JP2022030244A - Sulfide solid electrolyte, electricity storage element and method for producing sulfide solid electrolyte - Google Patents

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Abstract

To provide a sulfide solid electrolyte that is excellent in ionic conductivity, an electricity storage element that contains a sulfide solid electrolyte excellent in ionic conductivity, and a method for producing a sulfide solid electrolyte excellent in ionic conductivity.SOLUTION: The sulfide solid electrolyte contains lithium, sulfur, phosphorus and chlorine, has a crystalline structure that has diffraction peaks at 2θ=17.8°±0.5°, 19.1°±0.5°, 21.7°±0.5°, 23.8°±0.5°, and 30.85°±0.5° in X-ray diffraction measurement using CuKα ray, and in which the valence of the phosphorus is 5, and the sulfide solid electrolyte has virtually no crystalline phase of β-Li3 PS4.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、硫化物固体電解質、蓄電素子及び硫化物固体電解質の製造方法に関する。 The present invention relates to a sulfide solid electrolyte, a power storage element, and a method for producing a sulfide solid electrolyte.

リチウムイオン二次電池は、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。上記リチウムイオン二次電池は、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、リチウムイオン二次電池以外の蓄電素子として、リチウムイオンキャパシタ等のキャパシタも広く普及している。 Lithium-ion secondary batteries are widely used in personal computers, electronic devices such as communication terminals, automobiles, and the like because of their high energy density. The lithium ion secondary battery generally has a pair of electrodes electrically separated by a separator and a non-aqueous electrolyte interposed between the electrodes, and transfers lithium ions between the two electrodes. It is configured to charge and discharge. Further, as a power storage element other than a lithium ion secondary battery, a capacitor such as a lithium ion capacitor is also widely used.

近年、非水電解質二次電池の安全性の向上を目的として、非水電解質として有機溶媒等の液体の電解質に代えて硫化物固体電解質等を使用する全固体電池が提案されている(特許文献1参照)。 In recent years, for the purpose of improving the safety of a non-aqueous electrolyte secondary battery, an all-solid-state battery has been proposed in which a sulfide solid electrolyte or the like is used as the non-aqueous electrolyte instead of a liquid electrolyte such as an organic solvent (Patent Documents). 1).

特開2000-340257号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-340257

ハイブリッド電気自動車(以下、「HEV」ともいう。)やハイブリッド式の産業機械(重機、建機等)に用いられる蓄電素子においては、さらにイオン伝導性を向上させた硫化物固体電解質材料が望まれている。 Sulfide solid electrolyte materials with further improved ion conductivity are desired for energy storage elements used in hybrid electric vehicles (hereinafter, also referred to as "HEV") and hybrid industrial machines (heavy machinery, construction machinery, etc.). ing.

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、イオン伝導性に優れる硫化物固体電解質、イオン伝導度に優れる硫化物固体電解質を含有する蓄電素子、及びイオン伝導度に優れる硫化物固体電解質の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made based on the above circumstances, and is a sulfide solid electrolyte having excellent ionic conductivity, a storage element containing a sulfide solid electrolyte having excellent ionic conductivity, and sulfide having excellent ionic conductivity. It is an object of the present invention to provide a method for producing a solid electrolyte.

本発明の一側面は、リチウム、硫黄、リン及び塩素を含み、CuKα線を用いるX線回折測定において2θ=17.8°±0.5°、19.1°±0.5°、21.7°±0.5°、23.8°±0.5°、及び30.85°±0.5°に回折ピークを有する結晶構造を有し、上記リンの価数が5価であり、β-LiPSの結晶相を実質的に有さない硫化物固体電解質である。 One aspect of the present invention contains lithium, sulfur, phosphorus and chlorine, and 2θ = 17.8 ° ± 0.5 °, 19.1 ° ± 0.5 °, 21. It has a crystal structure with diffraction peaks at 7 ° ± 0.5 °, 23.8 ° ± 0.5 °, and 30.85 ° ± 0.5 °, and the valence of the phosphorus is pentavalent. It is a sulfide solid electrolyte having substantially no crystalline phase of β-Li 3 PS 4 .

本発明の他の一側面は、本発明の一側面に係る硫化物固体電解質を含有する蓄電素子である。 Another aspect of the present invention is a power storage element containing a sulfide solid electrolyte according to one aspect of the present invention.

本発明の他の一側面は、リチウム、硫黄、リン及び塩素を含み、上記リンの価数が5価である硫化物ガラスを熱処理することを備え、上記熱処理の温度が上記硫化物ガラスの結晶化温度よりも低く、上記結晶化温度と上記熱処理の温度との差が20℃以上45℃以下である硫化物固体電解質の製造方法である。 Another aspect of the present invention comprises heat-treating a sulfide glass containing lithium, sulfur, phosphorus and chlorine and having a pentavalent phosphorus valence, wherein the heat treatment temperature is the crystals of the sulfide glass. This is a method for producing a sulfide solid electrolyte, which is lower than the crystallization temperature and the difference between the crystallization temperature and the heat treatment temperature is 20 ° C. or higher and 45 ° C. or lower.

本発明の一側面に係る硫化物固体電解質によれば、イオン伝導性に優れる硫化物固体電解質、イオン伝導度に優れる硫化物固体電解質を含有する蓄電素子、及びイオン伝導度に優れる硫化物固体電解質の製造方法を提供することができる。 According to the sulfide solid electrolyte according to one aspect of the present invention, a sulfide solid electrolyte having excellent ionic conductivity, a power storage element containing a sulfide solid electrolyte having excellent ionic conductivity, and a sulfide solid electrolyte having excellent ionic conductivity. Production method can be provided.

図1は、本発明の蓄電素子の一実施形態である全固体電池の模式的断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an all-solid-state battery according to an embodiment of the power storage element of the present invention. 図2は、本発明の一実施形態に係る蓄電素子を複数個集合して構成した蓄電装置を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic view showing a power storage device configured by assembling a plurality of power storage elements according to an embodiment of the present invention. 図3は、実施例2から実施例4及び比較例2から比較例4の各固体電解質におけるX線回折図である。FIG. 3 is an X-ray diffraction pattern of each solid electrolyte of Example 2 to Example 4 and Comparative Example 2 to Comparative Example 4. 図4は、実施例1、実施例3、実施例5から実施例7、比較例1及び比較例5の各固体電解質におけるX線回折図である。FIG. 4 is an X-ray diffraction pattern of each solid electrolyte of Example 1, Example 3, Example 5 to Example 7, Comparative Example 1 and Comparative Example 5. 図5は、実施例3、比較例6及び参考例の各固体電解質におけるX線回折図である。FIG. 5 is an X-ray diffraction pattern of each solid electrolyte of Example 3, Comparative Example 6 and Reference Example.

本発明の一側面に係る硫化物固体電解質は、リチウム、硫黄、リン及び塩素を含み、CuKα線を用いるX線回折測定において2θ=17.8°±0.5°、19.1°±0.5°、21.7°±0.5°、23.8°±0.5°、及び30.85°±0.5°に回折ピークを有する結晶構造を有し、上記リンの価数が5価であり、β-LiPSの結晶相を実質的に有さない。 The sulfide solid electrolyte according to one aspect of the present invention contains lithium, sulfur, phosphorus and chlorine, and 2θ = 17.8 ° ± 0.5 °, 19.1 ° ± 0 in X-ray diffraction measurement using CuKα ray. It has a crystal structure with diffraction peaks at .5 °, 21.7 ° ± 0.5 °, 23.8 ° ± 0.5 °, and 30.85 ° ± 0.5 °, and the valence of the above phosphorus. Is pentavalent and has substantially no crystalline phase of β-Li 3 PS 4 .

本発明者らは、蓄電素子の電池性能の向上を図る上で、ハロゲン原子の中では塩素が、臭素やヨウ素に比べて、電気化学的安定性に優れている点に着目した。そして、塩素を含有するLiS-P-LiCl系ガラスセラミック固体電解質が、イオン伝導性が低い結晶構造を有さず、特定の結晶構造を有することで、イオン伝導性に優れる硫化物固体電解質が得られるのではないかと考え、本発明に至った。
当該硫化物固体電解質は、リチウム、硫黄、価数が5価のリン及び塩素を含み、イオン伝導性が低いβ-LiPSの結晶相を実質的に有さず、イオン伝導性が高い結晶相であると考えられるCuKα線を用いるX線回折測定において2θ=17.8°±0.5°、19.1°±0.5°、21.7°±0.5°、23.8°±0.5°、及び30.85°±0.5°に回折ピークを有する結晶構造を有することで、イオン伝導性に優れる。
なお、本発明において、「β-LiPSの結晶相を実質的に有さず」とは、上記結晶相を構造中に全く含有していない場合の他、X線回折測定において検出限界以下となるような含有割合が低い場合も含まれる。なお、上記「X線回折測定において検出限界以下となる場合」には、X線回折測定において検出限界以下となるが、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)による観察においてβ-LiPSの結晶相が検出される場合も含まれる。
The present inventors have focused on the fact that chlorine among halogen atoms is superior in electrochemical stability to bromine and iodine in order to improve the battery performance of the power storage element. The chlorine-containing Li 2 SP 2 S 5 -LiCl-based glass-ceramic solid electrolyte does not have a crystal structure with low ionic conductivity, but has a specific crystal structure, so that sulfide having excellent ionic conductivity is obtained. We thought that a solid electrolyte could be obtained, and came up with the present invention.
The sulfide solid electrolyte contains lithium, sulfur, pentavalent phosphorus and chlorine, has substantially no crystal phase of β - Li 3 PS4 having low ionic conductivity, and has high ionic conductivity. In X-ray diffraction measurement using CuKα ray considered to be a crystalline phase, 2θ = 17.8 ° ± 0.5 °, 19.1 ° ± 0.5 °, 21.7 ° ± 0.5 °, 23. Having a crystal structure having diffraction peaks at 8 ° ± 0.5 ° and 30.85 ° ± 0.5 ° is excellent in ionic conductivity.
In the present invention, "substantially free of the crystal phase of β-Li 3 PS 4 " means that the above crystal phase is not contained in the structure at all, and the detection limit in the X-ray diffraction measurement. The following cases are also included when the content ratio is low. In the above-mentioned "when it is below the detection limit in the X-ray diffraction measurement", it is below the detection limit in the X-ray diffraction measurement, but it is β - Li 3PS in the observation with a transmission electron microscope (TEM). The case where the crystal phase of 4 is detected is also included.

