JP2020119783A - Solid electrolyte, lithium ion power storage element, and manufacturing methods thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体電解質、リチウムイオン蓄電素子、及びこれらの製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid electrolyte, a lithium-ion power storage element, and a method for manufacturing these.
リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、エネルギー密度の高さから、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車等に多用されている。上記非水電解質二次電池は、一般的には、セパレータで電気的に隔離された一対の電極と、この電極間に介在する非水電解質とを有し、両電極間でリチウムイオンなどの電荷の受け渡しを行うことで充放電するよう構成される。また、非水電解質二次電池以外の非水電解質蓄電素子として、リチウムイオンキャパシタや電気二重層キャパシタ等のキャパシタも広く普及している。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries represented by lithium ion secondary batteries are widely used in electronic devices such as personal computers and communication terminals, automobiles and the like because of their high energy density. The non-aqueous electrolyte secondary battery generally has a pair of electrodes electrically isolated by a separator, and a non-aqueous electrolyte interposed between the electrodes, and a charge such as lithium ion between the electrodes. Is configured to be charged and discharged. In addition, capacitors such as lithium ion capacitors and electric double layer capacitors have been widely spread as non-aqueous electrolyte storage elements other than non-aqueous electrolyte secondary batteries.
近年、非水電解質として、有機溶媒等の液体に電解質塩が溶解された非水電解液に代えて、硫化物系固体電解質等の固体電解質を用いる蓄電素子が提案されている。硫化物系固体電解質の一つとして、リチウム、リン、硫黄及びハロゲンを含有するArgyrodite型固体電解質が知られている(特許文献1、2、非特許文献1、2参照)。この固体電解質は、空間群F−43mに帰属する結晶構造を有するとされている。従来、このような固体電解質は、ボールミル等を用いたメカニカルミリング処理により固体原料を粉砕混合し、得られた混合粉末を焼成することにより合成されている。 In recent years, as a non-aqueous electrolyte, a storage element using a solid electrolyte such as a sulfide-based solid electrolyte in place of the non-aqueous electrolyte solution in which an electrolyte salt is dissolved in a liquid such as an organic solvent has been proposed. As one of sulfide-based solid electrolytes, Argyrodite type solid electrolytes containing lithium, phosphorus, sulfur and halogen are known (see Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 and 2). This solid electrolyte is said to have a crystal structure belonging to the space group F-43m. Conventionally, such a solid electrolyte has been synthesized by pulverizing and mixing solid raw materials by mechanical milling treatment using a ball mill or the like, and firing the resulting mixed powder.
蓄電素子には、放電容量が大きいことなどが要求される。上記のような従来のArgyrodite型固体電解質を用いた蓄電素子においても放電容量は十分といえず、充放電性能の更なる向上が望まれる。 The storage element is required to have a large discharge capacity and the like. Even in the storage element using the conventional Argyrodite type solid electrolyte as described above, the discharge capacity cannot be said to be sufficient, and further improvement in charge/discharge performance is desired.
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、リチウムイオン蓄電素子の放電容量を大きくすることができる固体電解質、放電容量の大きいリチウムイオン蓄電素子、及びこれらの製造方法を提供することである。 The present invention has been made based on the above circumstances, and an object thereof is a solid electrolyte capable of increasing the discharge capacity of a lithium-ion storage element, a lithium-ion storage element having a large discharge capacity, and these. It is to provide a manufacturing method.
上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、リチウム、リン、硫黄、及びハロゲンを含有し、CuKα線を用いたX線回折測定において、空間群F−43mに帰属可能な回折パターンを有し、(311)面を示す回折線の半値幅(FWHM(311))と(222)面を示す回折線の半値幅(FWHM(222))との比(FWHM(311)/FWHM(222))が0.93以上0.98以下である、固体電解質である。 One embodiment of the present invention made to solve the above problems is a diffraction pattern containing lithium, phosphorus, sulfur, and halogen, which can be assigned to the space group F-43m in an X-ray diffraction measurement using CuKα ray. Of the diffraction line showing the (311) plane (FWHM(311)) and the half width of the diffraction line showing the (222) plane (FWHM(222)) (FWHM(311)/FWHM( 222)) is 0.93 or more and 0.98 or less.
本発明の他の一態様は、エーテルを含む有機液体と、リチウム源、硫黄源及びハロゲン源と、を含有する原料液を調製すること、上記有機液体を揮発させて、固形体を得ること、及び上記固形体を含む前駆体を焼成することをこの順に備え、上記有機液体に占める上記エーテルの含有割合が40体積%以上であり、上記前駆体がリン源を含む、固体電解質の製造方法である。 Another aspect of the present invention is to prepare an organic liquid containing ether, a lithium source, a sulfur source and a halogen source, to prepare a raw material liquid, volatilize the organic liquid to obtain a solid body, And firing the precursor containing the solid body in this order, the content ratio of the ether in the organic liquid is 40% by volume or more, the precursor contains a phosphorus source, a method for producing a solid electrolyte, is there.
本発明の他の一態様は、正極層と、隔離層と、負極層とを備え、上記正極層、上記隔離層、上記負極層又はこれらの組み合わせが当該固体電解質を含む、リチウムイオン蓄電素子である。 Another embodiment of the present invention is a lithium ion storage element, which comprises a positive electrode layer, an isolation layer, and a negative electrode layer, and the positive electrode layer, the isolation layer, the negative electrode layer, or a combination thereof includes the solid electrolyte. is there.
本発明の他の一態様は、当該固体電解質又は当該固体電解質の製造方法で得られた固体電解質を用いて、正極層、隔離層及び負極層の少なくとも1つを作製することを備える、リチウムイオン蓄電素子の製造方法である。 Another embodiment of the present invention comprises producing at least one of a positive electrode layer, a separation layer and a negative electrode layer using the solid electrolyte or the solid electrolyte obtained by the method for producing the solid electrolyte, lithium ion It is a manufacturing method of a storage element.
本発明によれば、リチウムイオン蓄電素子の放電容量を大きくすることができる固体電解質、放電容量の大きいリチウムイオン蓄電素子、及びこれらの製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid electrolyte capable of increasing the discharge capacity of a lithium-ion power storage element, a lithium-ion power storage element having a large discharge capacity, and a method for manufacturing these.
本発明の一実施形態に係る固体電解質は、リチウム、リン、硫黄、及びハロゲンを含有し、CuKα線を用いたX線回折測定において、空間群F−43mに帰属可能な回折パターンを有し、(311)面を示す回折線の半値幅(FWHM(311))と(222)面を示す回折線の半値幅(FWHM(222))との比(FWHM(311)/FWHM(222))が0.93以上0.98以下である、固体電解質である。 The solid electrolyte according to one embodiment of the present invention contains lithium, phosphorus, sulfur, and halogen, and has a diffraction pattern that can be assigned to the space group F-43m in an X-ray diffraction measurement using CuKα ray, The ratio (FWHM(311)/FWHM(222)) of the full width at half maximum of the diffraction line showing the (311) plane (FWHM(311)) and the full width at half maximum of the diffraction line showing the (222) plane (FWHM(222)) is The solid electrolyte is 0.93 or more and 0.98 or less.
当該固体電解質は、リチウムイオン蓄電素子の放電容量を大きくすることができる。このような効果が生じる理由は定かでは無いが、以下の理由が推測される。上記半値幅の比(FWHM(311)/FWHM(222))は、結晶配向性に依存する指標である。すなわち、上記半値幅の比が上記範囲である場合、結晶配向性が充放電性能を高めるための適度な状態となっていると考えられ、放電容量が大きくなっていると推測される。 The solid electrolyte can increase the discharge capacity of the lithium ion storage element. The reason why such an effect occurs is not clear, but the following reason is presumed. The above-mentioned half width ratio (FWHM(311)/FWHM(222)) is an index depending on the crystal orientation. That is, when the ratio of the full width at half maximum is in the above range, the crystal orientation is considered to be in an appropriate state for enhancing the charge/discharge performance, and it is presumed that the discharge capacity is increased.
なお、空間群「F−43m」における「−4」は4回回反軸の対象要素を表し、本来「4」の上にバー「−」を付して表記すべきものである。上記CuKα線を用いるX線回折測定は、以下の手順により行う。気密性のX線回折測定用試料ホルダーに、露点−50℃以下のアルゴン雰囲気下で、測定に供する固体電解質粉末を充填する。X線回折装置(Rigaku社の「MiniFlex II」)を用いて、粉末X線回折測定を行う。線源はCuKα線、管電圧は30kV、管電流は15mAとし、回折X線は厚み30μmのKβフィルターを通し高速一次元検出器(型番:D/teX Ultra 2)にて検出する。サンプリング幅は0.01°、スキャンスピードは5°/min、発散スリット幅は0.625°、受光スリット幅は13mm(OPEN)、散乱スリット幅は8mmとする。また、得られたX線回折パターンを、PDXL(解析ソフト、Rigaku製)を用いて自動解析処理する。ここで、PDXLソフトの作業ウィンドウで「バックグラウンドを精密化する」及び「自動」を選択し、実測パターンと計算パターンの強度誤差が4000以下になるように精密化する。この精密化によってバックグラウンド処理がされ、ベースラインを差し引いた結果に基づき、各回折線のピーク強度の値、及び半値幅の値、等が得られる。 It should be noted that "-4" in the space group "F-43m" represents the target element of the four-fold anti-axis, and should be originally described by adding a bar "-" over "4". The X-ray diffraction measurement using the CuKα ray is performed by the following procedure. An airtight sample holder for X-ray diffraction measurement is filled with a solid electrolyte powder to be used for measurement under an argon atmosphere having a dew point of -50°C or lower. The powder X-ray diffraction measurement is performed using an X-ray diffractometer (“MiniFlex II” manufactured by Rigaku). The radiation source is CuKα rays, the tube voltage is 30 kV, the tube current is 15 mA, and the diffracted X-rays are detected by a high-speed one-dimensional detector (model number: D/teX Ultra 2) through a Kβ filter having a thickness of 30 μm. The sampling width is 0.01°, the scan speed is 5°/min, the divergence slit width is 0.625°, the light receiving slit width is 13 mm (OPEN), and the scattering slit width is 8 mm. In addition, the obtained X-ray diffraction pattern is automatically analyzed using PDXL (analysis software, manufactured by Rigaku). Here, "Refine background" and "Automatic" are selected in the work window of the PDXL software, and refining is performed so that the intensity error between the actually measured pattern and the calculated pattern is 4000 or less. Background processing is performed by this refinement, and the value of the peak intensity of each diffraction line and the value of the half width are obtained based on the result of subtracting the baseline.
上記半値幅(FWHM(311))が0.130°以上であることが好ましい。本発明の一実施形態に係る固体電解質において半値幅(FWHM(311))が0.130°以上である場合、結晶配向性がより良好な状態となっていることなどにより、放電容量をより大きくすることができる。 The full width at half maximum (FWHM(311)) is preferably 0.130° or more. When the full width at half maximum (FWHM(311)) is 0.130° or more in the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention, the crystal orientation is in a better state, and thus the discharge capacity is increased. can do.
本発明の一実施形態に係る固体電解質の製造方法は、エーテルを含む有機液体と、リチウム源、硫黄源及びハロゲン源と、を含有する原料液を調製すること、上記有機液体を揮発させて、固形体を得ること、及び上記固形体を含む前駆体を焼成することをこの順に備え、上記有機液体に占める上記エーテルの含有割合が40体積%以上であり、上記前駆体がリン源を含む、固体電解質の製造方法である。 A method for producing a solid electrolyte according to an embodiment of the present invention, an organic liquid containing ether, a lithium source, a sulfur source and a halogen source, to prepare a raw material liquid containing, by volatilizing the organic liquid, Providing a solid body and firing the precursor containing the solid body in this order, the content ratio of the ether in the organic liquid is 40 vol% or more, the precursor contains a phosphorus source, It is a manufacturing method of a solid electrolyte.
当該固体電解質の製造方法によれば、リチウムイオン蓄電素子の放電容量を大きくすることができる固体電解質を得ることができる。この理由としては定かではないが以下が推測される。上記有機液体を含む原料液において上記有機液体を揮発させた場合、リチウム、硫黄及びハロゲンが適当な配向状態となった固形体が得られていると推測される。そこで、このような固形体を含む前駆体を焼成することで、得られる固体電解質の結晶配向性が良好な状態に制御されたものとなると推測される。 According to the method for producing a solid electrolyte, it is possible to obtain a solid electrolyte capable of increasing the discharge capacity of a lithium ion storage element. The reason for this is not clear, but the following is presumed. When the organic liquid is volatilized in the raw material liquid containing the organic liquid, it is presumed that a solid body in which lithium, sulfur, and halogen are in an appropriate orientation state is obtained. Therefore, it is presumed that by firing the precursor containing such a solid body, the crystal orientation of the obtained solid electrolyte is controlled to a good state.
