JP2023147557A - Method for manufacturing solid electrolyte having argyrodite-type crystal structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体電池に好適に用いられるアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質の製造方法に関し、より詳しくは、工程が煩雑となるミリング処理を用いない液相によるLi元素、P元素、S元素及びX元素(Xはハロゲン)を含むアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure suitable for use in solid-state batteries, and more specifically, the present invention relates to a method for producing a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure, which is suitably used in solid-state batteries. The present invention relates to a method for producing a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure containing element X (X is a halogen).
リチウムイオン電池は、充電時には正極からリチウムがイオンとして脱離して負極へ移動して吸蔵され、放電時には負極から正極へリチウムイオンが挿入されて戻る構造の二次電池である。このリチウムイオン電池は、エネルギー密度が大きく、長寿命である等の特徴を有しているため、従来、パソコン、カメラ等の家電製品や、携帯電話機等の携帯型電子機器又は通信機器、パワーツール等の電動工具等の電源として広く用いられており、最近では、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)等に搭載される大型電池にも応用されている。このようなリチウムイオン電池において、可燃性の有機溶剤を含む電解液に代えて固体電解質を用いると、安全装置の簡素化が図られるだけでなく、製造コスト、生産性等にも優れることから、各種材料の研究が盛んに進められている。なかでも、硫化物を含む固体電解質は、導電率(リチウムイオン伝導度)が高く、電池の高出力化を図る上で有用であるといわれている。特に、高い導電率を与えるアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質は注目されており、種々の製造方法が知られている。 A lithium ion battery is a secondary battery that has a structure in which lithium ions are desorbed from the positive electrode as ions and moved to the negative electrode and inserted therein during charging, and lithium ions are inserted from the negative electrode to the positive electrode and returned during discharging. Lithium-ion batteries have characteristics such as high energy density and long life, so they have traditionally been used in home appliances such as computers and cameras, portable electronic devices such as mobile phones, communication devices, and power tools. It is widely used as a power source for power tools, etc., and recently, it has also been applied to large batteries installed in electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), etc. In such lithium ion batteries, using a solid electrolyte instead of an electrolyte containing a flammable organic solvent not only simplifies the safety device, but also improves manufacturing costs and productivity. Research into various materials is actively underway. Among these, solid electrolytes containing sulfides have high electrical conductivity (lithium ion conductivity) and are said to be useful in increasing the output of batteries. In particular, solid electrolytes having an argyrodite crystal structure that provide high electrical conductivity have attracted attention, and various manufacturing methods are known.
例えば、非特許文献1にはメカニカルミリング処理の後に熱処理をすることにより室温で10-4S/cmオーダーの導電率を有するアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質を作製することが開示されている。特許文献1にはミリング工程のない溶液法による固体電解質の製造方法が開示され、具体的には原料粉末の混合粉末とアセトニトリルを反応容器にいれて混合溶液を作製し、真空乾燥によりアセトニトリルを除去した後に550℃で5時間熱処理して結晶化することによりアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質を作製することが開示されている。非特許文献2には、Li2SとP2S5をTHF(テトラヒドロフラン)に分散して24時間撹拌してLi3PS4とした分散液にLi2SとLiXを所定の比率でエタノールに溶解した溶液を混合して前駆体溶液を得る。得られた前駆体を乾燥後、焼成して結晶化することによりアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質を作製することが開示されている。
For example, Non-Patent
しかしながら、非特許文献1のミリング処理を用いる方法はスケールアップが難しく、また、合成物の回収が煩雑で量産適性を有さない。さらに、ミリング処理で作製した電解質を用いた全固体リチウム電池においては、リチウム金属で挟んだ充放電の繰り返しにおいて突然の短絡が発生することがありロバストネスに課題のあることがわかってきた。特許文献1の手法は、多段階の合成反応を一液で処理するために合成の均一性、再現性に課題があり、作製された電解質はミリング処理等の手法により作製されたアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質に比べて導電性が劣る。非特許文献2の手法で作製されたアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質は副生成物(Li3PO4)を生じる課題がある。そのため、導電性が劣っており、また、全固体電池を構築した際の充放電容量も低下することがわかってきた。さらに、リチウム金属で挟んだ充放電の繰り返しにおいて絶縁性の反応層が形成され大幅な加電圧の上昇を生じることがわかってきた。
However, the method using milling described in Non-Patent
本発明の目的は、スケールアップや合成物の回収が容易で量産性に優れ、かつ、合成の再現性が良く、また、合成の副生成物を生じず、導電性や充放電容量の低下がなく、充放電の繰り返しにおいても突然の短絡や絶縁性反応層形成による加電圧の上昇がなく高いロバスト性を有するアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質の製造方法を提供することにある。 The purpose of the present invention is to achieve easy scale-up and recovery of the composite, excellent mass productivity, good synthesis reproducibility, no synthesis by-products, and no reduction in conductivity or charge/discharge capacity. It is an object of the present invention to provide a method for producing a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure, which has high robustness and is free from sudden short circuits and increases in applied voltage due to the formation of an insulating reaction layer even during repeated charging and discharging.
本発明の上記課題は、以下の手段により解決される。
[1]液相によるLi元素、P元素、S元素及びX元素(Xはハロゲン)を含むアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質の製造方法であって、
固体電解質製造用原料前駆体液を調製する前駆体液調製工程と、該前駆体液調製工程によって調製された前記固体電解質製造用原料前駆体液を脱溶する脱溶工程と、該脱溶工程によって得られた乾固物を熱処理する工程とを含み、
前記前駆体液調製工程は、
少なくともエーテル結合を含まない非プロトン性極性溶媒を含む溶媒に、Li元素、P元素及びS元素を含み、かつ各元素のモル比を(3+a):1:(4+b)(0≦a≦2,0≦b≦1)とした材料が分散された第一の前駆体用分散液を調製する第一の前駆体用分散液調製工程と、
少なくともチオール系溶媒含む溶媒に少なくともLiXを分散させた第二の前駆体用分散液を調製する第二の前駆体用分散液調製工程と、
前記第一の前駆体用分散液と前記第二の前駆体用分散液とを混合する混合工程と
を含むことを特徴とするアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質の製造方法。
[2]第一の前駆体用分散液調製工程と第二の前駆体用分散液調製工程のいずれか、あるいは両方において用いる溶媒が、ピリジンを含むものであることを特徴とする[1]に記載のアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質の製造方法。
[3]第一の前駆体用分散液調製工程が、少なくともピリジンを含む溶媒にP2S5を分散させた分散液と、少なくともエーテル結合を含まない非プロトン性極性溶媒を含む溶媒にLi2Sを分散させた分散液とを混合する工程を有するものであることを特徴とする[1]または[2]に記載のアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質の製造方法。
[4]第一の前駆体用分散液調製工程と第二の前駆体用分散液調製工程のいずれか、あるいは両方が、40℃以上かつ含有する溶媒のうち最も沸点の低い溶媒の沸点未満の温度で撹拌する工程を有することを特徴とする[1]に記載のアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質の製造方法。
[5]前記前駆体液調製工程に含まれる各工程は、いずれもエーテル結合を有する材料および溶媒を含まず、かつ、アルコール性OH基を有する材料および溶媒を含まないことを特徴とする[1]から[4]に記載のアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質の製造方法。
The above-mentioned problems of the present invention are solved by the following means.
[1] A method for producing a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure containing Li element, P element, S element and X element (X is a halogen) in a liquid phase, comprising:
a precursor liquid preparation step of preparing a raw material precursor liquid for solid electrolyte production; a desolution step of desoluting the raw material precursor liquid for solid electrolyte production prepared by the precursor liquid preparation step; and a step of heat-treating the dry matter,
The precursor liquid preparation step includes:
A solvent containing an aprotic polar solvent that does not contain at least an ether bond contains Li element, P element, and S element, and the molar ratio of each element is (3+a):1:(4+b) (0≦a≦2, A first precursor dispersion preparation step of preparing a first precursor dispersion in which a material satisfying 0≦b≦1) is dispersed;
a second precursor dispersion preparation step of preparing a second precursor dispersion in which at least LiX is dispersed in a solvent containing at least a thiol-based solvent;
A method for producing a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure, comprising a mixing step of mixing the first precursor dispersion and the second precursor dispersion.
