JP2020027781A - Method for manufacturing lgps-based solid electrolyte - Google Patents

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Abstract

To provide a method for manufacturing an LGPS-based solid electrolyte which is excellent in productivity, suppresses generation of a by-product, and exhibits stable performance.SOLUTION: A method for manufacturing an LGPS-based solid electrolyte includes: a slurry liquefaction step of stirring LiPSin an organic solvent to prepare a slurry liquid; a homogeneous liquefaction step of dissolving LiSnSin an alcohol-based solvent to prepare a homogeneous solution; a homogeneous mixing liquefaction step of mixing the slurry liquid and the homogeneous solution to prepare a homogeneous mixing solution; a drying step of removing a mixed solvent of the organic solvent and the alcohol-based solvent from the homogeneous mixing solution to obtain a precursor; and a heat treatment step of heat-treating the precursor at 200-700°C to obtain an LGPS-based solid electrolyte.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、LGPS系固体電解質の製造方法に関する。なお、LGPS系固体電解質とは、Li、P及びSを含む、特定の結晶構造を有する固体電解質を言うが、例えば、Li、M(MはGe、Si及びSnからなる群より選ばれる一種以上の元素)、P及びSを含む固体電解質が挙げられる。   The present invention relates to a method for producing an LGPS-based solid electrolyte. Note that the LGPS-based solid electrolyte refers to a solid electrolyte having a specific crystal structure including Li, P, and S. For example, Li, M (M is at least one selected from the group consisting of Ge, Si, and Sn) ), A solid electrolyte containing P and S.

近年、携帯情報端末、携帯電子機器、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、更には定置型蓄電システムなどの用途において、リチウムイオン二次電池の需要が増加している。しかしながら、現状のリチウムイオン二次電池は、電解液として可燃性の有機溶媒を使用しており、有機溶媒が漏れないように強固な外装を必要とする。また、携帯型のパソコン等においては、万が一電解液が漏れ出した時のリスクに備えた構造を取る必要があるなど、機器の構造に対する制約も出ている。   In recent years, demand for lithium ion secondary batteries has increased for applications such as portable information terminals, portable electronic devices, electric vehicles, hybrid electric vehicles, and stationary power storage systems. However, the current lithium ion secondary battery uses a flammable organic solvent as an electrolytic solution, and requires a strong exterior so that the organic solvent does not leak. In addition, in the case of a portable personal computer or the like, there is a restriction on the structure of the device, such as the necessity of taking a structure for the risk in the event of leakage of the electrolyte.

更には、自動車や飛行機等の移動体にまでその用途が広がり、定置型のリチウムイオン二次電池においては大きな容量が求められている。このような状況の下、安全性が従来よりも重視される傾向にあり、有機溶媒等の有害な物質を使用しない全固体リチウムイオン二次電池の開発に力が注がれている。   Further, its use has been extended to mobile objects such as automobiles and airplanes, and large capacity is required for stationary lithium ion secondary batteries. Under these circumstances, safety has tended to be more important than ever, and efforts have been made to develop an all-solid-state lithium ion secondary battery that does not use harmful substances such as organic solvents.

例えば、全固体リチウムイオン二次電池における固体電解質として、酸化物、リン酸化合物、有機高分子、硫化物等を使用することが検討されている。
これらの固体電解質の中で、硫化物はイオン伝導度が高く、比較的やわらかく固体−固体間の界面を形成しやすい特徴がある。活物質にも安定であり、実用的な固体電解質として開発が進んでいる。
For example, use of an oxide, a phosphate compound, an organic polymer, a sulfide, or the like as a solid electrolyte in an all-solid-state lithium ion secondary battery has been studied.
Among these solid electrolytes, sulfides have a high ionic conductivity and are relatively soft and easily form a solid-solid interface. It is stable for active materials and is being developed as a practical solid electrolyte.

全固体電池は固体−固体の界面形成が難しく、そのために高いプレス圧をかけて成形する必要がある。これに対し、溶液化した固体電解質を用いることで、低いプレス圧で良好な界面が形成されることが開示されている(特許文献1)。しかし、正極層および負極層自体は高いプレス圧で成形する必要があるとともに、硫化物固体電解質をアルコール溶媒で溶かすと、徐々に硫化物固体電解質が分解し、硫化水素が発生するという課題があった。また、LiS−P系固体電解質をN−メチルホルムアミド溶媒を用いて均一化する手法も開示されているが、この系から得られる固体電解質のイオン伝導度は2.6×10−6S/cmであり、必ずしも高いものではない。 All-solid-state batteries have difficulty in forming a solid-solid interface, and need to be molded under a high press pressure. On the other hand, it is disclosed that a good interface is formed at a low press pressure by using a solution-formed solid electrolyte (Patent Document 1). However, the positive electrode layer and the negative electrode layer need to be formed under a high press pressure, and when the sulfide solid electrolyte is dissolved in an alcohol solvent, the sulfide solid electrolyte is gradually decomposed to generate hydrogen sulfide. Was. Further, a method of homogenizing a Li 2 SP 2 S 5 -based solid electrolyte using an N-methylformamide solvent is also disclosed, but the ionic conductivity of the solid electrolyte obtained from this system is 2.6 × 10 5 −6 S / cm, which is not always high.

特開2015−2080号公報JP 2015-2080 A

第54回電池討論会、3E17(2013)The 54th Battery Symposium, 3E17 (2013)

このような状況の下、生産性に優れ、副生成物の発生を抑え、安定した性能を示すLGPS系固体電解質の製造法を提供することが望まれている。   Under such circumstances, it is desired to provide a method for producing an LGPS-based solid electrolyte which is excellent in productivity, suppresses generation of by-products, and exhibits stable performance.

そこで、本発明者らは、上記課題に鑑みて鋭意研究を行ったところ、以下の本発明によって、不純物の少ない安定した性能を示すLGPS系固体電解質を製造できるという、予想外の知見を得た。   Therefore, the present inventors have conducted intensive studies in view of the above problems, and have obtained unexpected findings that the following present invention can produce an LGPS-based solid electrolyte having stable performance with less impurities. .