当該硫化物固体電解質が、一般式(100-z)(yLiS・(1-y)P)・zLiCl・αM(但し、0.74≦y≦0.78、5≦z≦55、0≦α≦30である。MはLi、P、S、Cl以外の一種又は二種以上の元素を表す。)で表される組成を有することが好ましい。当該硫化物固体電解質が、上記一般式で表される組成を有することで、イオン伝導性をより高めることができる。 The sulfide solid electrolyte has the general formula (100-z) (yLi 2 S · (1-y) P 2 S 5 ) · zLiCl · αM (provided, 0.74 ≦ y ≦ 0.78, 5 ≦ z ≦. 55, 0 ≦ α ≦ 30. M preferably has a composition represented by one or more elements other than Li, P, S and Cl). When the sulfide solid electrolyte has a composition represented by the above general formula, the ionic conductivity can be further enhanced.

当該硫化物固体電解質の25℃におけるイオン伝導度が6.0×10-4S/cm以上であることが好ましい。当該硫化物固体電解質の25℃におけるイオン伝導度が上記値以上であることで、当該硫化物固体電解質を含有する蓄電素子の高率充放電性能などの充放電性能を向上できる。 The ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte at 25 ° C. is preferably 6.0 × 10 -4 S / cm or more. When the ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte at 25 ° C. is equal to or higher than the above value, the charge / discharge performance such as the high rate charge / discharge performance of the power storage element containing the sulfide solid electrolyte can be improved.

本発明の他の一側面に係る蓄電素子は、当該硫化物固体電解質を含有する。 The power storage device according to another aspect of the present invention contains the sulfide solid electrolyte.

本発明の他の一側面に係る蓄電素子は当該硫化物固体電解質を含有するので、イオン伝導性に優れ、高率充放電性能などの充放電性能を向上できる。 Since the power storage element according to another aspect of the present invention contains the sulfide solid electrolyte, it is excellent in ion conductivity and can improve charge / discharge performance such as high rate charge / discharge performance.

本発明の他の一側面に係る硫化物固体電解質の製造方法は、リチウム、硫黄、リン及び塩素を含み、上記リンの価数が5価である硫化物ガラスを熱処理することを備え、上記熱処理の温度が上記硫化物ガラスの結晶化温度よりも低く、上記結晶化温度と上記熱処理の温度との差が20℃以上45℃以下である。 The method for producing a sulfide solid electrolyte according to another aspect of the present invention comprises heat-treating a sulfide glass containing lithium, sulfur, phosphorus and chlorine and having a valence of the phosphorus pentavalent. The temperature is lower than the crystallization temperature of the sulfide glass, and the difference between the crystallization temperature and the heat treatment temperature is 20 ° C. or higher and 45 ° C. or lower.

LiS-P-LiCl系ガラスを加熱すると、イオン伝導度の高い結晶相である結晶相の析出に伴い、イオン伝導度の低い相であるβ-LiPSの結晶相も析出する傾向がある。本発明者らは、一定の条件下でLiS-P-LiCl系ガラスを加熱することで、イオン伝導度の低い相であるβ-LiPSの結晶相の析出が抑制され、イオン伝導性が高い結晶相が析出する組成範囲を拡大できることを知見した。当該硫化物固体電解質の製造方法は、上記組成の硫化物ガラスを熱処理することを備え、上記熱処理の温度が上記硫化物ガラスの結晶化温度よりも低く、上記結晶化温度と上記熱処理の温度との差が20℃以上45℃以下であることで、イオン伝導性が低いβ-LiPSの結晶相を実質的に有さず、イオン伝導性が高い結晶相を有する硫化物固体電解質を製造できる。従って、当該製造方法は、イオン伝導性に優れる硫化物固体電解質を製造できる。 When the Li 2 SP 2 S 5 -LiCl-based glass is heated, the crystal phase of β-Li 3 PS 4 , which is a phase with low ionic conductivity, is also deposited along with the precipitation of the crystal phase, which is a crystal phase with high ionic conductivity. Tends to precipitate. By heating the Li 2 SP 2 S 5 -LiCl glass under certain conditions, the present inventors suppress the precipitation of the crystalline phase of β-Li 3 PS 4 , which is a phase having low ionic conductivity. It was found that the composition range in which a crystal phase with high ionic conductivity is deposited can be expanded. The method for producing the sulfide solid electrolyte comprises heat-treating the sulfide glass having the above composition, the temperature of the heat treatment is lower than the crystallization temperature of the sulfide glass, and the crystallization temperature and the heat treatment temperature are used. When the difference between the two is 20 ° C. or higher and 45 ° C. or lower, a sulfide solid electrolyte having a crystal phase having high ionic conductivity and having substantially no crystal phase of β-Li 3 PS 4 having low ionic conductivity can be obtained. Can be manufactured. Therefore, the production method can produce a sulfide solid electrolyte having excellent ionic conductivity.

なお、当該硫化物固体電解質の製造方法に用いられる原材料であるLiS-P-LiCl系ガラスにおいては、リン(P)の価数が+5価である。そのため、上記組成の硫化物ガラスにおいては、LiS-P系ガラスと同様に、PS 3-ユニットが主骨格であると考えられる。この硫化物ガラスを硫化物ガラスの結晶化温度より高温下で熱処理した場合、同じくPS 3-ユニットから構成されるβ-LiPS相に相転移しやすいと推測される。一方、原材料に0価や+3価等、価数が+5価以外のリンを用いて作製した硫化物ガラスは、PS 3-ユニットに加えて、P 4-ユニットが生成することが知られている(Solid State Ionics 262(2014)733-737、特開2018-174130号公報等)。この硫化物ガラスを熱処理した場合は、高温下の条件であってもβ-LiPS相に相転移しにくくなり、その他の結晶相に変化すると推測される。従って、硫化物ガラスの結晶化温度より高温下で熱処理したときにβ-LiPS相が生成するという現象は、硫化物固体電解質の原材料である硫化物ガラスに含まれるリンの価数が実質的に+5価のみである場合に、顕著なものであると推測される。 In the Li 2 SP 2 S 5 -LiCl glass, which is a raw material used in the method for producing the sulfide solid electrolyte, the valence of phosphorus (P) is +5. Therefore, in the sulfide glass having the above composition, it is considered that the PS 43 - unit is the main skeleton as in the Li 2 SP 2 S 5 series glass. When this sulfide glass is heat-treated at a temperature higher than the crystallization temperature of the sulfide glass, it is presumed that the phase transition is likely to occur in the β -Li 3 PS 4 phase , which is also composed of PS 43 -units. On the other hand, sulfide glass produced by using phosphorus having a valence other than +5-valent, such as 0-valent or +3-valent as a raw material, can be produced by P2 S64 -units in addition to PS4 3 - units . It is known (Solid State Inics 262 (2014) 733-737, JP-A-2018-174130, etc.). When this sulfide glass is heat-treated, it is presumed that the phase transition to the β-Li 3PS 4 phase is less likely to occur even under high temperature conditions, and the phase changes to other crystalline phases. Therefore, the phenomenon that β-Li 3 PS 4 phase is generated when heat-treated at a temperature higher than the crystallization temperature of sulfide glass is that the valence of phosphorus contained in sulfide glass, which is the raw material of sulfide solid electrolyte, is high. It is presumed to be remarkable when it has substantially only +5 valence.

上記硫化物ガラスが一般式(100-z)(yLiS・(1-y)P)・zLiCl・αM(但し、0.74≦y≦0.78、5≦z≦55、0≦α≦30である。MはLi、P、S、Cl以外の一種又は二種以上の元素を表す。)で表される組成を有することが好ましい。上記硫化物ガラスが上記一般式で表される組成を有することで、イオン伝導性がより高い硫化物固体電解質を製造できる。 The sulfide glass has a general formula (yLi 2 S · (1-y) P 2 S 5 ) · zLiCl · αM (provided that 0.74 ≦ y ≦ 0.78, 5 ≦ z ≦ 55, 0 ≦ α ≦ 30. M preferably has a composition represented by one or more elements other than Li, P, S, and Cl). When the sulfide glass has a composition represented by the above general formula, a sulfide solid electrolyte having higher ionic conductivity can be produced.

以下、本発明に係る硫化物固体電解質及び全固体電池の実施形態について詳説する。 Hereinafter, embodiments of the sulfide solid electrolyte and the all-solid-state battery according to the present invention will be described in detail.

<硫化物固体電解質>
本発明の一態様に係る硫化物固体電解質は、リチウム、硫黄、リン及び塩素を含み、CuKα線を用いるX線回折測定において2θ=17.8°±0.5°、19.1°±0.5°、21.7°±0.5°、23.8°±0.5°、及び30.85°±0.5°に回折ピークを有する結晶構造(以下、結晶相Aともいう。)を有し、上記リンの価数が5価であり、β-LiPSの結晶相を実質的に有さない硫化物固体電解質である。当該硫化物固体電解質は、優れたイオン伝導性を必要とする任意の用途に用いることができる。中でも、当該硫化物固体電解質は、リチウム蓄電素子に用いられることが好ましい。
<Sulfide solid electrolyte>
The sulfide solid electrolyte according to one aspect of the present invention contains lithium, sulfur, phosphorus and chlorine, and 2θ = 17.8 ° ± 0.5 °, 19.1 ° ± 0 in X-ray diffraction measurement using CuKα ray. A crystal structure having diffraction peaks at .5 °, 21.7 ° ± 0.5 °, 23.8 ° ± 0.5 °, and 30.85 ° ± 0.5 ° (hereinafter, also referred to as crystal phase A). ), The phosphorus has a valence of pentavalent, and is a sulfide solid electrolyte having substantially no crystal phase of β-Li 3 PS 4 . The sulfide solid electrolyte can be used in any application that requires excellent ionic conductivity. Above all, the sulfide solid electrolyte is preferably used for a lithium power storage element.

当該硫化物固体電解質は、リチウム、硫黄、リン及び塩素を含み、結晶構造を有する。また、上記リンの価数が5価である。ここで、「結晶構造を有する」とは、X線回折測定において、X線回折パターンに上記硫化物固体電解質の結晶構造由来のピークが観測されることを意味する。結晶構造を有する硫化物固体電解質は、例えば、非晶質状態の硫化物ガラス固体電解質を、熱処理等により結晶化して得ることができる。 The sulfide solid electrolyte contains lithium, sulfur, phosphorus and chlorine and has a crystal structure. Further, the valence of phosphorus is pentavalent. Here, "having a crystal structure" means that a peak derived from the crystal structure of the sulfide solid electrolyte is observed in the X-ray diffraction pattern in the X-ray diffraction measurement. The sulfide solid electrolyte having a crystal structure can be obtained, for example, by crystallizing an amorphous sulfide glass solid electrolyte by heat treatment or the like.

