JP2022176803A - Solid electrolyte material, manufacturing method therefor and battery - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、固体電解質材料、その製造方法及び電池に関する。 TECHNICAL FIELD The present disclosure relates to solid electrolyte materials, methods of manufacturing the same, and batteries.
電解質として固体電解質を用いた、より安全性に優れる全固体リチウムイオン二次電池が望まれている。固体電解質としては、リチウムと金属元素と酸素を含む酸化物系固体電解質、リチウムとリンと硫黄を含む硫化物系固体電解質、リチウムと金属元素とハロゲンを含むハロゲン系固体電解質等が挙げられる。これらのうち、硫化物系固体電解質としてアルジロダイト型構造を有する硫化物がイオン伝導率の高さ、製造コストの面から注目されている。 There is a demand for an all-solid-state lithium-ion secondary battery that uses a solid electrolyte as the electrolyte and is more excellent in safety. Examples of solid electrolytes include oxide solid electrolytes containing lithium, metal elements and oxygen, sulfide solid electrolytes containing lithium, phosphorus and sulfur, and halogen solid electrolytes containing lithium, metal elements and halogen. Among these, sulfides having an aldirodite structure have attracted attention as sulfide-based solid electrolytes because of their high ionic conductivity and low production cost.
例えば、特許文献1には、X線回折測定において、Li7PS6に該当するピークと、Li3PO4に該当するピークを有する固体電解質材料であって、Liイオン伝導性が高く、熱安定性が高い材料が提案されている。
For example,
本開示の一態様は、電池における抵抗値を低減することができる固体電解質材料及びその製造方法を提供することを目的とする。 An object of one aspect of the present disclosure is to provide a solid electrolyte material capable of reducing the resistance value of a battery and a method for producing the same.
第一態様は、リチウムを含む化合物、リン及び硫黄を含む化合物、金属硫酸塩並びに金属リン酸塩を含む混合物を得ることと、混合物を熱処理して硫酸イオン及びリン酸リチウムを含む熱処理物を得ることと、を含む固体電解質材料の製造方法である。製造方法におけるリチウムを含む化合物は、硫化リチウム、酸化リチウム及び炭酸リチウムからなる群から選択される少なくとも1種を含む。また製造方法における混合物は、金属リン酸塩の含有量が15.0質量%未満である。 A first aspect is to obtain a mixture containing a compound containing lithium, a compound containing phosphorus and sulfur, a metal sulfate and a metal phosphate, and heat-treating the mixture to obtain a heat-treated product containing sulfate ions and lithium phosphate. and a method for producing a solid electrolyte material. The lithium-containing compound in the production method includes at least one selected from the group consisting of lithium sulfide, lithium oxide and lithium carbonate. In addition, the mixture in the production method has a metal phosphate content of less than 15.0% by mass.
第二態様は、リチウム、リン及び硫黄を組成に含み、アルジロダイト型結晶構造を有する硫化物と、リン酸リチウムと、硫酸イオンとを含む固体電解質材料である。固体電解質材料は、硫酸イオンの含有量が0.5質量%以上である。固体電解質材料は、X線回折パターンにおいて、波長0.15405nm及び0.15444nmであるCuKα線をX線源としてθ-2θ法で測定した場合に、回折角2θの値が21°以上23°未満の範囲に第1ピークが観測され、さらに回折角2θの値が25°以上27°未満の範囲に第2ピークが観測され、第2ピークの強度に対する第1ピークの強度の比が、0.03以上0.15未満である。 A second embodiment is a solid electrolyte material containing lithium, phosphorus and sulfur in its composition and containing a sulfide having an algyrodite crystal structure, lithium phosphate, and sulfate ions. The solid electrolyte material has a sulfate ion content of 0.5% by mass or more. In the X-ray diffraction pattern of the solid electrolyte material, the value of the diffraction angle 2θ is 21° or more and less than 23° when measured by the θ-2θ method using CuKα rays with wavelengths of 0.15405 nm and 0.15444 nm as the X-ray source. A first peak is observed in the range of , and a second peak is observed in a range in which the value of the diffraction angle 2θ is 25° or more and less than 27°, and the ratio of the intensity of the first peak to the intensity of the second peak is 0. 03 or more and less than 0.15.
本開示の一態様によれば、電池における抵抗値を低減することができる固体電解質材料及びその製造方法を提供することができる。 According to one aspect of the present disclosure, it is possible to provide a solid electrolyte material capable of reducing resistance in a battery and a method for producing the same.
本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。また組成物中の各成分の含有量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。さらに本明細書に記載される数値範囲の上限及び下限は、当該数値を任意に選択して組み合わせることが可能である。以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための、固体電解質材料、その製造方法及び電池を例示するものであって、本発明は、以下に示す固体電解質材料、その製造方法及び電池に限定されない。 In this specification, the term "process" is not only an independent process, but even if it cannot be clearly distinguished from other processes, it is included in this term as long as the intended purpose of the process is achieved. . In addition, the content of each component in the composition means the total amount of the plurality of substances present in the composition unless otherwise specified when there are multiple substances corresponding to each component in the composition. Furthermore, the upper and lower limits of the numerical ranges described herein can be arbitrarily selected and combined. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the embodiments shown below exemplify the solid electrolyte material, the method for producing the same, and the battery for embodying the technical idea of the present invention. It is not limited to manufacturing methods and batteries.
固体電解質材料の製造方法
固体電解質材料の製造方法は、リチウムを含む化合物、リン及び硫黄を含む化合物、金属硫酸塩並びに金属リン酸塩を含む混合物を得る準備工程と、準備した混合物を熱処理して硫酸イオン及びリン酸リチウムを含む熱処理物を得る熱処理工程と、を含む。混合物に含まれるリチウムを含む化合物は、硫化リチウム、酸化リチウム及び炭酸リチウムからなる群から選択される少なくとも1種を含む。また混合物における金属リン酸塩の含有量は15.0質量%未満である。
Method for Producing Solid Electrolyte Material The method for producing a solid electrolyte material comprises a preparation step of obtaining a mixture containing a compound containing lithium, a compound containing phosphorus and sulfur, a metal sulfate and a metal phosphate, and heat-treating the prepared mixture. and a heat treatment step of obtaining a heat treated product containing sulfate ions and lithium phosphate. The compound containing lithium contained in the mixture contains at least one selected from the group consisting of lithium sulfide, lithium oxide and lithium carbonate. Also, the content of metal phosphate in the mixture is less than 15.0% by mass.
アルジロダイト型結晶構造を有する硫化物を含む固体電解質材料を製造する際に、金属リン酸塩に加えて、金属硫酸塩を所定量で添加することで、製造される固体電解質材料を用いて構成される電池における抵抗値が低減される。これは例えば、固体電解質材料中に所定量の硫酸イオンとリン酸リチウムとが存在することで、リチウムイオンの伝導性が向上するためと考えることができる。 A solid electrolyte material produced by adding a predetermined amount of a metal sulfate in addition to a metal phosphate when producing a solid electrolyte material containing a sulfide having an aldirodite-type crystal structure. The resistance value in the battery is reduced. For example, it can be considered that the presence of predetermined amounts of sulfate ions and lithium phosphate in the solid electrolyte material improves the conductivity of lithium ions.
準備工程
準備工程では、リチウムを含む化合物、リン及び硫黄を含む化合物、金属硫酸塩並びに金属リン酸塩を含む混合物を得る。また混合物は、塩素を含む化合物をさらに含んでいてもよい。混合物は、例えば固体電解質材料の原料組成物であってよい。
Preparatory Step In the preliminary step, a mixture containing a compound containing lithium, a compound containing phosphorus and sulfur, a metal sulfate and a metal phosphate is obtained. The mixture may also further contain a chlorine-containing compound. The mixture may be, for example, a raw material composition of a solid electrolyte material.
