JP2019016530A - Manufacturing method of sulfide solid electrolyte fine particle - Google Patents

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Abstract

To provide a manufacturing method of a sulfide solid electrolyte fine particle capable of suppressing aggregation of a fine particle material during a crystallization process.SOLUTION: There is provided a manufacturing method of a sulfide solid electrolyte fine particle having a preparation process for preparing a coarse particle material which is a sulfide solid electrolyte, an atomization process for atomizing the coarse particle material by a pulverization treatment to form a fine particle material, and a crystallization process for crystallizing the fine particle material by a heat treatment, in which the heat treatment is conducted with adding physical stimulation to the fine particle material in the crystallization process.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本開示は、結晶化工程の際に微粒材料の凝集を抑制することができる硫化物固体電解質微粒子の製造方法に関する。   The present disclosure relates to a method for producing sulfide solid electrolyte fine particles capable of suppressing aggregation of a fine particle material during a crystallization process.

近年におけるパソコン、ビデオカメラおよび携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として利用される電池の開発が重要視されている。また、自動車産業界等においても、電気自動車用あるいはハイブリッド自動車用の高出力かつ高容量の電池の開発が進められている。現在、種々の電池の中でも、エネルギー密度が高いという観点から、リチウム電池が注目を浴びている。   With the rapid spread of information-related equipment and communication equipment such as personal computers, video cameras, and mobile phones in recent years, development of batteries that are used as power sources has been regarded as important. Also in the automobile industry and the like, development of high-power and high-capacity batteries for electric vehicles or hybrid vehicles is being promoted. Currently, lithium batteries are attracting attention among various batteries from the viewpoint of high energy density.

現在市販されているリチウム電池は、可燃性の有機溶媒を含む電解液が使用されているため、短絡時の温度上昇を抑える安全装置の取り付けや短絡防止のための構造が必要となる。これに対し、電解液を固体電解質層に代えて、電池を全固体化したリチウム電池は、電池内に可燃性の有機溶媒を用いないので、安全装置の簡素化が図れる。   Since lithium batteries currently on the market use an electrolyte solution containing a flammable organic solvent, a safety device for preventing a temperature rise at the time of a short circuit and a structure for preventing a short circuit are required. In contrast, a lithium battery in which the electrolyte solution is replaced with a solid electrolyte layer and the battery is completely solid does not use a flammable organic solvent in the battery, and thus the safety device can be simplified.

硫化物固体電解質は、リチウムイオン伝導性が高いため、電池の高出力化を図る上で有用であり、従来から、種々の研究がなされている。例えば、特許文献1には、硫化物固体電解質の粗粒材料および分散媒を含有するスラリーを準備する準備工程と、破砕メディアを用いた粉砕装置により、上記スラリーに含まれる上記粗粒材料を微粒化することで、硫化物固体電解質材料を形成する微粒化工程とを有し、上記微粒化工程が、50℃以上の温度環境下で行われることを特徴とする硫化物固体電解質材料の製造方法が開示されている。また、特許文献1においては、微粒化された硫化物固体電解質材料に対し、熱処理をして、結晶化することが開示されている。   Since the sulfide solid electrolyte has high lithium ion conductivity, it is useful for increasing the output of the battery, and various studies have been made heretofore. For example, Patent Document 1 discloses that the coarse material contained in the slurry is finely divided by a preparation step of preparing a slurry containing a coarse particle material of a sulfide solid electrolyte and a dispersion medium and a pulverizer using a pulverization medium. A method for producing a sulfide solid electrolyte material, wherein the atomization step is performed in a temperature environment of 50 ° C. or higher. Is disclosed. Patent Document 1 discloses that the atomized sulfide solid electrolyte material is heat-treated to be crystallized.

特開2016−207421号公報JP, 2006-207421, A

電池の高性能化に伴い、硫化物固体電解質は更なるイオン伝導性の向上が求められている。硫化物固体電解質のイオン伝導性を向上させる手法の一つとして、例えば、特許文献1に示すように、硫化物固体電解質を熱処理して結晶化させる手法がある。また、電極活物質層または固体電解質層の充填率を高くする観点から、硫化物固体電解質は、平均粒径が小さいことが好ましい。   As the performance of batteries increases, sulfide solid electrolytes are required to further improve ion conductivity. As one of techniques for improving the ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte, for example, as shown in Patent Document 1, there is a technique of crystallizing the sulfide solid electrolyte by heat treatment. From the viewpoint of increasing the filling rate of the electrode active material layer or the solid electrolyte layer, the sulfide solid electrolyte preferably has a small average particle size.

本開示の発明者等は、上記実情に鑑みて研究を行う中で、微粒化した硫化物固体電解質である微粒材料を、熱処理により結晶化した場合、微粒材料同士が凝集してしまい、その結果、得られる微粒子の粒径が大きくなるという課題を知見した。本開示は、結晶化工程の際に微粒材料の凝集を抑制することができる硫化物固体電解質微粒子の製造方法を提供することを主目的とする。   Inventors of the present disclosure, while conducting research in view of the above circumstances, when the finely divided sulfide solid electrolyte is crystallized by heat treatment, the finely divided materials are aggregated, and as a result The problem of increasing the particle size of the obtained fine particles was discovered. The main object of the present disclosure is to provide a method for producing sulfide solid electrolyte fine particles capable of suppressing aggregation of a fine particle material during a crystallization process.

上記課題を解決するために、本開示においては、硫化物固体電解質である粗粒材料を準備する準備工程と、粉砕処理により、上記粗粒材料を微粒化することで、微粒材料を形成する微粒化工程と、熱処理により、上記微粒材料を結晶化する結晶化工程と、を備え、上記結晶化工程では、上記微粒材料に対し物理的刺激を与えながら上記熱処理をする、硫化物固体電解質微粒子の製造方法を提供する。   In order to solve the above-described problems, in the present disclosure, a fine particle that forms a fine particle material by preparing a coarse particle material that is a sulfide solid electrolyte and atomizing the coarse particle material by a pulverization process And a crystallization step of crystallizing the fine particle material by heat treatment, wherein in the crystallization step, the heat treatment is performed while applying physical stimulation to the fine particle material. A manufacturing method is provided.