当該硫化物固体電解質は、イオン伝導性が低いβ-LiPSの結晶相を実質的に有さず、イオン伝導性が高い結晶相であると考えられるCuKα線を用いるX線回折測定において2θ=17.8°±0.5°、19.1°±0.5°、21.7°±0.5°、23.8°±0.5°、及び30.85°±0.5°に回折ピークを有する結晶構造を有することで、イオン伝導性に優れる。 The sulfide solid electrolyte does not substantially have a crystal phase of β - Li 3 PS4 having low ionic conductivity, and is considered to be a crystal phase having high ionic conductivity in X-ray diffraction measurement using CuKα rays. 2θ = 17.8 ° ± 0.5 °, 19.1 ° ± 0.5 °, 21.7 ° ± 0.5 °, 23.8 ° ± 0.5 °, and 30.85 ° ± 0. Having a crystal structure having a diffraction peak at 5 ° is excellent in ionic conductivity.

上記第一の結晶構造における上記回折ピークは、上記2θの範囲の、さらに±0.3°の範囲内にあってもよく、±0.1°の範囲内にあってもよい。 The diffraction peak in the first crystal structure may be in the range of 2θ, further in the range of ± 0.3 °, or in the range of ± 0.1 °.

なお、上記β-LiPSの結晶相は、Electrochemistry Communications 5(2003)111―114に報告されている結晶相と同様であり、上記CuKα線を用いるX線回折測定において2θ=17.5°±0.5°、18.6°±0.5°、29.1°±0.5°、29.9°±0.5°、31.2°±0.5°の位置に回折ピークを有する。
従って、当該硫化物固体電解質は、CuKα線を用いたX線回折図においてβ-LiPSの結晶相に同定される回折ピークを有さない。
The crystal phase of β-Li 3 PS 4 is the same as the crystal phase reported in Electrochemistry Communications 5 (2003) 111-114, and 2θ = 17.5 in the X-ray diffraction measurement using the CuKα ray. Diffracted at positions of ° ± 0.5 °, 18.6 ° ± 0.5 °, 29.1 ° ± 0.5 °, 29.9 ° ± 0.5 °, 31.2 ° ± 0.5 ° Has a peak.
Therefore, the sulfide solid electrolyte does not have the diffraction peak identified in the crystal phase of β-Li 3 PS 4 in the X-ray diffraction diagram using CuKα ray.

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。 The X-ray diffraction measurement using the CuKα ray is performed by the following procedure. The airtight sample holder for X-ray diffraction measurement is filled with the solid electrolyte powder to be measured under an argon atmosphere having a dew point of −50 ° C. or lower. Powder X-ray diffraction measurement is performed using an X-ray diffractometer (“MiniFlex II” manufactured by Rigaku). The radiation source is CuKα ray, the tube voltage is 30 kV, the tube current is 15 mA, and the diffracted X-ray is 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 divergent slit width is 0.625 °, the light receiving slit width is 13 mm (OPEN), and the scattering slit width is 8 mm.

当該硫化物固体電解質としては、上記硫化物ガラスが一般式(100-z)(yLiS・(1-y)P)・zLiCl・αM(但し、0.74≦y≦0.78、5≦z≦55、0≦α≦30である。MはLi、P、S、Cl以外の一種又は二種以上の元素を表す。)で表される組成を有することが好ましい。当該硫化物固体電解質が、上記一般式で表される組成を有することで、イオン伝導性をより高めることができる。 As the sulfide solid electrolyte, the sulfide glass is of the general formula (100-z) (yLi 2 S · (1-y) P 2 S 5 ) · zLiCl · αM (where 0.74 ≦ y ≦ 0. 78, 5 ≦ z ≦ 55, 0 ≦ α ≦ 30. M preferably has a composition represented by one or more elements other than Li, P, S, and Cl). When the sulfide solid electrolyte has a composition represented by the above general formula, the ionic conductivity can be further enhanced.

上記一般式におけるzの下限としては、10が好ましく、12がより好ましく、15がさらに好ましい。上記zの上限としては、50が好ましく、40がより好ましく、30がさらに好ましい。上記一般式におけるzが上記範囲であることで、25℃におけるイオン伝導度をより高めることができる。 As the lower limit of z in the above general formula, 10 is preferable, 12 is more preferable, and 15 is further preferable. As the upper limit of z, 50 is preferable, 40 is more preferable, and 30 is further preferable. When z in the above general formula is in the above range, the ionic conductivity at 25 ° C. can be further increased.

上記一般式におけるyの下限としては、0.75が好ましい。上記yの上限としては、0.77が好ましい。当該硫化物固体電解質におけるLiS及びPの含有割合が上記範囲であることで、高いイオン伝導度を有する。 The lower limit of y in the above general formula is preferably 0.75. The upper limit of y is preferably 0.77. When the content ratio of Li 2 S and P 2 S 5 in the sulfide solid electrolyte is in the above range, it has high ionic conductivity.

上記一般式におけるαとしては、0が好ましい。上記一般式においてα=0であることで、イオン伝導度をより向上できる。 As α in the above general formula, 0 is preferable. When α = 0 in the above general formula, the ionic conductivity can be further improved.

上記一般式における元素Mとしては、周期表第13族~第17族の第2周期~第5周期のいずれかに属する元素が挙げられる。これらの中でも、N、O、F、Br及びIが好ましい。上記一般式における元素Mが周期表における上記範囲のいずれかに属する元素であることで、耐水性、耐還元性、イオン伝導性等の性能を高めることができる。 Examples of the element M in the above general formula include elements belonging to any of the second to fifth periods of the 13th to 17th groups of the periodic table. Among these, N, O, F, Br and I are preferable. When the element M in the above general formula is an element belonging to any of the above ranges in the periodic table, the performance such as water resistance, reduction resistance, and ion conductivity can be improved.

当該硫化物固体電解質の25℃におけるイオン伝導度の下限としては、6.0×10-4S/cmが好ましく、8.0×10-4S/cmがより好ましく、9.0×10-4S/cmがさらに好ましく、1.0×10-3S/cmが特に好ましい。当該硫化物固体電解質の25℃におけるイオン伝導度が上記値以上であることで、蓄電素子の高率充放電性能などの充放電性能を向上できる。 The lower limit of the ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte at 25 ° C. is preferably 6.0 × 10 -4 S / cm, more preferably 8.0 × 10 -4 S / cm, and 9.0 × 10 . 4 S / cm is more preferable, and 1.0 × 10 -3 S / cm is particularly preferable. When the ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte at 25 ° C. is equal to or higher than the above value, the charge / discharge performance such as the high rate charge / discharge performance of the power storage element can be improved.

なお、当該硫化物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、油圧プレスを用いて50MPa以下で一軸加圧成形する。圧力解放後に、試料の上面に集電体としてSUS316L粉末を120mg投入したのちに、再度油圧プレスを用いて50MPa以下で一軸加圧成形する。次に、試料の下面に集電体としてSUS316L粉末を120mg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、所定温度下で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から100mHz、測定温度25℃とする。 The ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte is determined by measuring the AC impedance by the following method. In an argon atmosphere with a dew point of −50 ° C. or lower, 120 mg of sample powder is put into a powder molding machine having an inner diameter of 10 mm, and then uniaxial pressure molding is performed at 50 MPa or less using a hydraulic press. After the pressure is released, 120 mg of SUS316L powder is charged onto the upper surface of the sample as a current collector, and then uniaxial pressure molding is performed again using a hydraulic press at 50 MPa or less. Next, 120 mg of SUS316L powder as a current collector is charged on the lower surface of the sample, and then 360 MPa, 5 min uniaxial pressure molding is performed to obtain pellets for ion conductivity measurement. The pellet for measuring ionic conductivity is inserted into an HS cell manufactured by Hosen Co., Ltd., and AC impedance is measured under a predetermined temperature. The measurement conditions are an applied voltage amplitude of 20 mV, a frequency range of 1 MHz to 100 MHz, and a measurement temperature of 25 ° C.

塩素の含有量に対するリチウムの含有量の比(Li/Cl)としては、モル比で16.0未満1.5以上が好ましい。塩素の含有量に対するリチウムの含有量の比(Li/Cl)を上記範囲とすることで、イオン伝導度の高い結晶相が析出しやすくなり、イオン伝導性が高まる傾向にある。 The ratio of the lithium content (Li / Cl) to the chlorine content is preferably less than 16.0 and 1.5 or more in terms of molar ratio. By setting the ratio of the lithium content (Li / Cl) to the chlorine content in the above range, a crystal phase having high ionic conductivity tends to be easily precipitated, and the ionic conductivity tends to be enhanced.

塩素の含有量に対する硫黄の含有量の比(S/Cl)としては、モル比で19.0未満2.0以上が好ましい。塩素の含有量に対するリチウムの含有量の比(Li/Cl)を上記範囲とすることで、イオン伝導度の高い結晶相が析出しやすくなり、イオン伝導性が高まる傾向にある。 The ratio (S / Cl) of the sulfur content to the chlorine content is preferably less than 19.0 and 2.0 or more in terms of molar ratio. By setting the ratio of the lithium content (Li / Cl) to the chlorine content in the above range, a crystal phase having high ionic conductivity tends to be easily precipitated, and the ionic conductivity tends to be enhanced.

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。 The shape of the solid electrolyte is not particularly limited, and is usually granular, lumpy, or the like.

当該硫化物固体電解質によれば、イオン伝導性に優れる。当該硫化物固体電解質は、リチウムイオン二次電池等の蓄電素子、特に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、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。 According to the sulfide solid electrolyte, the ionic conductivity is excellent. The sulfide solid electrolyte can be suitably used as an electrolyte for a power storage element such as a lithium ion secondary battery, particularly a lithium ion power storage element. Above all, it can be particularly preferably used as an electrolyte for 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 power storage element.

<蓄電素子>
本発明の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に示す蓄電素子10は、全固体電池であり、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に示す蓄電素子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。
<Power storage element>
Hereinafter, as an embodiment of the power storage element of the present invention, an all-solid-state battery will be described as a specific example. The power storage element 10 shown in FIG. 1 is an all-solid-state battery, and is a secondary battery in which a positive electrode layer 1 and a negative electrode layer 2 are arranged via an isolation layer 3. The positive electrode layer 1 has a positive electrode base material 4 and a positive electrode active material layer 5, and the positive electrode base material 4 is the outermost layer of the positive electrode layer 1. The negative electrode layer 2 has a negative electrode base material 7 and a negative electrode active material layer 6, and the negative electrode base material 7 is the outermost layer of the negative electrode layer 2. In the power storage element 10 shown in FIG. 1, the negative electrode active material layer 6, the isolation layer 3, the positive electrode active material layer 5, and the positive electrode base material 4 are laminated in this order on the negative electrode base material 7.

蓄電素子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硫化物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。蓄電素子10は、イオン伝導性に優れる当該硫化物固体電解質を含有するので、イオン伝導性に優れ、高率充放電性能などの充放電性能を向上できる。 The power storage element 10 contains a sulfide solid electrolyte according to an embodiment of the present invention in at least one of the positive electrode layer 1, the negative electrode layer 2, and the isolation layer 3. More specifically, at least one of the positive electrode active material layer 5, the negative electrode active material layer 6 and the isolation layer 3 contains the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention. Since the power storage element 10 contains the sulfide solid electrolyte having excellent ionic conductivity, it is excellent in ionic conductivity and can improve charge / discharge performance such as high rate charge / discharge performance.

