JP2018080095A - 硫化物固体電解質の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)硫化物固体電解質の原料として用いられるP2S5は、保管時に劣化して一部が不純物(P4S9、P4S7等)に変化するが、該不純物はS量が少ない側にずれた組成を持つため、副生成物として単体Sが生成している。
(2)(1)により、P2S5原料に単体Sが内包されると、他の種類の原料と接触できなくなるため反応性が低くなり、電解質合成後も残留量が多くなる。
(3)硫化物固体電解質の合成中に単体Sが発生する。
(4)硫化物固体電解質をガラスセラミックス化するための熱処理工程において、S−S結合が発生し、単体Sが発生する。
なお、特許文献1には、洗浄後の硫化物固体電解質中の残留単体硫黄成分量が1重量%以下となることが記載されているが、該残留単体硫黄成分量は、硫化物固体電解質を洗浄した有機溶媒の上澄み液を抜き取り、該上澄み液をミリポアフィルタで濾過して得た更なる上澄み液をガスクロで定量することに測定されており、有機溶媒で捉えきれず硫化物固体電解質に残留している単体S成分、又は、上澄み液を抜き取る際に取り逃してしまった単体S成分をカウントできていない虞がある。よって、硫化物固体電解質中に実際に残留している単体S成分の量は、特許文献1に記載の測定量よりも多くなるものと推測される。
本開示は、少なくともLi2S、P2S5を含む電解質原料と、単体硫黄と、を容器に投入する投入工程と、投入工程後に、電解質原料と単体硫黄との混合物を非晶質化し、硫化物固体電解質材料を合成する非晶質化工程と、非晶質化工程後に、不活性雰囲気下で硫化物固体電解質材料を単体硫黄の融点以上の温度で熱処理する熱処理工程と、を有する、硫化物固体電解質の製造方法である。
以下、本開示の製造方法が有する各工程について説明する。
投入工程(以下、「S1」ということがある。)は、少なくともLi2S、P2S5を含む電解質原料と、単体硫黄と、を容器に投入する工程である。S1は、容器に少なくとも後述する電解質原料と単体硫黄とを投入する工程であれば良く、電解質原料及び単体硫黄とともに、例えば、湿式のメカニカルミリング法で使用するような液体を容器に投入する工程であっても良い。湿式のメカニカルミリング法で使用可能な液体としては、ヘプタン、ヘキサン、オクタン等のアルカン、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素等を例示することができる。
本開示に用いる電解質原料は、少なくともLi2S、P2S5を含む。電解質原料は、Li2S、P2S5のみを含んでいてもよく、Li2S、P2S5に加えて他の成分を含んでいてもよい。他の成分としては、例えば、SiS2、GeS2、B2S3、Al2S3等の硫化物、後述するLiX(Xはハロゲンである。)等が挙げられる。
本開示に用いる単体硫黄は、融点を有するものであれば特に限定されない。単体硫黄には30以上の同素体が存在するが、融点を有する単体硫黄として、一般的には環状のS8硫黄が用いられる。S8硫黄には、α硫黄(斜方硫黄、融点112.8℃)、β硫黄(単斜硫黄、融点119.6℃)、γ硫黄(単斜硫黄、106.8℃)の3つの結晶形が存在するが、入手容易性、取り扱い性等の観点から、常温で安定なα硫黄(斜方硫黄)を用いることが好ましい。本開示に用いる単体硫黄としては、一種の同素体を単独で使用してもよく、2種又は3種以上の同素体を組み合わせて使用しても良い。
非晶質化工程(以下、「S2」ということがある。)は、S1後に、電解質原料と単体硫黄との混合物(以下、単に「混合物」ということがある。)を非晶質化し、硫化物固体電解質材料を合成する工程である。混合物は、S1において電解質原料と単体硫黄とを容器に投入した段階でこれらの成分が部分的に混合することにより得ることができる。また、S2において後述する非晶質化に必要な機械的エネルギー又は熱エネルギー等が付与されることにより、電解質原料と単体硫黄とが全体的に混合した混合物を得ることができる。
熱処理工程(以下、単に「S3」ということがある。)は、S2後に、不活性雰囲気下で硫化物固体電解質材料を単体硫黄の融点以上の温度で熱処理する工程である。
本発明者はそのメカニズムを以下の(1)〜(3)のように推定する。
(1)硫化物固体電解質材料を単体Sの融点以上の温度で熱処理することにより、S1において投入され、過剰に含まれている単体Sが融解し、硫化物固体電解質材料の表面に溶出する。
(2)硫化物固体電解質材料の表面に溶出した液体の単体Sは、表面張力を発生させ、硫化物固体電解質材料内部に存在する単体Sを吸い出し、硫化物固体電解質材料に含まれている単体Sを硫化物固体電解質材料の表面へと集める。
