JP2021018859A - Lithium ion conductor and electricity storage device - Google Patents

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Abstract

To sufficiently improve lithium ion conductivity of a lithium ion conductor.SOLUTION: The lithium ion conductor contains lithium ion conductive powder having a garnet type structure containing at least Li, La, Zr, and O. The lithium ion conductor further contains an ionic liquid having lithium ion conductivity. When an atomic concentration of each element is specified by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), a ratio R1(=C2/C1) of a total atomic concentration C2 of each element of specified elements to a total concentration C1 of each atomic concentration of Li element, La element, and Zr element is 0.25 to 0.90, the specified elements referring to those among elements contained in the ionic liquid (however, excluding O element and C element), which are not contained in the lithium ion conductive powder.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本明細書によって開示される技術は、リチウムイオン伝導体および蓄電デバイスに関する。 The techniques disclosed herein relate to lithium ion conductors and energy storage devices.

近年、パソコンや携帯電話等の電子機器の普及、電気自動車の普及、太陽光や風力等の自然エネルギーの利用拡大等に伴い、高性能な電池の需要が高まっている。なかでも、電池要素がすべて固体で構成された全固体リチウムイオン二次電池(以下、「全固体電池」という。)の活用が期待されている。全固体電池は、有機溶媒にリチウム塩を溶解させた有機電解液を用いる従来型のリチウムイオン二次電池と比べて、有機電解液の漏洩や発火等のおそれがないため安全であり、また、外装を簡略化することができるため単位質量または単位体積あたりのエネルギー密度を向上させることができる。 In recent years, with the spread of electronic devices such as personal computers and mobile phones, the spread of electric vehicles, and the expansion of the use of natural energy such as solar power and wind power, the demand for high-performance batteries is increasing. In particular, the use of an all-solid-state lithium-ion secondary battery (hereinafter referred to as an "all-solid-state battery") in which all battery elements are solid is expected. The all-solid-state battery is safer than the conventional lithium ion secondary battery that uses an organic electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent, because there is no risk of leakage or ignition of the organic electrolytic solution. Since the exterior can be simplified, the energy density per unit mass or unit volume can be improved.

全固体電池の固体電解質層や電極を構成するリチウムイオン伝導体として、例えば、Li(リチウム)とLa(ランタン)とZr(ジルコニウム)とO(酸素)とを少なくとも含有するガーネット型構造を有するリチウムイオン伝導性粉末を含むリチウムイオン伝導体が知られている。このようなリチウムイオン伝導体に含まれるリチウムイオン伝導性粉末としては、例えば、LiLaZr12(以下、「LLZ」という。)や、LLZに対して、Mg(マグネシウム)とA(Aは、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)およびBa(バリウム)から構成される群より選択される少なくとも一種の元素)との少なくとも一方の元素置換を行ったもの(例えば、LLZに対してMgおよびSrの元素置換を行ったもの(以下、「LLZ−MgSr」という。))が知られている(例えば、特許文献1参照)。以下、これらのリチウムイオン伝導性粉末を、「LLZ系リチウムイオン伝導性粉末」という。 Lithium having a garnet-type structure containing at least Li (lithium), La (lantern), Zr (zirconium), and O (oxygen) as lithium ion conductors constituting the solid electrolyte layer and electrodes of an all-solid-state battery. Lithium ion conductors containing ionic conductive powder are known. Examples of the lithium ion conductive powder contained in such a lithium ion conductor include Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (hereinafter referred to as “LLZ”) and Mg (magnesium) and A with respect to LLZ. (A is at least one element selected from the group consisting of Ca (calcium), Sr (strontium) and Ba (barium)) and at least one element is substituted (for example, with respect to LLZ). Those in which the elements of Mg and Sr are substituted (hereinafter referred to as "LLZ-MgSr")) are known (see, for example, Patent Document 1). Hereinafter, these lithium ion conductive powders are referred to as "LLZ-based lithium ion conductive powders".

特開2016−40767号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-40767

LLZ系リチウムイオン伝導性粉末は、該粉末を加圧成形した成形体(圧粉体)の状態においては、粒子間の接触が点接触であるために粒子間の抵抗が高く、リチウムイオン伝導性が比較的低い。LLZ系リチウムイオン伝導性粉末を高温で焼成することにより、リチウムイオン伝導性を高くすることはできるが、高温焼成に伴う反りや変形が起こるために電池の大型化が困難であり、また、高温焼成に伴う電極活物質等との反応により高抵抗層が生成されてリチウムイオン伝導性が低下するおそれがある。 The LLZ-based lithium ion conductive powder has high resistance between particles in the state of a molded product (compact powder) obtained by pressure molding the powder because the contact between the particles is point contact, and the lithium ion conductivity is high. Is relatively low. Lithium-ion conductivity can be increased by firing the LLZ-based lithium-ion conductive powder at a high temperature, but it is difficult to increase the size of the battery due to warpage and deformation caused by high-temperature firing, and the temperature is high. A high resistance layer may be formed due to the reaction with the electrode active material or the like during firing, and the lithium ion conductivity may decrease.

なお、このような課題は、全固体電池の固体電解質層や電極に用いられるリチウムイオン伝導体に限らず、リチウムイオン伝導性粉末を含むリチウムイオン伝導体一般に共通の課題である。 It should be noted that such a problem is not limited to the lithium ion conductor used for the solid electrolyte layer and the electrode of the all-solid-state battery, but is a problem common to all lithium ion conductors including the lithium ion conductive powder.

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。 This specification discloses a technique capable of solving the above-mentioned problems.

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The technique disclosed in the present specification can be realized, for example, in the following forms.

(1)本明細書に開示されるリチウムイオン伝導体は、LiとLaとZrとOとを少なくとも含有するガーネット型構造を有するリチウムイオン伝導性粉末を含むリチウムイオン伝導体において、さらに、リチウムイオン伝導性を有するイオン液体を含み、X線光電子分光法(XPS)により各元素の原子濃度を特定したとき、前記イオン液体に含有される元素(ただし、O元素およびC元素を除く)の内の前記リチウムイオン伝導性粉末に含有されない元素である特定元素と、Li元素とLa元素とZr元素とのそれぞれの原子濃度の合計C1に対する、前記特定元素のそれぞれの原子濃度の合計C2の割合R1(=C2/C1)が、0.25以上、0.90以下である。本リチウムイオン伝導体では、リチウムイオン伝導体に含まれるリチウムイオン伝導性粉末の粒径にかかわらず、リチウムイオン伝導体の表面近傍の部分にイオン液体が過度に低くも高くもない割合で存在しているため、リチウムイオン伝導体のリチウムイオン伝導性を十分に向上させることができる。 (1) The lithium ion conductor disclosed in the present specification is a lithium ion conductor containing a lithium ion conductive powder having a garnet-type structure containing at least Li, La, Zr, and O, and further lithium ions. When the atomic concentration of each element is specified by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), which contains a conductive ionic liquid, among the elements contained in the ionic liquid (excluding O element and C element). The ratio of the total atomic concentration of each of the specific elements C2 to the total atomic concentration of each of the specific element, which is an element not contained in the lithium ion conductive powder, the Li element, the La element, and the Zr element R1 ( = C2 / C1) is 0.25 or more and 0.90 or less. In this lithium ion conductor, regardless of the particle size of the lithium ion conductive powder contained in the lithium ion conductor, the ionic liquid is present in a portion near the surface of the lithium ion conductor at a ratio that is neither excessively low nor high. Therefore, the lithium ion conductivity of the lithium ion conductor can be sufficiently improved.

(2)上記リチウムイオン伝導体において、前記リチウムイオン伝導性粉末の粒径(D90)は、10μm以下である構成としてもよい。本リチウムイオン伝導体によれば、リチウムイオン伝導体を圧粉体として構成した場合において、圧粉体のパッキング性を高くすることができ、その結果、気孔率を低くしてリチウムイオン伝導性をさらに向上させることができ、リチウムイオン伝導体をシート状の成形体として構成した場合において、シートの厚さを薄くすることができ、リチウムイオン伝導性をさらに向上させることができる。 (2) In the lithium ion conductor, the particle size (D90) of the lithium ion conductive powder may be 10 μm or less. According to this lithium ion conductor, when the lithium ion conductor is configured as a green compact, the packing property of the green compact can be improved, and as a result, the porosity is lowered to improve the lithium ion conductivity. It can be further improved, and when the lithium ion conductor is configured as a sheet-shaped molded body, the thickness of the sheet can be reduced, and the lithium ion conductivity can be further improved.

(3)また、本明細書に開示される蓄電デバイスは、固体電解質層と、正極と、負極と、を備え、前記固体電解質層と、前記正極と、前記負極との少なくとも1つは、上記リチウムイオン伝導体を含む。本蓄電デバイスによれば、固体電解質層と正極と負極との少なくとも1つのリチウムイオン伝導性を十分に向上させることができ、ひいては、蓄電デバイスの電気的性能を十分に向上させることができる。 (3) Further, the power storage device disclosed in the present specification includes a solid electrolyte layer, a positive electrode, and a negative electrode, and at least one of the solid electrolyte layer, the positive electrode, and the negative electrode is described above. Includes lithium ion conductor. According to this power storage device, at least one lithium ion conductivity between the solid electrolyte layer, the positive electrode and the negative electrode can be sufficiently improved, and thus the electrical performance of the power storage device can be sufficiently improved.

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、リチウムイオン伝導体、該リチウムイオン伝導体を含む固体電解質層または電極、該固体電解質層または該電極を備える蓄電デバイス、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。 The technique disclosed in the present specification can be realized in various forms, for example, a lithium ion conductor, a solid electrolyte layer or electrode containing the lithium ion conductor, the solid electrolyte layer or the said. It can be realized in the form of a power storage device provided with electrodes, a method for manufacturing the same, and the like.

本実施形態における全固体リチウムイオン二次電池102の断面構成を概略的に示す説明図Explanatory drawing schematically showing the cross-sectional structure of the all-solid-state lithium ion secondary battery 102 in this embodiment. リチウムイオン伝導体202の構成を模式的に示す説明図Explanatory drawing schematically showing the structure of the lithium ion conductor 202 性能評価の結果を示す説明図Explanatory drawing showing the result of performance evaluation 性能評価の結果を示す説明図Explanatory drawing showing the result of performance evaluation

A.実施形態:
A−1.全固体電池102の構成:
(全体構成)
図1は、本実施形態における全固体リチウムイオン二次電池(以下、「全固体電池」という。)102の断面構成を概略的に示す説明図である。図1には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向といい、Z軸負方向を下方向という。
A. Embodiment:
A-1. Configuration of all-solid-state battery 102:
(overall structure)
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a cross-sectional configuration of an all-solid-state lithium ion secondary battery (hereinafter, referred to as “all-solid-state battery”) 102 in the present embodiment. FIG. 1 shows XYZ axes that are orthogonal to each other to specify the direction. In the present specification, for convenience, the Z-axis positive direction is referred to as an upward direction, and the Z-axis negative direction is referred to as a downward direction.

