JP5048993B2 - 正極合材用硫化物系固体電解質及びその製造方法 - Google Patents
正極合材用硫化物系固体電解質及びその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP5048993B2 JP5048993B2 JP2006284706A JP2006284706A JP5048993B2 JP 5048993 B2 JP5048993 B2 JP 5048993B2 JP 2006284706 A JP2006284706 A JP 2006284706A JP 2006284706 A JP2006284706 A JP 2006284706A JP 5048993 B2 JP5048993 B2 JP 5048993B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sulfide
- solid electrolyte
- positive electrode
- based solid
- ppm
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Glass Compositions (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Description
使用される用途が広がるのに伴い、二次電池の更なる安全性の向上及び高性能化が要求されている。
リチウム電池の安全性を確保する方法としては、有機溶媒電解質に代えて無機固体電解質を用いることが有効である。
また、リン酸結合を所定量含有させた硫化物系固体電解質が正極合材として使用される固体電解質として優れた性能を有することを見出した。
1.硫化物系固体電解質中に存在する、31PNMRスペクトルの70〜−20ppmの領域に観測されるリン酸結合(POxS4−x:xは1〜4の整数)のピーク面積が、前記スペクトルの170〜−20ppmの領域に観測される全リン元素のピーク面積の1〜50%である硫化物系固体電解質を含む正極合材。
2.硫化物系固体電解質中に存在する、 31 PNMRスペクトルの70〜−20ppmの領域に観測されるリン酸結合(PO x S 4−x :xは1〜4の整数)のピーク面積が、前記スペクトルの170〜−20ppmの領域に観測される全リン元素のピーク面積の1〜50%である硫化物系固体電解質を含む正極。
3.1に記載の正極合材を用いて製造された正極
4.2又は3に記載の正極を備える全固体二次電池。
5.硫化物系固体電解質中に存在する、 31 PNMRスペクトルの70〜−20ppmの領域に観測されるリン酸結合(PO x S 4−x :xは1〜4の整数)のピーク面積が、前記スペクトルの170〜−20ppmの領域に観測される全リン元素のピーク面積の1〜50%である正極合材用硫化物系固体電解質の製造方法であって、
水分を含む有機溶媒で硫化物系固体電解質を処理する正極合材用硫化物系固体電解質の製造方法。
本発明において、リン酸結合(POxS4−x)の量は固体電解質の固体31P−NMRスペクトルの積分値から算出する。具体的には、リン酸結合(POxS4−x)に起因するピークは、70〜−20ppmに観測されるので、このピークの積分値と、スペクトル全体(ピークは、170〜−20ppm)の積分値、即ち、固体電解質中に存在するリン元素全体の値からリン酸結合の含有量(%:積分比)を算出する。詳細については、実施例にて説明する。
尚、リン酸結合(POxS4−x)は、具体的には、POS3、PO2S2、PO3S、PO4である。
尚、リン酸結合(POxS4−x)の量が積分値で50%より多くなると、イオン伝導性が大きく低下し、電池性能低下につながるおそれがあり好ましくない。一方、1%より少ないと、電池としての高レート条件下での充放電が難しくなり好ましくない。
例えば、以下の方法で製造された硫化リチウムを精製することにより得ることができる。
以下の製造法の中では、特にa又はbの方法が好ましい。
a.非プロトン性有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを0〜150℃で反応させて水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を150〜200℃で脱硫化水素化する方法(特開平7−330312号公報)。
b.非プロトン性有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを150〜200℃で反応させ、直接硫化リチウムを生成する方法(特開平7−330312号公報)。
c.水酸化リチウムとガス状硫黄源を130〜445℃の温度で反応させる方法(特開平9−283156号公報)。
特に好ましくは、Li2S:P2S5=68:32〜74:26(モル比)程度である。
また、グローブボックス等を利用し、水分の存在しない環境下にて固体電解質を製造し、これを、水分を少量含む有機溶媒で処理することで、リン酸結合を生成させてもよい。有機溶媒としては、硫化物系固体電解質と反応しないもの、例えば、トルエンが使用できる。溶媒に占める水分量は、0.1質量%〜3質量%程度とすればよい。
このようにして製造した合材用固定電解質は、保存環境に存在する水分により不要なリン酸結合ができないように、グローブボックス等、水分のない環境で保存したり、製造後、すぐに使用するか、シール等をして水分を遮断しておく必要がある。
