JP2023512340A - イオン伝導性材料、イオン伝導性材料を含む電解質、およびその形成方法 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、固体イオン伝導性材料、該イオン伝導性材料を含む電解質、およびその形成方法に関し、特に、複合金属ハロゲン化物を含む固体イオン伝導性材料、それを含む電解質、およびその形成方法に関するものである。
固体リチウム電池は、リチウム金属を負極に用いることで、従来のリチウムイオン電池に比べ、エネルギー密度が高く、充電時間が短く、安全性への懸念が少ないと期待されている。現在の固体電解質材料には、酸化物、ハロゲン化物、硫化物、フッ化物、固体高分子電解質などがある。
本開示は、添付図面を参照することによって、よりよく理解され、その多数の特徴および利点が当業者に明らかにされ得る。
図と組み合わせた以下の説明は、本明細書に開示された教示を理解するのに役立つように提供される。以下の議論は、本教示の特定の実装および実施形態に焦点を当てる。この焦点は、教示を説明するのを助けるために提供され、教示の範囲または適用性を制限するものとして解釈されるべきではない。
3*Li2CO3+ RE2O3+ 12*HX+ 6*NH4X ---> 2*(NH4)3REX6+ 6*LiX + 6*H2O+ 3*CO2
3*Li2CO3+ RE2O3+ 18*NH4Br ----> 2*(NH4)3Li3REBr9+ 6*H2O+ 3*CO2+ 12*NH3.
実施形態1.複合金属ハロゲン化物を含む、固体イオン伝導性材料:
前記複合金属ハロゲン化物は、アンモニウムを含むドーパントでドープされ;および
複合金属ハロゲン化物は、M3-z(Mek+)fX3-z+k*fで表され、ここで、
-3≦z<3;
2≦k<6;
0≦f≦1;
Mはアルカリ金属元素を含む、
Meは、2価の金属元素、3価の金属元素、4価の金属元素、5価の金属元素、6価の金属元素、またはそれらのいかなる組み合わせを含む;および
Xはハロゲンを含む。
実施形態2.下記を含む、固体イオン伝導性材料:
M3-z(Mek+)fX3-z+k*fで表される複合金属ハロゲン化物、
-3≦z<3;
2≦k<6;
0≦f≦1;
Mはアルカリ金属元素を含む、
Meは、2価の金属元素、3価の金属元素、4価の金属元素、5価の金属元素、6価の金属元素、またはそれらの組み合わせを含み;そして、Xはハロゲンを含む;
電荷中性のMexNkまたはMxNの少なくとも1つであり、xはNの原子価、kはMeの原子価である。
実施形態3.実施形態1または2に記載の固体イオン伝導性材料であって、前記複合金属ハロゲン化物は、(Li1-d-e,Nad,M’e)2Li1-z’(Mek+)fX3+k*f-z、で表されることを特徴とする固体イオン伝導性材料:
0≦d≦1;
0≦e<1;
Mは、Li、Na、およびM’のうちの少なくとも1つから成り;および
M’は、K、Rb、Csのうち少なくとも1つから成る。
実施形態4.Li1-d-e,Nad,M’e)2Li1-z(Mek+)fX3+k*f-z、で表される複合金属ハロゲン化物を含む、固体イオン伝導性材料。
-3≦z<3;
2≦k<6;
0≦f≦1;
0<d≦1;
0≦e<1;
Mはアルカリ金属元素を含む、
Meは、2価の金属元素、3価の金属元素、4価の金属元素、5価の金属元素、6価の金属元素、またはそれらの組み合わせを含み;そして、Xはハロゲンを含む;
電荷中性のMexNkまたはMxNの少なくとも1つであり、xはNの原子価、kはMeの原子価である。
MはLi、Na、M’のうち少なくとも1つから成り、M’はK、Rb、Csのうち少なくとも1つからなる。