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン蓄電素子は、正極層と、隔離層と、負極層とを備え、上記正極層、上記隔離層、上記負極層又はこれらの組み合わせが本発明の一実施形態に係る上記固体電解質を含むリチウムイオン蓄電素子である。当該リチウムイオン蓄電素子は、放電容量が大きい。 A lithium ion power storage device according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode layer, a separation layer, and a negative electrode layer, and the positive electrode layer, the separation layer, the negative electrode layer, or a combination thereof is an embodiment of the present invention. And a lithium ion storage element including the solid electrolyte according to claim 1. The lithium-ion storage element has a large discharge capacity.
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン蓄電素子の製造方法は、当該固体電解質又は当該固体電解質の製造方法で得られた固体電解質を用いて、正極層、隔離層及び負極層の少なくとも1つを作製することを備える、リチウムイオン蓄電素子の製造方法である。当該リチウムイオン蓄電素子の製造方法によれば、放電容量の大きいリチウムイオン蓄電素子を得ることができる。 A method for manufacturing a lithium-ion storage element according to an embodiment of the present invention uses at least one of a positive electrode layer, an isolation layer and a negative electrode layer, using the solid electrolyte or the solid electrolyte obtained by the method for manufacturing the solid electrolyte. A method for manufacturing a lithium-ion power storage element, the method including manufacturing. According to the method for manufacturing a lithium ion power storage element, a lithium ion power storage element having a large discharge capacity can be obtained.
以下、本発明の一実施形態に係る固体電解質、その製造方法、リチウムイオン蓄電素子及びその製造方法を順に詳説する。 Hereinafter, a solid electrolyte according to an embodiment of the present invention, a method for manufacturing the same, a lithium-ion storage element, and a method for manufacturing the same will be described in detail.
<固体電解質>
本発明の一実施形態に係る固体電解質は、リチウム、リン、硫黄、及びハロゲンを含有する。上記ハロゲンとしては、塩素、臭素、ヨウ素等を挙げることができ、塩素が好ましい。
<Solid electrolyte>
The solid electrolyte according to one embodiment of the present invention contains lithium, phosphorus, sulfur, and halogen. Examples of the halogen include chlorine, bromine and iodine, and chlorine is preferable.
当該固体電解質における各構成元素の含有割合は、所定の結晶構造を有することができる限り特に限定されない。当該固体電解質におけるリンに対するリチウムの含有割合の下限としては、モル比で5が好ましく、5.5がより好ましく、5.9がさらに好ましく、6がよりさらに好ましい。このリチウムの含有割合の上限は7が好ましく、6.5がより好ましく、6がさらに好ましい。リンに対する硫黄の含有割合の下限としては、モル比で4が好ましく、4.5がより好ましく、4.9がさらに好ましく、5がよりさらに好ましい。この硫黄の含有割合の上限は6が好ましく、5.5がより好ましく、5.1がさらに好ましく、5がよりさらに好ましい。リンに対するハロゲンの含有割合の下限としては、モル比で0.2が好ましく、0.5がより好ましく、1がさらに好ましい。このハロゲンの含有割合の上限は1.8が好ましく、1.5がより好ましく、1がさらに好ましい。 The content ratio of each constituent element in the solid electrolyte is not particularly limited as long as it has a predetermined crystal structure. The lower limit of the content ratio of lithium to phosphorus in the solid electrolyte is preferably 5, and more preferably 5.5, still more preferably 5.9, still more preferably 6 in terms of molar ratio. The upper limit of the lithium content ratio is preferably 7, more preferably 6.5, and further preferably 6. As a lower limit of the content ratio of sulfur to phosphorus, the molar ratio is preferably 4, more preferably 4.5, still more preferably 4.9, still more preferably 5. The upper limit of the content ratio of sulfur is preferably 6, more preferably 5.5, further preferably 5.1, still more preferably 5. The lower limit of the content ratio of halogen to phosphorus is preferably 0.2, more preferably 0.5, still more preferably 1 in terms of molar ratio. The upper limit of the halogen content is preferably 1.8, more preferably 1.5, and even more preferably 1.
当該固体電解質は、リチウム、リン、硫黄、及びハロゲン以外の他の元素をさらに含有していてもよい。他の元素としては、マグネシウム、インジウム等を挙げることができる。当該固体電解質におけるリンに対する上記他の元素の含有割合としては、例えばモル比で0.01以上0.1以下が好ましい。当該固体電解質は、リチウム、リン、硫黄、及びハロゲン以外の他の元素を実質的に含有していなくてもよい。 The solid electrolyte may further contain an element other than lithium, phosphorus, sulfur and halogen. Examples of other elements include magnesium and indium. The content ratio of the other element to phosphorus in the solid electrolyte is preferably 0.01 or more and 0.1 or less in terms of molar ratio. The solid electrolyte may not substantially contain any element other than lithium, phosphorus, sulfur, and halogen.
当該固体電解質は、下記式(1)で表されることが好ましい。
Li7−mx−yAxPS6−yHay ・・・ (1)
式(1)中、Aは、マグネシウム又はインジウムである(以下、マグネシウム又はインジウムを「元素A」とも表す。)。Haは、ハロゲンである。xは、0以上0.1以下の数である。yは、0.2以上1.8以下の数である。mは、元素Aの価数である。
The solid electrolyte is preferably represented by the following formula (1).
Li 7-mx-y A x PS 6-y Ha y ··· (1)
In the formula (1), A is magnesium or indium (hereinafter, magnesium or indium is also referred to as “element A”). Ha is halogen. x is a number of 0 or more and 0.1 or less. y is a number of 0.2 or more and 1.8 or less. m is the valence of the element A.
上記xは、0が好ましいことがある。上記yの下限は0.5が好ましく、この上限は1.5が好ましい。上記yは、1がより好ましい。上記mは、元素Aがマグネシウムの場合2であり、元素Aがインジウムの場合3であってよい。 The above x may be preferably 0. The lower limit of y is preferably 0.5, and the upper limit is preferably 1.5. The above y is more preferably 1. The m may be 2 when the element A is magnesium and 3 when the element A is indium.
当該固体電解質は、CuKα線を用いたX線回折測定において、空間群F−43mに帰属可能な回折パターンを有する。当該固体電解質は、空間群F−43mに属する結晶構造を有していてよい。当該固体電解質は、立方晶であり、Argyrodite型の結晶構造を有する。 The solid electrolyte has a diffraction pattern that can be assigned to the space group F-43m in the X-ray diffraction measurement using CuKα ray. The solid electrolyte may have a crystal structure belonging to the space group F-43m. The solid electrolyte is a cubic crystal and has an Argyrodite type crystal structure.
当該固体電解質の上記回折パターンにおいては、(311)面を示す回折線の半値幅(FWHM(311))と(222)面を示す回折線の半値幅(FWHM(222))との比(FWHM(311)/FWHM(222))の下限が0.93であり、0.94が好ましく、0.95がより好ましく、0.96がさらに好ましい。一方、この比(FWHM(311)/FWHM(222))の上限は0.98であり、0.980が好ましく、0.975がより好ましい。比(FWHM(311)/FWHM(222))が上記範囲内であることにより、結晶配向性が好適化され、リチウムイオン蓄電素子の放電容量を大きくすることができる。 In the above diffraction pattern of the solid electrolyte, the ratio (FWHM) of the full width at half maximum of the diffraction line showing the (311) plane (FWHM(311)) and the full width at half maximum of the diffraction line showing the (222) plane (FWHM(222)) The lower limit of (311)/FWHM(222)) is 0.93, preferably 0.94, more preferably 0.95, and even more preferably 0.96. On the other hand, the upper limit of this ratio (FWHM(311)/FWHM(222)) is 0.98, preferably 0.980, and more preferably 0.975. When the ratio (FWHM(311)/FWHM(222)) is within the above range, the crystal orientation is optimized, and the discharge capacity of the lithium ion storage element can be increased.
当該固体電解質において、上記(311)面を示す回折線は、通常、2θ=29.5±0.5°の位置に現れる。上記(222)面を示す回折線は、通常、2θ=31.0±0.5°の位置に現れる。 In the solid electrolyte, the diffraction line showing the (311) plane usually appears at a position of 2θ=29.5±0.5°. The diffraction line showing the (222) plane usually appears at a position of 2θ=31.0±0.5°.
上記半値幅(FWHM(311))の下限としては、0.130°が好ましい。一方、この半値幅(FWHM(311))の上限としては、0.20°が好ましく、0.18°がより好ましく、0.16°がさらに好ましく、0.15°がよりさらに好ましく、0.14°が特に好ましい。半値幅(FWHM(311))が上記範囲内であることにより、結晶配向性がより好適化され、リチウムイオン蓄電素子の放電容量をより大きくすることができる。 As a lower limit of the half width (FWHM(311)), 0.130° is preferable. On the other hand, as the upper limit of the full width at half maximum (FWHM(311)), 0.20° is preferable, 0.18° is more preferable, 0.16° is further preferable, 0.15° is further preferable, and 0. 14° is particularly preferred. When the full width at half maximum (FWHM(311)) is within the above range, the crystal orientation is further optimized, and the discharge capacity of the lithium ion storage element can be further increased.
当該固体電解質の25℃におけるイオン伝導度の下限としては、1×10−4S/cmが好ましく、2×10−4S/cmがより好ましく、1×10−3S/cmがさらに好ましい。当該固体電解質の25℃におけるイオン伝導度が上記下限以上であることで、リチウムイオン蓄電素子の放電容量をより大きくすることができる。上記イオン伝導度の上限としては、例えば5×10−3S/cmである。 As a lower limit of the ionic conductivity of the solid electrolyte at 25° C., 1×10 −4 S/cm is preferable, 2×10 −4 S/cm is more preferable, and 1×10 −3 S/cm is further preferable. When the ionic conductivity of the solid electrolyte at 25° C. is at least the above lower limit, the discharge capacity of the lithium ion storage element can be further increased. The upper limit of the ionic conductivity is, for example, 5×10 −3 S/cm.
なお、当該固体電解質のイオン伝導度は、以下の方法で交流インピーダンスを測定して求める。露点−50℃以下のアルゴン雰囲気下で、内径10mmの粉体成型器に試料粉末を120mg投入したのちに、油圧プレスをもちいて50MPa以下で一軸加圧成形する。圧力解放後に、試料の上面及び下面に集電体としてSUS316L粉末を投入したのちに、360MPa、5min一軸加圧成形することによりイオン伝導度測定用ペレットを得る。このイオン伝導度測定用ペレットを宝泉社製HSセル内に挿入して交流インピーダンス測定を行う。測定条件は、印加電圧振幅20mV、周波数範囲1MHz〜100mHzとする。 The ionic conductivity of the solid electrolyte is determined by measuring AC impedance by the following method. In an argon atmosphere with a dew point of -50°C or less, 120 mg of the sample powder is put into a powder molding machine having an inner diameter of 10 mm, and then uniaxial pressure molding is performed with a hydraulic press at 50 MPa or less. After the pressure is released, SUS316L powder is charged as a collector on the upper surface and the lower surface of the sample, and then uniaxial pressure molding is performed at 360 MPa for 5 minutes to obtain an ion conductivity measuring pellet. The pellet for ion conductivity measurement is inserted into an HS cell manufactured by Hosen Co., Ltd., and AC impedance measurement is performed. The measurement conditions are an applied voltage amplitude of 20 mV and a frequency range of 1 MHz to 100 mHz.
当該固体電解質の形状は特に限定されず、通常、粒状、塊状等である。当該固体電解質が粒状である場合、その平均粒径の下限としては例えば3μmであり、5μmが好ましく、10μmがより好ましい。一方、この上限としては例えば100μmであり、50μmが好ましく、20μmがより好ましい。当該固体電解質の平均粒径が上記範囲内であることで、リチウムイオン蓄電素子に用いた場合に良好なイオン伝導性が発揮されることなどにより、放電容量をより大きくすることができる。なお、「平均粒径」とは、JIS−Z−8825(2013年)に準拠し、粒子を溶媒で希釈した希釈液に対しレーザ回折・散乱法により測定した粒径分布に基づき、JIS−Z−8819−2(2001年)に準拠し計算される体積基準積算分布が50%となる値(メジアン径)を意味する。以下、平均粒径について同様である。固体電解質の平均粒径は、具体的には以下の方法による測定値とする。測定装置としてレーザー回折/散乱式粒子径分布測定装置(HORIBA製の「Partica LA−960」)を用いて測定する。分散媒に超脱水ヘプタンを用い、測定対象試料の粒子が分散媒中に分散する分散液を測定セルに充填する。この測定セルにレーザー光を照射し、測定試料から散乱光分布を得る。そして、散乱光分布から得られる累積度50%(D50)にあたる粒子径を平均粒径とする。 The shape of the solid electrolyte is not particularly limited and is usually granular, lumpy or the like. When the solid electrolyte is granular, the lower limit of the average particle size is, for example, 3 μm, preferably 5 μm, more preferably 10 μm. On the other hand, the upper limit is, for example, 100 μm, preferably 50 μm, more preferably 20 μm. When the average particle size of the solid electrolyte is within the above range, good ion conductivity is exhibited when used in a lithium ion storage element, and thus the discharge capacity can be further increased. The “average particle size” is based on JIS-Z-8825 (2013), and is based on the particle size distribution measured by a laser diffraction/scattering method with respect to a diluted solution prepared by diluting particles with a solvent. It means a value (median diameter) at which the volume-based cumulative distribution calculated according to −8819-2 (2001) is 50%. Hereinafter, the same applies to the average particle size. The average particle diameter of the solid electrolyte is specifically a value measured by the following method. The measurement is performed using a laser diffraction/scattering type particle size distribution measuring device (“Partica LA-960” manufactured by HORIBA) as a measuring device. Ultra-dehydrated heptane is used as the dispersion medium, and the measurement cell is filled with the dispersion liquid in which the particles of the sample to be measured are dispersed in the dispersion medium. The measurement cell is irradiated with laser light to obtain a scattered light distribution from the measurement sample. The particle size corresponding to the cumulative degree of 50% (D50) obtained from the scattered light distribution is defined as the average particle size.
