JP2022171030A - Solid electrolyte, electrolyte composition, electrolyte sheet and power storage device - Google Patents
Solid electrolyte, electrolyte composition, electrolyte sheet and power storage device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2022171030A JP2022171030A JP2021077400A JP2021077400A JP2022171030A JP 2022171030 A JP2022171030 A JP 2022171030A JP 2021077400 A JP2021077400 A JP 2021077400A JP 2021077400 A JP2021077400 A JP 2021077400A JP 2022171030 A JP2022171030 A JP 2022171030A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrolyte
- solid electrolyte
- layer
- solid
- composition
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 title claims abstract description 96
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 title claims abstract description 91
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 72
- 238000003860 storage Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 claims abstract description 32
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 30
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 claims abstract description 17
- -1 imidazolium cations Chemical class 0.000 claims abstract description 14
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N hydron Chemical compound [H+] GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 10
- 238000007865 diluting Methods 0.000 claims description 3
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 abstract description 9
- 238000001879 gelation Methods 0.000 abstract description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 6
- 239000002223 garnet Substances 0.000 abstract description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 80
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 43
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 25
- 239000000463 material Substances 0.000 description 22
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 20
- BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 1,1-Difluoroethene Chemical compound FC(F)=C BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 16
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 16
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 12
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 11
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 11
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 9
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 239000002798 polar solvent Substances 0.000 description 8
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 8
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 8
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 7
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 7
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- RAXXELZNTBOGNW-UHFFFAOYSA-O Imidazolium Chemical compound C1=C[NH+]=CN1 RAXXELZNTBOGNW-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 description 5
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 5
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical group [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- ANFWGAAJBJPAHX-UHFFFAOYSA-N bis(fluorosulfonyl)azanide;1-ethyl-3-methylimidazol-3-ium Chemical compound CC[N+]=1C=CN(C)C=1.FS(=O)(=O)[N-]S(F)(=O)=O ANFWGAAJBJPAHX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 4
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 4
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 150000004291 polyenes Polymers 0.000 description 4
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 4
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 description 4
- ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 2-Butanone Chemical compound CCC(C)=O ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 3
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 3
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 3
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 3
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 2
- 229910003327 LiNbO3 Inorganic materials 0.000 description 2
- WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M Lithium hydroxide Chemical compound [Li+].[OH-] WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 2
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 2
- JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N Pyridine Chemical compound C1=CC=NC=C1 JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 2
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- LRESCJAINPKJTO-UHFFFAOYSA-N bis(trifluoromethylsulfonyl)azanide;1-ethyl-3-methylimidazol-3-ium Chemical compound CCN1C=C[N+](C)=C1.FC(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)F LRESCJAINPKJTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 2
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 2
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 2
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003273 ketjen black Substances 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010944 silver (metal) Substances 0.000 description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000005463 sulfonylimide group Chemical group 0.000 description 2
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N tetrafluoroethene Chemical group FC(F)=C(F)F BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 2
- ZXMGHDIOOHOAAE-UHFFFAOYSA-N 1,1,1-trifluoro-n-(trifluoromethylsulfonyl)methanesulfonamide Chemical compound FC(F)(F)S(=O)(=O)NS(=O)(=O)C(F)(F)F ZXMGHDIOOHOAAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PXLYGWXKAVCTPX-UHFFFAOYSA-N 1,2,3,4,5,6-hexamethylidenecyclohexane Chemical class C=C1C(=C)C(=C)C(=C)C(=C)C1=C PXLYGWXKAVCTPX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYHBNJHYFVUHQT-UHFFFAOYSA-N 1,4-Dioxane Chemical compound C1COCCO1 RYHBNJHYFVUHQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 2-(2-methoxy-5-methylphenyl)ethanamine Chemical compound COC1=CC=C(C)C=C1CCN SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FFISWZPYNKWIRR-UHFFFAOYSA-N 5-oxidophenazin-5-ium Chemical compound C1=CC=C2[N+]([O-])=C(C=CC=C3)C3=NC2=C1 FFISWZPYNKWIRR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N Acrylonitrile Chemical compound C=CC#N NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001148 Al-Li alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910020366 ClO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N Diethyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OCC OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001856 Ethyl cellulose Substances 0.000 description 1
- ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N Ethyl cellulose Chemical compound CCOCC1OC(OC)C(OCC)C(OCC)C1OC1C(O)C(O)C(OC)C(CO)O1 ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018068 Li 2 O Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018091 Li 2 S Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000733 Li alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010171 Li2MoO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007848 Li2TiO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007786 Li2WO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007822 Li2ZrO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002986 Li4Ti5O12 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010629 Li6.75La3Zr1.75Nb0.25O12 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010092 LiAlO2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910032387 LiCoO2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010707 LiFePO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002099 LiNi0.5Mn1.5O4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002995 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910014420 LiNi1/3Mn1/3Co1/3O Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013124 LiNiVO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910012463 LiTaO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002097 Lithium manganese(III,IV) oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-M Methacrylate Chemical compound CC(=C)C([O-])=O CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-N Methacrylic acid Chemical compound CC(=C)C(O)=O CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NTIZESTWPVYFNL-UHFFFAOYSA-N Methyl isobutyl ketone Chemical compound CC(C)CC(C)=O NTIZESTWPVYFNL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UIHCLUNTQKBZGK-UHFFFAOYSA-N Methyl isobutyl ketone Natural products CCC(C)C(C)=O UIHCLUNTQKBZGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylacetamide Chemical compound CN(C)C(C)=O FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 229910006095 SO2F Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018286 SbF 6 Inorganic materials 0.000 description 1
- XTXRWKRVRITETP-UHFFFAOYSA-N Vinyl acetate Chemical compound CC(=O)OC=C XTXRWKRVRITETP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BZHJMEDXRYGGRV-UHFFFAOYSA-N Vinyl chloride Chemical compound ClC=C BZHJMEDXRYGGRV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QYKIQEUNHZKYBP-UHFFFAOYSA-N Vinyl ether Chemical compound C=COC=C QYKIQEUNHZKYBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GJEAMHAFPYZYDE-UHFFFAOYSA-N [C].[S] Chemical class [C].[S] GJEAMHAFPYZYDE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QTJOIXXDCCFVFV-UHFFFAOYSA-N [Li].[O] Chemical compound [Li].[O] QTJOIXXDCCFVFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JDZCKJOXGCMJGS-UHFFFAOYSA-N [Li].[S] Chemical compound [Li].[S] JDZCKJOXGCMJGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 description 1
- 125000003545 alkoxy group Chemical group 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000003368 amide group Chemical group 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 125000000129 anionic group Chemical group 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000004104 aryloxy group Chemical group 0.000 description 1
- 125000003917 carbamoyl group Chemical group [H]N([H])C(*)=O 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 125000005708 carbonyloxy group Chemical group [*:2]OC([*:1])=O 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 229920003086 cellulose ether Polymers 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001805 chlorine compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004093 cyano group Chemical group *C#N 0.000 description 1