リチウムを含む化合物としては、硫化リチウム(例えば、Li2S)、酸化リチウム(例えば、Li2O)、炭酸リチウム(例えば、Li2CO3)等を挙げることができ、これらからなる群から選択される少なくとも1種を含んでいてよく、好ましくは、少なくとも硫化リチウムを含んでいてよい。 Lithium-containing compounds include lithium sulfide (e.g., Li 2 S), lithium oxide (e.g., Li 2 O), lithium carbonate (e.g., Li 2 CO 3 ), and the like, and are selected from the group consisting of these. and preferably at least lithium sulfide.
混合物におけるリチウムを含む化合物の含有量は、例えば、リン及び硫黄を含む化合物1モルに対して3モル以上7モル以下であってよく、好ましくは3.1モル以上5モル以下であってよく、より好ましくは3.3モル以上4.3モル以下であってよい。ここでリチウムを含む化合物の含有量には、後述する金属硫酸塩、金属リン酸塩及び塩素を含む化合物は含まれない。 The content of the compound containing lithium in the mixture may be, for example, 3 mol or more and 7 mol or less, preferably 3.1 mol or more and 5 mol or less, relative to 1 mol of the compound containing phosphorus and sulfur, More preferably, it may be 3.3 mol or more and 4.3 mol or less. Here, the content of compounds containing lithium does not include compounds containing metal sulfates, metal phosphates, and chlorine, which will be described later.
リン及び硫黄を含む化合物は、例えばリン-硫黄結合を有する化合物であってよい。リン及び硫黄を含む化合物としては、三硫化二リン(例えば、P2S3)、五硫化二リン(例えば、P2S5)等を挙げることができ、これらからなる群から選択される少なくとも1種を含んでいてよく、好ましくは、少なくとも五硫化二リンを含んでいてよい。 A compound containing phosphorus and sulfur may be, for example, a compound having a phosphorus-sulfur bond. Compounds containing phosphorus and sulfur include diphosphorus trisulfide ( e.g., P2S3 ) , diphosphorus pentasulfide (e.g., P2S5 ), etc., and at least It may contain one, preferably at least diphosphorus pentasulfide.
金属硫酸塩は、例えばアルカリ金属硫酸塩であってよい。金属硫酸塩としては、硫酸リチウム(例えば、Li2SO4)、硫酸ナトリウム(Na2SO4)等を挙げることができ、これらからなる群から選択される少なくとも1種を含んでいてよく、好ましくは、少なくとも硫酸リチウムを含んでいてよい。 The metal sulphate may be, for example, an alkali metal sulphate. Examples of metal sulfates include lithium sulfate (e.g., Li 2 SO 4 ), sodium sulfate (Na 2 SO 4 ), and the like, and may preferably contain at least one selected from the group consisting of these. may contain at least lithium sulfate.
混合物における金属硫酸塩の含有量は、混合物に対して例えば1.0質量%以下であってよく、好ましくは0.7質量%以下、0.6質量%以下、又は0.55質量%以下であってよい。また、金属硫酸塩の含有量の下限は、混合物に対して例えば0.01質量%以上であってよく、好ましくは0.1質量%以上、0.2質量%以上、又は0.4質量%以上であってよい。金属硫酸塩の含有量が上記範囲であることで、製造される固体電解質材料のリチウムイオン伝導性がより向上し、電池抵抗がより低減されて電池特性がより向上する傾向がある。 The content of metal sulfate in the mixture may be, for example, 1.0% by mass or less, preferably 0.7% by mass or less, 0.6% by mass or less, or 0.55% by mass or less, relative to the mixture. It's okay. In addition, the lower limit of the content of the metal sulfate may be, for example, 0.01% by mass or more, preferably 0.1% by mass or more, 0.2% by mass or more, or 0.4% by mass with respect to the mixture. or more. When the content of the metal sulfate is within the above range, the lithium ion conductivity of the produced solid electrolyte material tends to be further improved, the battery resistance is further reduced, and the battery characteristics are further improved.
金属リン酸塩は、例えばアルカリ金属リン酸塩であってよい。金属リン酸塩としては、リン酸リチウム(例えば、Li3PO4)、リン酸ナトリウム(Na3PO4)等を挙げることができ、これらからなる群から選択される少なくとも1種を含んでいてよく、好ましくは、少なくともリン酸リチウムを含んでいてよい。 A metal phosphate may be, for example, an alkali metal phosphate. Examples of the metal phosphate include lithium phosphate (e.g., Li 3 PO 4 ), sodium phosphate (Na 3 PO 4 ), and the like, and contain at least one selected from the group consisting of these. Well, preferably, it may contain at least lithium phosphate.
混合物における金属リン酸塩の含有量は、混合物に対して例えば15.0質量%以下であってよく、好ましくは10.0質量%以下、7.0質量%以下、5.0質量%以下、又は3.0質量%以下であってよい。また、金属リン酸塩の含有量の下限は、混合物に対して例えば0.1質量%以上であってよく、好ましくは0.5質量%以上、又は1.0質量%以上であってよい。金属リン酸塩の含有量が上記範囲内であると、製造される固体電解質材料の電池抵抗がより低減される傾向がある。 The content of the metal phosphate in the mixture may be, for example, 15.0% by mass or less, preferably 10.0% by mass or less, 7.0% by mass or less, 5.0% by mass or less, based on the mixture. Alternatively, it may be 3.0% by mass or less. Moreover, the lower limit of the content of the metal phosphate may be, for example, 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, or 1.0% by mass or more with respect to the mixture. When the content of the metal phosphate is within the above range, the battery resistance of the produced solid electrolyte material tends to be further reduced.
塩素を含む化合物は、例えば金属塩化物であってよく、好ましくはアルカリ金属塩化物であってよい。アルカリ金属としては、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)等を挙げることができる。塩素を含む化合物として具体的には、塩化リチウム(例えば、LiCl)、塩化ナトリウム(例えば、NaCl)、塩化カリウム(例えば、KCl)等を挙げることができ、これらからなる群から選択される少なくとも1種を含んでいてよく、好ましくは、少なくとも塩化リチウムを含んでいてよい。 The chlorine-containing compound may be, for example, a metal chloride, preferably an alkali metal chloride. Alkali metals include lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), and the like. Specific examples of the chlorine-containing compound include lithium chloride (e.g., LiCl), sodium chloride (e.g., NaCl), potassium chloride (e.g., KCl), etc. At least one compound selected from the group consisting of these It may contain seeds, preferably at least lithium chloride.
混合物における塩素を含む化合物の含有量は、例えば、リン及び硫黄を含む化合物1モルに対して0モル以上3.9モル以下であってよく、好ましくは1モル以上3.7モル以下、より好ましくは、2.9モル以上3.5モル以下であってよい。混合物における塩素を含む化合物の含有量が上記範囲内であると、後述の内部抵抗低減の効果がより大きくなる傾向がある。 The content of the compound containing chlorine in the mixture may be, for example, 0 mol or more and 3.9 mol or less, preferably 1 mol or more and 3.7 mol or less, more preferably 1 mol or less of the compound containing phosphorus and sulfur. may be 2.9 mol or more and 3.5 mol or less. When the content of the compound containing chlorine in the mixture is within the above range, the effect of reducing internal resistance, which will be described later, tends to be greater.