[2] The method according to [1], wherein the solvent used in either or both of the first precursor dispersion preparation step and the second precursor dispersion preparation step contains pyridine. A method for producing a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure.
[3] The first precursor dispersion preparation step involves dispersing P2S5 in a solvent containing at least pyridine and dispersing Li2S in a solvent containing at least an aprotic polar solvent that does not contain an ether bond. The method for producing a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure according to [1] or [2], which comprises a step of mixing with a dispersion liquid.
[4] Either or both of the first precursor dispersion preparation step and the second precursor dispersion preparation step is performed at a temperature of 40° C. or higher and below the boiling point of the solvent with the lowest boiling point among the solvents contained. The method for producing a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure according to [1], which comprises a step of stirring at a temperature.
[5] Each step included in the precursor liquid preparation step is characterized in that none of the steps includes a material having an ether bond and a solvent, and neither a material having an alcoholic OH group nor a solvent [1] The method for producing a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure according to [4].
本発明によれば、スケールアップや合成物の回収が容易で量産性に優れ、かつ、合成の再現性が良く、また、合成の副生成物を生じず、導電性や充放電容量の低下がなく、充放電の繰り返しにおいても突然の短絡や絶縁性反応層形成による加電圧の上昇がなく高いロバスト性を有するアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質の製造方法が提供される。 According to the present invention, it is easy to scale up and recover the synthesized product, and it is excellent in mass production, and the reproducibility of the synthesis is good.In addition, it does not produce synthesis by-products, and there is no decrease in conductivity or charge/discharge capacity. Provided is a method for producing a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure that is highly robust and free from sudden short circuits or increases in applied voltage due to the formation of an insulating reaction layer even during repeated charging and discharging.
以下に本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において示す「~ 」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用する。 Embodiments of the present invention will be described in detail below. In addition, in the following description, "~" is used to include the numerical values described before and after it as a lower limit value and an upper limit value.
まず、本発明は液相によるLi元素、P元素、S元素及びX元素(Xはハロゲン)を含むアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質の製造方法に関する。製造した固体電解質が、アルジロダイト型結晶構造を有していることは、例えば、CuKα線を使用したX線回折測定(以下、XRDともいう)により確認できる。アルジロダイト型結晶構造は、2θ=25.2±1.0deg及び29.7±1.0degに強い回折ピークを有する。なお、アルジロダイト型結晶構造の回折ピークは、例えば、2θ=15 .3±1.0deg、17.7±1.0deg、31.1±1.0deg、44.9±1.0deg又は47.7±1.0degにも現れることがある。本発明のアルジロダイト型固体電解質は、これらのピークを有していてもよい。 First, the present invention relates to a method for manufacturing a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure containing Li element, P element, S element, and X element (X is a halogen) using a liquid phase. That the produced solid electrolyte has an argyrodite crystal structure can be confirmed by, for example, X-ray diffraction measurement (hereinafter also referred to as XRD) using CuKα radiation. The argyrodite crystal structure has strong diffraction peaks at 2θ=25.2±1.0 deg and 29.7±1.0 deg. Note that the diffraction peak of the argyrodite crystal structure is, for example, 2θ=15. It may also appear at 3±1.0deg, 17.7±1.0deg, 31.1±1.0deg, 44.9±1.0deg or 47.7±1.0deg. The argyrodite solid electrolyte of the present invention may have these peaks.
本発明のアルジロダイト型固体電解質は、Li元素、P元素、S元素及びX元素(Xはハロゲン)を含む。X元素としてはF元素、Cl元素、Br元素、I元素をあげることが出来る。X元素は1種であっても2種以上であっても良い。組成式としては、例えば、X元素の種類を区別してX1元素(ハロゲン1)、X2元素(ハロゲン2)として、Li7-y-zPS6-y-zX1 yX2 z(y≧0、Z≧0、1≦y+z≦1.8)と表すことが出来る。具体的にはLi6PS5Cl、Li6PS5Br、Li6PS5I、Li6PS5Cl0.75Br0.25、Li6PS5Cl0.5Br0.5、Li5.75PS4.75Cl1.25、Li5.5PS4.5Cl1.5などをあげることが出来るが、これらに限定されない。 The argyrodite solid electrolyte of the present invention contains Li element, P element, S element, and X element (X is halogen). Examples of the X element include F element, Cl element, Br element, and I element. The number of X elements may be one or two or more. As a compositional formula, for example, distinguishing the type of X element and assuming X 1 element (halogen 1) and X 2 element (halogen 2), Li 7-y-z PS 6-y-z X 1 y X 2 z ( y≧0, Z≧0, 1≦y+z≦1.8). Specifically, Li 6 PS 5 Cl, Li 6 PS 5 Br, Li 6 PS 5 I, Li 6 PS 5 Cl 0.75 Br 0.25 , Li 6 PS 5 Cl 0.5 Br 0.5 , Li 5 Examples include, but are not limited to, .75 PS 4.75 Cl 1.25 and Li 5.5 PS 4.5 Cl 1.5 .
本発明の固体電解質の製造方法は、固体電解質製造用原料前駆体液を調製する前駆体液調製工程と、該前駆体液調製工程によって調製された前記固体電解質製造用原料前駆体液を脱溶する脱溶工程と、該脱溶工程によって得られた乾固物を熱処理する工程とを含む。 The method for producing a solid electrolyte of the present invention includes a precursor liquid preparation step of preparing a raw material precursor liquid for solid electrolyte production, and a desolvation step of dissolving the raw material precursor liquid for solid electrolyte production prepared by the precursor liquid preparation step. and a step of heat-treating the dried product obtained by the desolvation step.
なお、本発明の固体電解質の製造方法においては、いずれの工程においてもエーテル結合を有する材料および溶媒、アルコール性OH基を有する材料および溶媒を含まないことが好ましい。 In addition, in the method for producing a solid electrolyte of the present invention, it is preferable that a material having an ether bond and a solvent and a material having an alcoholic OH group and a solvent are not included in any step.
前駆体液調製工程について説明する。前駆体液調製工程は、少なくともエーテル結合を含まない非プロトン性極性溶媒を含む溶媒に、Li元素、P元素及びS元素を含み、かつ各元素のモル比を(3+a):1:(4+b)(0≦a≦2,0≦b≦1)とした材料が分散された第一の前駆体用分散液を調製する第一の前駆体用分散液調製工程と、少なくともチオール系溶媒含む溶媒に少なくともLiXを分散させた第二の前駆体用分散液を調製する第二の前駆体用分散液調製工程と、前記第一の前駆体用分散液と前記第二の前駆体用分散液とを混合する混合工程とを含む。 The precursor liquid preparation process will be explained. The precursor liquid preparation step includes Li element, P element, and S element in a solvent containing at least an aprotic polar solvent that does not contain an ether bond, and the molar ratio of each element is (3+a):1:(4+b)( 0≦a≦2, 0≦b≦1) A first precursor dispersion preparation step of preparing a first precursor dispersion in which the material of 0≦a≦2, 0≦b≦1) is dispersed; a second precursor dispersion preparation step of preparing a second precursor dispersion in which LiX is dispersed; and mixing the first precursor dispersion and the second precursor dispersion. and a mixing step.