当該固体電解質は、リチウムイオン二次電池等のリチウムイオン蓄電素子の電解質として好適に用いることができる。中でも、全固体電池の電解質として特に好適に用いることができる。なお、当該固体電解質は、リチウムイオン蓄電素子における正極層、隔離層、負極層等のいずれにも用いることができる。 The solid electrolyte can be preferably used as an electrolyte of a lithium-ion power storage device such as a lithium-ion secondary battery. Among them, it can be particularly preferably used as an electrolyte of an all-solid-state battery. The solid electrolyte can be used for any of the positive electrode layer, the isolation layer, the negative electrode layer, and the like in the lithium ion power storage device.
<固体電解質の製造方法>
当該固体電解質の製造方法は特に限定されないが、液相法を用いた以下の方法によって好適に製造することができる。すなわち、本発明の一実施形態に係る固体電解質の製造方法は、
(1)エーテルを含む有機液体と、リチウム源、硫黄源及びハロゲン源とを含有する原料液を調製すること、
(2)上記有機液体を揮発させて、固形体を得ること、及び
(3)得られた上記固形体を含む前駆体を焼成すること
をこの順に備える。上記有機液体に占める上記エーテルの含有割合は40体積%以上である。また、上記前駆体はリン源を含む。当該製造方法の各工程は、全てアルゴン雰囲気等、不活性雰囲気下で行うことが好ましい。以下、各工程について詳説する。
<Method for producing solid electrolyte>
The method for producing the solid electrolyte is not particularly limited, but it can be suitably produced by the following method using a liquid phase method. That is, the method for producing a solid electrolyte according to an embodiment of the present invention,
(1) Preparing a raw material liquid containing an organic liquid containing ether and a lithium source, a sulfur source and a halogen source,
(2) Evaporating the organic liquid to obtain a solid body, and (3) firing the obtained precursor containing the solid body in this order. The content ratio of the ether in the organic liquid is 40% by volume or more. In addition, the precursor includes a phosphorus source. It is preferable that all the steps of the manufacturing method are performed under an inert atmosphere such as an argon atmosphere. Hereinafter, each step will be described in detail.
(1)原料液調製工程
本工程においては、有機液体と、リチウム源、硫黄源及びハロゲン源とを含む原料液を調製する。リチウム源とは、リチウム原子であり、単体として存在することに限定されるものでは無い。すなわち、原料液中にリチウム原子が存在していればよい。また、リチウム源は、リチウムイオン又はリチウムを含む多原子イオンとして原料液中に全て溶解して存在していてもよいし、一部は溶解せずに存在していてもよい。リチウム源以外のリン源、硫黄源及びハロゲン源についても同様である。但し、リチウム源、硫黄源及びハロゲン源のそれぞれは、少なくとも一部が有機液体中に溶解して存在していることが好ましい。
(1) Raw Material Liquid Preparation Step In this step, a raw material liquid containing an organic liquid and a lithium source, a sulfur source and a halogen source is prepared. The lithium source is a lithium atom and is not limited to existing as a simple substance. That is, it suffices that lithium atoms are present in the raw material liquid. Further, the lithium source may be present as a lithium ion or a polyatomic ion containing lithium in the raw material solution in a completely dissolved state, or a part thereof may be present without being dissolved. The same applies to phosphorus sources, sulfur sources and halogen sources other than lithium sources. However, it is preferable that at least a part of each of the lithium source, the sulfur source, and the halogen source is dissolved and present in the organic liquid.
上記有機液体は、エーテルを含む。上記エーテルとしては、ジメチルエーテル、メチルエチルエーテル、ジエチルエーテル等の鎖状エーテル、テトラヒドロフラン、フラン、テトラヒドロピラン、ピラン等の環状エーテルなどが挙げられる。これらの中でも、環状エーテルが好ましく、テトラヒドロフラン及びテトラヒドロピランがより好ましく、テトラヒドロフランがさらに好ましい。 The organic liquid contains ether. Examples of the ether include chain ethers such as dimethyl ether, methyl ethyl ether and diethyl ether, and cyclic ethers such as tetrahydrofuran, furan, tetrahydropyran and pyran. Of these, cyclic ethers are preferred, tetrahydrofuran and tetrahydropyran are more preferred, and tetrahydrofuran is even more preferred.
上記有機液体に占める上記エーテルの含有割合の下限は40体積%であり、60体積%が好ましく、80体積%がより好ましい。上記エーテルの含有割合は、実質的に100体積%であってもよい。当該製造方法においては、このようにエーテル比率の高い有機液体を用いることで、結晶配向性が良好な、本発明の一実施形態に係る上記固体電解質を効果的に得ることができる。 The lower limit of the content ratio of the ether in the organic liquid is 40% by volume, preferably 60% by volume, and more preferably 80% by volume. The ether content may be substantially 100% by volume. In the manufacturing method, by using the organic liquid having a high ether ratio in this manner, the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention having good crystal orientation can be effectively obtained.
上記有機液体に含有されていてもよいエーテル以外の有機液体としては、アルコール、エステル、ケトン、アミド等を挙げることができ、アルコールが好ましい。アルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノール等を挙げることができ、エタノールが好ましい。 Examples of the organic liquid other than ether that may be contained in the organic liquid include alcohols, esters, ketones, amides, and the like, and alcohols are preferable. Examples of the alcohol include methanol, ethanol, propanol and the like, and ethanol is preferable.
上記有機液体は、可能な限り水を含まないことが好ましい。上記有機液体における含水量としては、0.01質量%以下が好ましく、0.001質量%以下がより好ましい。 It is preferable that the organic liquid does not contain water as much as possible. The water content in the organic liquid is preferably 0.01% by mass or less, more preferably 0.001% by mass or less.
原料液調製工程においては、上記有機液体に、リチウム源、硫黄源及びハロゲン源を含む化合物又は単体を添加し、攪拌等により混合することで、上記原料液を調製することができる。添加する化合物及び単体全体で、リチウム原子、硫黄原子及びハロゲン原子が含まれていればよい。上記化合物としては、目的とする固体電解質を構成する原子の2種以上から構成されるものを用いることができる。例えばリチウム原子及び硫黄原子から構成される化合物としてLi2Sが挙げられ、リチウム原子及びハロゲン原子を含む化合物としてLiCl、LiBr等が挙げられる。これらの化合物の使用割合は、目的とする固体電解質の組成に応じて適宜設定される。 In the raw material liquid preparation step, the raw material liquid can be prepared by adding a compound or a simple substance containing a lithium source, a sulfur source and a halogen source to the organic liquid and mixing them by stirring or the like. It is sufficient that the compound to be added and the simple substance as a whole contain a lithium atom, a sulfur atom and a halogen atom. As the compound, a compound composed of two or more kinds of atoms constituting the target solid electrolyte can be used. For example, Li 2 S is mentioned as a compound composed of a lithium atom and a sulfur atom, and LiCl, LiBr and the like are mentioned as a compound containing a lithium atom and a halogen atom. The use ratio of these compounds is appropriately set according to the intended composition of the solid electrolyte.
上記原料液には、リン源がさらに含まれていてもよい。リン源は、原料液中に溶解して存在していてもよいし、溶解せずに存在していてもよい。リン源の少なくとも一部は、原料液中に溶解せずに存在していることが好ましい場合もある。リン原子が含まれる化合物としては、P2S5等が挙げられる。 The raw material liquid may further contain a phosphorus source. The phosphorus source may be present in the raw material liquid in a dissolved state, or may be present in an undissolved state. In some cases, it is preferable that at least a part of the phosphorus source exists in the raw material liquid without being dissolved. Examples of the compound containing a phosphorus atom include P 2 S 5 and the like.
合成する固体電解質の組成に応じ、上記原料液には他の成分がさらに含まれていてもよい。例えば合成する固体電解質がマグネシウムを含む場合、原料液にはさらにマグネシウム源が含まれ、合成する固体電解質がインジウムを含む場合、原料液にはさらにインジウム源が含まれる。マグネシウム原子が含まれる化合物としてはMgCl2等が挙げられ、インジウム原子が含まれる化合物としては、InCl3等が挙げられる。上記原料液には、上記有機液体以外の成分としては、合成する固体電解質を構成する元素以外の元素が実質的に含まれないことが好ましい。 The raw material liquid may further contain other components depending on the composition of the solid electrolyte to be synthesized. For example, when the solid electrolyte to be synthesized contains magnesium, the raw material liquid further contains a magnesium source, and when the solid electrolyte to be synthesized contains indium, the raw material liquid further contains an indium source. Examples of the compound containing a magnesium atom include MgCl 2 and the like, and examples of the compound containing an indium atom include InCl 3 and the like. As the components other than the organic liquid, it is preferable that the raw material liquid does not substantially contain an element other than the element constituting the solid electrolyte to be synthesized.
(2)揮発工程
本工程においては、上記原料液中の上記有機液体を揮発させる。この揮発により、リチウム源、硫黄源及びハロゲン源を含む固形体が得られる。この固形体中において、リチウム、硫黄及びハロゲンは、例えばメカニカルミリング法で得られたものとは異なる、適当な配向状態となった複合体等となっていると推測される。
(2) Volatilization Step In this step, the organic liquid in the raw material liquid is volatilized. By this volatilization, a solid body containing a lithium source, a sulfur source and a halogen source is obtained. In this solid body, lithium, sulfur and halogen are presumed to be a complex or the like having an appropriate orientation state, which is different from that obtained by, for example, the mechanical milling method.
有機液体の揮発方法としては特に限定されず、自然乾燥、加熱乾燥、減圧乾燥等の公知の方法により行うことができる。なお、加熱乾燥する場合の加熱温度としては、例えば50℃以上150℃以下とすることができる。また、減圧乾燥の際に、例えば上記加熱温度で加熱しながら行ってもよい。 The method for volatilizing the organic liquid is not particularly limited, and it can be performed by a known method such as natural drying, heat drying, and vacuum drying. The heating temperature for heat drying may be, for example, 50° C. or higher and 150° C. or lower. In addition, the vacuum drying may be performed while heating at the above heating temperature, for example.
(3)焼成工程
本工程においては、前駆体を焼成する。この前駆体は、上記(2)揮発工程で得られた固形体を含み、かつリン源を含む。上記原料液中に、リチウム源、硫黄源及びハロゲン源に加えてリン源も含まれている場合、得られた固形体には、リチウム源、硫黄源、ハロゲン源及びリン源が含まれているため、この固形体をそのまま前駆体として焼成に供することができる。得られた固形体にさらに別の成分を加えて前駆体としてもよい。焼成に供されるリチウム源、硫黄源、ハロゲン源及びリン源等の含有比率は、目的とする固体電解質の組成となるように調整される。
(3) Firing step In this step, the precursor is fired. This precursor contains the solid body obtained in the above (2) volatilization step and also contains a phosphorus source. When the raw material liquid contains a phosphorus source in addition to the lithium source, the sulfur source and the halogen source, the obtained solid body contains the lithium source, the sulfur source, the halogen source and the phosphorus source. Therefore, this solid body can be directly subjected to firing as a precursor. You may add another component to the obtained solid body and use it as a precursor. The content ratios of the lithium source, the sulfur source, the halogen source, the phosphorus source, and the like used for the calcination are adjusted so that the composition of the target solid electrolyte is obtained.
上記焼成における焼成温度としては、例えば500℃以上600℃以下とすることができる。また、焼成時間としては、例えば3時間以上24時間以下とすることができる。 The firing temperature in the above firing may be, for example, 500° C. or higher and 600° C. or lower. The firing time can be, for example, 3 hours or more and 24 hours or less.
