JP5189304B2 - Glass ceramic and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、ガラスセラミック及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、リチウムイオン二次電池に使用する固体電解質として好適なガラスセラミック及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a glass ceramic and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to a glass ceramic suitable as a solid electrolyte used in a lithium ion secondary battery and a method for producing the same.

近年、携帯情報端末、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に用いられる高性能リチウム電池等二次電池の需要が増加している。
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。
In recent years, the demand for secondary batteries such as high-performance lithium batteries used in personal digital assistants, portable electronic devices, small household power storage devices, motorcycles powered by motors, electric vehicles, hybrid electric vehicles, etc. has increased. Yes.
As the applications for use expand, further improvements in safety and performance of secondary batteries are required.
In order to ensure the safety of the lithium battery, it is effective to use an inorganic solid electrolyte instead of the organic solvent electrolyte.

無機固体電解質としては、リチウム元素、リン元素及びイオウ元素を主成分とする硫化物系ガラスを熱処理したものが高いイオン伝導性を有することが知られている(例えば、特許文献1参照。)。   As the inorganic solid electrolyte, it is known that a heat-treated sulfide glass mainly composed of lithium element, phosphorus element and sulfur element has high ionic conductivity (for example, see Patent Document 1).

また、特許文献2には固体電解質として、構成成分として、リチウム(Li)、リン(P)及び硫黄(S)元素を含有し、X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=17.8±0.3deg,18.2±0.3deg,19.8±0.3deg,21.8±0.3deg,23.8±0.3deg,25.9±0.3deg,29.5±0.3deg,30.0±0.3degに回折ピークを有するリチウムイオン伝導性硫化物系結晶化ガラスが開示されている。これらのX線回折ピークを示すものが特に高いイオン伝導性を示している。   Further, Patent Document 2 contains lithium (Li), phosphorus (P), and sulfur (S) elements as constituents as a solid electrolyte, and in X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.5418Å), 2θ = 17.8 ± 0.3 deg, 18.2 ± 0.3 deg, 19.8 ± 0.3 deg, 21.8 ± 0.3 deg, 23.8 ± 0.3 deg, 25.9 ± 0.3 deg, 29. A lithium ion conductive sulfide-based crystallized glass having diffraction peaks at 5 ± 0.3 deg and 30.0 ± 0.3 deg is disclosed. Those exhibiting these X-ray diffraction peaks exhibit particularly high ionic conductivity.

イオン伝導性の向上に有用な結晶の含有率を高めるには、熱処理の条件をより高温にすることなどが考えられる。しかしながら、この場合はイオン伝導性の向上に対して好ましくない結晶成分であるLiが生成するという問題があった。 In order to increase the content of crystals useful for improving ion conductivity, it is conceivable to increase the heat treatment conditions. However, in this case, there is a problem that Li 4 P 2 S 6, which is an unfavorable crystal component, is generated for improving ion conductivity.

一般に、硫化物系固体電解質は、硫化リチウム(LiS)と、五硫化二燐(P)を出発原料とし、これらの混合物からメカニカルミリング法や溶融急冷法により硫化物ガラスを作製し、これを熱処理することで製造されている。
この製造方法では、高イオン伝導性結晶の含有率には限界があり、また、Liの結晶がかなりの含有率で存在していた。
そのため、Liの結晶の生成を抑制しつつ、イオン伝導性の向上に寄与する結晶の含有率を向上し、イオン伝導性を改善したガラスセラミックの開発が要求されていた。
特開2002−109955号公報 特開2005−228570号公報
In general, sulfide-based solid electrolytes use lithium sulfide (Li 2 S) and diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ) as starting materials, and a sulfide glass is produced from these mixtures by mechanical milling or melt quenching. And it is manufactured by heat-treating this.
In this production method, the content of the high ion conductive crystal is limited, and the Li 4 P 2 S 6 crystal is present in a considerable content.
Therefore, the development of glass ceramics that improve the ion conductivity by increasing the content of crystals contributing to the improvement of ion conductivity while suppressing the formation of crystals of Li 4 P 2 S 6 has been required.
JP 2002-109955 A JP 2005-228570 A

本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、高イオン伝導性結晶の含有率が高く、かつ、Liの結晶の含有率が低いガラスセラミックを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a glass ceramic having a high content of high ion conductive crystals and a low content of Li 4 P 2 S 6 crystals. .