塩素を含む化合物の一部は、臭素を含む化合物に置換されてもよい。臭素を含む化合物は、例えば金属臭化物であってよく、好ましくはアルカリ金属臭化物であってよい。アルカリ金属としては、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)等を挙げることができる。臭素を含む化合物として具体的には、臭化リチウム(例えば、LiBr)、臭化ナトリウム(例えば、NaBr)、臭化カリウム(例えば、KBr)等を挙げることができ、これらからなる群から選択される少なくとも1種を含んでいてよく、好ましくは、少なくとも臭化リチウムを含んでいてよい。塩素を含む化合物の一部が、臭素を含む化合物に置換される場合、臭素を含む化合物の含有量は、塩素を含む化合物1モルに対して、0モルより大きく1モル未満であってよく、好ましくは0.5モル以下であってよく、より好ましくは0.1モル以下であってよい。臭素を含む化合物の塩素を含む化合物に対する含有量の下限は、例えば0.001モル以上であってよい。また、塩素を含む化合物の一部が、臭素を含む化合物に置換される場合、塩素を含む化合物と臭素を含む化合物の合計量がリン及び硫黄を含む化合物1モルに対して0モル以上3.9モル以下であってよく、好ましくは1モル以上3.7モル以下であってよく、より好ましくは、2.9モル以上3.5モル以下であってよい。 A portion of the chlorine-containing compound may be replaced with a bromine-containing compound. The bromine-containing compound may be, for example, a metal bromide, preferably an alkali metal bromide. Alkali metals include lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), and the like. Specific examples of the bromine-containing compound include lithium bromide (e.g., LiBr), sodium bromide (e.g., NaBr), potassium bromide (e.g., KBr), and the like. and preferably at least lithium bromide. When part of the chlorine-containing compound is replaced with a bromine-containing compound, the content of the bromine-containing compound may be greater than 0 mol and less than 1 mol with respect to 1 mol of the chlorine-containing compound, It may be preferably 0.5 mol or less, more preferably 0.1 mol or less. The lower limit of the content of the bromine-containing compound relative to the chlorine-containing compound may be, for example, 0.001 mol or more. Further, when part of the chlorine-containing compound is replaced with a bromine-containing compound, the total amount of the chlorine-containing compound and the bromine-containing compound is 0 mol or more per 1 mol of the compound containing phosphorus and sulfur. It may be 9 mol or less, preferably 1 mol or more and 3.7 mol or less, more preferably 2.9 mol or more and 3.5 mol or less.
混合物では、塩素を含む化合物の一部が、塩素及び臭素以外のハロゲン原子を含む化合物に置換されていてもよい。塩素及び臭素以外のハロゲン原子を含む化合物に含まれるハロゲン原子としては、フッ素、ヨウ素が挙げられ、これらのうち少なくとも一方を含んでいてよい。塩素及び臭素以外のハロゲン原子を含む化合物は、例えば金属ハロゲン化物を含んでいてよく、好ましくはアルカリ金属ハロゲン化物を含んでいてよく、少なくともハロゲン化リチウムを含んでいてよい。 In the mixture, part of the chlorine-containing compound may be substituted with a compound containing halogen atoms other than chlorine and bromine. Halogen atoms contained in compounds containing halogen atoms other than chlorine and bromine include fluorine and iodine, and at least one of these may be contained. Compounds containing halogen atoms other than chlorine and bromine may, for example, contain metal halides, preferably alkali metal halides, and at least lithium halides.
混合物が塩素及び臭素以外のハロゲン原子を含む化合物を含む場合、混合物における塩素及び臭素以外のハロゲン原子を含む化合物の含有量は、例えば、塩素を含む化合物1モルに対して0モルより大きく0.1モル以下であってよく、好ましくは0モルより大きく0.05モル以下であってよい。 When the mixture contains a compound containing a halogen atom other than chlorine and bromine, the content of the compound containing a halogen atom other than chlorine and bromine in the mixture is, for example, greater than 0 mol and 0.5 mol per 1 mol of the compound containing chlorine. It may be 1 mol or less, preferably more than 0 mol and 0.05 mol or less.
混合物は、リチウムを含む化合物、リン及び硫黄を含む化合物、金属硫酸塩、金属リン酸塩並びに必要に応じて塩素を含む化合物を、それぞれ所望の含有量となるように秤量し、混合することで調製することができる。例えば、混合物におけるリン及び硫黄を含む化合物に対する、リチウムを含む化合物及び塩素を含む化合物の総モル含有比は、例えば3以上8以下であってよく、好ましくは、5以上7.8以下、より好ましくは6以上7.5以下であってよい。 The mixture is obtained by weighing and mixing a compound containing lithium, a compound containing phosphorus and sulfur, a metal sulfate, a metal phosphate and, if necessary, a compound containing chlorine so that each has a desired content. can be prepared. For example, the total molar content ratio of the compound containing lithium and the compound containing chlorine to the compound containing phosphorus and sulfur in the mixture may be, for example, 3 or more and 8 or less, preferably 5 or more and 7.8 or less, more preferably may be 6 or more and 7.5 or less.
各原料を混合する混合方法としては、例えば、高速せん断ミキサー、ボールミル、ビーズミル、振動ミル、遊星ボールミル等の機械的応力を付与することができる混合方法を挙げることができる。 Examples of mixing methods for mixing raw materials include high-speed shear mixers, ball mills, bead mills, vibration mills, planetary ball mills, and other mixing methods that can apply mechanical stress.
熱処理工程
熱処理工程では、準備した混合物を熱処理して、硫酸イオン及びリン酸リチウムを含む熱処理物を得る。熱処理物には、リチウム、リン及び硫黄を組成に含み、アルジロダイト型結晶構造を有する硫化物が含まれていてよく、アルジロダイト型結晶構造を有する硫化物は結晶相を含んでいてよい。硫化物が結晶相を含む場合、Li7PS6で表される組成を有する結晶相を含んでいてよい。
Heat Treatment Step In the heat treatment step, the prepared mixture is heat treated to obtain a heat treated product containing sulfate ions and lithium phosphate. The heat-treated product contains lithium, phosphorus and sulfur in its composition and may contain a sulfide having an algyrodite-type crystal structure, and the sulfide having an algyrodite-type crystal structure may contain a crystal phase. When the sulfide contains a crystalline phase, it may contain a crystalline phase having a composition represented by Li7PS6 .
混合物の熱処理温度は、例えば400℃以上であってよく、好ましくは450℃以上、又は500℃以上であってよい。また熱処理温度の上限は、例えば1000℃以下であってよく、好ましくは800℃以下、又は600℃以下であってよい。熱処理の時間は、例えば1時間以上20時間以下であってよく、好ましくは5時間以上15時間以下である。熱処理の雰囲気は、例えば、窒素ガス、希ガス等の不活性ガス雰囲気であってもよく、減圧下で熱処理を行ってもよい。 The heat treatment temperature of the mixture may be, for example, 400° C. or higher, preferably 450° C. or higher, or 500° C. or higher. The upper limit of the heat treatment temperature may be, for example, 1000° C. or lower, preferably 800° C. or lower, or 600° C. or lower. The heat treatment time may be, for example, 1 hour or more and 20 hours or less, preferably 5 hours or more and 15 hours or less. The heat treatment atmosphere may be, for example, an inert gas atmosphere such as nitrogen gas or rare gas, or the heat treatment may be performed under reduced pressure.