すなわち、本発明は、以下の通りである。
<1> LiPSを有機溶媒中で攪拌することによってスラリー液を調製するスラリー液化工程と、
LiSnSをアルコール系溶媒中に溶解することによって均一溶液を調製する均一溶液化工程と、
前記スラリー液と前記均一溶液とを混合することによって混合均一溶液を調製する混合均一溶液化工程と、
前記混合均一溶液から前記有機溶媒と前記アルコール系溶媒との混合溶媒を除去して前駆体を得る乾燥工程と、
前記前駆体を200〜700℃にて加熱処理してLGPS系固体電解質を得る加熱処理工程と、を含むことを特徴とするLGPS系固体電解質の製造方法である。
<2> 前記LiPSが、ラマン測定において420±10cm−1にピークを有し、前記LiSnSが、ラマン測定において346±10cm−1にピークを有する、上記<1>に記載の製造方法である。
<3> 前記有機溶媒が、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、酢酸エチル、及び酢酸メチルからなる群より選ばれる少なくとも1種である、上記<1>または<2>に記載の製造方法である。
<4> 前記アルコール系溶媒が、メタノール、エタノール、1−プロパノール、及び1−ブタノールからなる群より選ばれる少なくとも1種である、上記<1>から<3>のいずれかに記載の製造方法である。
<5> 前記乾燥工程における温度が、60〜280℃である、上記<1>から<4>のいずれかに記載の製造方法である。
<6> 前記LGPS系固体電解質が、X線回折(CuKα:λ=1.5405Å)において、少なくとも、2θ=19.80°±0.50°、20.10°±0.50°、26.60°±0.50°、及び29.10°±0.50°の位置にピークを有する、上記<1>から<5>のいずれかに記載の製造方法である。
<7> 前記2θ=29.10°±0.50°のピークの回折強度をIとし、2θ=27.33°±0.50°のピークの回折強度をIとした場合に、I/Iの値が0.50未満である、上記<6>に記載の製造方法である。
<8> 前記LGPS系固体電解質が、Li元素およびS元素から構成される八面体Oと、P及びSnからなる群より選ばれる一種以上の元素およびS元素から構成される四面体Tと、P元素およびS元素から構成される四面体Tとを有し、前記四面体Tおよび前記八面体Oは稜を共有し、前記四面体Tおよび前記八面体Oは頂点を共有する結晶構造を主体として含有する、上記<1>から<7>のいずれかに記載の製造方法である。
<9> 前記加熱処理工程を不活性ガス雰囲気下で行う、上記<1>から<8>のいずれかに記載の製造方法である。
<10> 上記<1>から<9>のいずれかに記載の製造方法によって得られたLGPS系固体電解質を加圧成形してなる成形体である。
<11> 上記<1>から<9>のいずれかに記載の製造方法によって得られたLGPS系固体電解質を加圧成形する工程を含む、全固体電池の製造方法である。
That is, the present invention is as follows.
<1> a slurry liquefaction step of preparing a slurry liquid by stirring Li 3 PS 4 in an organic solvent;
A uniform solution preparation step of preparing a uniform solution by dissolving Li 4 SnS 4 in an alcohol-based solvent;
A mixed uniform solution preparation step of preparing a mixed uniform solution by mixing the slurry liquid and the uniform solution,
A drying step of removing a mixed solvent of the organic solvent and the alcohol-based solvent from the mixed homogeneous solution to obtain a precursor,
A heat treatment step of subjecting the precursor to heat treatment at 200 to 700 ° C. to obtain an LGPS-based solid electrolyte.
<2> The above-mentioned <1>, wherein the Li 3 PS 4 has a peak at 420 ± 10 cm −1 in Raman measurement, and the Li 4 SnS 4 has a peak at 346 ± 10 cm −1 in Raman measurement. It is a manufacturing method of.
<3> The method according to <1> or <2>, wherein the organic solvent is at least one selected from the group consisting of tetrahydrofuran, acetonitrile, ethyl acetate, and methyl acetate.
<4> The method according to any one of <1> to <3>, wherein the alcohol-based solvent is at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, 1-propanol, and 1-butanol. is there.
<5> The method according to any one of <1> to <4>, wherein the temperature in the drying step is 60 to 280 ° C.
<6> At least 2θ = 19.80 ° ± 0.50 °, 20.10 ° ± 0.50 °, 26.10 ° in X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.5405 °) of the LGPS-based solid electrolyte. The method according to any one of the above items <1> to <5>, having peaks at positions of 60 ° ± 0.50 ° and 29.10 ° ± 0.50 °.
<7> the diffraction intensity of the peak of the 2θ = 29.10 ° ± 0.50 ° and I A, the diffraction intensity of the peak of 2θ = 27.33 ° ± 0.50 ° when the I B, I the value of B / I a is less than 0.50, a method according to the <6>.
<8> The LGPS based solid electrolyte, and a octahedron O composed of Li element and S elements, a tetrahedron T 1 composed of one or more elements and S element selected from the group consisting of P and Sn, and a tetrahedron T 2 composed of P element and S elements, the tetrahedron T 1 and the octahedron O share the crest the tetrahedron T 2 and the octahedron O share a vertex crystals The method according to any one of <1> to <7>, wherein the method mainly includes a structure.
<9> The method according to any one of <1> to <8>, wherein the heat treatment step is performed in an inert gas atmosphere.
<10> A molded product obtained by press-molding the LGPS solid electrolyte obtained by the production method according to any one of <1> to <9>.
<11> A method for producing an all-solid battery, including a step of pressure-forming the LGPS-based solid electrolyte obtained by the production method according to any one of <1> to <9>.

本発明によれば、LGPS系固体電解質の製造方法を提供することができる。しかも、この製造方法であれば、大量製造にも応用可能である。   According to the present invention, a method for producing an LGPS-based solid electrolyte can be provided. Moreover, this manufacturing method is applicable to mass production.

本発明の一実施形態に係るLGPS系固体電解質の結晶構造を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a crystal structure of an LGPS-based solid electrolyte according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る全固体電池の概略断面図である。1 is a schematic sectional view of an all solid state battery according to one embodiment of the present invention. 実施例1〜4および参考例1で得られたイオン伝導体のX線回折測定の結果を示すグラフである。5 is a graph showing the results of X-ray diffraction measurement of the ionic conductors obtained in Examples 1 to 4 and Reference Example 1. 実施例1〜4および参考例1で得られたイオン伝導体のイオン伝導度測定の結果を示すグラフである。5 is a graph showing the results of ionic conductivity measurement of the ionic conductors obtained in Examples 1 to 4 and Reference Example 1. 実施例1で調製したβ−LiPSおよびLiSnSのラマン分光測定の結果を示すグラフである。5 is a graph showing the results of Raman spectroscopy measurement of β-Li 3 PS 4 and Li 4 SnS 4 prepared in Example 1.

以下、本発明のLGPS系固体電解質の製造方法について具体的に説明する。なお、以下に説明する材料及び構成等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。   Hereinafter, the method for producing the LGPS-based solid electrolyte of the present invention will be specifically described. Note that the materials, configurations, and the like described below do not limit the present invention, but can be variously modified within the scope of the present invention.

<LGPS系固体電解質の製造方法>
本発明のLGPS系固体電解質の製造方法は、LiPSを有機溶媒中で攪拌することによってスラリー液を調製するスラリー液化工程と、LiSnSをアルコール系溶媒中に溶解することによって均一溶液を調製する均一溶液化工程と、前記スラリー液と前記均一溶液とを混合することによって混合均一溶液を調製する混合均一溶液化工程と、前記混合均一溶液から前記有機溶媒と前記アルコール系溶媒との混合溶媒を除去して前駆体を得る乾燥工程と、前記前駆体を200〜700℃にて加熱処理してLGPS系固体電解質を得る加熱処理工程と、を含む。
本発明で使用されるLiPSは、ラマン測定において420±10cm−1にピークを有することが好ましい。また、本発明で使用されるLiSnSは、ラマン測定において346±10cm−1にピークを有することが好ましい。
前記LGPS系固体電解質は、X線回折(CuKα:λ=1.5405Å)において、少なくとも、2θ=19.80°±0.50°、20.10°±0.50°、26.60°±0.50°、及び29.10°±0.60°(より好ましくは29.10°±0.50°)の位置にピークを有することが好ましい。なお、2θ=17.00±0.50°、19.80°±0.50°、20.10°±0.50°、23.50±0.50°、26.60°±0.50°、28.60±0.50°、29.10°±0.60°(より好ましくは29.10°±0.50°)の位置にピークを有することがより好ましい。
<Method for producing LGPS-based solid electrolyte>
The method for producing an LGPS solid electrolyte of the present invention comprises a slurry liquefaction step of preparing a slurry liquid by stirring Li 3 PS 4 in an organic solvent, and a uniform method by dissolving Li 4 SnS 4 in an alcohol solvent. A uniform solution preparation step of preparing a solution, a mixed uniform solution preparation step of preparing a mixed uniform solution by mixing the slurry liquid and the uniform solution, and the organic solvent and the alcohol solvent from the mixed uniform solution. And a heat treatment step of heating the precursor at 200 to 700 ° C. to obtain an LGPS solid electrolyte.
Li 3 PS 4 used in the present invention preferably has a peak at 420 ± 10 cm −1 in Raman measurement. In addition, Li 4 SnS 4 used in the present invention preferably has a peak at 346 ± 10 cm −1 in Raman measurement.
In the X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.5405 °), at least 2θ = 19.80 ° ± 0.50 °, 20.10 ° ± 0.50 °, 26.60 ° ± It is preferable to have peaks at 0.50 ° and 29.10 ° ± 0.60 ° (more preferably 29.10 ° ± 0.50 °). 2θ = 17.00 ± 0.50 °, 19.80 ° ± 0.50 °, 20.10 ° ± 0.50 °, 23.50 ± 0.50 °, 26.60 ° ± 0.50 °, 28.60 ± 0.50 °, 29.10 ° ± 0.60 ° (more preferably 29.10 ° ± 0.50 °) and more preferably has a peak.

また、前記LGPS系固体電解質は、前記2θ=29.10°±0.50°のピークの回折強度をIとし、2θ=27.33°±0.50°のピークの回折強度をIとした場合に、I/Iの値が0.50未満であることが好ましい。より好ましくは、I/Iの値が0.40未満である。これは、Iに相当するのがLGPS結晶のピークであり、Iはイオン伝導性が低い結晶相のためである。
更に、前記LGPS系固体電解質は、図1に示されるように、Li元素およびS元素から構成される八面体Oと、P及びSnからなる群より選ばれる一種以上の元素およびS元素から構成される四面体Tと、P元素およびS元素から構成される四面体Tとを有し、前記四面体Tおよび前記八面体Oは稜を共有し、前記四面体Tおよび前記八面体Oは頂点を共有する結晶構造を主体として含有することが好ましい。
Further, the LGPS based solid electrolyte, the 2 [Theta] = 29.10 diffraction intensity of the peak of ° ± 0.50 ° and I A, the diffraction intensity of the peak of 2θ = 27.33 ° ± 0.50 ° I B in case of a, it is preferable the value of I B / I a is less than 0.50. More preferably, the value of I B / I A is less than 0.40. This is the peak of LGPS crystal to correspond to I A, I B is for ionic conductivity is low crystalline phase.
Further, as shown in FIG. 1, the LGPS-based solid electrolyte is composed of an octahedron O composed of an Li element and an S element, and one or more elements selected from the group consisting of P and Sn and an S element. A tetrahedron T 1 and a tetrahedron T 2 composed of a P element and an S element, wherein the tetrahedron T 1 and the octahedron O share an edge, and the tetrahedron T 2 and the octahedron O O preferably contains mainly a crystal structure sharing a vertex.