実施形態5.zは-0.95~0.95であり、MはNaおよびLiから成る、実施形態1~4のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態6.Meは、希土類元素、アルカリ土類金属元素、3d遷移金属、Zn、Zr、Hf、Ti、Sn、Th、Ge、Ta、Nb、Mo、W、Sb、In、Bi、Al、Ga、Feまたはこれらの組み合わせから選択される1つ以上を含む、実施形態1から5のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態7.Meは、希土類元素、Zr、またはそれらのいかなる組み合わせを含む、実施形態1から6のいずれか1項に記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態8.Meが、Y、Ce、Gd、Er、Zr、La、Yb、In、Mg、Zn、またはそれらのいかなる組み合わせを含む、実施形態1から7のいずれか1項に記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態9.Xが、F、Cl、Br、及びIの少なくとも1つ、並びに任意に、-NH2(アミド)、-(NH)0.5(イミド)、-OH(水酸化物)、-BH4(ボロハイドライド)、-BF4基、又はこれらのいかなる組み合わせを含むアニオン基を含む、実施形態1~8のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態10.MeがGd、Y、またはそれらの組み合わせから成る、実施形態1~9のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態12.MeがEr、Y、またはそれらの組み合わせから成る、実施形態1~9のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態13.MeがYb、Ce、またはそれらの組み合わせから成る、実施形態1~9のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態14.MeがY、Zr、またはそれらの組み合わせから成る、実施形態1~9のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態15.Meは、In、Y、Zr、Hf、Sc、Zn、Mgのうち2種類以上から成る、実施形態1から9のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態16.ハロゲンがCl、Br、I、Fのいずれかから成る、実施形態1~15のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態17.ハロゲンは、Cl、Br、I、及びFのうち少なくとも2つ以上から成る、実施形態1~16のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態18.ハロゲンがCl、Br、Iから成る、実施形態1~17のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態19.前記複合金属ハロゲン化物は、Li3-zMek+X3-z+kで表され、Meは希土類元素、Zr、またはそれらのいかなる組み合わせから成る、実施形態1および4から18のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態20.実施形態1から18のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料であって、(Li1-dNad)2Li1-zMek+X3+k-zで表される複合金属ハライドであって、Meが希土類元素、Zr、またはそれらの組み合わせを含む、および0≦d<1,-0.95≦z=<0.95である。
実施形態22.実施形態2から21のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料であって、d≧0.01またはd≧0.05またはd≧0.1である、固体イオン伝導性材料。
実施形態23.実施形態2~22のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料であって、d≦0.