<リチウムイオン蓄電素子>
本発明のリチウムイオン蓄電素子の一実施形態として、以下、全固体電池を具体例に挙げて説明する。図1の全固体電池10は、正極層1と負極層2とが隔離層3を介して配置された二次電池である。正極層1は、正極基材4及び正極活物質層5を有し、正極基材4が正極層1の最外層となる。負極層2は、負極基材7及び負極活物質層6を有し、負極基材7が負極層2の最外層となる。図1に示す全固体電池10においては、負極基材7上に、負極活物質層6、隔離層3、正極活物質層5及び正極基材4がこの順で積層されている。
<Lithium-ion storage element>
As an embodiment of the lithium-ion storage element of the present invention, an all-solid-state battery will be described below as a specific example. The all-solid-
全固体電池10は、正極層1、負極層2及び隔離層3の少なくとも1つに、本発明の一実施形態に係る固体電解質を含有する。より具体的には、正極活物質層5、負極活物質層6及び隔離層3の少なくとも1つに、本発明の一実施形態に係る固体電解質が含有されている。全固体電池10は、当該固体電解質を含有するので、放電容量が大きい。当該固体電解質は、正極層1に含有されていることが好ましい。
The all-solid-
全固体電池10は、本発明の一実施形態に係る固体電解質以外のその他の固体電解質を併せて用いるようにしてもよい。その他の固体電解質としては、当該固体電解質以外の硫化物系固体電解質、酸化物系固体電解質、ドライポリマー電解質、ゲルポリマー電解質、疑似固体電解質等を挙げることができ、硫化物系固体電解質が好ましい。また、全固体電池10における一つの層中に異なる複数種の固体電解質が含有されていてもよく、層毎に異なる固体電解質が含有されていてもよい。
The all-solid-
硫化物系固体電解質としては、例えばLi2S−P2S5、Li2S−P2S5−LiI、Li2S−P2S5−LiCl、Li2S−P2S5−LiBr、Li2S−P2S5−Li2O、Li2S−P2S5−Li2O−LiI、Li2S−P2S5−Li3N、Li2S−SiS2、Li2S−SiS2−LiI、Li2S−SiS2−LiBr、Li2S−SiS2−LiCl、Li2S−SiS2−B2S3−LiI、Li2S−SiS2−P2S5−LiI、Li2S−B2S3、Li2S−P2S5−ZmS2n(ただし、m、nは正の数、Zは、Ge、Zn、Gaのいずれかである。)、Li2S−GeS2、Li2S−SiS2−Li3PO4、Li2S−SiS2−LixMOy(ただし、x、yは正の数、Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれかである。)、Li10GeP2S12等を挙げることができる。 The sulfide-based solid electrolyte, for example, Li 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-P 2 S 5 -LiCl, Li 2 S-P 2 S 5 -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-P 2 S 5 -Li 3 N, 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 2n ( except, m, n is a positive number, Z is is either Ge, Zn, and Ga .), Li 2 S-GeS 2, Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4, Li 2 S-SiS 2 -Li x MO y ( provided that, x, y are positive numbers, M is, P, Si , Ge, B, Al, Ga, In)), and Li 10 GeP 2 S 12 and the like.
[正極層]
正極層1は、正極基材4と、この正極基材4の表面に積層される正極活物質層5とを備える。正極層1は、正極基材4と正極活物質層5との間に中間層を有していてもよい。中間層は、例えば、導電性粒子及び樹脂バインダーを含む層などとすることができる。
[Positive layer]
The positive electrode layer 1 includes a positive electrode base material 4 and a positive electrode active material layer 5 laminated on the surface of the positive electrode base material 4. The positive electrode layer 1 may have an intermediate layer between the positive electrode base material 4 and the positive electrode active material layer 5. The intermediate layer can be, for example, a layer containing conductive particles and a resin binder.
(正極基材)
正極基材4は、導電性を有する。「導電性」を有するとは、JIS−H−0505(1975年)に準拠して測定される体積抵抗率が107Ω・cm以下であることを意味し、「非導電性」とは、上記体積抵抗率が107Ω・cm超であることを意味する。正極基材4の材質としては、アルミニウム、チタン、タンタル、インジウム、ステンレス鋼等の金属又はこれらの合金が用いられる。これらの中でも、耐電位性、導電性の高さ、及びコストの観点からアルミニウム又はアルミニウム合金が好ましい。正極基材としては、箔、蒸着膜等が挙げられ、コストの観点から箔が好ましい。したがって、正極基材としてはアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔が好ましい。アルミニウム又はアルミニウム合金としては、JIS−H−4000(2014年)に規定されるA1085P、A3003P等が例示できる。
(Positive electrode substrate)
The positive electrode base material 4 has conductivity. Having “conductivity” means that the volume resistivity measured according to JIS-H-0505 (1975) is 10 7 Ω·cm or less, and “non-conductivity” means It means that the volume resistivity is more than 10 7 Ω·cm. As a material of the positive electrode base material 4, a metal such as aluminum, titanium, tantalum, indium, stainless steel, or an alloy thereof is used. Among these, aluminum or aluminum alloy is preferable from the viewpoints of potential resistance, high conductivity, and cost. Examples of the positive electrode base material include a foil and a vapor deposition film, and the foil is preferable from the viewpoint of cost. Therefore, the positive electrode base material is preferably an aluminum foil or an aluminum alloy foil. Examples of aluminum or aluminum alloy include A1085P, A3003P and the like specified in JIS-H-4000 (2014).
正極基材の平均厚さの下限としては、5μmが好ましく、10μmがより好ましい。正極基材の平均厚さの上限としては、50μmが好ましく、40μmがより好ましい。正極基材の平均厚さを上記下限以上とすることで、正極基材の強度を高めることができる。正極基材の平均厚さを上記上限以下とすることで、全固体電池の体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。また、これらの理由から、正極基材の平均厚さは5μm以上50μm以下とすることが好ましく、10μm以上40μm以下とすることがより好ましい。「平均厚さ」とは、任意の十点において測定した厚さの平均値をいう。他の部材等に対して「平均厚さ」を用いる場合にも同様に定義される。 The lower limit of the average thickness of the positive electrode substrate is preferably 5 μm, more preferably 10 μm. The upper limit of the average thickness of the positive electrode substrate is preferably 50 μm, more preferably 40 μm. By setting the average thickness of the positive electrode base material to the above lower limit or more, the strength of the positive electrode base material can be increased. By setting the average thickness of the positive electrode substrate to be the above upper limit or less, the energy density per volume of the all-solid-state battery can be increased. For these reasons, the average thickness of the positive electrode base material is preferably 5 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 10 μm or more and 40 μm or less. "Average thickness" refers to the average value of thicknesses measured at arbitrary ten points. The same definition is applied when the "average thickness" is used for other members.
中間層は、正極基材と正極活物質層との間に配される層である。中間層は、炭素粒子等の導電性を有する粒子を含むことで正極基材と正極活物質層との接触抵抗を低減する。中間層の構成は特に限定されず、例えば、樹脂バインダー及び導電性を有する粒子を含む。 The intermediate layer is a layer disposed between the positive electrode base material and the positive electrode active material layer. The intermediate layer contains particles having conductivity such as carbon particles, thereby reducing the contact resistance between the positive electrode base material and the positive electrode active material layer. The structure of the intermediate layer is not particularly limited, and includes, for example, a resin binder and conductive particles.
(正極活物質層)
正極活物質層5は、正極活物質を含む。正極活物質層5は、正極活物質を含むいわゆる正極合剤から形成することができる。正極活物質層5は、正極活物質と固体電解質とを含む混合物又は複合体を含有してもよい。正極活物質層5は、必要に応じて、導電剤、バインダー(結着剤)、増粘剤、フィラー等の任意成分を含んでいてよい。これらの各任意成分の1種又は2種以上は、正極活物質層5に実質的に含有されていなくてもよい。
(Cathode active material layer)
The positive electrode active material layer 5 contains a positive electrode active material. The positive electrode active material layer 5 can be formed from a so-called positive electrode mixture containing a positive electrode active material. The positive electrode active material layer 5 may contain a mixture or complex containing a positive electrode active material and a solid electrolyte. The positive electrode active material layer 5 may include optional components such as a conductive agent, a binder (binder), a thickener, and a filler, if necessary. One kind or two or more kinds of each of these optional components may not be substantially contained in the positive electrode active material layer 5.
正極活物質層5に含まれる正極活物質としては、リチウムイオン二次電池や全固体電池に通常用いられる公知の正極活物質の中から適宜選択できる。上記正極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。例えば、α−NaFeO2型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物、ポリアニオン化合物、カルコゲン化合物、硫黄等が挙げられる。α−NaFeO2型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物として、例えば、Li[LixNi1−x]O2(0≦x<0.5)、Li[LixNiγCo(1−x−γ)]O2(0≦x<0.5、0<γ<1)、Li[LixNiγMnβCo(1−x−γ−β]O2(0≦x<0.5、0<γ、0<β、0.5<γ+β<1)等が挙げられる。スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物として、LixMn2O4,LixNiγMn(2−γ)O4等が挙げられる。ポリアニオン化合物として、LiFePO4,LiMnPO4,LiNiPO4,LiCoPO4,Li3V2(PO4)3,Li2MnSiO4,Li2CoPO4F等が挙げられる。カルコゲン化合物として、二硫化チタン、二硫化モリブデン、二酸化モリブデン等が挙げられる。これらの材料中の原子又はポリアニオンは、他の元素からなる原子又はアニオン種で一部が置換されていてもよい。正極活物質は、表面がニオブ酸リチウム、チタン酸リチウム、リン酸リチウム等の酸化物で被覆されていてもよい。正極活物質層においては、これら正極活物質の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 The positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 5 can be appropriately selected from known positive electrode active materials usually used in lithium ion secondary batteries and all-solid-state batteries. A material capable of inserting and extracting lithium ions is usually used as the positive electrode active material. Examples thereof include a lithium transition metal composite oxide having an α-NaFeO 2 type crystal structure, a lithium transition metal oxide having a spinel type crystal structure, a polyanion compound, a chalcogen compound, and sulfur. Examples of the lithium-transition metal composite oxide having an α-NaFeO 2 type crystal structure include, for example, Li[Li x Ni 1-x ]O 2 (0≦x<0.5), Li[Li x Ni γ Co (1- x-γ)] O 2 ( 0 ≦ x <0.5,0 <γ <1), Li [Li x Ni γ Mn β Co (1-x-γ-β] O 2 (0 ≦ x <0. 5, 0<γ, 0<β, 0.5<γ+β<1), etc. As the lithium transition metal oxide having a spinel type crystal structure, Li x Mn 2 O 4 , Li x Ni γ Mn (2 -Γ) O 4 etc. Examples of the polyanion compound include LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , LiCoPO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Li 2 MnSiO 4 , Li 2 CoPO 4 F and the like. Examples of chalcogen compounds include titanium disulfide, molybdenum disulfide, molybdenum dioxide, etc. Atoms or polyanions in these materials may be partially substituted with atoms or anion species composed of other elements. The surface of the positive electrode active material may be covered with an oxide such as lithium niobate, lithium titanate, lithium phosphate, etc. In the positive electrode active material layer, one of these positive electrode active materials may be used alone. Well, two or more kinds may be mixed and used.
正極活物質の平均粒径は、例えば、0.1μm以上20μm以下とすることが好ましい。正極活物質の平均粒径を上記下限以上とすることで、正極活物質の製造又は取り扱いが容易になる。正極活物質の平均粒径を上記上限以下とすることで、正極活物質層の電子伝導性が向上する。 The average particle size of the positive electrode active material is preferably, for example, 0.1 μm or more and 20 μm or less. By setting the average particle diameter of the positive electrode active material to the above lower limit or more, the production or handling of the positive electrode active material becomes easy. By setting the average particle size of the positive electrode active material to be equal to or less than the above upper limit, the electron conductivity of the positive electrode active material layer is improved.
粒子を所定の形状で得るためには粉砕機や分級機等が用いられる。粉砕方法として、例えば、乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェトミル、旋回気流型ジェットミル又は篩等を用いる方法が挙げられる。粉砕時には水、あるいはヘキサン等の有機溶剤を共存させた湿式粉砕を用いることもできる。分級方法としては、篩や風力分級機等が、乾式、湿式ともに必要に応じて用いられる。 A crusher, a classifier, or the like is used to obtain the particles in a predetermined shape. Examples of the pulverization method include a method using a mortar, a ball mill, a sand mill, a vibrating ball mill, a planetary ball mill, a jet mill, a counter jet mill, a swirling airflow type jet mill, a sieve, or the like. Wet grinding in which water or an organic solvent such as hexane is allowed to coexist may be used during grinding. As a classification method, a sieve, an air classifier, or the like is used as needed, both dry and wet.
正極活物質層5における正極活物質の含有量の下限としては、10質量%が好ましく、30質量%がより好ましく、50質量%がさらに好ましい。正極活物質の含有量の上限としては、90質量%が好ましく、80質量%がより好ましい。正極活物質の含有量を上記範囲とすることで、全固体電池10の電気容量をより大きくすることができる。
The lower limit of the content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer 5 is preferably 10% by mass, more preferably 30% by mass, and further preferably 50% by mass. The upper limit of the content of the positive electrode active material is preferably 90% by mass, more preferably 80% by mass. By setting the content of the positive electrode active material within the above range, the electric capacity of the all-solid-
正極活物質層5が固体電解質を含有する場合、固体電解質の含有量の下限としては、10質量%が好ましく、20質量%がより好ましい。正極活物質層5における固体電解質の含有量の上限は、90質量%が好ましく、70質量%がより好ましく、50質量%がさらに好ましい。固体電解質の含有量を上記範囲とすることで、当該全固体電池の電気容量を高めることができる。正極活物質層5に本発明の一実施形態に係る固体電解質を用いる場合、正極活物質層5中の全固体電解質に占める本発明の一実施形態に係る固体電解質の含有量としては、50質量%以上が好ましく、70質量以上%がより好ましく、90質量%以上がさらに好ましく、実質的に100質量%であることがよりさらに好ましい。 When the positive electrode active material layer 5 contains a solid electrolyte, the lower limit of the content of the solid electrolyte is preferably 10% by mass, more preferably 20% by mass. The upper limit of the content of the solid electrolyte in the positive electrode active material layer 5 is preferably 90% by mass, more preferably 70% by mass, and further preferably 50% by mass. By setting the content of the solid electrolyte within the above range, the electric capacity of the all-solid-state battery can be increased. When the solid electrolyte according to one embodiment of the present invention is used for the positive electrode active material layer 5, the content of the solid electrolyte according to one embodiment of the present invention in the total solid electrolyte in the positive electrode active material layer 5 is 50 mass. % Or more is preferable, 70% by mass or more is more preferable, 90% by mass or more is further preferable, and substantially 100% by mass is even more preferable.