- 125000000753 cycloalkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002845 discoloration Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 125000004185 ester group Chemical group 0.000 description 1
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 1
- 150000002170 ethers Chemical class 0.000 description 1
- 229920001249 ethyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 235000019325 ethyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N ethyl methyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OC JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000840 ethylene tetrafluoroethylene copolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 238000002290 gas chromatography-mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 125000005843 halogen group Chemical group 0.000 description 1
- HCDGVLDPFQMKDK-UHFFFAOYSA-N hexafluoropropylene Chemical group FC(F)=C(F)C(F)(F)F HCDGVLDPFQMKDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GNOIPBMMFNIUFM-UHFFFAOYSA-N hexamethylphosphoric triamide Chemical compound CN(C)P(=O)(N(C)C)N(C)C GNOIPBMMFNIUFM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001519 homopolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 1
- 150000004679 hydroxides Chemical class 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052743 krypton Inorganic materials 0.000 description 1
- DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N krypton atom Chemical compound [Kr] DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052747 lanthanoid Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002602 lanthanoids Chemical class 0.000 description 1
- 239000001989 lithium alloy Substances 0.000 description 1
- XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L lithium carbonate Chemical compound [Li+].[Li+].[O-]C([O-])=O XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910052808 lithium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001386 lithium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229920000609 methyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000001923 methylcellulose Substances 0.000 description 1
- 235000010981 methylcellulose Nutrition 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- 125000001624 naphthyl group Chemical group 0.000 description 1
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 1
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002823 nitrates Chemical class 0.000 description 1
- 125000000449 nitro group Chemical group [O-][N+](*)=O 0.000 description 1
- LYGJENNIWJXYER-UHFFFAOYSA-N nitromethane Chemical compound C[N+]([O-])=O LYGJENNIWJXYER-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VWBWQOUWDOULQN-UHFFFAOYSA-N nmp n-methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O.CN1CCCC1=O VWBWQOUWDOULQN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 description 1
- 235000021317 phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 150000003013 phosphoric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000003863 physical function Effects 0.000 description 1
- 229920002493 poly(chlorotrifluoroethylene) Polymers 0.000 description 1
- 229920002037 poly(vinyl butyral) polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000005023 polychlorotrifluoroethylene (PCTFE) polymer Substances 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 235000019422 polyvinyl alcohol Nutrition 0.000 description 1
- 229920002620 polyvinyl fluoride Polymers 0.000 description 1
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 description 1
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 description 1
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 description 1
- QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N propylene Natural products CC=C QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004805 propylene group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([*:1])C([H])([H])[*:2] 0.000 description 1
- 239000003586 protic polar solvent Substances 0.000 description 1
- UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N pyridine Natural products COC1=CC=CN=C1 UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004053 quinones Chemical class 0.000 description 1
- 229910052704 radon Inorganic materials 0.000 description 1
- SYUHGPGVQRZVTB-UHFFFAOYSA-N radon atom Chemical compound [Rn] SYUHGPGVQRZVTB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 239000012453 solvate Substances 0.000 description 1
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 1
- 239000012258 stirred mixture Substances 0.000 description 1
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- HXJUTPCZVOIRIF-UHFFFAOYSA-N sulfolane Chemical compound O=S1(=O)CCCC1 HXJUTPCZVOIRIF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000000565 sulfonamide group Chemical group 0.000 description 1
- 125000000472 sulfonyl group Chemical group *S(*)(=O)=O 0.000 description 1
- 150000003467 sulfuric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CZDYPVPMEAXLPK-UHFFFAOYSA-N tetramethylsilane Chemical compound C[Si](C)(C)C CZDYPVPMEAXLPK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- 125000002023 trifluoromethyl group Chemical group FC(F)(F)* 0.000 description 1
- 125000001889 triflyl group Chemical group FC(F)(F)S(*)(=O)=O 0.000 description 1
- TWQULNDIKKJZPH-UHFFFAOYSA-K trilithium;phosphate Chemical compound [Li+].[Li+].[Li+].[O-]P([O-])([O-])=O TWQULNDIKKJZPH-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 description 1
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000012856 weighed raw material Substances 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Conductive Materials (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
Description
本発明は固体電解質、電解質組成物、電解質シート及び蓄電デバイスに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid electrolyte, an electrolyte composition, an electrolyte sheet and an electricity storage device.
Li,La,Zr及びOを含むガーネット型構造の固体電解質は知られている(特許文献1)。 A solid electrolyte with a garnet structure containing Li, La, Zr and O is known (Patent Document 1).
先行技術においてLi,La,Zr及びOを含むガーネット型構造の固体電解質と有機化合物とを混ぜたときに、有機化合物が固体電解質と反応してゲル化(非流動化)することがある。ゲル状態になると固体電解質の分散状態にばらつきが生じる。 In the prior art, when a solid electrolyte with a garnet-type structure containing Li, La, Zr and O is mixed with an organic compound, the organic compound may react with the solid electrolyte and gel (non-fluidize). When the solid electrolyte is in a gel state, dispersion occurs in the state of dispersion of the solid electrolyte.
本発明はこの問題点を解決するためになされたものであり、ゲル化を低減できる固体電解質、電解質組成物、電解質シート及び蓄電デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve this problem, and an object of the present invention is to provide a solid electrolyte, an electrolyte composition, an electrolyte sheet, and an electricity storage device that can reduce gelation.
この目的を達成するために本発明の固体電解質は、Li,La,Zr及びOを含むガーネット型構造の固体電解質であって、N-メチルピロリドン及び固体電解質からなる混合物において、混合物に対し固体電解質は24.5wt%含まれており、混合物の上澄みを純水で10倍希釈した液の水素イオン指数はpH8以下である。
In order to achieve this object, the solid electrolyte of the present invention is a solid electrolyte having a garnet-type structure containing Li, La, Zr and O, wherein in a mixture comprising N-methylpyrrolidone and a solid electrolyte, is contained in an amount of 24.5% by weight, and the hydrogen ion exponent of the liquid obtained by diluting the supernatant of the
本発明の電解質組成物は、固体電解質と、イミダゾリウムカチオンを含むイオン液体と、リチウム塩と、-CH2CF2-を含むポリマーと、を含む。本発明の電解質シートは電解質組成物からなる。本発明の蓄電デバイスは、電解質組成物からなる電解質層を含む。 The electrolyte composition of the present invention includes a solid electrolyte, an ionic liquid containing imidazolium cations, a lithium salt, and a polymer containing —CH 2 CF 2 —. The electrolyte sheet of the present invention comprises an electrolyte composition. The electricity storage device of the present invention includes an electrolyte layer made of an electrolyte composition.
本発明の固体電解質によれば塩基性が弱まるので、固体電解質と有機化合物との相互作用が起こり難くなり、ゲル化を低減できる。固体電解質を含む電解質組成物、電解質組成物を含む電解質シート及び蓄電デバイスによれば、固体電解質の分散状態のばらつきを低減できる。 Since the solid electrolyte of the present invention is less basic, interaction between the solid electrolyte and the organic compound is less likely to occur, and gelation can be reduced. According to the electrolyte composition containing the solid electrolyte, the electrolyte sheet containing the electrolyte composition, and the electric storage device, the dispersion state of the solid electrolyte can be reduced.
以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。図1は一実施の形態における蓄電デバイス10の模式的な断面図である。本実施形態における蓄電デバイス10は、発電要素が固体で構成された固体電池からなる二次電池である。発電要素が固体で構成されているとは、発電要素の骨格が固体で構成されていることを意味し、例えば骨格中に液体が含浸した形態を排除するものではない。
Preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an
図1に示すように蓄電デバイス10は、順に正極層11、電解質層14及び負極層15を含む。正極層11、電解質層14及び負極層15はケース(図示せず)に収容されている。
As shown in FIG. 1, the
正極層11は集電層12と複合層13とが重ね合わされている。集電層12は導電性を有する部材である。集電層12の材料はNi,Ti,Fe及びAlから選ばれる金属、これらの2種以上の元素を含む合金やステンレス鋼、炭素材料が例示される。
The
複合層13は電解質組成物からなる。電解質組成物は、固体電解質18、活物質19、ポリマー及び電解液を含む。複合層13の抵抗を低くするために、複合層13に導電助剤が含まれていても良い。導電助剤は、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、Ni、Pt及びAgが例示される。
The
活物質19は、遷移金属を有する金属酸化物、硫黄系活物質、有機系活物質が例示される。遷移金属を有する金属酸化物は、Mn,Co,Ni,Fe,Cr及びVの中から選択される1種以上の元素とLiとを含む金属酸化物が例示される。遷移金属を有する金属酸化物は、LiCoO2,LiNi0.8Co0.15Al0.05O2,LiMn2O4,LiNiVO4,LiNi0.5Mn1.5O4,LiNi1/3Mn1/3Co1/3O4及びLiFePO4が例示される。
The
活物質19と固体電解質18との反応の抑制を目的として、活物質19の表面に被覆層を設けることができる。被覆層は、Al2O3,ZrO2,LiNbO3,Li4Ti5O12,LiTaO3,LiNbO3,LiAlO2,Li2ZrO3,Li2WO4,Li2TiO3,Li2B4O7,Li3PO4及びLi2MoO4が例示される。
A coating layer can be provided on the surface of the
硫黄系活物質は、S,TiS2,NiS,FeS2,Li2S,MoS3及び硫黄-カーボンコンポジットが例示される。有機系活物質は、2,2,6,6-テトラメチルピペリジノキシル-4-イルメタクリレートやポリテトラメチルピペリジノキシルビニルエーテルに代表されるラジカル化合物、キノン化合物、ラジアレン化合物、テトラシアキノジメタン、及び、フェナジンオキシドが例示される。 Sulfur-based active materials are exemplified by S, TiS 2 , NiS, FeS 2 , Li 2 S, MoS 3 and sulfur-carbon composites. Organic active materials include radical compounds such as 2,2,6,6-tetramethylpiperidinoxyl-4-yl methacrylate and polytetramethylpiperidinoxyl vinyl ether, quinone compounds, radialene compounds, tetracyanoquino Examples are dimethane and phenazine oxide.