本発明者らは鋭意研究の結果、固体31 P−NMRスペクトルにおいて90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmの位置にピークを与える結晶が多いとイオン伝導性が高まることを見出し、本発明を完成させた。
本発明によれば、以下のガラスセラミック及びその製造方法が提供できる。
1.リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素を含有するガラスセラミックであって、前記ガラスセラミックの固体31 P−NMRスペクトルが、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmの位置に、結晶に起因するピークを有し、前記ガラスセラミックに占める前記結晶の比率(x)が50mol%〜100mol%であり、前記ガラスセラミックに占めるLiが10mol%以下であるガラスセラミック。
2.前記結晶の比率(x)が90mol%〜100mol%であり、リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素の含有比が原子比で7:3:11であるガラスセラミック。
3.固体31 P−NMRスペクトルが、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmの位置に、結晶に起因するピークを有する種結晶を含有する硫化物ガラスを熱処理する1又は2に記載のガラスセラミックの製造方法。
4.前記種結晶を含有する硫化物ガラスが、硫化物ガラスを予備熱処理したものである3に記載のガラスセラミックの製造方法。
5.前記種結晶を含有する硫化物ガラスが、硫化物ガラスの粉体にガラスセラミックの粉体を1〜50wt%配合した混合物である3に記載のガラスセラミックの製造方法。
As a result of intensive studies, the present inventors have found that the ionic conductivity increases when there are many crystals giving peaks at 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm in the solid 31 P-NMR spectrum. The present invention has been completed.
According to the present invention, the following glass ceramic and the manufacturing method thereof can be provided.
1. A glass ceramic containing a lithium (Li) element, a phosphorus (P) element, and a sulfur (S) element, wherein the solid 31 P-NMR spectrum of the glass ceramic is 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ±. It has a peak due to crystals at a position of 0.4 ppm, the ratio (x c ) of the crystals in the glass ceramic is 50 mol% to 100 mol%, and Li 4 P 2 S 6 in the glass ceramic is Glass ceramic which is 10 mol% or less.
2. A glass ceramic having a crystal ratio (x c ) of 90 mol% to 100 mol% and a content ratio of lithium (Li) element, phosphorus (P) element, and sulfur (S) element of 7: 3: 11 in atomic ratio .
3. The solid 31 P-NMR spectrum is 10.9 or 2 which heat-treats a sulfide glass containing a seed crystal having peaks due to crystals at positions of 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm. Glass ceramic manufacturing method.
4). 4. The method for producing a glass ceramic according to 3, wherein the sulfide glass containing the seed crystal is obtained by subjecting sulfide glass to a preheat treatment.
5. 4. The method for producing a glass ceramic according to 3, wherein the sulfide glass containing the seed crystal is a mixture in which 1-50 wt% of glass ceramic powder is blended with sulfide glass powder.

本発明によれば、イオン伝導性の高いガラスセラミックが提供できる。   According to the present invention, a glass ceramic having high ion conductivity can be provided.

本発明のガラスセラミックは、リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素を含有するものであって、下記(1)〜(3)の条件を満たすことを特徴とする。
(1)ガラスセラミックの固体31 P−NMRスペクトルが、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmに、結晶に起因するピークを有する。
(2)ガラスセラミックに占める(1)のピークを生じる結晶の比率(x)が50mol%〜100mol%である。
(3)ガラスセラミックに占めるLiが10mol%以下である。
The glass ceramic of the present invention contains a lithium (Li) element, a phosphorus (P) element, and a sulfur (S) element, and is characterized by satisfying the following conditions (1) to (3).
(1) Solid 31 P-NMR spectrum of glass ceramic has peaks due to crystals at 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm.
(2) The ratio (x c ) of crystals that give rise to the peak of (1) in the glass ceramic is 50 mol% to 100 mol%.
(3) Li 4 P 2 S 6 in the glass ceramic is 10 mol% or less.