従来のLGPS系固体電解質の製造方法として、LiSとPとM(例えばGeS)を原料に用いてイオン伝導体を合成した後、振動ミルや遊星ボールミルによるメカニカルミリング法(WO2011−118801)や、WO2014−196442に記載の溶融急冷法が行われていた。しかし、メカニカルミリング法では工業スケールへの大型化が困難であり、溶融急冷法を大気非暴露で実施するには雰囲気制御の面から大きな制限がかかる。なお、LGPS系固体電解質およびその原料は、大気中の水分や酸素と反応して変質する性質がある。これに対して、本発明による製造方法によれば、アモルファス化工程を必要としない。LiPSとLiSnSとを原料とし、LiPSを有機溶媒中で攪拌することでスラリー液を調製し、LiSnSをアルコール系溶剤中に溶解することによって均一溶液を調製し、該スラリー液と該均一溶液とを混合することによって混合均一溶液を調製し、この混合均一溶液から有機溶媒とアルコール溶媒との混合溶媒を除去して前駆体を得、その後に加熱処理を行うことで、LGPS系固体電解質を得ることができる。LiSnSはアルコールに対して安定であることから、事前にアルコールに溶解できる。このようにすることで、原料の溶解時間を短縮することができる。一方、LiPSは、アルコール中では徐々に分解することから、THF等に懸濁すると、アルコールに対しての安定性が増加する。これは、THFがLiPSと溶媒和することにより、アルコールとの反応を抑制していると推測される。また、LiPSを原料とすることは、加熱処理時の前駆体の揮発・分解を抑えることができるため重要である。前駆体中にPが存在する場合(ラマン測定で判断できる)には、揮発・分解性の高いPの影響により、熱処理工程において副生成物の生成や未反応原料が多くなり、安定した高性能なLGPS系固体電解質が得られにくくなる。 As a conventional method for producing an LGPS-based solid electrolyte, an ion conductor is synthesized using Li 2 S, P 2 S 5, and M x S y (eg, GeS 2 ) as raw materials, and then mechanical milling using a vibration mill or a planetary ball mill. Method (WO2011-118801) and the melt quenching method described in WO2014-196442. However, it is difficult to increase the size of the mechanical milling method to an industrial scale, and there is a great limitation in terms of atmosphere control when the melting and quenching method is performed without exposure to the atmosphere. The LGPS-based solid electrolyte and its raw material have a property of reacting with moisture or oxygen in the atmosphere and being deteriorated. On the other hand, the manufacturing method according to the present invention does not require an amorphization step. Using Li 3 PS 4 and Li 4 SnS 4 as raw materials, a slurry solution is prepared by stirring Li 3 PS 4 in an organic solvent, and a uniform solution is obtained by dissolving Li 4 SnS 4 in an alcohol solvent. And preparing a mixed homogeneous solution by mixing the slurry solution and the uniform solution, removing a mixed solvent of an organic solvent and an alcohol solvent from the mixed homogeneous solution to obtain a precursor, and then performing a heat treatment. Is performed, an LGPS-based solid electrolyte can be obtained. Since Li 4 SnS 4 is stable to alcohol, it can be dissolved in alcohol in advance. By doing so, the dissolution time of the raw material can be shortened. On the other hand, Li 3 PS 4 gradually decomposes in alcohol, and therefore, when suspended in THF or the like, the stability to alcohol increases. This is presumed that THF suppresses the reaction with alcohol by solvating with Li 3 PS 4 . In addition, using Li 3 PS 4 as a raw material is important because volatilization and decomposition of a precursor during heat treatment can be suppressed. When P 2 S 5 is present in the precursor (can be determined by Raman measurement), by the influence of P 2 S 5 having high volatility and decomposability, generation of by-products and unreacted raw materials are large in the heat treatment step. Therefore, it is difficult to obtain a stable and high-performance LGPS solid electrolyte.

<LiPS
LiPSは、α、β、γのいずれでも使用することができるが、より好ましくはβ−LPSである。この理由は、LGPS合成系において、比較的安定に存在するためである。
本発明におけるLiPSは、市販品を用いてもよいが、例えば、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下で、LiSおよびPで表される硫化物から合成することができる。LiPSの製造方法の一例を示すと、LiSおよびPを、LiS:P=1.5:1のモル比となるように量り、(LiS+P)の濃度が10wt%となるようにテトラヒドロフランに対して、LiS、Pの順に加え、室温下で所定時間混合することで均一溶液を得ることができる。なお、この際に、原料の純度や反応の進行度次第で、わずかな析出物が存在することがあるが、最終的に得られるLiPSの純度には大きな影響はない。ただし、析出物が生じた場合は、濾過を行い、析出物を除去することもできる。得られた均一溶液に、上記を含めた全原料組成がLiS:P=3:1の重量比となるように、LiSを更に加え、室温下で所定時間混合しながら、沈殿を得る。これを濾過して得られた濾さいを真空乾燥することにより、LiPSを製造することができる。
<Li 3 PS 4 >
Li 3 PS 4 can be used in any of α, β, and γ, but is more preferably β-LPS. The reason for this is that it is relatively stable in the LGPS synthesis system.
Li 3 PS 4 in the present invention may be a commercially available product. For example, it can be synthesized from sulfides represented by Li 2 S and P 2 S 5 under an inert gas atmosphere such as argon. . As an example of the method for producing Li 3 PS 4 , Li 2 S and P 2 S 5 are weighed to give a molar ratio of Li 2 S: P 2 S 5 = 1.5: 1, and (Li 2 S + P A homogeneous solution can be obtained by adding Li 2 S and P 2 S 5 in this order to tetrahydrofuran so that the concentration of 2 S 5 ) becomes 10 wt% and mixing at room temperature for a predetermined time. At this time, depending on the purity of the raw material and the degree of progress of the reaction, a slight amount of precipitate may be present, but the purity of the finally obtained Li 3 PS 4 is not significantly affected. However, when a precipitate is generated, the precipitate can be removed by performing filtration. Li 2 S is further added to the obtained homogeneous solution so that the total raw material composition including the above becomes Li 2 S: P 2 S 5 = 3: 1 by weight, and mixed at room temperature for a predetermined time. , Get a precipitate. Li 3 PS 4 can be manufactured by vacuum-drying the filter obtained by filtering this.

LiSは、合成品でも市販品でも使用することができる。水分の混入は、他の原料や前駆体を劣化させることから、低い方が好ましく、より好ましくは300ppm以下であり、特に好ましくは50ppm以下である。
なお、上記原料の一部はアモルファスであっても問題はなく使用することができる。
いずれの原料においても粒子径が小さいことが重要であり、好ましくは粒子の直径として10nm〜10μmの範囲であり、より好ましくは10nm〜5μm、更に好ましくは100nm〜1μmの範囲である。なお、粒子径はSEMによる測定やレーザー散乱による粒度分布測定装置等で測定できる。粒子が小さいことで、加熱処理時に反応がしやすくなり、副生成物の生成が抑制できる。
Li 2 S can be used as a synthetic product or a commercial product. Since the mixing of moisture deteriorates other raw materials and precursors, the lower the amount, the more preferable it is, more preferably 300 ppm or less, and particularly preferably 50 ppm or less.
In addition, even if some of the above-mentioned raw materials are amorphous, they can be used without any problem.
It is important that the particle diameter of any of the raw materials is small, preferably the particle diameter is in the range of 10 nm to 10 μm, more preferably 10 nm to 5 μm, and still more preferably 100 nm to 1 μm. The particle size can be measured by a SEM or a particle size distribution measuring device using laser scattering. When the particles are small, the reaction becomes easy during the heat treatment, and the generation of by-products can be suppressed.