実施形態24.実施形態1~9のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料であって、複合金属ハロゲン化物が、(Li(1-d-e),Na(d),M’(e))2Li(1-z’)Me3+ (1-u-p-q-r)Me4+ (u)Me2+ (p)Me5+ (q)Me6+ (r)(Cl(1-y-w)Br(y)I(w )(6+u-p+2q+3r-z’)、で表されることを特徴とする、固体イオン伝導性材料。
0≦d≦1;
0≦e<1;
-3≦z’<3;
M’は、K、Rb、Csのうちの少なくとも1つを含む。
M3+は、希土類元素、In、Bi、Sc、Y、Al、Ga、またはそれらのいかなる組み合わせを含む。
Me4+は、Zr4+,Hf4+,Ti4+,Sn4+,Th4+,Ge4+またはその組み合わせである。
Me2+は、Mg2+,Zn2+,Ca2+,Sr2+,Ba2+,Yb2+,Eu2+またはそのいかなる組み合わせである。
Me5+は、Ta5+、Nb5+、W5+、Sb5+、またはその組み合わせである。
Me6+は、W6+、Mo6+、またはそれらのいかなる組み合わせである。
0<=w<=1;
0<=y<=1;
-0.95<z<0.95;
0<=u<0.95;
0<=p<0.95;
0<=q<0.95;および
0<=r<0.95。
実施形態25.M3+が、Y3+、Gd3+、In3+、Er3+、La3+、Sc3+、またはそれらのいかなる組み合わせを含み、M3+が、Y3+、Gd3+、In3+、Er3+、La3+、Sc3+またはそれらのいかなる組み合わせから成る、実施形態24の固体イオン伝導性材料。
実施形態26.M4+がZr4+、Hf4+、Ce4+、またはそれらの組み合わせを含み、M4+がZr4+、Hf4+、Ce4+、またはそれらの組み合わせから成る、実施形態24または25の固体イオン伝導性材料。
実施形態27.実施形態24から26のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料であって
p=0;
q=0;
r=0;
u=0;または
その組み合わせ。
実施形態28.k=2または3または4または5である、実施形態1~9および24~27のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態29.実施形態1から28のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料であって、複合金属ハロゲン化物の全重量に対して、少なくとも10質量ppmのハロゲン化アンモニウム、少なくとも100ppm、少なくとも500ppm、少なくとも0.1wt%、少なくとも0.3wt%、少なくとも0.5wt%、少なくとも0.8wt%または少なくとも1wt%を含む固体イオン伝導性材料。
実施形態30.複合金属ハロゲン化物の全重量に対して、アンモニウムを多くても20wt%、多くても15wt%、多くても10wt%、多くても8wt%、多くても5wt%、または多くても3wt%含む、実施形態1~29のいずれか1つに記載の固体イオン伝導体材料。
実施形態32.複合金属ハロゲン化物の総重量に対して、単純金属ハロゲン化物を少なくとも0.2ppm、少なくとも0.5ppm、または少なくとも1ppm含む、実施形態31に記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態33.単純な金属ハロゲン化物は、アルカリ金属ハロゲン化物、希土類ハロゲン化物、またはそれらのいかなる組み合わせを含む、実施形態31または32に記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態34.電荷中性のMexNkを、複合金属化合物の重量に対して少なくとも0.1質量ppm、最大10質量ppm含む、実施形態1~33のいずれか1つに記載のイオン伝導性材料。
実施形態35.複合金属化合物の重量に対してx、電荷中性MxNを少なくとも0.1質量ppm、最大10質量ppm含む、実施形態1から34のいずれか1つに記載のイオン伝導性材料。
実施形態36.少なくとも0.001mS/cm、少なくとも0.01mS/cm、少なくとも0.1mS/cm、少なくとも0.4mS/cm、少なくとも0.8mS/cm、少なくとも1.2mS/cm、少なくとも1.8mS/cmまたは少なくとも2.2mS/cmのバルクでのイオン伝導度を含む、実施形態1~35いずれか一つの固体イオン伝導体材料。