条件(1)の2つのピークは、高イオン伝導性結晶成分がガラスセラミックに存在する場合に観測されるものである。具体的には、結晶中のP 4−あるいはPS 3−に起因するピークである。 The two peaks of condition (1) are observed when a high ion conductive crystal component is present in the glass ceramic. Specifically, it is a peak caused by P 2 S 7 4- or PS 4 3- in the crystal.

条件(2)は、ガラスセラミック中に占める上記結晶の比率xを規定するものである。
ガラスセラミック中において高イオン伝導性の結晶成分が所定量以上、具体的には50mol%以上存在すると、リチウムイオンが高イオン伝導性の結晶を主に移動するようになる。従って、ガラスセラミック中の非結晶部分(ガラス部分)や、高イオン伝導性を示さない結晶格子(例えば、P 4−)を移動する場合に比べて、リチウムイオン伝導度が向上する。比率xは65mol%〜100mol%であることが好ましい。さらに好ましくは、90mol%〜100mol%であり、特に好ましくは95mol%〜100mol%である。
上記結晶の比率xは、原料である硫化物ガラスの熱処理時間及び温度を調整することにより制御できる。
Condition (2) is used to define the ratio x c of the crystal occupied in the glass ceramic.
When a high ion conductive crystal component is present in a predetermined amount or more, specifically 50 mol% or more in the glass ceramic, lithium ions move mainly through the high ion conductive crystal. Therefore, the lithium ion conductivity is improved as compared with the case of moving a non-crystalline portion (glass portion) in the glass ceramic or a crystal lattice (for example, P 2 S 6 4− ) that does not exhibit high ion conductivity. The ratio x c is preferably 65mol% ~100mol%. More preferably, it is 90 mol%-100 mol%, Most preferably, it is 95 mol%-100 mol%.
The ratio x c of the crystal can be controlled by adjusting the heat treatment time and temperature of the sulfide glass as a raw material.

条件(3)は、ガラスセラミック中においてイオン伝導性を低下する結晶成分、具体的には、Liの含有率を規定するものである。従来の硫化物系ガラスセラミックでは、上記条件(2)において上記ピークを生じる結晶の含有率を高めると、Liの結晶も生じるため、イオン伝導度の向上がLiの結晶により抑制されていた。
本発明では、Liの結晶の含有率を所定量以下、具体的には10mol%以下、好ましくは0〜5mol%に抑制しているため、ガラスセラミックのイオン伝導度が向上する。
Condition (3), the crystalline component to decrease the ionic conductivity in a glass ceramic, in particular, defines an content of Li 4 P 2 S 6. In the conventional sulfide-based glass ceramic, when the content ratio of the crystal that generates the peak in the condition (2) is increased, a crystal of Li 4 P 2 S 6 is also generated. Therefore, the improvement in ionic conductivity is improved by Li 4 P 2 S. It was suppressed by 6 crystals.
In the present invention, the content of Li 4 P 2 S 6 crystals is suppressed to a predetermined amount or less, specifically 10 mol% or less, preferably 0 to 5 mol%, so that the ionic conductivity of the glass ceramic is improved. .

尚、各結晶の含有率の測定方法は、固体31P−NMRスペクトルについて、70〜120ppmに観測される共鳴線を、非線形最小二乗法を用いてガウス曲線に分離し、各曲線の面積比から算出する。固体31P−NMRスペクトルにおいて、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmのピークが、高イオン伝導性結晶に起因するピークであり、108.5±0.6ppmのピークが、Liの結晶に起因するピークである。詳細は特願2005−356889を参照すればよい。
また、リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素の含有比が原子比で7:3:11であるガラスセラミックが好ましい。
The measurement method of the content of each crystal is a solid-state 31 P-NMR spectrum, the resonance lines observed in 70~120Ppm, separated into a Gaussian curve using non-linear least squares method, from the area ratio of each curve calculate. In the solid 31 P-NMR spectrum, the peaks at 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm are peaks due to the high ion conductive crystal, and the peak at 108.5 ± 0.6 ppm is It is a peak resulting from the crystal of Li 4 P 2 S 6 . For details, refer to Japanese Patent Application No. 2005-356889.
Moreover, the glass ceramic whose content ratio of a lithium (Li) element, a phosphorus (P) element, and a sulfur (S) element is 7: 3: 11 by atomic ratio is preferable.