特許文献1では原料を一括して混合して合成しているが、本発明は、第一の前駆体用分散液調製工程と第二の前駆体用分散液調製工程に分けて分散液を準備した後に混合している。原料をLi2S、P2S5、LiClとした場合を例にするとこの合成は、5Li2S+P2S5+2LiCl→2Li6PS5Clと表現できるが、2Li3PS4+2Li2S+2LiClを経て、Li6PS5Clが合成されている。本発明においては第一の前駆体用分散液調製工程においてあらかじめLi3PS4あるいはその前駆体を形成することで、一括して混合して合成する方法に比べて大幅に合成の安定性が向上している。
In
第一の前駆体用分散液調製工程においては、少なくともエーテル結合を含まない非プロトン性極性溶媒を用いる。アルジロダイト型固体電解質の生成を阻害しない範囲で他の溶媒を併用しても良いが、その場合、エーテル結合を有する溶媒およびアルコール性OH基を有する溶媒を含まないことが好ましい。本発明において、エーテル結合を含まない非プロトン性極性溶媒とは分子内にエーテル結合を含まず、プロトン供与性を持たない比誘電率が20以上の溶媒を表し、アセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル、ジメチルホルムアミド、ヂメチルスルホキシド等をあげることができる。これらのうち、アセトニトリルが好ましい。非特許文献2においてはエーテル結合を含むテトラヒドロフランが用いられているが、エーテル結合が開環してP2S5と反応し、PO4
3-を生じていた。本発明においては、エーテル結合を含まない非プロトン性極性溶媒を用いることでPO4
3-を生じることなく、Li3PS4あるいはその前駆体が形成される。エーテル結合を含まない非プロトン性極性溶媒は第一の前駆体用分散液に用いる溶媒の30質量%以上であることが好ましく、後述するピリジンを併用する場合以外は60質量%以上であることがより好ましく、80質量%以上であることが最も好ましい。
In the first precursor dispersion preparation step, an aprotic polar solvent containing at least no ether bond is used. Other solvents may be used in combination as long as they do not inhibit the production of the argyrodite solid electrolyte, but in that case, it is preferable not to include a solvent having an ether bond or a solvent having an alcoholic OH group. In the present invention, an aprotic polar solvent that does not contain an ether bond refers to a solvent that does not contain an ether bond in its molecule, does not have proton donating properties, and has a dielectric constant of 20 or more, such as acetonitrile, propionitrile, benzonitrile, etc. , dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and the like. Among these, acetonitrile is preferred. In
第一の前駆体用分散液調製工程において、少なくともエーテル結合を含まない非プロトン性極性溶媒を含む溶媒に、Li元素、P元素及びS元素を含み、かつ各元素のモル比を(3+a):1:(4+b)(0≦a≦2,0≦b≦1)とした材料が分散される。先に述べたように第一の前駆体用分散液においては、Li3PS4あるいはその前駆体が形成されることからLi元素、P元素及びS元素の各元素のモル比は3:1:4であることが好ましいが、第二の前駆体用分散液にもLi元素、P元素が含まれることからその一部をLi3PS4あるいはその前駆体の形成を阻害しない範囲で第一の前駆体用分散液調製工程に含めても良い。範囲としては0≦a≦2,0≦b≦1である。 In the first precursor dispersion preparation step, the solvent containing at least an aprotic polar solvent containing no ether bond contains Li element, P element, and S element, and the molar ratio of each element is (3+a): A material satisfying 1:(4+b) (0≦a≦2, 0≦b≦1) is dispersed. As mentioned above, in the first precursor dispersion liquid, Li 3 PS 4 or its precursor is formed, so the molar ratio of each element of Li element, P element, and S element is 3:1: However, since the second precursor dispersion liquid also contains Li elements and P elements, a part of it is added to the first dispersion liquid to the extent that it does not inhibit the formation of Li 3 PS 4 or its precursor. It may be included in the precursor dispersion preparation process. The range is 0≦a≦2, 0≦b≦1.
Li元素、P元素及びS元素を含む材料に用いられる原料としては、リチウム(Li)、硫黄(S)、リン(P)、硫化リチウム(Li2S)、五硫化二リン(P2S5)、Li3PS4をあげることが出来るがこれらに限定されない。ただし、エーテル結合を有する材料およびアルコール性OH基を有する材料を含まないことが好ましい。中でも硫化リチウム(Li2S)及び五硫化二リン(P2S5)を用いることが好ましい。また、アルジロダイト型固体電解質の生成を阻害しない範囲で他の元素を含む材料を含んでも良い。第一の前駆体用分散液における原料の濃度は特に限定されないが、0.1~30質量%とすることが好ましく、0.5~15質量%の範囲とすることがより好ましい。濃度が低いと生産性が悪くなってしまう。濃度が高いと未反応物を生じてしまうことがある。 Raw materials used for materials containing Li, P, and S elements include lithium (Li), sulfur (S), phosphorus (P), lithium sulfide (Li 2 S), and diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), Li 3 PS 4 , but are not limited to these. However, it is preferable that materials having ether bonds and materials having alcoholic OH groups are not included. Among them, it is preferable to use lithium sulfide (Li 2 S) and diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ). Further, materials containing other elements may be included as long as they do not inhibit the production of the argyrodite solid electrolyte. The concentration of the raw material in the first precursor dispersion is not particularly limited, but it is preferably in the range of 0.1 to 30% by mass, more preferably in the range of 0.5 to 15% by mass. If the concentration is low, productivity will be poor. If the concentration is high, unreacted substances may be produced.
第一の前駆体用分散液調製工程においては、溶媒としてピリジンを併用する、あるいは、加温撹拌することが合成の安定性を向上させる上で好ましい。 In the first precursor dispersion preparation step, it is preferable to use pyridine as a solvent or to heat and stir the mixture in order to improve the stability of the synthesis.
溶媒としてピリジンを併用する場合について説明する。ピリジンを併用することで原料の溶解性が向上し、より合成の安定性が向上すると考えている。第一の前駆体用分散液調製工程においてピリジンを併用する場合は、少なくともピリジンを含む溶媒にP2S5を分散させた分散液と少なくともエーテル結合を含まない非プロトン性極性溶媒を含む溶媒にLi2Sを分散させた分散液とを混合する工程とすることがより好ましい。それぞれの分散液における原料の濃度は特に限定されないが、0.1~30質量%とすることが好ましく、0.5~15質量%の範囲とすることがより好ましい。また、それぞれの分散液におけるピリジン、非プロトン性極性溶媒の使用量はそれぞれの分散液の溶媒全体の60質量%以上であることがこのましく、80質量%以上であることがより好ましい。 The case where pyridine is used in combination as a solvent will be explained. We believe that the combined use of pyridine improves the solubility of the raw materials and further improves the stability of the synthesis. When pyridine is used in combination in the first precursor dispersion preparation step, a dispersion in which P 2 S 5 is dispersed in a solvent containing at least pyridine and a solvent containing at least an aprotic polar solvent that does not contain an ether bond. It is more preferable to use a step of mixing with a dispersion liquid in which Li 2 S is dispersed. The concentration of the raw materials in each dispersion is not particularly limited, but is preferably in the range of 0.1 to 30% by mass, more preferably in the range of 0.5 to 15% by mass. Further, the amount of pyridine and the aprotic polar solvent used in each dispersion is preferably 60% by mass or more, more preferably 80% by mass or more of the total solvent in each dispersion.
第一の前駆体用分散液調製工程において加温撹拌する場合について説明する。加温撹拌することにより原料の溶解性が向上し、より合成の安定性が向上すると考えている。撹拌方法としては従来知られている方法が利用でき、例えば、マグネチックスターラーを用いる方法やシャフトにプロペラ、パドル、ディスクタービン等の撹拌翼をとりつけてモーターで回転させる方法などを利用できる。加温する温度は40℃以上でかつ含有する溶媒のうち最も沸点の低い溶媒の沸点未満であることが好ましい。アセトニトリルの場合は40℃以上80℃以下であることが好ましく、60℃以上80℃以下であることがより好ましい。撹拌の時間は1~100時間であることが好ましく、12~72時間であることがより好ましい。 The case of heating and stirring in the first precursor dispersion preparation step will be described. We believe that heating and stirring improves the solubility of the raw materials and further improves the stability of the synthesis. As the stirring method, conventionally known methods can be used, such as a method using a magnetic stirrer or a method in which a stirring blade such as a propeller, paddle, or disk turbine is attached to a shaft and rotated by a motor. The heating temperature is preferably 40° C. or higher and lower than the boiling point of the solvent with the lowest boiling point among the solvents contained. In the case of acetonitrile, the temperature is preferably 40°C or more and 80°C or less, more preferably 60°C or more and 80°C or less. The stirring time is preferably 1 to 100 hours, more preferably 12 to 72 hours.