固体電解質材料
固体電解質材料は、リチウム、リン及び硫黄を組成に含み、アルジロダイト型結晶構造を有する硫化物と、リン酸リチウムと、硫酸イオンとを含む。固体電解質材料は、X線回折パターンにおいて、波長0.15405nm及び0.15444nmであるCuKα線をX線源としてθ-2θ法で測定した場合に、回折角2θの値が21°以上23°未満の範囲に第1ピークが観測され、さらに回折角2θの値が25°以上27°未満の範囲に第2ピークが観測される。さらに第2ピークの強度に対する第1ピークの強度の比は、例えば0.03以上0.15未満であってよい。固体電解質材料に含まれる硫酸イオンの含有量は、固体電解質材料に対して例えば、0.5質量%以上であってよい。
Solid Electrolyte Material The solid electrolyte material contains lithium, phosphorus and sulfur in its composition, and contains a sulfide having an aldirodite crystal structure, lithium phosphate, and sulfate ions. In the X-ray diffraction pattern of the solid electrolyte material, the value of the diffraction angle 2θ is 21° or more and less than 23° when measured by the θ-2θ method using CuKα rays with wavelengths of 0.15405 nm and 0.15444 nm as the X-ray source. A first peak is observed in the range of , and a second peak is observed in a range in which the value of the diffraction angle 2θ is 25° or more and less than 27°. Furthermore, the ratio of the intensity of the first peak to the intensity of the second peak may be, for example, 0.03 or more and less than 0.15. The content of sulfate ions contained in the solid electrolyte material may be, for example, 0.5% by mass or more with respect to the solid electrolyte material.
固体電解質材料が、アルジロダイト型結晶構造を有する硫化物に加えて、リン酸リチウム及び硫酸イオンを含むことで、リチウムイオンの伝導性が向上する。また、電池を構成する場合に内部抵抗が低減され、優れた電池特性を示すことができる。これは、例えば以下のように考えることができる。アルジロダイト型結晶構造を有する硫化物を固体電解質とする際、アルジロダイト型結晶構造を有する硫化物よりリチウム濃度が高いリン酸リチウムが固体電解質の粒子表面に存在することで、リチウムイオンの拡散性が向上し、電池抵抗が改善されると考えられる。また、アルジロダイト型結晶構造は、Li2S-Li3PS4-Li2Sという構造からなるが、近傍に硫酸リチウムが存在すると、その一部がLi3PS4と置き換わって固溶していると考えられる。これにより固体電解質中にリチウム欠損が起こり、空のリチウムサイトができるため、より固体電解質中のリチウムの移動が起こりやすくなると考えられる。なお、固体電解質材料が塩化リチウムを含む場合、塩化リチウムの一部がLi2Sと置き換わって固溶してリチウム欠損が起こり、空のリチウムサイトを形成すると考えられる。このようにLi2SとLi3PS4のそれぞれのユニットが置き換えられることでリチウムイオン伝導性が相乗的に向上すると考えられる。 When the solid electrolyte material contains lithium phosphate and sulfate ions in addition to the sulfide having the aldirodite crystal structure, the conductivity of lithium ions is improved. In addition, when forming a battery, the internal resistance is reduced, and excellent battery characteristics can be exhibited. This can be considered, for example, as follows. When a sulfide having an algyrodite-type crystal structure is used as a solid electrolyte, the presence of lithium phosphate, which has a higher lithium concentration than that of the sulfide having an algyrodite-type crystal structure, on the surface of the solid electrolyte particles improves the diffusion of lithium ions. It is thought that the battery resistance is improved. The aldirodite-type crystal structure has a structure of Li 2 S—Li 3 PS 4 —Li 2 S, but when lithium sulfate is present in the vicinity, part of it is replaced with Li 3 PS 4 to form a solid solution. it is conceivable that. As a result, lithium vacancies occur in the solid electrolyte, creating vacant lithium sites. When the solid electrolyte material contains lithium chloride, it is thought that part of the lithium chloride is replaced with Li 2 S to form a solid solution, resulting in lithium deficiency and forming vacant lithium sites. It is considered that the replacement of the respective units of Li 2 S and Li 3 PS 4 in this manner synergistically improves the lithium ion conductivity.
固体電解質材料は、リチウム、リン及び硫黄を組成に含み、アルジロダイト型結晶構造を有する硫化物を含む。固体電解質材料を構成する硫化物は、例えばLi7PS6で表される組成を有する結晶相を含んでいてよい。硫化物におけるLi7PS6で表される組成を有する結晶相の存在は、例えば、X線回折(XRD)測定によって確認することができる。具体的には、波長0.15405nm及び0.15444nmであるCuKα線をX線源としてθ-2θ法で固体電解質材料についてXRD測定する場合、Li7PS6で表される組成を有する結晶相に対応するピークは、通常、2θ=25.7°、30.2°、31.6°、45.3°、48.2°、52.7°の位置に現れる。 The solid electrolyte material contains lithium, phosphorus and sulfur in its composition and contains a sulfide having an aldirodite crystal structure. The sulfide constituting the solid electrolyte material may contain a crystal phase having a composition represented by Li7PS6 , for example. The presence of a crystal phase having a composition represented by Li 7 PS 6 in the sulfide can be confirmed, for example, by X-ray diffraction (XRD) measurement. Specifically, when the solid electrolyte material is subjected to XRD measurement by the θ-2θ method using CuKα rays with wavelengths of 0.15405 nm and 0.15444 nm as the X-ray source, the crystal phase having the composition represented by Li 7 PS 6 Corresponding peaks usually appear at 2θ=25.7°, 30.2°, 31.6°, 45.3°, 48.2°, 52.7°.
硫化物の組成におけるリチウムの含有量は、例えば、リン1モルに対して4モル以上7モル以下であってよく、好ましくは5モル以上6モル以下であってよい。また、硫化物の組成における硫黄の含有量は、例えば、リン1モルに対して3モル以上6モル以下であってよく、好ましくは4モル以上5モル以下であってよい。 The content of lithium in the sulfide composition may be, for example, 4 mol or more and 7 mol or less, preferably 5 mol or more and 6 mol or less, per 1 mol of phosphorus. The content of sulfur in the sulfide composition may be, for example, 3 mol or more and 6 mol or less, preferably 4 mol or more and 5 mol or less, per 1 mol of phosphorus.
アルジロダイト型結晶構造を有する硫化物は、その組成にハロゲンを含んでいてもよい。ハロゲンを含むことでリチウムイオン伝導性がより向上する傾向がある。ハロゲンとしては、塩素、臭素、ヨウ素等が挙げられ、これらからなる群から選択される少なくとも1種を含んでいてよく、塩素及び臭素の一方を含んでいてよく、少なくとも塩素を含んでいてよい。塩素を含むことで、化学的安定性のより高い硫化物固体電解質とできる傾向がある。 The sulfide having an aldirodite-type crystal structure may contain halogen in its composition. Containing a halogen tends to further improve the lithium ion conductivity. Halogen includes chlorine, bromine, iodine, etc., may contain at least one selected from the group consisting of these, may contain one of chlorine and bromine, and may contain at least chlorine. The inclusion of chlorine tends to result in a sulfide solid electrolyte with higher chemical stability.
