JP2022059614A - 硫化物固体電解質及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、比表面積が低減された硫化物固体電解質、該硫化物固体電解質を用いた電極合材、スラリー及び固体電池、並びに、該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。【解決手段】本発明は、リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素を含む硫化物固体電解質であって、CuKα1線を用いて測定されるX線回折パターンにおいて、2θ=23.2°±1.00°及び2θ=29.2°±0.500°の位置にピークを有する結晶相を含む、前記硫化物固体電解質を提供する。【選択図】図1
Description
本発明は、硫化物固体電解質、該硫化物固体電解質を用いた電極合材、スラリー及び電池、並びに、該硫化物固体電解質の製造方法に関する。
固体電池は、可燃性の有機溶媒を用いないので、安全装置の簡素化を図ることができ、製造コスト及び生産性に優れているとともに、セル内で直列に積層して高電圧化を図れるという特徴も有する。固体電池に用いられる硫化物固体電解質では、リチウムイオン以外は移動しないため、アニオンの移動による副反応が生じない等、安全性及び耐久性の向上につながることが期待される。
硫化物固体電解質として、アルジロダイト(Argyrodite)型結晶構造を有する結晶相を含む硫化物固体電解質が知られている(例えば、特許文献1~特許文献5)。
また、硫化物固体電解質の製造方法として、リチウム(Li)元素、硫黄(S)元素及びリン(P)元素を構成元素として含む原料を熱処理することにより、アルジロダイト型結晶構造を含む硫化物固体電解質を得、該硫化物固体電解質を粉砕することにより、硫化物固体電解質前駆体を得、該硫化物固体電解質前駆体が粒成長しない温度で熱処理する、硫化物固体電解質の製造方法が知られている(特許文献6)。
特許文献6には、上記製造方法により、平均粒径D50が2.1μm~4.5μmの硫化物固体電解質が得られたことが記載されている。
全固体電池において、良好な電池特性を得るためには、正負極の電極内部に均一に硫化物固体電解質が分布していることが好ましく、このような硫化物固体電解質の均一な分布を実現するためには、硫化物固体電解質の粒径を小さくすることが好ましい。硫化物固体電解質の粒径は、硫化物固体電解質の粉砕により小さくすることができる。しかしながら、粉砕により、微細な粒子や、形状がいびつな粒子が発生するため、硫化物固体電解質の比表面積が増大し、硫化物固体電解質を含むスラリーの粘度が増大する。このため、スラリーの粘度を調整するために、多量の溶媒が必要となり、コストが増大し、電池の生産性が低下する。したがって、硫化物固体電解質の比表面積を低減することが求められる。
また、硫化物固体電解質は、大気中の水分と反応すると、有毒な硫化水素ガスが発生するとともに、分解によってイオン伝導率が低下する。このため、電池生産時に低水分環境を維持するコストが増大し、電池の生産性が低下する。比表面積が小さい固体電解質である場合、大気中の水分との反応面積を少なくすることができ、反応の進行を抑制することができる。したがって、これらの観点においても、硫化物固体電解質の比表面積を低減することが求められる。
そこで、本発明は、比表面積が低減された硫化物固体電解質、該硫化物固体電解質を用いた電極合材、スラリー及び固体電池、並びに、該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。
本発明者らは、リン(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素を含む硫化物固体電解質材料を中間体とし、当該中間体を所定の条件下にて熱処理した。その結果、結果物としての硫化物固体電解質の比表面積が低減されるという新たな知見を得た。また、本発明者らは、得られた硫化物固体電解質について更なる検討を重ねたところ、CuKα1線を用いて測定されるX線回折パターンにおいて、2θ=23.2°±1.00°及び2θ=29.2°±0.500°の位置にピークを有する結晶相が、当該硫化物固体電解質中に生成されていることが分かった。なお、CuKα1線を用いて測定されるX線回折パターンにおいて、2θ=23.2°±1.00°及び2θ=29.2°±0.500°の位置にピークを有する結晶相は、中間体に対して熱処理することによって、当該中間体に含まれる微細な粒子が反応することに起因して生成されると推測される。本発明は、これらの知見に基づいて完成されたものであり、以下の発明を包含する。
[1]リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素を含むとともに、
CuKα1線を用いて測定されるX線回折パターンにおいて、2θ=23.2°±1.0°及び2θ=29.2°±0.5°の位置にピークを有する、硫化物固体電解質。
[2]上記[1]に記載の硫化物固体電解質と活物質とを含む電極合材。
[3]上記[1]に記載の硫化物固体電解質と分散媒とを含むスラリー。
[4]正極層と、負極層と、前記正極層及び前記負極層の間に位置する固体電解質層とを備え、前記固体電解質層が、上記[1]に記載の硫化物固体電解質を含む、電池。
[5]下記工程:
(1)リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素を含む硫化物固体電解質材料を中間体として準備する工程;並びに
(2)前記中間体を熱処理して、上記[1]に記載の硫化物固体電解質を得る工程
を含む、硫化物固体電解質の製造方法。
CuKα1線を用いて測定されるX線回折パターンにおいて、2θ=23.2°±1.0°及び2θ=29.2°±0.5°の位置にピークを有する、硫化物固体電解質。
[2]上記[1]に記載の硫化物固体電解質と活物質とを含む電極合材。
[3]上記[1]に記載の硫化物固体電解質と分散媒とを含むスラリー。
[4]正極層と、負極層と、前記正極層及び前記負極層の間に位置する固体電解質層とを備え、前記固体電解質層が、上記[1]に記載の硫化物固体電解質を含む、電池。
[5]下記工程:
(1)リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素を含む硫化物固体電解質材料を中間体として準備する工程;並びに
(2)前記中間体を熱処理して、上記[1]に記載の硫化物固体電解質を得る工程
を含む、硫化物固体電解質の製造方法。
本発明により、比表面積が低減された硫化物固体電解質、該硫化物固体電解質を用いた電極合材、スラリー及び固体電池、並びに、該硫化物固体電解質の製造方法が提供される。
≪用語の説明≫
以下、本明細書で用いられる用語について説明する。なお、以下の用語の説明は、別段規定される場合を除き、本明細書を通じて適用される。
以下、本明細書で用いられる用語について説明する。なお、以下の用語の説明は、別段規定される場合を除き、本明細書を通じて適用される。
<粉末>
粉末は、粒子の集合体である。
粉末は、粒子の集合体である。
<D10、D50及びD95>
ある粉末に関し、当該粉末のD10、D50及びD95は、それぞれ、レーザー回折散乱式粒度分布測定法によって測定される当該粉末の体積基準の粒度分布において、累積体積が10%、50%及び95%となる粒径であり、単位はμmである。D10、D50及びD95の測定は、例えば、実施例に記載の条件に従って行われる。なお、D50は、一般的に、メジアン径と呼ばれる。
ある粉末に関し、当該粉末のD10、D50及びD95は、それぞれ、レーザー回折散乱式粒度分布測定法によって測定される当該粉末の体積基準の粒度分布において、累積体積が10%、50%及び95%となる粒径であり、単位はμmである。D10、D50及びD95の測定は、例えば、実施例に記載の条件に従って行われる。なお、D50は、一般的に、メジアン径と呼ばれる。
<BET比表面積>