第二の前駆体用分散液調製工程は少なくともチオール系溶媒含む溶媒に少なくともLiXを分散させる工程である。チオール系溶媒はR-SH(Rは有機基)で表される構造を有する溶媒であり、例えば、エタンチオール、1-プロパンチオール、2-プロパンチオール、1-ブタンチオール、2-ブタンチオールをあげることができる。これらのうち、1-プロパンチオール、2-プロパンチオールが好ましい。非特許文献2においてはアルコール系溶媒が用いられるが、アルコール系溶媒がP2S5と反応し、PO4
3-を生じていた。チオール系溶媒はアルコール系溶媒に近い性質を有するが、本発明において、チオール系溶媒がP2S5と反応しても生じるのはPS4
3-であり、これば本発明で製造されるアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質の構成要素であり悪影響することはない。また、アルジロダイト型固体電解質の生成を阻害しない範囲で他の溶媒を併用しても良いが、その場合、エーテル結合を有する溶媒およびアルコール性OH基を有する溶媒を含まないことが好ましい。
The second precursor dispersion preparation step is a step of dispersing at least LiX in a solvent containing at least a thiol solvent. The thiol solvent is a solvent having a structure represented by R-SH (R is an organic group), and includes, for example, ethanethiol, 1-propanethiol, 2-propanethiol, 1-butanethiol, and 2-butanethiol. be able to. Among these, 1-propanethiol and 2-propanethiol are preferred. In
第二の前駆体用分散液調製工程に用いる原料はLiXと必要に応じてLi2S、リチウム、硫黄を用いる。なお、アルジロダイト型固体電解質の生成を阻害しない範囲で他の材料を含んでも良いが、その場合、エーテル結合を有する材料およびアルコール性OH基を有する材料を含まないことが好ましい。添加量は、所望するアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質の組成となるように、第一の前駆体用分散液調製工程により得られる分散液と第二の前駆体用分散液調製工程により得られる分散液とを混合する際の混合比率、第一の前駆体用分散液調製工程により得られる分散液に含まれる各元素の濃度を考慮して調製する。この際、第二の前駆体用分散液調製工程により得られる分散液の濃度は特に限定されないが、0.1~30質量%とすることが好ましく、0.5~15質量%の範囲とすることがより好ましい。濃度が低いと生産性が悪くなってしまう。濃度が高いと未反応物を生じてしまうことがある。チオール系溶媒は第二の前駆体用分散液に用いる溶媒の30質量%以上であることが好ましく、後述するピリジンを併用する場合以外は60質量%以上であることがより好ましく、80質量%以上であることが最も好ましい。 The raw materials used in the second precursor dispersion preparation step include LiX and, if necessary, Li 2 S, lithium, and sulfur. Note that other materials may be included as long as they do not inhibit the production of the argyrodite solid electrolyte, but in that case, it is preferable not to include materials having ether bonds and materials having alcoholic OH groups. The amount added is determined by the dispersion obtained in the first precursor dispersion preparation step and the second precursor dispersion preparation step so that the composition of the solid electrolyte having the desired argyrodite crystal structure is obtained. It is prepared by taking into consideration the mixing ratio when mixing with the dispersion liquid and the concentration of each element contained in the dispersion liquid obtained in the first precursor dispersion preparation step. At this time, the concentration of the dispersion obtained in the second precursor dispersion preparation step is not particularly limited, but it is preferably 0.1 to 30% by mass, and preferably in the range of 0.5 to 15% by mass. It is more preferable. If the concentration is low, productivity will be poor. If the concentration is high, unreacted substances may be produced. The thiol solvent preferably accounts for 30% by mass or more of the solvent used in the second precursor dispersion, and more preferably 60% by mass or more, and 80% by mass or more, except when pyridine is used in combination as described below. Most preferably.
第二の前駆体用分散液調製工程においては、溶媒としてピリジンを併用する、あるいは、加温撹拌することが合成の安定性を向上させる上で好ましい。 In the second precursor dispersion preparation step, it is preferable to use pyridine as a solvent or to heat and stir the mixture in order to improve the stability of the synthesis.
溶媒としてピリジンを併用する場合について説明する。ピリジンを併用することで原料の溶解性が向上する、あるいは、ピリジンの塩基性によりハロゲン原子をトラップすることが合成安定性に寄与するのではないかと考えている。ピリジンを併用する場合、ピリジン溶媒、チオール系溶媒は第二の前駆体用分散液の溶媒全体に対してそれぞれ30質量%以上であることが好ましく、それぞれ40質量%以上であることがより好ましい。 The case where pyridine is used in combination as a solvent will be explained. We believe that the solubility of raw materials may be improved by using pyridine in combination, or that pyridine's basicity may trap halogen atoms, contributing to synthesis stability. When pyridine is used in combination, the pyridine solvent and the thiol solvent are each preferably at least 30% by mass, more preferably at least 40% by mass, based on the entire solvent of the second precursor dispersion.
第二の前駆体用分散液調製工程において加温撹拌する場合について説明する。加温撹拌することにより原料の溶解性が向上し、より合成の安定性が向上すると考えている。撹拌方法としては従来知られている方法が利用でき、例えば、マグネチックスターラーを用いる方法やシャフトにプロペラ、パドル、ディスクタービン等の撹拌翼をとりつけてモーターで回転させる方法などを利用できる。加温する温度は40℃以上でかつ含有する溶媒のうち最も沸点の低い溶媒の沸点未満であることが好ましい。1-プロパンチオールの場合は40℃以上65℃以下であることが好ましく、45℃以上55℃以下であることがより好ましい。撹拌の時間は1~100時間であることが好ましく、12~72時間であることがより好ましい。 The case of heating and stirring in the second precursor dispersion preparation step will be described. We believe that heating and stirring improves the solubility of the raw materials and further improves the stability of the synthesis. As the stirring method, conventionally known methods can be used, such as a method using a magnetic stirrer or a method in which a stirring blade such as a propeller, paddle, or disk turbine is attached to a shaft and rotated by a motor. The heating temperature is preferably 40° C. or higher and lower than the boiling point of the solvent with the lowest boiling point among the solvents contained. In the case of 1-propanethiol, the temperature is preferably 40°C or more and 65°C or less, more preferably 45°C or more and 55°C or less. The stirring time is preferably 1 to 100 hours, more preferably 12 to 72 hours.
第一の前駆体用分散液調製工程により得られる分散液と第二の前駆体用分散液調製工程により得られる分散液とを混合する混合工程について説明する。第一の前駆体用分散液調製工程により得られる分散液と前記第二の前駆体用分散液調製工程により得られる分散液とを所望するアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質の組成となる比率で混合する。混合した液は、両分散液を均一に混合するために撹拌することが好ましい。撹拌方法は第一の前駆体用分散液調製工程における撹拌方法に記載した方法を利用できる。第一の前駆体用分散液調製工程と第二の前駆体用分散液調製工程のいずれにおいてもピリジンを併用しない場合は、混合工程において、撹拌の際に加温することが好ましく、温度は40℃以上、かつ含まれる溶媒の中で最も沸点が低い溶媒の沸点未満であることが好ましい。1-プロパンチオールが該当する場合は40℃以上65℃以下であることが好ましく、45℃以上55℃以下であることがより好ましい。撹拌の時間は1~100時間であることが好ましく、12~72時間であることがより好ましい。 A mixing step of mixing the dispersion obtained in the first precursor dispersion preparation step and the dispersion obtained in the second precursor dispersion preparation step will be described. The dispersion obtained in the first precursor dispersion preparation step and the dispersion obtained in the second precursor dispersion preparation step are mixed in a ratio that provides a composition of a solid electrolyte having a desired argyrodite crystal structure. Mix. The mixed liquid is preferably stirred in order to uniformly mix both dispersions. As the stirring method, the method described in the stirring method in the first precursor dispersion preparation step can be used. If pyridine is not used in combination in either the first precursor dispersion preparation step or the second precursor dispersion preparation step, it is preferable to heat during stirring in the mixing step, and the temperature is 40°C. The temperature is preferably at least 0.degree. C. and below the boiling point of the solvent with the lowest boiling point among the solvents included. When 1-propanethyl is used, the temperature is preferably 40°C or more and 65°C or less, more preferably 45°C or more and 55°C or less. The stirring time is preferably 1 to 100 hours, more preferably 12 to 72 hours.