本開示によれば、物理的刺激を与えながら熱処理をすることにより、微粒材料の凝集を抑制することができる。   According to the present disclosure, agglomeration of the fine particle material can be suppressed by performing heat treatment while applying physical stimulation.

本開示の硫化物固体電解質微粒子の製造方法は、結晶化工程の際に微粒材料の凝集を抑制することができるといった効果を奏する。   The method for producing sulfide solid electrolyte fine particles of the present disclosure has an effect that aggregation of fine particles can be suppressed during the crystallization step.

本開示の硫化物固体電解質微粒子の製造方法の一例を示す工程図である。It is process drawing which shows an example of the manufacturing method of the sulfide solid electrolyte fine particle of this indication. 本開示の硫化物固体電解質微粒子の製造方法の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the manufacturing method of the sulfide solid electrolyte fine particle of this indication. 本開示の推定メカニズムを説明する図である。It is a figure explaining the presumed mechanism of this indication. 回転焼成炉の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of a rotary baking furnace. 実施例、参考例および比較例の硫化物固体電解質微粒子の粒度分布の測定結果である。It is a measurement result of the particle size distribution of the sulfide solid electrolyte fine particle of an Example, a reference example, and a comparative example. 比較例および実施例における平均粒径(D50)の測定結果である。The measurement results of the average particle diameter in Comparative Examples and Examples (D 50). 比較例および実施例におけるLiイオン伝導度の測定結果である。It is a measurement result of Li ion conductivity in a comparative example and an example.

以下、本開示の硫化物固体電解質微粒子の製造方法の詳細を説明する。
図1は、本開示の硫化物固体電解質微粒子の製造方法の一例を示す工程図である。本開示の硫化物固体電解質微粒子の製造方法は、例えば、図1(a)に示すように、硫化物固体電解質である粗粒材料1aを準備する準備工程と、図1(a)、(b)に示すように、粉砕処理により、粗粒材料1aを微粒化することで、微粒材料1bを形成する微粒化工程と、図1(c)に示すように、熱処理により、微粒材料1bを結晶化する結晶化工程と、を備える。結晶化工程では、微粒材料1bに対し物理的刺激Xを与えながら熱処理をする。結晶化工程においては、微粒材料1bを結晶化することで、図1(d)に示すように、結晶化した硫化物固体電解質微粒子1cを得ることができる。
Hereinafter, the details of the method for producing sulfide solid electrolyte fine particles of the present disclosure will be described.
FIG. 1 is a process diagram showing an example of a method for producing sulfide solid electrolyte fine particles of the present disclosure. For example, as shown in FIG. 1 (a), the method for producing sulfide solid electrolyte fine particles of the present disclosure includes a preparation step of preparing a coarse particle material 1a that is a sulfide solid electrolyte, and FIGS. 1 (a) and 1 (b). As shown in FIG. 1C, the coarse material 1a is atomized by pulverization to form a fine material 1b. As shown in FIG. 1C, the fine material 1b is crystallized by heat treatment. And a crystallization step. In the crystallization process, heat treatment is performed while giving a physical stimulus X to the fine particle material 1b. In the crystallization step, by crystallizing the fine particle material 1b, as shown in FIG. 1 (d), crystallized sulfide solid electrolyte fine particles 1c can be obtained.

図2は、本開示の硫化物固体電解質微粒子の製造方法の一例を示すフローチャートである。図2に示すように、本開示における準備工程においては、例えば、硫化物固体電解質を合成するための原料組成物に非晶質処理(一例として、ボールミル(BM)処理)をすることにより粗粒材料(前駆体)を合成しても良い。また、本開示における微粒化工程においては、例えば、粉砕処理としてボールミル(BM)処理をすることにより、粗粒材料を微粒化して微粒材料を形成しても良い。また、本開示における結晶化工程においては、例えば、回転焼成炉を用いた熱処理により、微粒材料を結晶化しても良い。   FIG. 2 is a flowchart showing an example of a method for producing sulfide solid electrolyte fine particles of the present disclosure. As shown in FIG. 2, in the preparation step in the present disclosure, for example, the raw material composition for synthesizing the sulfide solid electrolyte is subjected to an amorphous treatment (for example, a ball mill (BM) treatment) to obtain coarse particles. A material (precursor) may be synthesized. In the atomization step in the present disclosure, for example, a coarse material may be atomized to form a fine material by performing a ball mill (BM) process as a pulverization process. Further, in the crystallization step in the present disclosure, the fine particle material may be crystallized by, for example, heat treatment using a rotary baking furnace.

本開示によれば、物理的刺激を与えながら熱処理をすることにより、微粒材料の凝集を抑制することができる。また、その結果、平均粒径の小さい硫化物固体電解質微粒子を得ることができる。   According to the present disclosure, agglomeration of the fine particle material can be suppressed by performing heat treatment while applying physical stimulation. As a result, sulfide solid electrolyte fine particles having a small average particle diameter can be obtained.