蓄電素子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、当該硫化物固体電解質以外の硫化物固体電解質、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、硫化物固体電解質が好ましい。また、蓄電素子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 power storage element 10 may also use a solid electrolyte other than the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention. Examples of other solid electrolytes include sulfide solid electrolytes other than the sulfide solid electrolyte, oxide-based solid electrolytes, dry polymer electrolytes, gel polymer electrolytes, pseudo-solid electrolytes, and the like, and sulfide solid electrolytes are preferable. Further, a plurality of different types of solid electrolytes may be contained in one layer of the power storage element 10, and different solid electrolytes may be contained in each layer.

硫化物固体電解質としては、例えばLiS-P、LiS-P-LiI、LiS-P-LiCl、LiS-P-LiBr、LiS-P-LiO、LiS-P-LiO-LiI、LiS-P-LiN、LiS-SiS、LiS-SiS-LiI、LiS-SiS-LiBr、LiS-SiS-LiCl、LiS-SiS-B-LiI、LiS-SiS-P-LiI、LiS-B、LiS-P-Z2n(ただし、m、nは正の数、Zは、Ge、Zn、Gaのいずれかである。)、LiS-GeS、LiS-SiS-LiPO、LiS-SiS-LiMO(但し、x、yは正の数、Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれかである。)、Li10GeP12等を挙げることができる。 Examples of the sulfide solid electrolyte include Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -LiI, Li 2 SP 2 S 5 -LiCl, Li 2 SP 2 S 5 -LiBr, and the like. Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-Li I, 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 SB 2 S 3 , Li 2 SP 2 S 5 -Z m S 2n (where m and n are positive numbers and Z is any of 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 (where x, y are positive numbers, M is P, Si, It is any of Ge, B, Al, Ga, In), 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 electrode 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 may 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10Ω・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10Ω・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4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4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 base material)
The positive electrode base material 4 has conductivity. Having "conductive" means that the volume resistivity measured according to JIS-H-0505 (1975) is 107 Ω · cm or less, and "non-conductive" means. It means that the volume resistivity is more than 107 Ω · cm. As the material of the positive electrode base material 4, a metal such as aluminum, titanium, tantalum, indium, stainless steel or an alloy thereof or an alloy thereof is used. Among these, aluminum or an aluminum alloy is preferable from the viewpoint of potential resistance, high conductivity, and cost. Examples of the positive electrode base material 4 include a foil and a vapor-deposited film, and the foil is preferable from the viewpoint of cost. Therefore, aluminum foil or aluminum alloy foil is preferable as the positive electrode base material 4. Examples of aluminum or aluminum alloy include A1085P and A3003P specified in JIS-H-4000 (2014).

正極基材4の平均厚さは、3μm以上50μm以下が好ましく、5μm以上40μm以下がより好ましく、8μm以上30μm以下がさらに好ましく、10μm以上25μm以下が特に好ましい。正極基材4の平均厚さを上記の範囲とすることで、正極基材4の強度を高めつつ、蓄電素子10の体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。正極基材4及び後述する負極基材7の「平均厚さ」とは、所定の面積の基材の質量を、基材の真密度及び面積で除した値をいう。 The average thickness of the positive electrode substrate 4 is preferably 3 μm or more and 50 μm or less, more preferably 5 μm or more and 40 μm or less, further preferably 8 μm or more and 30 μm or less, and particularly preferably 10 μm or more and 25 μm or less. By setting the average thickness of the positive electrode base material 4 in the above range, it is possible to increase the strength of the positive electrode base material 4 and the energy density per volume of the power storage element 10. The "average thickness" of the positive electrode base material 4 and the negative electrode base material 7 described later means a value obtained by dividing the mass of the base material having a predetermined area by the true density and area of the base material.

中間層は、正極基材4と正極活物質層5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4と正極活物質層5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 arranged between the positive electrode base material 4 and the positive electrode active material layer 5. The intermediate layer contains conductive particles such as carbon particles to reduce the contact resistance between the positive electrode base material 4 and the positive electrode active material layer 5. The composition 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、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。
(Positive electrode 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 a composite containing a positive electrode active material and a solid electrolyte. The positive electrode active material layer 5 may contain an optional component such as a conductive agent, a binder, a thickener, and a filler, if necessary. One or more 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-NaFeO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複合酸化物、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-NaFeO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[LiNi1-x]O(0≦x<0.5)、Li[LiNiγCo(1-x-γ)]O(0≦x<0.5、0<γ<1)、Li[LiNiγMnβCo(1-x-γ-β)]O(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複合酸化物として、LiMn、LiNiγMn(2-γ)等が挙げられる。ポリアニオン化合物として、LiFePO、LiMnPO、LiNiPO、LiCoPO、Li(PO、LiMnSiO、LiCoPOF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 for lithium ion secondary batteries and all-solid-state batteries. As the positive electrode active material, a material capable of occluding and releasing lithium ions is usually used. For example, a lithium transition metal composite oxide having an α-NaFeO type 2 crystal structure, a lithium transition metal composite oxide having a spinel type crystal structure, a polyanion compound, a chalcogen compound, sulfur and the like can be mentioned. Examples of the lithium transition metal composite oxide having an α-NaFeO type 2 crystal structure include Li [Li x Ni 1-x ] O 2 (0 ≦ x <0.5) and 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) and the like. Examples of the lithium transition metal composite oxide having a spinel-type crystal structure include Li x Mn 2 O 4 and Li x Ni γ Mn (2-γ) O 4 . Examples of the polyanionic 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 the chalcogen compound include titanium disulfide, molybdenum disulfide, molybdenum dioxide and the like. The atoms or polyanions in these materials may be partially substituted with atoms or anion species consisting of other elements. The surface of the positive electrode active material may be coated with an oxide such as lithium niobate, lithium titanate, or lithium phosphate. In the positive electrode active material layer, one kind of these positive electrode active materials may be used alone, or 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5の電子伝導性が向上する。ここで、「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てレーザ回折・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%となる値を意味する。 The average particle size of the positive electrode active material is preferably 0.1 μm or more and 20 μm or less, for example. By setting the average particle size 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 the above upper limit or less, the electron conductivity of the positive electrode active material layer 5 is improved. Here, the "average particle size" is based on JIS-Z-8825 (2013), and is based on the particle size distribution measured by the laser diffraction / scattering method for a diluted solution obtained by diluting the particles with a solvent. -It means a value in which the volume-based integrated distribution calculated in accordance with Z-8819-2 (2001) is 50%.

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 particles in a predetermined shape. Examples of the crushing 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. At the time of pulverization, wet pulverization in which water or an organic solvent such as hexane coexists can also be used. As a classification method, a sieve, a wind power classifier, or the like is used as needed for both dry and wet types.

正極活物質層5における正極活物質の含有量としては、10質量%以上95質量%以下が好ましく、30質量%以上、さらには50質量%以上がより好ましい。正極活物質の含有量を上記範囲とすることで、蓄電素子10の電気容量をより大きくすることができる。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer 5 is preferably 10% by mass or more and 95% by mass or less, more preferably 30% by mass or more, and further preferably 50% by mass or more. By setting the content of the positive electrode active material in the above range, the electric capacity of the power storage element 10 can be further increased.

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としては、10質量%以上90質量%以下が好ましく、20質量%以上70質量%以下がより好ましく、50質量%以下がさらに好ましい場合もある。固体電解質の含有量を上記範囲とすることで、当該蓄電素子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対す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 content of the solid electrolyte is preferably 10% by mass or more and 90% by mass or less, more preferably 20% by mass or more and 70% by mass or less, and further preferably 50% by mass or less. It may be preferable. By setting the content of the solid electrolyte in the above range, the electric capacity of the power storage element can be increased. When the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention is used for the positive electrode active material layer 5, the content of the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention in the positive electrode active material layer 5 is 50% by mass. The above is preferable, 70% by mass or more is more preferable, 90% by mass or more is further preferable, and substantially 100% by mass is further 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法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物理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 produced by mixing the positive electrode active material, the solid electrolyte and the like by a mechanical milling method or the like. For example, a mixture of a positive electrode active material and a solid electrolyte or the like can be obtained by mixing a particulate positive electrode active material, a particulate solid electrolyte or the like. The composite of the positive electrode active material and the solid electrolyte includes a composite having a chemical or physical bond between the positive electrode active material and the solid electrolyte, and a physically complex of the positive electrode active material and the solid electrolyte. Examples thereof include a complex and the like. In the above composite, a positive electrode active material, a solid electrolyte, and the like are present in one particle, and for example, a positive electrode active material, a solid electrolyte, and the like forming an aggregated state, and a surface of the positive electrode active material. Examples thereof include those having a film containing a solid electrolyte or the like formed at least in a part thereof.

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、炭素質材料、金属、導電性セラミックス等が挙げられる。炭素質材料としては、黒鉛化炭素、非黒鉛化炭素、グラフェン系炭素等が挙げられる。非黒鉛化炭素としては、カーボンナノファイバー、ピッチ系炭素繊維、カーボンブラック等が挙げられる。カーボンブラックとしては、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等が挙げられる。グラフェン系炭素としては、グラフェン、カーボンナノチューブ(CNT)、フラーレン等が挙げられる。導電剤の形状としては、粉状、繊維状等が挙げられる。導電剤としては、これらの材料の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。また、これらの材料を複合化して用いてもよい。例えば、カーボンブラックとCNTとを複合化した材料を用いてもよい。これらの中でも、電子伝導性及び塗工性の観点よりカーボンブラックが好ましく、中でもアセチレンブラックが好ましい。 The conductive agent is not particularly limited as long as it is a conductive material. Examples of such a conductive agent include carbonaceous materials, metals, conductive ceramics and the like. Examples of the carbonaceous material include graphitized carbon, non-graphitized carbon, graphene-based carbon and the like. Examples of the non-graphitized carbon include carbon nanofibers, pitch-based carbon fibers, and carbon black. Examples of carbon black include furnace black, acetylene black, and ketjen black. Examples of graphene-based carbons include graphene, carbon nanotubes (CNTs), fullerenes and the like. Examples of the shape of the conductive agent include powder and fibrous. As the conductive agent, one of these materials may be used alone, or two or more of them may be mixed and used. Further, these materials may be combined and used. For example, a material in which carbon black and CNT are combined may be used. Among these, carbon black is preferable from the viewpoint of electron conductivity and coatability, and acetylene black is particularly preferable.