実施形態37.最大15mS/cm、最大13mS/cm、最大11mS/cm、最大8mS/cm、最大7.2mS/cm、または最大6.2mS/cmのバルクでのイオン伝導度を含む、実施形態36の固体イオン伝導体材料。
実施形態38.複合金属ハロゲン化物は、少なくとも0.1ミクロン~1mmの平均粒子径を含む粉末の形態である、実施形態1~37のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態39.固体導電材料は、単結晶または多結晶である、実施形態1~38のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態40.固体イオン伝導性材料が、単結晶または<HKL>もしくは<HKLM>で表される結晶方位を有する配向性多結晶であり、<HKL>もしくは<HKLM>の結晶方位におけるイオン伝導率が、異なる結晶方位におけるイオン伝導率よりも高い、実施形態39に記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態42.Li4(NH2)3Cl、Li7(NH2)6Cl、Li2Br(NH2)、Li13[NH]6Cl、LiCl・NH3、LiBr・4NH3、またはそれらの組み合わせをさらに含む、実施形態1から41のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態43.NH3、NH4X、またはそれらの組み合わせをさらに含む、実施形態1から42のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料。
実施形態44.実施形態1~43のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料を含む、固体電解質層。
実施形態45.実施形態1から43のいずれか1つに記載の固体イオン伝導性材料と、正極または負極活物質と、任意に電子伝導性添加剤とを含む、電子およびイオン伝導性の混合層。
実施形態46.実施形態44に記載の固体電解質層を備える、固体リチウム電池。
実施形態47.実施形態45に記載の電子・イオン混合伝導層を備える、固体リチウム電池。
実施形態48.M3-z(Mek+)fX3-z+k*fで表される複合金属ハロゲン化物を含む単結晶材料を含む固体電解質層。
-3≦z<3;
2≦k<6;
0≦f≦1;
Mはアルカリ金属元素を含む。
Meは、2価の金属元素、3価の金属元素、4価の金属元素、5価の金属元素、6価の金属元素、またはそれらのいかなる組み合わせを含む;および
Xはハロゲンで構成され;そして
ここで、単結晶材料は、電荷中性のMexNk、およびMxNのいずれかをさらに含み、xはNの原子価、kはMeの原子価である。
実施形態49.M3-z(Mek+)fX3-z+k*fで表される組成を有する配向結晶性材料を含む、固体電解質層。
-3≦z<3;
2≦k<6;
0≦f≦1;
Mはアルカリ金属元素を含む。
Meは、2価の金属元素、3価の金属元素、4価の金属元素、5価の金属元素、6価の金属元素、またはそれらのいかなる組み合わせを含む;および
Xはハロゲンを含む。
実施形態50.配向結晶材料が配向セラミックまたは配向単結晶である、実施形態49に記載の固体電解質層。
実施形態52.Mは、Li、またはLiとNa、Cs、Rb、およびKの少なくとも1つとの組み合わせを含む、実施形態48から51のいずれか1つに記載の固体電解質層。
実施形態53.組成物が、(Li1-d,Nad)2Li1-zMek+X3+k-zで表される、実施形態47から51のいずれか1項に記載の固体電解質層。
0≦d<1;
-0.95≦z<=0.95;
2≦k<6;
Meは、2価の金属元素、3価の金属元素、4価の金属元素、5価の金属元素、6価の金属元素、またはそれらのいかなる組み合わせを含む;および
Xはハロゲンを含む。