ある粉末に関し、当該粉末のBET比表面積は、窒素ガスを用いたガス吸着法によって測定される当該粉末の比表面積であり、単位はm2/gである。BET比表面積の測定は、例えば、実施例に記載の条件に従って行われる。
ある粉末に関し、当該粉末のBET比表面積は、窒素ガスを用いたガス吸着法によって測定される当該粉末の比表面積であり、単位はm2/gである。BET比表面積の測定は、例えば、実施例に記載の条件に従って行われる。
<真密度>
ある粉末に関し、当該粉末の真密度は、ピクノメーター法によって測定される当該粉末の密度であり、単位はg/cm3である。真密度の測定は、例えば、実施例に記載の条件に従って行われる。
ある粉末に関し、当該粉末の真密度は、ピクノメーター法によって測定される当該粉末の密度であり、単位はg/cm3である。真密度の測定は、例えば、実施例に記載の条件に従って行われる。
<CS値>
ある粉末に関し、当該粉末のCS値は、当該粉末を構成する粒子の形状を球形と仮定した場合の、当該粉末の単位体積あたりの表面積であり、単位はm2/cm3である。粉末のCS値は、レーザー回折散乱式粒度分布測定法によって測定される当該粉末の体積基準の粒度分布に基づいて、次式:CS値(m2/cm3)=6/MAから求められる。なお、MAは、面積平均粒径(μm)であり、次式:MA(μm)=ΣVi/Σ(Vi/di)[式中、Viは頻度、diは粒度区分の中央値である。]から求められる。CS値の測定は、例えば、実施例に記載の条件に従って行われる。
ある粉末に関し、当該粉末のCS値は、当該粉末を構成する粒子の形状を球形と仮定した場合の、当該粉末の単位体積あたりの表面積であり、単位はm2/cm3である。粉末のCS値は、レーザー回折散乱式粒度分布測定法によって測定される当該粉末の体積基準の粒度分布に基づいて、次式:CS値(m2/cm3)=6/MAから求められる。なお、MAは、面積平均粒径(μm)であり、次式:MA(μm)=ΣVi/Σ(Vi/di)[式中、Viは頻度、diは粒度区分の中央値である。]から求められる。CS値の測定は、例えば、実施例に記載の条件に従って行われる。
<(A×B)/C>
ある粉末に関し、下記式:
(A×B)/C
[式中、Aは、当該粉末のBET比表面積(m2/g)を表し、Bは、当該粉末の真密度(g/cm3)を表し、Cは、当該粉末のCS値(m2/cm3)を表す。]に基づいて算出される値は、粒度分布測定から粒子を球形と仮定して求められたCS値(m2/cm3)に真密度(g/cm3)を掛けて算出した表面積値(m2/g)と、BET測定で求められた比表面積(m2/g)との比を意味する。つまり、上記式で得られる値が1.0に近いほど、粉末を構成する粒子の形状が真球に近いことを意味する。
ある粉末に関し、下記式:
(A×B)/C
[式中、Aは、当該粉末のBET比表面積(m2/g)を表し、Bは、当該粉末の真密度(g/cm3)を表し、Cは、当該粉末のCS値(m2/cm3)を表す。]に基づいて算出される値は、粒度分布測定から粒子を球形と仮定して求められたCS値(m2/cm3)に真密度(g/cm3)を掛けて算出した表面積値(m2/g)と、BET測定で求められた比表面積(m2/g)との比を意味する。つまり、上記式で得られる値が1.0に近いほど、粉末を構成する粒子の形状が真球に近いことを意味する。
≪硫化物固体電解質≫
本発明の硫化物固体電解質は、リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素を含む。
本発明の硫化物固体電解質は、リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素を含む。
本発明の硫化物固体電解質におけるリチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素の含有量は、適宜調整することができる。
本発明の硫化物固体電解質のリチウムイオン伝導性を向上させる観点から、リチウム(Li)元素の含有量は、本発明の硫化物固体電解質の構成元素の合計モル量を基準として、好ましくは41モル%以上50モル%以下、さらに好ましくは41モル%以上48モル%以下、さらに一層好ましくは42モル%以上47モル%以下、さらに一層好ましくは43モル%以上45モル%以下である。
本発明の硫化物固体電解質のリチウムイオン伝導性を向上させる観点から、リン(P)元素の含有量は、本発明の硫化物固体電解質の構成元素の合計モル量を基準として、好ましくは7.0モル%以上20モル%以下、さらに好ましくは7.2モル%以上18モル%以下、さらに一層好ましくは7.5モル%以上16モル%以下、さらに一層好ましくは7.7モル%以上12モル%以下である。
本発明の硫化物固体電解質のリチウムイオン伝導性を向上させる観点から、硫黄(S)元素の含有量は、本発明の硫化物固体電解質の構成元素の合計モル量を基準として、好ましくは31モル%以上43モル%以下、さらに好ましくは32モル%以上42モル%以下、さらに一層好ましくは33モル%以上40モル%以下、さらに一層好ましくは34モル%以上38モル%以下である。
本発明の硫化物固体電解質のリチウムイオン伝導性を向上させる観点から、リン(P)元素の含有量に対するリチウム(Li)元素の含有量(リチウム(Li)元素の含有量/リン(P)元素の含有量)の比は、モル比で、好ましくは4.8以上7.0以下、さらに好ましくは5.0以上6.4以下、さらに一層好ましくは5.2以上5.8以下である。
本発明の硫化物固体電解質のリチウムイオン伝導性を向上させる観点から、リン(P)元素の含有量に対する硫黄(S)元素の含有量(硫黄(S)元素の含有量/リン(P)元素の含有量)の比は、モル比で、好ましくは3.6以上6.0以下、さらに好ましくは4.0以上5.0以下、さらに一層好ましくは4.2以上4.6以下である。
本発明の硫化物固体電解質のリチウムイオン伝導性を向上させる観点から、本発明の硫化物固体電解質は、フッ素(F)元素、塩素(Cl)元素、臭素(Br)元素及びヨウ素(I)元素から選択される少なくとも一種のハロゲン(X)元素をさらに含むことが好ましく、塩素(Cl)元素及び臭素(Br)元素から選択される少なくとも一種のハロゲン(X)元素をさらに含むことがさらに好ましい。
ハロゲン(X)元素の含有量は、適宜調整することができる。
本発明の硫化物固体電解質のリチウムイオン伝導性を向上させる観点から、ハロゲン(X)元素の含有量は、本発明の硫化物固体電解質の構成元素の合計モル量を基準として、好ましくは3.7モル%以上19モル%以下、さらに好ましくは4.0モル%以上17モル%以下、さらに一層好ましくは8.0モル%以上15モル%以下、さらに一層好ましくは10モル%以上14モル%以下である。なお、本発明の硫化物固体電解質が二種以上のハロゲン(X)元素を含む場合、「ハロゲン(X)元素の含有量」は、当該二種以上のハロゲン(X)元素の合計含有量を意味する。
本発明の硫化物固体電解質のリチウムイオン伝導性を向上させる観点から、リン(P)元素の含有量に対するハロゲン(X)元素の含有量(ハロゲン(X)元素の含有量/リン(P)元素の含有量)の比は、モル比で、好ましくは0.50以上2.1以下、さらに好ましくは0.80以上2.0以下、さらに一層好ましくは1.2以上1.8以下である。
本発明の硫化物固体電解質は、リチウム(Li)元素、リン(P)元素、硫黄(S)元素及びハロゲン(X)元素以外の一種又は二種以上の元素(以下「その他の元素」という。)を含んでもよい。その他の元素としては、例えば、ケイ素(Si)元素、ゲルマニウム(Ge)元素、スズ(Sn)元素、鉛(Pb)元素、ホウ素(B)元素、アルミニウム(Al)元素、ガリウム(Ga)元素、ヒ素(As)元素、アンチモン(Sb)元素、ビスマス(Bi)元素等が挙げられる。
本発明の硫化物固体電解質の構成元素の合計モル量及び各元素のモル量の測定は、本発明の硫化物固体電解質をアルカリ溶融等で溶解して得られる溶液中の元素量を誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP-AES)等の公知の方法を用いて測定することにより行うことができる。