正極活物質層5における導電剤の含有量は、1質量%以上10質量%以下が好ましく、3質量%以上9質量%以下がより好ましい。導電剤の含有量を上記範囲とすることで、蓄電素子10の電気容量を高めることができる。 The content of the conductive agent in the positive electrode active material layer 5 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. By setting the content of the conductive agent in the above range, the electric capacity of the power storage element 10 can be increased.

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 fluororesins (polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc.), thermoplastic resins such as polyethylene, polypropylene, and polyimide; ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), sulfonated EPDM, and the like. Elastomers such as styrene-butadiene rubber (SBR) and fluororubber; polysaccharide polymers and the like can be mentioned.

正極活物質層5におけるバインダーの含有量は1質量%以上10質量%が好ましく、3質量%以上9質量%以下がより好ましい。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。 The content of the binder in the positive electrode active material layer 5 is preferably 1% by mass or more and 10% by mass, and more preferably 3% by mass or more and 9% by mass or less. By setting the content of the binder in the above range, the active substance can be stably retained.

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, this 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、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、二酸化チタン、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、アルミノケイ酸塩等の無機酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウム等の水酸化物、炭酸カルシウム等の炭酸塩、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、硫酸バリウム等の難溶性のイオン結晶、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物、タルク、モンモリロナイト、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、セリサイト、ベントナイト、マイカ等の鉱物資源由来物質又はこれらの人造物等が挙げられる。 The filler is not particularly limited. Fillers include polyolefins such as polypropylene and polyethylene, silicon dioxide, aluminum oxide, titanium dioxide, calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, magnesium oxide, inorganic oxides such as aluminosilicate, magnesium hydroxide, calcium hydroxide, and water. Hydroxides such as aluminum oxide, carbonates such as calcium carbonate, sparingly soluble ion crystals such as calcium fluoride, barium fluoride, barium sulfate, nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride, talc, montmorillonite, boehmite and zeolite. , Apatite, Kaolin, Murite, Spinel, Olivin, Sericite, Bentonite, Mica and other mineral resource-derived substances or man-made products thereof.

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、Sn、Sr、Ba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 is a typical non-metal element such as B, N, P, F, Cl, Br, I, Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Zn, Ga, Ge, Sn, Sr, Ba. Typical metal elements such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Zr, Nb, W and other transition metal elements are used as positive electrode active materials, conductive agents, binders, thickeners, etc. It may be contained as a component other than the filler.

正極活物質層5の平均厚さとしては、30μm以上1,000μm以下が好ましく、60μm以上500μm以下がより好ましい。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蓄電素子10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、蓄電素子10の小型化を図ることなどができる。正極活物質層5の平均厚さは、任意の5ヶ所で測定した厚さの平均値とする。後述する負極活物質層6及び隔離層3の平均厚さも同様である。 The average thickness of the positive electrode active material layer 5 is preferably 30 μm or more and 1,000 μm or less, and more preferably 60 μm or more and 500 μm or less. By setting the average thickness of the positive electrode active material layer 5 to be equal to or greater than the above lower limit, a power storage element 10 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 power storage element 10 can be downsized. The average thickness of the positive electrode active material layer 5 is the average value of the thickness measured at any five locations. The same applies to the average thickness of the negative electrode active material layer 6 and the isolation layer 3, which will be described later.

[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、例えば正極層1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 directly on the negative electrode base material 7 or via an intermediate layer. The configuration of the intermediate layer is not particularly limited, and for example, it can be selected from the configurations exemplified in the positive electrode layer 1.

(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 base material)
The negative electrode base material 7 has conductivity. As the material of the negative electrode base material 7, a metal such as copper, nickel, stainless steel, nickel-plated steel, aluminum, or an alloy thereof is used. Among these, copper or a copper alloy is preferable. Examples of the negative electrode base material include a foil and a vapor-deposited film, and the foil is preferable from the viewpoint of cost. Therefore, a copper foil or a copper alloy foil is preferable as the negative electrode base material. Examples of the copper foil include rolled copper foil, electrolytic copper foil and the like.

負極基材7の平均厚さは、2μm以上35μm以下が好ましく、3μm以上30μm以下がより好ましく、4μm以上25μm以下がさらに好ましく、5μm以上20μm以下が特に好ましい。負極基材7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7の平均厚さを上記上限以下とすることで、蓄電素子10の体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。 The average thickness of the negative electrode base material 7 is preferably 2 μm or more and 35 μm or less, more preferably 3 μm or more and 30 μm or less, further preferably 4 μm or more and 25 μm or less, and particularly preferably 5 μm or more and 20 μm or less. By setting the average thickness of the negative electrode base material 7 to be equal to or greater than the above lower limit, the strength of the negative electrode base material 7 can be increased. By setting the average thickness of the negative electrode base material 7 to be equal to or less than the above upper limit, the energy density per volume of the power storage element 10 can be increased.

(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6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5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6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 a 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 the negative electrode active material layer 6 are the same as those of the above-mentioned optional components in the positive electrode active material layer 5. One or more of each of these optional components may not be substantially contained in the negative electrode active material layer 6.

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、Sn、Sr、Ba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 is a typical non-metal element such as B, N, P, F, Cl, Br, I, Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Zn, Ga, Ge, Sn, Sr, Ba. Typical metal elements such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Zr, Ta, Hf, Nb, W and other transition metal elements are used as negative electrode active materials, conductive agents, binders, etc. It may be contained as a component other than a thickener and a filler.

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;LiTi12、LiTiO2、TiNb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6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 for lithium ion secondary batteries and all-solid-state batteries. As the negative electrode active material, a material capable of occluding and releasing lithium ions is usually used. Examples of the negative electrode active material include metal Li; metal or semi-metal such as Si and Sn; metal oxide or semi-metal oxide such as Si oxide, Ti oxide and Sn oxide; Li 4 Ti 5 O 12 ; Titanium-containing oxides such as LiTIO 2 and TiNb 2O 7 ; polyphosphate compounds; silicon carbide; carbon materials such as graphite (graphite) and non-graphitric carbon (easy graphitable carbon or non-graphitizable carbon) can be mentioned. Be done. Among these materials, graphite and non-graphitic carbon are preferable. In the negative electrode active material layer 6, 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 X-ray diffraction before charging / discharging or in a discharged state of 0.33 nm or more and less than 0.34 nm. 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 the (002) plane determined by X-ray diffraction before charging / discharging or in a discharged state of 0.34 nm or more and 0.42 nm or less. say. Examples of non-graphitizable carbon include non-graphitizable carbon and easily graphitizable carbon. Examples of the non-graphitic carbon include a resin-derived material, a petroleum pitch-derived material, an alcohol-derived material, 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 "discharged state" means a state in which the open circuit voltage is 0.7 V or more in a unipolar battery using a negative electrode containing a carbon material as a negative electrode active material as a working electrode and a metal Li as a counter electrode. Since the potential of the metal Li counter electrode in the open circuit state is substantially equal to the redox potential of Li, the open circuit voltage in the single pole battery is substantially equal to the potential of the negative electrode containing the carbon material with respect to the redox potential of Li. .. That is, the fact that the open circuit voltage in the single-pole battery is 0.7 V or more means that the carbon material, which is the negative electrode active material, sufficiently releases lithium ions that can be occluded and discharged by 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。 The “non-graphitizable carbon” refers to a carbon material having d 002 of 0.36 nm or more and 0.42 nm or less.

「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。 The “graphitizable carbon” refers to a carbon material having d 002 of 0.34 nm or more and less than 0.36 nm.

負極活物質は、通常、粒子(粉体)である。負極活物質の平均粒径は、例えば、1nm以上100μm以下とすることができる。負極活物質が例えば炭素材料である場合、その平均粒径は1μm以上100μm以下が好ましい場合がある。負極活物質が、金属、半金属、金属酸化物、半金属酸化物、チタン含有酸化物、ポリリン酸化合物等である場合、その平均粒径は、1nm以上1μm以下が好ましい場合がある。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。粉体を所定の粒径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、正極層1で例示した方法から選択できる。 The negative electrode active material is usually particles (powder). The average particle size of the negative electrode active material can be, for example, 1 nm or more and 100 μm or less. When the negative electrode active material is, for example, a carbon material, the average particle size thereof may be preferably 1 μm or more and 100 μm or less. When the negative electrode active material is a metal, a semi-metal, a metal oxide, a semi-metal oxide, a titanium-containing oxide, a polyphosphate compound or the like, the average particle size thereof may be preferably 1 nm or more and 1 μm or less. By setting the average particle size of the negative electrode active material to be equal to or higher than the above lower limit, 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 the above upper limit or less, the electron conductivity of the active material layer is improved. A crusher, a classifier, or the like is used to obtain a powder having a predetermined particle size. The pulverization method and the powder grade method can be selected from, for example, the methods exemplified in the positive electrode layer 1.

負極活物質層6における負極活物質の含有量としては、10質量%以上95質量%以下が好ましく、30質量%以上、さらには50質量%以上がより好ましい。負極活物質の含有量を上記範囲とすることで、蓄電素子10の電気容量をより大きくすることができる。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer 6 is preferably 10% by mass or more and 95% by mass or less, more preferably 30% by mass or more, and further preferably 50% by mass or more. By setting the content of the negative electrode active material in the above range, the electric capacity of the power storage element 10 can be further increased.

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としては、10質量%以上90質量%以下が好ましく、20質量%以上70質量%以下がより好ましく、50質量%以下がさらに好ましい場合もある。固体電解質の含有量を上記範囲とすることで、当該蓄電素子10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対す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 content of the solid electrolyte is preferably 10% by mass or more and 90% by mass or less, more preferably 20% by mass or more and 70% by mass or less, and further preferably 50% by mass or less. It may be preferable. By setting the content of the solid electrolyte in the above range, the electric capacity of the power storage element 10 can be increased. When the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention is used for the negative electrode active material layer 6, the content of the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention in the negative electrode active material layer 6 is 50% by mass. The above is preferable, 70% by mass or more is more preferable, 90% by mass or more is further preferable, and substantially 100% by mass is further 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-mentioned 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の平均厚さとしては、30μm以上1,000μm以下が好ましく、60μm以上500μm以下がより好ましい。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蓄電素子10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、蓄電素子10の小型化を図ることなどができる。 The average thickness of the negative electrode active material layer 6 is preferably 30 μm or more and 1,000 μm or less, and more preferably 60 μm or more and 500 μm or less. By setting the average thickness of the negative electrode active material layer 6 to be equal to or greater than the above lower limit, a power storage element 10 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 power storage element 10 can be downsized.

[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、正極活物質層5で例示した各種固体電解質を用いることができ、中でも、硫化物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 exemplified in the positive electrode active material layer 5 can be used in addition to the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention described above, and among them, a sulfide solid. It is preferable to use an electrolyte. 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. be. 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 isolation layer 3 is 50% by mass or more. Is more preferable, 70% by mass or more is more preferable, 90% by mass or more is further preferable, and substantially 100% by mass is further preferable.