実施形態54.Meは、希土類元素と、任意にアルカリ土類金属元素、Zn、Zr、Hf、Ti、Sn、Th、Ta、Nb、Mo、W、Sb、In、及びBiの1つ以上とを含む実施形態47~53のいずれか1項に記載の固体電解質層。
実施形態55.Meは、Y、Ce、Gd、Er、Zr、La、Yb、In、Mg、またはそれらのいかなる組み合わせを含む、実施形態47から54のいずれか1つに記載の固体電解質層。
実施形態56.Xが、F、Cl、Br、及びIのうちの少なくとも1つ、並びに任意に、-NH2(アミド)、-(NH)0.5(イミド)、-OH(水酸化物)、-BF4基、又はそれらの組み合わせを含むアニオン基を含む、実施形態47~55のいずれか1項に記載の固体電解質層。
実施形態57.Meが、Gd、Ce、Er、Yb、Zr、Y、またはそれらのいかなる組み合わせを含む、実施形態47から55のいずれか1つに記載の固体電解質層。
実施形態58.Meは、Gdと、場合によりCe、Er、Y、及びZrのうちの少なくとも1つとを含む、実施形態47から55のいずれか1つに記載の固体電解質層。
実施形態59.MeがYb及びCeから成る、実施形態47から55のいずれか1つに記載の固体電解質層。
実施形態60.Meは、Yと、場合によりZr、Ce、Er、及びGdのうちの少なくとも1つとから成る、実施形態47から55のいずれか1つに記載の固体電解質層。
実施形態62.ハロゲンは、Cl、Br、I、及びFのうち少なくとも2つ以上から成る、実施形態47から61のいずれか1つに記載の固体電解質層。
実施形態63.ハロゲンは、Cl、Br、及びIから成る、実施形態47から62のいずれか1つに記載の固体電解質層。
実施形態64.組成が、Li3-zREk+X3-z+kで表され、REが希土類元素、Zr、またはそれらのいかなる組み合わせを含む、実施形態47から63のいずれか1つに記載の固体電解質層。
実施形態65.k=3または4または5である、実施形態47から64のいずれか1つに記載の固体電解質層。
実施形態66.組成物が、(Li(1-d),Na(d))2Li(1-z)Me3+ (1-u-p-q-r) Me4+ (u)Me2+ (p)Me5+ (q)Me6+ (r)(Cl(1-y-w)Br(y)I(w))(6+u-p+2q+3r-z)で表される、実施形態47~65のいずれか一つの固体電解質層、ここで、:
0<d<=1;
-0.95≦z<=0.95;
0<=u<0.95;
0<=p<0.95;
0<=q<0.95;
0<=r<0.95;
M3+希土類元素を含む。
Me4+は、Zr4+、Hf4+、Ti4+、Sn4+、Th4+、またはそれらのいかなる組み合わせである。
Me2+は、Mg2+,Zn2+,Ca2+,Sr2+,Ba2+,Yb2+,Eu2+またはそのいかなる組み合わせである。
Me5+は、Ta5+、Nb5+、W5+、Sb5+、またはその組み合わせである。
Me6+が、W6+;
0<=y<=1;かつ
w<=1.
実施形態67.M3+が、Y3+、Gd3+、In3+、Er3+、La3+、またはそれらのいかなる組み合わせを含み、M3+が、Y3+、Gd3+、In3+、Er3+、La3+、またはそれらのいかなる組み合わせから成る、実施形態66の固体電解質層。
実施形態68.M4+がZr4+、Ce4+、またはそれらの組み合わせを含み、M4+がZr4+、Ce4+、またはそれらの組み合わせを含む、実施形態66または67に記載の固体電解質層。
実施形態69.実施形態63から68のいずれか1つに記載の固体電解質層。
p=0;
q=0;
u=0;または
その組み合わせ。
実施形態70.実施形態47から69のいずれか1つに記載の固体電解質層であって、z≦0.5またはz≦0.3またはz≦0.2である、固体電解質層。
実施形態72.実施形態47から71のいずれか1つに記載の固体電解質層であって、d≦0.8またはd≦0.5。
実施形態73.実施形態47から72のいずれか1つに記載の固体電解質層であって、結晶性材料は、結晶性材料の総重量に対して、多くとも0.5wt%、多くとも0.2wt%、多くとも0.1wt%、多くとも500ppm、多くとも200ppm、多くとも100ppm、または多くとも50ppmの不純物の合計含有量を含む、。