アルジロダイト型結晶構造を有する硫化物が組成にハロゲンを含む場合、硫化物の組成におけるハロゲンの含有量は、例えば、リン1モルに対して0モルより大きく2モル以下であってよく、好ましくは1モル以上2モル以下であってよく、より好ましくは1.4モル以上1.8モル以下であってよい。アルジロダイト型結晶構造を有する硫化物の組成に含まれるハロゲンが上記範囲であることで、硫化物のリチウムイオン伝導性がより向上しやすい傾向がある。 When the sulfide having an aldirodite-type crystal structure contains halogen in the composition, the content of halogen in the composition of the sulfide may be, for example, greater than 0 mol and not more than 2 mol per 1 mol of phosphorus, preferably 1 It may be mol or more and 2 mol or less, more preferably 1.4 mol or more and 1.8 mol or less. When the halogen contained in the composition of the sulfide having the aldirodite-type crystal structure is within the above range, the lithium ion conductivity of the sulfide tends to be more easily improved.
固体電解質材料は、アルジロダイト型結晶構造を有する硫化物に加えて、リン酸リチウムを含む。固体電解質材料におけるリン酸リチウムの存在は、X線回折パターンを用いて評価することができる。具体的には、波長0.15405nm及び0.15444nmであるCuKα線をX線源としてθ-2θ法で固体電解質材料についてXRD測定する場合、リン酸リチウム(例えば、Li3PO4)に対応するピークは、通常、2θ=22.3°、23.2°、24.8°、33.9°、36.6°の位置に現れる。 The solid electrolyte material contains lithium phosphate in addition to sulfide having an aldirodite crystal structure. The presence of lithium phosphate in solid electrolyte materials can be evaluated using X-ray diffraction patterns. Specifically, when the solid electrolyte material is subjected to XRD measurement by the θ-2θ method using CuKα rays with wavelengths of 0.15405 nm and 0.15444 nm as X-ray sources, lithium phosphate (for example, Li 3 PO ) corresponds to Peaks usually appear at 2θ=22.3°, 23.2°, 24.8°, 33.9° and 36.6°.
アルジロダイト型結晶構造を有する硫化物に加えて、リン酸リチウムを含む固体電解質材料は、CuKα線をX線源とするX線回折パターンにおいて、リン酸リチウム(例えば、Li3PO4)に対応する第1ピークと、Li7PS6で表される組成を有する結晶相に対応する第2ピークとを有していてよい。第1ピークは、例えば回折角2θの値が21°以上23°未満であってよく、約22.3°であってよい。第2ピークは、例えば回折角2θの値が25°以上27°未満であってよく、約25.7°であってよい。 A solid electrolyte material containing lithium phosphate in addition to a sulfide having an aldirodite-type crystal structure corresponds to lithium phosphate (e.g., Li PO ) in an X-ray diffraction pattern using CuKα rays as an X-ray source. It may have a first peak and a second peak corresponding to a crystal phase having a composition represented by Li7PS6 . The first peak may have, for example, a diffraction angle 2θ value of 21° or more and less than 23°, and may be about 22.3°. The second peak may have a diffraction angle 2θ of, for example, 25° or more and less than 27°, and may be about 25.7°.
固体電解質材料が含むリン酸リチウムの含有量は例えば、X線回折パターンを用いて評価することができる。具体的には、第2ピークの強度に対する第1ピークの強度の比(以下、単に「ピーク強度比」ともいう)によって評価することができる。固体電解質材料は、第2ピークの強度に対する第1ピークの強度の比が、例えば0.03以上0.15未満であってよく、好ましくは0.04以上、又は0.045以上であってよく、また好ましくは0.10以下、又は0.06以下であってよい。リン酸リチウムの含有量に対応するピーク強度比が上記範囲内であると、電池抵抗がより低減される傾向がある。 The content of lithium phosphate contained in the solid electrolyte material can be evaluated using, for example, an X-ray diffraction pattern. Specifically, it can be evaluated by the ratio of the intensity of the first peak to the intensity of the second peak (hereinafter also simply referred to as "peak intensity ratio"). In the solid electrolyte material, the ratio of the intensity of the first peak to the intensity of the second peak may be, for example, 0.03 or more and less than 0.15, preferably 0.04 or more, or 0.045 or more. , and preferably less than or equal to 0.10, or less than or equal to 0.06. When the peak intensity ratio corresponding to the content of lithium phosphate is within the above range, the battery resistance tends to be further reduced.
固体電解質材料は硫酸イオンを含む。固体電解質材料に含まれる硫酸イオンの含有量は、固体電解質材料に対して例えば、0.5質量%以上であってよいが、好ましくは0.54質量%以上である。また硫酸イオンの含有量の上限は、固体電解質材料に対して例えば、1.0質量%以下であってよく、好ましくは0.8質量%以下である。硫酸イオンが上記範囲内の含有量で存在することで、リチウムイオン伝導性がより向上し、電池抵抗がより低減されて電池特性がより向上する傾向がある。 The solid electrolyte material contains sulfate ions. The content of sulfate ions contained in the solid electrolyte material may be, for example, 0.5% by mass or more, preferably 0.54% by mass or more, relative to the solid electrolyte material. Moreover, the upper limit of the content of sulfate ions may be, for example, 1.0% by mass or less, preferably 0.8% by mass or less, relative to the solid electrolyte material. When the content of sulfate ions is within the above range, the lithium ion conductivity tends to be further improved, the battery resistance is further reduced, and the battery characteristics are further improved.
固体電解質材料に含まれる硫酸イオンの含有量は、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP発光分光分析法)により測定される。 The content of sulfate ions contained in the solid electrolyte material is measured by high frequency inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP emission spectrometry).
固体電解質材料の組成は、リチウム原子の組成比が、例えばリン1モルに対して4モル以上7モル以下であってよく、好ましくは5モル以上6モル以下であってよい。また、硫黄原子の組成比が、例えばリン1モルに対して3モル以上6モル以下であってよく、好ましくは4モル以上5モル以下であってよい。また、酸素原子の組成比が、例えばリン1モルに対して0モル以上4モル以下であってよく、好ましくは0.1モル以上2.0モル以下であってよい。また、ハロゲン原子の組成比が、例えばリン1モルに対して0モル以上2モル未満であってよく、好ましくは1.4モル以上1.8モル以下であってよい。 In the composition of the solid electrolyte material, the composition ratio of lithium atoms may be, for example, 4 mol or more and 7 mol or less, preferably 5 mol or more and 6 mol or less, per 1 mol of phosphorus. Also, the composition ratio of sulfur atoms may be, for example, 3 mol or more and 6 mol or less, preferably 4 mol or more and 5 mol or less, per 1 mol of phosphorus. Also, the composition ratio of oxygen atoms may be, for example, 0 mol or more and 4 mol or less, preferably 0.1 mol or more and 2.0 mol or less, per 1 mol of phosphorus. Also, the composition ratio of halogen atoms may be, for example, 0 mol or more and less than 2 mol, preferably 1.4 mol or more and 1.8 mol or less, per 1 mol of phosphorus.
固体電解質材料は、例えば、下記式(I)で表される組成を有していてもよい。
LirPSsOtXu (I)
式(I)中、r、s、t、uはそれぞれ、4≦r≦7、3≦s≦6、0≦t≦4及び0≦u<2であり、XはF、Cl、Br、Iからなる群から選択される少なくとも1種であってよい。好ましくは、5≦r≦6、4≦s≦5、0.1≦t≦2及び1.4≦u≦1.8であってよく、XはBr、Clの少なくとも一方であってよい。
The solid electrolyte material may have, for example, a composition represented by formula (I) below.
Li r PS s O t X u (I)
In formula (I), r, s, t and u are respectively 4≦r≦7, 3≦s≦6, 0≦t≦4 and 0≦u<2, and X is F, Cl, Br, It may be at least one selected from the group consisting of I. Preferably, 5≦r≦6, 4≦s≦5, 0.1≦t≦2 and 1.4≦u≦1.8, and X may be at least one of Br and Cl.
