JP2019053850A - 硫化物固体電解質 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、本開示のリチウム固体電池における各構成について説明する。
正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有していても良い。特に、本開示においては、正極活物質層が固体電解質を含有し、その固体電解質が、上述した硫化物固体電解質であることが好ましい。正極活物質層に含まれる硫化物固体電解質の割合は、例えば0.1体積%以上であり、1体積%以上であっても良く、10体積%以上であっても良い。一方、硫化物固体電解質の割合は、例えば、80体積%以下であり、60体積%以下であっても良く、50体積%以下であっても良い。また、正極活物質としては、例えばLiCoO2、LiMnO2、Li2NiMn3O8、LiVO2、LiCrO2、LiFePO4、LiCoPO4、LiNiO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等を挙げることができる。
負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有していても良い。特に、本開示においては、負極活物質層が固体電解質を含有し、その固体電解質が、上述した硫化物固体電解質であることが好ましい。負極活物質層に含まれる硫化物固体電解質の割合は、例えば0.1体積%以上であり、1体積%以上であっても良く、10体積%以上であっても良い。一方、硫化物固体電解質の割合は、例えば、80体積%以下であり、60体積%以下であっても良く、50体積%以下であっても良い。また、負極活物質としては、例えば金属活物質およびカーボン活物質を挙げることができる。金属活物質としては、例えばIn、Al、SiおよびSn等を挙げることができる。一方、カーボン活物質としては、例えばメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。
固体電解質層は、正極活物質層および負極活物質層の間に形成される層である。固体電解質層は、通常、固体電解質を含有する。本開示においては、固体電解質層が、上述した硫化物固体電解質を含有することが好ましい。固体電解質層に含まれる硫化物固体電解質の割合は、例えば、10体積%以上であり、50体積%以上であっても良い。一方、硫化物固体電解質の割合は、例えば、100体積%以下である。固体電解質層の厚さは、例えば、0.1μm以上、1000μm以下である。また、固体電解質層の形成方法としては、例えば、固体電解質を圧縮成形する方法等を挙げることができる。
リチウム固体電池は、上述した正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層を少なくとも有する。さらに通常は、正極活物質層の集電を行う正極集電体、および負極活物質層の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体の材料としては、例えばSUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができる。一方、負極集電体の材料としては、例えばSUS、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができる。また、正極集電体および負極集電体の厚さや形状等については、電池の用途等に応じて適宜選択することが好ましい。また、本開示に用いられる電池ケースには、一般的な電池の電池ケースを用いることができ、例えばSUS製電池ケース等を挙げることができる。
リチウム固体電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも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。リチウム固体電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。また、リチウム固体電池の製造方法は、上述した電池を得ることができる方法であれば特に限定されるものではなく、一般的なリチウム固体電池の製造方法と同様の方法を用いることができる。その製造方法の一例としては、正極活物質層を構成する材料、固体電解質層を構成する材料、および負極活物質層を構成する材料を順次プレスすることにより、発電要素を作製し、この発電要素を電池ケースの内部に収納し、電池ケースをかしめる方法等を挙げることができる。