全固体電池102は、電池本体110と、電池本体110の一方側(上側)に配置された正極側集電部材154と、電池本体110の他方側(下側)に配置された負極側集電部材156とを備える。正極側集電部材154および負極側集電部材156は、導電性を有する略平板形状部材であり、例えば、ステンレス鋼、Ni(ニッケル)、Ti(チタン)、Fe(鉄)、Cu(銅)、Al(アルミニウム)、これらの合金から選択される導電性金属材料、炭素材料等によって形成されている。以下の説明では、正極側集電部材154と負極側集電部材156とを、まとめて集電部材ともいう。 The all-solid-state battery 102 includes a battery body 110, a positive electrode side current collecting member 154 arranged on one side (upper side) of the battery body 110, and a negative electrode side current collecting member 154 arranged on the other side (lower side) of the battery body 110. It includes a member 156. The positive electrode side current collecting member 154 and the negative electrode side current collecting member 156 are substantially flat plate-shaped members having conductivity, and are, for example, stainless steel, Ni (nickel), Ti (titanium), Fe (iron), Cu (copper). , Al (aluminum), a conductive metal material selected from these alloys, a carbon material, and the like. In the following description, the positive electrode side current collecting member 154 and the negative electrode side current collecting member 156 are also collectively referred to as a current collecting member.

(電池本体110の構成)
電池本体110は、電池要素がすべて固体で構成されたリチウムイオン二次電池本体である。なお、本明細書において、電池要素がすべて固体で構成されているとは、すべての電池要素の骨格が固体で構成されていることを意味し、例えば該骨格中に液体が含浸した形態等を排除するものではない。電池本体110は、正極114と、負極116と、正極114と負極116との間に配置された固体電解質層112とを備える。以下の説明では、正極114と負極116とを、まとめて電極ともいう。電池本体110は、特許請求の範囲における蓄電デバイスに相当する。
(Configuration of battery body 110)
The battery body 110 is a lithium ion secondary battery body in which all battery elements are solid. In the present specification, the fact that the battery elements are all made of solid means that the skeletons of all the battery elements are made of solid, for example, a form in which the skeleton is impregnated with a liquid or the like. It does not exclude it. The battery body 110 includes a positive electrode 114, a negative electrode 116, and a solid electrolyte layer 112 arranged between the positive electrode 114 and the negative electrode 116. In the following description, the positive electrode 114 and the negative electrode 116 are also collectively referred to as electrodes. The battery body 110 corresponds to a power storage device within the scope of the claims.

(固体電解質層112の構成)
固体電解質層112は、略平板形状の部材であり、リチウムイオン伝導性を有するリチウムイオン伝導体202を含んでいる。
(Structure of solid electrolyte layer 112)
The solid electrolyte layer 112 is a member having a substantially flat plate shape, and contains a lithium ion conductor 202 having lithium ion conductivity.

(正極114の構成)
正極114は、略平板形状の部材であり、正極活物質214を含んでいる。正極活物質214としては、例えば、S(硫黄)、TiS、LiCoO(以下、「LCO」という。)、LiMn、LiFePO、Li(Co1/3Ni1/3Mn1/3)O(以下、「NCM」という。)、LiNi0.8Co0.15Al0.05等が用いられる。また、正極114は、リチウムイオン伝導助剤としてのリチウムイオン伝導体204を含んでいる。正極114は、さらに電子伝導助剤(例えば、導電性カーボン、Ni(ニッケル)、Pt(白金)、Ag(銀))を含んでいてもよい。
(Structure of positive electrode 114)
The positive electrode 114 is a member having a substantially flat plate shape, and contains a positive electrode active material 214. Examples of the positive electrode active material 214 include S (sulfur), TiS 2 , LiCoO 2 (hereinafter referred to as “LCO”), LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 , and Li (Co 1/3 Ni 1/3 Mn 1 /). 3 ) O 2 (hereinafter referred to as “NCM”), LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 and the like are used. Further, the positive electrode 114 contains a lithium ion conductor 204 as a lithium ion conduction auxiliary agent. The positive electrode 114 may further contain an electron conductive auxiliary agent (for example, conductive carbon, Ni (nickel), Pt (platinum), Ag (silver)).

(負極116の構成)
負極116は、略平板形状の部材であり、負極活物質216を含んでいる。負極活物質216としては、例えば、Li金属、Li−Al合金、LiTi12(以下、「LTO」という。)、カーボン(グラファイト、天然黒鉛、人造黒鉛、表面に低結晶性炭素がコーティングされたコアシェル型黒鉛)、Si(ケイ素)、SiO等が用いられる。また、負極116は、リチウムイオン伝導助剤としてのリチウムイオン伝導体206を含んでいる。負極116は、さらに電子伝導助剤(例えば、導電性カーボン、Ni、Pt、Ag)を含んでいてもよい。
(Structure of negative electrode 116)
The negative electrode 116 is a member having a substantially flat plate shape, and contains a negative electrode active material 216. Examples of the negative electrode active material 216 include Li metal, Li—Al alloy, Li 4 Ti 5 O 12 (hereinafter referred to as “LTO”), carbon (graphite, natural graphite, artificial graphite, and low crystalline carbon on the surface). (Coated core-shell type graphite), Si (silicon), SiO and the like are used. Further, the negative electrode 116 contains a lithium ion conductor 206 as a lithium ion conduction aid. The negative electrode 116 may further contain an electron conductive auxiliary agent (for example, conductive carbon, Ni, Pt, Ag).

A−2.リチウムイオン伝導体の構成:
次に、固体電解質層112に含まれるリチウムイオン伝導体202の構成について説明する。なお、正極114に含まれるリチウムイオン伝導体204および負極116に含まれるリチウムイオン伝導体206の構成は、固体電解質層112に含まれるリチウムイオン伝導体202の構成と同様であるため、説明を省略する。
A-2. Lithium-ion conductor composition:
Next, the configuration of the lithium ion conductor 202 contained in the solid electrolyte layer 112 will be described. Since the configurations of the lithium ion conductor 204 contained in the positive electrode 114 and the lithium ion conductor 206 contained in the negative electrode 116 are the same as the configurations of the lithium ion conductor 202 contained in the solid electrolyte layer 112, the description thereof will be omitted. To do.

本実施形態において、固体電解質層112に含まれるリチウムイオン伝導体202は、リチウムイオン伝導性粉末を含んでいる。より詳細には、リチウムイオン伝導体202は、上述したLLZ系リチウムイオン伝導性粉末(LiとLaとZrとOとを少なくとも含有するガーネット型構造を有するリチウムイオン伝導性粉末であり、例えば、LLZやLLZ−MgSr)を含んでいる。なお、リチウムイオン伝導性粉末がLiとLaとZrとOとを少なくとも含有するガーネット型構造を有するものであることは、X線回折装置(XRD)で分析することにより確認することができる。具体的には、リチウムイオン伝導性粉末をX線回折装置により分析することにより、X線回折パターンを得る。得られたX線回折パターンと、LLZに対応するICDD(International Center for Diffraction Data)カード(01−080−4947)(LiLaZr12)とを対比し、両者における回折ピークの回折角度及び回折強度比が概ね一致していれば、該リチウムイオン伝導性粉末はLiとLaとZrとOとを少なくとも含有するガーネット型構造を有するものであると判定することができる。例えば、後述の「A−5.LLZ系リチウムイオン伝導性粉末の好ましい態様」に記載された各リチウムイオン伝導性粉末(LLZ系リチウムイオン伝導性粉末)は、該粉末から得られたX線回折パターンとLLZに対応するICDDカードとの両者における回折ピークの回折角度及び回折強度比が概ね一致するため、LiとLaとZrとOとを少なくとも含有するガーネット型構造を有するものであると判定される。 In the present embodiment, the lithium ion conductor 202 contained in the solid electrolyte layer 112 contains a lithium ion conductive powder. More specifically, the lithium ion conductor 202 is a lithium ion conductive powder having a garnet-type structure containing at least the above-mentioned LLZ-based lithium ion conductive powder (Li, La, Zr, and O), for example, LLZ. And LLZ-MgSr). It can be confirmed by analyzing with an X-ray diffractometer (XRD) that the lithium ion conductive powder has a garnet-type structure containing at least Li, La, Zr and O. Specifically, an X-ray diffraction pattern is obtained by analyzing the lithium ion conductive powder with an X-ray diffractometer. The obtained X-ray diffraction pattern was compared with the ICDD (International Center for Diffraction Data) card (01-080-4497) (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) corresponding to LLZ, and the diffraction of the diffraction peak in both was compared. If the angles and the diffraction intensity ratios are substantially the same, it can be determined that the lithium ion conductive powder has a garnet-type structure containing at least Li, La, Zr, and O. For example, each lithium ion conductive powder (LLZ-based lithium ion conductive powder) described in "A-5. Preferred aspects of LLZ-based lithium ion conductive powder" described later is X-ray diffraction obtained from the powder. Since the diffraction angles and diffraction intensity ratios of the diffraction peaks in both the pattern and the ICDD card corresponding to LLZ are substantially the same, it is determined that the pattern has a garnet-type structure containing at least Li, La, Zr, and O. To.

また、本実施形態において、リチウムイオン伝導体202は、さらに、リチウムイオン伝導性を有するイオン液体を含んでいる。リチウムイオン伝導性を有するイオン液体は、例えば、リチウム塩を溶解させたイオン液体である。なお、イオン液体は、カチオンおよびアニオンのみからなり、常温で液体の物質である。 Further, in the present embodiment, the lithium ion conductor 202 further contains an ionic liquid having lithium ion conductivity. The ionic liquid having lithium ion conductivity is, for example, an ionic liquid in which a lithium salt is dissolved. The ionic liquid is a substance that is liquid at room temperature and consists of only cations and anions.