本発明のガラスセラミックは、例えば、リチウム(Li)、リン(P)及び硫黄(S)の各元素を含有し、さらに、種結晶を含有する硫化物系ガラスを熱処理することにより製造できる。   The glass ceramic of this invention can be manufactured by heat-processing the sulfide type glass which contains each element of lithium (Li), phosphorus (P), and sulfur (S), and also contains a seed crystal, for example.

硫化物ガラスの原料としては、例えば、LiS及びPが使用できる。
LiSは、特に制限なく工業的に入手可能なものが使用できるが、高純度のものが好ましい。例えば、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反応させて得たLiSを、有機溶媒を用い、100℃以上の温度で洗浄して精製したものが好ましく使用できる。
具体的には、特開平7−330312号公報に開示された製造方法で、LiSを製造することが好ましく、このLiSを国際公開WO2005/40039号の記載の方法で精製したものが好ましい。
For example, Li 2 S and P 2 S 5 can be used as the raw material for the sulfide glass.
As Li 2 S, those commercially available without particular limitation can be used, but those having high purity are preferred. For example, the Li 2 S obtained by reacting lithium hydroxide with hydrogen sulfide in an aprotic organic solvent, an organic solvent, those purified by washing with 100 ° C. or higher temperature can be preferably used.
Specifically, in the manufacturing method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-330312, it is preferable to produce Li 2 S, it is obtained by purification of the Li 2 S by the method described in International Publication WO2005 / No. 40039 preferable.

このLiSの製造方法は、簡易な手段によって高純度の硫化リチウムを得ることができるため、硫化物ガラスの原料コストを削減できる。また、上記の精製方法は、簡便な処理により、LiSに含まれる不純物である硫黄酸化物やN−メチルアミノ酪酸リチウム(以下、LMABという)等を除去できるため、経済的に有利である。
尚、LiSに含まれる硫黄酸化物の総量は、0.15質量%以下であることが好ましく、LMABは、0.1質量%以下であることが好ましい。
Since this Li 2 S manufacturing method can obtain high-purity lithium sulfide by simple means, the raw material cost of sulfide glass can be reduced. In addition, the above purification method is economically advantageous because it can remove sulfur oxide, lithium N-methylaminobutyrate (hereinafter referred to as LMAB), and the like, which are impurities contained in Li 2 S, by a simple treatment. .
Incidentally, the total amount of sulfur oxides contained in the Li 2 S, preferably 0.15 mass% or less, LMAB is preferably not more than 0.1 mass%.

は、工業的に製造され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。尚、Pに代えて、相当するモル比の単体リン(P)及び単体硫黄(S)を用いることもできる。単体リン(P)及び単体硫黄(S)は、工業的に生産され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。 P 2 S 5 can be used without particular limitation as long as it is industrially manufactured and sold. In place of P 2 S 5 , elemental phosphorus (P) and elemental sulfur (S) in a corresponding molar ratio can also be used. Simple phosphorus (P) and simple sulfur (S) can be used without particular limitation as long as they are industrially produced and sold.

上記原料の混合比は、特に限定はなく適宜調整すればよいが、好ましくは、LiS:P=7:3(モル比)程度である。 The mixing ratio of the raw materials is not particularly limited and may be appropriately adjusted, but is preferably about Li 2 S: P 2 S 5 = 7: 3 (molar ratio).

硫化物ガラスの製造方法としては、例えば、溶融急冷法やメカニカルミリング法(以下、MM法と示すことがある。)がある。
具体的には、溶融急冷法による場合、PとLiSを所定量乳鉢にて混合しペレット状にしたものを、カーボンコートした石英管中に入れ真空封入する。所定の反応温度で反応させた後、氷中に投入し急冷することにより、硫化物ガラスが得られる。
この際の反応温度は、好ましくは400℃〜1000℃、より好ましくは、800℃〜900℃である。
また、反応時間は、好ましくは0.1時間〜12時間、より好ましくは、1〜12時間である。
Examples of the method for producing sulfide glass include a melt quenching method and a mechanical milling method (hereinafter, sometimes referred to as MM method).
Specifically, in the case of the melt quenching method, P 2 S 5 and Li 2 S mixed in a predetermined amount in a mortar and pelletized are placed in a carbon-coated quartz tube and vacuum sealed. After reacting at a predetermined reaction temperature, the glass is put into ice and quenched to obtain a sulfide glass.
The reaction temperature at this time is preferably 400 ° C to 1000 ° C, more preferably 800 ° C to 900 ° C.
Moreover, reaction time becomes like this. Preferably it is 0.1 to 12 hours, More preferably, it is 1 to 12 hours.