原料として、硫化リチウム(Li2S、三津和化学工業製)、五硫化二リン(P2S5、アルドリッチ社製)、窒化リチウム(Li3N、アルドリッチ社製)を用いた。それぞれの原料を、(70−1.5y)Li2S・30P2S5・yLi3Nの組成において、y=0となるように秤量した。秤量した混合物1gを、φ4mmのZrO2ボール500個と共に、遊星型ボールミルのポット(45cc、ZrO2製)に投入し、密封した。この容器を遊星型ボールミル機(フリッチュ製、P−7)に取り付け、台盤回転数510rpmで45時間メカニカルミリングを行い、硫化物ガラスを得た。
(70−1.5y)Li2S・30P2S5・yLi3Nの組成において、y=5となるように、原料を秤量したこと以外は、比較例1と同様にして硫化物固体電解質を得た。
(70−1.5y)Li2S・30P2S5・yLi3Nの組成において、y=7となるように、原料を秤量したこと以外は、比較例1と同様にして硫化物固体電解質を得た。
(70−1.5y)Li2S・30P2S5・yLi3Nの組成において、y=10となるように、原料を秤量したこと以外は、比較例1と同様にして硫化物固体電解質を得た。
(70−1.5y)Li2S・30P2S5・yLi3Nの組成において、y=20となるように、原料を秤量したこと以外は、比較例1と同様にして硫化物固体電解質を得た。
組成を70Li2S・30P2S5・yLi3Nに変更し、その組成において、y=1となるように、原料を秤量したこと以外は、比較例1と同様にして硫化物固体電解質を得た。なお、上記組成は、厳密には、(100−Y)(0.7Li2S・0.3P2S5)・YLi3NにおけるY=1である。
70Li2S・30P2S5・yLi3Nの組成において、y=3.1となるように、原料を秤量したこと以外は、実施例3と同様にして硫化物固体電解質を得た。なお、上記組成は、厳密には、(100−Y)(0.7Li2S・0.3P2S5)・YLi3NにおけるY=3である。
70Li2S・30P2S5・yLi3Nの組成において、y=11.1となるように、原料を秤量したこと以外は、実施例3と同様にして硫化物固体電解質を得た。なお、上記組成は、厳密には、(100−Y)(0.7Li2S・0.3P2S5)・YLi3NにおけるY=10である。
70Li2S・30P2S5・yLi3Nの組成において、y=25となるように、原料を秤量したこと以外は、実施例3と同様にして硫化物固体電解質を得た。なお、上記組成は、厳密には、(100−Y)(0.7Li2S・0.3P2S5)・YLi3NにおけるY=20である。
(硫化水素発生量測定)
実施例1〜4および比較例1〜5で得られた硫化物固体電解質の硫化水素発生量を測定した。硫化物固体電解質50mgを容積2000cm3のガラスデシケータに静置し、湿度70%の大気に曝露した。デシケータ中の硫化水素濃度を、硫化水素センサ(GBL−HS、イチネンジコー社製)により測定した。なお、曝露開始後5分後の硫化水素発生量を測定した。その結果を表1に示す。また、測定結果の一例として、図3に、実施例2および比較例1で得られた硫化物固体電解質に対する硫化水素発生量の時間経過を示す。
実施例1〜4および比較例1〜5で得られた硫化物固体電解質に対して、交流インピーダンス法によるLiイオン伝導度測定を行った。硫化物固体電解質を6ton/cm2の圧力でコールドプレスすることで、φ11.28mm、厚さ約500μmのペレットを作製した。得られたペレットをAr雰囲気中でFRA(周波数応答アナライザ、ソーラトロン、SI1260、東陽テクニカ社製)にて交流インピーダンス測定を行った。測定は、25℃に調整した恒温槽内で行った。その結果を表1、図4、図5に示す。
実施例1〜4および比較例1〜5で得られた硫化物固体電解質に対して、X線回折(XRD)測定を行った。X線回折装置(SmartLab、リガク社製)を用い、CuKα線(1.41Å)にて、2θ=10°〜40°の範囲で測定を行った。その結果を図6〜図9に示す。なお、図7は、図6の一部を拡大した拡大図であり、図9は、図8の一部を拡大した拡大図である。
実施例1〜4および比較例1〜5で得られた硫化物固体電解質に対して、ラマン分光測定を行った。ラマン分光装置(Lab-Ram HR-800、Horiba Jobin Yvon社製)を用いた。その結果を図10および図11に示す。図10および図11に示すように、Li3Nの添加によって、P2S7 4−ユニット(不安定な架橋硫黄構造)の割合が減少していることが確認された。その結果、硫化水素発生量が低減した推測される。
2 …負極活物質層
3 …固体電解質層
4 …正極集電体
5 …負極集電体
6 …電池ケース
Claims (1)
- Li元素、P元素、S元素およびN元素を含有し、
Li7P3S11構造を有する結晶相を備え、
一般式:xLi2S−30P2S5−yLi3N(1≦y≦7、66.5≦x+y≦73.1)で表される組成を有する、硫化物固体電解質。
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