本発明の硫化物固体電解質は、CuKα1線を用いて測定されるX線回折パターンにおいて、2θ=23.2°±1.0°及び2θ=29.2°±0.50°の位置にピークを有する。当該ピークがある結晶相に起因する場合、当該結晶相は、空間群Pmnaに属する結晶構造を有する結晶相(以下、単に「Pmna相」又は「第1の結晶相」と略して称する場合がある)であると考えられる。
第1の結晶相の含有割合の下限は特に限定されない。第1の結晶相の含有割合は、例えば、本発明の硫化物固体電解質を構成する全結晶相に対して、0.01質量%以上であってもよく、0.1質量%以上であってもよく、1質量%以上であってもよい。第1の結晶相の含有割合の上限も特に限定されない。第1の結晶相の含有割合は、例えば、本発明の硫化物固体電解質を構成する全結晶相に対して、20質量%以下であってもよく、5質量%以下であってもよく、3質量%以下であってもよい。なお、結晶相の割合は、例えば、XRD測定により確認することができる。
本発明の硫化物固体電解質が上述した所定の位置にピークを有することは、CuKα線を用いて測定されるX線回折パターンによって確認することができる。CuKα線としては、例えば、CuKα1線を用いることができる。
CuKα1線を用いて測定される本発明の硫化物固体電解質のX線回折パターンにおいて、2θ=23.2°±1.0°及び2θ=29.2°±0.50°の位置に加えて、2θ=19.5°±1.0°及び2θ=30.5°±0.50°の位置にピークを有していてもよい。2θ=19.5°±1.0°及び2θ=30.5°±0.50°の位置に現れるピークは、2θ=23.2°±1.0°及び2θ=29.2°±0.50°の位置に現れるピークと同様に第1の結晶相に由来する。
なお、第1の結晶相に由来するピークの位置は、中央値±1.0°又は中央値±0.50°で表されているが、中央値±0.50°で表されることが好ましく、中央値±0.30°で表されることがさらに好ましい。
以下、CuKα1線を用いて測定される本発明の硫化物固体電解質のX線回折パターンにおいて、2θ=19.5±1.0°、23.2±1.0°、29.2±0.50°及び30.5±0.50°の位置に存在する第1の結晶相に由来するピークを、それぞれ、「ピークP1」、「ピークP2」、「ピークP3」及び「ピークP4」という場合がある。
X線回折パターンにおいて各範囲にピークが存在するか否かは、例えば、次のようにして判別することができる。想定ピーク位置の+0.7°から高角側へ10点分の強度の平均値、及び想定ピーク位置の-0.7°から低角側へ10点分の強度の平均値をそれぞれバックグラウンドとする。このとき、前者をバックグラウンド1とし、後者をバックグラウンド2とする。測定データから、バックグラウンド1を差し引いた強度1と、バックグラウンド2を差し引いた強度2を算出し、得られた2つの強度のうち、少なくとも一つの強度が40カウント以上の極大を持つ位置をピークと定義し、その位置の強度をそれぞれのピークのピーク強度とする。ただし、最大ピーク強度が10000カウント以上になるように条件を選定し、測定する。なお、後述する実施例1~5で得られる硫化物固体電解質では、いずれも2θ=23.2°±1.0°及び2θ=29.2°±0.5°の位置にピークが存在することを確認した。
本発明の硫化物固体電解質のリチウムイオン伝導性を向上させる観点から、本発明の硫化物固体電解質は、CuKα1線を用いて測定されるX線回折パターンにおいて、2θ=15.34°±1.0°及び2θ=25.19°±1.0°の位置にピークを有することが好ましい。当該ピークは、アルジロダイト型結晶構造を有する結晶相(以下、単に「アルジロダイト型結晶相」又は「第2の結晶相」と略して称する場合がある)に由来する。すなわち、本発明の硫化物固体電解質は、リチウムイオン伝導性を向上させる観点から、アルジロダイト型結晶相を含むことが好ましい。アルジロダイト型結晶構造は、化学式:Ag8GeS6で表される鉱物に由来する化合物群が有する結晶構造である。アルジロダイト型結晶構造は、好ましくは立方晶系である。
本発明の硫化物固体電解質が第1の結晶相及び第2の結晶相を含む場合、本発明の硫化物固体電解質は、第1の結晶相及び第2の結晶相で構成されていてもよいし、第1の結晶相及び第2の結晶相と、1種又は2種以上のその他の相とで構成されていてもよい。その他の相は、結晶相であってもよいし、非晶質相であってもよい。その他の相としては、例えば、Li2S相、LiCl相、LiBr相、LiBrxCl1-x(0<x<1)、Li3PS4相等が挙げられる。
第2の結晶相の含有割合は、例えば、本発明の硫化物固体電解質を構成する全結晶相に対して、10質量%以上であってもよく、20質量%以上であってもよく、50質量%以上であってもよい。中でも、本発明の硫化物固体電解質が、第2の結晶相を主相として含有していることが好ましい。ここで、「主相」とは、本発明の硫化物固体電解質を構成する全ての結晶相の総量に対して最も割合の大きい相を指す。第2の結晶相が主相である場合、第2の結晶相の含有割合は、本発明の硫化物固体電解質を構成する全結晶相に対して、例えば、60質量%以上であることが好ましく、中でも70質量%以上、80質量%以上、90質量%以上であることがさらに好ましい。なお、結晶相の割合は、例えば、XRD測定により確認することができる。
一実施形態において、第2の結晶相は、下記式(I):
LiaPSbXc ・・・(I)
で表される組成を有する。
LiaPSbXc ・・・(I)
で表される組成を有する。
Xは、フッ素(F)元素、塩素(Cl)元素、臭素(Br)及びヨウ素(I)元素から選択される少なくとも一種のハロゲン元素である。ヨウ素(I)元素はリチウムイオン伝導性が低下させる傾向があり、フッ素(F)元素は結晶構造に導入しにくい。したがって、Xは、塩素(Cl)元素及び臭素(Br)元素から選択される少なくとも一種のハロゲン元素であることが好ましい。
本発明の硫化物固体電解質のリチウムイオン伝導性を向上させる観点から、aは、好ましくは3.0以上6.5以下、さらに好ましくは3.5以上6.3以下、さらに一層好ましくは4.0以上6.0以下である。aが上記下限を有することにより、結晶構造内のLi量の減少を抑制し、リチウムイオン伝導性の低下を抑えることができる。一方、aが上記上限を有することにより、Liサイトの空孔の減少を抑制し、リチウムイオン伝導率の低下を抑制することができる。
本発明の硫化物固体電解質のリチウムイオン伝導性を向上させる観点から、bは、好ましくは3.5以上5.5以下、さらに好ましくは4.0以上5.3以下、さらに一層好ましくは4.2以上5.0以下である。
本発明の硫化物固体電解質のリチウムイオン伝導性を向上させる観点から、cは、好ましくは0.50以上3.0以下、さらに好ましくは0.70以上2.5以下、さらに一層好ましくは1.0以上1.8以下である。
別の実施形態において、第2の結晶相は、下記式(II):
Li7-dPS6-dXd ・・・(II)
で表される組成を有する。式(II)で表される組成は、アルジロダイト型結晶構造を有する結晶相の化学量論組成である。
Li7-dPS6-dXd ・・・(II)
で表される組成を有する。式(II)で表される組成は、アルジロダイト型結晶構造を有する結晶相の化学量論組成である。
式(II)において、Xは、式(I)と同義である。
本発明の硫化物固体電解質のリチウムイオン伝導性を向上させる観点から、dは、好ましくは0.40以上2.2以下、さらに好ましくは0.80以上2.0以下、さらに一層好ましくは1.2以上1.8以下である。
式(I)又は(II)において、Pの一部が、ケイ素(Si)元素、ゲルマニウム(Ge)元素、スズ(Sn)元素、鉛(Pb)元素、ホウ素(B)元素、アルミニウム(Al)元素、ガリウム(Ga)元素、ヒ素(As)元素、アンチモン(Sb)元素及びビスマス(Bi)元素から選択される一種又は二種以上の元素で置換されていてもよい。この場合、式(I)は、Lia(P1-yMy)SbXcとなり、式(II)は、Li7-d(P1-yMy)S6-dXdとなる。Mは、ケイ素(Si)元素、ゲルマニウム(Ge)元素、スズ(Sn)元素、鉛(Pb)元素、ホウ素(B)元素、アルミニウム(Al)元素、ガリウム(Ga)元素、ヒ素(As)元素、アンチモン(Sb)元素及びビスマス(Bi)元素から選択される一種又は二種以上の元素である。yは、好ましくは、0.010以上0.70以下、さらに好ましくは、0.020以上0.40以下、さらに一層好ましくは、0.050以上0.20以下である。