上記リチウム塩としては、例えば、4フッ化ホウ酸リチウム(LiBF)、6フッ化リン酸リチウム(LiPF)、過塩素酸リチウム(LiClO)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(CFSOLi)、リチウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiN(SOCF)(以下、「Li−TFSI」という。)、リチウム ビス(フルオロスルホニル)イミド(LiN(SOF))(以下、「Li−FSI」という。)、リチウム ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド(LiN(SO)等が用いられる。 Examples of the lithium salt include lithium tetrafluoride (LiBF 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), and lithium trifluoromethanesulfonate (CF 3 SO 3 Li). ), Lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiN (SO 2 CF 3 ) 2 ) (hereinafter referred to as "Li-TFSI"), Lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiN (SO 2 F) 2 ) (hereinafter , "Li-FSI"), lithium bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide (LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 ) and the like are used.

また、上記イオン液体としては、カチオンとして、
ブチルトリメチルアンモニウム、トリメチルプロピルアンモニウム等のアンモニウム系、
1−エチル−3メチルイミダゾリウム、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム等のイミダゾリウム系、
1−ブチル−1−メチルピペリジニウム、1−メチル−1−プロピルピペリジニウム等のピペリジニウム系、
1−ブチル−4−メチルピリジニウム、1−エチルピリジニウム等のピリジニウム系、
1−ブチル−1−メチルピロリジニウム、1−メチル−1−プロピルピロリジニウム等のピロリジニウム系、
トリメチルスルホニウム、トリエチルスルホニウム等のスルホニウム系、
ホスホニウム系、
モルホリニウム系、
等を有するものが用いられる。
Further, as the ionic liquid, as a cation,
Ammonium-based products such as butyltrimethylammonium and trimethylpropylammonium,
Imidazoles such as 1-ethyl-3 methylimidazolium and 1-butyl-3-methylimidazolium,
Piperidinium-based products such as 1-butyl-1-methylpiperidinium and 1-methyl-1-propylpiperidinium,
Pyridinium-based products such as 1-butyl-4-methylpyridinium and 1-ethylpyridinium,
Pyrrolidiniums such as 1-butyl-1-methylpyrrolidinium and 1-methyl-1-propylpyrrolidinium,
Sulfonium-based products such as trimethylsulfonium and triethylsulfonium,
Phosphonium type,
Morphorinium-based,
Etc. are used.

また、上記イオン液体としては、アニオンとして、
Cl、Br等のハロゲン化物系、
BF 等のホウ素化物系、
(NC)
(CFSO、(FSO等のアミン系、
CHSO
CFSO 等のスルファート、スルホナート系、
PF 等のリン酸系、
等を有するものが用いられる。
Further, as the ionic liquid, as an anion,
Halides such as Cl and Br ,
BF 4 - such as boron hydride system,
(NC) 2 N -,
(CF 3 SO 2 ) 2 N , (FSO 2 ) 2 N − and other amines,
CH 3 SO 4 -,
CF 3 SO 3 - etc. Sulfate, sulphonate system,
Phosphoric acid type such as PF 6
Etc. are used.

より具体的には、上記イオン液体として、ブチルトリメチルアンモニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、トリメチルプロピルアンモニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ビス(フルオロスルホニル)イミド(以下、「EMI−FSI」という。)、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート、1−メチル−1−プロピルピロリジニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1−メチル−1−プロピルピロリジニウム ビス(フルオロスルホニル)イミド(以下、「P13−FSI」という。)、1−メチル−1−プロピルピペリジニウム ビス(フルオロスルホニル)イミド(以下、「PP13−FSI」という。)等が用いられる。 More specifically, the ionic liquids include butyltrimethylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, trimethylpropylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, and 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (fluorosulfonyl) imide (hereinafter , "EMI-FSI"), 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-methyl-1-propylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, 1-ethyl-3-methylimidazolium Bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, 1-methyl-1-propylpyrrolidinium bis (fluorosulfonyl) imide (hereinafter referred to as "P13-FSI"), 1-methyl-1-propylpiperidinium bis (fluorosulfonyl) ) Imide (hereinafter referred to as "PP13-FSI") and the like are used.

なお、本実施形態のリチウムイオン伝導体202は、高温焼成を行うことにより形成された焼結体ではない。そのため、本実施形態のリチウムイオン伝導体202は、炭化水素を含んでいる。より具体的には、本実施形態のリチウムイオン伝導体202を構成するイオン液体は、炭化水素を含んでいる。なお、リチウムイオン伝導体202(イオン液体)が炭化水素を含んでいることは、NMR(核磁気共鳴)、ラマン分光法、LC−MS(液体クロマトグラフィー質量分析法)、GC−MS(ガスクロマトグラフィー質量分析法)、FT−IR(フーリエ変換赤外分光法)等の方法の内の1つまたは複数の組合せにより特定することができる。 The lithium ion conductor 202 of the present embodiment is not a sintered body formed by high-temperature firing. Therefore, the lithium ion conductor 202 of the present embodiment contains a hydrocarbon. More specifically, the ionic liquid constituting the lithium ion conductor 202 of the present embodiment contains a hydrocarbon. The fact that the lithium ion conductor 202 (ion liquid) contains hydrocarbons means that NMR (nuclear magnetic resonance), Raman spectroscopy, LC-MS (liquid chromatography-mass spectrometry), and GC-MS (gas chromatography) It can be specified by one or a combination of methods such as graf mass spectrometry) and FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy).

このように、本実施形態のリチウムイオン伝導体202は、LLZ系リチウムイオン伝導性粉末に加えて、リチウムイオン伝導性を有するイオン液体を含んでおり、加圧成形された成形体(圧粉体)の状態において高いリチウムイオン伝導性を発揮する。本実施形態のリチウムイオン伝導体202がこのような高いリチウムイオン伝導性を有する理由は、必ずしも明らかではないが、以下のように推測される。 As described above, the lithium ion conductor 202 of the present embodiment contains an ionic liquid having lithium ion conductivity in addition to the LLZ-based lithium ion conductive powder, and is a pressure-molded molded body (compact powder). ), It exhibits high lithium ion conductivity. The reason why the lithium ion conductor 202 of the present embodiment has such high lithium ion conductivity is not necessarily clear, but it is presumed as follows.

LLZ系リチウムイオン伝導性粉末は、他の酸化物系リチウムイオン伝導体や酸化物系以外のリチウムイオン伝導体(例えば、硫化物系リチウムイオン伝導体)と比較して硬いため、該粉末を加圧成形した成形体(圧粉体)の状態においては、粒子間の接触が点接触となって粒子間の抵抗が高くなり、リチウムイオン伝導性が比較的低い。また、LLZ系リチウムイオン伝導性粉末を高温で焼成することにより、リチウムイオン伝導性を高くすることはできるが、高温焼成に伴い反りや変形が起こるために電池の大型化が困難であり、また、高温焼成に伴う電極活物質等との反応により高抵抗層が生成されてリチウムイオン伝導性が低下するおそれがある。しかしながら、本実施形態のリチウムイオン伝導体202は、LLZ系リチウムイオン伝導性粉末に加えて、リチウムイオン伝導性を有するイオン液体を含んでいる。そのため、加圧成形された成形体の状態において、該成形体の全体にわたってLLZ系リチウムイオン伝導性粉末の粒界にリチウムイオン伝導パスとして機能するイオン液体が介在し、該粒界におけるリチウムイオン伝導性が向上し、その結果、リチウムイオン伝導体202のリチウムイオン伝導性が向上したものと考えられる。 Since the LLZ-based lithium ion conductive powder is harder than other oxide-based lithium ion conductors and non-oxide-based lithium ion conductors (for example, sulfide-based lithium ion conductors), the powder is added. In the state of the pressure-molded molded body (compact powder), the contact between the particles becomes point contact, the resistance between the particles increases, and the lithium ion conductivity is relatively low. Further, although the lithium ion conductivity can be increased by firing the LLZ-based lithium ion conductive powder at a high temperature, it is difficult to increase the size of the battery because warpage and deformation occur due to the high temperature firing. , There is a risk that a high resistance layer will be formed due to the reaction with the electrode active material and the like accompanying high temperature firing, and the lithium ion conductivity will decrease. However, the lithium ion conductor 202 of the present embodiment contains an ionic liquid having lithium ion conductivity in addition to the LLZ-based lithium ion conductive powder. Therefore, in the state of the compact formed under pressure, an ionic liquid that functions as a lithium ion conduction path intervenes in the grain boundaries of the LLZ-based lithium ion conductive powder throughout the molded body, and lithium ion conduction in the grain boundaries. It is considered that the property was improved, and as a result, the lithium ion conductivity of the lithium ion conductor 202 was improved.

また、本実施形態のリチウムイオン伝導体202は、LLZ系リチウムイオン伝導性粉末およびイオン液体に加えて、さらにバインダーを含んでおり、シート状に形成されていてもよい。バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)とヘキサフルオロプロピレン(HFP)の共重合体(以下、「PVDF−HFP」という。)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド、ポリアミド、シリコーン(ポリシロキサン)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、アクリル樹脂(PMMA)、ポリエチレンオキサイド(PEO)等が用いられる。このような構成とすれば、リチウムイオン伝導体202のリチウムイオン伝導性を向上させつつ、リチウムイオン伝導体202の成形性やハンドリングを向上させることができる。 Further, the lithium ion conductor 202 of the present embodiment may further contain a binder in addition to the LLZ-based lithium ion conductive powder and the ionic liquid, and may be formed in a sheet shape. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), a copolymer of polyvinylidene fluoride (PVDF) and hexafluoropropylene (HFP) (hereinafter referred to as “PVDF-HFP”), polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like. Polyethylene, polyamide, silicone (polysiloxane), styrene-butadiene rubber (SBR), acrylic resin (PMMA), polyethylene oxide (PEO) and the like are used. With such a configuration, it is possible to improve the moldability and handling of the lithium ion conductor 202 while improving the lithium ion conductivity of the lithium ion conductor 202.