上記正極活物質と固体電解質との混合物は、正極活物質及び固体電解質等をメカニカルミリング等で混合することにより作製される混合物である。例えば、正極活物質と固体電解質等との混合物は、粒子状の正極活物質及び粒子状の固体電解質等を混合して得ることができる。上記正極活物質と固体電解質との複合体としては、正極活物質及び固体電解質等の間で化学的又は物理的な結合を有する複合体、正極活物質と固体電解質等とを機械的に複合化させた複合体等が挙げられる。上記複合体は、一粒子内に正極活物質及び固体電解質等が存在しているものであり、例えば、正極活物質及び固体電解質等が凝集状態を形成しているもの、正極活物質の表面の少なくとも一部に固体電解質等含有皮膜が形成されているものなどが挙げられる。 The mixture of the positive electrode active material and the solid electrolyte is a mixture prepared by mixing the positive electrode active material, the solid electrolyte and the like by mechanical milling or the like. For example, the mixture of the positive electrode active material and the solid electrolyte can be obtained by mixing the particulate positive electrode active material and the particulate solid electrolyte. As the composite of the positive electrode active material and the solid electrolyte, a composite having a chemical or physical bond between the positive electrode active material and the solid electrolyte, mechanically composite the positive electrode active material and the solid electrolyte, etc. Examples of the complex include: The composite is one in which the positive electrode active material and the solid electrolyte are present in one particle, for example, those in which the positive electrode active material and the solid electrolyte and the like form an aggregated state, the surface of the positive electrode active material Examples thereof include those having a film containing a solid electrolyte or the like formed on at least a part thereof.
(任意成分)
導電剤は、導電性を有する材料であれば特に限定されない。このような導電剤としては、例えば、黒鉛;ファーネスブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック;金属;導電性セラミックス等が挙げられる。導電剤の形状としては、粉状、繊維状等が挙げられる。これらの中でも、電子伝導性等の観点よりアセチレンブラックが好ましい。
(Arbitrary ingredient)
The conductive agent is not particularly limited as long as it is a material having conductivity. Examples of such a conductive agent include graphite; carbon black such as furnace black and acetylene black; metal; conductive ceramics. Examples of the shape of the conductive agent include powder and fibrous shapes. Among these, acetylene black is preferable from the viewpoint of electronic conductivity and the like.
正極活物質層5における導電剤の含有量の下限としては、1質量%が好ましく、3質量%がより好ましい。導電剤の含有量の上限としては、10質量%が好ましく、9質量%がより好ましい。導電剤の含有量を上記範囲とすることで、全固体電池の電気容量を高めることができる。また、これらの理由から、導電剤の含有量は1質量%以上10質量%以下とすることが好ましく、3質量%以上9質量%以下とすることがより好ましい。 As a minimum of content of a conductive agent in cathode active material layer 5, 1 mass% is preferred and 3 mass% is more preferred. As a maximum of content of a conductive agent, 10 mass% is preferred and 9 mass% is more preferred. By setting the content of the conductive agent within the above range, the electric capacity of the all-solid-state battery can be increased. For these reasons, the content of the conductive agent is preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less, and more preferably 3% by mass or more and 9% by mass or less.
バインダーとしては、例えば、フッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド等の熱可塑性樹脂;エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム等のエラストマー;多糖類高分子等が挙げられる。 Examples of the binder include thermoplastic resins such as fluororesins (polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc.), polyethylene, polypropylene, polyimide; ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), sulfonated EPDM, Elastomers such as styrene-butadiene rubber (SBR) and fluororubber; polysaccharide polymers and the like.
正極活物質層5におけるバインダーの含有量の下限としては、1質量%が好ましく、3質量%がより好ましい。バインダーの含有量の上限としては、10質量%が好ましく、9質量%がより好ましい。バインダーの含有量を上記範囲とすることで、活物質を安定して保持することができる。また、これらの理由から、バインダーの含有量は1質量%以上10質量%とすることが好ましく、3質量%以上9質量%以下とすることがより好ましい。 The lower limit of the content of the binder in the positive electrode active material layer 5 is preferably 1% by mass, more preferably 3% by mass. The upper limit of the binder content is preferably 10% by mass, more preferably 9% by mass. By setting the content of the binder within the above range, the active material can be stably retained. For these reasons, the content of the binder is preferably 1% by mass or more and 10% by mass or more, and more preferably 3% by mass or more and 9% by mass or less.
増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース等の多糖類高分子が挙げられる。増粘剤がリチウム等と反応する官能基を有する場合、予めメチル化等によりこの官能基を失活させてもよい。 Examples of the thickener include polysaccharide polymers such as carboxymethyl cellulose (CMC) and methyl cellulose. When the thickener has a functional group that reacts with lithium or the like, the functional group may be deactivated by methylation or the like in advance.
フィラーは、特に限定されない。フィラーとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、シリカ、アルミナ、ゼオライト、ガラス、アルミナシリケイト等が挙げられる。 The filler is not particularly limited. Examples of the filler include polyolefins such as polypropylene and polyethylene, silica, alumina, zeolite, glass, and alumina silicate.
正極活物質層5は、B、N、P、F、Cl、Br、I等の典型非金属元素、Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Zn、Ga、Ge等の典型金属元素、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Nb、W等の遷移金属元素を正極活物質、導電剤、バインダー、増粘剤、フィラー以外の成分として含有してもよい。 The positive electrode active material layer 5 includes typical non-metal elements such as B, N, P, F, Cl, Br and I, typical metal elements such as Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Zn, Ga and Ge, Containing transition metal elements such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Zr, Nb and W as components other than the positive electrode active material, conductive agent, binder, thickener and filler. You may.
正極活物質層5の平均厚さの下限としては、30μmが好ましく、60μmがより好ましい。正極活物質層5の平均厚さの上限としては、1000μmが好ましく、500μmがより好ましい。正極活物質層5の平均厚さを上記下限以上とすることで、高いエネルギー密度を有する全固体電池を得ることができる。正極活物質層5の平均厚さを上記上限以下とすることで、全固体電池の小型化を図ることなどができる。 The lower limit of the average thickness of the positive electrode active material layer 5 is preferably 30 μm, more preferably 60 μm. The upper limit of the average thickness of the positive electrode active material layer 5 is preferably 1000 μm, more preferably 500 μm. By setting the average thickness of the positive electrode active material layer 5 to the above lower limit or more, an all-solid battery having a high energy density can be obtained. By setting the average thickness of the positive electrode active material layer 5 to be equal to or less than the above upper limit, the size of the all-solid battery can be reduced.
[負極層]
負極層2は、負極基材7と、当該負極基材7に直接又は中間層を介して配される負極活物質層6とを有する。中間層の構成は特に限定されず、例えば上記正極層で例示した構成から選択することができる。
[Negative electrode layer]
The negative electrode layer 2 has a negative electrode base material 7 and a negative electrode active material layer 6 arranged on the negative electrode base material 7 directly or via an intermediate layer. The structure of the intermediate layer is not particularly limited, and can be selected from the structures exemplified for the positive electrode layer, for example.
(負極基材)
負極基材7は、導電性を有する。負極基材7の材質としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼、アルミニウム等の金属又はこれらの合金が用いられる。これらの中でも銅又は銅合金が好ましい。負極基材としては、箔、蒸着膜等が挙げられ、コストの観点から箔が好ましい。したがって、負極基材としては銅箔又は銅合金箔が好ましい。銅箔の例としては、圧延銅箔、電解銅箔等が挙げられる。
(Negative electrode substrate)
The negative electrode base material 7 has conductivity. As a material of the negative electrode base material 7, a metal such as copper, nickel, stainless steel, nickel plated steel, or aluminum, or an alloy thereof is used. Among these, copper or copper alloy is preferable. Examples of the negative electrode base material include a foil and a vapor deposition film, and the foil is preferable from the viewpoint of cost. Therefore, the negative electrode base material is preferably a copper foil or a copper alloy foil. Examples of the copper foil include rolled copper foil and electrolytic copper foil.
負極基材7の平均厚さの下限としては、3μmが好ましく、5μmがより好ましい。負極基材7の平均厚さの上限としては、30μmが好ましく、20μmがより好ましい。負極基材の平均厚さを上記下限以上とすることで、負極基材7の強度を高めることができる。負極基材の平均厚さを上記上限以下とすることで、全固体電池の体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。また、これらの理由から、負極基材7の平均厚さは、3μm以上30μm以下とすることが好ましく、5μm以上20μm以下とすることがより好ましい。 The lower limit of the average thickness of the negative electrode substrate 7 is preferably 3 μm, more preferably 5 μm. The upper limit of the average thickness of the negative electrode substrate 7 is preferably 30 μm, more preferably 20 μm. By setting the average thickness of the negative electrode base material to the above lower limit or more, the strength of the negative electrode base material 7 can be increased. By setting the average thickness of the negative electrode base material to the above upper limit or less, the energy density per volume of the all solid state battery can be increased. For these reasons, the average thickness of the negative electrode base material 7 is preferably 3 μm or more and 30 μm or less, and more preferably 5 μm or more and 20 μm or less.
(負極活物質層)
負極活物質層6は、負極活物質を含む。負極活物質層6は、負極活物質を含むいわゆる負極合剤から形成することができる。負極活物質層6は、負極活物質と固体電解質とを含む混合物又は複合体を含有してもよい。負極活物質層6は、必要に応じて、導電剤、バインダー、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。これらの負極活物質層における任意成分の種類及び好適な含有量は、上述した正極活物質層の各任意成分と同様である。これらの各任意成分の1種又は2種以上は、負極活物質層に実質的に含有されていなくてもよい。
(Negative electrode active material layer)
The negative electrode active material layer 6 contains a negative electrode active material. The negative electrode active material layer 6 can be formed from a so-called negative electrode mixture containing a negative electrode active material. The negative electrode active material layer 6 may contain a mixture or composite containing a negative electrode active material and a solid electrolyte. The negative electrode active material layer 6 contains optional components such as a conductive agent, a binder, a thickener, and a filler, if necessary. The types and suitable contents of the optional components in these negative electrode active material layers are the same as the respective optional components in the positive electrode active material layer described above. One or two or more of each of these optional components may not be substantially contained in the negative electrode active material layer.
負極活物質層6は、B、N、P、F、Cl、Br、I等の典型非金属元素、Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Zn、Ga、Ge等の典型金属元素、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Ta、Hf、Nb、W等の遷移金属元素を負極活物質、導電剤、バインダー、増粘剤、フィラー以外の成分として含有してもよい。 The negative electrode active material layer 6 includes typical non-metal elements such as B, N, P, F, Cl, Br and I, typical metal elements such as Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Zn, Ga and Ge, Transition metal elements such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Zr, Ta, Hf, Nb, W, etc. other than the negative electrode active material, conductive agent, binder, thickener and filler. It may be contained as a component.
負極活物質としては、リチウムイオン二次電池や全固体電池に通常用いられる公知の負極活物質の中から適宜選択できる。上記負極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。負極活物質としては、例えば、金属Li;Si、Sn等の金属又は半金属;Si酸化物、Ti酸化物、Sn酸化物等の金属酸化物又は半金属酸化物;Li4Ti5O12、LiTiO2、TiNb2O7等のチタン含有酸化物;ポリリン酸化合物;炭化ケイ素;黒鉛(グラファイト)、非黒鉛質炭素(易黒鉛化性炭素又は難黒鉛化性炭素)等の炭素材料等が挙げられる。これらの材料の中でも、黒鉛及び非黒鉛質炭素が好ましい。負極活物質層においては、これら材料の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 The negative electrode active material can be appropriately selected from known negative electrode active materials usually used in lithium ion secondary batteries and all-solid-state batteries. A material capable of inserting and extracting lithium ions is usually used as the negative electrode active material. Examples of the negative electrode active material include metal Li; metals such as Si and Sn or metalloids; metal oxides such as Si oxides, Ti oxides and Sn oxides or metalloid oxides; Li 4 Ti 5 O 12 ; Titanium-containing oxides such as LiTiO 2 and TiNb 2 O 7 ; polyphosphoric acid compounds; silicon carbide; carbon materials such as graphite (graphite) and non-graphitizable carbon (graphitizable carbon or non-graphitizable carbon). To be Among these materials, graphite and non-graphitic carbon are preferable. In the negative electrode active material layer, one kind of these materials may be used alone, or two or more kinds thereof may be mixed and used.