本発明の硫化物固体電解質が第2の結晶相を含むことは、CuKα線を用いて測定されるX線回折パターンによって確認することができる。CuKα線としては、例えば、CuKα1線を用いることができる。
CuKα1線を用いて測定される本発明の硫化物固体電解質のX線回折パターンにおいて、2θ=15.34°±1.0°及び2θ=25.19°±1.0°の位置に加えて、2θ=17.74°±1.0°、29.62°±1.0°、30.97°±1.0°、44.37°±1.0°、47.22°±1.0°及び51.70°±1.0°から選択される1又は2以上の位置に、第2の結晶相に由来するピークが存在することがさらに好ましく、2θ=15.34°±1.0°及び2θ=25.19°±1.0°の位置に加えて、2θ=17.74°±1.0°、29.62°±1.0°、30.97°±1.0°、44.37°±1.0°、47.22°±1.0°及び51.70°±1.0°の全ての位置に、第2の結晶相に由来するピークが存在することがさらに一層好ましい。なお、第2の結晶相に由来するピークの位置は、中央値±1.0°で表されているが、中央値±0.50°で表されることが好ましく、中央値±0.30°で表されることがさらに好ましい。
以下、CuKα1線を用いて測定される本発明の硫化物固体電解質のX線回折パターンにおいて、第2の結晶相に由来するピークのうち、最大強度を有するピークは、通常、2θ=29.62°±1.0°の位置に存在するピークである。以下、2θ=29.62°±1.0°の位置に存在する第2の結晶相に由来するピークを「ピークPA」という場合がある。
本発明の硫化物固体電解質が第1の結晶相及び第2の結晶相を含む場合、CuKα1線を用いて測定される本発明の硫化物固体電解質のX線回折パターンにおいて、ピークPAの強度に対するピークP1の強度の百分率(ピークP1の強度/ピークPAの強度×100)は、好ましくは0.010%以上40%以下、さらに好ましくは0.030%以上30%以下、さらに一層好ましくは0.070%以上20%以下である。当該比が上述した範囲内であることにより、本発明の効果がより顕著になる。
本発明の硫化物固体電解質が第1の結晶相及び第2の結晶相を含む場合、CuKα1線を用いて測定される本発明の硫化物固体電解質のX線回折パターンにおいて、ピークPAの強度に対するピークP2の強度の百分率(ピークP2の強度/ピークPAの強度×100)は、好ましくは0.010%以上40%以下、さらに好ましくは0.050%以上30%以下、さらに一層好ましくは0.10%以上20%以下である。当該比が上述した範囲内であることにより、本発明の効果がより顕著になる。
本発明の硫化物固体電解質が第1の結晶相及び第2の結晶相を含む場合、CuKα1線を用いて測定される本発明の硫化物固体電解質のX線回折パターンにおいて、ピークPAの強度に対するピークP3の強度の百分率(ピークP3の強度/ピークPAの強度×100)は、好ましくは0.010%以上99%以下、さらに好ましくは0.10%以上97%以下、さらに一層好ましくは1.0%以上95%以下である。当該比が上述した範囲内であることにより、本発明の効果がより顕著になる。
ピークPA及びP3のピーク強度は次のようにして求められる。2θ=26.5°~26.9°の間の平均強度と2θ=37.5°~37.9°の間の平均強度を結ぶ直線をバックグラウンドし、各ピークの測定データからバックグランドを差し引く。その値を用いてPA及びP3のピーク強度を求める。ピークとは通常、極大を持ち、その極大値がピーク強度となる。
通常、強度が小さいピークP1及びP2のピーク強度は次のようにして求められる。それぞれの想定ピーク位置+0.7°から高角側へ10点分の強度の平均値をバックグラウンドとし、測定データからバックグラウンドを差し引く。強度が40カウント以上の極大を持つ位置をピークと定義し、その位置の強度をそれぞれのピークのピーク強度とする。ただし、最大ピーク強度が10000カウント以上になるように条件を選定し、測定する。
なお、CuKα1線を用いて測定される本発明の硫化物固体電解質のX線回折パターンにおいて、第1の結晶相に由来するピークが他のピークと重なり、ピーク分解が困難である場合であっても、例えば、統合X線解析ソフトウェアPDXL2(株式会社リガク社製)、1階微分値又は強度によって、第1の結晶相に由来するピークの位置を決定することができる。
統合X線解析ソフトウェアPDXL2による方法は、次のように行われる。まず、データ処理から自動を選択し、計算及び確定を実施する。次いで、PDXL2のメニューのバックグラウンド編集から、測定データのバックグラウンドが十分外挿される曲線になるように編集する。次いで、最適化を行い、測定データと計算値のバックグラウンドとピークとが十分に外挿できている状態で、得られた結果からピークの位置を決定する。
1階微分値による方法は、次のように行われる。測定データに対して、EXCEL等の計算プログラムで7点の加重移動平均を実施し、さらに得られた計算結果に対して7点の加重移動平均を実施し、I平均(x)を得る。得られたI平均(x)に対して、隣接するデータの差をもって1階微分値とし、正から負へ切り替わりゼロとなる位置、又は想定ピーク付近で1階微分値が極小となる位置をピーク位置とする。
I平均(x)={I(x-3)+I(x-2)+I(x-1)+I(x)+I(x+1)+I(x+2)+I(x+3)}/7
I平均(x)={I(x-3)+I(x-2)+I(x-1)+I(x)+I(x+1)+I(x+2)+I(x+3)}/7
本発明の硫化物固体電解質の形態は、好ましくは、粉末状である。
本発明の硫化物固体電解質の粒径(D10、D50又はD95)が、第1の結晶相を含まない硫化物固体電解質の粒径と同程度又はそれよりも有意に大きい場合であっても、本発明の硫化物固体電解質の比表面積(BET比表面積)は、第1の結晶相を含まない硫化物固体電解質の比表面積(BET比表面積)よりも有意に低減し得る。
本発明の硫化物固体電解質のBET比表面積は、好ましくは4.0m2/g以上10m2/g以下、さらに好ましくは5.0m2/g以上9.0m2/g以下、さらに一層好ましくは6.0m2/g以上8.0m2/g以下である。
良好な電池特性を得るためには、正負極の電極内部に均一に硫化物固体電解質が分布していることが好ましく、このような硫化物固体電解質の均一な分布を実現するためには、硫化物固体電解質の粒径を小さくすることが好ましい。硫化物固体電解質の粒径は、硫化物固体電解質の粉砕により小さくすることができる。しかしながら、粉砕により、形状がいびつな粒子や粉砕時に生じた微粉が凝集した二次粒子が発生し、硫化物固体電解質の比表面積が増大する場合がある。硫化物固体電解質の比表面積が増大すると、粒子表面に吸着する溶媒量が増加する傾向にある。そのため、硫化物固体電解質の比表面積の増大に伴い、硫化物固体電解質を含むスラリーの粘度が増大してしまう。ここで、スラリーの粘度が増大した場合には、多量の溶媒を用いてスラリーの粘度を調整する必要があるが、使用される溶媒量の増加は、コストの増大や、電池の生産性の低下の原因の一つである。また、硫化物固体電解質は、大気中の水分と反応すると、有毒な硫化水素ガスが発生するとともに、分解によってイオン伝導率が低下する。比表面積の増大に伴い、硫化物固体電解質と大気中の水分との反応面積が増大し、硫化水素ガス発生量及びイオン伝導率低下が増大する。このため、電池生産時に低水分環境を維持するコストが増大し、電池の生産性が低下する。以上のことを鑑みると、硫化物固体電解質の比表面積の増大を抑制するために、硫化物固体電解質の形状をより真球に近づけることが好ましい。