ここで、本願発明者は鋭意検討を重ね、リチウムイオン伝導性粉末とイオン液体とを含むリチウムイオン伝導体202の好ましい構成を特定するために、以下に説明するイオン液体元素割合R1を使用することを新たに見出した。イオン液体元素割合R1は、X線光電子分光法(XPS)により各元素の原子濃度を特定したとき、イオン液体に含有される元素(ただし、O元素およびC元素を除く)の内のリチウムイオン伝導性粉末に含有されない元素である特定元素と、Li元素とLa元素とZr元素とのそれぞれの原子濃度の合計(以下、「元素原子濃度合計C1」という。)に対する、上記特定元素のそれぞれの原子濃度の合計(以下、「イオン液体元素原子濃度合計C2」という。)の割合である。すなわち、イオン液体元素割合R1=イオン液体元素原子濃度合計C2/元素原子濃度合計C1である。例えば、リチウムイオン伝導体202が、イオン液体としてLiTFSI(EMI−FSI)を含み、かつ、リチウムイオン伝導性粉末としてLLZ−Mg,Srを含む場合においては、特定元素は、元素N,S,Fであり、元素原子濃度合計C1は、元素Li,La,Zr,N,S,Fのそれぞれの原子濃度の合計であり、イオン液体元素原子濃度合計C2は、特定元素N,S,Fのそれぞれの原子濃度の合計である。 Here, the inventor of the present application has studied diligently and uses the ionic liquid element ratio R1 described below in order to specify a preferable configuration of the lithium ion conductor 202 containing the lithium ion conductive powder and the ionic liquid. Was newly found. The ionic liquid element ratio R1 is the lithium ion conduction among the elements contained in the ionic liquid (excluding the O element and the C element) when the atomic concentration of each element is specified by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Each atom of the above-mentioned specific element with respect to the total atomic concentration of each of the specific element which is an element not contained in the sex powder, the Li element, the La element, and the Zr element (hereinafter, referred to as "total element atomic concentration C1"). It is a ratio of the total concentration (hereinafter, referred to as "total ion liquid element atomic concentration C2"). That is, the ratio of ionic liquid elements R1 = total ionic liquid element atomic concentration C2 / total element atomic concentration C1. For example, when the lithium ion conductor 202 contains LiTFSI (EMI-FSI) as an ionic liquid and LLZ-Mg, Sr as a lithium ion conductive powder, the specific elements are the elements N, S, F. The total elemental atomic concentration C1 is the total atomic concentration of each of the elements Li, La, Zr, N, S, and F, and the total ionic liquid element atomic concentration C2 is the total atomic concentration of the specific elements N, S, and F, respectively. Is the total atomic concentration of.

なお、XPSは、物体の表面近傍の部分における特性を調べる分析方法であるため、イオン液体元素割合R1は、リチウムイオン伝導体202の表面近傍の部分にどの程度のイオン液体が存在するかを示す指標値であると言える。例えばSEM観察等によりリチウムイオン伝導体の表面に存在するイオン液体の厚さを測定することも考えられるが、イオン液体の厚さは非常に薄く(nmオーダー)、電子線に非常に弱いため、SEM観察を行うことができない。この点、XPSであれば、リチウムイオン伝導体の表面に存在するイオン液体の状態を適切に把握できるものと考えられる。 Since XPS is an analysis method for examining the characteristics of an object near the surface, the ionic liquid element ratio R1 indicates how much ionic liquid is present in the portion near the surface of the lithium ion conductor 202. It can be said that it is an index value. For example, it is conceivable to measure the thickness of the ionic liquid existing on the surface of the lithium ion conductor by SEM observation or the like, but since the thickness of the ionic liquid is very thin (on the order of nm) and is very weak to electron beams. SEM observation cannot be performed. In this respect, XPS is considered to be able to appropriately grasp the state of the ionic liquid existing on the surface of the lithium ion conductor.

リチウムイオン伝導性粉末とイオン液体とを含むリチウムイオン伝導体202において、イオン液体の量が少なすぎると、リチウムイオン伝導性粉末の粒界にリチウムイオン伝導パスとして機能するイオン液体が少なくなり、リチウムイオン伝導性が十分に向上しない。一方、イオン液体の量が多すぎると、リチウムイオン以外(アニオン等)も含めた全伝導率としては高くなるが、輸率の低いイオン液体主体の伝導となるため、結果的にリチウムイオン伝導率としては低下してしまう。そのため、リチウムイオン伝導体202のリチウムイオン伝導性を向上させるためには、リチウムイオン伝導体202におけるイオン液体の含有量が重要である。 In the lithium ion conductor 202 containing the lithium ion conductive powder and the ionic liquid, if the amount of the ionic liquid is too small, the amount of the ionic liquid functioning as the lithium ion conduction path decreases at the grain boundary of the lithium ion conductive powder, and lithium. Ion conductivity does not improve sufficiently. On the other hand, if the amount of ionic liquid is too large, the total conductivity including non-lithium ions (anions, etc.) will be high, but the conduction will be mainly ionic liquid with low transport number, resulting in lithium ion conductivity. Will decrease. Therefore, in order to improve the lithium ion conductivity of the lithium ion conductor 202, the content of the ionic liquid in the lithium ion conductor 202 is important.

従来は、リチウムイオン伝導体202におけるイオン液体の含有量を特定するために、リチウムイオン伝導性粉末の含有量(vol%)とイオン液体の含有量(vol%)との合計に対する、イオン液体の含有量の割合(以下、「イオン液体体積割合R2」という。)が用いられてきた。しかしながら、以下に説明するように、イオン液体体積割合R2では、リチウムイオン伝導体202の好ましい構成(高いリチウムイオン伝導性を有する構成)を適切に特定することができない。 Conventionally, in order to specify the content of the ionic liquid in the lithium ion conductor 202, the content of the ionic liquid is relative to the total of the content of the lithium ion conductive powder (vol%) and the content of the ionic liquid (vol%). The content ratio (hereinafter referred to as "ionic liquid volume ratio R2") has been used. However, as described below, the ionic liquid volume ratio R2 cannot appropriately specify a preferable configuration (a configuration having high lithium ion conductivity) of the lithium ion conductor 202.

図2は、リチウムイオン伝導体202の構成を模式的に示す説明図である。図2のA欄およびB欄には、イオン液体体積割合R2が互いに等しいリチウムイオン伝導体202の構成が示されている。図2のA欄に示すリチウムイオン伝導体202では、リチウムイオン伝導性粉末SEの表面の全体がイオン液体ILにより覆われている。そのため、図2のA欄に示すリチウムイオン伝導体202では、リチウムイオン伝導性粉末SEの粒界の全体にわたってリチウムイオン伝導パスとして機能するイオン液体ILが介在し、リチウムイオン伝導性が十分に向上されている。一方、図2のB欄に示すリチウムイオン伝導体202では、リチウムイオン伝導性粉末SEの表面の一部のみが、イオン液体ILにより覆われている。これは、図2のB欄に示すリチウムイオン伝導体202では、図2のA欄に示すリチウムイオン伝導体202と比べてリチウムイオン伝導性粉末SEの直径が小さく(D2<D1)、リチウムイオン伝導性粉末SEの比表面積が大きいからである。そのため、図2のB欄に示すリチウムイオン伝導体202では、リチウムイオン伝導性粉末SEの粒界の一部においてイオン液体ILが介在せず、リチウムイオン伝導性が十分に向上されていない。このように、イオン液体体積割合R2が同一値であっても、リチウムイオン伝導性粉末SEの表面におけるイオン液体ILの分布状態は異なり得るため、イオン液体体積割合R2では、リチウムイオン伝導体202の好ましい構成(高いリチウムイオン伝導性を有する構成)を適切に特定することができない。 FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the lithium ion conductor 202. In columns A and B of FIG. 2, the configuration of the lithium ion conductor 202 having the same ionic liquid volume ratio R2 is shown. In the lithium ion conductor 202 shown in column A of FIG. 2, the entire surface of the lithium ion conductive powder SE is covered with the ionic liquid IL. Therefore, in the lithium ion conductor 202 shown in column A of FIG. 2, an ionic liquid IL that functions as a lithium ion conduction path intervenes over the entire grain boundary of the lithium ion conductive powder SE, and the lithium ion conductivity is sufficiently improved. Has been done. On the other hand, in the lithium ion conductor 202 shown in column B of FIG. 2, only a part of the surface of the lithium ion conductive powder SE is covered with the ionic liquid IL. This is because the lithium ion conductor 202 shown in column B of FIG. 2 has a smaller diameter of the lithium ion conductive powder SE than the lithium ion conductor 202 shown in column A of FIG. 2 (D2 <D1), and lithium ions. This is because the specific surface area of the conductive powder SE is large. Therefore, in the lithium ion conductor 202 shown in column B of FIG. 2, the ionic liquid IL does not intervene in a part of the grain boundaries of the lithium ion conductive powder SE, and the lithium ion conductivity is not sufficiently improved. As described above, even if the ionic liquid volume ratio R2 is the same value, the distribution state of the ionic liquid IL on the surface of the lithium ion conductive powder SE may be different. Therefore, in the ionic liquid volume ratio R2, the lithium ion conductor 202 It is not possible to properly specify a preferred configuration (a configuration having high lithium ion conductivity).

これに対し、上述したイオン液体元素割合R1は、リチウムイオン伝導体202の表面近傍の部分にどの程度のイオン液体ILが存在するかを示す指標値であるため、リチウムイオン伝導体202の好ましい構成(高いリチウムイオン伝導性を有する構成)を適切に特定することができると考えられる。 On the other hand, the above-mentioned ionic liquid element ratio R1 is an index value indicating how much ionic liquid IL is present in the portion near the surface of the lithium ion conductor 202, and therefore is a preferable configuration of the lithium ion conductor 202. It is considered that (a configuration having high lithium ion conductivity) can be appropriately specified.

具体的には、本実施形態のリチウムイオン伝導体202は、イオン液体元素割合R1が、0.25以上、0.90以下となるように構成されている。すなわち、本実施形態では、リチウムイオン伝導体202の表面近傍の部分に、イオン液体が過度に低くも高くもない割合で存在している。このようにすれば、リチウムイオン伝導体202のリチウムイオン伝導性を十分に向上させることができる。なお、リチウムイオン伝導体202のリチウムイオン伝導性をさらに向上させるために、イオン液体元素割合R1は、0.36以上であることがより好ましく、0.52以上であることがさらに好ましく、0.57以上であることが一層好ましい。また、リチウムイオン伝導体202のリチウムイオン伝導性をさらに向上させるために、イオン液体元素割合R1は、0.90以下であることがより好ましく、0.80以下であることがさらに好ましい。 Specifically, the lithium ion conductor 202 of the present embodiment is configured so that the ionic liquid element ratio R1 is 0.25 or more and 0.90 or less. That is, in the present embodiment, the ionic liquid is present in the portion near the surface of the lithium ion conductor 202 at a ratio that is neither excessively low nor high. In this way, the lithium ion conductivity of the lithium ion conductor 202 can be sufficiently improved. In order to further improve the lithium ion conductivity of the lithium ion conductor 202, the ionic liquid element ratio R1 is more preferably 0.36 or more, further preferably 0.52 or more, and 0. It is more preferably 57 or more. Further, in order to further improve the lithium ion conductivity of the lithium ion conductor 202, the ionic liquid element ratio R1 is more preferably 0.90 or less, and further preferably 0.80 or less.