実施形態74.不純物が、希土類ハロゲン化物、アルカリハライド、電荷中性MexNk、電荷中性MxN、またはそれらのいかなる組み合わせを含む、実施形態73に記載の固体電解質層。
実施形態75.不純物の総含有量が、複合金属ハロゲン化物の重量に対して少なくとも2ppm、少なくとも5ppm、または少なくとも10ppmである結晶性物質を含む、実施形態47から74のいずれか1項に記載の固体電解質層。
実施形態76.結晶性材料が、複合金属ハロゲン化物の重量に対して、少なくとも0.1質量ppm、最大10質量ppmの電荷中性MexNkを含む、実施形態47から75のいずれか1つに記載の固体電解質層。
実施形態77.結晶性材料が、複合金属ハロゲン化物の重量に対して少なくとも0.1質量ppm、最大10質量ppmの電荷中性MxNを含む、実施形態47から76のいずれか1項に記載の固体電解質層。
実施形態78.結晶材料が、Li4(NH2)3Cl、Li7(NH2)6Cl、Li2Br(NH2)、Li13[NH]6Cl、LiCl-NH3,LiBr-4NH3、又はそれらの組み合わせを含む、実施形態47から77のいずれか1つに記載の固体電解質層。
実施形態79.結晶性材料が、NH3、NH4X、またはそれらの組み合わせを含む、実施形態47から78のいずれか1つに記載の固体電解質層。
実施形態80.結晶材料が、22℃で少なくとも0.01mS/cm、少なくとも0.1mS/cm、少なくとも0.2mS/cm、少なくとも0.4mS/cm、少なくとも0.5mS/cm、少なくとも0.8mS/cm、少なくとも1.2mS/cm、少なくとも1.8mS/cmのバルクイオン導電率を含む実施形態47~79のいずれか一つに記載の固体電解質層であって、結晶は、少なくとも0.01eV~0.5eVの範囲内の活性エネルギーを有する、結晶を含んで構成され、晶は、少なくとも0.01eVのイオン導電率の結晶である実施形態79に記載されている。8mS/cm、または22℃で少なくとも2.2mS/cm、および0.01eVおよび0.5eVの範囲の活性化エネルギー、または結晶性材料が最大15mS/cm、最大11mS/cm、最大9mS/cm、最大8mS/cm、最大7.2mS/cmまたは最大6.2mS/cmのイオン伝導度を構成している、結晶性材料の例。
実施形態82.結晶学的方向が、<100>、<001>、及び<010>を含む群から選択される、実施形態81に記載の固体電解質層。
実施形態83.単結晶材料は、シート状である、実施形態47から82のいずれか1つに記載の固体電解質層。
実施形態84.厚さが5ミクロン~500ミクロンである、実施形態1~83のいずれか1つに記載の固体電解質層。
実施形態85.固体イオン伝導性材料を形成する工程であって、以下を含む。
(NH4)nMek+ 3+kを形成することであり、(NH4)nMek+ 3+kを形成することは、水和塩含有REX3の水分をNH4Xで化学的に置換することを含み、n>0;Meは希土類元素、Zrまたはその組み合わせを含み、Xは1以上のハロゲンである。
実施形態86.(NH4)nMek+ 3+k及びMXの固体反応を行うことをさらに含み、ここでMはアルカリ金属を含む、実施形態85に記載のプロセス。
実施形態87.(NH4)nMek+X3+kを分解することをさらに含む、実施形態85または86に記載のプロセス。
実施形態88.M3-zMek+X3-z+k、式中、-3≦z<3;2≦k<6;MはLiおよびNaの少なくとも1つを含み、固体イオン伝導性材料は、固体イオン伝導性材料の重量に対して最大0.5wt%の不純物の合計含有量を含む複素金属ハライドを形成することをさらに含む実施形態85~87のいずれか1項に記載のプロセス。
実施形態89.不純物が、Mek+Xk、MX、またはそれらの組み合わせを含む、実施形態88に記載のプロセス。
実施形態90.複合金属ハロゲン化物を含む結晶を成長させることをさらに含む、実施形態86から89のいずれか1つに記載のプロセス。
実施形態92.融液から結晶を成長させることをさらに含み、融液は、複合金属ハロゲン化物と任意にドーパント材料とを含む、実施形態90又は91に記載のプロセス。