隔離層3には、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、正極活物質層5で例示した材料から選択できる。 The isolation layer 3 may contain optional components such as a binder, a thickener, and a filler. Optional components such as a binder, a thickener, and a filler can be selected from the materials exemplified in the positive electrode active material layer 5.

隔離層3の平均厚さとしては、1μm以上50μm以下が好ましく、3μm以上20μm以下がより好ましい。隔離層3の平均厚さを上記下限以上とすることで、正極層1と負極層2とを確実性高く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、蓄電素子10のエネルギー密度を高めることが可能となる。 The average thickness of the isolation layer 3 is preferably 1 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 3 μm or more and 20 μm or less. By setting the average thickness of the isolation layer 3 to be equal to or greater than the above lower limit, it is possible to insulate the positive electrode layer 1 and the negative electrode layer 2 with high certainty. By setting the average thickness of the isolation layer 3 to be equal to or less than the above upper limit, it is possible to increase the energy density of the power storage element 10.

本実施形態の蓄電素子は、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等の自動車用電源、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器用電源、又は電力貯蔵用電源等に、複数の蓄電素子を集合して構成した蓄電ユニット(バッテリーモジュール)として搭載することができる。この場合、蓄電ユニットに含まれる少なくとも一つの蓄電素子に対して、本発明の一実施形態に係る技術が適用されていればよい。 The power storage element of the present embodiment is a power source for automobiles such as an electric vehicle (EV), a hybrid vehicle (HEV), and a plug-in hybrid vehicle (PHEV), a power source for electronic devices such as a personal computer and a communication terminal, or a power source for power storage. For example, it can be mounted as a power storage unit (battery module) composed of a plurality of power storage elements assembled together. In this case, the technique according to the embodiment of the present invention may be applied to at least one power storage element included in the power storage unit.

図2に、電気的に接続された二以上の蓄電素子10が集合した蓄電ユニット20をさらに集合した蓄電装置30の一例を示す。蓄電装置30は、二以上の蓄電素子10を電気的に接続するバスバ(図示せず)、二以上の蓄電ユニット20を電気的に接続するバスバ(図示せず)等を備えていてもよい。蓄電ユニット20又は蓄電装置30は、一以上の蓄電素子の状態を監視する状態監視装置(図示せず)を備えていてもよい。 FIG. 2 shows an example of a power storage device 30 in which a power storage unit 20 in which two or more electrically connected power storage elements 10 are assembled is further assembled. The power storage device 30 may include a bus bar (not shown) for electrically connecting two or more power storage elements 10, a bus bar (not shown) for electrically connecting two or more power storage units 20 and the like. The power storage unit 20 or the power storage device 30 may include a state monitoring device (not shown) for monitoring the state of one or more power storage elements.

<硫化物固体電解質の製造方法>
本発明の一実施形態に係る硫化物固体電解質の製造方法は、リチウム、硫黄、リン及び塩素を含み、上記リンの価数が5価である硫化物ガラスを熱処理すること(熱処理工程)を備える。当該硫化物固体電解質の製造方法は、上記熱処理することの前に、さらにその他の工程として、例えばリチウム、リン、硫黄及び塩素を含有する組成物を準備すること(準備工程)と、上記組成物を反応させて、リチウム、硫黄、リン及び塩素を含み、上記リンの価数が5価である硫化物ガラスを作製すること(硫化物ガラス作製工程)とを備えることが好ましい。
<Manufacturing method of sulfide solid electrolyte>
The method for producing a sulfide solid electrolyte according to an embodiment of the present invention comprises heat-treating a sulfide glass containing lithium, sulfur, phosphorus and chlorine and having a valence of phosphorus pentavalent (heat treatment step). .. In the method for producing the sulfide solid electrolyte, a composition containing, for example, lithium, phosphorus, sulfur and chlorine is prepared as another step before the heat treatment (preparation step), and the composition is prepared. It is preferable to provide a sulfide glass containing lithium, sulfur, phosphorus and chlorine and having a valence of phosphorus pentavalent (sulfide glass production step).

(準備工程)
本工程では、リチウム、リン、硫黄及び塩素を含有する組成物が準備される。上記組成物は、通常、リチウム、リン、硫黄及び塩素のうちの少なくとも1種の元素を含む2種以上の化合物等の混合物である。上記組成物(混合物)中に、リチウム、リン、硫黄及び塩素の各元素が含まれていればよい。1種の化合物の中にリチウム、リン、硫黄及び塩素のうちの2種以上の元素が含まれていてもよい。例えばリチウム及び硫黄を含む化合物として後述するLiSが挙げられ、リン及び硫黄を含む化合物として後述するPが挙げられ、リチウム及び塩素を含む化合物として後述するLiClが挙げられる。
(Preparation process)
In this step, a composition containing lithium, phosphorus, sulfur and chlorine is prepared. The composition is usually a mixture of two or more compounds containing at least one element of lithium, phosphorus, sulfur and chlorine. The composition (mixture) may contain each element of lithium, phosphorus, sulfur and chlorine. One compound may contain two or more elements of lithium, phosphorus, sulfur and chlorine. For example, Li 2 S described later can be mentioned as a compound containing lithium and sulfur, P 2 S 5 described later can be mentioned as a compound containing phosphorus and sulfur, and Li Cl described later can be mentioned as a compound containing lithium and chlorine.

リチウムを含む化合物等としては、例えばLiS、金属リチウム等が挙げられる。その他、後述するLiCl等であってもよい。これらの中でも、LiSが好ましい。リチウムを含む化合物等は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。 Examples of the lithium-containing compound and the like include Li 2S , metallic lithium and the like. In addition, LiCl or the like described later may be used. Among these, Li 2S is preferable. As the compound containing lithium, one kind may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used.

リンを含む化合物等としては、例えばP等が挙げられる。リンを含む化合物等は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。 Examples of the phosphorus - containing compound and the like include P2 S5 and the like. As the compound containing phosphorus, one kind may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used.

硫黄を含む化合物等としては、例えばLiS、P5、単体硫黄等が挙げられる。これらの中でも、LiS及びPが好ましい。硫黄を含む化合物等は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。 Examples of the sulfur-containing compound include Li 2 S, P 2 S 5, and elemental sulfur. Among these, Li 2 S and P 2 S 5 are preferable. As the compound containing sulfur, one kind may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used.

塩素を含む化合物としては、例えばLiClが挙げられる。塩素を含む化合物等は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。 Examples of the chlorine-containing compound include LiCl. As the compound containing chlorine, one kind may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used.

例えば一実施形態として、上記組成物は、LiSとPとLiClとの混合物が好ましい。 For example, as one embodiment, the composition is preferably a mixture of Li 2 S, P 2 S 5 and Li Cl.

上記組成物における各元素(リチウム、リン、硫黄及び塩素)の具体的含有量及び好適含有量は、上述した本発明の一実施形態に係る硫化物固体電解質における各元素(リチウム、リン、硫黄及び塩素)の具体的含有量及び好適含有量と同様である。 The specific content and suitable content of each element (lithium, phosphorus, sulfur and chlorine) in the above composition are the respective elements (lithium, phosphorus, sulfur and chlorine) in the sulfide solid electrolyte according to the embodiment of the present invention described above. It is the same as the specific content and the preferable content of chlorine).

(硫化物ガラス作製工程)
本工程では、例えば、以下の手順により、リチウム、硫黄、リン及び塩素を含み、上記リンの価数が5価である硫化物ガラスを作製する。本工程では、リチウム、リン、硫黄及び塩素を含有する組成物に対して、例えばメカニカルミリング法による処理を行うことで上記組成物を反応させ、硫化物ガラスを得る。上記硫化物ガラスとしては、一般式(100-z)(yLiS・(1-y)P)・zLiCl・αM(但し、0.74≦y≦0.78、5≦z≦55、0≦α≦30である。MはLi、P、S、Cl以外の一種又は二種以上の元素を表す。)で表される組成を有することで、イオン伝導性がより高い硫化物固体電解質を製造できる。なお、上記一般式におけるy、z及びαの好ましい範囲は上述の通りである。また、硫化物ガラスを得る手段はこれに限定されず、他の方法で得てもよい。例えば、メカニカルミリング法に代えて、溶融急冷法等をおこなってもよい。「硫化物ガラス」とは、アモルファス構造を含む硫化物固体電解質を意味する。
(Sulfide glass manufacturing process)
In this step, for example, a sulfide glass containing lithium, sulfur, phosphorus and chlorine and having a pentavalent phosphorus valence is produced by the following procedure. In this step, the composition containing lithium, phosphorus, sulfur and chlorine is treated with, for example, a mechanical milling method to react the composition to obtain sulfide glass. The sulfide glass includes the general formula (100-z) (yLi 2 S · (1-y) P 2 S 5 ) · zLiCl · αM (provided that 0.74 ≦ y ≦ 0.78, 5 ≦ z ≦. 55, 0 ≦ α ≦ 30. M represents one or more elements other than Li, P, S, Cl), and thus has a sulfide having higher ionic conductivity. Solid electrolytes can be produced. The preferred ranges of y, z and α in the above general formula are as described above. Further, the means for obtaining the sulfide glass is not limited to this, and other methods may be used for obtaining the sulfide glass. For example, instead of the mechanical milling method, a melt quenching method or the like may be performed. "Sulfide glass" means a sulfide solid electrolyte containing an amorphous structure.

メカニカルミリング法による処理は、乾式及び湿式のいずれであってもよいが、原料の化合物をより均一に混合できるため、湿式であることが好ましい。メカニカルミリング法による処理を行う装置としては、例えば容器駆動型ミル、媒体撹拌ミル、高速回転粉砕機、ローラーミル、ジェットミル等が挙げられる。容器駆動型ミルとしては、例えば回転ミル、振動ミル、遊星ボールミル等が挙げられる。媒体撹拌ミルとしては、例えばアトライター、ビーズミル等が挙げられる。高速回転粉砕機としては、例えばハンマーミル、ピンミル等が挙げられる。これらの中でも、容器駆動型ミルが好ましく、特に遊星ボールミルが好ましい。 The treatment by the mechanical milling method may be either a dry method or a wet method, but is preferably a wet method because the raw material compound can be mixed more uniformly. Examples of the device for performing the processing by the mechanical milling method include a container-driven mill, a medium stirring mill, a high-speed rotary crusher, a roller mill, and a jet mill. Examples of the container-driven mill include a rotary mill, a vibration mill, a planetary ball mill, and the like. Examples of the medium stirring mill include an attritor and a bead mill. Examples of the high-speed rotary crusher include a hammer mill and a pin mill. Among these, a container-driven mill is preferable, and a planetary ball mill is particularly preferable.