また、本実施形態のリチウムイオン伝導体202において、リチウムイオン伝導性粉末の粒径(D90)は、10μm以下であることが好ましい。このようにすれば、リチウムイオン伝導体202を圧粉体として構成した場合において、圧粉体のパッキング性を高くすることができ、その結果、気孔率を低くしてリチウムイオン伝導性をさらに向上させることができる。また、このようにすれば、リチウムイオン伝導体202をシート状の成形体として構成した場合において、シートの厚さを薄くすることができ、リチウムイオン伝導性をさらに向上させることができる。 Further, in the lithium ion conductor 202 of the present embodiment, the particle size (D90) of the lithium ion conductive powder is preferably 10 μm or less. By doing so, when the lithium ion conductor 202 is configured as the green compact, the packing property of the green compact can be improved, and as a result, the porosity is lowered and the lithium ion conductivity is further improved. Can be made to. Further, in this way, when the lithium ion conductor 202 is configured as a sheet-shaped molded body, the thickness of the sheet can be reduced, and the lithium ion conductivity can be further improved.

なお、XPSに関し、リチウムイオン伝導体202が粉体である場合には、リチウムイオン伝導体202の表面を対象としてXPSを行うものとし、リチウムイオン伝導体202が圧粉体である場合には、リチウムイオン伝導体202の断面を対象としてXPSを行うものとし、リチウムイオン伝導体202がシート状の成形体である場合には、リチウムイオン伝導体202の表面または断面を対象としてXPSを行うものとする。 Regarding XPS, when the lithium ion conductor 202 is a powder, XPS is performed on the surface of the lithium ion conductor 202, and when the lithium ion conductor 202 is a green compact, the XPS is performed. XPS shall be performed on the cross section of the lithium ion conductor 202, and when the lithium ion conductor 202 is a sheet-shaped molded body, XPS shall be performed on the surface or cross section of the lithium ion conductor 202. To do.

A−3.全固体電池102の製造方法:
次に、本実施形態の全固体電池102の製造方法の一例を説明する。はじめに、固体電解質層112を作製する。具体的には、リチウムイオン伝導性粉末を準備し、該リチウムイオン伝導性粉末とイオン液体とを混合してリチウムイオン伝導体202を作製し、該リチウムイオン伝導体202を所定の圧力で加圧成形したり、バインダーを添加してシート状に成形したりすることにより、リチウムイオン伝導体202の成形体である固体電解質層112を作製する。
A-3. Manufacturing method of all-solid-state battery 102:
Next, an example of the manufacturing method of the all-solid-state battery 102 of the present embodiment will be described. First, the solid electrolyte layer 112 is prepared. Specifically, a lithium ion conductive powder is prepared, the lithium ion conductive powder and an ionic liquid are mixed to prepare a lithium ion conductor 202, and the lithium ion conductor 202 is pressurized at a predetermined pressure. The solid electrolyte layer 112, which is a molded body of the lithium ion conductor 202, is produced by molding or by adding a binder to form a sheet.

また、別途、正極114および負極116を作製する。具体的には、正極活物質214の粉末と、イオン液体を含むリチウムイオン伝導体204と、必要により電子伝導助剤の粉末とを所定の割合で混合し、所定の圧力で加圧成形したり、バインダーを添加してシート状に成形したりすることにより正極114を作製する。また、負極活物質216の粉末と、イオン液体を含むリチウムイオン伝導体206と、必要により電子伝導助剤の粉末とを混合し、所定の圧力で加圧成形したり、バインダーを添加してシート状に成形したりすることにより負極116を作製する。 Further, the positive electrode 114 and the negative electrode 116 are separately manufactured. Specifically, the powder of the positive electrode active material 214, the lithium ion conductor 204 containing the ionic liquid, and the powder of the electron conduction aid, if necessary, are mixed at a predetermined ratio and pressure-molded at a predetermined pressure. The positive electrode 114 is produced by adding a binder and molding it into a sheet. Further, the powder of the negative electrode active material 216, the lithium ion conductor 206 containing the ionic liquid, and the powder of the electron conduction aid, if necessary, are mixed and pressure-molded at a predetermined pressure, or a binder is added to the sheet. The negative electrode 116 is manufactured by molding it into a shape.

次に、正極側集電部材154と、正極114と、固体電解質層112と、負極116と、負極側集電部材156とをこの順に積層して加圧することにより一体化する。以上の工程により、上述した構成の全固体電池102が製造される。 Next, the positive electrode side current collecting member 154, the positive electrode 114, the solid electrolyte layer 112, the negative electrode 116, and the negative electrode side current collecting member 156 are laminated in this order and pressurized to integrate them. Through the above steps, the all-solid-state battery 102 having the above-described configuration is manufactured.

A−4.性能評価:
リチウムイオン伝導性粉末とイオン液体とを含むリチウムイオン伝導体を対象として、性能評価を行った。図3および図4は、性能評価の結果を示す説明図である。
A-4. Performance evaluation:
Performance evaluation was performed on lithium ion conductors containing lithium ion conductive powder and ionic liquid. 3 and 4 are explanatory views showing the results of performance evaluation.

図3および図4に示すように、性能評価には、9個のリチウムイオン伝導体のサンプル(S1〜S5,S11〜S14)が用いられた。各サンプルは、いずれもリチウムイオン伝導性粉末であるLLZ−Mg,Srの粉末と、イオン液体であるLiTFSI(EMI−FSI)とを含んでいる点では共通しているが、その組成(各成分の含有比率(vol%))と、LLZ−Mg,Srの粒径(D90)とが、互いに異なっている。具体的には、サンプルS1〜S5では、LLZ−Mg,Srの粒径(D90)が5.1μmであり、サンプルS11〜S14では、LLZ−Mg,Srの粒径(D90)が3.2μmであった。また、各サンプルの組成は、図3および図4に示される通りの組成である。 As shown in FIGS. 3 and 4, nine lithium ion conductor samples (S1 to S5, S11 to S14) were used for the performance evaluation. Each sample is common in that it contains LLZ-Mg and Sr powders, which are lithium ion conductive powders, and LiTFSI (EMI-FSI), which is an ionic liquid, but its composition (each component). (Vol%)) and the particle size (D90) of LLZ-Mg and Sr are different from each other. Specifically, in the samples S1 to S5, the particle size (D90) of LLZ-Mg and Sr is 5.1 μm, and in the samples S11 to S14, the particle size (D90) of LLZ-Mg and Sr is 3.2 μm. Met. The composition of each sample is as shown in FIGS. 3 and 4.

各サンプルの作製方法は、以下の通りである。まず、リチウムイオン伝導性粉末であるLLZ−Mg・Srの粉末を作製した。具体的には、組成:Li6.95Mg0.15La2.75Sr0.25Zr2.012(LLZ−Mg・Sr)となるように、LiCO、MgO、La(OH)、SrCO、ZrOを秤量した。その際、焼成時のLiの揮発を考慮し、元素換算で15mol%程度過剰になるように、LiCOをさらに加えた。この原料をジルコニアボールとともにナイロンポットに投入し、有機溶剤中で15時間、ボールミルで粉砕混合を行った。粉砕混合後、スラリーを乾燥させ、1200℃で10時間、MgO板上にて還元焼成を行うことにより、LLZ−Mg・Srの粉末を作製した。得られた粉末を大気非曝露環境で遊星ボールミルにて湿式粉砕することにより、LLZ−Mg,Srの粉末の粒径(D90)を5.1μmまたは3.2μmに調整した。 The method for producing each sample is as follows. First, a powder of LLZ-Mg · Sr, which is a lithium ion conductive powder, was prepared. Specifically, the composition: Li 2.95 Mg 0.15 La 2.75 Sr 0.25 Zr 2.0 O 12 (LLZ-Mg · Sr), Li 2 CO 3 , MgO, La ( OH) 3 , SrCO 3 , and ZrO 2 were weighed. At that time, in consideration of the volatilization of Li during firing, Li 2 CO 3 was further added so as to be excessive by about 15 mol% in terms of elements. This raw material was put into a nylon pot together with zirconia balls, and pulverized and mixed in an organic solvent for 15 hours with a ball mill. After pulverization and mixing, the slurry was dried and reduced and calcined on an MgO plate at 1200 ° C. for 10 hours to prepare a powder of LLZ-Mg · Sr. The particle size (D90) of the LLZ-Mg and Sr powders was adjusted to 5.1 μm or 3.2 μm by wet pulverizing the obtained powder with a planetary ball mill in an air-free environment.

また、イオン液体であるLiTFSI(EMI−FSI)を作製した。具体的には、イオン液体EMI−FSIにリチウム塩Li−TFSIを、リチウム塩濃度が0.8mol/L相当となるように溶解させて、LiTFSI(EMI−FSI)を得た。 In addition, LiTFSI (EMI-FSI), which is an ionic liquid, was produced. Specifically, the lithium salt Li-TFSI was dissolved in the ionic liquid EMI-FSI so that the lithium salt concentration was equivalent to 0.8 mol / L to obtain LiTFSI (EMI-FSI).

次に、リチウムイオン伝導性粉末であるLLZ−Mg・Srの粉末とイオン液体であるLiTFSI(EMI−FSI)とを、図3および図4に示された比率(vol%)で乳鉢上で混合することにより、リチウムイオン伝導体(リチウムイオン伝導性粉末とイオン液体との複合体)を得た。 Next, the powder of LLZ-Mg · Sr, which is a lithium ion conductive powder, and LiTFSI (EMI-FSI), which is an ionic liquid, are mixed on a dairy pot at the ratios (vol%) shown in FIGS. 3 and 4. A lithium ion conductor (a composite of a lithium ion conductive powder and an ionic liquid) was obtained.