本開示の発明者等は、微粒化した硫化物固体電解質である微粒材料を、熱処理により結晶化した場合、微粒材料同士が凝集してしまい、その結果、得られる微粒子の粒径が大きくなるという課題を知見した。具体例として、下記(1)および(2)の製造方法のいずれにおいても、得られる微粒子の粒径が大きくなることを知見した。
(1)の製造方法は、硫化物固体電解質としてガラスセラミックスである粗粒材料を微粒化した後に結晶化する製造方法である。具体的には、原料組成物に非晶質処理(一例として、ボールミル処理)をすることにより粗粒材料(前駆体)を合成する。次に、粗粒材料に熱処理をして結晶化する。次に、粉砕処理(一例としてボールミル処理)をすることにより、粗粒材料を微粒化して微粒材料を形成する。次に、微粒材料に熱処理をして再結晶化する。以上の手順により、硫化物固体電解質微粒子を得る。
(2)の製造方法は、硫化物固体電解質として硫化物ガラスである粗粒材料を微粒化した後に結晶化する製造方法である。具体的には、原料組成物に非晶質処理(一例として、ボールミル処理)をすることにより粗粒材料(前駆体)を合成する。次に、粉砕処理(一例としてボールミル処理)をすることにより、粗粒材料を微粒化して微粒材料を形成する。次に、微粒材料に熱処理をして結晶化する。以上の手順により、硫化物固体電解質微粒子を得る。
The inventors of the present disclosure say that when a fine particle material, which is a finely divided sulfide solid electrolyte, is crystallized by heat treatment, the fine particle materials are aggregated together, and as a result, the particle size of the obtained fine particles is increased. I knew the problem. As a specific example, it has been found that the particle size of the obtained fine particles is increased in any of the following production methods (1) and (2).
The production method (1) is a production method in which a coarse material, which is glass ceramics, is atomized as a sulfide solid electrolyte and then crystallized. Specifically, a coarse material (precursor) is synthesized by subjecting the raw material composition to an amorphous treatment (for example, a ball mill treatment). Next, the coarse-grained material is heat-treated and crystallized. Next, the coarse material is atomized by pulverization (for example, ball mill treatment) to form the fine material. Next, the fine particle material is heat-treated and recrystallized. By the above procedure, sulfide solid electrolyte fine particles are obtained.
The production method (2) is a production method in which a coarse material which is sulfide glass as a sulfide solid electrolyte is atomized and then crystallized. Specifically, a coarse material (precursor) is synthesized by subjecting the raw material composition to an amorphous treatment (for example, a ball mill treatment). Next, the coarse material is atomized by pulverization (for example, ball mill treatment) to form the fine material. Next, the fine particle material is heat-treated and crystallized. By the above procedure, sulfide solid electrolyte fine particles are obtained.

微粒材料を熱処理により結晶化することで、硫化物固体電解質微粒子の粒径が大きくなる理由については、以下のように推測される。
硫化物固体電解質の結晶化温度は、例えば、300℃〜650℃の範囲内である。また、結晶化工程においては、一般的には、硫化物固体電解質は、例えば、焼成炉等の熱処理装置内に静置された状態で熱処理がされる。
一方、微粒化された硫化物固体電解質(微粒材料、微粒子)は、例えば300℃〜650℃の範囲内において、凝集しやすく、凝集した粒子同士がネッキング(溶着)しやすい。すなわち、粒子成長が生じやすい。
図3に示すように、硫化物固体電解質の結晶化温度と、粒子成長温度とが重複する場合、粒径が大きくなると推測される。
The reason for increasing the particle size of the sulfide solid electrolyte fine particles by crystallizing the fine particle material by heat treatment is presumed as follows.
The crystallization temperature of the sulfide solid electrolyte is, for example, in the range of 300 ° C to 650 ° C. In the crystallization step, generally, the sulfide solid electrolyte is heat-treated in a state of being left in a heat treatment apparatus such as a firing furnace.
On the other hand, the atomized sulfide solid electrolyte (fine particle material, fine particles) easily aggregates, for example, within a range of 300 ° C. to 650 ° C., and the aggregated particles are easily necked (welded). That is, particle growth is likely to occur.
As shown in FIG. 3, when the crystallization temperature of the sulfide solid electrolyte and the particle growth temperature overlap, it is presumed that the particle size increases.

以上の理由から、例えば、上述した(1)の製造方法においては再結晶化の工程において、上述した(2)の製造方法においては結晶化の工程において、微粒材料が凝集・ネッキングすることにより、硫化物固体電解質微粒子の粒径が大きくなると推測される。   For the above reasons, for example, in the recrystallization step in the manufacturing method (1) described above, and in the crystallization step in the manufacturing method (2) described above, the fine particle material aggregates and necks, It is estimated that the particle size of the sulfide solid electrolyte fine particles is increased.

これに対し、本開示によれば、結晶化工程において微粒材料に物理的刺激を与えながら熱処理をすることにより、微粒材料の凝集を抑制することができる。その理由は、微粒材料に物理的刺激を与えることで、微粒材料同士の接触頻度を少なくすることができるためであると推測される。また、本開示においては、微粒材料の凝集を抑制することができるため、結果として、平均粒径が小さい硫化物固体電解質微粒子を得ることができる。その理由は、微粒材料の凝集を抑制することにより、ネッキングを抑制することができるためであると推測される。   On the other hand, according to the present disclosure, aggregation of the fine particle material can be suppressed by performing a heat treatment while giving physical stimulation to the fine particle material in the crystallization step. The reason is presumed to be that the frequency of contact between the fine particle materials can be reduced by applying physical stimulation to the fine particle material. Moreover, in this indication, since aggregation of a fine particle material can be suppressed, as a result, the sulfide solid electrolyte fine particle with a small average particle diameter can be obtained. The reason is presumed to be that necking can be suppressed by suppressing aggregation of the fine particle material.

硫化物固体電解質の結晶化は、高Liイオン伝導性を有する硫化物固体電解質を得る有効な手法の一つであるが、高Liイオン伝導性を維持したまま、微粒化すること(高Liイオン伝導性および微粒化の両立)は困難である実情がある。これに対し、本開示の製造方法を適用することにより、高Liイオン伝導性を有し、平均粒径が小さい硫化物微粒子を得ることができる。   Crystallization of a sulfide solid electrolyte is one of the effective methods for obtaining a sulfide solid electrolyte having high Li ion conductivity. However, the sulfide solid electrolyte is atomized while maintaining high Li ion conductivity (high Li ion). There is a situation where it is difficult to achieve both conductivity and atomization. On the other hand, by applying the production method of the present disclosure, sulfide fine particles having high Li ion conductivity and a small average particle diameter can be obtained.

以下、本開示の硫化物固体電解質微粒子の製造方法について、各工程ごとに説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the sulfide solid electrolyte fine particles of the present disclosure will be described for each step.