<スラリー液化工程>
スラリー液化工程では、LiPSを有機溶媒中で攪拌することによってスラリー液を調製する。
有機溶媒を用いた攪拌方法は、均一に攪拌できることから大量に合成する場合に適している。使用する有機溶媒としては、原料や得られる前駆体と反応しないことが好ましい。例えば、エーテル系溶媒、エステル系溶媒、炭化水素系溶媒、ニトリル系溶媒などが挙げられる。具体的には、テトラヒドロフラン、シクロペンチルメチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジエチルエーテル、ジメチルエーテル、ジオキサン、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、アセトニトリルなどが挙げられる。これらの中でも、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、酢酸エチル、及び酢酸メチルからなる群より選ばれる少なくとも1種が好ましい。原料組成物が劣化することを防止するため、溶媒中の酸素と水分は除去しておくことが好ましく、特に水分については、100ppm以下が好ましく、より好ましくは50ppm以下である。
攪拌は、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴンなどを使用することができ、不活性ガス中の酸素および水分も除去することで原料組成物の劣化を抑制できる。不活性ガス中の酸素および水分は、どちらの濃度も1000ppm以下であることが好ましく、より好ましくは100ppm以下、特に好ましくは10ppm以下である。
<Slurry liquefaction process>
In the slurry liquefaction step, a slurry liquid is prepared by stirring Li 3 PS 4 in an organic solvent.
The stirring method using an organic solvent is suitable for a case where a large amount is synthesized because the stirring method can be performed uniformly. It is preferable that the organic solvent used does not react with the raw materials and the obtained precursor. For example, ether solvents, ester solvents, hydrocarbon solvents, nitrile solvents and the like can be mentioned. Specific examples include tetrahydrofuran, cyclopentyl methyl ether, diisopropyl ether, diethyl ether, dimethyl ether, dioxane, methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate, acetonitrile and the like. Among these, at least one selected from the group consisting of tetrahydrofuran, acetonitrile, ethyl acetate, and methyl acetate is preferable. In order to prevent the raw material composition from deteriorating, it is preferable to remove oxygen and water in the solvent, and the water content is particularly preferably 100 ppm or less, more preferably 50 ppm or less.
The stirring is preferably performed under an inert gas atmosphere. Nitrogen, helium, argon, or the like can be used as the inert gas, and the deterioration of the raw material composition can be suppressed by removing oxygen and moisture in the inert gas. The concentrations of oxygen and moisture in the inert gas are both preferably 1000 ppm or less, more preferably 100 ppm or less, and particularly preferably 10 ppm or less.

<LiSnS
本発明におけるLiSnSは、市販品を用いてもよいが、例えば、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下で、LiSおよびSnSで表される硫化物から合成することができる。LiSnSの製造方法の一例を示すと、LiS:SnS=2:1のモル比になるように量り取り、メノウ乳鉢にて混合する。次に、得られた混合物をジルコニア製ポットに投入し、更にジルコニアボールを投入して、ポットを完全に密閉した後、このポットを遊星型ボールミル機に取り付け、メカニカルミリングを行うことにより、LiSnSを製造することができる。なお、後段の均一溶液化工程において、SnSはアルコールに溶解しないことから、LiSnSの純度は高いことが好ましく、具体的には純度95%以上、更に好ましくは純度98%以上である。
<Li 4 SnS 4 >
Li 4 SnS 4 in the present invention may be a commercially available product. For example, it can be synthesized from a sulfide represented by Li 2 S and SnS 2 under an inert gas atmosphere such as argon. As an example of the method for producing Li 4 SnS 4 , Li 2 S: SnS 2 = 2: 1 is weighed out and mixed in an agate mortar. Then, the resulting mixture was poured into a zirconia pot, and further charged with zirconia balls, was completely sealed pot, attach the pot planetary ball mill, by performing mechanical milling, Li 4 SnS 4 can be manufactured. Since SnS 2 is not dissolved in alcohol in the subsequent homogeneous solution formation step, the purity of Li 4 SnS 4 is preferably high, specifically, 95% or more, more preferably 98% or more. .

<均一溶液化工程>
均一溶液化工程では、LiSnSをアルコール系溶媒中に溶解することによって均一溶液を調製する。
前記アルコール系溶媒としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、1−ブタノール、 1−ペンタノール、1−ヘキサノール、1−ヘプタノール、1−オクタノールなどが挙げられる。これらの中でも、メタノール、エタノール、1−プロパノール、及び1−ブタノールからなる群より選ばれる少なくとも1種が好ましい。
溶解は、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴンなどを使用することができ、不活性ガス中の酸素および水分も除去することで原料組成物の劣化を抑制できる。不活性ガス中の酸素および水分は、どちらの濃度も1000ppm以下であることが好ましく、より好ましくは100ppm以下、特に好ましくは10ppm以下である。
<Homogeneous solution process>
In the uniform solution preparation step, a uniform solution is prepared by dissolving Li 4 SnS 4 in an alcohol-based solvent.
Examples of the alcohol solvent include methanol, ethanol, 1-propanol, 1-butanol, 1-pentanol, 1-hexanol, 1-heptanol, 1-octanol and the like. Among these, at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, 1-propanol, and 1-butanol is preferable.
The dissolution is preferably performed in an inert gas atmosphere. Nitrogen, helium, argon, or the like can be used as the inert gas, and the deterioration of the raw material composition can be suppressed by removing oxygen and moisture in the inert gas. The concentrations of oxygen and moisture in the inert gas are both preferably 1000 ppm or less, more preferably 100 ppm or less, and particularly preferably 10 ppm or less.

<混合均一溶液化工程>
混合均一溶液化工程では、上記スラリー液と上記均一溶液とを混合することによって混合均一溶液を調製する。そのモル比としては上述した結晶構造を構成する元素比となるように調整すればよいが、LiPS:LiSnS=3:1〜2:3のモル比であれば、得られるイオン伝導体はXRD測定において、ほぼLGPS結晶のみのピークとなり、イオン伝導度は高いものとなる。例えばLi10SnP12であれば、LiPS:LiSnS=2:1のモル比で混合する。
<Mixing uniform solution process>
In the mixed uniform solution forming step, a mixed uniform solution is prepared by mixing the slurry liquid and the uniform solution. The molar ratio may be adjusted so as to be the element ratio constituting the above-mentioned crystal structure, but it can be obtained if the molar ratio is Li 3 PS 4 : Li 4 SnS 4 = 3: 1 to 2: 3. In the XRD measurement, the ionic conductor almost has a peak of only the LGPS crystal, and the ionic conductivity is high. For example, in the case of Li 10 SnP 2 S 12 , the mixture is performed at a molar ratio of Li 3 PS 4 : Li 4 SnS 4 = 2: 1.

混合は、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴンなどを使用することができ、不活性ガス中の酸素および水分も除去することで原料組成物の劣化を抑制できる。不活性ガス中の酸素および水分は、どちらの濃度も1000ppm以下であることが好ましく、より好ましくは100ppm以下、特に好ましくは10ppm以下である。   The mixing is preferably performed under an inert gas atmosphere. Nitrogen, helium, argon, or the like can be used as the inert gas, and the deterioration of the raw material composition can be suppressed by removing oxygen and moisture in the inert gas. The concentrations of oxygen and moisture in the inert gas are both preferably 1000 ppm or less, more preferably 100 ppm or less, and particularly preferably 10 ppm or less.

上記スラリー液と上記均一溶液とを混合することによって、原料のすべてが均一に溶けていることが好ましい。
混合における温度は、加熱する必要はないが、有機溶媒を用いた場合は基質の溶解度や溶解速度を上げるために加熱することもできる。加熱する場合には、有機溶媒の沸点以下で行うことで十分である。しかし、オートクレーブ等を用いて加圧状態で行うことも可能である。なお、高い温度で混合を行うと、原料がよく混じり合う前に反応が進行し、副生成物が生成しやくなることから、室温付近で行うことが好ましい。
混合時間としては、混合物が均一となる時間が確保できれば十分である。その時間は製造規模に左右されることが多いが、例えば0.1〜24時間行うことで均一にすることができる。
It is preferable that all of the raw materials are uniformly dissolved by mixing the slurry solution and the uniform solution.
The temperature for mixing does not need to be heated, but when an organic solvent is used, it can be heated to increase the solubility and dissolution rate of the substrate. When heating, it is sufficient to perform the heating at a temperature lower than the boiling point of the organic solvent. However, it is also possible to carry out in a pressurized state using an autoclave or the like. Note that when mixing is performed at a high temperature, the reaction proceeds before the raw materials are well mixed, and a by-product is easily generated. Therefore, the mixing is preferably performed at around room temperature.
As the mixing time, it is sufficient that the time for the mixture to be uniform can be secured. Although the time often depends on the production scale, it can be made uniform by, for example, performing for 0.1 to 24 hours.