電池
電池は、上記の固体電解質材料を含む電解質と、正極と、負極とを備えて構成される。電解質は正極と負極との間に配置される電解質層を形成していてよい。ここで電池の構成例を、図面を参照して説明する。図1は電池1000の概略構成を示す断面図である。電池1000は、正極201及び負極203と、正極201及び負極203の間に配置される電解質層202とを備える。正極201は正極活物質204を含む正極活物質層を備える。正極201を構成する正極活物質層は正極活物質204に加えて、導電助剤、固体電解質材料100等を含んでいてよい。また、正極201は集電体と集電体に接続するリードを備えていてよい。負極203は負極活物質205を含む負極活物質層を備える。負極203を構成する負極活物質層は負極活物質205に加えて、導電助剤、固体電解質材料100等を含んでいてよい。また、負極203は集電体と集電体に接続するリードを備えていてよい。電解質層202は固体電解質材料を含んで構成される。また電池の一例としては、リチウムイオン電池であり、全固体二次電池であってよい。
Battery A battery comprises an electrolyte containing the above solid electrolyte material, a positive electrode, and a negative electrode. The electrolyte may form an electrolyte layer disposed between the positive and negative electrodes. Here, a configuration example of the battery will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a
本明細書におけるリチウムイオン電池は、正極にリチウム遷移金属複合酸化物を用いたリチウムイオン二次電池、負極にリチウムを吸蔵放出する材料を用いたリチウム硫黄電池を含む。リチウム遷移金属複合酸化物の具体例については、例えば、国際公開第2017/141735号明細書の第0066段落(米国公開特許公報第2018/0309167号明細書の第0152段落から第0156段落)等を参照することができる。またリチウムを吸蔵放出する材料としては、国際公開第2015/056564号明細書の第0058段落(米国公開特許公報第2016/0254529号明細書の第0070段落)などを参照することができる。 The lithium-ion battery in this specification includes a lithium-ion secondary battery using a lithium-transition metal composite oxide for the positive electrode and a lithium-sulfur battery using a material that absorbs and releases lithium for the negative electrode. For specific examples of the lithium transition metal composite oxide, see, for example, International Publication No. 2017/141735, paragraph 0066 (U.S. Publication No. 2018/0309167, paragraphs 0152 to 0156), etc. You can refer to it. In addition, reference can be made to, for example, paragraph 0058 of International Publication No. 2015/056564 (paragraph 0070 of US Patent Publication No. 2016/0254529) for materials that occlude and release lithium.
正極活物質204には、例えばリチウム遷移金属複合酸化物が用いられ、上述した公報に記載の層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物、スピネル型構造を有する遷移金属酸化物等を適用することができる。また、正極活物質204には、リチウム含有遷移金属リン酸化合物、リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物及びリチウム含有遷移金属ケイ酸化合物のほか、遷移金属フッ化物、遷移金属硫化物、遷移金属オキシフッ化物、遷移金属オキシ硫化物、遷移金属オキシ窒化物なども用いられる。リチウム硫黄電池の場合には、正極活物質として単体の硫黄などを用いることができる。
For the positive electrode
正極活物質204の平均粒径は、例えば0.1μm以上30μm以下であってよい。正極活物質204の平均粒径が30μm以下であると、正極活物質204内におけるリチウム拡散が遅くなり過ぎず、電池の高出力での動作がより容易になる可能性がある。正極活物質層の厚みは、例えば10μm以上500μm以下であってよい。正極活物質層の厚みが10μm以上であれば、十分な電池のエネルギー密度の確保がより容易になる可能性がある。また、正極活物質層の厚みが500μm以下であれば、高出力での動作が容易になる可能性がある。
The average particle size of the positive electrode
正極活物質204の平均粒径は、固体電解質材料100の平均粒径よりも大きくてもよい。これにより、正極活物質層において正極活物質204と固体電解質材料とが良好な分散状態を形成できる。
The average particle size of the positive electrode
正極活物質層に含まれる、正極活物質204及び固体電解質材料100の体積和に対する正極活物質204の体積比率は、例えば30%以上95%以下であってよい。体積比率が30%以上であると、電池のエネルギー密度を充分に確保することができる。また、体積比率が95%以下であると、高出力での動作がより容易になる可能性がある。
The volume ratio of the positive electrode
電解質層202は、上記の固体電解質材料を含む固体電解質層であってよい。固体電解質層の厚みは、例えば1μm以上100μm以下であってよい。固体電解質層の厚みが1μm以上であれば、正極201と負極203との短絡を抑制することができる。また、固体電解質層の厚みが100μm以下であれば、高出力での動作がより容易になる可能性がある。
The
負極活物質205は、リチウムイオン等の金属イオンを吸蔵・放出可能な特性を有する材料を含んで構成される。負極活物質205として具体的には、金属材料、炭素材料などが使用される。金属材料は単体の金属または合金であってもよい。金属材料の例として、リチウム金属、リチウム合金などが挙げられる。炭素材料の例として、天然黒鉛、コークス、黒鉛化途上炭素、炭素繊維、球状炭素、人造黒鉛、非晶質炭素などが挙げられる。
The negative electrode
負極活物質205の平均粒径は、例えば0.1μm以上100μm以下であってよい。負極活物質205の平均粒径が0.1μm以上であると、負極活物質層において負極活物質205と固体電解質材料100とが、良好な分散状態を形成できる可能性がある。これにより、電池の充放電特性が低下することを抑制することができる。また、負極活物質205の平均粒径が100μm以下であると、負極活物質205内におけるリチウム拡散が遅くなりすぎず、電池の高出力での動作がより容易になる可能性がある。
The average particle size of the negative electrode
負極活物質205の平均粒径は、固体電解質材料100の平均粒径よりも大きくてもよい。これにより、負極活物質層において負極活物質205と固体電解質材料とが良好な分散状態を形成できる。
The average particle size of the negative electrode
負極活物質層に含まれる、負極活物質205及び固体電解質材料100の体積和に対する負極活物質205の体積比率は、例えば30%以上95%以下であってよい。体積比率が30%以上であると、電池のエネルギー密度を充分に確保することができる。また、体積比率が95%以下であると、高出力での動作がより容易になる可能性がある。
The volume ratio of the negative electrode
正極201及び負極203のうちの少なくとも一方は必要に応じて導電助剤を含んでいてもよい。導電助剤は、電池の電気抵抗を低減するために用いられる。導電助剤としては、天然黒鉛、人造黒鉛等のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボン類などが挙げられる。
At least one of the
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below by way of examples, but the present invention is not limited to these examples.
実施例1
露点-50℃以下の乾燥雰囲気下で、原材料Li2S、P2S5、LiCl、Li2SO4、Li3PO4を、モル比でLi2S:P2S5:LiCl:Li2SO4:Li3PO4=3.74:1:3.28:0.03:0.05となるように秤量した。これらをアブソリュートミルで粉砕、混合して混合物を得た。得られた混合物をルツボに充填し、石英製の密閉容器に入れた。密閉容器には炭素パッキンを挟み、3.4Nmのトルクで締めた。密閉容器を窒素雰囲気下で500℃、8時間熱処理して、実施例1の固体電解質材料の粉末を得た。実施例1の固体電解質材料は、Li5.5PS4.2O0.1Cl1.7で表される組成を有していた。また、混合物におけるLi2SO4の含有率(質量%)を表1に示した。
Example 1
Raw materials Li 2 S, P 2 S 5 , LiCl, Li 2 SO 4 and Li 3 PO 4 were mixed in a dry atmosphere with a dew point of −50° C. or lower, and the molar ratio was Li 2 S:P 2 S 5 :LiCl:Li 2 . SO 4 :Li 3 PO 4 =3.74:1:3.28:0.03:0.05. These were pulverized and mixed by an absolute mill to obtain a mixture. The obtained mixture was filled in a crucible and placed in a sealed container made of quartz. A carbon packing was placed in the sealed container and tightened with a torque of 3.4 Nm. The sealed container was heat-treated at 500° C. for 8 hours in a nitrogen atmosphere to obtain a solid electrolyte material powder of Example 1. The solid electrolyte material of Example 1 had a composition represented by Li 5.5 PS 4.2 O 0.1 Cl 1.7 . Table 1 also shows the Li 2 SO 4 content (% by mass) in the mixture.