1.準備工程
本開示における準備工程は、硫化物固体電解質である粗粒材料を準備する工程である。
本開示においては、少なくとも粗粒材料を準備すれば良く、粗粒材料のみを準備しても良く、粗粒材料および分散媒を含有するスラリーを準備しても良い。なお、粗粒材料およびスラリーは、それぞれ、自ら作製しても良く、市販品を購入しても良い。また、上記粗粒材料は、Liイオン伝導性を有することが好ましい。
1. Preparation Step The preparation step in the present disclosure is a step of preparing a coarse material that is a sulfide solid electrolyte.
In the present disclosure, at least a coarse material may be prepared, only a coarse material may be prepared, or a slurry containing the coarse material and a dispersion medium may be prepared. Note that the coarse-grained material and the slurry may be produced by themselves, or commercially available products may be purchased. Moreover, it is preferable that the said coarse grain material has Li ion conductivity.

上記粗粒材料は、硫化物固体電解質であり、通常、Li元素およびS元素を有する。さらに、上記粗粒材料は、P元素、Ge元素、Sn元素およびSi元素の少なくとも一種を含有することが好ましい。また、上記粗粒材料は、O元素およびハロゲン元素(例えばF元素、Cl元素、Br元素、I元素)の少なくとも一種を含有していても良い。上記粗粒材料としては、例えば、LiS−P、LiS−P−GeS、LiS−P−SnS、LiS−P−SiS、LiS−P−LiI、LiS−P−LiI−LiBr、LiS−P−LiO、LiS−P−LiO−LiI、LiS−SiS、LiS−SiS−LiI、LiS−SiS−LiBr、LiS−SiS−LiCl、LiS−SiS−B−LiI、LiS−SiS−P−LiI、LiS−B、LiS−P−Z(ただし、m、nは正の数。Zは、Ge、Zn、Gaのいずれか。)、LiS−GeS、LiS−SiS−LiPO、LiS−SiS−LiMO(ただし、x、yは正の数。Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれか。)等を挙げることができる。なお、上記「LiS−P」の記載は、LiSおよびPを含む原料組成物を用いてなる材料を意味し、他の記載についても同様である。 The coarse-grained material is a sulfide solid electrolyte and usually contains Li element and S element. Furthermore, it is preferable that the coarse grain material contains at least one of P element, Ge element, Sn element and Si element. The coarse-grained material may contain at least one of O element and halogen element (eg, F element, Cl element, Br element, I element). Examples of the coarse-grained material include Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—P 2 S 5 —GeS 2 , Li 2 S—P 2 S 5 —SnS 2 , and Li 2 S—P 2 S 5. -SiS 2, Li 2 S-P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-P 2 S 5 -LiI-LiBr, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 - Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2, Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S-SiS 2 -LiCl, Li 2 S-SiS 2 -B 2 S 3 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-B 2 S 3, Li 2 S-P 2 S 5 -Z m S n ( however, m, n is a positive number .Z is, Ge, Zn, one of the Ga.), Li 2 S- GeS 2, L 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4, Li 2 S-SiS 2 -Li x MO y ( provided that, x, y is a positive number .M is, P, Si, Ge, B , Al, Ga, the In Any). The description of “Li 2 S—P 2 S 5 ” means a material using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5, and the same applies to other descriptions.

上記粗粒材料は、LiSを含有しないことが好ましい。硫化水素発生量を少なくできるからである。具体的には、CuKα線を用いたXRD測定において、LiSのピーク(2θ=27.0°、31.2°、44.8°、53.1°)が観測されないことが好ましい。また、上記粗粒材料は、架橋硫黄を含有しないことが好ましい。硫化水素発生量を少なくできるからである。架橋硫黄としては、例えば、LiSおよびPが反応してなるSP−S−PS構造の架橋硫黄が挙げられる。具体的には、ラマン分光スペクトルの測定において、SP−S−PS構造のピーク(402cm−1付近のピーク)が確認されないことが好ましい。 The coarse-grained material preferably does not contain Li 2 S. This is because the amount of hydrogen sulfide generated can be reduced. Specifically, it is preferable that Li 2 S peaks (2θ = 27.0 °, 31.2 °, 44.8 °, 53.1 °) are not observed in the XRD measurement using CuKα rays. Moreover, it is preferable that the said coarse grain material does not contain bridge | crosslinking sulfur. This is because the amount of hydrogen sulfide generated can be reduced. The bridging sulfur, for example, cross-linking sulfur Li 2 S and P 2 S 5 is reacted S 3 PS-PS 3 structure. Specifically, it is preferable that the peak of the S 3 P—S—PS 3 structure (peak in the vicinity of 402 cm −1 ) is not confirmed in the measurement of the Raman spectrum.

上記粗粒材料の形状は、例えば、球状を挙げることができる。また、上記粗粒材料の平均粒径(D50)は、例えば、5μm〜20μmの範囲内である。また、上記粗粒材料の25℃におけるLiイオン伝導度は、例えば1×10−5S/cm以上であり、1×10−4S/cm以上であることが好ましい。 Examples of the shape of the coarse material include a spherical shape. The average particle size (D 50) of the coarse material, for example, in the range of 5Myuemu~20myuemu. Moreover, Li ion conductivity in 25 degreeC of the said coarse-grained material is 1 * 10 < -5 > S / cm or more, for example, and it is preferable that it is 1 * 10 < -4 > S / cm or more.

上記粗粒材料は、硫化物ガラスであっても良く、ガラスセラミックスであっても良いが、前者であることが好ましい。硫化物ガラスは、通常、原料組成物(例えばLiSおよびPの混合物)を非晶質処理することにより得ることができる。非晶質処理としては、例えば、メカニカルミリングを挙げることができる。また、メカニカルミリングは、乾式メカニカルミリングであっても良く、湿式メカニカルミリングであっても良いが、後者が好ましい。容器等の壁面に原料組成物が固着することを防止できるからである。また、ガラスセラミックスは、硫化物ガラスを熱処理することにより得ることができる。なお、粗粒材料は、硫化物固体電解質であれば特に限定されず、例えば固相反応により合成しても良い。また、粗粒材料が結晶性を有する材料である場合、粗粒材料が後述する結晶相Aを有することが好ましい。 The coarse-grained material may be sulfide glass or glass ceramics, but the former is preferable. The sulfide glass can be usually obtained by subjecting a raw material composition (for example, a mixture of Li 2 S and P 2 S 5 ) to an amorphous treatment. Examples of the amorphous treatment include mechanical milling. The mechanical milling may be dry mechanical milling or wet mechanical milling, but the latter is preferred. It is because it can prevent that a raw material composition adheres to wall surfaces, such as a container. Glass ceramics can be obtained by heat-treating sulfide glass. The coarse material is not particularly limited as long as it is a sulfide solid electrolyte, and may be synthesized by, for example, a solid phase reaction. Moreover, when a coarse-grained material is a material which has crystallinity, it is preferable that a coarse-grained material has the crystal phase A mentioned later.