(熱処理工程)
本工程では、リチウム、硫黄、リン及び塩素を含み、上記リンの価数が5価である硫化物ガラスを熱処理する。これにより、硫化物ガラスが結晶化し、硫化物ガラスセラミックスを作製することができる。熱処理は、減圧雰囲気下で行ってもよく、不活性ガス雰囲気下で行ってもよい。
(Heat treatment process)
In this step, sulfide glass containing lithium, sulfur, phosphorus and chlorine and having a valence of 5 phosphorus is heat-treated. As a result, the sulfide glass is crystallized, and the sulfide glass ceramics can be produced. The heat treatment may be performed in a reduced pressure atmosphere or in an inert gas atmosphere.

上記熱処理の温度は上記硫化物ガラスの結晶化温度よりも低い。上記結晶化温度と上記熱処理の温度との差の下限としては、20℃であり、23℃が好ましく、25℃がより好ましい。一方、上記結晶化温度と上記熱処理の温度との差の上限としては、45℃であり、42℃が好ましく、40℃がより好ましい。上記熱処理の温度が上記硫化物ガラスの結晶化温度よりも低く、上記結晶化温度と上記熱処理の温度との差を上記範囲とすることで、イオン伝導性が低いβ-LiPSの結晶相の析出が抑制され、イオン伝導性が高い結晶相を有する硫化物固体電解質を製造できる。また、LiS-P-LiCl系固体電解質において、比較的広い組成範囲でイオン伝導性が高い結晶相を析出させることができるので、大量生産時の組成ムラによる特性のばらつきを抑制できる。 The temperature of the heat treatment is lower than the crystallization temperature of the sulfide glass. The lower limit of the difference between the crystallization temperature and the heat treatment temperature is 20 ° C, preferably 23 ° C, and more preferably 25 ° C. On the other hand, the upper limit of the difference between the crystallization temperature and the heat treatment temperature is 45 ° C, preferably 42 ° C, more preferably 40 ° C. The temperature of the heat treatment is lower than the crystallization temperature of the sulfide glass, and by setting the difference between the crystallization temperature and the heat treatment temperature within the above range, the crystal of β - Li 3 PS4 having low ionic conductivity A sulfide solid electrolyte having a crystalline phase with high ionic conductivity can be produced by suppressing the precipitation of the phase. Further, in the Li 2 SP 2 S 5 -LiCl solid electrolyte, a crystal phase having high ionic conductivity can be precipitated in a relatively wide composition range, so that variation in characteristics due to composition unevenness during mass production can be suppressed. can.

上記結晶化温度は、示差走査熱量測定(Differential scanning calorimetry:DSC)により求めることができる。 The crystallization temperature can be determined by differential scanning calorimetry (DSC).

<蓄電素子の製造方法>
本発明の一実施形態に係る蓄電素子の製造方法は、正極層、隔離層及び負極層の少なくとも1つの作製に、本発明の一実施形態に係る固体電解質を用いること以外は、通常公知の方法により行うことができる。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。以下、各工程について詳説する。
<Manufacturing method of power storage element>
The method for manufacturing a power storage element according to an embodiment of the present invention is a generally known method except that the solid electrolyte according to the embodiment of the present invention is used for producing at least one of a positive electrode layer, an isolation layer and a negative electrode layer. Can be done by. 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) preparing a positive electrode. The layer, the isolation layer and the negative electrode layer are laminated. Hereinafter, each process 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法による処理、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 produced. The method for producing the positive electrode mixture is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include treatment of the material of the positive electrode mixture by a mechanical milling method, compression molding of the positive electrode active material, and sputtering using the target material of the positive electrode active material. When the positive electrode mixture contains a mixture or a composite containing a positive electrode active material and a solid electrolyte, this step mixes the positive electrode active material and the solid electrolyte by using, for example, a mechanical milling method, and obtains the positive electrode active material. It can include making a mixture or complex with a solid electrolyte.

(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。蓄電素子がリチウムイオン蓄電素子である場合、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。なお、隔離層用材料が当該硫化物固体電解質である場合は、隔離層用材料の作製は、当該硫化物固体電解質の製造方法が用いられる。
(2) Material preparation process for isolation layer In this step, a material for forming the isolation layer is usually produced. When the power storage element is a lithium ion power storage element, 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 treating a predetermined material by a mechanical milling method. A material for an isolation layer may be produced by heating a predetermined material to a melting temperature or higher by a melting quenching method, melting and mixing the two at a predetermined ratio, and quenching. Other methods for synthesizing the material for the isolation layer include, for example, a solid phase method in which the material is sealed under reduced pressure and calcined, a liquid phase method such as dissolution precipitation, a gas phase method (PLD), and calcining in an argon atmosphere after mechanical milling. Can be mentioned. When the material for the isolation layer is the sulfide solid electrolyte, the method for producing the sulfide solid electrolyte is used for producing the material for the isolation layer.

(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 produced. The specific method for producing the negative electrode mixture is the same as that for the positive electrode mixture. When the negative electrode mixture contains a mixture or a composite containing a negative electrode active material and a solid electrolyte, in this step, the negative electrode active material and the solid electrolyte are mixed by using, for example, a mechanical milling method, and the negative electrode active material is combined with the negative electrode active material. It can include making a mixture or complex with a solid electrolyte.

(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。
(Laminating 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 formation of each layer is not particularly limited. The positive electrode layer is formed by, for example, 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 is formed by pressure molding. The positive electrode layer, the isolation layer, and the negative electrode layer may be laminated by pressure molding the positive electrode base material, the positive electrode mixture, the isolation layer material, the negative electrode mixture, and the negative electrode base material at once. The positive electrode layer and the negative electrode layer may be formed in advance, and the isolation layer may be pressure-molded and laminated.

[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。本発明に係る蓄電素子は、二次電池である蓄電素子の他、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 implemented in various modifications and improvements in addition to the above embodiment. For example, the power storage element according to the present invention may include a layer other than the positive electrode layer, the isolation layer, and the negative electrode layer. Further, the power storage element according to the present invention may contain a liquid in one or more of the layers. The power storage element according to the present invention may be a capacitor or the like in addition to the power storage element which is a secondary battery.

本発明に係る全固体電池の構成については特に限定されるものではなく、例えば中間層や接着層のように、負極層、正極層及び隔離層以外のその他の層を備えていてもよい。 The configuration of the all-solid-state battery according to the present invention is not particularly limited, and may include other layers other than the negative electrode layer, the positive electrode layer, and the isolation layer, such as an intermediate layer and an adhesive layer.

<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から実施例7及び比較例1から比較例5]
以下の処理により、実施例1から実施例7及び比較例1から比較例5の硫化物固体電解質を合成した。
(準備工程)
露点-50℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でLiS(純度99.98%、Aldrich製)、P(純度99%、Aldrich製)及びLiCl(純度99.998%、Aldrich製)を乳鉢で混合し、Li、P、S、及びClを含む組成物を準備した。
(硫化物ガラス作製工程)
上記組成物1.0gを、直径4mmのジルコニアボールが900個入った密閉式の80mLジルコニアポットに投入した。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510rpmで10時間から25時間の範囲でメカニカルミリング法による処理を行い、硫化物ガラスを得た。
(熱処理工程)
上記硫化物ガラスを室温から表1に記載の温度まで昇温速度2℃/分で昇温後、表1に記載の温度で2時間熱処理して実施例1から実施例7及び比較例1から比較例5の硫化物固体電解質を合成した。
[Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5]
The sulfide solid electrolytes of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5 were synthesized by the following treatments.
(Preparation process)
Li 2 S (purity 99.98%, manufactured by Aldrich), P 2 S 5 (purity 99%, manufactured by Aldrich) and LiCl (purity 99.998%, manufactured by Aldrich) in a glove box with a dew point of -50 ° C or lower in an argon atmosphere. ) Was mixed in a mortar to prepare a composition containing Li, P, S, and Cl.
(Sulfide glass manufacturing process)
1.0 g of the above composition was put into a closed 80 mL zirconia pot containing 900 zirconia balls having a diameter of 4 mm. A planetary ball mill (manufactured by FRITSCH, model number Premium line P-7) was used to perform treatment by a mechanical milling method at a revolution speed of 510 rpm in a range of 10 to 25 hours to obtain sulfide glass.
(Heat treatment process)
The sulfide glass is heated from room temperature to the temperature shown in Table 1 at a heating rate of 2 ° C./min, and then heat-treated at the temperature shown in Table 1 for 2 hours from Example 1 to Example 7 and Comparative Example 1. The sulfide solid electrolyte of Comparative Example 5 was synthesized.

[比較例6]
準備工程で露点-50℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でLiS(純度99.98%、Aldrich製)及びP(純度99%、Aldrich製)を乳鉢で混合し、Li、P及びSを含む組成物を準備した以外は上記実施例1等と同様の処理を行った。
[Comparative Example 6]
In the preparatory step, Li 2 S (purity 99.98%, manufactured by Aldrich) and P 2 S 5 (purity 99%, manufactured by Aldrich) are mixed in a mortar in a glove box having an argon atmosphere with a dew point of -50 ° C or lower, and Li, The same treatment as in Example 1 above was performed except that the composition containing P and S was prepared.

[参考例1]
準備工程で露点-50℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でLiS(純度99.98%、Aldrich製)、P(純度99%、Aldrich製)及びLiBr(純度99.999%、Aldrich製)を乳鉢で混合し、Li、P、S及びBrを含む組成物を準備した以外は上記実施例1等と同様の処理を行った。
[Reference Example 1]
Li 2 S (purity 99.98%, manufactured by Aldrich), P 2 S 5 (purity 99%, manufactured by Aldrich) and LiBr (purity 99.999%) in a glove box with an argon atmosphere with a dew point of -50 ° C or less in the preparatory step. , Aldrich) was mixed in a mortar, and the same treatment as in Example 1 above was carried out except that a composition containing Li, P, S and Br was prepared.

[参考例2]
準備工程で露点-50℃以下のアルゴン雰囲気のグローブボックス内でLiS(純度99.98%、Aldrich製)、P(純度99%、Aldrich製)及びLiI(純度99.999%、Aldrich製)を乳鉢で混合し、Li、P、S及びIを含む組成物を準備した以外は上記実施例1等と同様の処理を行った。
[Reference Example 2]
Li 2S (purity 99.98%, manufactured by Aldrich), P2 S 5 ( purity 99%, manufactured by Aldrich) and LiI (purity 99.999%) in a glove box with an argon atmosphere with a dew point of -50 ° C or less in the preparation step. , Aldrich) was mixed in a mortar, and the same treatment as in Example 1 above was carried out except that a composition containing Li, P, S and I was prepared.

結晶化温度Tは以下の方法でDSCにより測定することにより求めた。DSC装置(リガク社製、Thermo Plus DSC8230)を用い、スチール製密閉パンを用い、室温から400℃まで10℃/minで昇温した。 The crystallization temperature TC was determined by measuring with DSC by the following method. Using a DSC device (Thermo Plus DSC8230 manufactured by Rigaku Co., Ltd.) and a steel closed pan, the temperature was raised from room temperature to 400 ° C. at 10 ° C./min.