本発明の硫化物固体電解質のD10は特に限定されないが、正負極の電極内部に均一に硫化物固体電解質を分布させ、良好な電池特性を得る観点から、好ましくは0.20μm以上20μm以下、さらに好ましくは0.30μm以上10μm以下、さらに一層好ましくは0.45μm以上5.0μm以下である。
本発明の硫化物固体電解質のD50は特に限定されないが、正負極の電極内部に均一に硫化物固体電解質を分布させ、良好な電池特性を得る観点から、好ましくは0.10μm以上100μm以下、さらに好ましくは0.50μm以上50μm以下、さらに一層好ましくは1.0μm以上10μm以下である。
本発明の硫化物固体電解質のD95は特に限定されないが、正負極の電極内部に均一に硫化物固体電解質を分布させ、良好な電池特性を得る観点から、好ましくは0.10μm以上500μm以下、さらに好ましくは1.0μm以上300μm以下、さらに一層好ましくは2.0μm以上150μm以下である。
本発明の硫化物固体電解質の(A×B)/Cの値は特に限定されないが、本発明の効果をより顕著なものにするといった観点から、好ましくは25以下、さらに好ましくは20以下、さらに一層好ましくは18以下である。
本発明の硫化物固体電解質の真密度は特に限定されないが、本発明の効果をより顕著なものにするといった観点から、好ましくは1.0g/cm3以上4.0g/cm3以下、さらに好ましくは1.2g/cm3以上3.0g/cm3以下、さらに一層好ましくは1.6g/cm3以上2.5g/cm3以下である。
本発明の硫化物固体電解質のCS値は特に限定されないが、本発明の効果をより顕著なものにするといった観点から、好ましくは0.10m2/cm3以上20m2/cm3以下、さらに好ましくは0.30m2/cm3以上10m2/cm3以下、さらに一層好ましくは0.50m2/cm3以上8.0m2/cm3以下である。
≪電極合材≫
本発明の電極合材は、本発明の硫化物固体電解質と活物質とを含む。
本発明の電極合材は、本発明の硫化物固体電解質と活物質とを含む。
一実施形態において、本発明の電極合材は、負極合材であってもよく、正極合材であってもよい。負極合材は少なくとも負極活物質を含有し、正極合材は少なくとも正極活物質を含有する。電極合材は、必要に応じて固体電解質、導電助剤および結着剤を含有していてもよい。
負極活物質としては、例えば、炭素材料、金属材料等が挙げられ、これらのうち一種を単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。炭素材料や金属材料としては、負極活物質として一般的な材料を適宜用いることができるため、ここでの記載は省略する。負極活物質は、電子伝導性を有することが好ましい。
正極活物質は、リチウムイオンの挿入脱離が可能な物質であり、公知の正極活物質の中から適宜選択することができる。正極活物質としては、例えば、金属酸化物、硫化物等が挙げられる。金属酸化物としては、例えば、遷移金属酸化物等が挙げられる。
なお、電極合材に関するその他の説明については、一般的な電極合材と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
≪スラリー≫
本発明のスラリーは、本発明の硫化物固体電解質と分散媒とを含む。
本発明のスラリーは、本発明の硫化物固体電解質と分散媒とを含む。
本発明のスラリーにおける本発明の硫化物固体電解質の含有量は、本発明のスラリーの用途等に応じて適宜調整することができる。本発明のスラリーは、本発明の硫化物固体電解質の含有量に応じて種々の粘度を有し、粘度に応じて、インク、ペースト等の種々の形態をとる。本発明のスラリーにおける本発明の硫化物固体電解質の含有量は、本発明のスラリーの総質量を基準として、好ましくは10質量%以上90質量%以下、さらに好ましくは20質量%以上80質量%以下、さらに一層好ましくは30質量%以上70質量%以下である。
本発明のスラリーに含まれる分散媒は、本発明の硫化物固体電解質を分散させることができる液体である限り特に限定されない。分散媒としては、例えば、水、有機溶媒等が挙げられる。分散媒は、一種の溶媒であってもよいし、二種以上の溶媒の混合物であってもよい。
≪電池≫
本発明の電池は、正極層と、負極層と、正極層及び負極層の間に位置する固体電解質層とを備える電池であり、固体電解質層は、本発明の硫化物固体電解質を含む。なお、正極層、負極層および固体電解質層については、一般的な電池と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
本発明の電池は、正極層と、負極層と、正極層及び負極層の間に位置する固体電解質層とを備える電池であり、固体電解質層は、本発明の硫化物固体電解質を含む。なお、正極層、負極層および固体電解質層については、一般的な電池と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
本発明の電池は、好ましくは固体電池であり、さらに好ましくはリチウム固体電池である。リチウム固体電池は、一次電池であってもよいし、二次電池であってもよいが、リチウム二次電池であることが好ましい。固体電池は、液状物質又はゲル状物質を電解質として一切含まない固体電池のほか、例えば50質量%以下、30質量%以下、10質量%以下の液状物質又はゲル状物質を電解質として含む態様も包含する。固体電池の形態としては、例えば、ラミネート型、円筒型及び角型等が挙げられる。
≪硫化物固体電解質の製造方法≫
以下、本発明の硫化物固体電解質の製造方法について説明する。
本発明の硫化物固体電解質の製造方法は、図1に示すように、下記工程:
(1)リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素を含む硫化物固体電解質材料を中間体として準備する工程;並びに
(2)工程(1)で準備された中間体を熱処理して、本発明の硫化物固体電解質を得る工程を含む。
以下、本発明の硫化物固体電解質の製造方法について説明する。
本発明の硫化物固体電解質の製造方法は、図1に示すように、下記工程:
(1)リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素を含む硫化物固体電解質材料を中間体として準備する工程;並びに
(2)工程(1)で準備された中間体を熱処理して、本発明の硫化物固体電解質を得る工程を含む。
工程(1)で準備される中間体は、本発明の硫化物固体電解質の前駆体である。本発明においては、工程(1)で得られた中間体に対して工程(2)の熱処理を施すことにより、本発明の硫化物固体電解質を得ることができる。すなわち、本発明においては、工程(2)で施される熱処理によって第1の結晶相に起因するピークを有する本発明の硫化物固体電解質が得られる。したがって、中間体は、第1の結晶相に起因するピークを有しない材料となる。なお、「ピークを有しない」とは、上記≪硫化物固体電解質≫の項に記載したピークが存在するとの判定基準を満たさないことをいう。
中間体の組成は、本発明の硫化物固体電解質の組成を考慮して適宜調整することができる。中間体の組成は、通常、本発明の硫化物固体電解質の組成と同一である。中間体は、第2の結晶相に起因するピークを有することが好ましい。中間体に含まれる第2の結晶相の組成は、本発明の硫化物固体電解質に含まれる第2の結晶相の組成を考慮して適宜調整することができる。中間体に含まれる第2の結晶相の組成は、通常、本発明の硫化物固体電解質に含まれる第2の結晶相の組成と同一である。
中間体は、第2の結晶相で構成されていてもよく、第2の結晶相と一種又は二種以上のその他の相とで構成されていてもよい。その他の相については、上記≪硫化物固体電解質≫の項に記載した内容と同じであるため、ここでの記載は省略する。
中間体における第2の結晶相の含有割合は、上記≪硫化物固体電解質≫の項に記載した本発明の硫化物固体電解質における第2の結晶相の含有割合と同じであるため、ここでの記載は省略する。
中間体のD10は特に限定されないが、工程(2)において、所望のD10を有する硫化物固体電解質を効率よく得る観点から、好ましくは0.10μm以上1.0μm以下、さらに好ましくは0.20μm以上0.80μm以下、さらに一層好ましくは0.30μm以上0.60μm以下である。