準備工程においては、上記粗粒材料および分散媒を含有するスラリーを準備しても良い。
分散媒は、粗粒材料と反応しない程度の非プロトン性を有していることが好ましく、例えば、極性の非プロトン性液体および無極性の非プロトン性液体を挙げることができる。
In the preparation step, a slurry containing the coarse material and the dispersion medium may be prepared.
The dispersion medium preferably has an aprotic property that does not react with the coarse particle material, and examples thereof include a polar aprotic liquid and a nonpolar aprotic liquid.

2.微粒化工程
本開示における微粒化工程は、粉砕処理により、上記粗粒材料を微粒化することで、微粒材料を形成する工程である。
2. Atomization step The atomization step in the present disclosure is a step of forming a fine-grain material by atomizing the coarse-grain material by pulverization.

粉砕処理の方法としては、粗粒材料を微粒化し、所望の微粒材料を得ることができれば特に限定されない。粉砕処理の方法としては、例えば、破砕メディアを用いた粉砕装置を使用する方法を挙げることができる。
粉砕メディアとしては、ビーズ、ボール、ブレード等を挙げることができる。粉砕メディアの材料としては、例えば、セラミックス、ガラス、金属等を挙げることができる。粉砕装置としては、例えば、ビーズミル装置、ボールミル装置等を挙げることができる。微粒化の条件は、目的とする硫化物固体電解質微粒子が得られるように適宜調整する。
The pulverization method is not particularly limited as long as a coarse material can be atomized to obtain a desired fine material. Examples of the pulverization method include a method using a pulverization apparatus using a pulverization medium.
Examples of the grinding media include beads, balls, and blades. Examples of the material for the grinding media include ceramics, glass, and metal. Examples of the grinding device include a bead mill device and a ball mill device. The atomization conditions are adjusted as appropriate so that the desired sulfide solid electrolyte fine particles can be obtained.

粉砕装置の容器内部には、破砕メディアを撹拌する(破砕メディアに運動エネルギーを付与する)回転体が設置されていても良い。回転体の周速は、例えば、8m/s〜18m/sの範囲内であっても良い。なお、回転体の周速とは、通常、回転体の最外周の周速をいう。   A rotating body that stirs the crushing medium (giving kinetic energy to the crushing medium) may be installed inside the container of the crushing device. The peripheral speed of the rotating body may be within a range of 8 m / s to 18 m / s, for example. The peripheral speed of the rotating body usually means the peripheral speed of the outermost periphery of the rotating body.

また、粉砕装置により粗粒材料に付与される総粉砕エネルギーを以下のように定義する。
総粉砕エネルギー=(mv/2)nt/s
(式中、mは破砕メディア1個当たりの重量(kg)であり、vは回転体の周速(m/s)であり、nは破砕メディアの数(個)であり、tは処理時間(秒)であり、sは粗粒材料の重量(g)である)
総粉砕エネルギーは、例えば、4.5kJ・sec/g〜30kJ・sec/gの範囲内であっても良い。
Further, the total pulverization energy imparted to the coarse material by the pulverizer is defined as follows.
The total milling energy = (mv 2/2) nt / s
(Where m is the weight (kg) per crushing medium, v is the peripheral speed (m / s) of the rotating body, n is the number of crushing media (pieces), and t is the processing time. (Second) and s is the weight (g) of the coarse-grained material)
The total pulverization energy may be within a range of, for example, 4.5 kJ · sec / g to 30 kJ · sec / g.

微粒化工程で得られる微粒材料の形状は、例えば、真球状、楕円球状等の球状であっても良く、扁平形状(鱗片形状)であっても良い。微粒材料の平均粒径(D50)は、例えば、後述する硫化物固体電解質微粒子の平均粒径(D50)と同程度であっても良い。 The shape of the fine particle material obtained in the atomization step may be, for example, a spherical shape such as a true spherical shape or an elliptical spherical shape, or may be a flat shape (scale shape). The average particle diameter (D 50 ) of the fine particle material may be, for example, approximately the same as the average particle diameter (D 50 ) of sulfide solid electrolyte fine particles described later.

3.結晶化工程
本開示における結晶化工程は、熱処理により、上記微粒材料を結晶化する工程である。
結晶化工程では、微粒材料に対し物理的刺激を与えながら上記熱処理をする。結晶化工程においては、物理的刺激が与えられることで、微粒材料は、例えば、回転(転動)、振動することで、微粒材料同士の接触頻度が少なくなり、凝集・ネッキングが抑制されると推測される。
3. Crystallization Step The crystallization step in the present disclosure is a step of crystallizing the fine particle material by heat treatment.
In the crystallization process, the heat treatment is performed while giving physical stimulation to the fine-grained material. In the crystallization process, when a physical stimulus is applied, the fine particle material, for example, rotates (rolls) and vibrates, so that the contact frequency between the fine particle materials decreases, and aggregation / necking is suppressed. Guessed.

微粒材料に対し物理的刺激を与えながら熱処理をする熱処理方法としては、例えば、回転装置を備えた焼成炉(回転焼成炉)を用いた熱処理方法であっても良く、撹拌装置を備えた焼成炉を用いた熱処理方法であっても良く、振動装置を備えた焼成炉を用いた熱処理方法であっても良い。本開示においては、中でも、回転焼成炉を用いた熱処理方法であることが好ましい。微粒材料同士の凝集を好適に抑制することができるからである。   As a heat treatment method for performing heat treatment while giving physical stimulation to the fine particle material, for example, a heat treatment method using a firing furnace (rotary firing furnace) provided with a rotating device may be used, and a firing furnace provided with a stirring device. It may be a heat treatment method using a heat treatment method, or a heat treatment method using a firing furnace equipped with a vibration device. In the present disclosure, a heat treatment method using a rotary firing furnace is particularly preferable. This is because agglomeration between the fine particle materials can be suitably suppressed.