全固体電池の部材である固体状の電極材料(極材)においては、電子伝導性に加えてイオン伝導度を向上させるため、極材の粒子同士が密着し、粒子間の接合点や面を多く存在させ、イオン伝導パスをより多く確保することが重要である。そのため、電解質等のイオン伝導活物質を混合し、極材とする方法が用いられる。尚、極材粒子間の隙間に生じる空間(単位体積における空間体積と極材粒子の体積の割合:空隙率)が少ない程、極材層が密に詰まっており、イオン伝導度は高くなる。
本発明の固体電解質と混合する正極材としては、電池分野において正極活物質として使用されているものが使用できる。例えば、硫化物系では、硫化チタン(TiS2)、硫化モリブデン(MoS2)、硫化鉄(FeS、FeS2)、硫化銅(CuS)及び硫化ニッケル(Ni3S2)等が使用できる。好ましくは、TiS2が使用できる。
また、酸化物系では、酸化ビスマス(Bi2O3)、鉛酸ビスマス(Bi2Pb2O5)、酸化銅(CuO)、酸化バナジウム(V6O13)、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)等が使用できる。尚、これらを混合して用いることも可能である。好ましくは、コバルト酸リチウムが使用できる。
尚、上記の他にはセレン化ニオブ(NbSe3)が使用できる。
正極活物質と、本発明の固体電解質との混合比(重量比)は、好ましくは10〜90:90〜10である。特に好ましくは、30〜70:70〜30である。
また、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミ、金属ケイ素等の金属自体や他の元素、化合物と組合わせた合金を、負極材として用いることができる。
(1)正極合材用硫化物系固体電解質の製造
グローブボックス内で、高純度硫化リチウム(出光興産社製、純度:99.9%)を0.6508g(0.01417mol)と五硫化二燐(アルドリッチ社製)を1.3492g(0.00607mol)をよく混合し、これらの粉末をアルミナ製ポットに投入し完全密閉した。
このポットを遊星型ボールミル機に取り付け、メカニカルミリングを行なった。この際、はじめの数分間は出発原料を十分に混合する目的で、低速回転(85rpm)でミリングを行った。その後、徐々に回転数を上げ370rpmで20時間メカニカルミリングを行った。
得られた粉末をX線測定により評価した結果、ガラス化(硫化物ガラス)していることが確認できた。
31P−NMR分析の結果、この粉末中にはPOxS4−x構造が31P−NMRの積分値で5%含まれていることが判った。
このスペクトルにおいて、70〜−20ppmのピークは、POxS4−x構造に起因する。また、170〜−20ppmに全てのリン元素のピークが出現している。
70〜−20ppmにあるピーク面積(積分値:図1においてAで示す。)を、170〜−20ppmにあるピーク面積(積分値:図1においてBで示す。)で除することでPOxS4−x構造を定量している。
尚、70〜−20ppmの範囲には、主に固体電解質中のチオリン酸結合に起因する120〜70ppmのピークの低磁場側のスピニングサイドバンドのピークも含まれている(図中、矢印で示す。)。そのため、このピークの高磁場側に現れるサイドバンドのピーク(170〜150ppm、図中、矢印で示す。)と、低磁場側のサイドバンドのピーク面積は等しいとして、70〜−20ppmにあるピーク面積から高磁場側のサイドバンドのピーク面積(積分値:図1においてCで示す。)を差し引く補正をしている。
装置 :日本電子株式会社製 JNM−CMXP302NMR装置
観測核 :31P
観測周波数:121.339MHz
測定温度 :室温
測定法 :MAS法
パルス系列:シングルパルス
90°パルス幅:4μs
マジック角回転の回転数:8600Hz
FID測定後、次のパルス印加までの待ち時間:100〜2000s
(最大のスピン−格子緩和時間の5倍以上になるよう設定)
積算回数 :64回
化学シフトは、外部基準として(NH4)2HPO4(化学シフト1.33ppm)を用い決定した。
試料充填時の空気中の水分による変質を防ぐため、乾燥窒素を連続的に流しているドライボックス中で密閉性の試料管に試料を充填した。
コバルト酸リチウムと上記で得た電解質粉末を60:40(重量比)で混合した。この混合物を合材として正極に用いて、テスト用電池(陰極はグラファイト、固体電解質層に用いる固体電解質は、ボールミル処理前の硫化物ガラス)を製造し、レート特性を評価した。その結果、5mA/cm2での充放電が可能であった。
実施例1の(1)で製造した硫化物ガラスを粉末状態で、300℃で2時間熱処理し、ガラスセラミック化した。
この固体電解質のイオン伝導度を交流インピーダンス法(測定周波数100Hz〜15MHz)により測定したところ、室温で2.0×10−3S/cmを示した。
この固体電解質について、実施例1と同様に水含有トルエンにて処理し、正極合材用硫化物系固体電解質を製造し評価した。
その結果、トルエン処理した粉末中にはPOxS4−x構造が5%含まれていた。また、レート特性の評価の結果、7mA/cm2での充放電が可能であった。
水含有トルエン中の水分を3質量%にした以外は、実施例2と同様に水含有トルエンにて処理し、正極合材用硫化物系固体電解質を製造し評価した。
その結果、トルエン処理した粉末中にはPOxS4−x構造が40%含まれていた。また、レート特性の評価の結果、7mA/cm2での充放電が可能であった。