各サンプルを対象として、大気非曝露状態でXPS測定を行い、各元素の原子濃度を特定した。各元素の原子濃度の特定結果から、元素原子濃度合計C1(イオン液体に含有される元素(ただし、O元素およびC元素を除く)の内のリチウムイオン伝導性粉末に含有されない元素である特定元素と、Li元素とLa元素とZr元素とのそれぞれの原子濃度の合計)に対する、イオン液体元素原子濃度合計C2(上記特定元素のそれぞれの原子濃度の合計)の割合であるイオン液体元素割合R1を算出した。本性能評価では、各サンプルは、イオン液体としてLiTFSI(EMI−FSI)を含み、リチウムイオン伝導性粉末としてLLZ−Mg,Srの粉末を含んでいるため、元素原子濃度合計C1は、元素Li,La,Zr,N,S,Fのそれぞれの原子濃度の合計であり、イオン液体元素原子濃度合計C2は、元素N,S,Fのそれぞれの原子濃度の合計である。なお、XPS測定による各原子濃度の特定は、以下の条件で行った。
・測定装置:アルバック・ファイ株式会社製 PHI Quantera SXM
・励起X線源:単色AlKα線(25W、15kV、100μm径)
・光電子取り出し角:45°
・解析ソフトウェア:MultiPack
XPS measurements were performed on each sample in a non-atmospheric exposure state to identify the atomic concentration of each element. From the specific result of the atomic concentration of each element, the specific element which is not contained in the lithium ion conductive powder among the total element atomic concentration C1 (elements contained in the ionic liquid (excluding O element and C element)). And the ionic liquid element ratio R1 which is the ratio of the total atomic concentration C2 of the ionic liquid element (the total atomic concentration of each of the above-mentioned specific elements) to the total atomic concentration of each of the Li element, the La element and the Zr element). Calculated. In this performance evaluation, each sample contains LiTFSI (EMI-FSI) as an ionic liquid and LLZ-Mg, Sr powder as a lithium ion conductive powder. Therefore, the total elemental atomic concentration C1 is the element Li, It is the total atomic concentration of each of La, Zr, N, S, and F, and the total atomic concentration of ionic liquid elements C2 is the total atomic concentration of each of the elements N, S, and F. The concentration of each atom was specified by XPS measurement under the following conditions.
-Measuring device: PHI Quantera SXM manufactured by ULVAC FI Co., Ltd.
-Excited X-ray source: Monochromatic AlKα ray (25 W, 15 kV, 100 μm diameter)
・ Photoelectron extraction angle: 45 °
・ Analysis software: MultiPack

また、各サンプルを500MPaで加圧した状態で、各サンプルのリチウムイオン伝導率を測定した。 In addition, the lithium ion conductivity of each sample was measured while each sample was pressurized at 500 MPa.

各サンプルについて、成形時にイオン液体の染み出しが発生したか、または、リチウムイオン伝導率が1.0×10−6S/cm未満であった場合には、不合格(×)と判定し、成形時にイオン液体の染み出しが発生せず、かつ、リチウムイオン伝導率が1.0×10−6S/cm以上であった場合には、合格(〇)と判定した。 For each sample, if ionic liquid exudation occurs during molding or if the lithium ion conductivity is less than 1.0 × 10-6 S / cm, it is judged as rejected (×). When the ionic liquid did not exude during molding and the lithium ion conductivity was 1.0 × 10-6 S / cm or more, it was judged to be acceptable (◯).

サンプルS1およびS11では、リチウムイオン伝導率が1.0×10−6S/cm未満であったため、不合格(×)と判定された。これらのサンプルでは、イオン液体元素割合R1が0.25未満であり、リチウムイオン伝導体の表面近傍の部分に十分な量のイオン液体が存在していないため、リチウムイオン伝導性が低くなったものと考えられる。 In the samples S1 and S11, the lithium ion conductivity was less than 1.0 × 10-6 S / cm, so that it was determined to be rejected (×). In these samples, the ionic liquid element ratio R1 was less than 0.25, and a sufficient amount of ionic liquid was not present in the portion near the surface of the lithium ion conductor, resulting in low lithium ion conductivity. it is conceivable that.

一方、サンプルS5では、成形時にイオン液体の染み出しが発生したため、不合格(×)と判定された。このサンプルでは、イオン液体元素割合R1が0.90を超えており、リチウムイオン伝導体の表面近傍の部分に過剰な量のイオン液体が存在しているため、イオン液体の染み出しが発生したものと考えられる。 On the other hand, in sample S5, since the ionic liquid exuded during molding, it was determined to be unacceptable (x). In this sample, the ionic liquid element ratio R1 exceeds 0.90, and an excessive amount of ionic liquid is present in the vicinity of the surface of the lithium ion conductor, so that the ionic liquid exudes. it is conceivable that.

これに対し、サンプルS2〜S4,S12〜S14では、成形時にイオン液体の染み出しが発生せず、かつ、リチウムイオン伝導率が1.0×10−6S/cm以上であったため、合格(〇)と判定された。これらのサンプルでは、イオン液体元素割合R1が0.25以上、0.90以下であり、リチウムイオン伝導体の表面近傍の部分に、過度に多くも少なくもない適切な量のイオン液体が存在しているため、イオン液体の染み出しが発生せず、かつ、リチウムイオン伝導性が高くなったものと考えられる。 On the other hand, in the samples S2 to S4 and S12 to S14, the ionic liquid did not exude during molding and the lithium ion conductivity was 1.0 × 10-6 S / cm or more, so that the sample passed ( 〇) was judged. In these samples, the ionic liquid element ratio R1 is 0.25 or more and 0.90 or less, and an appropriate amount of ionic liquid, not excessively large or small, is present in the vicinity of the surface of the lithium ion conductor. Therefore, it is considered that the ionic liquid does not exude and the lithium ion conductivity is increased.

以上説明した性能評価結果を参照すると、リチウムイオン伝導性粉末とイオン液体とを含むリチウムイオン伝導体において、イオン液体元素割合R1が0.25以上、0.90以下であると、イオン液体の染み出しを発生させることなく、リチウムイオン伝導性を向上させることができると言える。 With reference to the performance evaluation results described above, in the lithium ion conductor containing the lithium ion conductive powder and the ionic liquid, when the ionic liquid element ratio R1 is 0.25 or more and 0.90 or less, the ionic liquid stains. It can be said that the lithium ionic conductivity can be improved without generating a discharge.

なお、本性能評価結果から、リチウムイオン伝導性粉末とイオン液体とを含むリチウムイオン伝導体において、イオン液体体積割合R2(リチウムイオン伝導性粉末の含有量(vol%)とイオン液体の含有量(vol%)との合計に対する、イオン液体の含有量の割合)が互いに等しくても、リチウムイオン伝導性粉末の粒径が異なると、イオン液体元素割合R1の値が異なることが確認されたと言える。例えば、サンプルS2とサンプルS12とは、イオン液体体積割合R2が互いに等しいが、サンプルS12の方がリチウムイオン伝導性粉末の粒径が小さいため、リチウムイオン伝導性粉末の比表面積が大きくなり、その結果、イオン液体元素割合R1の値が小さくなっている。サンプルS4とサンプルS13との間、および、サンプルS5とサンプルS14との間でも、同様のことが言える。ただし、サンプルS1とサンプルS11との間では、サンプルS11の方がリチウムイオン伝導性粉末の粒径が小さいにも関わらず、イオン液体元素割合R1の値が大きくなっている。これは、サンプルS1およびサンプルS11では、両者とも、イオン液体の添加量が極めて少ないため、リチウムイオン伝導性粉末の表面の一部がイオン液体により覆われず、測定位置によってイオン液体元素割合R1の値にばらつきが出たためであると考えられる。 From the results of this performance evaluation, in the lithium ion conductor containing the lithium ion conductive powder and the ionic liquid, the ionic liquid volume ratio R2 (content of the lithium ion conductive powder (vol%)) and the content of the ionic liquid ( It can be said that it was confirmed that the value of the ionic liquid element ratio R1 was different when the particle size of the lithium ion conductive powder was different even if the ratio of the content of the ionic liquid to the total of vol%) was equal to each other. For example, the sample S2 and the sample S12 have the same ionic liquid volume ratio R2, but the sample S12 has a smaller particle size of the lithium ion conductive powder, so that the specific surface area of the lithium ion conductive powder is larger. As a result, the value of the ionic liquid element ratio R1 is small. The same can be said between the sample S4 and the sample S13, and between the sample S5 and the sample S14. However, between the sample S1 and the sample S11, the value of the ionic liquid element ratio R1 is larger in the sample S11 even though the particle size of the lithium ion conductive powder is smaller in the sample S11. This is because in both the sample S1 and the sample S11, since the amount of the ionic liquid added is extremely small, a part of the surface of the lithium ion conductive powder is not covered with the ionic liquid, and the ionic liquid element ratio R1 is determined depending on the measurement position. This is probably because the values varied.

A−5.LLZ系リチウムイオン伝導性粉末の好ましい態様:
上述したように、本実施形態におけるリチウムイオン伝導体は、LLZ系リチウムイオン伝導性粉末(LiとLaとZrとOとを少なくとも含有するガーネット型構造を有するリチウムイオン伝導性粉末)を含んでいる。LLZ系リチウムイオン伝導性粉末としては、Mg、Al、Si、Ca(カルシウム)、Ti、V(バナジウム)、Ga(ガリウム)、Sr、Y(イットリウム)、Nb(ニオブ)、Sn(スズ)、Sb(アンチモン)、Ba(バリウム)、Hf(ハフニウム)、Ta(タンタル)、W(タングステン)、Bi(ビスマス)およびランタノイド元素からなる群より選択される少なくとも1種類の元素を含むものを採用することが好ましい。このような構成とすれば、LLZ系リチウムイオン伝導性粉末が良好なリチウムイオン伝導率を示す。
A-5. Preferred embodiments of the LLZ-based lithium ion conductive powder:
As described above, the lithium ion conductor in the present embodiment contains an LLZ-based lithium ion conductive powder (a lithium ion conductive powder having a garnet-type structure containing at least Li, La, Zr, and O). .. Examples of the LLZ-based lithium ion conductive powder include Mg, Al, Si, Ca (calcium), Ti, V (vanadium), Ga (gallium), Sr, Y (ittium), Nb (niobium), Sn (tin), and so on. Adopt one containing at least one element selected from the group consisting of Sb (antimony), Ba (barium), Hf (hafnium), Ta (tantalum), W (tungsten), Bi (bismus) and lanthanoid elements. Is preferable. With such a configuration, the LLZ-based lithium ion conductive powder exhibits good lithium ion conductivity.