ここで、結晶化工程に用いられる回転焼成炉について図を用いて説明する。図4は回転焼成炉の一例を示す概略断面図である。図4に示される回転焼成炉10は、焼成炉(例えば、管状炉)11と、焼成炉11内に配置される石英管12と、回転部13と、石英管12および回転部13を接続する回転ロッド14とを有する。   Here, the rotary firing furnace used in the crystallization process will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a schematic sectional view showing an example of a rotary firing furnace. A rotary baking furnace 10 shown in FIG. 4 connects a baking furnace (for example, a tubular furnace) 11, a quartz tube 12 disposed in the baking furnace 11, a rotating unit 13, the quartz tube 12 and the rotating unit 13. And a rotating rod 14.

回転焼成炉を用いた熱処理方法において、石英管の内径は、例えば、φ5mm〜φ25mmの範囲内であることが好ましい。微粒材料を良好に熱処理することができるからである。また、回転焼成炉における回転数は、例えば、10rpm以上であることがより好ましく、30rpm以上であることが好ましく、50rpm以上であることがさらに好ましい。また、上記回転数は、例えば、500rpm以下であることが好ましく、250rpm以下であることがより好ましく、100rpm以下であることが特に好ましい。
回転焼成炉に用いられる焼成炉の形状としては、微粒材料を目的の熱処理温度で熱処理することができれば特に限定されないが、例えば、管状炉が挙げられる。
In the heat treatment method using a rotary firing furnace, the inner diameter of the quartz tube is preferably in the range of φ5 mm to φ25 mm, for example. This is because the fine particle material can be heat-treated satisfactorily. Further, the number of rotations in the rotary baking furnace is, for example, more preferably 10 rpm or more, preferably 30 rpm or more, and more preferably 50 rpm or more. The number of rotations is, for example, preferably 500 rpm or less, more preferably 250 rpm or less, and particularly preferably 100 rpm or less.
The shape of the firing furnace used in the rotary firing furnace is not particularly limited as long as the fine particle material can be heat-treated at a target heat treatment temperature, and examples thereof include a tubular furnace.

結晶化工程における熱処理温度、および熱処理時間は、所望の硫化物固体電解質微粒子に応じて適宜調整される。上記熱処理温度は、例えば、300℃以上であっても良く、350℃以上であっても良く、400℃以上であっても良い。また、上記熱処理温度は、例えば、650℃以下であっても良く、600℃以下であっても良く、550℃以下であっても良い。
また、上記熱処理時間は、例えば、30分以上であっても良く、1時間以上であっても良く、2時間以上であっても良い。また、上記熱処理時間は、例えば、24時間以下であっても良く、12時間以下であっても良く、10時間以下であっても良い。
室温(25℃)から上記熱処理時間までの昇温速度(℃/分)は特に限定されない。
熱処理は、不活性ガス雰囲気(例えばArガス雰囲気)または減圧雰囲気(特に真空中)で行うことが好ましい。硫化物固体電解質の劣化(例えば酸化)を防止できるからである。
また、結晶化工程においては、微粒材料を100mg〜10gの範囲内で熱処理しても良い。
The heat treatment temperature and heat treatment time in the crystallization step are appropriately adjusted according to the desired sulfide solid electrolyte fine particles. The heat treatment temperature may be, for example, 300 ° C. or higher, 350 ° C. or higher, or 400 ° C. or higher. The heat treatment temperature may be, for example, 650 ° C. or less, 600 ° C. or less, or 550 ° C. or less.
The heat treatment time may be, for example, 30 minutes or longer, 1 hour or longer, or 2 hours or longer. The heat treatment time may be, for example, 24 hours or less, 12 hours or less, or 10 hours or less.
The rate of temperature rise (° C./min) from room temperature (25 ° C.) to the heat treatment time is not particularly limited.
The heat treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere (eg, Ar gas atmosphere) or a reduced pressure atmosphere (particularly in vacuum). This is because deterioration (for example, oxidation) of the sulfide solid electrolyte can be prevented.
In the crystallization step, the fine particle material may be heat-treated within a range of 100 mg to 10 g.

本開示においては、結晶化工程を行うことにより、硫化物固体電解質微粒子を得ることができる。   In the present disclosure, sulfide solid electrolyte fine particles can be obtained by performing a crystallization step.

4.硫化物固体電解質微粒子
本開示により得られる硫化物固体電解質微粒子の平均粒径(D50)は、例えば、10μm以下であり、5μm以下であることが好ましい。一方、硫化物固体電解質微粒子の平均粒径(D50)は、例えば、0.01μm以上である。
4). Sulfide solid electrolyte fine particles The average particle diameter (D 50 ) of the sulfide solid electrolyte fine particles obtained by the present disclosure is, for example, 10 μm or less, and preferably 5 μm or less. On the other hand, the average particle diameter (D 50 ) of the sulfide solid electrolyte fine particles is, for example, 0.01 μm or more.

また、本開示により得られる硫化物固体電解質微粒子の平均粒径(D50)をDとし、微粒材料の平均粒径(D50)をDとする場合、D/Dは、例えば、2以下であっても良く、1.5以下であっても良く、1.2以下であっても良く、0.95以下であっても良い。 Also, when the average particle size of the sulfide solid electrolyte fine particles obtained by the present disclosure (D 50) and D A, to an average particle size of the fine material (D 50) and D B, D A / D B, for example It may be 2 or less, 1.5 or less, 1.2 or less, or 0.95 or less.

本開示により得られる硫化物固体電解質微粒子は、球状であっても良く、扁平形状であっても良い。また、本開示により得られる硫化物固体電解質微粒子は、通常、ガラスセラミックスである。   The sulfide solid electrolyte fine particles obtained by the present disclosure may be spherical or flat. The sulfide solid electrolyte fine particles obtained by the present disclosure are usually glass ceramics.