負極層15は集電層16と複合層17とが重ね合わされている。集電層16は導電性を有する部材である。集電層16の材料はNi,Ti,Fe,Cu及びSiから選ばれる金属、これらの元素の2種以上を含む合金やステンレス鋼、炭素材料が例示される。
The
複合層17は電解質組成物からなる。電解質組成物は、固体電解質18、活物質20、ポリマー及び電解液を含む。複合層17の抵抗を低くするために、複合層17に導電助剤が含まれていても良い。導電助剤は、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、Ni、Pt及びAgが例示される。活物質20は、Li、Li-Al合金、Li4Ti5O12、黒鉛、In、Si、Si-Li合金、及び、SiOが例示される。
電解質層14は電解質組成物からなる。電解質組成物は固体電解質18、ポリマー及び電解液を含む。固体電解質18は、Li,La,Zr及びOを含むガーネット型構造のリチウムイオン伝導性を有する酸化物である。ガーネット型構造の酸化物の基本組成はLi5La3M2O12(M=Nb,Ta)である。固体電解質18は、基本組成の5価のMカチオンを4価のカチオンに置換したLi7La3Zr2O12が例示される。
The
固体電解質18は、Li,La及びZr以外に、Mg,Al,Si,Ca,Ti,V,Ga,Sr,Y,Nb,Sn,Sb,Ba,Hf,Ta,W,Bi,Rb及びランタノイド(Laは除く)からなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むことができる。例えばLi6La3Zr1.5W0.5O12,Li6.15La3Zr1.75Ta0.25Al0.2O12,Li6.15La3Zr1.75Ta0.25Ga0.2O12,Li6.25La3Zr2Ga0.25O12,Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12,Li6.5La3Zr1.75Te0.25O12,Li6.75La3Zr1.75Nb0.25O12,Li6.9La3Zr1.675Ta0.289Bi0.036O12,Li6.46Ga0.23La3Zr1.85Y0.15O12,Li6.8La2.95Ca0.05Zr1.75Nb0.25O12,Li7.05La3.00Zr1.95Gd0.05O12,Li6.20Ba0.30La2.95Rb0.05Zr2O12が挙げられる。
The
固体電解質18は、例えば立方晶系(空間群Ia-3d(-は回反操作を意味するオーバーラインを示す)、JCPDS:84-1753)の結晶構造をとる。固体電解質18は、特にMg及び元素A(AはCa,Sr及びBaからなる群から選択される少なくとも1種の元素)の少なくとも一方を含み、各元素のモル比が以下の(1)から(3)を全て満たすもの、又は、Mg及び元素Aの両方を含み、各元素のモル比が以下の(4)から(6)を全て満たすものが好適である。元素Aは、固体電解質18のイオン伝導率を高くするため、Srが好ましい。
(1)1.33≦Li/(La+A)≦3
(2)0≦Mg/(La+A)≦0.5
(3)0≦A/(La+A)≦0.67
(4)2.0≦Li/(La+A)≦2.5
(5)0.01≦Mg/(La+A)≦0.14
(6)0.04≦A/(La+A)≦0.17。
The
(1) 1.33≦Li/(La+A)≦3
(2) 0≦Mg/(La+A)≦0.5
(3) 0≦A/(La+A)≦0.67
(4) 2.0≦Li/(La+A)≦2.5
(5) 0.01≦Mg/(La+A)≦0.14
(6) 0.04≦A/(La+A)≦0.17.
図2は固体電解質18を含む混合物21の模式図である。混合物21は、N-メチルピロリドン(N-メチル-2-ピロリドン)及び固体電解質18からなる。混合物21は、25℃における混合物21の質量に対する固体電解質18の質量の割合が24.5wt%になるように調製される。混合物21に含まれる固体電解質18は、例えば電解質層14から無作為に抽出したものである。
FIG. 2 is a schematic diagram of a
Li,La,Zr及びOを含むガーネット型構造の固体電解質は、通常は強塩基性である。例えば強塩基性の固体電解質を24.5wt%の割合でN-メチルピロリドンに浸した混合物を撹拌した後、12時間放置してできた上澄みを純水で10倍希釈した液の、25℃における水素イオン指数はpH10以上である。水素イオン指数はpH試験紙(アドバンテック東洋 UNIV(1-11))を用いて測定した値である。
Solid electrolytes with garnet-type structures containing Li, La, Zr and O are usually strongly basic. For example, after stirring a mixture of a strongly basic solid electrolyte immersed in N-methylpyrrolidone at a ratio of 24.5 wt%, the supernatant obtained by standing for 12 hours was diluted 10 times with pure water. The hydrogen ion exponent is
これに対し固体電解質18は、固体電解質18を含む混合物21を撹拌した後、混合物21を12時間放置してできた上澄み22を純水で10倍希釈した液の、25℃における水素イオン指数がpH7以上pH8以下である。固体電解質18は塩基性が弱められている。
On the other hand, the
固体電解質18の製造方法の一例を説明する。例えば固体電解質18の製造方法は、原料を配合して配合材料を得る配合工程と、配合材料を焼成する焼成工程と、得られた合成粉末を加熱する熱処理工程と、を含む。
An example of a method for manufacturing the
配合工程では、固体電解質18を構成する元素を含む材料を配合して配合材料を得る。材料は、例えばLi,La,Zr,Mg,及びA(AはCa,Sr及びBaからなる群から選択される少なくとも1種の元素)の各元素を含む、酸化物、複合酸化物、水酸化物、炭酸塩、塩化物、硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩などが挙げられる。材料を粉砕混合して配合材料を得る。
In the compounding step, the compounded material is obtained by compounding the material containing the elements constituting the
配合工程と焼成工程との間に、配合材料を仮焼成する仮焼工程を含むのが好ましい。この工程では、配合材料を例えば900-1100℃で2-15時間焼成し、仮焼材料を得る。仮焼工程を経ることにより、焼成工程の後にガーネット型の結晶構造が得られ易くなる。 It is preferable to include a calcining step of calcining the compounded material between the compounding step and the firing step. In this step, the compounded material is fired, for example, at 900-1100° C. for 2-15 hours to obtain a calcined material. By going through the calcination process, it becomes easier to obtain a garnet-type crystal structure after the calcination process.
仮焼工程と焼成工程との間に、仮焼材料を粉砕混合する工程を含むのが好ましい。この工程では、仮焼材料を粉砕混合して混合材料を得る。仮焼材料を粉砕混合する工程を経ることにより、焼成工程の後に均一な結晶相が得られ易くなる。バインダーを加えた仮焼材料を粉砕混合しても良い。バインダーは、メチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールが例示される。 A step of pulverizing and mixing the calcined material is preferably included between the calcining step and the firing step. In this step, the calcined material is pulverized and mixed to obtain a mixed material. By going through the step of pulverizing and mixing the calcined material, it becomes easier to obtain a uniform crystal phase after the sintering step. A calcined material to which a binder is added may be pulverized and mixed. Binders are exemplified by methyl cellulose, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol and polyvinyl butyral.
焼成工程では、配合材料、仮焼材料または混合材料を成形した後、その成形体を例えば1000-1250℃で3-36時間に亘って焼成して焼結体が得られる。不活性ガス雰囲気下で焼結体を粉砕して合成粉末が得られる。 In the sintering step, the compounded material, the calcined material, or the mixed material is molded, and then the molded body is sintered at, for example, 1000 to 1250° C. for 3 to 36 hours to obtain a sintered body. A synthetic powder is obtained by pulverizing the sintered body in an inert gas atmosphere.
熱処理工程では、ガスが流入しガスが流出する炉に合成粉末を入れ、合成粉末の周囲でガスが流動する雰囲気下で合成粉末を加熱する。合成粉末が大気中のCO2と反応して合成粉末の表面にできたLi2CO3の膜から、熱処理によってCO2を脱離させ、合成粉末の組織を変成することによって固体電解質18が得られる。熱処理の温度および時間は、640℃以上の温度域で10時間以上の保持、670℃以上の温度域で2時間以上の保持が例示される。
In the heat treatment step, the synthetic powder is placed in a furnace into which gas flows and gas flows out, and the synthetic powder is heated in an atmosphere in which the gas flows around the synthetic powder. A
ガスは、不活性ガス及び酸素ガスから選択される少なくとも1種である。不活性ガスは、合成粉末と化学反応を起こさない気体であれば、特に限定されない。不活性ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンが例示される。特に窒素、ヘリウム及びアルゴンから選択される少なくとも1種が好適である。 The gas is at least one selected from inert gas and oxygen gas. The inert gas is not particularly limited as long as it does not chemically react with the synthetic powder. Examples of inert gases include nitrogen, helium, neon, argon, krypton, xenon, and radon. At least one selected from nitrogen, helium and argon is particularly preferred.