中間体のD50は特に限定されないが、工程(2)において、所望の硫化物固体電解質を効率よく得る観点から、好ましくは0.10μm以上2.0μm以下、さらに好ましくは0.20μm以上1.8μm以下、さらに一層好ましくは0.30μm以上1.4μm以下、さらに一層好ましく0.40μm以上1.0μm以下である。
中間体のD95は特に限定されないが、工程(2)において、所望の硫化物固体電解質を効率よく得る観点から、好ましくは0.50μm以上5.0μm以下、さらに好ましくは0.60μm以上4.5μm以下、さらに一層好ましくは0.70μm以上4.0μm以下である。
中間体の(A×B)/Cの値は特に限定されないが、工程(2)において、所望の硫化物固体電解質を効率よく得る観点から、2.5超5.0以下であってもよく、2.6以上5.0以下であってもよく、2.7以上4.5以下であってもよく、2.8以上4.0以下であってもよい。
中間体のBET比表面積は特に限定されないが、工程(2)において、所望の硫化物固体電解質を効率よく得る観点から、好ましくは3.0m2/g以上25m2/g以下、さらに好ましくは5.0m2/g以上20m2/g以下、さらに一層好ましくは7.0m2/g以上17m2/g以下である。
中間体の真密度は特に限定されないが、工程(2)において、所望の硫化物固体電解質を効率よく得る観点から、好ましくは1.5g/cm3以上5.0g/cm3以下、さらに好ましくは1.7g/cm3以上4.5g/cm3以下、さらに一層好ましくは1.9g/cm3以上4.0g/cm3以下である。
中間体のCS値は特に限定されないが、工程(2)において、所望の硫化物固体電解質を効率よく得る観点から、好ましくは1.0m2/cm3以上25m2/cm3以下、さらに好ましくは2.0m2/cm3以上20m2/cm3以下、さらに一層好ましくは3.0m2/cm3以上15m2/cm3以下である。
本発明は、例えば図2に示すように、工程(1)において、リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素を含む原料粉末を熱処理して得られた熱処理体を粉砕し、ここで得られた粉砕体を中間体として準備することが好ましい。これにより、所望の特性を有する第1の原料粉末を効率よく準備することができる。
原料粉末は、中間体の原料であり、通常、粉末状である。原料粉末の組成は、中間体の組成を考慮して適宜調整することができる。原料粉末の組成は、通常、中間体の組成と同一である。原料粉末は、第1の結晶相に起因するピーク及び第2の結晶相に起因するピークのいずれも有しない。また、原料粉末の組成によっては、原料粉末に対して熱処理を施すことによって、第2の結晶相に起因するピークを有する熱処理体を得ることができる。
原料粉末としては、例えば、リチウム(Li)元素を含む一種又は二種以上の化合物の粉末と、リン(P)元素を含む一種又は二種以上の化合物の粉末と、硫黄(S)元素を含む一種又は二種以上の化合物の粉末と、場合によりハロゲン(X)元素を含む一種又は二種以上の化合物の粉末とを含む混合粉末を使用することができる。リチウム(Li)元素、リン(P)元素又はハロゲン(X)元素を含む化合物が硫黄(S)元素を含む場合、当該化合物は硫黄(S)元素を含む化合物にも該当する。したがって、リチウム(Li)元素、リン(P)元素又はハロゲン(X)元素を含む化合物と、硫黄(S)元素を含む化合物とは同一であってもよい。
リチウム(Li)元素、リン(P)元素、硫黄(S)元素及びハロゲン(X)元素を含む化合物としては、硫化物固体電解質の原料として一般的に用いられる公知の化合物と同様とすることができるため、ここでの記載は省略する。
原料粉末は、リチウム(Li)元素を含む一種又は二種以上の化合物の粉末と、リン(P)元素を含む一種又は二種以上の化合物の粉末と、硫黄(S)元素を含む一種又は二種以上の化合物の粉末と、場合によりハロゲン(X)元素を含む一種又は二種以上の化合物の粉末とを混合することにより調製することができる。混合は、例えば、乳鉢、ボールミル、振動ミル、転動ミル、ビーズミル、混練機等を用いて行うことができる。原料粉末は、混合処理によって生じた反応物を含んでいてもよい。混合は、原料粉末の結晶性が維持される程度の力で行うことが好ましい。
原料粉末は、例えば、Li2S粉末と、P2S5粉末と、LiCl粉末及び/又はLiBr粉末とを含む混合粉末である。
工程(1)における原料粉末の熱処理は、第2の結晶相を含む硫化物固体電解質が生成される条件で行われることが好ましい。熱処理温度は、好ましくは300℃以上550℃以下、さらに好ましくは350℃以上500℃以下、さらに一層好ましくは400℃以上520℃以下、さらに一層好ましくは450℃以上480℃以下で行われる。熱処理時間は、原料粉末の組成、熱処理温度等に応じて適宜調整することができる。熱処理時間は、好ましくは1時間以上10時間以下、さらに好ましくは2時間以上8時間以下、さらに一層好ましくは3時間以上6時間以下である。熱処理は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下で行われてもよいが、硫化水素ガス雰囲気下で行われることが好ましい。
原料粉末の熱処理によって得られた熱処理体(焼成体)の粉砕は、所望の特性を有する粉砕体が得られるように行われる。これにより、所望の特性を有する中間体を得ることができる。粉砕体のD10、D50及びD95の好ましい範囲は、それぞれ、中間体のD10、D50及びD95の好ましい範囲と同様である。
原料粉末の熱処理によって得られた熱処理体(焼成体)の粉砕は、例えば、ジェットミル、ボールミル、ビーズミル等を用いて、乾式又は湿式で行うことができる。粉砕を湿式で行う場合、溶媒として、炭化水素系溶媒を用いることが好ましい。
粉砕後、所定の目開きの篩を用いて分級を行ってもよい。粉砕条件(例えば、粉砕機の回転数、粉砕処理工程数、粉砕処理時間、熱処理体に与えるエネルギー等)、分級に用いられる篩の目開き等は、得ようとする粉砕体の粒径に応じて適宜調整することができる。
工程(1)で準備された中間体の熱処理は、粒成長が生じる温度で行われる。したがって、中間体の熱処理によって得られる熱処理体の粒径は、中間体の粒径よりも大きい。例えば、熱処理体のD10は、中間体のD10の1倍以上20倍以下であってもよく、1.05倍以上15倍以下であってもよく、1.1倍以上10倍以下であってもよい。また、熱処理体のD50は、例えば、中間体のD50の1.1倍以上200倍以下であってもよく、1.2倍以上100倍以下であってもよく、1.3倍以上50倍以下であってもよい。さらに、熱処理体のD95は、例えば、中間体のD95の1.2倍以上200倍以下であってもよく、1.4倍以上150倍以下であってもよく、2倍以上100倍以下であってもよい。
工程(1)で準備された中間体の熱処理によって、中間体に含まれる固体電解質粒子内部の歪が緩和され、結晶性が増大するとともに、粉砕工程で発生した微粒子の焼結が促進される。
工程(1)で準備された中間体の熱処理は、第1の結晶相を含む硫化物固体電解質が生成される条件で行われる。熱処理温度は、好ましくは200℃以上500℃以下、さらに好ましくは200℃以上450℃以下、さらに一層好ましくは220℃以上420℃以下、さらに一層好ましくは240℃以上400℃以下である。中間体の熱処理時間は、中間体の組成、熱処理温度等に応じて適宜調整することができるが、工程(2)において、比表面積の小さい硫化物固体電解質を得る観点から、好ましくは0.5時間以上5時間以下、さらに好ましくは1.5時間以上4時間以下、さらに一層好ましくは2時間以上3時間以下である。熱処理は、硫化水素気流下で行われてもよいが、工程(2)において、第1の結晶相を含む硫化物固体電解質(好ましくは、第1の結晶相及び第2の結晶相を含む硫化物固体電解質)を効率よく得る観点から、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下で行われることが好ましい。