「黒鉛」とは、充放電前又は放電状態において、X線回折法により決定される(002)面の平均格子面間隔(d002)が0.33nm以上0.34nm未満の炭素材料をいう。黒鉛としては、天然黒鉛、人造黒鉛が挙げられる。安定した物性の材料を入手できるという観点で、人造黒鉛が好ましい。 “Graphite” refers to a carbon material having an average lattice spacing (d 002 ) of (002) planes determined by an X-ray diffraction method of 0.33 nm or more and less than 0.34 nm before or after charge/discharge. Examples of graphite include natural graphite and artificial graphite. Artificial graphite is preferable from the viewpoint that a material having stable physical properties can be obtained.
「非黒鉛質炭素」とは、充放電前又は放電状態においてX線回折法により決定される(002)面の平均格子面間隔(d002)が0.34nm以上0.42nm以下の炭素材料をいう。非黒鉛質炭素の結晶子サイズLcは、通常、0.80〜2.0nmである。非黒鉛質炭素としては、難黒鉛化性炭素や、易黒鉛化性炭素が挙げられる。非黒鉛質炭素としては、例えば、樹脂由来の材料、石油ピッチ由来の材料、アルコール由来の材料等が挙げられる。 “Non-graphitic carbon” refers to a carbon material having an average lattice spacing (d 002 ) of (002) plane of 0.34 nm or more and 0.42 nm or less, which is determined by an X-ray diffraction method before or after charge/discharge. Say. The crystallite size Lc of non-graphitic carbon is usually 0.80 to 2.0 nm. Examples of the non-graphitizable carbon include non-graphitizable carbon and easily graphitizable carbon. Examples of the non-graphitic carbon include resin-derived materials, petroleum pitch-derived materials, alcohol-derived materials, and the like.
ここで、「放電状態」とは、負極活物質として炭素材料を含む負極を作用極として、金属Liを対極として用いた単極電池において、開回路電圧が0.7V以上である状態をいう。開回路状態での金属Li対極の電位は、Liの酸化還元電位とほぼ等しいため、上記単極電池における開回路電圧は、Liの酸化還元電位に対する炭素材料を含む負極の電位とほぼ同等である。つまり、上記単極電池における開回路電圧が0.7V以上であることは、負極活物質である炭素材料から、充放電に伴い吸蔵放出可能なリチウムイオンが十分に放出されていることを意味する。 Here, the “discharge state” refers to a state in which an open circuit voltage is 0.7 V or more in a single-pole battery using a negative electrode containing a carbon material as a negative electrode active material as a working electrode and metal Li as a counter electrode. Since the potential of the counter electrode of metal Li in the open circuit state is almost equal to the oxidation-reduction potential of Li, the open-circuit voltage in the above unipolar battery is almost equal to the potential of the negative electrode containing the carbon material with respect to the oxidation-reduction potential of Li. .. That is, an open circuit voltage of 0.7 V or more in the above-mentioned single-pole battery means that the carbon material, which is the negative electrode active material, has sufficiently released lithium ions that can be stored and released during charging and discharging. ..
「難黒鉛化性炭素」とは、上記d002が0.36nm以上0.42nm以下の炭素材料をいう。難黒鉛化性炭素は、通常、非黒鉛質炭素の中でも、3次元的な積層規則性を持つ黒鉛構造が生成し難い性質を有する。 The "non-graphitizable carbon" refers to a carbon material having d 002 of 0.36 nm or more and 0.42 nm or less. The non-graphitizable carbon usually has a property that a graphite structure having a three-dimensional stacking regularity is unlikely to be formed among non-graphitic carbons.
「易黒鉛化性炭素」とは、上記d002が0.34nm以上0.36nm未満の炭素材料をいう。易黒鉛化性炭素は、通常、非黒鉛質炭素の中でも、3次元的な積層規則性を持つ黒鉛構造が生成し易い性質を有する。 The “graphitizable carbon” refers to a carbon material having the above-mentioned d 002 of 0.34 nm or more and less than 0.36 nm. The easily graphitizable carbon usually has a property of easily forming a graphite structure having a three-dimensional stacking regularity among non-graphitic carbons.
負極活物質の平均粒径は、例えば、1μm以上100μm以下とすることができる。負極活物質の平均粒径を上記下限以上とすることで、負極活物質の製造又は取り扱いが容易になる。負極活物質の平均粒径を上記上限以下とすることで、活物質層の電子伝導性が向上する。粒子を所定の形状で得るためには粉砕機や分級機等が用いられる。粉砕方法及び粉級方法は、例えば、上記正極層で例示した方法から選択できる。 The average particle size of the negative electrode active material can be, for example, 1 μm or more and 100 μm or less. By setting the average particle size of the negative electrode active material to the above lower limit or more, the production or handling of the negative electrode active material becomes easy. By setting the average particle size of the negative electrode active material to be equal to or less than the above upper limit, the electron conductivity of the active material layer is improved. A crusher, a classifier, or the like is used to obtain the particles in a predetermined shape. The pulverization method and the powder classification method can be selected from the methods exemplified for the positive electrode layer, for example.
負極活物質層6が固体電解質を含有する場合、固体電解質の含有量の下限としては、10質量%が好ましく、20質量%がより好ましい。負極活物質層6における固体電解質の含有量の上限は、90質量%が好ましく、70質量%がより好ましく、50質量%がさらに好ましい。固体電解質の含有量を上記範囲とすることで、当該全固体電池の電気容量を大きくすることができる。負極活物質層6に本発明の一実施形態に係る固体電解質を用いる場合、負極活物質層6中の全固体電解質に占める本発明の一実施形態に係る固体電解質の含有量としては、50質量%以上が好ましく、70質量以上%がより好ましく、90質量%以上がさらに好ましく、実質的に100質量%であることがよりさらに好ましい。 When the negative electrode active material layer 6 contains a solid electrolyte, the lower limit of the content of the solid electrolyte is preferably 10% by mass, more preferably 20% by mass. The upper limit of the content of the solid electrolyte in the negative electrode active material layer 6 is preferably 90% by mass, more preferably 70% by mass, and further preferably 50% by mass. By setting the content of the solid electrolyte within the above range, the electric capacity of the all-solid-state battery can be increased. When the solid electrolyte according to one embodiment of the present invention is used for the negative electrode active material layer 6, the content of the solid electrolyte according to one embodiment of the present invention in the total solid electrolyte in the negative electrode active material layer 6 is 50 mass. % Or more is preferable, 70% by mass or more is more preferable, 90% by mass or more is further preferable, and substantially 100% by mass is even more preferable.
上記負極活物質と固体電解質との混合物又は複合体は、上述した正極活物質と固体電解質との混合物又は複合体において、正極活物質を負極活物質に置き換えたものとすることができる。 The mixture or composite of the negative electrode active material and the solid electrolyte may be the above-described mixture or composite of the positive electrode active material and the solid electrolyte in which the positive electrode active material is replaced with the negative electrode active material.
負極活物質層6の平均厚さの下限としては、30μmが好ましく、60μmがより好ましい。負極活物質層6の平均厚さの上限としては、1000μmが好ましく、500μmがより好ましい。負極活物質層6の平均厚さを上記下限以上とすることで、高いエネルギー密度を有する全固体電池を得ることができる。負極活物質層6の平均厚さを上記上限以下とすることで、全固体電池の小型化を図ることなどができる。 The lower limit of the average thickness of the negative electrode active material layer 6 is preferably 30 μm, more preferably 60 μm. The upper limit of the average thickness of the negative electrode active material layer 6 is preferably 1000 μm, more preferably 500 μm. By setting the average thickness of the negative electrode active material layer 6 to the above lower limit or more, an all-solid battery having a high energy density can be obtained. By setting the average thickness of the negative electrode active material layer 6 to be equal to or less than the above upper limit, the size of the all-solid-state battery can be reduced.
[隔離層]
隔離層3は、固体電解質を含有する。隔離層3に含有される固体電解質としては、上述した本発明の一実施形態に係る固体電解質以外にも、各種固体電解質を用いることができ、中でも、硫化物系固体電解質を用いることが好ましい。隔離層3における固体電解質の含有量としては、70質量%以上が好ましく、90質量以上%がより好ましく、99質量%以上がさらに好ましく、実質的に100質量%であることがよりさらに好ましいこともある。また、隔離層3に本発明の一実施形態に係る固体電解質を用いる場合、隔離層3中の全固体電解質に占める本発明の一実施形態に係る固体電解質の含有量としては、50質量%以上が好ましく、70質量以上%がより好ましく、90質量%以上がさらに好ましく、実質的に100質量%であることがよりさらに好ましい。
[Isolation layer]
The isolation layer 3 contains a solid electrolyte. As the solid electrolyte contained in the isolation layer 3, various solid electrolytes other than the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention described above can be used, and among these, a sulfide-based solid electrolyte is preferably used. The content of the solid electrolyte in the isolation layer 3 is preferably 70% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, further preferably 99% by mass or more, and even more preferably substantially 100% by mass. is there. When the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention is used for the isolation layer 3, the content of the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention in the total solid electrolyte in the isolation layer 3 is 50% by mass or more. Is preferred, 70% by mass or more is more preferred, 90% by mass or more is still more preferred, and substantially 100% by mass is even more preferred.
隔離層3には、Li3PO4等の酸化物、ハロゲン化合物、バインダー、増粘剤、フィラー等の任意成分が含有されていてもよい。バインダー、増粘剤、フィラー等の任意成分は、上記正極層で例示した材料から選択できる。 The isolation layer 3 may contain optional components such as oxides such as Li 3 PO 4 , halogen compounds, binders, thickeners and fillers. Optional components such as a binder, a thickener, and a filler can be selected from the materials exemplified for the positive electrode layer.
隔離層3の平均厚さの下限としては、1μmが好ましく、3μmがより好ましい。隔離層3の平均厚さの上限としては、50μmが好ましく、20μmがより好ましい。隔離層3の平均厚さを上記下限以上とすることで、正極と負極とを確実性高くに絶縁することが可能となる。隔離層3の平均厚さを上記上限以下とすることで、全固体電池のエネルギー密度を高めることが可能となる。 The lower limit of the average thickness of the isolation layer 3 is preferably 1 μm, more preferably 3 μm. The upper limit of the average thickness of the isolation layer 3 is preferably 50 μm, more preferably 20 μm. By setting the average thickness of the isolation layer 3 to the above lower limit or more, it becomes possible to reliably insulate the positive electrode and the negative electrode. By setting the average thickness of the isolation layer 3 to the upper limit or less, it becomes possible to increase the energy density of the all-solid-state battery.
<リチウムイオン蓄電素子の製造方法>
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン蓄電素子の製造方法は、本発明の一実施形態に係る固体電解質又は本発明の一実施形態に係る固体電解質の製造方法で得られた固体電解質を用いて、正極層、隔離層及び負極層の少なくとも1つを作製することを備える。当該製造方法は、具体的には、例えば(1)正極合剤を用意すること、(2)隔離層用材料を用意すること、(3)負極合剤を用意すること、及び(4)正極層、隔離層及び負極層を積層することを備える。上記(1)及び(4)にて正極層が作製され、上記(2)及び(4)にて隔離層が作製され、上記(3)及び(4)にて負極層が作製される。正極合剤、隔離層用材料及び負極合剤の少なくとも一つに、本発明の一実施形態に係る固体電解質又は本発明の一実施形態に係る固体電解質の製造方法で得られた固体電解質が含まれる。以下、各工程について詳説する。
<Method for manufacturing lithium-ion storage element>
A method for manufacturing a lithium-ion storage element according to an embodiment of the present invention uses a solid electrolyte according to an embodiment of the present invention or a solid electrolyte obtained by the method for manufacturing a solid electrolyte according to an embodiment of the present invention. Preparing at least one of a positive electrode layer, an isolation layer and a negative electrode layer. Specifically, the manufacturing method is, for example, (1) preparing a positive electrode mixture, (2) preparing a material for an isolation layer, (3) preparing a negative electrode mixture, and (4) a positive electrode. Laminating a layer, an isolation layer and a negative electrode layer. The positive electrode layer is produced by the above (1) and (4), the isolation layer is produced by the above (2) and (4), and the negative electrode layer is produced by the above (3) and (4). At least one of the positive electrode mixture, the material for the isolation layer, and the negative electrode mixture contains the solid electrolyte according to one embodiment of the present invention or the solid electrolyte obtained by the method for producing a solid electrolyte according to one embodiment of the present invention. Be done. Hereinafter, each step will be described in detail.
(1)正極合剤用意工程
本工程では、通常、正極層(正極活物質層)を形成するための正極合剤が作製される。正極合剤の作製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、正極合剤の材料のメカニカルミリング処理、正極活物質の圧縮成形、正極活物質のターゲット材料を用いたスパッタリング等が挙げられる。正極合剤が、正極活物質と固体電解質とを含む混合物又は複合体を含有する場合、本工程は、例えばメカニカルミリング法等を用いて正極活物質と固体電解質とを混合し、正極活物質と固体電解質との混合物又は複合体を作製することを含むことができる。
(1) Positive Electrode Mixture Preparation Step In this step, a positive electrode mixture for forming a positive electrode layer (positive electrode active material layer) is usually prepared. The method for producing the positive electrode mixture is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples thereof include mechanical milling treatment of the material of the positive electrode mixture, compression molding of the positive electrode active material, and sputtering using a target material of the positive electrode active material. If the positive electrode mixture contains a mixture or complex containing a positive electrode active material and a solid electrolyte, this step, for example, by mixing the positive electrode active material and the solid electrolyte using a mechanical milling method or the like, the positive electrode active material and Making a mixture or complex with a solid electrolyte can be included.