(3)硫化物固体電解質材料の表面に溶出した液体の単体Sは、硫化物固体電解質材料の表面から蒸発し、硫化物固体電解質材料から除去される。
硫化物固体電解質材料の結晶化温度は、示差熱分析(DTA)により決定することができる。硫化物固体電解質材料の結晶化温度は、硫化物固体電解質材料の組成によって異なるが、例えば、130℃以上600℃以下の範囲内である。
なお、単体Sの融点以上且つ硫化物固体電解質材料の結晶化温度未満の温度でS3を行った後、さらに、硫化物固体電解質材料の結晶化温度以上の温度で熱処理を行い、ガラスセラミックスである硫化物固体電解質を得てもよい。また、例えば、S3の前半を単体硫黄の融点以上且つ硫化物固体電解質材料の結晶化温度未満の温度で行い、後半を硫化物固体電解質材料の結晶化温度未満の温度以上の温度で行う形態のように、S3の途中で熱処理の温度を変更する形態としてもよい。
<実施例1>
(原料)
電解質原料として、硫化リチウム(Li2S、日本化学工業製、純度99.9%。)、五硫化ニリン(P2S5、Aldrich製、純度99.9%。)、臭化リチウム(LiBr、高純度化学研究所製、純度99.9%。)、ヨウ化リチウム(LiI、Aldrich製。)を用い、単体硫黄として、α硫黄(S、和光純薬工業製)を用いた。
(投入工程)
これらの電解質原料と単体硫黄とを、モル比がLi2S:P2S5:LiBr:LiI:S=56.25:18.75:15:10:0.5となるように秤量した。秤量した電解質原料と単体硫黄とを、遊星型ボールミル機の容器(45ml、ZrO2製)に投入し、脱水ヘプタン(水分量30ppm以下、4g)を投入し、さらに直径5mmのZrO2ボールを容器へ投入し、容器を完全に密閉した。
(非晶質化工程)
毎分290回転で20時問に亘ってメカニカルミリングを行うことにより、電解質原料と単体硫黄とからなる原料組成物を非晶質化し、硫化物固体電解質材料(75(0.75Li2S・0.25P2S5)・15LiBr・10LiI・0.5S)を合成した。
(熱処理工程)
非晶質化工程後の容器から回収した硫化物固体電解質材料(75(0.75Li2S・0.25P2S5)・15LiBr・10LiI・0.5S)を、210℃のAr雰囲気下で3時間加熱してヘプタンを除去し、ガラスセラミックス化することにより、実施例1に係る硫化物固体電解質(75(0.75Li2S・0.25P2S5)・15LiBr・10LiI)を得た。
硫化物固体電解質材料の電解質組成が(75(0.75Li2S・0.25P2S5)・15LiBr・10LiI・1S)となるように原料量を変更したことを除き、実施例1と同様に実施例2に係る硫化物固体電解質(75(0.75Li2S・0.25P2S5)・15LiBr・10LiI)を得た。
硫化物固体電解質材料の電解質組成が(75(0.75Li2S・0.25P2S5)・15LiBr・10LiI・5S)となるように原料量を変更したことを除き、実施例1と同様に実施例3に係る硫化物固体電解質(75(0.75Li2S・0.25P2S5)・15LiBr・10LiI)を得た。
硫化物固体電解質材料の電解質組成が(75(0.75Li2S・0.25P2S5)・15LiBr・10LiI・10S)となるように原料量を変更したことを除き、実施例1と同様に実施例4に係る硫化物固体電解質(75(0.75Li2S・0.25P2S5)・15LiBr・10LiI)を得た。
単体硫黄を投入せず、硫化物固体電解質材料の電解質組成が(75(0.75Li2S・0.25P2S5)・15LiBr・10LiI)となるように原料量を変更したことを除き、実施例1と同様に比較例1に係る硫化物固体電解質(75(0.75Li2S・0.25P2S5)・15LiBr・10LiI)を得た。
(正極の作製)
転動流動式コーティング装置(株式会社パウレック製)を用いて、大気環境において正極活物質に固体電解質としてLiNbO3をコーティングし、大気環境において焼成を行い、正極活物質の表面を固体電解質で被覆した。
ポリプロピレン(PP)製容器に酪酸ブチル、PVdF系バインダー(株式会社クレハ製)の5質量%酪酸ブチル溶液、上記固体電解質をコーティングした正極活物質、及び、実施例1〜4、比較例1で作製した硫化物固体電解質(LiBr、LiIを含むLi2S−P2S5系ガラスセラミックス)を加え、導電材としてVGCF(商標)(昭和電工株式会社製)を加え、超音波分散装置(株式会社エスエムテー製UH−50)で30秒間撹拌した。
次に、容器を振盪器(柴田科学株式会社製、TTM−1)で3分間振盪させ、さらに超音波分散装置で30秒間撹拌した。振盪器で3分間振盪した後、アプリケーターを使用してブレード法によりA1箔(日本製箔株式会社製)上に塗工した。そして、塗工した電極を自然乾燥させた。その後、100℃のホットプレート上で30分間乾燥させることにより正極を得た。