<乾燥工程>
乾燥工程では、混合均一溶液化工程で得られた混合均一溶液から有機溶媒とアルコール系溶媒との混合溶媒を除去することによって前駆体を得る。溶媒除去は加熱乾燥や真空乾燥で行い、その最適な温度は有機溶媒の種類によって違いがある。沸点よりも十分に高い温度をかけることで溶媒除去時間を短くすることが可能である。また、溶媒の種類と乾燥温度は重要な関係があり、溶媒が十分に除去できる温度を保ち、かつ、必要以上に乾燥温度を高くしないことにより、前駆体と溶媒の副反応を抑制することができる。有機溶媒を除去する際の温度は、60〜280℃の範囲であることが好ましく、より好ましくは100〜250℃である。なお、真空乾燥等のように減圧下で有機溶媒を除去することで、有機溶媒を除去する際の温度を下げると共に所要時間を短くすることができる。また、十分に水分の少ない窒素やアルゴン等の不活性ガスを流すことでも、溶媒除去に要する時間を短くすることができる。なお、後段の加熱処理工程と溶媒除去を同時に行うことも可能である。
<Drying process>
In the drying step, a precursor is obtained by removing the mixed solvent of the organic solvent and the alcoholic solvent from the mixed homogeneous solution obtained in the mixed uniform solution forming step. The solvent is removed by heating or vacuum drying, and the optimum temperature varies depending on the type of the organic solvent. By applying a temperature sufficiently higher than the boiling point, the solvent removal time can be shortened. In addition, the type of solvent and the drying temperature have an important relationship, and by maintaining a temperature at which the solvent can be sufficiently removed, and by not increasing the drying temperature more than necessary, it is possible to suppress a side reaction between the precursor and the solvent. it can. The temperature at which the organic solvent is removed is preferably in the range of 60 to 280 ° C, and more preferably 100 to 250 ° C. In addition, by removing the organic solvent under reduced pressure such as vacuum drying, the temperature for removing the organic solvent can be reduced and the required time can be shortened. Also, by flowing an inert gas such as nitrogen or argon having a sufficiently low moisture content, the time required for removing the solvent can be shortened. Note that the subsequent heat treatment step and solvent removal can be performed simultaneously.

<加熱処理工程>
本発明の製造方法においては、乾燥工程で得られた前駆体を300〜700℃で加熱処理することによって、LGPS系固体電解質を得る。加熱温度は、好ましくは350〜650℃の範囲であり、より好ましくは400〜600℃の範囲である。300℃よりも温度が低いと所望の結晶が生じにくく、一方、700℃よりも温度が高くても、目的とする以外の結晶が生成し、イオン伝導度が低下する。
<Heat treatment step>
In the production method of the present invention, an LGPS solid electrolyte is obtained by subjecting the precursor obtained in the drying step to a heat treatment at 300 to 700 ° C. The heating temperature is preferably in the range of 350 to 650 ° C, more preferably in the range of 400 to 600 ° C. If the temperature is lower than 300 ° C., desired crystals are less likely to be generated. On the other hand, if the temperature is higher than 700 ° C., crystals other than the target are formed, and the ionic conductivity is reduced.

加熱時間は、加熱温度との関係で若干変化するものの、通常は0.1〜24時間の範囲で十分に結晶化される。高い温度で上記範囲を超えて長時間加熱することは、LGPS系固体電解質の変質が懸念されることから、好ましくない。
加熱は、真空もしくは不活性ガス雰囲気下で合成することができるが、好ましくは不活性ガス雰囲気下である。不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴンなどを使用することができるが、中でもアルゴンが好ましい。酸素や水分が低いことが好ましく、その条件は均一溶液化工程の溶解時と同じである。
Although the heating time varies slightly depending on the heating temperature, the crystallization is usually sufficient in the range of 0.1 to 24 hours. Heating at a high temperature beyond the above range for a long time is not preferable because there is a concern about deterioration of the LGPS solid electrolyte.
The heating can be performed under vacuum or an inert gas atmosphere, but is preferably performed under an inert gas atmosphere. As the inert gas, nitrogen, helium, argon and the like can be used, and among them, argon is preferable. It is preferable that oxygen and moisture are low, and the conditions are the same as those in the dissolution in the uniform solution process.

上記のようにして得られる本発明のLGPS系固体電解質は、各種手段によって所望の成形体とし、以下に記載する全固体電池をはじめとする各種用途に使用することができる。成形方法は特に限定されない。例えば、後述する全固体電池において述べた全固体電池を構成する各層の成形方法と同様の方法を使用することができる。   The LGPS-based solid electrolyte of the present invention obtained as described above can be formed into a desired molded body by various means, and can be used for various applications including the all solid state battery described below. The molding method is not particularly limited. For example, a method similar to the method of forming each layer constituting the all-solid-state battery described below in the all-solid-state battery can be used.

<全固体電池>
本発明のLGPS系固体電解質は、例えば、全固体電池用の固体電解質として使用され得る。また、本発明の更なる実施形態によれば、上述した全固体電池用固体電解質を含む全固体電池が提供される。
<All-solid-state battery>
The LGPS-based solid electrolyte of the present invention can be used, for example, as a solid electrolyte for an all-solid battery. According to a further embodiment of the present invention, there is provided an all-solid battery including the above-described solid electrolyte for an all-solid battery.

ここで「全固体電池」とは、全固体リチウムイオン二次電池である。図2は、本発明の一実施形態に係る全固体電池の概略断面図である。全固体電池10は、正極層1と負極層3との間に固体電解質層2が配置された構造を有する。全固体電池10は、携帯電話、パソコン、自動車等をはじめとする各種機器において使用することができる。
本発明のLGPS系固体電解質は、正極層1、負極層3および固体電解質層2のいずれか一層以上に、固体電解質として含まれてよい。正極層1または負極層3に本発明のLGPS系固体電解質が含まれる場合、本発明のLGPS系固体電解質と公知のリチウムイオン二次電池用正極活物質または負極活物質とを組み合わせて使用する。正極層1または負極層3に含まれる本発明のLGPS系固体電解質の量比は、特に制限されない。
固体電解質層2に本発明のLGPS系固体電解質が含まれる場合、固体電解質層2は、本発明のLGPS系固体電解質単独で構成されてもよいし、必要に応じて、酸化物固体電解質(例えば、LiLaZr12)、硫化物系固体電解質(例えば、LiS−P)やその他の錯体水素化物固体電解質(例えば、LiBH、3LiBH−LiI)などを適宜組み合わせて使用してもよい。
Here, the "all solid state battery" is an all solid state lithium ion secondary battery. FIG. 2 is a schematic sectional view of the all-solid-state battery according to one embodiment of the present invention. The all-solid-state battery 10 has a structure in which a solid electrolyte layer 2 is disposed between a positive electrode layer 1 and a negative electrode layer 3. The all-solid-state battery 10 can be used in various devices such as a mobile phone, a personal computer, and an automobile.
The LGPS solid electrolyte of the present invention may be contained as a solid electrolyte in any one or more of the positive electrode layer 1, the negative electrode layer 3, and the solid electrolyte layer 2. When the positive electrode layer 1 or the negative electrode layer 3 contains the LGPS solid electrolyte of the present invention, the LGPS solid electrolyte of the present invention is used in combination with a known positive electrode active material or negative electrode active material for a lithium ion secondary battery. The amount ratio of the LGPS solid electrolyte of the present invention contained in the positive electrode layer 1 or the negative electrode layer 3 is not particularly limited.
When the solid electrolyte layer 2 contains the LGPS solid electrolyte of the present invention, the solid electrolyte layer 2 may be composed of the solid LGPS solid electrolyte of the present invention alone, or may be an oxide solid electrolyte (for example, if necessary). , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ), a sulfide-based solid electrolyte (eg, Li 2 S—P 2 S 5 ), and other complex hydride solid electrolytes (eg, LiBH 4 , 3LiBH 4 —LiI). They may be used in combination.

全固体電池は、上述した各層を成形して積層することによって作製されるが、各層の成形方法および積層方法については、特に制限されない。
例えば、固体電解質および/または電極活物質を溶媒に分散させてスラリー状としたものをドクターブレードまたはスピンコート等により塗布し、それを圧延することにより製膜する方法;真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等を用いて製膜および積層を行う気相法;ホットプレスまたは温度をかけないコールドプレスによって粉末を成形し、それを積層していく加圧成形法等がある。
The all-solid-state battery is manufactured by forming and laminating the above-described layers, but the forming method and the laminating method of each layer are not particularly limited.
For example, a method in which a solid electrolyte and / or an electrode active material is dispersed in a solvent to form a slurry and applied by a doctor blade or spin coating and the like is rolled to form a film; vacuum deposition, ion plating Gas phase method of forming and laminating a film using a sputtering method, a laser ablation method, etc .; a pressure molding method of forming a powder by hot pressing or cold pressing without applying a temperature and laminating the powder; .