なお、ガーネット型構造を有するLLZ系リチウムイオン伝導体としては、例えば以下のものが挙げられる。
LiLaZr1.50.512
Li6.15LaZr1.75Ta0.25Al0.212
Li6.15LaZr1.75Ta0.25Ga0.212
Li6.25LaZrGa0.2512
Li6.4LaZr1.4Ta0.612
Li6.5LaZr1.75Te0.2512
Li6.75LaZr1.75Nb0.2512
Li6.9LaZr1.675Ta0.289Bi0.03612
Li6.46Ga0.23LaZr1.850.1512
Li6.8La2.95Ca0.05Zr1.75Nb0.2512
Li7.05La3.00Zr1.95Gd0.0512
Examples of the LLZ-based lithium ion conductor having a garnet-type structure include the following.
Li 6 La 3 Zr 1.5 W 0.5 O 12
Li 6.15 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 Al 0.2 O 12
Li 6.15 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 Ga 0.2 O 12
Li 6.25 La 3 Zr 2 Ga 0.25 O 12
Li 6.4 La 3 Zr 1.4 Ta 0.6 O 12
Li 6.5 La 3 Zr 1.75 Te 0.25 O 12
Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Nb 0.25 O 12
Li 6.9 La 3 Zr 1.675 Ta 0.289 Bi 0.036 O 12
Li 6.46 Ga 0.23 La 3 Zr 1.85 Y 0.15 O 12
Li 6.8 La 2.95 Ca 0.05 Zr 1.75 Nb 0.25 O 12
Li 7.05 La 3.00 Zr 1.95 Gd 0.05 O 12

また、ガーネット型構造を有するLLZ系リチウムイオン伝導性粉末として、Mgと元素A(Aは、Ca、SrおよびBaからなる群より選択される少なくとも1種類の元素)との少なくとも一方を含み、含有される各元素がモル比で下記の式(1)〜(3)を満たすものを採用することが好ましい。なお、Mgおよび元素Aは、比較的埋蔵量が多く安価であるため、LLZ系リチウムイオン伝導性粉末の置換元素としてMgおよび/または元素Aを用いれば、LLZ系リチウムイオン伝導性粉末の安定的な供給が期待できると共にコストを低減することができる。
(1)1.33≦Li/(La+A)≦3
(2)0≦Mg/(La+A)≦0.5
(3)0≦A/(La+A)≦0.67
Further, the LLZ-based lithium ion conductive powder having a garnet-type structure contains at least one of Mg and element A (A is at least one element selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba). It is preferable to use an element having a molar ratio of each element satisfying the following formulas (1) to (3). Since Mg and element A have a relatively large reserve and are inexpensive, if Mg and / or element A is used as a substitution element for the LLZ-based lithium ion conductive powder, the LLZ-based lithium ion conductive powder is stable. Supply can be expected and the cost can be reduced.
(1) 1.33 ≤ Li / (La + A) ≤ 3
(2) 0 ≤ Mg / (La + A) ≤ 0.5
(3) 0 ≦ A / (La + A) ≦ 0.67

また、LLZ系リチウムイオン伝導性粉末としては、Mgと元素Aとの両方を含み、含有される各元素がモル比で下記の式(1´)〜(3´)を満たすものを採用することがより好ましい。
(1´)2.0≦Li/(La+A)≦2.5
(2´)0.01≦Mg/(La+A)≦0.14
(3´)0.04≦A/(La+A)≦0.17
Further, as the LLZ-based lithium ion conductive powder, one containing both Mg and element A, in which each contained element satisfies the following formulas (1') to (3') in terms of molar ratio, is adopted. Is more preferable.
(1') 2.0 ≤ Li / (La + A) ≤ 2.5
(2') 0.01 ≤ Mg / (La + A) ≤ 0.14
(3') 0.04 ≤ A / (La + A) ≤ 0.17

上述の事項を換言すると、LLZ系リチウムイオン伝導性粉末は、次の(a)〜(c)のいずれかを満たすことが好ましく、これらの中でも(c)を満たすことがより好ましく、(d)を満たすことがさらに好ましいと言える。
(a)Mgを含み、各元素の含有量がモル比で、1.33≦Li/La≦3、かつ、0≦Mg/La≦0.5 を満たす。
(b)元素Aを含み、各元素の含有量がモル比で、1.33≦Li/(La+A)≦3、かつ、0≦A/(La+A)≦0.67 を満たす。
(c)Mgおよび元素Aを含み、各元素の含有量がモル比で、1.33≦Li/(La+A)≦3、0≦Mg/(La+A)≦0.5、かつ0≦A/(La+A)≦0.67 を満たす。
(d)Mgおよび元素Aを含み、各元素の含有量がモル比で、2.0≦Li/(La+A)≦2.5、0.01≦Mg/(La+A)≦0.14、かつ0.04≦A/(La+A)≦0.17 を満たす。
In other words, the LLZ-based lithium ion conductive powder preferably satisfies any of the following (a) to (c), and more preferably (c) among these, (d). It can be said that it is more preferable to satisfy.
(A) It contains Mg, and the content of each element satisfies 1.33 ≦ Li / La ≦ 3 and 0 ≦ Mg / La ≦ 0.5 in terms of molar ratio.
(B) It contains element A, and the content of each element satisfies 1.33 ≦ Li / (La + A) ≦ 3 and 0 ≦ A / (La + A) ≦ 0.67 in terms of molar ratio.
(C) Contains Mg and element A, and the content of each element is 1.33 ≤ Li / (La + A) ≤ 3, 0 ≤ Mg / (La + A) ≤ 0.5, and 0 ≤ A / ( La + A) ≤0.67 is satisfied.
(D) Contains Mg and element A, and the content of each element is 2.0 ≤ Li / (La + A) ≤ 2.5, 0.01 ≤ Mg / (La + A) ≤ 0.14, and 0 in molar ratio. .04 ≦ A / (La + A) ≦ 0.17 is satisfied.

LLZ系リチウムイオン伝導性粉末は、上記(a)を満たすとき、すなわち、Li、La、ZrおよびMgを、モル比で上記式(1)および(2)を満たすように含むとき、良好なリチウムイオン伝導率を示す。そのメカニズムは明らかではないが、例えば、LLZ系リチウムイオン伝導性粉末がMgを含有すると、Liのイオン半径とMgのイオン半径とは近いので、LLZ結晶相においてLiが配置されているLiサイトにMgが配置されやすく、LiがMgに置換されることで、LiとMgとの電荷の違いにより結晶構造内のLiサイトに空孔が生じてLiイオンが動きやすくなり、その結果、リチウムイオン伝導率が向上すると考えられる。LLZ系リチウムイオン伝導性粉末において、Laと元素Aとの和に対するLiのモル比が1.33未満または3を超えると、ガーネット型結晶構造を有するリチウムイオン伝導性粉末だけでなく、別の金属酸化物が形成されやすくなる。別の金属酸化物の含有量が大きくなるほど相対的にガーネット型結晶構造を有するリチウムイオン伝導性粉末の含有量が小さくなり、また別の金属酸化物のリチウムイオン伝導率は低いので、リチウムイオン伝導率が低下する。LLZ系リチウムイオン伝導性粉末におけるMgの含有量が多くなるほどLiサイトにMgが配置され、Liサイトに空孔が生じ、リチウムイオン伝導率が向上するが、Laと元素Aとの和に対するMgのモル比が0.5を超えると、Mgを含有する別の金属酸化物が形成されやすくなる。このMgを含有する別の金属酸化物の含有量が大きくなるほど相対的にガーネット型結晶構造を有するリチウムイオン伝導性粉末の含有量が小さくなる。Mgを含有する別の金属酸化物のリチウムイオン伝導率は低いので、Laと元素Aとの和に対するMgのモル比が0.5を超えると、リチウムイオン伝導率が低下する。 The LLZ-based lithium ion conductive powder is good lithium when the above (a) is satisfied, that is, when Li, La, Zr and Mg are contained so as to satisfy the above formulas (1) and (2) in molar ratio. Shows ionic conductivity. The mechanism is not clear, but for example, when the LLZ-based lithium ion conductive powder contains Mg, the ionic radius of Li and the ionic radius of Mg are close to each other, so that the Li site where Li is arranged in the LLZ crystal phase Mg is easily arranged, and Li is replaced with Mg, so that the difference in charge between Li and Mg causes vacancies in the Li site in the crystal structure, which makes it easier for Li ions to move, and as a result, lithium ion conduction. It is thought that the rate will improve. In the LLZ-based lithium ion conductive powder, when the molar ratio of Li to the sum of La and element A is less than 1.33 or more than 3, not only the lithium ion conductive powder having a garnet-type crystal structure but also another metal Oxides are likely to be formed. As the content of another metal oxide increases, the content of the lithium ion conductive powder having a garnet-type crystal structure becomes relatively small, and the lithium ion conductivity of another metal oxide is low, so that lithium ion conduction The rate drops. As the content of Mg in the LLZ-based lithium ion conductive powder increases, Mg is arranged at the Li site, pores are formed at the Li site, and the lithium ion conductivity is improved, but the Mg with respect to the sum of La and the element A When the molar ratio exceeds 0.5, another metal oxide containing Mg is likely to be formed. As the content of the other metal oxide containing Mg increases, the content of the lithium ion conductive powder having a garnet-type crystal structure becomes relatively small. Since the lithium ion conductivity of another metal oxide containing Mg is low, if the molar ratio of Mg to the sum of La and the element A exceeds 0.5, the lithium ion conductivity decreases.