中間体の熱処理によって得られた熱処理体(焼成体)は、例えば図3に示すように、必要に応じて粉砕してもよい。中間体の熱処理によって得られた熱処理体(焼成体)の粉砕は、例えば、ジェットミル、ボールミル、ビーズミル等を用いて、乾式又は湿式で行うことができる。
粉砕後、所定の目開きの篩を用いて分級を行ってもよい。粉砕条件(例えば、粉砕機の回転数、粉砕処理工程数、粉砕処理時間、熱処理体に与えるエネルギー等)、分級に用いられる篩の目開き等は、得ようとする粉砕体の粒径に応じて適宜調整することができる。
各実施例において、固体電解質の特性評価は、以下の方法を用いて行った。
<組成>
各実施例で得られた硫化物固体電解質のサンプルを全溶解してICP発光分析法によりサンプルの元素組成を分析した。
各実施例で得られた硫化物固体電解質のサンプルを全溶解してICP発光分析法によりサンプルの元素組成を分析した。
<結晶相>
硫化物固体電解質サンプルにおける結晶相の分析は、X線回折法(XRD、Cu線源)で分析し、X線回折パターンを得た。X線回折法は、株式会社リガク製のXRD装置「Smart Lab」を用いて、走査軸:2θ/θ、走査範囲:10~140deg、ステップ幅:0.01deg、走査速度:1deg/minの条件下で行った。なお、この条件で最大ピーク強度が10000カウント以上となる。実施例1~3においては、大気非曝露セル中でX線回折法を行った。
硫化物固体電解質サンプルにおける結晶相の分析は、X線回折法(XRD、Cu線源)で分析し、X線回折パターンを得た。X線回折法は、株式会社リガク製のXRD装置「Smart Lab」を用いて、走査軸:2θ/θ、走査範囲:10~140deg、ステップ幅:0.01deg、走査速度:1deg/minの条件下で行った。なお、この条件で最大ピーク強度が10000カウント以上となる。実施例1~3においては、大気非曝露セル中でX線回折法を行った。
<D10、D50及びD95>
レーザー回折散乱式粒度分布測定法による硫化物固体電解質の粒度分布の測定は、次の手順で行った。レーザー回折粒子径分布測定装置用自動試料供給機(日機装株式会社製「Microtorac SDC」)を用い、硫化物固体電解質を含む測定用試料の流速を50%に設定し、硫化物固体電解質を含む測定用試料に対して30Wの超音波を60秒間照射した。その後、日機装株式会社製レーザー回折粒度分布測定機「MT3000II」を用いて粒度分布を測定し、得られた体積基準粒度分布のチャートから、累積体積が10体積%、50体積%及び95体積%となる粒径を求め、それぞれ、D10、D50及びD95とした。なお、D10、D50及びD95の測定の際、有機溶媒を60μmのフィルターを通し、溶媒屈折率を1.50、粒子透過性条件を透過、粒子屈折率1.59、形状を非球形とし、測定レンジを0.133μm~704.0μm、測定時間を10秒とし、測定を2回行い、得られた測定値の平均値をそれぞれD10、D50及びD95とした。
レーザー回折散乱式粒度分布測定法による硫化物固体電解質の粒度分布の測定は、次の手順で行った。レーザー回折粒子径分布測定装置用自動試料供給機(日機装株式会社製「Microtorac SDC」)を用い、硫化物固体電解質を含む測定用試料の流速を50%に設定し、硫化物固体電解質を含む測定用試料に対して30Wの超音波を60秒間照射した。その後、日機装株式会社製レーザー回折粒度分布測定機「MT3000II」を用いて粒度分布を測定し、得られた体積基準粒度分布のチャートから、累積体積が10体積%、50体積%及び95体積%となる粒径を求め、それぞれ、D10、D50及びD95とした。なお、D10、D50及びD95の測定の際、有機溶媒を60μmのフィルターを通し、溶媒屈折率を1.50、粒子透過性条件を透過、粒子屈折率1.59、形状を非球形とし、測定レンジを0.133μm~704.0μm、測定時間を10秒とし、測定を2回行い、得られた測定値の平均値をそれぞれD10、D50及びD95とした。
硫化物固体電解質を含む測定用試料は、次のようにして作製した。まず、硫化物固体電解質0.3gと分散剤含有液5.7g(トルエンの質量:分散剤(サンノプコ株式会社製 SNディスパーサント9228)の質量=19:1(質量比)とを手混合することにより、硫化物固体電解質を含むスラリーを作製した。次いで、硫化物固体電解質を含むスラリー6mlを有機溶媒(トルエン)に投入することにより、硫化物固体電解質を含む測定用試料を調製した。硫化物固体電解質を含む測定用試料において硫化物固体電解質は凝集せずに分散している。硫化物固体電解質を含む測定用試料において硫化物固体電解質が凝集せずに分散し得る限り、分散剤の種類及び使用量は適宜変更可能である。
<BET比表面積>
BET比表面積は、次の方法で算出した。MicrotracBEL株式会社製の比表面積測定装置「BELSORP-miniII」を用いて、定容量ガス吸着法により吸脱着等温線を測定し、多点法によりBET比表面積を算出した。前処理は減圧環境下で120℃にて30分以上実施した。パージガスにはHe、吸着質にはN2を使用した。
BET比表面積は、次の方法で算出した。MicrotracBEL株式会社製の比表面積測定装置「BELSORP-miniII」を用いて、定容量ガス吸着法により吸脱着等温線を測定し、多点法によりBET比表面積を算出した。前処理は減圧環境下で120℃にて30分以上実施した。パージガスにはHe、吸着質にはN2を使用した。
<真密度>
MicrotracBEL株式会社製の真密度評価装置「BELPycno」を用いて、ガス置換法によって真密度を算出した。前処理はパージにて5回実施した。測定にはアルミナ10cm3セルを使用し、セルの7割程度まで試料を充填した。
MicrotracBEL株式会社製の真密度評価装置「BELPycno」を用いて、ガス置換法によって真密度を算出した。前処理はパージにて5回実施した。測定にはアルミナ10cm3セルを使用し、セルの7割程度まで試料を充填した。
<CS値>
D10、D50及びD95の測定と同様にして、日機装株式会社製レーザー回折粒度分布測定機「MT3000II」を用いて粒度分布を測定し、得られた体積基準粒度分布のチャートから、CS値を算出した。
D10、D50及びD95の測定と同様にして、日機装株式会社製レーザー回折粒度分布測定機「MT3000II」を用いて粒度分布を測定し、得られた体積基準粒度分布のチャートから、CS値を算出した。
<比較例1>
組成がLi5.4PS4.4Cl0.8Br0.8となり、全量が5gとなるように、Li2S粉末、P2S5粉末、LiCl粉末及びLiBr粉末をそれぞれ秤量し、ボールミルで15時間、粉砕及び混合を行い、原料粉末を得た。得られた原料粉末の特性(D50及びD95)を評価した。原料粉末のD50及びD95はそれぞれ4.58μm及び16.55μmであった。原料粉末のD50及びD95の測定は、原料粉末を含む測定用試料を使用した点を除き、上記と同様に行った。原料粉末を含む測定用試料は、次のようにして作製した。原料粉末をトルエン中にてボールミルで15時間、粉砕及び混合を行い、原料スラリーを得た。次いで、有機溶媒(トルエン)に分散剤(サンノプコ株式会社製 SNディスパーサント9228)を数滴滴下した後、原料粉末を含むスラリーを数滴滴下することにより、原料粉末を含む測定用試料を作製した。
組成がLi5.4PS4.4Cl0.8Br0.8となり、全量が5gとなるように、Li2S粉末、P2S5粉末、LiCl粉末及びLiBr粉末をそれぞれ秤量し、ボールミルで15時間、粉砕及び混合を行い、原料粉末を得た。得られた原料粉末の特性(D50及びD95)を評価した。原料粉末のD50及びD95はそれぞれ4.58μm及び16.55μmであった。原料粉末のD50及びD95の測定は、原料粉末を含む測定用試料を使用した点を除き、上記と同様に行った。原料粉末を含む測定用試料は、次のようにして作製した。原料粉末をトルエン中にてボールミルで15時間、粉砕及び混合を行い、原料スラリーを得た。次いで、有機溶媒(トルエン)に分散剤(サンノプコ株式会社製 SNディスパーサント9228)を数滴滴下した後、原料粉末を含むスラリーを数滴滴下することにより、原料粉末を含む測定用試料を作製した。