(2)隔離層用材料用意工程
本工程では、通常、隔離層を形成するための材料が作製される。リチウムイオン蓄電素子が全固体電池である場合、隔離層用材料は、通常、固体電解質である。隔離層用材料としての固体電解質は、従来公知の方法で作製することができる。例えば、所定の材料をメカニカルミリング法により処理して得ることができる。溶融急冷法により所定の材料を溶融温度以上に加熱して所定の比率で両者を溶融混合し、急冷することにより隔離層用材料を作製してもよい。その他の隔離層用材料の合成方法としては、例えば減圧封入して焼成する固相法、溶解析出などの液相法、気相法(PLD)、メカニカルミリング後にアルゴン雰囲気下で焼成することなどが挙げられる。
(2) Isolation Layer Material Preparation Step In this step, a material for forming the isolation layer is usually prepared. When the lithium-ion power storage device is an all-solid-state battery, the material for the isolation layer is usually a solid electrolyte. The solid electrolyte as the material for the isolation layer can be produced by a conventionally known method. For example, it can be obtained by processing a predetermined material by a mechanical milling method. The isolation layer material may be produced by heating a predetermined material to a temperature equal to or higher than the melting temperature by a melt quenching method, melting and mixing both at a predetermined ratio, and then rapidly cooling. Other methods for synthesizing the material for the isolation layer include, for example, a solid-phase method of sealing under reduced pressure and firing, a liquid-phase method such as dissolution and precipitation, a vapor-phase method (PLD), and firing in an argon atmosphere after mechanical milling. Can be mentioned.
(3)負極合剤用意工程
本工程では、通常、負極層(負極活物質層)を形成するための負極合剤が作製される。負極合剤の具体的作製方法は、正極合剤と同様である。負極合剤が、負極活物質と固体電解質とを含む混合物又は複合体を含有する場合、本工程は、例えばメカニカルミリング法等を用いて負極活物質と固体電解質とを混合し、負極活物質と固体電解質との混合物又は複合体を作製することを含むことができる。
(3) Negative electrode mixture preparation step In this step, a negative electrode mixture for forming a negative electrode layer (negative electrode active material layer) is usually prepared. The specific manufacturing method of the negative electrode mixture is the same as that of the positive electrode mixture. If the negative electrode mixture contains a mixture or complex containing a negative electrode active material and a solid electrolyte, this step, for example, by mixing the negative electrode active material and the solid electrolyte by using a mechanical milling method or the like, the negative electrode active material and Making a mixture or complex with a solid electrolyte can be included.
(積層工程)
本工程は、例えば、正極基材及び正極活物質層を有する正極層、隔離層、並びに負極基材及び負極活物質層を有する負極層が積層される。本工程では、正極層、隔離層及び負極層をこの順に順次形成してもよいし、この逆であってもよく、各層の形成の順序は特に問わない。上記正極層は、例えば正極基材及び正極合剤を加圧成型することにより形成され、上記隔離層は、隔離層用材料を加圧成型することにより形成され、上記負極層は、負極基材及び負極合剤を加圧成型することにより形成される。正極基材、正極合剤、隔離層材料、負極合剤及び負極基材を一度に加圧成型することにより、正極層、隔離層及び負極層が積層されてもよい。正極層及び負極層をそれぞれ予め成形し、隔離層と加圧成型して積層してもよい。
(Lamination process)
In this step, for example, a positive electrode layer having a positive electrode base material and a positive electrode active material layer, an isolation layer, and a negative electrode layer having a negative electrode base material and a negative electrode active material layer are laminated. In this step, the positive electrode layer, the isolation layer, and the negative electrode layer may be sequentially formed in this order, or vice versa, and the order of forming each layer is not particularly limited. The positive electrode layer is formed, for example, by pressure molding a positive electrode base material and a positive electrode mixture, the isolation layer is formed by pressure molding a material for an isolation layer, and the negative electrode layer is a negative electrode base material. And the negative electrode mixture are pressure-molded. The positive electrode layer, the positive electrode mixture, the separator layer material, the negative electrode mixture, and the negative electrode substrate may be pressure-molded at one time to laminate the positive electrode layer, the separator layer, and the negative electrode layer. The positive electrode layer and the negative electrode layer may be preliminarily molded, and pressure-molded and laminated with the isolation layer.
[その他の実施形態]
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記態様の他、種々の変更、改良を施した態様で実施することができる。例えば、本発明に係るリチウムイオン蓄電素子については、正極層、隔離層及び負極層以外のその他の層を備えていてもよい。また、本発明に係るリチウムイオン蓄電素子は、各層のうちの1つ又は複数に液体を含むものであってもよい。本発明に係るリチウムイオン蓄電素子は、二次電池の他、キャパシタ等であってもよい。
[Other Embodiments]
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be carried out in various modified and improved modes other than the above modes. For example, the lithium-ion storage element according to the present invention may be provided with a layer other than the positive electrode layer, the isolation layer, and the negative electrode layer. In addition, the lithium-ion storage element according to the present invention may include a liquid in one or more of the layers. The lithium ion storage element according to the present invention may be a capacitor or the like in addition to the secondary battery.
<実施例>
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
<Example>
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
[実施例1]液相法による合成
有機液体としてのテトラヒドロフラン(THF)100mLに、Li2S(1.311g)、P2S5(1.242g)及びLiCl(0.474g)を添加し、室温下、攪拌機により回転数200rpmで3時間攪拌し、原料液を調製した。回転数200rpmでの攪拌を行いながら原料液を100℃で3時間加熱し、乾固した原料液を120℃で半日減圧乾燥させることにより、有機液体を揮発させ、前駆体を得た。得られた前駆体をペレット状に成形した。この前駆体を550℃で6時間加熱することにより焼成し、組成式Li6PS5Clで表される実施例1の固体電解質を得た。なお、上記全工程は、全て露点−50℃以下のアルゴン雰囲気下で行った。
Example 1 Synthesis by Liquid Phase Method Li 2 S (1.311 g), P 2 S 5 (1.242 g) and LiCl (0.474 g) were added to 100 mL of tetrahydrofuran (THF) as an organic liquid, The mixture was stirred at room temperature for 3 hours at a rotation speed of 200 rpm to prepare a raw material liquid. The raw material liquid was heated at 100° C. for 3 hours while stirring at a rotation speed of 200 rpm, and the dried raw material liquid was dried under reduced pressure at 120° C. for half a day to volatilize the organic liquid to obtain a precursor. The obtained precursor was formed into pellets. This precursor was fired by heating at 550° C. for 6 hours to obtain a solid electrolyte of Example 1 represented by the composition formula Li 6 PS 5 Cl. Note that all the above steps were performed in an argon atmosphere with a dew point of −50° C. or lower.
[実施例2〜3、比較例1〜2]
用いた有機液体の組成を表1の通りとしたこと以外は実施例1と同様にして、実施例2〜3及び比較例1〜2の各固体電解質を得た。表1中、EtOHはエタノールを表す。なお、実施例1〜3及び比較例1~2で用いたTHF及びEtOHは、いずれも含水量が0.001質量%以下の試薬を用いた。
[Examples 2-3, Comparative Examples 1-2]
Solid electrolytes of Examples 2 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were obtained in the same manner as in Example 1 except that the composition of the organic liquid used was as shown in Table 1. In Table 1, EtOH represents ethanol. The THF and EtOH used in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were all reagents having a water content of 0.001% by mass or less.
[比較例3]メカニカルミリング法による合成
Li2S(0.437g)、P2S5(0.414g)及びLiCl(0.158g)をメノウ乳鉢で混合した。混合物を、直径4mmのジルコニアボールが160g入った密閉式の80mLジルコニアポットに投入した。これらの工程は、露点−50℃以下のアルゴン雰囲気下で行った。遊星ボールミル(FRITSCH社製、型番Premium line P−7)によって公転回転数370rpmで25時間のメカニカルミリング処理を行い、前駆体を得た。露点−50℃以下のアルゴン雰囲気を維持したグローブボックス中で、得られた前駆体をペレット化し、550℃で4時間加熱することで焼成し、組成式Li6PS5Clで表される比較例3の固体電解質を得た。
Comparative Example 3 Synthesis by Mechanical Milling Method Li 2 S (0.437 g), P 2 S 5 (0.414 g) and LiCl (0.158 g) were mixed in an agate mortar. The mixture was put into a closed 80 mL zirconia pot containing 160 g of zirconia balls having a diameter of 4 mm. These steps were performed in an argon atmosphere with a dew point of −50° C. or lower. A mechanical milling treatment was performed for 25 hours at a revolution speed of 370 rpm by a planetary ball mill (Model number P-7 manufactured by FRITSCH) to obtain a precursor. In a glove box maintaining an argon atmosphere with a dew point of -50°C or lower, the obtained precursor was pelletized and baked by heating at 550°C for 4 hours to obtain a comparative example represented by a composition formula Li 6 PS 5 Cl. A solid electrolyte of 3 was obtained.
[比較例4〜9]
メカニカルミリング処理における回転数及び処理時間、並びに焼成温度を表2の通りとしたこと以外は比較例3と同様にして、比較例4〜9の各固体電解質を得た。
[Comparative Examples 4 to 9]
The solid electrolytes of Comparative Examples 4 to 9 were obtained in the same manner as Comparative Example 3 except that the rotation speed and processing time in the mechanical milling process and the firing temperature were as shown in Table 2.
[評価]
(1)粉末X線回折測定
上記の方法で、粉末X線回折測定を行った。なお、気密性のX線回折測定用試料ホルダーにはRigaku社製、商品名「汎用雰囲気セパレータ」を用いた。
[Evaluation]
(1) Powder X-ray diffraction measurement The powder X-ray diffraction measurement was performed by the above method. As the airtight sample holder for X-ray diffraction measurement, a product name "general-purpose atmosphere separator" manufactured by Rigaku Co. was used.
実施例及び比較例の固体電解質は、いずれも空間群F−43mに帰属可能な回折パターンを有していた。表1及び表2に、実施例及び比較例の固体電解質における(311)面を示す回折線の半値幅(FWHM(311))、及び半値幅(FWHM(311))と(222)面を示す回折線の半値幅(FWHM(222))との比(FWHM(311)/FWHM(222))を示す。 The solid electrolytes of Examples and Comparative Examples both had a diffraction pattern that could be assigned to the space group F-43m. Tables 1 and 2 show the full width at half maximum (FWHM(311)) and full width at half maximum (FWHM(311)) and (222) planes of the diffraction line showing the (311) plane in the solid electrolytes of Examples and Comparative Examples. The ratio (FWHM(311)/FWHM(222)) with the full width at half maximum of the diffraction line (FWHM(222)) is shown.
(2)イオン伝導度
実施例1〜3及び比較例1〜3の固体電解質の25℃におけるイオン伝導度を、Bio−Lobic社製「VMP−300」を用いて上述の方法で交流インピーダンスを測定し、求めた。表1に実施例1〜3及び比較例1〜3の固体電解質の25℃におけるイオン伝導度を示す。
(2) Ionic Conductivity The ionic conductivity of the solid electrolytes of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 at 25° C. was measured for AC impedance by the method described above using “VMP-300” manufactured by Bio-Lobic. Then asked. Table 1 shows the ionic conductivity of the solid electrolytes of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 at 25°C.
(3)平均粒径
実施例1及び比較例3の固体電解質の平均粒径を、上記の方法で求めた。実施例1の固体電解質の平均粒径は、14.52μmであった。比較例3の固体電解質の平均粒径は、14.84μmであった。
(3) Average Particle Size The average particle size of the solid electrolytes of Example 1 and Comparative Example 3 was determined by the above method. The average particle size of the solid electrolyte of Example 1 was 14.52 μm. The average particle size of the solid electrolyte of Comparative Example 3 was 14.84 μm.
(4)放電容量
(4−1)正極活物質の作製
超脱水エタノールに金属Liを溶解させた後に、ニオブエトキシド(Nb(OC2H5)5)を溶解させることで、LiNbO3前駆体溶液を調製した。パウレック社製の転動流動コーティング装置(FD−MP−01F)を用いて、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)の粒子表面へのLiNbO3コートを行った。LiNbO3前駆体をコーティングしたNCAを400℃、30分間熱処理することによりLiNbO3コートNCAを作製した。このLiNbO3コートNCAを正極活物質として用いた。
(4) Discharge capacity (4-1) Preparation of positive electrode active material LiNbO 3 precursor was prepared by dissolving niobium ethoxide (Nb(OC 2 H 5 ) 5 ) after dissolving metallic Li in ultra-dehydrated ethanol. A solution was prepared. LiNbO 3 coating was performed on the particle surfaces of LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 (NCA) using a rolling fluid coating device (FD-MP-01F) manufactured by Paulec. LiNbO 3 precursor NCA a 400 ° C. coated with, to prepare a LiNbO 3 coat NCA by heat treatment for 30 minutes. This LiNbO 3 coated NCA was used as a positive electrode active material.