前駆体液調製工程によって調製された固体電解質製造用原料前駆体液を脱溶する脱溶工程について説明する。脱溶工程は、固体電解質製造用原料組成物に含まれた溶媒を除去する工程であり、加熱、減圧等を利用することができる。加熱する場合の温度は、好ましくは60℃~180℃、より好ましくは70℃~150℃である。減圧については従来知られている真空乾燥装置を用いる方法が利用できる。加熱と減圧を併用する方法も好ましく用いることができる。 The desolvation process of desoluting the solid electrolyte manufacturing raw material precursor liquid prepared in the precursor liquid preparation process will be described. The desolvation step is a step of removing the solvent contained in the raw material composition for producing a solid electrolyte, and heating, reduced pressure, etc. can be used. The temperature when heating is preferably 60°C to 180°C, more preferably 70°C to 150°C. For reducing the pressure, a method using a conventionally known vacuum drying device can be used. A method that uses both heating and reduced pressure can also be preferably used.
脱溶工程によって得られた乾固物を熱処理する工程について説明する。脱溶工程によって得られた乾固物を熱処理することにより乾固物を結晶化してアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質とする工程である。なお、熱処理を行う前に脱溶工程によって得られた乾固物を加圧成形に供することも好ましい。加圧条件としては例えば20~150MPaである。熱処理の条件はアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質と出来る条件であればいずれの条件でも利用できるが、好ましくは400~700℃、より好ましくは500~650℃で、熱処理時間は好ましくは0.5~24時間、より好ましくは1~15時間である。 The process of heat-treating the dried product obtained by the desolvation process will be described. This is a step of crystallizing the dry solid obtained by heat-treating the dry solid obtained by the desolvation step to obtain a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure. In addition, it is also preferable to subject the dried product obtained by the desolvation step to pressure molding before performing the heat treatment. The pressurizing conditions are, for example, 20 to 150 MPa. The heat treatment conditions can be any conditions as long as they can produce a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure, but the temperature is preferably 400 to 700°C, more preferably 500 to 650°C, and the heat treatment time is preferably 0.5°C. ~24 hours, more preferably 1 to 15 hours.
本発明の製造方法における各工程の雰囲気は特に限定されないが、乾燥窒素ガス、乾燥アルゴンガス等の乾燥不活性ガス、乾燥空気等からなるものとすることが好ましい。
Although the atmosphere in each step in the manufacturing method of the present invention is not particularly limited, it is preferably composed of dry inert gas such as dry nitrogen gas or dry argon gas, dry air, or the like.
本発明について、以下に実施例を示し更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例によって制限されるものではない。
1.製造原料
固体電解質の製造に用いた原料は、以下の通りである。
1-1.五硫化二リン(P2S5)粉体
Merck社製「P2S5」(商品名)を用いた。純度は99%である。
1-2.硫化リチウム(Li2S)粉体
三津和化学薬品社製「Li2S」(商品名)を用いた。純度は99.9%である。
1-3.塩化リチウム(LiCl)粉体
Sigma-Aldrich社製「LiCl」(商品名)を用いた。純度は99%である。
1-4.アセトニトリル
富士フイルム和光純薬社製「アセトニトリル(超脱水)」(商品名)を用いた。純度は99.9%である。
1-5.テトラヒドロフラン
Sigma-Aldrich社製「テトラヒドロフラン(無水)」(商品名)を用いた。純度は99.9%である。
1-6.エタノール
富士フイルム和光純薬社製「エタノール(超脱水)」(商品名)を用いた。純度は99.5%である。
1-7.1-プロパンチオール
東京化成工業社製「1-プロパンチオール」(商品名)を用いた。純度は98%である。
1-8.ピリジン
Sigma-Aldrich社製「ピリジン(無水)」(商品名)を用いた。純度は99.8%である。
The present invention will be described in more detail below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
1. Manufacturing raw materials The raw materials used for manufacturing the solid electrolyte are as follows.
1-1. Diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) powder “P 2 S 5 ” (trade name) manufactured by Merck was used. Purity is 99%.
1-2. Lithium sulfide (Li 2 S) powder "Li 2 S" (trade name) manufactured by Mitsuwa Chemical Co., Ltd. was used. Purity is 99.9%.
1-3. Lithium chloride (LiCl) powder "LiCl" (trade name) manufactured by Sigma-Aldrich was used. Purity is 99%.
1-4. Acetonitrile "Acetonitrile (super dehydration)" (trade name) manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was used. Purity is 99.9%.
1-5. Tetrahydrofuran "Tetrahydrofuran (anhydrous)" (trade name) manufactured by Sigma-Aldrich was used. Purity is 99.9%.
1-6. Ethanol "Ethanol (super dehydrated)" (trade name) manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was used. Purity is 99.5%.
1-7.1-Propanethiol “1-Propanethiol” (trade name) manufactured by Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd. was used. Purity is 98%.
1-8. Pyridine "Pyridine (anhydrous)" (trade name) manufactured by Sigma-Aldrich was used. Purity is 99.8%.
(比較例1;ミリング処理による固体電解質SE1の製造)
硫化リチウム粉体と五硫化二リン粉体と塩化リチウム粉体とをモル比で5:1:2、合計1gとなるように秤量し、メノウ乳鉢を用いて混合した。次いで、混合粉末を直径10mmのジルコニアボールとともにFrisch社製遊星型ボールミル機(容器:ジルコニア製)に入れ、メカニカルミリング(回転数600rpm、20時間)を行った。ミリング処理した粉体を回収した。この際、ジルコニアボールや容器に強く付着した粉体の回収に非常な手間がかかるとともに完全には全量を回収することが出来なかった。回収した粉体を127MPaで一軸プレスしてペレット化した。得られたペレットを、550℃で10時間熱処理し、固体電解質SE1(550)を得た。本例の固体電解質の製造は乾燥アルゴンガス雰囲気中で行った。
(Comparative Example 1; Production of solid electrolyte SE1 by milling treatment)
Lithium sulfide powder, diphosphorus pentasulfide powder, and lithium chloride powder were weighed out in a molar ratio of 5:1:2, totaling 1 g, and mixed using an agate mortar. Next, the mixed powder was placed in a planetary ball mill manufactured by Frisch (container: made of zirconia) together with zirconia balls having a diameter of 10 mm, and mechanical milling was performed (rotation speed: 600 rpm, 20 hours). The milled powder was collected. At this time, it took a great deal of effort to recover the powder that adhered strongly to the zirconia balls and containers, and the entire amount could not be completely recovered. The collected powder was uniaxially pressed at 127 MPa and pelletized. The obtained pellets were heat-treated at 550° C. for 10 hours to obtain solid electrolyte SE1 (550). The solid electrolyte of this example was produced in a dry argon gas atmosphere.
(比較例2;テトラヒドロフランとエタノールを用いた液相法による固体電解質SE2の製造)
Li、P及びSのモル比が3:1:4となるように、硫化リチウム粉体を0.275g、五硫化二リン粉体を0.141g秤量してテトラヒドロフラン溶媒10mlに添加し、次いで、25℃で24時間マグネチックスターラーを用いて撹拌して、第一の前駆体用分散液を得た。次に、硫化リチウム粉体を0.171g、塩化リチウム粉体を0.158g秤量してエタノール溶媒10mlに添加し、次いで、25℃で24時間マグネチックスターラーを用いて撹拌して、第二の前駆体用分散液を得た。得られた第一の前駆体用分散液と第二の前駆体用分散液とを混合し、次いで、50℃で24時間撹拌して、固体電解質製造用原料前駆体液を得た。
(Comparative Example 2; Production of solid electrolyte SE2 by liquid phase method using tetrahydrofuran and ethanol)
Weighed 0.275 g of lithium sulfide powder and 0.141 g of diphosphorus pentasulfide powder so that the molar ratio of Li, P, and S was 3:1:4, and added them to 10 ml of tetrahydrofuran solvent. The mixture was stirred at 25° C. for 24 hours using a magnetic stirrer to obtain a first precursor dispersion. Next, 0.171 g of lithium sulfide powder and 0.158 g of lithium chloride powder were weighed and added to 10 ml of ethanol solvent, and then stirred using a magnetic stirrer at 25°C for 24 hours. A precursor dispersion liquid was obtained. The obtained first precursor dispersion liquid and second precursor dispersion liquid were mixed and then stirred at 50° C. for 24 hours to obtain a raw material precursor liquid for solid electrolyte production.