本発明のLGPS系固体電解質は比較的柔らかいことから、加圧成形法によって各層を成形および積層して全固体電池を作製することが特に好ましい。加圧成形法としては、加温して行うホットプレスと加温しないコールドプレスとがあるが、コールドプレスでも十分に成形することができる。
なお、本発明には、本発明のLGPS系固体電解質を加圧成形してなる成形体が包含される。該成形体は、全固体電池として好適に用いられる。また、本発明には、本発明のLGPS系固体電解質を加圧成形する工程を含む、全固体電池の製造方法が包含される。
Since the LGPS solid electrolyte of the present invention is relatively soft, it is particularly preferable to form and laminate each layer by a pressure molding method to produce an all-solid battery. As a pressure molding method, there are a hot press performed by heating and a cold press not heated, but a cold press can also sufficiently mold.
In addition, the present invention includes a molded article obtained by pressure-forming the LGPS-based solid electrolyte of the present invention. The molded article is suitably used as an all-solid battery. The present invention also includes a method for manufacturing an all-solid battery, including a step of pressure-forming the LGPS-based solid electrolyte of the present invention.

以下、実施例により本実施形態を更に詳細に説明するが、本実施形態はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
<β−LiPSの製造方法>
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、LiS(アルドリッチ社製、純度99.8%)およびP(アルドリッチ社製、純度99%)を、LiS:P=1.5:1のモル比となるように量り取った。次に、(LiS+P)の濃度が10wt%となるようにテトラヒドロフラン(和光純薬工業社製、超脱水グレード)に対して、LiS、Pの順に加え、室温下で12時間混合した。スラリーは徐々に溶解し、わずかな不溶物を含むほぼ均一な溶液を得た。
得られた溶液に、上記を含めた全原料組成がLiS:P=3:1の重量比となるように、LiSを更に加え、室温下で12時間混合しながら、沈殿を得た。これを濾過して得られた濾さいを150℃、4時間、真空乾燥を行うことにより、ラマン測定において420±10cm−1にピークを有するβ−LiPSを得た。一連の操作は、アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で実施した。
Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail with reference to examples, but the present embodiment is not limited to these examples.
(Example 1)
<Method for producing β-Li 3 PS 4 >
In a glove box under an argon atmosphere, Li 2 S (manufactured by Aldrich, purity 99.8%) and P 2 S 5 (manufactured by Aldrich, purity 99%) were added to Li 2 S: P 2 S 5 = 1. It was weighed to give a 5: 1 molar ratio. Next, (Li 2 S + P 2 S 5) in tetrahydrofuran to a concentration of 10 wt% of (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., super dehydrated grade) with respect to, Li 2 S, in addition to the order of P 2 S 5, at room temperature Mix under for 12 hours. The slurry gradually dissolved to obtain a nearly uniform solution containing a small amount of insolubles.
Li 2 S is further added to the obtained solution so that the total raw material composition including the above becomes Li 2 S: P 2 S 5 = 3: 1 by weight, and mixed at room temperature for 12 hours, A precipitate was obtained. The resulting filter was dried under vacuum at 150 ° C. for 4 hours to obtain β-Li 3 PS 4 having a peak at 420 ± 10 cm −1 in Raman measurement. A series of operations was performed in a glove box under an argon atmosphere.

<LiSnSの製造方法>
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、LiS(アルドリッチ社製、純度99.8%)およびSnS(Santa Cruz Biotechnology、 Inc.>98 Weight%)を、LiS:SnS=2:1のモル比になるように量り取り、メノウ乳鉢にて混合した。
次に、得られた混合物を45mLのジルコニア製ポットに投入し、更にジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZ」、φ10mm、18個)を投入して、ポットを完全に密閉した。このポットを遊星型ボールミル機(フリッチュ社製「P−7」)に取り付け、回転数370rpmで4時間、メカニカルミリングを行い、ラマン測定において346±10cm−1にピークを有するLiSnSのアモルファス体を得た。
<Method for producing Li 4 SnS 4 >
In a glove box under an argon atmosphere, Li 2 S (manufactured by Aldrich, purity 99.8%) and SnS 2 (Santa Cruz Biotechnology, Inc.> 98 Weight%) were converted into Li 2 S: SnS 2 = 2: 1. , And mixed in an agate mortar.
Next, the obtained mixture was put into a 45 mL zirconia pot, and further, zirconia balls (“YTZ” manufactured by Nikkato Co., Ltd., φ10 mm, 18 pieces) were put therein, and the pot was completely sealed. The pot was attached to a planetary ball mill (“P-7” manufactured by Fritsch), and mechanical milling was performed at a rotation speed of 370 rpm for 4 hours, and a Li 4 SnS 4 amorphous having a peak at 346 ± 10 cm −1 in Raman measurement. I got a body.

<LGPS(Li10SnP12)の合成>
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、上記のβ−LiPSを濃度が10wt%となるようにアセトニトリル(和光純薬工業社製)中で撹拌することにより、LiPSが分散したアセトニトリル懸濁液(スラリー液)を得た。次に、上記のLiSnSを濃度が10wt%となるようエタノール(和光純薬工業社製)に溶解させた溶液を作製し、アセトニトリル懸濁液と混合することで、アセトニトリル−エタノール混合溶液を調製した。この時、混合溶液中の組成比が、β−LiPS:LiSnS=2:1のモル比となるように調整した。室温下で10分混合したところ、スラリーは溶解し、均一な溶液を得た。得られた均一溶液を、180℃、3時間、真空乾燥を行うことにより、前駆体を得た。一連の操作は、アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で実施した。
得られた前駆体を、ガラス製反応管に入れて、電気管状炉に設置した。反応管は、サンプルが置かれた部分は電気管状炉の中心で加熱され、もう一端のアルゴン吹込みラインが接続される部分は電気管状炉から飛び出した状態でほぼ室温状態であった。550℃、8時間の焼成を行うことによりLi10SnP12結晶を得た。
<Synthesis of LGPS (Li 10 SnP 2 S 12 )>
In a glove box under an argon atmosphere, the above β-Li 3 PS 4 was stirred in acetonitrile (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) to a concentration of 10 wt%, whereby acetonitrile in which Li 3 PS 4 was dispersed was obtained. A suspension (slurry liquid) was obtained. Next, an acetonitrile-ethanol mixed solution was prepared by preparing a solution in which the above Li 4 SnS 4 was dissolved in ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) so as to have a concentration of 10 wt% and mixing with an acetonitrile suspension. Was prepared. At this time, the composition ratio in the mixed solution was adjusted such that the molar ratio of β-Li 3 PS 4 : Li 4 SnS 4 was 2: 1. When mixed at room temperature for 10 minutes, the slurry was dissolved to obtain a uniform solution. The precursor was obtained by performing vacuum drying of the obtained homogeneous solution at 180 ° C. for 3 hours. A series of operations was performed in a glove box under an argon atmosphere.
The obtained precursor was put in a glass reaction tube and set in an electric tubular furnace. The reaction tube was heated at the center of the electric tube furnace at the portion where the sample was placed, and was almost at room temperature with the other portion connected to the argon blowing line protruding from the electric tube furnace. By baking at 550 ° C. for 8 hours, Li 10 SnP 2 S 12 crystals were obtained.

(実施例2)
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、上記のβ−LiPSを濃度が10wt%となるようにテトラヒドロフラン(THF:和光純薬工業社製)中で撹拌することにより、LiPSが分散したTHF懸濁液を得た。次に、上記のLiSnSを濃度が10wt%となるようエタノール(和光純薬工業社製)に溶解させた溶液を作製し、THF懸濁液と混合することで、THF−エタノール混合液を調製した。この時、混合液中の組成比が、β−LiPS:LiSnS=2:1のモル比となるように調整した。室温下で10分混合したところ、スラリーは溶解し、均一な溶液を得た。得られた均一溶液を、150℃、3時間、真空乾燥を行うことにより、前駆体を得た。一連の操作は、アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で実施した。
得られた前駆体を、実施例1と同様に操作して、Li10SnP12結晶を得た。
(Example 2)
Li 3 PS 4 is dispersed by stirring the above β-Li 3 PS 4 in tetrahydrofuran (THF: manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) in a glove box under an argon atmosphere so that the concentration becomes 10 wt%. A THF suspension was obtained. Next, a solution prepared by dissolving the above Li 4 SnS 4 in ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) so as to have a concentration of 10 wt% is prepared, and mixed with a THF suspension to prepare a THF-ethanol mixed solution. Was prepared. At this time, the composition ratio in the mixed solution was adjusted so as to have a molar ratio of β-Li 3 PS 4 : Li 4 SnS 4 = 2: 1. When mixed at room temperature for 10 minutes, the slurry was dissolved to obtain a uniform solution. The precursor was obtained by subjecting the obtained homogeneous solution to vacuum drying at 150 ° C. for 3 hours. A series of operations was performed in a glove box under an argon atmosphere.
The obtained precursor was operated in the same manner as in Example 1 to obtain a Li 10 SnP 2 S 12 crystal.