実施形態93.イオン伝導性材料が多結晶体である、実施形態85から92のいずれか1つに記載のプロセス。
実施形態94.イオン伝導性材料が、イオン伝導性材料の重量に対して最大0.5wt%の電荷中性MexNkの含有量を含む、実施形態85から93のいずれか1つに記載のプロセス。
実施形態95.イオン伝導性材料が、イオン伝導性材料の重量に対して質量比で少なくとも0.1ppm、多くても10ppmのMexNkの含有量を含む、実施形態85から94のいずれか1つに記載のプロセス。
実施形態96.イオン伝導性材料が、イオン伝導性材料の重量に対して最大0.5wt%の電荷中性MxNの含有量を含む、実施形態85から95のいずれか1つに記載のプロセス。
実施形態97.イオン伝導性材料が、イオン伝導性材料の重量に対して質量比で少なくとも0.1ppm、多くても10ppmの電荷中性MxNの含有量を含む、実施形態85から96のいずれか1つに記載のプロセス。
実施形態98.イオン伝導性材料が、Li4(NH2)3Cl、Li7(NH2)6Cl、Li2Br(NH2)、Li13[NH]6Cl、LiCl-NH3,LiBr-4NH3, 又はそれらの組み合わせを形成することをさらに含む、実施形態85から97のいずれか1つに記載のプロセス。
実施形態99.イオン伝導性材料が、NH3、NH4X、またはそれらの組み合わせをさらに含む、実施形態85から97のいずれか1つに記載のプロセス。
例1
表1に示す組成の試料1~30を作製した。表1には、単純な金属ハロゲン化物の不純物の含有量が記載されており、各不純物の相は、寄生相に対応する特徴的な回折ピークの存在により定量分析するためのリートベルト精密化と組み合わせたXRD分析により検出されました。
試料1、2、4~6、15、17、30は、セラミックスペレットをプレス成形し、乾燥不活性条件下で加熱したものである。ペレットは、試料6を除き、本明細書の実施形態で説明した湿式アンモニウムルートに従って形成された。試料6は、本明細書の実施形態に記載された1段階成形プロセスを用いて成形された。ペレットは、5~13mm(直径)×0.5~4mm(厚さ)である。試料8~14及び試料18~29は、本明細書の実施形態に従って形成された単結晶からスライスされたものである。また、試料20、21、23の形成には、アニオン置換化合物の結晶成長用出発原料料の添加物として、LiCl塩、LiBr塩、LiI塩をそれぞれ使用した。
Li3YB6の多結晶体ブロックが、7cmx10cmの円柱状に形成された。このブロックは,mmからcmサイズの単結晶が雲母状の層状に密に配列したものである。このブロックの中心から切り出した小片について、バルクのイオン伝導度を測定した。この小片を厚さ約0.7mmの平行平板試料に研磨し、例1と同様の方法でインピーダンスを測定したところ、選択した試料の方向により、約0.5または2.5mS/cmであった。XRD分析により、2つの試料が異なる結晶学的配向を有することが確認された。
結晶性の純原料は、自動乳鉢と乳棒のグラインダーを使って粉砕されました。この低エネルギー粉砕により、材料の純度が保たれる。同じ材料を高エネルギーボールミルで粉砕したところ、XRD分析で単純なハロゲン化物の小さなシグナルの出現で示されるように、純物質の部分的な分解が観察された。分解した粉末の導電率は、純粉末や配向した結晶・セラミックよりも低い値であった。
追加の試料を形成した。試料35は、LiBrとYBrの化学量論的混合物3を溶接した石英アンプルに入れ、真空下で650℃まで加熱して合成した。反応混合物が溶融した後、650℃で最大1時間のソーク時間をかけて、反応生成物が自己フラックスに溶解するようにした。その後、石英アンプルの温度を速やかに(2~3分で)400℃まで下げ、不一致のLi3YBr6相の部分的な分解を最小限に抑えるのに役立てた。その後、石英アンプルの温度を50~100℃/時間の速度で室温まで徐々に下げた。
Claims (15)
- 複合金属ハロゲン化物材料を含む、固体イオン伝導性材料であって、
ここで、複合金属ハロゲン化物材料は、M3-z(Mek+)fX3-z+k*f、で表され、
-3≦z<3;
2≦k<6;