実施例2
混合物における原材料のモル比がLi2S:P2S5:LiCl:Li2SO4:Li3PO4=3.76:1:3.43:0.03:0.14となるように秤量したこと以外は実施例1と同様にして、実施例2の固体電解質材料の粉末を得た。実施例2の固体電解質材料は、Li5.5PS4.0O0.5Cl1.6で表される組成を有していた。
Example 2
Weigh so that the molar ratio of the raw materials in the mixture is Li 2 S:P 2 S 5 :LiCl:Li 2 SO 4 :Li 3 PO 4 =3.76:1:3.43:0.03:0.14 A powder of the solid electrolyte material of Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except for the above. The solid electrolyte material of Example 2 had a composition represented by Li 5.5 PS 4.0 O 0.5 Cl 1.6 .
実施例3
混合物における原材料のモル比がLi2S:P2S5:LiCl:Li2SO4:Li3PO4=3.90:1:3.68:0.025:0.25となるように秤量したこと以外は実施例1と同様にして、実施例3の固体電解質材料の粉末を得た。実施例3の固体電解質材料は、Li5.4PS3.6O0.9Cl1.6で表される組成を有していた。
Example 3
Weigh so that the molar ratio of the raw materials in the mixture is Li 2 S:P 2 S 5 :LiCl:Li 2 SO 4 :Li 3 PO 4 =3.90:1:3.68:0.025:0.25 A powder of the solid electrolyte material of Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except for the above. The solid electrolyte material of Example 3 had a composition represented by Li 5.4 PS 3.6 O 0.9 Cl 1.6 .
実施例4
混合物における原材料のモル比がLi2S:P2S5:LiCl:Li2SO4:Li3PO4=3.65:1:3.43:0.04:0.14となるように秤量したこと以外は実施例1と同様にして、実施例4の固体電解質材料の粉末を得た。実施例4の固体電解質材料は、Li5.2PS3.9O0.6Cl1.6で表される組成を有していた。
Example 4
Weigh so that the molar ratio of the raw materials in the mixture is Li2S:P2S5:LiCl:Li2SO4:Li3PO4 = 3.65 : 1 : 3.43 :0.04:0.14 A powder of the solid electrolyte material of Example 4 was obtained in the same manner as in Example 1 except for the above. The solid electrolyte material of Example 4 had a composition represented by Li 5.2 PS 3.9 O 0.6 Cl 1.6 .
比較例1
混合物における原材料のモル比がLi2S:P2S5:LiCl=3.8:1:3.2となるように秤量したこと以外は実施例1と同様にして、比較例1の固体電解質材料の粉末を得た。比較例1の固体電解質材料は、Li5.4PS4.4Cl1.6で表される組成を有していた。
Comparative example 1
A solid electrolyte of Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the molar ratio of the raw materials in the mixture was Li 2 S:P 2 S 5 :LiCl=3.8:1:3.2. A powder of material was obtained. The solid electrolyte material of Comparative Example 1 had a composition represented by Li 5.4 PS 4.4 Cl 1.6 .
比較例2
混合物における原材料のモル比がLi2S:P2S5:LiCl:Li2SO4=3.84:1:3.22:0.03となるように秤量したこと以外は実施例1と同様にして、比較例2の固体電解質材料の粉末を得た。比較例2の固体電解質材料は、Li5.3PS4.35O0.05Cl1.6で表される組成を有していた。
Comparative example 2
Same as Example 1 except that the molar ratio of raw materials in the mixture was Li2S : P2S5 :LiCl: Li2SO4 = 3.84:1:3.22:0.03. Then, powder of the solid electrolyte material of Comparative Example 2 was obtained. The solid electrolyte material of Comparative Example 2 had a composition represented by Li 5.3 PS 4.35 O 0.05 Cl 1.6 .
比較例3
混合物における原材料のモル比がLi2S:P2S5:LiCl:Li3PO4=3.92:1:3.23:0.30となるように秤量したこと以外は実施例1と同様にして、比較例3の固体電解質材料の粉末を得た。比較例3の固体電解質材料は、Li5.2PS3.9O0.5Cl1.4で表される組成を有していた。
Comparative example 3
Same as Example 1 except that the molar ratio of the raw materials in the mixture was Li2S:P2S5:LiCl:Li3PO4 = 3.92 : 1 :3.23:0.30. Then, powder of the solid electrolyte material of Comparative Example 3 was obtained. The solid electrolyte material of Comparative Example 3 had a composition represented by Li 5.2 PS 3.9 O 0.5 Cl 1.4 .
比較例4
混合物における原材料のモル比がLi2S:P2S5:LiCl:Li2SO4:Li3PO4=3.85:1:3.99:0.03:0.5となるように秤量したこと以外は実施例1と同様にして、比較例4の固体電解質材料の粉末を得た。比較例4の固体電解質材料は、Li5.0PS3.1O1.4Cl1.4で表される組成を有していた。
Comparative example 4
Weigh so that the molar ratio of the raw materials in the mixture is Li2S:P2S5:LiCl:Li2SO4:Li3PO4 = 3.85 : 1 : 3.99:0.03:0.5 Powder of the solid electrolyte material of Comparative Example 4 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the above was performed. The solid electrolyte material of Comparative Example 4 had a composition represented by Li 5.0 PS 3.1 O 1.4 Cl 1.4 .
評価
結晶構造解析
固体電解質材料の結晶構造の解析は、露点-50℃で密閉セルに詰めた試料を、X線回折装置(RIGAKU社製、SmartLab)を用いてX線回折パターンを測定して行った。X線源については波長0.15405nm及び0.15444nmであるCuKα線を用いた。
Evaluation crystal structure analysis The crystal structure of the solid electrolyte material is analyzed by measuring the X-ray diffraction pattern of a sample packed in a closed cell at a dew point of -50 ° C. using an X-ray diffraction device (manufactured by RIGAKU, SmartLab). rice field. CuKα rays with wavelengths of 0.15405 nm and 0.15444 nm were used as the X-ray source.
得られたX線回折パターンにおいて、Li3PO4に対応する第1ピークとして2θ=22.3°のピークを、Li7PS6に対応する第2ピークとして2θ=25.7°のピークを選択し、第2ピークの強度に対する第1ピークの強度の比(ピーク強度比)を算出した。結果を表1に示す。 In the obtained X-ray diffraction pattern, a peak at 2θ = 22.3° as a first peak corresponding to Li 3 PO 4 and a peak at 2θ = 25.7° as a second peak corresponding to Li 7 PS 6 was selected, and the ratio of the intensity of the first peak to the intensity of the second peak (peak intensity ratio) was calculated. Table 1 shows the results.