また、本開示により得られる硫化物固体電解質微粒子は、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=17.38°、20.18°、20.44°、23.56°、23.96°、24.93°、26.96°、29.07°、29.58°、31.71°、32.66°、33.39°の位置にピークを有する結晶相を有することが好ましい。これらのピーク位置は、材料組成等によって結晶格子が若干変化するため、±0.50°の範囲で前後していても良く、±0.30°の範囲で前後していても良い。この結晶相(結晶相Aと称する)は、いわゆるLGPS型結晶相として知られている。なお、結晶相Aの存在は、ピーク強度の高い1または2以上のピーク位置から特定できる。   In addition, the sulfide solid electrolyte fine particles obtained by the present disclosure have 2θ = 17.38 °, 20.18 °, 20.44 °, 23.56 °, 23.96 in the X-ray diffraction measurement using CuKα ray. It is preferable to have a crystal phase having peaks at positions of 24, 93, 26.96, 29.07, 29.58, 31.71, 32.66, and 33.39. Since the crystal lattice slightly changes depending on the material composition and the like, these peak positions may fluctuate within a range of ± 0.50 ° or may fluctuate within a range of ± 0.30 °. This crystal phase (referred to as crystal phase A) is known as a so-called LGPS type crystal phase. The presence of the crystal phase A can be identified from one or more peak positions having a high peak intensity.

一方、結晶相AよりもLiイオン伝導性が低い結晶相(結晶相Bと称する)として、2θ=17.46°、18.12°、19.99°、22.73°、25.72°、27.33°、29.16°、29.78°のピークを有する結晶相が知られている。これらのピーク位置も、材料組成等によって結晶格子が若干変化するため、±0.50°の範囲で前後していても良く、±0.30°の範囲で前後していても良い。なお、結晶相Bの存在は、ピーク強度の高い1または2以上のピーク位置から特定できる。   On the other hand, as a crystal phase having lower Li ion conductivity than the crystal phase A (referred to as crystal phase B), 2θ = 17.46 °, 18.12 °, 19.99 °, 22.73 °, 25.72 °. , 27.33 °, 29.16 °, 29.78 °, crystalline phases are known. Since the crystal lattice slightly changes depending on the material composition and the like, these peak positions may also move around ± 0.50 ° or around ± 0.30 °. The presence of the crystal phase B can be specified from one or more peak positions having a high peak intensity.

結晶相Aにおける2θ=29.58°付近のピークの回折強度をIとし、結晶相Bにおける2θ=27.33°付近のピークの回折強度をIとした場合、I/Iの値は、例えば、0.50未満であり、0.45以下であることが好ましく、0.25以下であることがより好ましく、0.15以下であることがさらに好ましく、0.07以下であることが特に好ましい。また、I/Iの値は0であっても良い。言い換えると、硫化物固体電解質微粒子は、結晶相Bを有しなくても良い。結晶相Aの割合が多くなることで、Liイオン伝導度の高い硫化物固体電解質微粒子とすることができる。 The diffraction intensity of the peak near 2 [Theta] = 29.58 ° in the crystal phase A and I A, the diffraction intensity of the peak near 2 [Theta] = 27.33 ° in the crystalline phase B when the I B, the I B / I A The value is, for example, less than 0.50, preferably 0.45 or less, more preferably 0.25 or less, further preferably 0.15 or less, and 0.07 or less. It is particularly preferred. Further, the value of I B / I A may be 0. In other words, the sulfide solid electrolyte fine particles may not have the crystal phase B. By increasing the proportion of the crystal phase A, it is possible to obtain sulfide solid electrolyte fine particles having high Li ion conductivity.

本開示により得られる硫化物固体電解質微粒子の用途としては、例えば、固体電池用途を挙げることができる。また、本開示においては、正極活物質層と、負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された固体電解質層とを有する固体電池の製造方法であって、上記正極活物質層、上記負極活物質層および上記固体電解質層の少なくとも一つに、上述した硫化物固体電解質微粒子を用いることを特徴とする固体電池の製造方法を提供することもできる。固体電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。   Examples of the use of the sulfide solid electrolyte fine particles obtained by the present disclosure include a solid battery use. Further, in the present disclosure, there is provided a method for manufacturing a solid battery having a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. It is also possible to provide a method for producing a solid battery, characterized in that the sulfide solid electrolyte fine particles described above are used for at least one of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the solid electrolyte layer. The solid battery may be a primary battery or a secondary battery, but is preferably a secondary battery. This is because it can be repeatedly charged and discharged and is useful, for example, as an in-vehicle battery.

なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示の技術的範囲に包含される。   In addition, this indication is not limited to the said embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has the same configuration as the technical idea described in the claims of the present disclosure and has the same function and effect regardless of the present embodiment. It is included in the technical scope of the disclosure.

以下に実施例を示して本開示をさらに具体的に説明する。   The present disclosure will be described more specifically with reference to examples.

[実施例]
(微粒材料の作製)
LiS、PおよびSnSを混合し、原料組成物を得た。原料組成物に対して、メカニカルミリングを行い、硫化物ガラスを合成した。得られた硫化物ガラスと、ジルコニアボール(φ1mm)とを、ジルコニアポット(容積45mL)に入れ、メカニカルミリングを行い、微粒化した硫化物固体電解質(微粒材料)を得た。
[Example]
(Preparation of fine particle material)
Li 2 S, P 2 S 5 and SnS 2 were mixed to obtain a raw material composition. Mechanical milling was performed on the raw material composition to synthesize sulfide glass. The obtained sulfide glass and zirconia balls (φ1 mm) were put in a zirconia pot (volume 45 mL), and mechanical milling was performed to obtain a finely divided sulfide solid electrolyte (fine particle material).