0≦f≦1;
Mはアルカリ金属元素を含む;
Meは、2価の金属元素、3価の金属元素、4価の金属元素、5価の金属元素、6価の金属元素、またはそれらの組み合わせを含み;そして、Xはハロゲンを含む;
ここで、複合金属ハロゲン化物材料は、電荷中性のMexNkまたはMxNの少なくとも1つを含み、xは窒素Nの原子価、kはMeの原子価である、前記の固体イオン伝導性材料。 - M3-z(Mek+)fX3-z+k*f、で表される複合金属ハロゲン化物材料を含む配向セラミック材料を含む、固体イオン伝導性材料であって、
-3≦z<3;
2≦k<6;
0≦f≦1;
Mは、Liを含むアルカリ金属元素を含む;
Meは、2価の金属元素、3価の金属元素、4価の金属元素、5価の金属元素、6価の金属元素、またはそれらの組み合わせを含み、Xは、ハロゲンを含む、前記の固体イオン伝導性材料。 - M’
前記複合金属ハロゲン化物材料が、(Li1-d-e,Nad,Me)2Li1-z’(Mek+)fX3+k*f-z’で表され:
0≦d≦1;
0≦e<1;
0<=(d+e)<1;
-1≦z’<1;
Mは、Li、Na、およびM’のうちの少なくとも1つを含み;および
M’は、K、Rb、Csのうち少なくとも1つを含む、請求項1または2に記載の固体イオン伝導性材料。 - zが-0.95~0.95であり、MがNaおよびLiの少なくとも一方から成る、請求項1または2記載の固体イオン伝導性材料。
- Meが、希土類元素、アルカリ土類金属元素、Sn、In、Zn、Zr、またはこれらの組み合わせを含む、請求項1~4のいずれか1項に記載の固体イオン伝導性材料。
- Meが、Y、Ce、Gd、Er、Zr、La、Yb、In、Mg、Sn、Znまたはそれらの組み合わせを含む、請求項1から5のいずれか1項に記載の固体イオン伝導性材料。
- Xが、F、Cl、Br、およびI、及び場合により-NH2(アミド)、-(NH)0.5(イミド)、-OH(水酸化物)、-BH4(ボロハイドライド)、-BF4基またはそれらのいかなる組み合わせを含むアニオン基の少なくとも1つから成る、請求項1~6のいずれか1項に記載の固体イオン伝導性材料。
- 複合金属ハロゲン化物が、(Li1-dNad)2Li1-zMek+X3+k-zで表され、
Meが希土類元素、In、Sn、Zr、またはそれらの組み合わせを含み、
0≦d<1、-0.95≦z=<0.95である、請求項1~6のいずれか1項に記載の固体イオン伝導性材料。 - z≦0.5またはz≦0.3またはz≦0.2である、請求項1~8のいずれか1項に記載の固体イオン伝導性材料。
- d≧0.01またはd≧0.05またはd≧0.1であり、かつ、d≦0.8またはd≦0.5である、請求項1~9のいずれか1項に記載の固体イオン伝導性材料。
- 前記複合金属ハロゲン化物材料は、単結晶、セラミックス、またはそれらのいかなる組み合わせを含む、請求項1に記載の固体イオン伝導性材料。
- 複合金属ハロゲン化物材料が、複合金属ハロゲン化物材料の重量に対して、単純金属ハロゲン化物の合計含有量が最大10wt%である、請求項1~11のいずれか1項に記載の固体イオン伝導性材料。
- 前記複合金属ハロゲン化物材料は、<HKL>又は<HKLM>で表される結晶方位を有し、<HKL>又は<HKLM>の結晶方位におけるイオン伝導度が、異なる結晶方位におけるイオン伝導度よりも高いことを特徴とする、請求項1~12のいずれか1項に記載の固体イオン伝導性材料。
- 請求項1~13のいずれか1項に記載の固体イオン伝導性材料を含む層を含み、該層が、電解質層、イオン・電子混合伝導層、またはそれらのいかなる組み合わせを含む、固体リチウム二次電池。
- (NH4)nMek+X3+kを形成することを含む、固体イオン伝導性材料を形成する方法であって、
(NH4)nMek+X3+kを形成することが、REX3を含む水和塩中の水分を、NH4Xで化学的に置換することを含み、ここで、n>0;Meは希土類元素、Zrまたはその組み合わせを含み、Xは1以上のハロゲンである、前記の方法。
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