC is 0.08 mS / cm, Therefore, the single particle film obtained in the comparative example 4 was not evaluated as a high ionic conductor.

[比較例5]
<複粒子層膜>
結晶性酸化物系無機粒子として、豊島製作所製NASICON型酸化物である結晶子サイズ87nmのLi1.3Al0.3Ti1.7(PO(LATP)を用いた。パイレックス(登録商標)ガラス平滑基板上に、アセトニトリルに可溶な粘着テープ(日東電工製 PW−3610W)を粘着面が上になるように(つまり、粘着テープの粘着面が、ガラス平滑基板と接しない方向を向くように)、4cm×4cmの広さで張り付けた。予め53μm〜75μmの目開きでふるい分けにより分級したLATP粒子を、粒子層が約100μmの厚みになるように粘着面上に載せ、粒子層の表面を平滑にした。
[Comparative Example 5]
<Double particle layer film>
As the crystalline oxide-based inorganic particles, Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 (LATP) having a crystallite size of 87 nm, which is a NASICON type oxide manufactured by Toshima Seisakusho, was used. On a Pyrex (registered trademark) glass smooth substrate, put an adhesive tape soluble in acetonitrile (PW-3610W made by Nitto Denko) so that the adhesive surface is on top (that is, the adhesive surface of the adhesive tape is in contact with the glass smooth substrate). It was pasted with an area of 4 cm × 4 cm. LATP particles classified by sieving with an opening of 53 μm to 75 μm in advance were placed on the adhesive surface so that the particle layer had a thickness of about 100 μm, and the surface of the particle layer was smoothed.

ポリシクロオレフィンポリマー(日本ゼオン製、Zeonor1060R)をデカリンに溶解し、8wt%COP溶液を調製した。次いで、COP溶液を、単粒子が配列した面に、表面が覆う量で滴下し、ベーカー式アプリケータSA201(テスター産業製)を用いて、クリアランス311μm、2cm/sec.の速度でポリマー溶液のコートを実施した。コート終了後、アズワン製ホットスターラーを用いて、粘着テープごと90℃で20分加熱した。上記で説明されたコートおよび加熱操作を3回繰り返し、ホットスターラーで130℃で3時間加熱し、複粒子膜と粘着テープが一体化した膜を得た。次いで、複粒子膜と粘着テープが一体化した膜を、100mlのアセトニトリルが入ったビーカーへ入れ、十分浸した。常温にて粘着テープを溶解させたところ、複粒子膜が分離した。得られた複粒子膜を80℃及び減圧条件下、一晩乾燥させ、片面が粒子の露出した複粒子膜とした。   A polycycloolefin polymer (Zeonor 1060R manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) was dissolved in decalin to prepare an 8 wt% COP solution. Next, the COP solution was dropped onto the surface on which the single particles were arranged in such an amount that the surface covered, and the clearance was 311 μm and 2 cm / sec. Using a Baker type applicator SA201 (manufactured by Tester Sangyo). The polymer solution was coated at a rate of After the coating was completed, the whole adhesive tape was heated at 90 ° C. for 20 minutes using an AS ONE hot stirrer. The coating and heating operation described above were repeated three times, and heated with a hot stirrer at 130 ° C. for 3 hours to obtain a film in which the double particle film and the adhesive tape were integrated. Next, the membrane in which the double particle membrane and the adhesive tape were integrated was put into a beaker containing 100 ml of acetonitrile and sufficiently immersed. When the adhesive tape was dissolved at room temperature, the double particle film was separated. The obtained double-particle film was dried overnight at 80 ° C. and under reduced pressure to obtain a double-particle film with particles exposed on one side.

<複粒子膜の表面露出操作>
比較例5で得られた複粒子層膜についても、実施例1と同様の方法を用いてエッチングを行い、粒子層の両面が露出した膜を形成した。
<Surface exposure operation of double particle film>
The double particle layer film obtained in Comparative Example 5 was also etched using the same method as in Example 1 to form a film in which both surfaces of the particle layer were exposed.

<評価結果>
インピーダンス測定において、イオン伝導を確認することができなかった。
<Evaluation results>
In the impedance measurement, ionic conduction could not be confirmed.

<実施例1〜2及び比較例1〜5の評価結果>
実施例1〜2及び比較例1〜5の評価結果を下記表1に示す。
<Evaluation results of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-5>
The evaluation results of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-5 are shown in Table 1 below.

表1から明らかなように、結晶子サイズが比較的小さい結晶性酸化物系無機固体電解質粒子を使用した単粒子膜での低温特性は不良であり、固体電解質層を複粒子膜とした比較例5では、イオン伝導が検出されなかった。焼結体とした比較例2と比較例3でも単粒子膜ではないことから、低温特性が不良となった。これに対し、活性化エネルギーの小さいイオン伝導膜を使用すると、いずれも室温で高いイオン伝導が発現し、低温特性も良好となった。   As is clear from Table 1, the low temperature characteristics of the single particle film using the crystalline oxide inorganic solid electrolyte particles having a relatively small crystallite size are poor, and the comparative example in which the solid electrolyte layer is a double particle film In 5, no ionic conduction was detected. Since Comparative Example 2 and Comparative Example 3 which were sintered bodies were not single particle films, the low temperature characteristics were poor. On the other hand, when an ion conductive film having a small activation energy was used, high ion conductivity was exhibited at room temperature, and the low temperature characteristics were also good.

本発明のリチウムイオン伝導体は、低温において良好な出力特性を有するものであり、例えば自動車、ノートブックコンピューター、携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ等の携帯用電子機器の電源を構成する部材として広範囲に適用可能である。   The lithium ion conductor of the present invention has good output characteristics at low temperatures, and is widely used as a member constituting a power source of portable electronic devices such as automobiles, notebook computers, mobile phones, digital cameras, and video cameras. It is applicable to.

100 樹脂
110 結晶性酸化物系無機固体電解質粒子
120 単粒子膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Resin 110 Crystalline oxide type inorganic solid electrolyte particle 120 Single particle film

Claims (2)

リチウムイオン伝導性を有する結晶性酸化物系無機固体電解質粒子が単一粒子状態で一層に配列した構造を有し、リチウムイオン伝導における活性化エネルギーが0.10eV以上0.30eV未満のリチウムイオン伝導膜。   Lithium ion conduction having a structure in which crystalline oxide-based inorganic solid electrolyte particles having lithium ion conductivity are arranged in a single particle state and the activation energy in lithium ion conduction is 0.10 eV or more and less than 0.30 eV film. 前記結晶性酸化物系無機固体電解質粒子の結晶子サイズが60nm〜150nmである、請求項1に記載のリチウムイオン伝導膜。   The lithium ion conductive film according to claim 1, wherein the crystalline oxide-based inorganic solid electrolyte particle has a crystallite size of 60 nm to 150 nm.
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