得られた原料粉末をカーボン製の容器に充填した後、管状電気炉にて、硫化水素ガスを1.0L/分で流通させながら、昇降温速度200℃/時間にて300℃で4時間熱処理した後、500℃で4時間熱処理した。
得られた熱処理体(焼成体)を粉砕し、粉砕体(比較例1の硫化物固体電解質)を得た。粉砕は遊星ボールミル(フリッチュ製)を用いて2段階で粉砕することで行った。1段階目の粉砕では、遊星ボールミル(フリッチュ製)を用いて行った。容量80cm3のジルコニア製容器に硫化物固体電解質(熱処理体)5g、脱水ヘプタン10g、5mmZrO2ボール90gを入れ、回転数100rpmで3時間粉砕処理を行った。得られたスラリーを真空乾燥し、1段階目の粉砕体とした。得られた1段階目の粉砕体を用いて2段階目の粉砕を行った。2段階目の粉砕では、容量80cm3のジルコニア製容器に硫化物固体電解質(第1段階目の粉砕体)2g、分散剤(酢酸ブチル)0.06g、超脱水トルエン10g、0.8mmZrO2ボール90gを入れ、回転数100rpmで1時間粉砕処理を行った。得られたスラリーに対して、ボール分離及び固液分離を行い、80℃で真空乾燥した後、目開き53μmの篩を通して整粒し、比較例1の硫化物固体電解質を得た。
なお、秤量、混合、電気炉へのセット、電気炉からの取り出し、粉砕及び整粒作業は全て、十分に乾燥されたArガス(露点-60℃以下)で置換されたグローブボックス内で行った。
得られた硫化物固体電解質の評価結果を表1A及び図4に示す。
図4に示すように、硫化物固体電解質は、CuKα1線を用いて測定されるX線回折パターンにおいて、第1の結晶相に由来するピークを有さず、第2の結晶相に由来するピークを有していた。
<実施例1>
実施例1の硫化物固体電解質の原料として、比較例1の硫化物固体電解質を使用した。比較例1の硫化物固体電解質を、アルゴンガスを1L/分の流量でフローした環境下、270℃で2時間熱処理し、熱処理体(実施例1の硫化物固体電解質)を得た。
実施例1の硫化物固体電解質の原料として、比較例1の硫化物固体電解質を使用した。比較例1の硫化物固体電解質を、アルゴンガスを1L/分の流量でフローした環境下、270℃で2時間熱処理し、熱処理体(実施例1の硫化物固体電解質)を得た。
得られた硫化物固体電解質の評価結果を表1A及び図4に示す。
図4に示すように、硫化物固体電解質は、第1の結晶相および第2の結晶相に由来するピークを有していた。
<実施例2>
固体電解質の熱処理温度を300℃に変更した点を除き、実施例1と同様の操作を行った。評価結果を表1A及び図4に示す。
固体電解質の熱処理温度を300℃に変更した点を除き、実施例1と同様の操作を行った。評価結果を表1A及び図4に示す。
図4に示すように、硫化物固体電解質は、第1の結晶相および第2の結晶相に由来するピークを有していた。
<実施例3>
硫化物固体電解質の熱処理温度を350℃に変更した点を除き、実施例1と同様の操作を行った。評価結果を表1B及び図4に示す。
硫化物固体電解質の熱処理温度を350℃に変更した点を除き、実施例1と同様の操作を行った。評価結果を表1B及び図4に示す。
図4に示すように、硫化物固体電解質は、第1の結晶相および第2の結晶相に由来するピークを有していた。
<実施例4>
容量80cm3のジルコニア製容器に実施例3で得られた硫化物固体電解質2g、分散剤(酢酸ブチル)0.06g、超脱水トルエン10g、0.8mmZrO2ボール90gを入れ、回転数100rpmで10分間粉砕処理を行った。得られたスラリーに対して、ボール分離及び固液分離を行い、80℃で真空乾燥した後、目開き53μmの篩を通して整粒し、実施例4の硫化物固体電解質を得た。評価結果を表1B及び図4に示す。
容量80cm3のジルコニア製容器に実施例3で得られた硫化物固体電解質2g、分散剤(酢酸ブチル)0.06g、超脱水トルエン10g、0.8mmZrO2ボール90gを入れ、回転数100rpmで10分間粉砕処理を行った。得られたスラリーに対して、ボール分離及び固液分離を行い、80℃で真空乾燥した後、目開き53μmの篩を通して整粒し、実施例4の硫化物固体電解質を得た。評価結果を表1B及び図4に示す。
図4に示すように、硫化物固体電解質は、第1の結晶相および第2の結晶相に由来するピークを有していた。
<実施例5>
原料粉末に対する熱処理の条件を、H2S雰囲気中で300℃にて8時間としたこと、及び熱処理体に対して2段階目の粉砕を行わなかったこと以外は、比較例1と同様の操作を実施した。評価結果を表1B及び図4に示す。
原料粉末に対する熱処理の条件を、H2S雰囲気中で300℃にて8時間としたこと、及び熱処理体に対して2段階目の粉砕を行わなかったこと以外は、比較例1と同様の操作を実施した。評価結果を表1B及び図4に示す。
図4に示すように、硫化物固体電解質は、第1の結晶相および第2の結晶相に由来するピークを有していた。
表1に示すように、実施例1~5により、Li、P及びSを含む硫化物固体電解質であって、X線回折パターンにおいて、第1の結晶相に起因するピークを有する硫化物固体電解質を得ることができた。
なお、図4に示すX線回折パターンにおいて、2θ=19.5±1.00°、23.2±1.00°及び29.2±0.500°の位置に存在する第1の結晶相に由来するピークを、それぞれ、「ピークP1」、「ピークP2」及び「ピークP3」とし、2θ=29.62°±1.00°の位置に存在する第2の結晶相に由来するピーク(第2の結晶相に由来するピークのうち、最大強度を有するピーク)を「ピークPA」とした場合、実施例1~5における、ピークPAの強度に対するピークP1の強度の百分率(ピークP1の強度/ピークPAの強度×100)、ピークPAの強度に対するピークP2の強度の百分率(ピークP2の強度/ピークPAの強度×100)、及び、ピークPAの強度に対するピークP3の強度の百分率(ピークP3の強度/ピークPAの強度×100)は、表2~表4に示す通りであった。
Claims (10)
- リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素を含むとともに、
CuKα1線を用いて測定されるX線回折パターンにおいて、2θ=23.2°±1.0°及び2θ=29.2°±0.5°の位置にピークを有する、硫化物固体電解質。 - CuKα1線を用いて測定されるX線回折パターンにおいて、2θ=19.5°±1.0°及び2θ=30.5°±0.5°の位置にピークを有する、請求項1に記載の硫化物固体電解質。
- CuKα1線を用いて測定されるX線回折パターンにおいて、2θ=15.34°±1.00°及び2θ=25.19°±1.00°の位置にピークを有する、請求項1又は2に記載の硫化物固体電解質。
- 3m2/g以上11m2/g以下のBET比表面積を有する、請求項1~3のいずれか一項に記載の硫化物固体電解質。
- 下記式:
LiaPSbXc
[式中、Xは少なくとも一種のハロゲン元素であり、aは3.0以上6.5以下であり、bは3.5以上5.5以下であり、cは0.50以上3.0以下である。]
で表される組成を有する、請求項1~4のいずれか一項に記載の硫化物固体電解質。 - 前記ハロゲン(X)元素が、塩素(Cl)元素及び臭素(Br)元素の少なくとも一種である、請求項5に記載の硫化物固体電解質。
- 請求項1~6のいずれか一項に記載の硫化物固体電解質と活物質とを含む電極合材。
- 請求項1~6のいずれか一項に記載の硫化物固体電解質と分散媒とを含むスラリー。
- 正極層と、負極層と、前記正極層及び前記負極層の間に位置する固体電解質層とを備え、
前記固体電解質層が、請求項1~6のいずれか一項に記載の硫化物固体電解質を含む、電池。 - 下記工程:
(1)リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素を含む硫化物固体電解質材料を中間体として準備する工程;並びに
(2)前記中間体を熱処理して、請求項1~6のいずれか一項に記載の硫化物固体電解質を得る工程
を含む、硫化物固体電解質の製造方法。
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