(実施例3)
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、上記のβ−LiPSを濃度が10wt%となるように酢酸エチル(和光純薬工業社製)中で撹拌することにより、LiPSが分散した酢酸エチル懸濁液を得た。次に、上記のLiSnSを濃度が10wt%となるようエタノール(和光純薬工業社製)に溶解させた溶液を作製し、酢酸エチル懸濁液と混合することで、酢酸エチル−エタノール混合液を調製した。この時、混合液中の組成比が、β−LiPS:LiSnS=2:1のモル比となるように調整した。室温下で10分混合したところ、スラリーは溶解し、均一な溶液を得た。得られた均一溶液を、170℃、3時間、真空乾燥を行うことにより、前駆体を得た。一連の操作は、アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で実施した。
得られた前駆体を、実施例1と同様に操作して、Li10SnP12結晶を得た。
(Example 3)
In a glove box under an argon atmosphere, the above-mentioned β-Li 3 PS 4 was stirred in ethyl acetate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) so as to have a concentration of 10 wt%, whereby Li 3 PS 4 was dispersed. An ethyl acetate suspension was obtained. Next, a solution in which the above Li 4 SnS 4 was dissolved in ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) to a concentration of 10 wt% was prepared, and mixed with an ethyl acetate suspension to prepare ethyl acetate-ethanol. A mixture was prepared. At this time, the composition ratio in the mixed solution was adjusted so as to have a molar ratio of β-Li 3 PS 4 : Li 4 SnS 4 = 2: 1. When mixed at room temperature for 10 minutes, the slurry was dissolved to obtain a uniform solution. The obtained homogeneous solution was vacuum-dried at 170 ° C. for 3 hours to obtain a precursor. A series of operations was performed in a glove box under an argon atmosphere.
The obtained precursor was operated in the same manner as in Example 1 to obtain a Li 10 SnP 2 S 12 crystal.

(実施例4)
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、上記のβ−LiPSを濃度が10wt%となるようにアセトニトリル(和光純薬工業社製)中で撹拌することにより、LiPSが分散したアセトニトリル懸濁液を得た。次に、上記のLiSnSを濃度が10wt%となるよう1−プロパノール(和光純薬工業社製)に溶解させた溶液を作製し、アセトニトリル懸濁液と混合することで、アセトニトリル−1−プロパノール混合液を調製した。この時、混合液中の組成比が、β−LiPS:LiSnS=2:1のモル比となるように調整した。室温下で10分混合したところ、スラリーは溶解し、均一な溶液を得た。得られた均一溶液を、150℃、3時間、真空乾燥を行うことにより、前駆体を得た。一連の操作は、アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で実施した。
得られた前駆体を、実施例1と同様に操作して、Li10SnP12結晶を得た。
(Example 4)
In a glove box under an argon atmosphere, the above β-Li 3 PS 4 was stirred in acetonitrile (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) to a concentration of 10 wt%, whereby acetonitrile in which Li 3 PS 4 was dispersed was obtained. A suspension was obtained. Next, a solution was prepared by dissolving the above Li 4 SnS 4 in 1-propanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) so as to have a concentration of 10 wt%, and mixed with an acetonitrile suspension to prepare acetonitrile-1. -A propanol mixture was prepared. At this time, the composition ratio in the mixed solution was adjusted so as to have a molar ratio of β-Li 3 PS 4 : Li 4 SnS 4 = 2: 1. When mixed at room temperature for 10 minutes, the slurry was dissolved to obtain a uniform solution. The precursor was obtained by subjecting the obtained homogeneous solution to vacuum drying at 150 ° C. for 3 hours. A series of operations was performed in a glove box under an argon atmosphere.
The obtained precursor was operated in the same manner as in Example 1 to obtain a Li 10 SnP 2 S 12 crystal.

(参考例1)
LGPS合成において、原料を、LiS:P:GeS=5:1:1のモル比となるように量り取り、メノウ乳鉢にて混合した。次に、得られた混合物を45mLのジルコニア製ポットに投入し、更にジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZ」、φ10mm、18個)を投入して、ポットを完全に密閉した。このポットを遊星型ボールミル機(フリッチュ社製「P−7」)に取り付け、回転数370rpmで40時間、メカニカルミリングを行い、アモルファス体を得た。
得られたアモルファス体を、ガラス製反応管に入れて、電気管状炉に設置した。アルゴン雰囲気下で550℃、8時間の焼成を行うことによりLi10GeP12結晶を合成した。
(Reference Example 1)
In the LGPS synthesis, the raw materials were weighed out so as to have a molar ratio of Li 2 S: P 2 S 5 : GeS 2 = 5: 1: 1 and mixed in an agate mortar. Next, the obtained mixture was put into a 45 mL zirconia pot, and further, zirconia balls (“YTZ” manufactured by Nikkato Co., Ltd., φ10 mm, 18 pieces) were put therein, and the pot was completely sealed. The pot was attached to a planetary ball mill (“P-7” manufactured by Fritsch), and mechanical milling was performed at a rotation speed of 370 rpm for 40 hours to obtain an amorphous body.
The obtained amorphous body was put in a glass reaction tube and placed in an electric tubular furnace. By firing at 550 ° C. for 8 hours in an argon atmosphere, Li 10 GeP 2 S 12 crystals were synthesized.

<X線回折測定>
実施例1〜4および参考例1で得られたイオン伝導体の粉末について、Ar雰囲気下、室温(25℃)にて、X線回折測定(PANalytical社製「X’Pert3 Powder」、CuKα:λ=1.5405Å)を実施した。
<X-ray diffraction measurement>
The ion conductor powders obtained in Examples 1 to 4 and Reference Example 1 were subjected to X-ray diffraction measurement (“X'Pert3 Powder” manufactured by PANalytical, CuKα: λ) at room temperature (25 ° C.) under an Ar atmosphere. = 1.5405 °).

実施例1〜4および参考例1の測定結果を図3に示す。
図3に示したとおり、実施例1〜4では、少なくとも、2θ=19.80°±0.50°、20.10°±0.50°、26.60°±0.50°、及び29.10°±0.50°に回折ピークが確認できた。実施例1のLi10SnP12サンプルは、参考例1の標準的合成法で得られたLi10GeP12と、XRDパターンは一致した。
The measurement results of Examples 1 to 4 and Reference Example 1 are shown in FIG.
As shown in FIG. 3, in Examples 1 to 4, at least 2θ = 19.80 ° ± 0.50 °, 20.10 ° ± 0.50 °, 26.60 ° ± 0.50 °, and 29 A diffraction peak was observed at .10 ° ± 0.50 °. The XRD pattern of the Li 10 SnP 2 S 12 sample of Example 1 was identical to that of Li 10 GeP 2 S 12 obtained by the standard synthesis method of Reference Example 1.

<リチウムイオン伝導度測定>
実施例1〜4および参考例1で得られたイオン伝導体を一軸成型(240MPa)に供し、厚さ約1mm、直径10mmのディスクを得た。室温(25℃)および30℃から100℃と、−20℃までの温度範囲において10℃間隔で、インジウム電極を利用した四端子法による交流インピーダンス測定(Solartron社製「SI1260 IMPEDANCE/GAIN―PHASE ANALYZER」)を行い、リチウムイオン伝導度を算出した。
具体的には、サンプルを25℃に設定した恒温槽に入れて30分間保持した後にリチウムイオン伝導度を測定し、続いて30℃〜100℃まで10℃ずつ恒温槽を昇温し、各温度で25分間保持した後にイオン伝導度を測定した。100℃での測定を終えた後は、90℃〜30℃まで10℃ずつ恒温槽を降温し、各温度で40分間保持した後にリチウムイオン伝導度を測定した。次に、25℃に設定した恒温槽で40分間保持した後のサンプルのリチウムイオン伝導度を測定した。その後、20℃〜−20℃まで10℃ずつ恒温槽を降温し、各温度で40分間保持した後にリチウムイオン伝導度を測定した。測定周波数範囲は0.1Hz〜1MHz、振幅は50mVとした。降温時のリチウムイオン伝導度の測定結果を図4に示す。
<Lithium ion conductivity measurement>
The ionic conductors obtained in Examples 1 to 4 and Reference Example 1 were subjected to uniaxial molding (240 MPa) to obtain a disk having a thickness of about 1 mm and a diameter of 10 mm. AC impedance measurement by a four-terminal method using an indium electrode at room temperature (25 ° C.) and at a temperature range of 30 ° C. to 100 ° C. and at a temperature range of −20 ° C. at 10 ° C. intervals (“SI1260 IMPEDANCE / GAIN-PHASE ANALYZER” manufactured by Solartron). )) To calculate the lithium ion conductivity.
Specifically, the sample was placed in a thermostat set at 25 ° C., held for 30 minutes, and then measured for lithium ion conductivity. Then, the thermostat was heated from 30 ° C. to 100 ° C. in increments of 10 ° C. , And the ionic conductivity was measured. After finishing the measurement at 100 ° C., the temperature of the thermostat was lowered by 10 ° C. from 90 ° C. to 30 ° C., and the temperature was kept at each temperature for 40 minutes, and then the lithium ion conductivity was measured. Next, the lithium ion conductivity of the sample after being kept in a thermostat set at 25 ° C. for 40 minutes was measured. Thereafter, the temperature of the thermostatic bath was lowered by 10 ° C. from 20 ° C. to −20 ° C., and the temperature was kept at each temperature for 40 minutes, and then the lithium ion conductivity was measured. The measurement frequency range was 0.1 Hz to 1 MHz, and the amplitude was 50 mV. FIG. 4 shows the measurement results of the lithium ion conductivity at the time of temperature decrease.