(4−2)全固体電池の作製
LiNbO3コートNCAと実施例1の固体電解質(Li6PS5Cl)とを、LiNbO3コートNCA:Li6PS5Cl=70:30(質量比)となるように秤量した。これらをメノウ乳鉢で混合し、この混合物を正極合剤とした。
内径10mmの粉体成型器に、隔離層用材料として硫化物系固体電解質である75Li2S・25P2S5(LPS)を60mg投入した後に、油圧プレスを用いて加圧成型し、隔離層を作製した。圧力解放後に、隔離層の片面に正極合剤を17.5mg投入し、さらに正極基材であるIn箔を載置して360MPaで5分加圧成型した。圧力解放後に、隔離層の反対面に、負極活物質層である金属Li箔を予め負極基材であるステンレス鋼板に貼り合わせた負極を対向させて、120MPaで3分間加圧成型した。これにより、正極基材、正極活物質層、隔離層、負極活物質層、及び負極基材を有する直径10mmの積層体を得た。中央部に直径約10mmの貫通孔を設けた約30mm角の矩形状のPTFE板を用意し、この貫通孔に、得られた積層体を配置し、このPTFE板の中央部を覆うように2枚のステンレス鋼箔で挟んだ。これをアルミニウム金属樹脂複合フィルム製の外装体内に収納し、熱溶着により減圧封口した。このとき、それぞれのステンレス鋼箔にあらかじめ取り付けられたニッケル箔からなるリード端子の各端部を、外装体の封口部から導出させた。この外装体の両面を約40mm角の2枚のPTFEシートで挟み、さらにこの両面を約60mm角の2枚のステンレス鋼板で挟み、積層体に25MPaの圧力が加わる条件で、ステンレス鋼板同士をネジで締め付けた。このようにして、実施例1の固体電解質を備えた全固体電池を得た。
(4-2) Preparation of all-solid-state battery LiNbO 3 coat NCA and the solid electrolyte (Li 6 PS 5 Cl) of Example 1 were mixed with LiNbO 3 coat NCA:Li 6 PS 5 Cl=70:30 (mass ratio). Weighed so that These were mixed in an agate mortar, and this mixture was used as a positive electrode mixture.
Into a powder molding machine having an inner diameter of 10 mm, 60 mg of sulfide-based solid electrolyte 75Li 2 S·25P 2 S 5 (LPS) was charged as a material for the isolation layer, and then pressure-molded using a hydraulic press to form the isolation layer. Was produced. After releasing the pressure, 17.5 mg of the positive electrode mixture was charged on one surface of the isolation layer, and an In foil as a positive electrode base material was placed thereon, and pressure molding was performed at 360 MPa for 5 minutes. After the pressure was released, a negative electrode obtained by pasting a metallic Li foil as a negative electrode active material layer on a stainless steel plate as a negative electrode base material was opposed to the opposite surface of the isolation layer, and pressure molding was performed at 120 MPa for 3 minutes. Thus, a laminated body having a positive electrode base material, a positive electrode active material layer, an isolation layer, a negative electrode active material layer, and a negative electrode base material and having a diameter of 10 mm was obtained. Prepare a rectangular PTFE plate of about 30 mm square having a through hole with a diameter of about 10 mm in the center, place the obtained laminated body in this through hole, and cover the center of the PTFE plate with 2 It was sandwiched between pieces of stainless steel foil. This was housed in an aluminum-metal resin composite film exterior body, and sealed under reduced pressure by heat welding. At this time, each end of the lead terminal made of nickel foil preliminarily attached to each stainless steel foil was led out from the sealing portion of the outer package. Both sides of this exterior body are sandwiched between two PTFE sheets of about 40 mm square, and both sides are sandwiched between two stainless steel sheets of about 60 mm square, and the stainless steel plates are screwed together under the condition that a pressure of 25 MPa is applied to the laminated body. Tightened with. In this way, an all-solid battery including the solid electrolyte of Example 1 was obtained.
上記実施例1の固体電解質を実施例2〜3及び比較例1〜3のいずれかの固体電解質にしたこと以外は実施例1と同様の操作をして、実施例2〜3及び比較例1〜3の固体電解質を備えた全固体電池を得た。 The same operation as in Example 1 was repeated except that the solid electrolyte of Example 1 was replaced by any one of Examples 2 to 3 and Comparative Examples 1 to 3, and Examples 2 to 3 and Comparative Example 1 were performed. All-solid-state batteries with solid electrolytes of ~3 were obtained.
(4−3)充放電試験
上記全固体電池に対して、以下の条件にて充放電試験を行った。充放電試験は50℃の恒温槽内で行った。充電は、充電電流0.125mA/cm2、充電上限電圧4.35Vで、定電流定電圧(CCCV)充電とした。充電終止条件は充電電流が0.0625mA/cm2となるまでとした。放電は、放電電流0.125mA/cm2、放電終止電圧2.85Vで、定電流(CC)放電とした。充電及び放電の間の休止時間を30分とした。このときの放電容量を表1に示す。
(4-3) Charge/Discharge Test A charge/discharge test was performed on the above all-solid-state battery under the following conditions. The charge/discharge test was conducted in a constant temperature bath at 50°C. The charging was performed at a constant current and constant voltage (CCCV) with a charging current of 0.125 mA/cm 2 and a charging upper limit voltage of 4.35V. The charge termination condition was set until the charge current reached 0.0625 mA/cm 2 . The discharge was a constant current (CC) discharge with a discharge current of 0.125 mA/cm 2 and a discharge end voltage of 2.85V. The rest time between charging and discharging was 30 minutes. The discharge capacity at this time is shown in Table 1.
表1に示されるように、半値幅比(FWHM(311)/FWHM(222))が0.93以上0.98以下である実施例1〜3の固体電解質を用いた場合、放電容量が150mAh/gを超える大きい値となった。このような半値幅比を有する固体電解質は、エーテルの含有割合が40体積%以上である有機液体を用いた液相法により得られることがわかる。また、実施例1〜3の固体電解質と、メカニカルミリング法により合成した比較例3の固体電解質とを比較すると、実施例2、3の固体電解質のイオン伝導度は比較例3のイオン伝導度よりも一桁低いにも拘らず、これらを用いた全固体電池は、大きい放電容量を示している。さらに、実施例1の固体電解質の平均粒径と比較例3の固体電解質の平均粒径は同程度であるにも拘らず、これらを用いた全固体電池の放電容量には大きな違いがある。これらのことから、実施例1〜3の固体電解質においては、イオン伝導度や粒径では無く、半値幅比(FWHM(311)/FWHM(222))で表される結晶配向性によって良好な効果が発揮されていることがわかる。 As shown in Table 1, when the solid electrolytes of Examples 1 to 3 having a half-width ratio (FWHM(311)/FWHM(222)) of 0.93 or more and 0.98 or less were used, the discharge capacity was 150 mAh. It was a large value exceeding /g. It can be seen that the solid electrolyte having such a half width ratio can be obtained by the liquid phase method using an organic liquid having an ether content of 40% by volume or more. In addition, comparing the solid electrolytes of Examples 1 to 3 with the solid electrolyte of Comparative Example 3 synthesized by the mechanical milling method, the ionic conductivity of the solid electrolytes of Examples 2 and 3 is higher than that of Comparative Example 3. Despite being an order of magnitude lower, the all-solid-state batteries using them show a large discharge capacity. Furthermore, although the average particle size of the solid electrolyte of Example 1 and the average particle size of the solid electrolyte of Comparative Example 3 are about the same, there is a large difference in the discharge capacities of the all-solid-state batteries using them. From these facts, in the solid electrolytes of Examples 1 to 3, not only the ionic conductivity and the particle size but the crystal orientation represented by the full width at half maximum ratio (FWHM(311)/FWHM(222)) has a good effect. You can see that is being demonstrated.
また、表2に示されるように、メカニカルミリング法によって合成した場合、一般的な範囲で条件を変えても、半値幅比(FWHM(311)/FWHM(222))が0.93以上0.98以下である固体電解質を得ることができなかった。 Further, as shown in Table 2, when synthesized by the mechanical milling method, the full width at half maximum ratio (FWHM(311)/FWHM(222)) is 0.93 or more, even if the conditions are changed within a general range. It was not possible to obtain a solid electrolyte of 98 or less.
なお、THF100%の有機液体を用いた実施例1の原料液においては、添加した成分の一部が溶けきれず白濁した。一方、EtOH100%の有機液体を用いた比較例2の原料液においては、全ての成分が溶けて透明な溶液となった。そこで、別途、Li2S、P2S5及びLiClのそれぞれをTHF又はEtOHに添加及び攪拌し、これらの溶解性を確認した。EtOHに対しては、Li2S、P2S5及びLiClはいずれも溶解した。一方、THFに対しては、Li2S及びLiClは十分に溶解したものの、P2S5はほとんど溶解しなかった。すなわち、実施例1の原料液において溶解せずに残った成分はP2S5であるといえる。このような溶解せずに残ったP2S5を含む原料液から、有機液体を揮発させて固形体を得たとき、固形体中のP2S5の結晶構造は添加前のP2S5と変わるものではない。従って、リン源を含むP2S5を焼成前の前駆体に加えるタイミングは、得られる固体電解質の結晶配向性に影響を与えるものではないと推測できる。 In addition, in the raw material liquid of Example 1 using an organic liquid of 100% THF, some of the added components could not be completely dissolved and became cloudy. On the other hand, in the raw material liquid of Comparative Example 2 using an organic liquid containing 100% EtOH, all the components were dissolved to form a transparent solution. Therefore, separately, Li 2 S, P 2 S 5, and LiCl were added to THF or EtOH and stirred to confirm the solubility of these. Li 2 S, P 2 S 5, and LiCl were all dissolved in EtOH. On the other hand, in THF, Li 2 S and LiCl were sufficiently dissolved, but P 2 S 5 was hardly dissolved. That is, it can be said that the component that remains in the raw material liquid of Example 1 without being dissolved is P 2 S 5 . From the raw material solution containing P 2 S 5 which remained without such dissolution, when to obtain a solid body to volatilize the organic liquid, the crystal structure of P 2 S 5 solid bodies in the prior addition of P 2 S It is no different from 5 . Therefore, it can be inferred that the timing of adding P 2 S 5 containing a phosphorus source to the precursor before firing does not affect the crystal orientation of the obtained solid electrolyte.
本発明に係る固体電解質は、全固体電池等の蓄電素子の固体電解質として好適に用いられる。 The solid electrolyte according to the present invention is preferably used as a solid electrolyte of a storage element such as an all-solid battery.
1 正極層
2 負極層
3 隔離層
4 正極基材
5 正極活物質層
6 負極活物質層
7 負極基材
10 全固体電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode layer 2 Negative electrode layer 3 Isolation layer 4 Positive electrode base material 5 Positive electrode active material layer 6 Negative electrode active material layer 7 Negative
Claims (5)
CuKα線を用いたX線回折測定において、空間群F−43mに帰属可能な回折パターンを有し、(311)面を示す回折線の半値幅(FWHM(311))と(222)面を示す回折線の半値幅(FWHM(222))との比(FWHM(311)/FWHM(222))が0.93以上0.98以下である、固体電解質。 Contains lithium, phosphorus, sulfur, and halogen,
In the X-ray diffraction measurement using CuKα ray, the diffraction pattern has a diffraction pattern that can be assigned to the space group F-43m and shows the (311) plane. A solid electrolyte having a ratio (FWHM(311)/FWHM(222)) to the full width at half maximum of diffraction lines (FWHM(222)) of 0.93 or more and 0.98 or less.
上記有機液体を揮発させて、固形体を得ること、及び
上記固形体を含む前駆体を焼成すること
をこの順に備え、
上記有機液体に占める上記エーテルの含有割合が40体積%以上であり、
上記前駆体がリン源を含む、固体電解質の製造方法。 To prepare a raw material liquid containing an organic liquid containing ether, a lithium source, a sulfur source and a halogen source,
Volatilizing the organic liquid to obtain a solid body, and firing a precursor containing the solid body in this order,
The content ratio of the ether in the organic liquid is 40% by volume or more,
A method for producing a solid electrolyte, wherein the precursor includes a phosphorus source.
隔離層と、
負極層と
を備え、
上記正極層、上記隔離層、上記負極層又はこれらの組み合わせが請求項1又は請求項2の固体電解質を含む、リチウムイオン蓄電素子。 A positive electrode layer,
An isolation layer,
And a negative electrode layer,
A lithium ion storage element, wherein the positive electrode layer, the isolation layer, the negative electrode layer, or a combination thereof includes the solid electrolyte of claim 1 or 2.
Lithium comprising producing at least one of a positive electrode layer, an isolation layer and a negative electrode layer using the solid electrolyte of claim 1 or claim 2 or the solid electrolyte obtained by the method for producing a solid electrolyte of claim 3. Ion storage element manufacturing method.
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