実施例1及び比較例1で得られた固体電解質材料のXRDパターンを図3に示す。図3に示されるように実施例1及び比較例1の固体電解質材料には、Li7PS6に該当するピーク(2θ=、25.7°、30.2°、31.6°、45.3°、48.2°、52.7°)が確認された。また実施例1の固体電解質材料には、Li3PO4に該当するピーク(2θ=22.3°、23.2°、24.8°、33.9°、36.6°)が確認された。 XRD patterns of the solid electrolyte materials obtained in Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIG. As shown in FIG. 3, the solid electrolyte materials of Example 1 and Comparative Example 1 had peaks corresponding to Li 7 PS 6 (2θ=, 25.7°, 30.2°, 31.6°, 45. 3°, 48.2°, 52.7°) were confirmed. In the solid electrolyte material of Example 1, peaks corresponding to Li 3 PO 4 (2θ = 22.3°, 23.2°, 24.8°, 33.9°, 36.6°) were confirmed. rice field.
実施例2、実施例3及び実施例4で得られた固体電解質材料のXRDパターンを図4に示す。図4に示されるように実施例2、実施例3及び実施例4の固体電解質材料には、Li7PS6に該当するピーク(2θ=、25.7°、30.2°、31.6°、45.3°、48.2°、52.7°)と、Li3PO4に該当するピーク(2θ=22.3°、23.2°、24.8°、33.9°、36.6°)が確認された。 XRD patterns of the solid electrolyte materials obtained in Examples 2, 3 and 4 are shown in FIG. As shown in FIG. 4, the solid electrolyte materials of Examples 2, 3 and 4 had peaks corresponding to Li 7 PS 6 (2θ=, 25.7°, 30.2°, 31.6° °, 45.3 °, 48.2°, 52.7°) and peaks corresponding to Li3PO4 (2θ = 22.3°, 23.2°, 24.8°, 33.9°, 36.6°) was confirmed.
比較例2、比較例3及び比較例4で得られた固体電解質材料のXRDパターンを図5に示す。図5に示されるように比較例2、比較例3及び比較例4の固体電解質材料には、Li7PS6に該当するピーク(2θ=、25.7°、30.2°、31.6°、45.3°、48.2°、52.7°)が確認され、比較例3及び比較例4で得られた固体電解質材料のXRDパターンにはさらに、Li3PO4に該当するピーク(2θ=22.3°、23.2°、24.8°、33.9°、36.6°)が確認された。 The XRD patterns of the solid electrolyte materials obtained in Comparative Examples 2, 3 and 4 are shown in FIG. As shown in FIG. 5, the solid electrolyte materials of Comparative Examples 2, 3 and 4 had peaks corresponding to Li 7 PS 6 (2θ =, 25.7°, 30.2°, 31.6 °, 45.3 °, 48.2 °, 52.7 °) were confirmed, and the XRD patterns of the solid electrolyte materials obtained in Comparative Examples 3 and 4 further included a peak corresponding to Li 3 PO 4 (2θ=22.3°, 23.2°, 24.8°, 33.9°, 36.6°) were confirmed.
硫酸イオン含有量
実施例及び比較例で得られたそれぞれの固体電解質材料の粉末について、酢酸亜鉛で処理することで硫黄を硫化亜鉛として取り除いてから、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP発光分光分析法)を用いて硫酸イオン(SO4
2-)の含有量を測定した。結果を表1に示す。
Sulfate ion content The solid electrolyte material powders obtained in Examples and Comparative Examples were treated with zinc acetate to remove sulfur as zinc sulfide, and then subjected to high frequency inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP emission spectroscopy). The content of sulfate ions (SO 4 2− ) was measured using the analytical method). Table 1 shows the results.
電池特性の評価
充放電特性
露点-50℃以下の乾燥雰囲気下で、図2に示す冶具を用いて310MPaで加圧し、実施例及び比較例で得られたそれぞれの固体電解質材料を押し固めた。その後、パンチ上部303を抜いて、正極材と上記の固体電解質材料と導電助剤を混ぜた合剤を詰めて、310MPaで加圧した。その後、パンチ下部302を抜いて、Li負極を詰めて310MPaで加圧して電池を作製した。作製した電池をポテンショスタッドに繋いで、充電容量および放電容量を測定した。測定された充電容量で放電容量を除して効率(%)を算出した。結果を表1に示す。
Evaluation of Battery Characteristics Charge-Discharge Characteristics Under a dry atmosphere with a dew point of −50° C. or less, a pressure of 310 MPa was applied using the jig shown in FIG. 2 to compact the solid electrolyte materials obtained in Examples and Comparative Examples. After that, the upper part of the
電池抵抗
上記で作製した電池について、インピーダンス測定装置(キーサイト製、インピーダンスアナライザーE4990A))を用いて20Hzから120MHzの範囲の周波数で電池抵抗(Ω)を測定した。結果を表1に示す。
Battery Resistance The battery resistance (Ω) of the battery prepared above was measured at frequencies in the range of 20 Hz to 120 MHz using an impedance measuring device (impedance analyzer E4990A manufactured by Keysight). Table 1 shows the results.
表1に示すように、実施例1から実施例4の固体電解質材料を用いて作製した電池では、電池抵抗が低減された。 As shown in Table 1, in the batteries fabricated using the solid electrolyte materials of Examples 1 to 4, the battery resistance was reduced.
1000 電池
100 固体電解質材料
201 正極
202 電解質層
203 負極
204 正極活物質
205 負極活物質
300 加圧成形用ダイス
301 枠型
302 パンチ下部
303 パンチ上部
1000
Claims (12)
前記混合物を熱処理して硫酸イオン及びリン酸リチウムを含む熱処理物を得ることと、を含み、
前記リチウムを含む化合物は、硫化リチウム、酸化リチウム及び炭酸リチウムからなる群から選択される少なくとも1種を含み、
前記混合物は、前記金属リン酸塩の含有量が15.0質量%未満である固体電解質材料の製造方法。 obtaining a mixture comprising a compound containing lithium, a compound containing phosphorus and sulfur, a metal sulfate and a metal phosphate;
heat-treating the mixture to obtain a heat-treated product containing sulfate ions and lithium phosphate;
The compound containing lithium includes at least one selected from the group consisting of lithium sulfide, lithium oxide and lithium carbonate,
The method for producing a solid electrolyte material, wherein the mixture contains less than 15.0% by mass of the metal phosphate.
前記硫酸イオンの含有量が0.5質量%以上であり、
X線回折パターンにおいて、波長0.15405nm及び0.15444nmであるCuKα線をX線源としてθ-2θ法で測定した場合に、回折角2θの値が21°以上23°未満の範囲に第1ピークが観測され、さらに回折角2θの値が25°以上27°未満の範囲に第2ピークが観測され、前記第2ピークの強度に対する前記第1ピークの強度の比が、0.03以上0.15未満である固体電解質材料。 The composition contains lithium, phosphorus and sulfur, and contains a sulfide having an algyrodite-type crystal structure, lithium phosphate, and sulfate ions,
The content of the sulfate ion is 0.5% by mass or more,
In the X-ray diffraction pattern, when CuKα rays with wavelengths of 0.15405 nm and 0.15444 nm are used as the X-ray source and measured by the θ-2θ method, the value of the diffraction angle 2θ is in the range of 21 ° or more and less than 23 °. A peak is observed, and a second peak is observed in a range where the value of the diffraction angle 2θ is 25 ° or more and less than 27 °, and the ratio of the intensity of the first peak to the intensity of the second peak is 0.03 or more. A solid electrolyte material that is less than .15.
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