<ラマン分光測定>
(1)試料調製
上部に石英ガラス(Φ60mm、厚さ1mm)を光学窓として有する密閉容器を用いて測定試料の作製を行った。アルゴン雰囲気下のグローブボックスにて、試料を石英ガラスに接する状態で保持させた後、容器を密閉してグローブボックス外に取り出し、ラマン分光測定を行った。
(2)測定条件
レーザーラマン分光光度計NRS−5100(日本分光株式会社製)を使用し、励起波長532.15nm、露光時間5秒にて測定を行った。
<Raman spectroscopy>
(1) Sample preparation A measurement sample was prepared using a sealed container having quartz glass (Φ60 mm, thickness 1 mm) as an optical window on the upper part. After holding the sample in contact with the quartz glass in a glove box under an argon atmosphere, the container was closed and taken out of the glove box, and Raman spectroscopy was performed.
(2) Measurement conditions Measurement was performed using a laser Raman spectrophotometer NRS-5100 (manufactured by JASCO Corporation) at an excitation wavelength of 532.15 nm and an exposure time of 5 seconds.

実施例1における<β−LiPSの製造方法>で得られたβ−LiPS、<LiSnSの製造方法>で得られたLiSnSのラマン分光測定の結果を図5に示す。ラマン分光測定では、<β−LiPSの製造方法>で得られたβ−LiPSで、少なくとも420±10cm−1においてピークが、<LiSnSの製造方法>で得られたLiSnSで、少なくとも346±10cm−1においてピークが得られた。 Example 1 of <β-Li 3 PS 4 of production method> In the resulting β-Li 3 PS 4, the results of Raman spectroscopy of Li 4 SnS 4 obtained in <Production method of Li 4 SnS 4> As shown in FIG. In Raman spectroscopy, in β-Li 3 PS 4 obtained in <Production method of β-Li 3 PS 4>, peaks at least 420 ± 10 cm -1 is obtained in <Production method of Li 4 SnS 4> With the obtained Li 4 SnS 4 , a peak was obtained at least at 346 ± 10 cm −1 .

1 正極層
2 固体電解質層
3 負極層
10 全固体電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode layer 2 Solid electrolyte layer 3 Negative electrode layer 10 All solid state battery

Claims (11)

LiPSを有機溶媒中で攪拌することによってスラリー液を調製するスラリー液化工程と、
LiSnSをアルコール系溶媒中に溶解することによって均一溶液を調製する均一溶液化工程と、
前記スラリー液と前記均一溶液とを混合することによって混合均一溶液を調製する混合均一溶液化工程と、
前記混合均一溶液から前記有機溶媒と前記アルコール系溶媒との混合溶媒を除去して前駆体を得る乾燥工程と、
前記前駆体を200〜700℃にて加熱処理してLGPS系固体電解質を得る加熱処理工程と、を含むことを特徴とするLGPS系固体電解質の製造方法。
A slurry liquefaction step of preparing a slurry liquid by stirring Li 3 PS 4 in an organic solvent;
A uniform solution preparation step of preparing a uniform solution by dissolving Li 4 SnS 4 in an alcohol-based solvent;
A mixed uniform solution preparation step of preparing a mixed uniform solution by mixing the slurry liquid and the uniform solution,
A drying step of removing a mixed solvent of the organic solvent and the alcohol-based solvent from the mixed homogeneous solution to obtain a precursor,
A heat treatment step of subjecting the precursor to heat treatment at 200 to 700 ° C. to obtain an LGPS-based solid electrolyte.
前記LiPSが、ラマン測定において420±10cm−1にピークを有し、前記LiSnSが、ラマン測定において346±10cm−1にピークを有する、請求項1に記載の製造方法。 The method according to claim 1, wherein the Li 3 PS 4 has a peak at 420 ± 10 cm −1 in Raman measurement, and the Li 4 SnS 4 has a peak at 346 ± 10 cm −1 in Raman measurement. 前記有機溶媒が、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、酢酸エチル、及び酢酸メチルからなる群より選ばれる少なくとも1種である、請求項1または2に記載の製造方法。   3. The method according to claim 1, wherein the organic solvent is at least one selected from the group consisting of tetrahydrofuran, acetonitrile, ethyl acetate, and methyl acetate. 前記アルコール系溶媒が、メタノール、エタノール、1−プロパノール、及び1−ブタノールからなる群より選ばれる少なくとも1種である、請求項1から3のいずれかに記載の製造方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the alcohol-based solvent is at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, 1-propanol, and 1-butanol. 前記乾燥工程における温度が、60〜280℃である、請求項1から4のいずれかに記載の製造方法。   The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the temperature in the drying step is 60 to 280C. 前記LGPS系固体電解質が、X線回折(CuKα:λ=1.5405Å)において、少なくとも、2θ=19.80°±0.50°、20.10°±0.50°、26.60°±0.50°、及び29.10°±0.50°の位置にピークを有する、請求項1から5のいずれかに記載の製造方法。   In the X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.5405 °), at least 2θ = 19.80 ° ± 0.50 °, 20.10 ° ± 0.50 °, 26.60 ° ± The production method according to any one of claims 1 to 5, having peaks at 0.50 ° and 29.10 ° ± 0.50 °. 前記2θ=29.10°±0.50°のピークの回折強度をIとし、2θ=27.33°±0.50°のピークの回折強度をIとした場合に、I/Iの値が0.50未満である、請求項6に記載の製造方法。 The diffraction intensity of the peak of the 2θ = 29.10 ° ± 0.50 ° and I A, the diffraction intensity of the peak of 2θ = 27.33 ° ± 0.50 ° when the I B, I B / I The method according to claim 6, wherein the value of A is less than 0.50. 前記LGPS系固体電解質が、Li元素およびS元素から構成される八面体Oと、P及びSnからなる群より選ばれる一種以上の元素およびS元素から構成される四面体Tと、P元素およびS元素から構成される四面体Tとを有し、前記四面体Tおよび前記八面体Oは稜を共有し、前記四面体Tおよび前記八面体Oは頂点を共有する結晶構造を主体として含有する、請求項1から7のいずれかに記載の製造方法。 The LGPS solid electrolyte comprises an octahedron O composed of Li element and S element, a tetrahedron T 1 composed of one or more elements selected from the group consisting of P and Sn and S element, a P element and and a tetrahedron T 2 composed of S elements, the tetrahedron T 1 and the octahedron O share a crest main crystal structure that share vertices the tetrahedron T 2 and the octahedron O is The production method according to any one of claims 1 to 7, wherein the method comprises: 前記加熱処理工程を不活性ガス雰囲気下で行う、請求項1から8のいずれかに記載の製造方法。   The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the heat treatment step is performed in an inert gas atmosphere. 請求項1から9のいずれかに記載の製造方法によって得られたLGPS系固体電解質を加圧成形してなる成形体。   A molded product obtained by press-molding the LGPS-based solid electrolyte obtained by the production method according to claim 1. 請求項1から9のいずれかに記載の製造方法によって得られたLGPS系固体電解質を加圧成形する工程を含む、全固体電池の製造方法。   A method for producing an all-solid-state battery, comprising a step of pressure-forming the LGPS-based solid electrolyte obtained by the production method according to claim 1.
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