その後、上記固体電解質製造用原料前駆体液をダイヤフラムポンプ(Buchi社製、V-700真空ポンプ)を用いて減圧乾燥(80℃、12時間)することにより溶媒除去して乾固物を得た。得られた乾固物を127MPaで一軸プレスしてペレット化した。得られたペレットを、550℃で10時間熱処理し、固体電解質SE2(550)を得た。熱処理温度を600℃とした以外は同様にして固体電解質SE2(600)を得た。本例の固体電解質の製造は乾燥アルゴンガス雰囲気中で行った。 Thereafter, the raw material precursor liquid for solid electrolyte production was dried under reduced pressure (80° C., 12 hours) using a diaphragm pump (manufactured by Buchi, V-700 vacuum pump) to remove the solvent and obtain a dry solid. The obtained dried product was uniaxially pressed at 127 MPa to form pellets. The obtained pellets were heat-treated at 550° C. for 10 hours to obtain solid electrolyte SE2 (550). Solid electrolyte SE2 (600) was obtained in the same manner except that the heat treatment temperature was 600°C. The solid electrolyte of this example was produced in a dry argon gas atmosphere.
(実施例1;本発明;アセトニトリルと1-プロパンチオールを用いた液相法による固体電解質SE3の製造)
Li、P及びSのモル比が3:1:4となるように、硫化リチウム粉体を0.275g、五硫化二リン粉体を0.141g秤量してアセトニトリル溶媒10mlに添加し、次いで、75℃で24時間マグネチックスターラーを用いて撹拌して、第一の前駆体用分散液を得た。次に、硫化リチウム粉体を0.171g、塩化リチウム粉体を0.158g秤量して1-プロパンチオール溶媒10mlに添加し、次いで、50℃で24時間マグネチックスターラーを用いて撹拌して、第二の前駆体用分散液を得た。得られた第一の前駆体用分散液と第二の前駆体用分散液とを混合し、次いで、50℃で24時間撹拌して、固体電解質製造用原料前駆体液を得た。
(Example 1; Present invention; Production of solid electrolyte SE3 by liquid phase method using acetonitrile and 1-propanethiol)
Weighed 0.275 g of lithium sulfide powder and 0.141 g of diphosphorus pentasulfide powder so that the molar ratio of Li, P and S was 3:1:4, and added them to 10 ml of acetonitrile solvent. The mixture was stirred at 75° C. for 24 hours using a magnetic stirrer to obtain a first precursor dispersion. Next, 0.171 g of lithium sulfide powder and 0.158 g of lithium chloride powder were weighed and added to 10 ml of 1-propanethiol solvent, and then stirred using a magnetic stirrer at 50 ° C. for 24 hours. A second precursor dispersion was obtained. The obtained first precursor dispersion liquid and second precursor dispersion liquid were mixed and then stirred at 50° C. for 24 hours to obtain a raw material precursor liquid for solid electrolyte production.
その後、上記固体電解質製造用原料前駆体液をダイヤフラムポンプ(Buchi社製、V-700真空ポンプ)を用いて減圧乾燥(80℃、12時間)することにより溶媒除去して乾固物を得た。得られた乾固物を127MPaで一軸プレスしてペレット化した。得られたペレットを、550℃で10時間熱処理し、固体電解質SE3(550)を得た。熱処理温度を600℃とした以外は同様にして固体電解質SE3(600)を得た。本例の固体電解質の製造は乾燥アルゴンガス雰囲気中で行った。 Thereafter, the raw material precursor liquid for solid electrolyte production was dried under reduced pressure (80° C., 12 hours) using a diaphragm pump (manufactured by Buchi, V-700 vacuum pump) to remove the solvent and obtain a dry solid. The obtained dried product was uniaxially pressed at 127 MPa to form pellets. The obtained pellets were heat treated at 550° C. for 10 hours to obtain solid electrolyte SE3 (550). Solid electrolyte SE3 (600) was obtained in the same manner except that the heat treatment temperature was 600°C. The solid electrolyte of this example was produced in a dry argon gas atmosphere.
(X線回折測定)
SE2(550)、SE2(600)、SE3(550)、SE3(600)について、X線回折測定装置(リガク社製スマートラボ)を用いて、X線回折測定(回折角2θ=10°~70°、サンプリング幅0.02°、スキャン速度5°/分)を行って、図1のX線回折像を得た。いずれもLi6PS4Clのアルジロダイ型結晶構造を有することがわかるが、SE2(550)、SE2(600)ではLi3PO4の構造も含むのに対して、本発明の製造方法によるSE3(550)、SE3(600)ではLi3PO4を含まないことがわかる。
(X-ray diffraction measurement)
For SE2 (550), SE2 (600), SE3 (550), and SE3 (600), X-ray diffraction measurement (diffraction angle 2θ = 10° to 70 1, sampling width 0.02°, and
(導電率測定)
SE2(550)、SE2(600)、SE3(550)、SE3(600)について、一軸油圧プレス機を用いて、円板形状の試験片(サイズ:半径5mm×高さ0.6mm)とし、アルゴンガス雰囲気下、測定用ユニット(ガラス容器)に入れた状態で、調温器に接続したリボンヒーター及び断熱材を測定用ユニット(ガラス容器)の周りに巻き付け、SOLATRON社製IMPEDANCE ANALYZER「S1260」(型式名)を用いて、室温(25℃)から徐々に加熱し、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、110℃、130℃で導電率を測定した。尚、導電率は、試験片を低温側から上記の各温度に保持し始めてから1時間静置した後に測定した。
(Conductivity measurement)
SE2 (550), SE2 (600), SE3 (550), and SE3 (600) were made into disk-shaped test pieces (size:
導電率の温度依存性のグラフを図2に示す。室温(25℃)における導電率はSE2(550)が1.80mS/cm、SE2(600)が1.47mS/cmであった。一方、SE3(550)が2.75mS/cm、SE3(600)が2.13mS/cmであり、本発明の製造方法によるSE3の方がSE2よりも高い導電率を示した。 A graph of the temperature dependence of conductivity is shown in FIG. The conductivity at room temperature (25° C.) was 1.80 mS/cm for SE2 (550) and 1.47 mS/cm for SE2 (600). On the other hand, SE3 (550) had a conductivity of 2.75 mS/cm, and SE3 (600) had a conductivity of 2.13 mS/cm, indicating that SE3 produced by the manufacturing method of the present invention had a higher conductivity than SE2.
(充放電試験)
正極用複合体として硫化チタン(TiS2)とSE2(550)を質量比1:1となるように秤量し、メノウ乳鉢を用いて混合して、正極用複合体を得た。
(Charge/discharge test)
As a positive electrode composite, titanium sulfide (TiS 2 ) and SE2 (550) were weighed at a mass ratio of 1:1 and mixed using an agate mortar to obtain a positive electrode composite.