LLZ系リチウムイオン伝導性粉末は、上記(b)を満たすとき、すなわち、Li、La、Zrおよび元素Aを、モル比で上記式(1)および(3)を満たすように含むとき、良好なリチウムイオン伝導率を示す。そのメカニズムは明らかではないが、例えば、LLZ系リチウムイオン伝導性粉末が元素Aを含有すると、Laのイオン半径と元素Aのイオン半径とが近いので、LLZ結晶相においてLaが配置されているLaサイトに元素Aが配置されやすく、Laが元素Aに置換されることで、格子ひずみが生じ、かつLaと元素Aとの電荷の違いにより自由なLiイオンが増加し、リチウムイオン伝導率が向上すると考えられる。LLZ系リチウムイオン伝導性粉末において、Laと元素Aとの和に対するLiのモル比が1.33未満または3を超えると、ガーネット型結晶構造を有するリチウムイオン伝導性粉末だけでなく、別の金属酸化物が形成されやすくなる。別の金属酸化物の含有量が大きくなるほど相対的にガーネット型結晶構造を有するリチウムイオン伝導性粉末の含有量が小さくなり、また別の金属酸化物のリチウムイオン伝導率は低いので、リチウムイオン伝導率が低下する。LLZ系リチウムイオン伝導性粉末における元素Aの含有量が多くなるほどLaサイトに元素Aが配置され、格子ひずみが大きくなり、かつLaと元素Aとの電荷の違いにより自由なLiイオンが増加し、リチウムイオン伝導率が向上するが、Laと元素Aとの和に対する元素Aのモル比が0.67を超えると、元素Aを含有する別の金属酸化物が形成されやすくなる。この元素Aを含有する別の金属酸化物の含有量が大きくなるほど相対的にガーネット型結晶構造を有するリチウムイオン伝導性粉末の含有量が小さくなり、また元素Aを含有する別の金属酸化物のリチウムイオン伝導率は低いので、リチウムイオン伝導率が低下する。 The LLZ-based lithium ion conductive powder is good when the above (b) is satisfied, that is, when Li, La, Zr and the element A are contained so as to satisfy the above formulas (1) and (3) in molar ratio. Shows lithium ion conductivity. The mechanism is not clear, but for example, when the LLZ-based lithium ion conductive powder contains the element A, the ionic radius of La and the ionic radius of the element A are close to each other, so that La is arranged in the LLZ crystal phase. Element A is easily placed at the site, and La is replaced with element A, which causes lattice strain, and the difference in charge between La and element A increases free Li ions, improving lithium ionic conductivity. It is thought that. In the LLZ-based lithium ion conductive powder, when the molar ratio of Li to the sum of La and element A is less than 1.33 or more than 3, not only the lithium ion conductive powder having a garnet-type crystal structure but also another metal Oxides are likely to be formed. As the content of another metal oxide increases, the content of the lithium ion conductive powder having a garnet-type crystal structure becomes relatively small, and the lithium ion conductivity of another metal oxide is low, so that lithium ion conduction The rate drops. As the content of element A in the LLZ-based lithium ion conductive powder increases, element A is arranged at the La site, the lattice strain increases, and free Li ions increase due to the difference in charge between La and element A. Lithium ion conductivity is improved, but when the molar ratio of element A to the sum of La and element A exceeds 0.67, another metal oxide containing element A is likely to be formed. The larger the content of another metal oxide containing the element A, the smaller the content of the lithium ion conductive powder having a garnet-type crystal structure, and the larger the content of the other metal oxide containing the element A. Since the lithium ion conductivity is low, the lithium ion conductivity is lowered.

上記元素Aは、Ca、SrおよびBaからなる群より選択される少なくとも1種類の元素である。Ca、SrおよびBaは、周期律表における第2族元素であり、2価の陽イオンになりやすく、いずれもイオン半径が近いという共通の性質を有する。Ca、SrおよびBaは、いずれもLaとイオン半径が近いので、LLZ系リチウムイオン伝導性粉末におけるLaサイトに配置されているLaと置換されやすい。LLZ系リチウムイオン伝導性粉末が、これらの元素Aの中でもSrを含有することが、焼結により容易に形成されることができ、高いリチウムイオン伝導率が得られる点で好ましい。 The element A is at least one element selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba. Ca, Sr and Ba are Group 2 elements in the periodic table and tend to be divalent cations, all of which have a common property of having close ionic radii. Since Ca, Sr and Ba all have an ionic radius close to that of La, they are easily replaced with La arranged at the La site in the LLZ-based lithium ion conductive powder. It is preferable that the LLZ-based lithium ion conductive powder contains Sr among these elements A because it can be easily formed by sintering and a high lithium ion conductivity can be obtained.

LLZ系リチウムイオン伝導性粉末は、上記(c)を満たすとき、すなわち、Li、La、Zr、Mgおよび元素Aを、モル比で上記式(1)〜(3)を満たすように含むとき、焼結により容易に形成されることができ、リチウムイオン伝導率がより一層向上する。また、LLZ系リチウムイオン伝導性粉末が、上記(d)を満たすとき、すなわち、Li、La、Zr、Mgおよび元素Aを、モル比で上記式(1´)〜(3´)を満たすように含むとき、リチウムイオン伝導率がより一層向上する。そのメカニズムは明らかではないが、例えば、LLZ系リチウムイオン伝導性粉末におけるLiサイトのLiがMgに置換され、また、LaサイトのLaが元素Aに置換されることで、Liサイトに空孔が生じ、かつ自由なLiイオンが増加し、リチウムイオン伝導率がより一層良好になると考えられる。さらに、LLZ系リチウムイオン伝導性粉末が、Li、La、Zr、MgおよびSrを上記式(1)〜(3)を満たすように、特に上記式(1´)〜(3´)を満たすように含むことが、高いリチウムイオン伝導率が得られ、また、高い相対密度を有するリチウムイオン伝導体が得られる点から好ましい。 When the LLZ-based lithium ion conductive powder satisfies the above (c), that is, when it contains Li, La, Zr, Mg and element A in a molar ratio so as to satisfy the above formulas (1) to (3). It can be easily formed by sintering, and the lithium ion conductivity is further improved. Further, when the LLZ-based lithium ion conductive powder satisfies the above (d), that is, Li, La, Zr, Mg and the element A satisfy the above formulas (1') to (3') in molar ratio. When included in, the lithium ion conductivity is further improved. The mechanism is not clear, but for example, Li at the Li site in the LLZ-based lithium ion conductive powder is replaced with Mg, and La at the La site is replaced with the element A, so that holes are formed in the Li site. It is considered that the generated and free Li ions increase, and the lithium ion conductivity becomes even better. Further, the LLZ-based lithium ion conductive powder so that Li, La, Zr, Mg and Sr satisfy the above formulas (1) to (3), particularly satisfy the above formulas (1') to (3'). It is preferable to include in the above from the viewpoint that high lithium ion conductivity can be obtained and a lithium ion conductor having a high relative density can be obtained.

なお、上記(a)〜(d)のいずれの場合においても、LLZ系リチウムイオン伝導性粉末は、Zrを、モル比で以下の式(4)を満たすように含むことが好ましい。Zrを該範囲で含有することにより、ガーネット型結晶構造を有するリチウムイオン伝導性粉末が得られやすくなる。
(4)0.33≦Zr/(La+A)≦1
In any of the above cases (a) to (d), the LLZ-based lithium ion conductive powder preferably contains Zr in a molar ratio so as to satisfy the following formula (4). By containing Zr in this range, a lithium ion conductive powder having a garnet-type crystal structure can be easily obtained.
(4) 0.33 ≤ Zr / (La + A) ≤ 1

B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
B. Modification example:
The technique disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be transformed into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are also possible.

上記実施形態における全固体電池102の構成は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、上記実施形態では、リチウムイオン伝導体が、固体電解質層112と正極114と負極116とのすべてに含まれているが、該リチウムイオン伝導体が、固体電解質層112と正極114と負極116との少なくとも1つに含まれているとしてもよい。 The configuration of the all-solid-state battery 102 in the above embodiment is merely an example and can be changed in various ways. For example, in the above embodiment, the lithium ion conductor is contained in all of the solid electrolyte layer 112, the positive electrode 114, and the negative electrode 116, and the lithium ion conductor is the solid electrolyte layer 112, the positive electrode 114, and the negative electrode 116. It may be included in at least one of.

また、本明細書に開示される技術は、全固体電池102を構成する固体電解質層や電極に限られず、他の蓄電デバイス(例えば、リチウム空気電池やリチウムフロー電池、固体キャパシタ等)を構成する固体電解質層や電極にも同様に適用可能である。 Further, the technique disclosed in the present specification is not limited to the solid electrolyte layer and electrodes constituting the all-solid-state battery 102, and constitutes other power storage devices (for example, lithium air battery, lithium flow battery, solid capacitor, etc.). It is also applicable to solid electrolyte layers and electrodes.

102:全固体リチウムイオン二次電池 110:電池本体 112:固体電解質層 114:正極 116:負極 154:正極側集電部材 156:負極側集電部材 202:リチウムイオン伝導体 204:リチウムイオン伝導体 206:リチウムイオン伝導体 214:正極活物質 216:負極活物質 102: All-solid-state lithium-ion secondary battery 110: Battery body 112: Solid electrolyte layer 114: Positive electrode 116: Negative electrode 154: Positive electrode side current collector 156: Negative electrode side current collector 202: Lithium ion conductor 204: Lithium ion conductor 206: Lithium ion conductor 214: Positive electrode active material 216: Negative electrode active material

Claims (3)

LiとLaとZrとOとを少なくとも含有するガーネット型構造を有するリチウムイオン伝導性粉末を含むリチウムイオン伝導体において、さらに、
リチウムイオン伝導性を有するイオン液体を含み、
X線光電子分光法(XPS)により各元素の原子濃度を特定したとき、前記イオン液体に含有される元素(ただし、O元素およびC元素を除く)の内の前記リチウムイオン伝導性粉末に含有されない元素である特定元素と、Li元素とLa元素とZr元素とのそれぞれの原子濃度の合計C1に対する、前記特定元素のそれぞれの原子濃度の合計C2の割合R1(=C2/C1)が、0.25以上、0.90以下である、
ことを特徴とするリチウムイオン伝導体。
In a lithium ion conductor containing a lithium ion conductive powder having a garnet-type structure containing at least Li, La, Zr, and O, further
Contains ionic liquids with lithium-ion conductivity,
When the atomic concentration of each element is specified by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), it is not contained in the lithium ion conductive powder among the elements contained in the ionic liquid (excluding the O element and the C element). The ratio R1 (= C2 / C1) of the total atomic concentration of each of the specific elements to the total C1 of the atomic concentrations of the specific element, the Li element, the La element, and the Zr element is 0. 25 or more, 0.90 or less,
A lithium ion conductor characterized by that.
請求項1に記載のリチウムイオン伝導体において、
前記リチウムイオン伝導性粉末の粒径(D90)は、10μm以下である、
ことを特徴とするリチウムイオン伝導体。
In the lithium ion conductor according to claim 1,
The particle size (D90) of the lithium ion conductive powder is 10 μm or less.
A lithium ion conductor characterized by that.
固体電解質層と、正極と、負極と、を備える蓄電デバイスにおいて、
前記固体電解質層と、前記正極と、前記負極との少なくとも1つは、請求項1または請求項2に記載のリチウムイオン伝導体を含む、
ことを特徴とする蓄電デバイス。
In a power storage device including a solid electrolyte layer, a positive electrode, and a negative electrode,
At least one of the solid electrolyte layer, the positive electrode, and the negative electrode includes the lithium ion conductor according to claim 1 or 2.
A power storage device characterized by this.
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