[評価]
(1)XRD分析
上述の方法にてX線回折測定を行った。
[evaluation]
(1) XRD analysis X-ray diffraction measurement was performed by the above method.

図3から図5に、実施例及び比較例の2θ=10°から40°の範囲におけるX線回折図を示す。表1に、X線回折図から同定された結晶構造を示す。 3 to 5 show X-ray diffraction patterns in the range of 2θ = 10 ° to 40 ° of Examples and Comparative Examples. Table 1 shows the crystal structure identified from the X-ray diffraction pattern.

(2)イオン伝導度(σ)
各実施例及び比較例の固体電解質の25℃におけるイオン伝導度(σ25)を、Bio-Logic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、実施例及び比較例の25℃におけるイオン伝導度を示す。
(2) Ion conductivity (σ)
The ionic conductivity (σ 25 ) of the solid electrolytes of each Example and Comparative Example at 25 ° C. was determined by measuring the AC impedance by the above method using "VMP-300" manufactured by Bio-Logic. Table 1 shows the ionic conductivity of Examples and Comparative Examples at 25 ° C.

Figure 2022030244000001
Figure 2022030244000001

図3から図5に示すように、実施例1から実施例7、比較例2から実施例6、参考例1及び参考例2の硫化物固体電解質は、X線回折測定においてピークが観測され、結晶構造を有することが確認された。上記熱処理工程で、結晶化温度と上記熱処理の温度との差を20℃以上45℃以下とすることにより、X線回折測定において2θ=17.8°±0.5°、19.1°±0.5°、21.7°±0.5°、23.8°±0.5°、及び30.85°±0.5°に回折ピークを有する結晶構造(結晶相A)を有する実施例1から実施例7の硫化物固体電解質を得ることができた。一方、結晶化温度と上記熱処理の温度との差を20℃未満又は45℃超とすることにより得られた比較例1から比較例5の硫化物固体電解質は、イオン伝導性が低いβ-LiPSの結晶相を有するか、非晶質相を有していた。さらに、表1及び図5に示すように、塩素を含まず、75LiS・25Pで表される組成の比較例6は、イオン伝導性が低いβ-LiPSの結晶相を有していた。 As shown in FIGS. 3 to 5, peaks were observed in the sulfide solid electrolytes of Examples 1 to 7, Comparative Examples 2 to 6, Reference Example 1 and Reference Example 2 in the X-ray diffraction measurement. It was confirmed to have a crystal structure. By setting the difference between the crystallization temperature and the heat treatment temperature to 20 ° C. or higher and 45 ° C. or lower in the heat treatment step, 2θ = 17.8 ° ± 0.5 °, 19.1 ° ± in the X-ray diffraction measurement. Implementations with a crystal structure (crystal phase A) having diffraction peaks at 0.5 °, 21.7 ° ± 0.5 °, 23.8 ° ± 0.5 °, and 30.85 ° ± 0.5 °. The sulfide solid electrolyte of Example 1 to Example 7 could be obtained. On the other hand, the sulfide solid electrolytes of Comparative Examples 1 to 5 obtained by setting the difference between the crystallization temperature and the heat treatment temperature to less than 20 ° C or more than 45 ° C have β-Li having low ionic conductivity. 3 It had a crystalline phase of PS4 or had an amorphous phase. Further, as shown in Table 1 and FIG. 5, Comparative Example 6 of the composition, which does not contain chlorine and is represented by 75Li 2 S. 25P 2 S 5 , is a crystal phase of β-Li 3 PS 4 having low ion conductivity. Had.

表1に示されるように、上記実施例1から実施例7の硫化物固体電解質は、25℃におけるイオン伝導度が良好であった。一方、上記比較例1から比較例6の硫化物固体電解質は、実施例1から実施例7と比較して上記イオン伝導度が低いことがわかる。なお、通常、硫化物固体電解質のイオン伝導度の良好な範囲は、硫化物固体電解質を構成する組成によって異なる。一般式(100-z)(yLiS・(1-y)P)・zLiClで表される組成を含む硫化物固体電解質のイオン伝導度の良好な範囲としては、例えばz=15の場合は、7.0×10-4S/cm以上3.0×10-3S/cm以下であり、z=30の場合は、6.0×10-4S/cm以上2.0×10-3S/cm以下であり、z=50の場合は4.0×10-4S/cm以上1.0×10-3S/cm以下であると考えられる。 As shown in Table 1, the sulfide solid electrolytes of Examples 1 to 7 had good ionic conductivity at 25 ° C. On the other hand, it can be seen that the sulfide solid electrolytes of Comparative Examples 1 to 6 have lower ionic conductivity than those of Examples 1 to 7. In general, the good range of ionic conductivity of the sulfide solid electrolyte differs depending on the composition constituting the sulfide solid electrolyte. A good range of ionic conductivity of a sulfide solid electrolyte containing a composition represented by the general formula (100-z) (yLi 2 S · (1-y) P 2 S 5 ) · zLiCl is, for example, z = 15. In the case of 7.0 × 10 -4 S / cm or more and 3.0 × 10 -3 S / cm or less, and in the case of z = 30, 6.0 × 10 -4 S / cm or more and 2.0. It is considered that it is × 10 -3 S / cm or less, and when z = 50, it is 4.0 × 10 -4 S / cm or more and 1.0 × 10 -3 S / cm or less.

また、85(0.75LiS・0.25P)・15LiBrで表される組成の参考例1及び85(0.75LiS・0.25P)・15LiIで表される組成の参考例2は、当該硫化物固体電解質が有する結晶相Aとは異なる結晶相(表1では、結晶相Bと記載する。)を含む結晶構造を有していた。すなわち、上記比較例6、参考例1及び参考例2は、結晶化温度と熱処理の温度との差が20℃以上45℃以下であったにも係わらず、当該硫化物固体電解質が有する結晶相Aとは異なる結晶相を有しており、結晶相Aは、塩素を含む当該硫化物固体電解質が有する特有の結晶相であることがわかる。 Further, it is represented by Reference Example 1 and 85 (0.75Li 2 S / 0.25P 2 S 5 ) / 15LiI of the composition represented by 85 (0.75Li 2 S / 0.25P 2 S 5 ) / 15LiBr. Reference Example 2 of the composition had a crystal structure containing a crystal phase different from the crystal phase A of the sulfide solid electrolyte (referred to as crystal phase B in Table 1). That is, in Comparative Example 6, Reference Example 1 and Reference Example 2, the crystal phase of the sulfide solid electrolyte is present even though the difference between the crystallization temperature and the heat treatment temperature is 20 ° C. or higher and 45 ° C. or lower. It has a crystal phase different from that of A, and it can be seen that the crystal phase A is a peculiar crystal phase possessed by the sulfide solid electrolyte containing chlorine.

以上の結果から、本発明に係る硫化物固体電解質は、イオン伝導性に優れることが示された。 From the above results, it was shown that the sulfide solid electrolyte according to the present invention has excellent ionic conductivity.

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 suitably used as a solid electrolyte for a power storage element such as an all-solid-state 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 蓄電素子(全固体電池)
20 蓄電ユニット
30 蓄電装置
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 electrode base material 10 Power storage element (all-solid-state battery)
20 Power storage unit 30 Power storage device

Claims (6)

リチウム、硫黄、リン及び塩素を含み、
CuKα線を用いるX線回折測定において2θ=17.8°±0.5°、19.1°±0.5°、21.7°±0.5°、23.8°±0.5°、及び30.85°±0.5°に回折ピークを有する結晶構造を有し、
上記リンの価数が5価であり、
β-LiPSの結晶相を実質的に有さない硫化物固体電解質。
Contains lithium, sulfur, phosphorus and chlorine,
2θ = 17.8 ° ± 0.5 °, 19.1 ° ± 0.5 °, 21.7 ° ± 0.5 °, 23.8 ° ± 0.5 ° in X-ray diffraction measurement using CuKα ray , And a crystal structure with diffraction peaks at 30.85 ° ± 0.5 °.
The valence of phosphorus is 5 and
A sulfide solid electrolyte that is substantially free of the crystalline phase of β-Li 3 PS 4 .
一般式(100-z)(yLiS・(1-y)P)・zLiCl・αM(但し、0.74≦y≦0.78、5≦z≦55、0≦α≦30である。MはLi、P、S、Cl以外の一種又は二種以上の元素を表す。)で表される組成を有する請求項1に記載の硫化物固体電解質。 General formula (100-z) (yLi 2 S · (1-y) P 2 S 5 ) · zLiCl · αM (where 0.74 ≦ y ≦ 0.78, 5 ≦ z ≦ 55, 0 ≦ α ≦ 30 The sulfide solid electrolyte according to claim 1, wherein M represents one or more elements other than Li, P, S, and Cl). 25℃におけるイオン伝導度が6.0×10-4S/cm以上である請求項1又は請求項2に記載の硫化物固体電解質。 The sulfide solid electrolyte according to claim 1 or 2, wherein the ionic conductivity at 25 ° C. is 6.0 × 10 -4 S / cm or more. 請求項1、請求項2又は請求項3に記載の硫化物固体電解質を含有する蓄電素子。 A power storage device containing the sulfide solid electrolyte according to claim 1, claim 2 or claim 3. リチウム、硫黄、リン及び塩素を含み、上記リンの価数が5価である硫化物ガラスを熱処理することを備え、
上記熱処理の温度が上記硫化物ガラスの結晶化温度よりも低く、
上記結晶化温度と上記熱処理の温度との差が20℃以上45℃以下である硫化物固体電解質の製造方法。
It comprises heat-treating a sulfide glass containing lithium, sulfur, phosphorus and chlorine and having a valence of 5 phosphorus.
The temperature of the heat treatment is lower than the crystallization temperature of the sulfide glass,
A method for producing a sulfide solid electrolyte in which the difference between the crystallization temperature and the heat treatment temperature is 20 ° C. or higher and 45 ° C. or lower.
上記硫化物ガラスが一般式(100-z)(yLiS・(1-y)P)・zLiCl・αM(但し、0.74≦y≦0.78、5≦z≦55、0≦α≦30である。MはLi、P、S、Cl以外の一種又は二種以上の元素を表す。)で表される組成を有する請求項5に記載の硫化物固体電解質の製造方法。 The sulfide glass has a general formula (yLi 2 S · (1-y) P 2 S 5 ) · zLiCl · αM (provided that 0.74 ≦ y ≦ 0.78, 5 ≦ z ≦ 55, 0 ≦ α ≦ 30. M represents one or more elements other than Li, P, S, Cl).) The method for producing a sulfide solid electrolyte according to claim 5, which has a composition represented by). ..
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