次に、SE2(550)を、一軸油圧プレス機を用いて加圧成形し、円板形状の予備成形体(半径:5mm、厚さ:0.5mm)とした。そして、この電解質層用の予備成形体をポリエーテルエーテルケトン(PEEK)製の筒状体の内部に収容した状態で、その一方の表面側の全体に、上記で得られた正極用複合体約5mgを充填し、一軸油圧プレス機を用いて加圧成形を行った。更に、電解質層用予備成形体の他方の面に、Li-In合金箔(厚さ0.1mm、直径5mm)を張り付け、正極用複合体からなる正極電極21(厚さ約30μm)と、SE2(550)からなる電解質層25と、Li-In合金からなる負極電極23とを備える全固体形のリチウム硫黄電池20を得た。
Next, SE2 (550) was pressure-molded using a uniaxial hydraulic press machine to obtain a disk-shaped preform (radius: 5 mm, thickness: 0.5 mm). Then, while this preformed body for the electrolyte layer was housed inside a cylindrical body made of polyetheretherketone (PEEK), about the entirety of one surface side of the preformed body for the positive electrode obtained above was applied. 5 mg was filled, and pressure molding was performed using a uniaxial hydraulic press machine. Furthermore, a Li-In alloy foil (thickness 0.1 mm,
その後、このリチウム硫黄電池20を収納した筒状体の両側から、それぞれステンレス-ニッケルの導通部を挿入し、治具で固定して、図3に示す測定セル10を得た。そして、この測定セル10をガラス容器(図示せず)に封入し、ガラス容器内の気体をアルゴンガスに置換して、充電試験を行った。充電試験は、NAGANO社製充放電装置「BTS-2004H」(型式名)を用い、1.0-2.4V vs Li-In、Cレート:0.1Cの条件で行った。SE3(550)についても同様に試験を行った。その結果を図4に示す。
Thereafter, conductive parts made of stainless steel and nickel were inserted from both sides of the cylindrical body housing this lithium-
SE2(550)の充電容量はTiS2単位重量当たり182.8mAh・g-1、放電容量は197.86mAh・g-1であった。一方、SE3(550)の充電容量は221.73mAh・g-1、放電容量は222.38mAh・g-1であり、本発明の製造方法によるSE3の方がSE2よりも高く、理論容量236mAh・g-1に近い充放電容量を示した。 The charge capacity of SE2 (550) was 182.8 mAh·g −1 per unit weight of TiS 2 , and the discharge capacity was 197.86 mAh·g −1 . On the other hand, the charging capacity of SE3 (550) is 221.73 mAh g -1 and the discharging capacity is 222.38 mAh g -1 , and SE3 produced by the manufacturing method of the present invention is higher than SE2, with a theoretical capacity of 236 mAh g -1. It exhibited a charge/discharge capacity close to g −1 .
(定電流充放電サイクル試験)
電極SE2(550)を用いて、充放電試験における正極用複合体からなる正極電極21とLi-In合金からなる負極電極23にかえて、どちらもLiフォイルとした以外は同様にして対称構造となるセルを得た。NAGANO社製充放電装置「BTS-2004H」(型式名)を用い、電流強度100サイクルまで±0.1mA・cm―2、充放電それぞれ1時間、100サイクル以降は±0.2mA・cm―2として試験を行った。SE1(550)、SE3(550)についても同様に試験を行った。その結果を図5に示す。
(Constant current charge/discharge cycle test)
Using electrode SE2 (550), a symmetrical structure was obtained in the same manner except that Li foil was used for both the
SE1(550)は10時間で短絡した。SE2(550)は初期21mVだった電圧が200時間で154mVに増大した。絶縁性反応層が形成されたことによると思われる。本発明の製造方法によるSE3(550)は初期6mVで、150時間でも13mVまでしか電圧の上昇がなかった。 SE1 (550) was shorted in 10 hours. SE2 (550) had an initial voltage of 21 mV, which increased to 154 mV in 200 hours. This seems to be due to the formation of an insulating reaction layer. SE3 (550) manufactured by the manufacturing method of the present invention had an initial voltage of 6 mV, and the voltage increased only to 13 mV even after 150 hours.
(実施例2;本発明;アセトニトリルと1-プロパンチオールにピリジンを併用した液相法による固体電解質SE4、SE5の製造)
五硫化二リン粉体を0.141g秤量してピリジン溶媒5mlに添加し、室温(25℃)で1時間マグネチックスターラーを用いて撹拌した。硫化リチウム粉体を0.428g秤量して、アセトニトリル溶媒5mlに添加し、室温(25℃)で1時間マグネチックスターラーを用いて撹拌した。これらを混合し、さらに室温(25℃)で24時間マグネチックスターラーを用いて撹拌して、第一の前駆体用分散液を得た。第一の前駆体用分散液におけるLi、P及びSのモル比は5:1:5である。次に、塩化リチウム粉体を0.158g秤量してピリジン溶媒5mlと1-プロパンチオール溶媒5mlを混合した混合溶媒に添加し、室温(25℃)で24時間マグネチックスターラーを用いて撹拌して、第二の前駆体用分散液を得た。得られた第一の前駆体用分散液と第二の前駆体用分散液とを混合し、次いで、室温(25℃)で24時間撹拌して、固体電解質製造用原料前駆体液を得た。固体電解質製造用原料前駆体液におけるLi、P、S及びClのモル比は6:1:5:1である。
(Example 2; Present invention; Production of solid electrolytes SE4 and SE5 by liquid phase method using acetonitrile, 1-propanethol, and pyridine in combination)
0.141 g of diphosphorus pentasulfide powder was weighed out, added to 5 ml of pyridine solvent, and stirred at room temperature (25° C.) for 1 hour using a magnetic stirrer. 0.428 g of lithium sulfide powder was weighed out, added to 5 ml of acetonitrile solvent, and stirred at room temperature (25° C.) for 1 hour using a magnetic stirrer. These were mixed and further stirred at room temperature (25°C) for 24 hours using a magnetic stirrer to obtain a first precursor dispersion. The molar ratio of Li, P and S in the first precursor dispersion is 5:1:5. Next, 0.158 g of lithium chloride powder was weighed out, added to a mixed solvent of 5 ml of pyridine solvent and 5 ml of 1-propanethiol solvent, and stirred using a magnetic stirrer at room temperature (25° C.) for 24 hours. , a second precursor dispersion was obtained. The obtained first precursor dispersion liquid and second precursor dispersion liquid were mixed and then stirred at room temperature (25° C.) for 24 hours to obtain a raw material precursor liquid for producing a solid electrolyte. The molar ratio of Li, P, S, and Cl in the raw material precursor liquid for solid electrolyte production is 6:1:5:1.
その後、上記固体電解質製造用原料前駆体液をダイヤフラムポンプ(Buchi社製、V-700真空ポンプ)を用いて減圧乾燥(80℃、12時間)することにより溶媒除去して乾固物を得た。得られた乾固物を127MPaで一軸プレスしてペレット化した。得られたペレットを、600℃で10時間熱処理し、固体電解質SE4(600-10)を得た。熱処理時間を2時間とした以外は同様にして固体電解質SE4(600―2)を得た。本例の固体電解質の製造は乾燥アルゴンガス雰囲気中で行った。 Thereafter, the raw material precursor liquid for solid electrolyte production was dried under reduced pressure (80° C., 12 hours) using a diaphragm pump (manufactured by Buchi, V-700 vacuum pump) to remove the solvent and obtain a dry solid. The obtained dried product was uniaxially pressed at 127 MPa to form pellets. The obtained pellets were heat treated at 600° C. for 10 hours to obtain solid electrolyte SE4 (600-10). Solid electrolyte SE4 (600-2) was obtained in the same manner except that the heat treatment time was changed to 2 hours. The solid electrolyte of this example was produced in a dry argon gas atmosphere.
さらに、固体電解質製造用原料前駆体液におけるLi、P、S及びClのモル比が5.5:1:4.5:1.5となるように原料の秤量を調製した以外は同様にして固体電解質SE5(600-10)を得た。さらに熱処理時間を2時間とした以外は同様にして固体電解質SE5(600―2)を得た。 Furthermore, a solid was prepared in the same manner except that the weight of the raw materials was adjusted so that the molar ratio of Li, P, S, and Cl in the raw material precursor liquid for solid electrolyte production was 5.5:1:4.5:1.5. Electrolyte SE5 (600-10) was obtained. Furthermore, a solid electrolyte SE5 (600-2) was obtained in the same manner except that the heat treatment time was changed to 2 hours.