(回転焼成炉による微粒材料の熱処理)
微粒化した硫化物固体電解質(微粒材料)500mgを、粉末のまま石英管(内径φ15mm)内に真空封入した。石英管を回転ロッドに接続し、管状炉中で保持した。回転数を70rpmとし、15分間かけて550℃まで昇温し、3時間保持して焼成した。その後に、室温(25℃程度)まで炉内にて自然冷却を行うことで結晶性の硫化物固体電解質微粒子を得た。
(Heat treatment of fine-grained material in a rotary firing furnace)
500 mg of finely divided sulfide solid electrolyte (fine particle material) was vacuum-sealed in a quartz tube (inner diameter φ15 mm) as a powder. A quartz tube was connected to a rotating rod and held in a tubular furnace. The number of revolutions was set to 70 rpm, the temperature was raised to 550 ° C. over 15 minutes, and held for 3 hours for firing. Thereafter, natural cooling was performed in the furnace to room temperature (about 25 ° C.) to obtain crystalline sulfide solid electrolyte fine particles.

[比較例]
(マッフル炉内での静置による微粒材料の熱処理)
実施例と同様にして微粒材料を準備した。
得られた微粒材料500mgを、粉末のまま石英管内に真空封入した。この石英管をマッフル炉内に静置し、15分間かけて550℃まで昇温し、3時間保持して焼成した。その後に室温(25℃程度)まで炉内にて自然冷却を行うことで結晶性の硫化物固体電解質微粒子を得た。
[Comparative example]
(Heat treatment of fine particles by standing in a muffle furnace)
A fine particle material was prepared in the same manner as in the example.
500 mg of the obtained fine material was vacuum-sealed in a quartz tube as a powder. The quartz tube was allowed to stand in a muffle furnace, heated to 550 ° C. over 15 minutes, held for 3 hours and fired. Thereafter, natural cooling was performed in the furnace to room temperature (about 25 ° C.) to obtain crystalline sulfide solid electrolyte fine particles.

[評価]
(粒度分布測定)
実施例および比較例で得られた硫化物固体電解質微粒子の粒度分布および平均粒径(D50)を、粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル製)を用いて測定した。また、参考例として熱処理前の微粒材料の粒度分布を測定した。実施例、参考例および比較例の粒度分布測定結果を図5に示し、実施例および比較例の平均粒径(D50)の結果を図6に示す。図5に示すように、実施例では、熱処理前の微粒材料(参考例)と比べても粒度分布を維持することができることが確認された。一方、比較例では、参考例と比べて粒径の大きな粒子が多く分布していることが確認された。また、図6に示すように、実施例の平均粒径(D50)は、0.83μmであり、比較例の平均粒径(D50)は、6.3μmであった。実施例では比較例に比べて平均粒径の小さい硫化物固体電解質微粒子が得られることが確認された。
[Evaluation]
(Particle size distribution measurement)
The particle size distribution and average particle size (D 50 ) of the sulfide solid electrolyte fine particles obtained in the examples and comparative examples were measured using a particle size distribution measuring device (manufactured by Microtrack Bell). As a reference example, the particle size distribution of the fine particle material before heat treatment was measured. FIG. 5 shows the particle size distribution measurement results of the examples, reference examples, and comparative examples, and FIG. 6 shows the average particle size (D 50 ) results of the examples and comparative examples. As shown in FIG. 5, it was confirmed that the particle size distribution can be maintained in the example as compared with the fine particle material (reference example) before the heat treatment. On the other hand, in the comparative example, it was confirmed that a large number of particles having a larger particle diameter than the reference example were distributed. As shown in FIG. 6, the average particle size (D 50 ) of the example was 0.83 μm, and the average particle size (D 50 ) of the comparative example was 6.3 μm. In the examples, it was confirmed that sulfide solid electrolyte fine particles having a smaller average particle diameter than those of the comparative examples were obtained.

(Liイオン伝導度測定)
実施例および比較例で得られた硫化物固体電解質微粒子を圧粉し、面積1cm、厚さ約0.5mmのペレットを作製した。得られたペレットに対して、インピーダンスアナライザ(VMP3、Bio-logic製)を用いた交流インピーダンス法による、100kHzの抵抗値を求め、その抵抗値をペレットの厚さで補正することにより、Liイオン伝導度を求めた。その結果を図7に示す。図7に示すように、実施例のLiイオン伝導度は4.6mS/cmであり、比較例は3.2mS/cmであった。実施例では比較例に比べてLiイオン伝導度が高いことが確認された。
(Li ion conductivity measurement)
The sulfide solid electrolyte fine particles obtained in the examples and comparative examples were compacted to produce pellets having an area of 1 cm and a thickness of about 0.5 mm. Li ion conduction is obtained by obtaining a resistance value of 100 kHz by AC impedance method using an impedance analyzer (VMP3, manufactured by Bio-logic) and correcting the resistance value with the thickness of the pellet. I asked for a degree. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 7, the Li ion conductivity of the example was 4.6 mS / cm, and the comparative example was 3.2 mS / cm. In Examples, it was confirmed that Li ion conductivity was higher than that in Comparative Examples.

以上の結果から、実施例では、高いLiイオン伝導度を達成しつつ、平均粒径を小さくすることができることが確認された。   From the above results, it was confirmed that in the examples, the average particle size can be reduced while achieving high Li ion conductivity.

1a …粗粒材料
1b …微粒材料
1c …硫化物固体電解質微粒子
X …物理的刺激
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a ... Coarse-grain material 1b ... Fine-grain material 1c ... Sulfide solid electrolyte fine particle X ... Physical stimulation

Claims (1)

硫化物固体電解質である粗粒材料を準備する準備工程と、
粉砕処理により、前記粗粒材料を微粒化することで、微粒材料を形成する微粒化工程と、
熱処理により、前記微粒材料を結晶化する結晶化工程と、を備え、
前記結晶化工程では、前記微粒材料に対し物理的刺激を与えながら前記熱処理をする、硫化物固体電解質微粒子の製造方法。
A preparation step of preparing a coarse-grained material that is a sulfide solid electrolyte;
By pulverizing the coarse material by pulverization, a finely pulverizing step for forming the fine pulverized material,
A crystallization step of crystallizing the fine particle material by heat treatment,
In the crystallization step, a method for producing sulfide solid electrolyte fine particles, wherein the heat treatment is performed while physically stimulating the fine particle material.
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