実施例1(1)で製造した硫化物ガラスであって、水含有トルエンによる処理をしないものを合材用固定電解質として使用した。その他は、実施例1と同様にしてテスト用電池を製造し、レート特性を評価した。その結果、5mA/cm2での充電はできず、レート特性に劣るものであった。
尚、硫化物ガラスにはPOxS4−x構造は検出されなかった。
水含有トルエン中の水分量を30質量%にした以外は、実施例2と同様に水含有トルエンにて処理し、正極合材用硫化物系固体電解質を製造し評価した。
その結果、トルエン処理した粉末中にはPOxS4−x構造が80%含まれていた。また、レート特性の評価の結果、5mA/cm2での充放電できなかった。
また、本発明の固体電解質を使用した全固体リチウム電池は、レート特性及びサイクル特性に優れ、携帯情報末端、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを動力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等で使用するリチウム二次電池として使用できる。
Claims (5)
- 硫化物系固体電解質中に存在する、31PNMRスペクトルの70〜−20ppmの領域に観測されるリン酸結合(POxS4−x:xは1〜4の整数)のピーク面積が、前記スペクトルの170〜−20ppmの領域に観測される全リン元素のピーク面積の1〜50%である硫化物系固体電解質を含む正極合材。
- 硫化物系固体電解質中に存在する、 31 PNMRスペクトルの70〜−20ppmの領域に観測されるリン酸結合(PO x S 4−x :xは1〜4の整数)のピーク面積が、前記スペクトルの170〜−20ppmの領域に観測される全リン元素のピーク面積の1〜50%である硫化物系固体電解質を含む正極。
- 請求項1に記載の正極合材を用いて製造された正極。
- 請求項2又は3に記載の正極を備える全固体二次電池。
- 硫化物系固体電解質中に存在する、 31 PNMRスペクトルの70〜−20ppmの領域に観測されるリン酸結合(PO x S 4−x :xは1〜4の整数)のピーク面積が、前記スペクトルの170〜−20ppmの領域に観測される全リン元素のピーク面積の1〜50%である正極合材用硫化物系固体電解質の製造方法であって、
水分を含む有機溶媒で硫化物系固体電解質を処理する正極合材用硫化物系固体電解質の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006284706A JP5048993B2 (ja) | 2006-10-19 | 2006-10-19 | 正極合材用硫化物系固体電解質及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006284706A JP5048993B2 (ja) | 2006-10-19 | 2006-10-19 | 正極合材用硫化物系固体電解質及びその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008103193A JP2008103193A (ja) | 2008-05-01 |
JP5048993B2 true JP5048993B2 (ja) | 2012-10-17 |
Family
ID=39437370
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006284706A Active JP5048993B2 (ja) | 2006-10-19 | 2006-10-19 | 正極合材用硫化物系固体電解質及びその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5048993B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009038037A1 (ja) * | 2007-09-21 | 2009-03-26 | Idemitsu Kosan Co., Ltd. | 耐熱性正極合材及びそれを用いた全固体リチウム二次電池 |
JP5395346B2 (ja) * | 2007-10-11 | 2014-01-22 | 出光興産株式会社 | リチウムイオン二次電池用硫化物系固体電解質 |
JP5691401B2 (ja) * | 2010-10-28 | 2015-04-01 | トヨタ自動車株式会社 | 硫化物固体電解質粒子 |
JP6337852B2 (ja) * | 2015-08-05 | 2018-06-06 | トヨタ自動車株式会社 | 固体電解質材料および全固体リチウム電池 |
JP2016006798A (ja) * | 2015-10-07 | 2016-01-14 | 出光興産株式会社 | リチウムイオン二次電池用硫化物系固体電解質 |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08195219A (ja) * | 1994-11-14 | 1996-07-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 全固体リチウム二次電池 |
JPH11283664A (ja) * | 1998-03-27 | 1999-10-15 | Kyocera Corp | 固体電解質電池 |
JP3433173B2 (ja) * | 2000-10-02 | 2003-08-04 | 大阪府 | 硫化物系結晶化ガラス、固体型電解質及び全固体二次電池 |