(X線回折測定)
SE4(600-10)、SE4(600―2)、SE5(600-10)、SE5(600―2)について、X線回折測定装置(リガク社製スマートラボ)を用いて、X線回折測定(回折角2θ=10°~70°、サンプリング幅0.02°、スキャン速度5°/分)を行って、図6のX線回折像を得た。いずれの電解質もアルジロダイ型結晶構造を有し、Li3PO4を含まないことがわかる。
(X-ray diffraction measurement)
X-ray diffraction measurement ( Diffraction angle 2θ=10° to 70°, sampling width 0.02°,
(導電率測定)
SE4(600-10)、SE4(600―2)、SE5(600-10)、SE5(600―2)について、SE2(550)等と同様にしてイオン導電率測定を行った。導電率の温度依存性のグラフを図7に示す。室温(25℃)における導電率はSE4(600-10)が4.76mS/cm、SE4(600―2)が2.11mS/cm、SE5(600-10)が5.41mS/cm、SE5(600―2)が1.82mS/cmであり、SE2よりも高い導電性を示した。なお、これらの例ではイオン伝導に加えて若干、電子伝導の挙動も見られた。脱溶工程で一部の溶剤が残存し炭化した可能性がある。
(Conductivity measurement)
Ionic conductivity measurements were performed on SE4 (600-10), SE4 (600-2), SE5 (600-10), and SE5 (600-2) in the same manner as SE2 (550). A graph of the temperature dependence of conductivity is shown in FIG. The conductivity at room temperature (25°C) is 4.76 mS/cm for SE4 (600-10), 2.11 mS/cm for SE4 (600-2), 5.41 mS/cm for SE5 (600-10), and 5.41 mS/cm for SE5 ( 600-2) was 1.82 mS/cm, showing higher conductivity than SE2. Note that in these examples, in addition to ionic conduction, some electronic conduction behavior was also observed. It is possible that some of the solvent remained during the desolvation process and was carbonized.
(実施例3;本発明;実施例1から硫化リチウムの添加を変化させた固体電解質SE5、SE6の製造)
実施例1において、第一の前駆体用分散液のLi、P及びSのモル比が4:1:4.5となるように硫化リチウムの添加量を0.324gとし、第二の前駆体用分散液における硫化リチウムの添加量を0.086gとし(固体電解質製造用原料前駆体液におけるLi、P、S及びClのモル比は6:1:5:1である)とした以外は同様(熱処理する工程の条件は550℃で10時間)にして固体電解質SE5(550)を得た。
(Example 3; Present invention; Production of solid electrolytes SE5 and SE6 in which the addition of lithium sulfide was changed from Example 1)
In Example 1, the amount of lithium sulfide added was 0.324 g so that the molar ratio of Li, P, and S in the first precursor dispersion was 4:1:4.5, and the amount of lithium sulfide added was 0.324 g. Same as above except that the amount of lithium sulfide added in the dispersion for solid electrolyte production was 0.086 g (the molar ratio of Li, P, S and Cl in the raw material precursor liquid for solid electrolyte production was 6:1:5:1). The conditions for the heat treatment step were 550° C. for 10 hours) to obtain solid electrolyte SE5 (550).
さらに、実施例1において、第一の前駆体用分散液のLi、P及びSのモル比が5:1:5となるように硫化リチウムの添加量を0.428gとし、第二の前駆体用分散液における硫化リチウムの添加量を0gとし(固体電解質製造用原料前駆体液におけるLi、P、S及びClのモル比は6:1:5:1である)とした以外は同様(熱処理する工程の条件は550℃で10時間)にして固体電解質SE6(550)を得た。 Furthermore, in Example 1, the amount of lithium sulfide added was set to 0.428 g so that the molar ratio of Li, P, and S in the first precursor dispersion was 5:1:5, and the second precursor dispersion was Same as above except that the amount of lithium sulfide added in the dispersion for solid electrolyte production was 0 g (the molar ratio of Li, P, S and Cl in the raw material precursor liquid for solid electrolyte production was 6:1:5:1). The process conditions were 550° C. for 10 hours) to obtain solid electrolyte SE6 (550).
(X線回折測定)
SE5(550)、SE6(550)について、X線回折測定装置(リガク社製スマートラボ)を用いて、X線回折測定(回折角2θ=10°~70°、サンプリング幅0.02°、スキャン速度5°/分)を行って、図8のX線回折像を得た。いずれの電解質もアルジロダイ型結晶構造を有し、Li3PO4を含まないことがわかる。
(X-ray diffraction measurement)
For SE5 (550) and SE6 (550), X-ray diffraction measurement (diffraction angle 2θ = 10° to 70°, sampling width 0.02°, scan The X-ray diffraction image shown in FIG. 8 was obtained. It can be seen that both electrolytes have an argyrodite crystal structure and do not contain Li 3 PO 4 .
(導電率測定)
SE5(550)、SE6(550)について、SE2(550)等と同様にしてイオン導電率測定を行った。導電率の温度依存性のグラフを図9に示す。室温(25℃)における導電率はSE5(550)が2.21mS/cm、SE6(550)が2.37mS/cmであり、SE2よりも高い導電性を示した。
(Conductivity measurement)
Regarding SE5 (550) and SE6 (550), ionic conductivity measurements were performed in the same manner as SE2 (550) and the like. A graph of the temperature dependence of conductivity is shown in FIG. The conductivity at room temperature (25° C.) was 2.21 mS/cm for SE5 (550) and 2.37 mS/cm for SE6 (550), which showed higher conductivity than SE2.
10:充電試験用測定セル
20:リチウム硫黄電池
21:正極電極
23:負極電極
25:電解質層
27:PEEK製筒状体
31:押さえ板
33:押さえピン
35:締め付けネジ
37:カプトン(登録商標)テープ
10: Charging test measurement cell 20: Lithium sulfur battery 21: Positive electrode 23: Negative electrode 25: Electrolyte layer 27: PEEK cylindrical body 31: Holding plate 33: Holding pin 35: Tightening screw 37: Kapton (registered trademark) tape
Claims (5)
固体電解質製造用原料前駆体液を調製する前駆体液調製工程と、該前駆体液調製工程によって調製された前記固体電解質製造用原料前駆体液を脱溶する脱溶工程と、該脱溶工程によって得られた乾固物を熱処理する工程とを含み、
前記前駆体液調製工程は、
少なくともエーテル結合を含まない非プロトン性極性溶媒を含む溶媒に、Li元素、P元素及びS元素を含み、かつ各元素のモル比を(3+a):1:(4+b)(0≦a≦2,0≦b≦1)とした材料が分散された第一の前駆体用分散液を調製する第一の前駆体用分散液調製工程と、
少なくともチオール系溶媒含む溶媒に少なくともLiXを分散させた第二の前駆体用分散液を調製する第二の前駆体用分散液調製工程と、
前記第一の前駆体用分散液と前記第二の前駆体用分散液とを混合する混合工程と
を含むことを特徴とするアルジロダイト型結晶構造を有する固体電解質の製造方法。
A method for producing a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure containing Li element, P element, S element and X element (X is a halogen) in a liquid phase, the method comprising:
a precursor liquid preparation step of preparing a raw material precursor liquid for solid electrolyte production; a desolution step of desoluting the raw material precursor liquid for solid electrolyte production prepared by the precursor liquid preparation step; and a step of heat treating the dry matter,
The precursor liquid preparation step includes:
A solvent containing an aprotic polar solvent that does not contain at least an ether bond contains Li element, P element, and S element, and the molar ratio of each element is (3+a):1:(4+b) (0≦a≦2, A first precursor dispersion preparation step of preparing a first precursor dispersion in which a material satisfying 0≦b≦1) is dispersed;
a second precursor dispersion preparation step of preparing a second precursor dispersion in which at least LiX is dispersed in a solvent containing at least a thiol-based solvent;
A method for producing a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure, comprising a mixing step of mixing the first precursor dispersion and the second precursor dispersion.
The argyrodite-type crystal according to claim 1, wherein the solvent used in either or both of the first precursor dispersion preparation step and the second precursor dispersion preparation step contains pyridine. A method for producing a solid electrolyte having a structure.
The first precursor dispersion preparation step includes dispersing P 2 S 5 in a solvent containing at least pyridine and dispersing Li 2 S in a solvent containing at least an aprotic polar solvent that does not contain an ether bond. 3. The method for producing a solid electrolyte having an argyrodite-type crystal structure according to claim 1 or 2, further comprising the step of mixing the solid electrolyte with a dispersion liquid obtained by preparing a solid electrolyte.
Either or both of the first precursor dispersion preparation step and the second precursor dispersion preparation step is performed at a temperature of 40°C or higher and below the boiling point of the solvent with the lowest boiling point among the solvents contained. The method for producing a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure according to claim 1, further comprising the step of:
According to claims 1 to 4, each step included in the precursor liquid preparation step does not contain a material having an ether bond or a solvent, and does not contain a material having an alcoholic OH group or a solvent. A method for producing a solid electrolyte having an argyrodite crystal structure as described above.
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