PP製容器に酪酸ブチル、PVdF系バインダー(株式会社クレハ製)の5質量%酪酸ブチル溶液、負極活物質として平均粒径10μmの天然黒鉛系カーボン(日本カーボン株式会社製)、及び、実施例1〜4、比較例1で作製した硫化物固体電解質(LiBr、LiIを含むLi2S−P2S5系ガラスセラミックス)を加え、超音波分散装置(株式会社エスエムテー製)で30秒間撹拌した。
次に、容器を振盪器(柴田科学株式会社製、TTM−1)で30分間振盪させた。
アプリケーターを使用してブレード法にてCu箔(古河電気工業株式会社製)上に塗工した。そして、塗工した電極を、自然乾燥させた。その後、100℃のホットプレート上で30分間乾燥させることにより負極を得た。
PP製容器にヘプタン、ブタジエンゴム(BR)系バインダー(JSR株式会社製)の5質量%ヘプタン溶液、及び、比較例1で作製した硫化物固体電解質(LiBr、LiIを含むLi2S−P2S5系ガラスセラミックス)を加え、超音波分散装置(エスエムテー製UH−50)で30秒間撹拌した。
次に、容器を振盪器(柴田科学株式会社製、TrM−1)で30分間振盪させた。その後、アプリケーターを使用してブレード法にてAl箔上に塗工した。塗工後、自然乾燥した。
その後、100℃のホットプレート上で30分間乾燥させることにより固体電解質層を得た。
1m2の金型に固体電解質層を入れて1ton/cm2(≒98MPa)でプレスし、その片側に正極を入れ、1ton/cm2(≒98MPa)でプレスし、さらにもう片側に負極を入れ、6ton/cm2(≒588MPa)でプレスすることにより硫化物全固体電池を得た。
<単体S残留量分析(TPD−MS分析)>
実施例1〜4、比較例1で作製した硫化物固体電解質中の単体S残留量をTPD−MS分析によって測定した。測定した結果を図2に示す。また、使用した装置及び測定条件を以下に示す。
島津製作所製 GC/MS QP5050A(4)
昇温速度 10℃/min
温度 25〜500で
希釈ガス He 50mL/min
正極からリチウムイオンを脱離(放出)させる過程を「充電」、正極にリチウムイオンを挿入(吸蔵)させる過程を「放電」とし、充放電試験装置(東洋システム製TOSCATシリーズ)を使用して、充放電試験を行った。電流値を1/3Cとし、温度25℃で、3V(放電)から4.37V(充電)の範囲で充電及び放電を繰り返し、3サイクル目の放電容量を初期容量とした。その後、温度60℃、充電電位4.1Vで28日間保存した後、初期と同様に保存後の放電容量を測定し、初期容量に対する保存後の容量の比を容量維持率とした。
(容量維持率)=(保存後CC放電容量)/(初期CC放電容量)×100(%)
実施例1〜4、比較例1において測定した結果を図3に示す。
図2より、投入工程において電解質原料と単体硫黄とを投入した実施例1〜4に係る硫化物固体電解質は、投入工程において単体硫黄を投入しなかった比較例1に係る硫化物固体電解質よりも単体S残留量が低減していた。
また、図3より、混合工程において電解質原料100atm%に対して0.5〜5atm%の単体硫黄を投入した実施例1〜3に係る硫化物固体電解質を用いた電池は、混合工程において単体硫黄を投入しなかった比較例1に係る硫化物固体電解質を用いた電池よりも、容量維持率が向上していた。比較例1に係る硫化物固体電解質を用いた電池は、不純物である単体硫黄の影響で実施例1〜3に係る硫化物固体電解質を用いた電池よりも容量維持率が低いと考えられる。混合工程において10atm%の単体硫黄を投入した実施例4に係る硫化物固体電解質を用いた電池は、単体硫黄の投入量が大きく、硫化物固体電解質の組成が変化して容量維持率が低下したと推察される。
Claims (3)
- 少なくともLi2S、P2S5を含む電解質原料と、単体硫黄と、を容器に投入する投入工程と、
前記投入工程後に、前記電解質原料と前記単体硫黄との混合物を非晶質化し、硫化物固体電解質材料を合成する非晶質化工程と、
前記非晶質化工程後に、不活性雰囲気下で前記硫化物固体電解質材料を前記単体硫黄の融点以上の温度で熱処理する熱処理工程と、を有する、硫化物固体電解質の製造方法。 - 前記投入工程において、前記電解質原料100atm%に対して0.5〜5atm%の前記単体硫黄を投入する、請求項1に記載の硫化物固体電解質の製造方法。
- 前記熱処理工程において、前記硫化物固体電解質材料を、該硫化物固体電解質材料の結晶化温度以上の温度で熱処理し、ガラスセラミックスである硫化物固体電解質を得る、請求項1又は2に記載の硫化物固体電解質の製造方法。
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