JP2003059492A (ja) * | 2001-08-17 | 2003-02-28 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | リチウム二次電池およびその製造方法 |
JP2003206111A (ja) * | 2002-01-07 | 2003-07-22 | National Institute For Materials Science | チオリン酸リチウム化合物並びにリン酸チオリン酸リチウム化合物とそれらの製造方法 |
JP4923397B2 (ja) * | 2004-09-06 | 2012-04-25 | 日産自動車株式会社 | 非水電解質リチウムイオン二次電池用正極材料およびその製造方法 |
JP2006100083A (ja) * | 2004-09-29 | 2006-04-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 電池用負極とこれを用いた電池 |
-
2006
- 2006-10-19 JP JP2006284706A patent/JP5048993B2/ja active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2008103193A (ja) | 2008-05-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5368711B2 (ja) | 全固体リチウム二次電池用の固体電解質膜、正極膜、又は負極膜、及びそれらの製造方法並びに全固体リチウム二次電池 | |
JP5395346B2 (ja) | リチウムイオン二次電池用硫化物系固体電解質 | |
EP3163665B1 (en) | Sulfide solid electrolyte material, battery, and method for producing sulfide solid electrolyte material | |
CN102959646B (zh) | 硫化物固体电解质材料的制造方法、锂固体电池的制造方法 | |
JP5348853B2 (ja) | 硫化物系電解質成形体及びそれを備える全固体電池 | |
JP4989183B2 (ja) | 極材及びそれを用いた固体二次電池 | |
JP5615551B2 (ja) | 耐熱性正極合材及びそれを用いた全固体リチウム二次電池 | |
KR101489608B1 (ko) | 황화물 고체 전해질 재료 및 리튬 고상 전지 | |
JP2008103288A (ja) | 全固体電池 | |
JP2008027581A (ja) | 電極材料、電極及び全固体二次電池 | |
JP2008103284A (ja) | 全固体電池 | |
JP2008103280A (ja) | 正極合材及びそれを用いた全固体二次電池 | |
JP2008103204A (ja) | 正極活物質及びそれを用いた二次電池 | |
JP2007311084A (ja) | 電解質、電池用部材、電極及び全固体二次電池 | |
JPWO2007066539A1 (ja) | リチウムイオン伝導性硫化物系固体電解質及びそれを用いた全固体リチウム電池 | |
JP2008103203A (ja) | 固体電解質及びそれを用いた全固体二次電池 | |
JP5472237B2 (ja) | 電池用活物質、電池用活物質の製造方法、および電池 | |
JP2008234843A (ja) | 全固体二次電池用電極及び部材 | |
JP5001621B2 (ja) | 固体電解質及びそれを用いた固体二次電池 | |
JP5048993B2 (ja) | 正極合材用硫化物系固体電解質及びその製造方法 | |
JP5096722B2 (ja) | 電池材料の製造方法及び全固体電池 | |
JP2008103283A (ja) | 全固体電池 | |
JP2008103292A (ja) | 家電用全固体電池 | |
JP2008103285A (ja) | 全固体バイポーラ電池 | |
JP2008103287A (ja) | 無機固体電解質層の形成方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090601 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120323 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120410 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20120521 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120607 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120626 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120720 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150727 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5048993 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |