JP5120272B2 - 硫化物系固体電解質 - Google Patents
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Description
まず、本発明の硫化物系固体電解質について、以下詳細に説明する。
本発明の硫化物系固体電解質は、アモルファス状のLi2S−Sb2S3系組成物を含有することを特徴とするものである。
以下、本発明の硫化物系固体電解質について、構成ごとに詳細に説明する。
まず、本発明におけるアモルファス状のLi2S−Sb2S3系組成物について説明する。
本発明の硫化物系固体電解質は、例えば、全固体型リチウム電池用の固体電解質として有用である。具体的には、硫化物系固体電解質の粉末を圧縮成形することで、固体電解質膜として用いることができる。すなわち、本発明においては、上記硫化物系固体電解質を用いたことを特徴とする全固体リチウム二次電池を提供することができる。
上記硫化物系固体電解質の製造方法としては、Liイオン伝導性に優れた上記硫化物系固体電解質を得ることができる製造方法であれば特に限定されるものではない。例えば、後述する、「B.硫化物系固体電解質の製造方法」に記載される方法等を挙げることができる。
次に、本発明の硫化物系固体電解質の製造方法について、以下詳細に説明する。
本発明の硫化物系固体電解質の製造方法は、Li2SおよびSb2S3を含有する原料組成物を調製する原料組成物調製工程と、上記原料組成物に対して、アモルファス化処理を行い、アモルファス状のLi2S−Sb2S3系組成物を含有する硫化物系固体電解質を合成するアモルファス化工程と、を有することを特徴とするものである。
例えば、まず、原料として硫化リチウム(Li2S)および硫化アンチモン(Sb2S3)を用意し、これらを所定の割合でメノウ乳鉢を用いて混合し、原料組成物を調製する(原料組成物調製工程)。次に、原料組成物および粉砕用ボールを、メカニカルミリング用のポットに投入し、ポットを密閉する。このポットを、遊星型ボールミル機に取り付けて、メカニカルミリングを行うことにより、原料組成物をアモルファス化して、アモルファス状のLi2S−Sb2S3系組成物を含有する硫化物系固体電解質を合成する(アモルファス化工程)。
以下、本発明の硫化物系固体電解質の製造方法における各工程について、詳細に説明する。なお、後述する各工程は、通常、不活性ガス雰囲気下(例えばArガス雰囲気下)で行われるものである。
本発明における原料組成物調製工程について説明する。本発明における原料組成物調製工程とは、Li2SおよびSb2S3を含有する原料組成物を調製する工程である。
本発明におけるアモルファス化工程について説明する。本発明におけるアモルファス化工程とは、上記原料組成物に対して、アモルファス化処理を行い、アモルファス状のLi2S−Sb2S3系組成物を含有する硫化物系固体電解質を合成する工程である。
本発明により得られる硫化物系固体電解質については、上述した「A.硫化物系固体電解質」に記載したものと同様のものであるので、ここでの説明は省略する。
(硫化物系固体電解質形成)
出発原料として、硫化リチウム(Li2S)と硫化アンチモン(Sb2S3)とを用いた。これらの粉末をアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、Li2Sモル百分率が80%
となるように、それぞれLi2Sを0.3510g、Sb2S3を0.6490gずつ秤量し、これをメノウ乳鉢で混合した。次に、45mlのジルコニア製のポットに投入した。次に、ジルコニア製の粉砕用ボール(Φ10mm、10個)を上記のポットに投入し、ポットを完全に密閉した。
Li2Sモル百分率が75%となるように、それぞれLi2Sを0.2886g、Sb2S3を0.7114gずつ秤量し、これをメノウ乳鉢で混合した以外は、実施例1と同様にして、X線回折法での2θ=26〜28°に存在するピークの半値幅が、0.2°以上であるアモルファス状のLi2S−Sb2S3系組成物を含有する硫化物系固体電解質を得た。
Li2Sモル百分率が70%となるように、それぞれLi2Sを0.2399g、Sb2S3を0.7601gずつ秤量し、これをメノウ乳鉢で混合した以外は、実施例1と同様にして、X線回折法での2θ=26〜28°に存在するピークの半値幅が、0.2°以上であるアモルファス状のLi2S−Sb2S3系組成物を含有する硫化物系固体電解質を得た。
Li2Sモル百分率が60%となるように、それぞれLi2Sを0.1686g、Sb2S3を0.8314gずつ秤量し、これをメノウ乳鉢で混合した以外は、実施例1と同様にして、X線回折法での2θ=26〜28°に存在するピークの半値幅が、0.2°以上であるアモルファス状のLi2S−Sb2S3系組成物を含有する硫化物系固体電解質を得た。
Li2Sモル百分率が50%となるように、それぞれLi2Sを0.1191g、Sb2S3を0.8809gずつ秤量し、これをメノウ乳鉢で混合した以外は、実施例1と同様にして、X線回折法での2θ=26〜28°にピークを有さない硫化物系固体電解質を得た。
「J.Olivier−Fourcade, M.Maulin, E.Philippot.,「Modification de la nature de la conductivite electrique par creation de sites vacants dans les phases a caractere semi−conducteur du systeme Li2S−Sb2S3.」,Solid State Ionics.,(1983),Vol 9−10, Part1, December, p135−137」に記載されている固相法により得られたLi3SbS3多結晶体を比較例2とした。この比較例2の文献においては、リチウムイオン伝導度は10−7(S/cm)よりも小さい値であった。
(X線回折)
実施例1、実施例2、実施例3、実施例4および比較例1で得られた硫化物系固体電解質を、X線回折(装置:RINT−UltimaIII、測定条件:測定角度範囲10°〜70°、スキャン速度2°/min)により分析した。実施例1、実施例2、実施例3、および比較例1で得られた硫化物系固体電解質のXRDパターンを図2に示す。また、実施例2において得られたXRDパターンの2θ=26〜28°のピーク付近を拡大したXRDパターンを図3に示す。図3に例示されるような2θ=26〜28°のピークの半値幅を、X線回折装置に接続された解析ソフトを用いて導出した。
(リチウムイオン伝導度測定および電子伝導度測定)
実施例1、実施例2、実施例3、実施例4、および比較例1の硫化物系固体電解質を用いて、リチウムイオン伝導度を測定した。具体的には、実施例1、実施例2、実施例3、および比較例1において得られた硫化物系固体電解質を5.1ton/cm2の圧力でペレット成形し、このペレットをSUS304で挟持して2極セルとし、これを用いて交流インピーダンス測定を行うことにより、測定した。また、実施例4において得られた硫化物系固体電解質を5.1ton/cm2の圧力でペレット成形し、このペレットを固体電解質(Li7P3S11)で挟持し、さらに、SUS304で挟持して2極セルとし、これを用いて交流インピーダンス測定を行うことにより、測定した。交流インピーダンス測定の条件を以下に示す。
・電極:(SUS304)
・インピーダンス測定システム:(1260型インピーダンスアナライザー(ソーラトロン社製))
・印加電圧:(10mV)
・測定周波数:(0.01Hz〜1MHz)
得られたインピーダンスプロットの一例を図4に示す。リチウムイオン伝導度は、図4に例示されるようなインピーダンスプロットから得られた。各実施例の室温におけるリチウムイオン伝導度を表1に示す。また、表1には、上記比較例2についての論文中の図に記載されたデータから見積もられた比較例2の室温におけるリチウムイオン伝導度も示す。また、上記2極セル用いて、電圧を1V印加し、電流値を測定することにより直流抵抗を求め、電子伝導度を求めた。得られた電子伝導度を表1に示す。
また、Li2Sモル百分率(%)に対して、リチウムイオン伝導度および電子伝導度をプロットしたグラフを図5に示す。
Claims (4)
- アモルファス状のLi2S−Sb2S3系組成物を含有することを特徴とする硫化物系固体電解質。
- 前記Li2S−Sb2S3系組成物がLi3SbS3であることを特徴とする請求項1に記載の硫化物系固体電解質。
- Li2SおよびSb2S3を含有する原料組成物を調製する原料組成物調製工程と、
前記原料組成物に対して、アモルファス化処理を行い、アモルファス状のLi2S−Sb2S3系組成物を含有する硫化物系固体電解質を合成するアモルファス化工程と、
を有することを特徴とする硫化物系固体電解質の製造方法。 - 前記アモルファス化処理がメカニカルミリングであることを特徴とする請求項3に記載の硫化物系固体電解質の製造方法。
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