ガスの流入および流出は、連続式でも間欠式でも良い。連続的または間欠的に炉に導入するガスの流量や、間欠的に導入するガスの周期は、炉の体積や合成粉末の質量に応じて適宜設定される。炉に導入するガスのCO2濃度は、熱処理の温度にもよるが、大気中のCO2濃度(380ppm)よりも低い濃度、例えば100ppm(体積)以下が好適である。炉に導入するガスの露点は-40℃以下、特に-50℃以下が好適である。合成粉末からCO2の脱離を促進するためである。熱処理後の固体電解質18は、直ちに有機化合物などと混合してシート化され、複合層13,17や電解質層14が得られる。
Gas inflow and outflow may be continuous or intermittent. The flow rate of the gas introduced into the furnace continuously or intermittently and the cycle of the gas introduced intermittently are appropriately set according to the volume of the furnace and the mass of the synthetic powder. The CO 2 concentration of the gas introduced into the furnace is preferably lower than the CO 2 concentration (380 ppm) in the atmosphere, for example, 100 ppm (volume) or less, although it depends on the temperature of the heat treatment. The dew point of the gas introduced into the furnace is preferably −40° C. or less, particularly −50° C. or less. This is to facilitate desorption of CO2 from the synthetic powder. After the heat treatment, the
電解質層14の断面に現出する固体電解質18の円相当径のメジアン径は、0.5-10μmが好適である。固体電解質18の表面積を適度な大きさにし、固体電解質18の表面に介在する電解液と固体電解質18との間のリチウムイオンの移動量を確保するためである。
The median diameter of the equivalent circle diameter of the
固体電解質18のメジアン径を求めるには、まず電解質層14の断面(研磨面や集束イオンビーム(FIB)を照射して得られた面、イオンミリングによって得られた面)に現出する固体電解質18の走査型電子顕微鏡(SEM)による画像を解析して、固体電解質18の粒子ごとの面積から円相当径を算出し、体積基準の粒度分布を求める。メジアン径は、粒度分布における頻度の積算値が50%となる円相当径である。粒度分布を求める画像は、精度を確保するため、電解質層14のうち400μm2以上の面積とする。
In order to obtain the median diameter of the
電解質層14に含まれる電解液は、リチウム塩が溶解したイオン液体を含む。イオン液体は、カチオン及びアニオンからなる化合物であり、常温常圧で液体である。イオン液体が電解液を構成するので、電解液の難燃性を向上できる。電解液の各種物性および機能は、リチウム塩およびイオン液体の種類、塩濃度により決定される。
The electrolytic solution contained in the
リチウム塩は、正極層11と負極層15との間のカチオンの授受のために用いられる化合物である。リチウム塩のアニオンは、ハロゲン化物イオン(I-,Cl-,Br-等),SCN-,BF4
-,BF3(CF3)-,BF3(C2F5)-,PF6
-,ClO4
-,SbF6
-,N(SO2F)2
-,N(SO2CF3)2
-,N(SO2C2F5)2
-,B(C6H5)4
-,B(O2C2H4)2
-,C(SO2F)3
-,C(SO2CF3)3
-,CF3COO-,CF3SO2O-,C6F5SO2O-,B(O2C2O2)2
-,RCOO-(Rは炭素数1-4のアルキル基、フェニル基またはナフチル基)等が例示される。
A lithium salt is a compound used for the transfer of cations between the
リチウム塩のアニオンは、スルホニル基-S(=O)2-を有するN(SO2F)2 -,N(SO2CF3)2 -,N(SO2C2F5)2 -等のスルホニルイミドが好ましい。スルホニルイミドアニオンは、塩濃度が高くなっても電解液の粘度上昇およびイオン伝導率低下の影響が小さく、さらに安定性が高く抵抗が低い被膜(SEI)の形成により、電解液の還元分解を低減し、還元側電位窓を拡張できるからである。N(SO2F)2 -を略称で[FSI]-:ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオンと呼び、N(SO2CF3)2 -を略称で[TFSI]-:ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオンと呼ぶ場合がある。 The anion of the lithium salt is an anion such as N(SO 2 F) 2 − , N(SO 2 CF 3 ) 2 − , N(SO 2 C 2 F 5 ) 2 − having a sulfonyl group —S(=O) 2 —. Sulfonylimides are preferred. The sulfonylimide anion has little effect of increasing the viscosity of the electrolyte and decreasing the ionic conductivity even at high salt concentrations, and reduces reductive decomposition of the electrolyte by forming a film (SEI) with high stability and low resistance. This is because the potential window on the reduction side can be extended. N(SO 2 F) 2 — is abbreviated as [FSI] − : bis(fluorosulfonyl)imide anion, and N(SO 2 CF 3 ) 2 — is abbreviated as [TFSI] − : bis(trifluoromethanesulfonyl)imide. Sometimes called an anion.
イオン液体はイミダゾリウムをカチオン種とするものが好適である。イミダゾリウムカチオンは、例えば式(1)で表される化合物である。 The ionic liquid preferably contains imidazolium as a cation species. The imidazolium cation is, for example, a compound represented by formula (1).
式(1)中、R1-R5は、それぞれ独立に、水素基またはアルキル基を示す。アルキル基は、置換基を有していても良い。R1-R5で表されるアルキル基(置換基を含む)の炭素数は、好ましくは1-10、より好ましくは1-5、さらに好ましくは1-4である。電解液のイオン伝導度を確保するためである。 In formula (1), R 1 to R 5 each independently represent a hydrogen group or an alkyl group. The alkyl group may have a substituent. The number of carbon atoms in the alkyl group (including substituents) represented by R 1 -R 5 is preferably 1-10, more preferably 1-5, still more preferably 1-4. This is to ensure the ionic conductivity of the electrolytic solution.
置換基は特に制限がない。置換基は、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、ヒドロキシル基、カルボキシル基、ニトロ基、トリフルオロメチル基、アミド基、カルバモイル基、エステル基、カルボニルオキシ基、シアノ基、ハロゲノ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、スルホンアミド基などが例示される。 There are no particular restrictions on the substituents. Substituents include alkyl groups, cycloalkyl groups, aryl groups, hydroxyl groups, carboxyl groups, nitro groups, trifluoromethyl groups, amide groups, carbamoyl groups, ester groups, carbonyloxy groups, cyano groups, halogeno groups, alkoxy groups, Examples include an aryloxy group and a sulfonamide group.
イオン液体のアニオン種はスルホニルイミドが好適である。スルホニルイミドアニオンは、N(SO2F)2 -,N(SO2CF3)2 -,N(SO2C2F5)2 -,N(SO2C4F9)2 -等が例示される。イオン液体のアニオン種とリチウム塩のアニオン種とが同じものであると、電解液に含まれるリチウムイオンとアニオンとの配位(相互作用)が制御し易くなるので好ましい。 Sulfonylimide is suitable for the anionic species of the ionic liquid. The sulfonylimide anions are exemplified by N(SO 2 F) 2 − , N(SO 2 CF 3 ) 2 − , N(SO 2 C 2 F 5 ) 2 − , N(SO 2 C 4 F 9 ) 2 − and the like. be done. It is preferable that the anion species of the ionic liquid and the anion species of the lithium salt are the same, because the coordination (interaction) between the lithium ions and the anions contained in the electrolytic solution can be easily controlled.
イオン液体は、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム ビス(フルオロスルホニル)イミド(EMI-FSI)、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(EMI-TFSI)が例示される。イミダゾリウムカチオン及びスルホニルイミドアニオンを含むイオン液体であってリチウム塩が溶解したイオン液体(電解液)は、高いイオン伝導性を確保できるので好ましい。 Ionic liquids are exemplified by 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide (EMI-FSI) and 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (EMI-TFSI). . An ionic liquid containing an imidazolium cation and a sulfonylimide anion and having a lithium salt dissolved therein (electrolytic solution) is preferable because high ionic conductivity can be ensured.
電解質層14に含まれるポリマーは、例えば固体電解質18を結着するバインダーである。ポリマーは-CH2CF2-を含むフッ化ビニリデン系ポリマーを含む。フッ化ビニリデン系ポリマーは機械的強度が高いので好ましい。フッ化ビニリデン系ポリマーは-CH2CF2-を含む限り、特に制限がない。フッ化ビニリデン系ポリマーは、フッ化ビニリデンの単独重合体、フッ化ビニリデンと共重合性モノマーとの共重合体が例示される。
The polymer contained in the
共重合性モノマーは、ハロゲン含有モノマー(フッ化ビニリデンを除く)、非ハロゲン系の共重合性モノマーが挙げられる。ハロゲン含有モノマーは、塩化ビニル等の塩素含有モノマー;トリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、ペルフルオロアルキルビニルエーテル等のフッ素含有モノマーが例示される。非ハロゲン系の共重合性モノマーは、エチレン、プロピレン等のオレフィン;アクリル酸、メタクリル酸、これらのエステル又は塩等のアクリルモノマー;アクリロニトリル、酢酸ビニル、スチレン等のビニルモノマーが例示される。 Examples of copolymerizable monomers include halogen-containing monomers (excluding vinylidene fluoride) and non-halogen copolymerizable monomers. Halogen-containing monomers are exemplified by chlorine-containing monomers such as vinyl chloride; and fluorine-containing monomers such as trifluoroethylene, tetrafluoroethylene, chlorotrifluoroethylene, hexafluoropropylene, and perfluoroalkylvinyl ether. Examples of non-halogen copolymerizable monomers include olefins such as ethylene and propylene; acrylic monomers such as acrylic acid, methacrylic acid, esters or salts thereof; and vinyl monomers such as acrylonitrile, vinyl acetate, and styrene.
共重合性モノマーの1種または2種以上がフッ化ビニリデンに重合して共重合体を構成する。特にフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体は電位窓を広くできるので好ましい。 One or more of the copolymerizable monomers are polymerized to vinylidene fluoride to form a copolymer. A copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene is particularly preferred because it can widen the potential window.
ポリマーは、フッ化ビニリデン系ポリマー以外の他のポリマーを含んでも良い。ポリマー中のフッ化ビニリデン系ポリマーの含有量は、例えば80-100質量%である。他のポリマーは、他のポリマーは、フッ素化樹脂(フッ化ビニリデン系ポリマーを除く)、ポリオレフィン、スチレンブタジエンゴムなどのゴム状重合体、ポリイミド、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、セルロースエーテルが例示される。フッ素化樹脂は、完全フッ素化樹脂、部分フッ素化樹脂、フッ素化樹脂共重合体が挙げられる。完全フッ素化樹脂はポリテトラフルオロエチレンが例示される。部分フッ素化樹脂は、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニルが例示される。フッ素化樹脂共重合体は、4フッ化エチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、4フッ化エチレン・6フッ化プロピレン共重合体、エチレン4フッ化エチレン共重合体、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体が例示される。 The polymer may contain polymers other than the vinylidene fluoride-based polymer. The content of the vinylidene fluoride polymer in the polymer is, for example, 80-100 mass %. Examples of other polymers include fluorinated resins (excluding vinylidene fluoride-based polymers), polyolefins, rubber-like polymers such as styrene-butadiene rubber, polyimides, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, and cellulose ethers. Examples of fluorinated resins include fully fluorinated resins, partially fluorinated resins, and fluorinated resin copolymers. A fully fluorinated resin is exemplified by polytetrafluoroethylene. Partially fluorinated resins are exemplified by polychlorotrifluoroethylene and polyvinyl fluoride. Fluorinated resin copolymers include tetrafluoroethylene/perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene/hexafluoropropylene copolymer, ethylene tetrafluoroethylene copolymer, and ethylene/chlorotrifluoroethylene copolymer. Polymers are exemplified.
電解質層14にポリマーを溶かす溶媒が含まれていても良い。電解質層14は、固体電解質18、リチウム塩、イオン液体、ポリマー及び溶媒を含む電解質組成物をシート状に成形して得られる。電解質組成物に含まれる溶媒の少なくとも一部は、電解質層14を得るためのシート成形後の減圧乾燥などによって気化し、電解質層14から消失している。電解質層14に残留する溶媒の種類および量は、ガスクロマトグラフ質量分析法(GC-MS)によって求められる。
The
溶媒は、非プロトン性の極性溶媒が好ましく、非プロトン性かつ疎プロトン性の極性溶媒がより好ましい。溶媒の分類(非プロトン性や疎プロトン性)は、I.M. Kolthoff, Anal. Chem. 46,1992(1974)に従う。Kolthoffの分類では、溶媒は、酸性と塩基性を共に有しプロトンを授受できる「両性」と、水素結合が可能な水素原子をもたない「非プロトン性」と、に大別され、後者は、塩基性が強く陽イオンに溶媒和し易い「親プロトン性」と、塩基性が弱く陽イオンに溶媒和し難い「疎プロトン性」と、に細分される。非プロトン性かつ疎プロトン性の極性溶媒の中では、プロトンや水素結合が反応にほとんど寄与せず、さらに固体電解質18が分散され易い。
The solvent is preferably an aprotic polar solvent, more preferably an aprotic and protonic polar solvent. Classification of solvents (aprotic or protonic) is described in I. M. Kolthoff, Anal. Chem. 46, 1992 (1974). According to Kolthoff's classification, solvents are roughly divided into "amphoteric" solvents that have both acidic and basic properties and can exchange protons, and "aprotic" solvents that do not have hydrogen atoms capable of hydrogen bonding. , are subdivided into “protonic”, which is strongly basic and easily solvated with cations, and “protonic”, which is weakly basic and difficult to solvate with cations. In an aprotic and protonic polar solvent, protons and hydrogen bonds hardly contribute to the reaction, and the
非プロトン性の極性溶媒のうち親プロトン性溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、ヘキサメチルリン酸トリアミド、ジメチルスルホキシド、N-メチル-2-ピロリドン、ピリジン、ジオキサン、テトラヒドロフラン、エーテルが例示される。非プロトン性の極性溶媒のうち疎プロトン性溶媒は、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、スルホラン、アセトニトリル、アセトン、イソブチルメチルケトン、ニトロメタン、メチルエチルケトン、テトラメチルシランが例示される。 Among aprotic polar solvents, protic solvents include N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, hexamethylphosphoric acid triamide, dimethylsulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone, pyridine, dioxane, tetrahydrofuran. , ethers are exemplified. Among aprotic polar solvents, protonic solvents are exemplified by propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, sulfolane, acetonitrile, acetone, isobutylmethylketone, nitromethane, methylethylketone, and tetramethylsilane.
電解質組成物には、これらの極性溶媒の1種または2種以上が含まれる。溶媒やイオン液体に含まれる水分は、それぞれ200ppm以下が好適である。溶媒やイオン液体に含まれる水分と固体電解質18との反応を低減するためである。
The electrolyte composition contains one or more of these polar solvents. The water contained in the solvent and the ionic liquid is preferably 200 ppm or less. This is to reduce the reaction between the water contained in the solvent or the ionic liquid and the
固体電解質18と有機化合物とが混ざった電解質組成物において、固体電解質18が有機化合物と反応してゲル化(非流動化)する推定メカニズムは、以下のとおりである。まず、電解質組成物に含まれる僅かな水分と、Li,La及びZrを含むガーネット型構造の塩基性の固体電解質と、が反応し、固体電解質の表面にLiOHやLi2O3が生じる。これにより系内のOH-が増加し、塩基性が強まる。
In the electrolyte composition in which the
イオン液体のイミダゾリウムカチオンの2位の炭素に水素が結合している場合、塩基によって2位のプロトンが脱離すると、電解液のイオン伝導性は低下する。イミダゾリウムカチオンから脱離したプロトンはOH-と反応して水を発生する。発生した水は、前述のとおり固体電解質と反応してさらに塩基性が強まる。 When hydrogen is bonded to the 2-position carbon of the imidazolium cation of the ionic liquid, the ionic conductivity of the electrolytic solution decreases when the 2-position proton is eliminated by a base. A proton released from the imidazolium cation reacts with OH- to generate water. The generated water reacts with the solid electrolyte as described above, and becomes more basic.
塩基性条件下では、フッ化ビニリデン系ポリマーは、HFの脱離によりポリエン構造が形成され易い。フッ化ビニリデン系ポリマーのポリエン化により電解質組成物はゲル化する。さらに脱離したHF由来の電気化学反応により、意図しないSEIが形成され、SEIの抵抗は上昇する。 Under basic conditions, the vinylidene fluoride-based polymer tends to form a polyene structure due to elimination of HF. The electrolyte composition is gelled by the polyene conversion of the vinylidene fluoride polymer. Furthermore, due to the electrochemical reaction derived from the desorbed HF, an unintended SEI is formed and the resistance of the SEI increases.
これに対し、混合物21の上澄み22を純水で10倍希釈した液の水素イオン指数がpH8以下である固体電解質18は塩基性が弱いので、電解質組成物に含まれる水分と固体電解質18との反応を低減できる。系内の塩基性が強くなり難いので、イミダゾリウムカチオンの2位のプロトンが脱離し難くなり、プロトンの脱離に起因する電解液のイオン伝導率の低下が低減する。また、フッ化ビニリデン系ポリマーはHFの脱離によるポリエン化が起こり難いので、電解質組成物のゲル化が低減する。さらにHF由来の電気化学反応が起こり難いので、SEIの抵抗を低く保つことができる。特に電解質組成物に含まれる溶媒が非プロトン性かつ疎プロトン性の極性溶媒のときは、プロトンや水素結合が反応にほとんど寄与しないので、ゲル化をさらに低減できる。
On the other hand, the
電解質層14(電解質組成物)において、固体電解質18とイオン液体の合計量に対するイオン液体の含有量(体積%)は、50体積%以下(但し0体積%は除く)が好適である。即ち固体電解質:イオン液体=(100-X):X、0<X≦50である。固体電解質18と固体電解質18との間に介在するイオン液体によってイオン伝導性を確保しつつイオン液体の染み出しの発生を低減するためである。
In the electrolyte layer 14 (electrolyte composition), the content (volume %) of the ionic liquid with respect to the total amount of the
イオン液体の含有量(体積%)は、電解質層14を凍結させ、又は、4官能性のエポキシ系樹脂などに電解質層14を埋め込み固めた後、電解質層14の断面から無作為に選択した5000倍の視野を対象に、エネルギー分散型X線分光器(EDS)が搭載されたSEMを用いて分析し、求める。分析は、La,Zr,Sの分布を特定したり反射電子像のコントラストを画像解析したりして、固体電解質18の面積およびイオン液体の面積を特定し、電解質層14の断面における面積の割合を電解質層14における体積の割合とみなしてイオン液体の含有量(体積%)を得る。
The content (% by volume) of the ionic liquid is 5000, which is randomly selected from the cross section of the
電解質組成物のリチウムイオン伝導率は、固体電解質18、リチウム塩およびイオン液体の種類や塩濃度等により決定される。電解質組成物の25℃におけるリチウムイオン伝導率は4.0×10-5S/cm以上であるのが好ましい。電解質組成物を含む蓄電デバイス10の出力密度を確保するためである。
The lithium ion conductivity of the electrolyte composition is determined by the types and salt concentrations of the
電解質組成物は電解液由来のアニオンを含むため、電解質組成物のリチウムイオン伝導率は、シート状に成形した電解質組成物の両面に集電体を密着させた対称セルの、交流インピーダンス法によって算出した全イオン伝導率にリチウムイオンの輸率を乗じて算出される。リチウムイオンの輸率は交流インピーダンス法と定常状態直流法によって求める。 Since the electrolyte composition contains anions derived from the electrolyte, the lithium ion conductivity of the electrolyte composition is calculated by the AC impedance method of a symmetrical cell in which current collectors are adhered to both sides of the electrolyte composition molded into a sheet. It is calculated by multiplying the total ionic conductivity obtained by multiplying the transport number of lithium ions. The transference number of lithium ions is determined by the AC impedance method and the steady-state DC method.
輸率は以下のようにして算出する。まず、交流インピーダンス測定によってセルの抵抗値RS0を解析する。交流インピーダンス測定の条件は、温度25℃、電圧10mV、周波数7MHz-100mHzとする。 The export number is calculated as follows. First, the resistance value RS0 of the cell is analyzed by AC impedance measurement. The conditions for AC impedance measurement are a temperature of 25° C., a voltage of 10 mV, and a frequency of 7 MHz to 100 mHz.
次に、セルに定電圧Vを印加した直後の初期電流値I0を測定し、以下の式Aに従い、セルの初期抵抗値R0を算出する。R0=V/I0・・・A
初期電流値の測定条件は、電圧10mV、トータル時間6秒、測定間隔0.0002秒とする。
Next, the initial current value I0 immediately after applying the constant voltage V to the cell is measured, and the initial resistance value R0 of the cell is calculated according to Equation A below. R0 =V/ I0 ...A
The measurement conditions for the initial current value are a voltage of 10 mV, a total time of 6 seconds, and a measurement interval of 0.0002 seconds.
抵抗値RS0及び初期抵抗値R0を以下の式Bに代入して界面抵抗RINTを算出する。RINT=R0-RS0・・・B
次に、セルに定電圧Vを印加して定常状態となった後の電流値Iを測定し、以下の式Cに従い、セルの定常状態における抵抗値RPを算出する。RP=V/I・・・C
定常状態における電流値の測定条件は、電圧10mV、トータル時間10時間、測定間隔60秒とする。
The interface resistance R_INT is calculated by substituting the resistance value R_S0 and the initial resistance value R_0 into the following equation B. R INT =R 0 -R S0 B
Next, a constant voltage V is applied to the cell, and the current value I after the steady state is reached is measured. RP =V/I...C
The measurement conditions for the current value in the steady state are a voltage of 10 mV, a total time of 10 hours, and a measurement interval of 60 seconds.
セルが定常状態となった後に、前述の条件で、交流インピーダンス測定によってセルの抵抗値RSを解析する。抵抗値RS、抵抗値RP及び界面抵抗RINTを以下の式Dに代入して輸率tLiを算出する。tLi=RS/(RP-RINT)・・・D
電解質層14(電解質組成物)において、固体電解質18とイオン液体とを合わせた量に対するバインダーの量(体積%)は、10体積%以下(但し0体積%は除く)が好適である。即ち固体電解質とイオン液体とを合わせた量:バインダーの量=(100-Y):Y、0<Y≦10である。バインダーによって電解質層14の成形性を確保すると共に電解質層14のイオン伝導性の低下を低減するためである。バインダーの含有量(体積%)は、上記と同様にSEM-EDSによる分析によって求めた電解質層14の断面の面積%から特定できる。
After the cell reaches a steady state, the resistance value R S of the cell is analyzed by AC impedance measurement under the conditions described above. The transference number t Li is calculated by substituting the resistance value R S , the resistance value R P , and the interfacial resistance R INT into the following equation D. t Li = R S /(R P - R INT ) D
In the electrolyte layer 14 (electrolyte composition), the amount (% by volume) of the binder with respect to the total amount of the
蓄電デバイス10は、例えば以下のように製造される。リチウム塩を溶解したイオン液体と固体電解質18とを混合したものに、ポリマーを溶媒に溶かした溶液を混合し、スラリーを作る。テープ成形後、乾燥して電解質層14のためのグリーンシート(電解質シート)を得る。
The
リチウム塩を溶解したイオン液体と固体電解質18とを混合したものに活物質19を混合し、さらにポリマーを溶媒に溶かした溶液を混合し、スラリーを作る。集電層12の上にテープ成形後、乾燥して正極層11のためのグリーンシート(電解質シートの1種の正極シート)を得る。
A mixture of an ionic liquid in which a lithium salt is dissolved and a
リチウム塩を溶解したイオン液体と固体電解質18とを混合したものに活物質20を混合し、さらにポリマーを溶媒に溶かした溶液を混合し、スラリーを作る。集電層16の上にテープ成形後、乾燥して負極層15のためのグリーンシート(電解質シートの1種の負極シート)を得る。
An
電解質シート、正極シート及び負極シートをそれぞれ所定の形に裁断した後、正極シート、電解質シート、負極シートの順に重ね、互いに圧着して一体化する。集電層12,16にそれぞれ端子(図示せず)を接続しケース(図示せず)に封入して、順に正極層11、電解質層14及び負極層15を含む蓄電デバイス10が得られる。
After the electrolyte sheet, the positive electrode sheet and the negative electrode sheet are each cut into a predetermined shape, the positive electrode sheet, the electrolyte sheet and the negative electrode sheet are stacked in this order and pressure-bonded to each other for integration. A terminal (not shown) is connected to each of the current collecting layers 12 and 16 and sealed in a case (not shown) to obtain the
本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
(固体電解質の調製)
Li6.95Mg0.15La2.75Sr0.25Zr2.0O12となるように、Li2CO3,MgO,La(OH)3,SrCO3,ZrO2を秤量した。Li2CO3は、焼成時のLiの揮発を考慮し、元素換算で15mol%程度過剰にした。秤量した原料およびエタノールをジルコニア製ボールと共にナイロン製ポットに投入し、ボールミルで15時間粉砕混合した。ポットから取り出したスラリーを乾燥後、MgO製の板の上で仮焼成(900℃で1時間)した。仮焼成後の粉末およびエタノールをナイロン製ポットに投入し、ボールミルで15時間粉砕混合した。
(Preparation of solid electrolyte)
Li 2 CO 3 , MgO, La(OH) 3 , SrCO 3 and ZrO 2 were weighed to obtain Li 6.95 Mg 0.15 La 2.75 Sr 0.25 Zr 2.0 O 12 . Considering the volatilization of Li during firing, Li 2 CO 3 was made excessive by about 15 mol % in terms of element. The weighed raw materials and ethanol were put into a nylon pot together with zirconia balls, and pulverized and mixed in a ball mill for 15 hours. After drying the slurry taken out from the pot, it was calcined on a plate made of MgO (at 900° C. for 1 hour). The calcined powder and ethanol were put into a nylon pot and pulverized and mixed with a ball mill for 15 hours.
ポットから取り出したスラリーを乾燥後、直径12mmの金型に投入し、プレス成形により厚さが1.5mm程度の成形体を得た。冷間静水等方圧プレス機(CIP)を用いて1.5t/cm2の静水圧をさらに成形体に加えた。成形体と同じ組成の仮焼粉末で成形体を覆い、還元雰囲気において焼成(1100℃で4時間)し、固体電解質の焼結体を得た。交流インピーダンス法によって求めた焼結体のリチウムイオン伝導率は1.0×10-3S/cmであった。リチウムイオン伝導率の測定条件は、温度25℃、電圧10mV、周波数7MHz-100mHzとした。Ar雰囲気において、焼結体を粉砕し、目開き250μmの篩にかけ、篩を通過した固体電解質の粉末を採取した。 After the slurry was taken out from the pot and dried, it was put into a mold with a diameter of 12 mm and press-molded to obtain a compact with a thickness of about 1.5 mm. An additional hydrostatic pressure of 1.5 t/cm 2 was applied to the compact using a cold isostatic press (CIP). The molded body was covered with calcined powder having the same composition as the molded body and fired in a reducing atmosphere (at 1100° C. for 4 hours) to obtain a sintered body of solid electrolyte. The lithium ion conductivity of the sintered body determined by the AC impedance method was 1.0×10 −3 S/cm. The conditions for measuring the lithium ion conductivity were a temperature of 25° C., a voltage of 10 mV, and a frequency of 7 MHz to 100 mHz. In an Ar atmosphere, the sintered body was pulverized and passed through a sieve with an opening of 250 μm, and the solid electrolyte powder that passed through the sieve was collected.
篩を通過した粉末100g、直径4mmのボール536g及びフッ素系不活性液体250mLをポットに入れ、遊星型ボールミル(回転数200rpm)で粉末を6時間粉砕した。ポットから取り出したスラリーを乾燥して、固体電解質の粗粉末を得た。 100 g of the powder passed through the sieve, 536 g of balls with a diameter of 4 mm, and 250 mL of fluorine-based inert liquid were placed in a pot, and the powder was pulverized for 6 hours with a planetary ball mill (rotational speed: 200 rpm). The slurry taken out from the pot was dried to obtain a solid electrolyte coarse powder.
同様に篩を通過した粉末50g、直径4mmのボール536g及びフッ素系不活性液体100mLをポットに入れ、遊星型ボールミル(回転数300rpm)で粉末を4時間粉砕した。ポットから取り出したスラリーを乾燥して、固体電解質の微粉末を得た。 Similarly, 50 g of powder passed through a sieve, 536 g of balls having a diameter of 4 mm, and 100 mL of fluorine-based inert liquid were placed in a pot, and the powder was pulverized for 4 hours with a planetary ball mill (rotational speed: 300 rpm). The slurry taken out from the pot was dried to obtain fine powder of the solid electrolyte.
(粗粉末および微粉末の熱処理)
チューブ炉(体積1875cm3)に収容した固体電解質の粗粉末(40g以下)を、チューブ炉の片方の端から窒素ガスを導入し(流量10L/min)、炉のもう片方の端から排気した状態で、670℃で2時間加熱した。炉内の温度が50℃になった後、熱処理後の粗粉末を直ちに炉から取り出し、大気暴露を防ぐため密閉容器に収容した。固体電解質の微粉末も同じ条件で熱処理し、密閉容器に収容した。
(Heat treatment of coarse powder and fine powder)
A solid electrolyte coarse powder (40 g or less) contained in a tube furnace (volume: 1875 cm 3 ), nitrogen gas was introduced from one end of the tube furnace (flow rate: 10 L/min), and exhausted from the other end of the furnace. and heated at 670° C. for 2 hours. After the temperature in the furnace reached 50° C., the heat-treated coarse powder was immediately taken out from the furnace and placed in a sealed container to prevent exposure to the atmosphere. A solid electrolyte fine powder was also heat-treated under the same conditions and placed in a sealed container.
(水素イオン指数の測定)
熱処理した粗粉末、熱処理した微粉末、熱処理していない粗粉末のそれぞれをN-メチル-2-ピロリドンに浸して撹拌した混合物を作り、混合物を25℃の室内で12時間放置した。混合物に対する各粉末の割合は24.5wt%であった。放置後の混合物の上澄みを純水で10倍希釈した液の水素イオン指数をpH試験紙(アドバンテック東洋 UNIV(1-11))によって測定した。
(Measurement of hydrogen ion exponent)
The heat-treated coarse powder, heat-treated fine powder, and non-heat-treated coarse powder were each immersed in N-methyl-2-pyrrolidone to form a stirred mixture, and the mixture was allowed to stand in a room at 25° C. for 12 hours. The proportion of each powder to the mixture was 24.5 wt%. After standing, the supernatant of the mixture was diluted 10-fold with pure water, and the hydrogen ion index was measured with pH test paper (Advantech Toyo UNIV (1-11)).
熱処理した粗粉末(以下「粉末A」と称す)、熱処理した微粉末(以下「粉末B」と称す)、熱処理していない粗粉末(以下「粉末C」と称す)を含む混合物から測定した水素イオン指数は、順にpH7-8,pH7-8,pH10であった。粉末A及びBの水素イオン指数にpH7-8の幅があるのは、視覚によってpH試験紙の色の変化を判別したからである。
Hydrogen measured from a mixture containing heat-treated coarse powder (hereinafter referred to as “powder A”), heat-treated fine powder (hereinafter referred to as “powder B”), and unheat-treated coarse powder (hereinafter referred to as “powder C”) The ionic indices were pH 7-8, pH 7-8,
(電解液の調製)
イオン液体1-エチル-3-メチルイミダゾリウム ビス(フルオロスルホニル)イミド(EMI-FSI)に、リチウム塩LiN(SO2F)2を3mol/dm3複合し、電解液を得た。
(Preparation of electrolytic solution)
An ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide (EMI-FSI) was compounded with 3 mol/dm 3 of lithium salt LiN(SO 2 F) 2 to obtain an electrolytic solution.
(実施例1)
固体電解質:電解液=61:39(体積比)となるように、粉末Aと電解液とをAr雰囲気において乳鉢で混合し、複合粉末を得た。Ar雰囲気において複合粉末18g、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF-HFP)0.864g及びジメチルカーボネート(DMC)7.776gを混合し、実施例1におけるスラリーを得た。
(Example 1)
The powder A and the electrolytic solution were mixed in a mortar in an Ar atmosphere to obtain a composite powder such that the solid electrolyte:electrolyte solution was 61:39 (volume ratio). 18 g of the composite powder, 0.864 g of vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-HFP) and 7.776 g of dimethyl carbonate (DMC) were mixed in an Ar atmosphere to obtain a slurry in Example 1.
(実施例2)
粉末Aを粉末Bに代えた以外は、実施例1と同様にして、実施例2におけるスラリーを得た。
(Example 2)
A slurry in Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1, except that powder A was replaced with powder B.
(比較例1)
粉末Aを粉末Cに代えた以外は、実施例1と同様にして、比較例1におけるスラリーを得た。
(Comparative example 1)
A slurry in Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1, except that powder A was replaced with powder C.
(比較例2)
DMCをプロピレンカーボネート(PC)に代えた以外は、比較例1と同様にして、比較例2におけるスラリーを得た。
(Comparative example 2)
A slurry in Comparative Example 2 was obtained in the same manner as in Comparative Example 1, except that propylene carbonate (PC) was used instead of DMC.
(試験方法および結果)
実施例および比較例におけるスラリーをそれぞれビーカーに入れ、25℃のAr雰囲気の容器内に12時間放置した。12時間経過後、スラリーがゲル化(非流動化)しているか否かを目視により確認した。結果は表1に記した。スラリーの少なくとも一部がゲル化したものを+、スラリーが全くゲル化していないものを-と表記した。
(Test method and results)
The slurries in Examples and Comparative Examples were put into beakers, respectively, and left in a vessel in an Ar atmosphere at 25° C. for 12 hours. After 12 hours, it was visually confirmed whether or not the slurry had gelled (non-fluidized). The results are shown in Table 1. A case where at least a part of the slurry was gelled was indicated as +, and a case where the slurry was not gelled at all was indicated as -.
表1に示すように、実施例1,2におけるスラリーは全くゲル化しなかったが、比較例1,2におけるスラリーはゲル化した。比較例1,2におけるスラリーは褐色に変色していた。 As shown in Table 1, the slurries in Examples 1 and 2 did not gel at all, but the slurries in Comparative Examples 1 and 2 gelled. The slurries in Comparative Examples 1 and 2 were discolored to brown.
実施例1,2及び比較例1,2のスラリーには、非プロトン性かつ疎プロトン性の極性溶媒であるDMC,PCが含まれていた。実施例1,2と比較例1,2とを対比すると、pH7の固体電解質が含まれる実施例1,2のスラリーはゲル化が起こらず、pH10の固体電解質が含まれる比較例1,2のスラリーはゲル化した。スラリーの変色およびゲル化は、HFの脱離によるフッ化ビニリデンのポリエン化に起因すると推察される。pH7の固体電解質が含まれるスラリーは、スラリーの構成成分の相互作用が起こり難くなるのでゲル化が起こらなかったと推察される。
The slurries of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 contained DMC and PC, which are aprotic and protonic polar solvents. When comparing Examples 1 and 2 with Comparative Examples 1 and 2, the slurries of Examples 1 and 2 containing the solid electrolyte of pH 7 did not gel, while the slurries of Comparative Examples 1 and 2 containing the solid electrolyte of
この実施例によれば、Li,La及びZrを含むガーネット型構造の固体電解質であって混合物の上澄みの水素イオン指数がpH8以下の固体電解質は、ゲル化を低減できることが明らかになった。さらに固体電解質、イミダゾリウムカチオンを含むイオン液体、リチウム塩、及び、フッ化ビニリデン系ポリマーを含む電解質組成物も、ゲル化を低減できることが明らかになった。この電解質組成物を含む電解質シート及び蓄電デバイスは、構成成分の分散状態のばらつきを低減できるので、性能のばらつきを小さくできる。 According to this example, it was clarified that a solid electrolyte having a garnet-type structure containing Li, La and Zr and having a mixture supernatant with a hydrogen ion index of pH 8 or less can reduce gelation. Furthermore, it was found that an electrolyte composition containing a solid electrolyte, an ionic liquid containing imidazolium cations, a lithium salt, and a vinylidene fluoride polymer can also reduce gelation. An electrolyte sheet and an electric storage device containing this electrolyte composition can reduce variations in the state of dispersion of constituent components, and thus can reduce variations in performance.
以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。 The present invention has been described above based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements are possible without departing from the scope of the present invention. can be inferred.
実施形態では、蓄電デバイス10として、集電層12の片面に複合層13が設けられた正極層11、及び、集電層16の片面に複合層17が設けられた負極層15を備えるものを説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば集電層12の両面に複合層13と複合層17とをそれぞれ設けた電極層(いわゆるバイポーラ電極)を備える二次電池に、実施形態における各要素を適用することは当然可能である。バイポーラ電極と電解質層14とを交互に積層しケース(図示せず)に収容すれば、いわゆるバイポーラ構造の二次電池が得られる。
In the embodiment, the
実施形態では、複合層13,17及び電解質層14が全て電解質組成物を含む場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。二次電池は、複合層13,17及び電解質層14の少なくとも1つが電解質組成物を含んでいれば良い。
In the embodiment, the case where all of the
実施形態では、電解質組成物を含むリチウムイオン電池(二次電池)を例示して電極層(正極層11及び負極層15)及び電解質層14を備える蓄電デバイス10を説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。他の二次電池としては、リチウム硫黄電池、リチウム酸素電池、リチウム空気電池などが挙げられる。
In the embodiments, a lithium ion battery (secondary battery) containing an electrolyte composition was exemplified to describe the
10 蓄電デバイス
13 複合層
14 電解質層(電解質シート)
17 複合層
18 固体電解質
21 混合物
22 上澄み
REFERENCE SIGNS
17
Claims (4)
N-メチルピロリドン及び前記固体電解質からなる混合物において、前記混合物に対し前記固体電解質は24.5wt%含まれており、
前記混合物の上澄みを純水で10倍希釈した液の水素イオン指数はpH8以下である固体電解質。 A solid electrolyte with a garnet-type structure containing Li, La, Zr and O,
In the mixture consisting of N-methylpyrrolidone and the solid electrolyte, 24.5 wt% of the solid electrolyte is contained in the mixture,
A solid electrolyte in which the hydrogen ion exponent of a solution obtained by diluting the supernatant of the above mixture 10-fold with pure water is pH 8 or less.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021077400A JP2022171030A (en) | 2021-04-30 | 2021-04-30 | Solid electrolyte, electrolyte composition, electrolyte sheet and power storage device |
US18/556,058 US20240213529A1 (en) | 2021-04-30 | 2022-04-07 | Solid electrolyte, electrolyte composition, electrolyte sheet and power storage device |
PCT/JP2022/017305 WO2022230635A1 (en) | 2021-04-30 | 2022-04-07 | Solid electrolyte, electrolyte composition, electrolyte sheet and power storage device |
EP22795551.5A EP4333125A1 (en) | 2021-04-30 | 2022-04-07 | Solid electrolyte, electrolyte composition, electrolyte sheet and power storage device |
KR1020237036998A KR20230162066A (en) | 2021-04-30 | 2022-04-07 | Solid electrolyte, electrolyte composition, electrolyte sheet and power storage device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021077400A JP2022171030A (en) | 2021-04-30 | 2021-04-30 | Solid electrolyte, electrolyte composition, electrolyte sheet and power storage device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022171030A true JP2022171030A (en) | 2022-11-11 |
Family
ID=83945840
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021077400A Pending JP2022171030A (en) | 2021-04-30 | 2021-04-30 | Solid electrolyte, electrolyte composition, electrolyte sheet and power storage device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2022171030A (en) |
-
2021
- 2021-04-30 JP JP2021077400A patent/JP2022171030A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109449487A (en) | A kind of lithium ion battery high concentration electrolyte and preparation method thereof and lithium ion battery | |
JP4518125B2 (en) | Positive electrode active material and lithium secondary battery | |
CN105938919A (en) | Electrolyte containing inorganic substance additive and lithium ion battery containing electrolyte | |
US20210249683A1 (en) | Solid electrolyte material and battery including the same | |
CN112805793A (en) | Solid electrolyte material and battery using the same | |
WO2021002064A1 (en) | Battery | |
JP7478989B2 (en) | Solid electrolyte material and battery using same | |
US20210280906A1 (en) | Lithium ion conductive solid electrolyte material, and battery using same | |
JPWO2019022095A1 (en) | Electrolyte composition, electrolyte membrane and battery | |
Swiderska-Mocek et al. | Compatibility of polymer electrolyte based on N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulphonyl) imide ionic liquid with LiMn2O4 cathode in Li-ion batteries | |
JP2022171030A (en) | Solid electrolyte, electrolyte composition, electrolyte sheet and power storage device | |
US20210280905A1 (en) | Solid electrolyte material and battery using same | |
JP5565391B2 (en) | Electrode active material, method for producing the electrode active material, and lithium secondary battery including the electrode active material | |
WO2022230635A1 (en) | Solid electrolyte, electrolyte composition, electrolyte sheet and power storage device | |
JP2022171043A (en) | Solid electrolyte, electrolyte composition, electrolyte sheet and power storage device | |
JP2022171008A (en) | Electrolyte composition, electrolyte sheet, and secondary battery | |
JP2022171013A (en) | Electrolyte composition, electrolyte sheet, and secondary battery | |
JP2022171005A (en) | Electrolyte composition, electrolyte sheet, and secondary battery | |
JP2022171018A (en) | Electrolyte composition, electrolyte sheet, and secondary battery | |
WO2022234733A1 (en) | Positive electrode mixture layer and lithium-ion secondary battery | |
CN113285117A (en) | Composite solid electrolyte and lithium ion battery comprising same | |
WO2023149426A1 (en) | Lithium ion conductor, sheet and power storage device | |
WO2023195212A1 (en) | Oxyhalide material, battery, and battery system | |
WO2023233923A1 (en) | Composite, sheet, electrochemical element, and power storage device | |
JP2024079929A (en) | Mixture, sheet and electrochemical element |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240307 |