また、MM法による場合、PとLiSを所定量乳鉢にて混合し、メカニカルミリング法にて所定時間反応させることにより、硫化物ガラスが得られる。
尚、MM法ではボールミルを使用するのが好ましい。具体的には、遊星型ボールミル機を使用するのが好ましい。遊星型ボールミルでは、ポットが自転回転しながら、台盤が公転回転するので、非常に高い衝撃エネルギーを効率良く発生させることができる。
MM法の条件としては、例えば、遊星型ボールミル機を使用した場合、回転速度を数十〜数百回転/分とし、0.5時間〜100時間処理すればよい。
以上、溶融急冷法及びMM法による硫化物ガラスの具体例を説明したが、温度条件や処理時間等の製造条件は、使用設備等に合わせて適宜調整することができる。
Further, in the case of the MM method, sulfide glass is obtained by mixing a predetermined amount of P 2 S 5 and Li 2 S in a mortar and reacting for a predetermined time by a mechanical milling method.
In the MM method, it is preferable to use a ball mill. Specifically, it is preferable to use a planetary ball mill. In the planetary ball mill, since the base plate revolves while the pot rotates, very high impact energy can be generated efficiently.
As conditions for the MM method, for example, when a planetary ball mill is used, the rotational speed is set to several tens to several hundreds of revolutions / minute, and the treatment may be performed for 0.5 hours to 100 hours.
Although specific examples of the sulfide glass by the melt quenching method and the MM method have been described above, manufacturing conditions such as temperature conditions and processing time can be appropriately adjusted according to the equipment used.

種結晶を含有する硫化物ガラスを製造する方法として、例えば、下記(1)及び(2)の方法がある。   Examples of a method for producing a sulfide glass containing a seed crystal include the following methods (1) and (2).

(1)上記の方法で製造した硫化物ガラスを、予備熱処理することにより種結晶を生成させる方法
この方法では、硫化物ガラスを予備熱処理することにより種結晶を生成させる。従来は、硫化物ガラスを熱処理してガラスセラミックを製造していたが、本方法では、ガラスセラミック化する熱処理(本熱処理という。)の前に、予め硫化物ガラスを予備熱処理し、これを本熱処理に供するものである。予備熱処理により、硫化物ガラス中に種結晶を生成できる。
予備熱処理における加熱温度は190℃〜280℃であり、好ましくは200℃〜260℃である。また、処理時間は10分〜10日であり、好ましくは30分〜10日である。
尚、予備熱処理後は、一度常温まで冷却してから本熱処理を行う。
(1) Method of generating seed crystal by pre-heat treatment of sulfide glass manufactured by the above method In this method, a seed crystal is generated by pre-heat treatment of sulfide glass. In the past, glass ceramics were produced by heat-treating sulfide glass. However, in this method, prior to heat treatment for converting to glass ceramic (referred to as main heat treatment), pre-heat treatment of sulfide glass is performed in advance. It is used for heat treatment. A seed crystal can be generated in the sulfide glass by the preliminary heat treatment.
The heating temperature in the preliminary heat treatment is 190 ° C to 280 ° C, preferably 200 ° C to 260 ° C. The treatment time is 10 minutes to 10 days, preferably 30 minutes to 10 days.
After the preliminary heat treatment, the heat treatment is performed after cooling to room temperature.

予備熱処理により得られる、種結晶を含有する硫化物ガラスにおいて、種結晶の存在は、固体31P−NMRスペクトルで確認できる。即ち、上述した90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmの位置の、結晶に起因するピークにより確認できる。硫化物ガラスに占める種結晶の含有率は、1mol%〜50mol%であり、5mol%〜30mol%が好ましい。 In the sulfide glass containing a seed crystal obtained by the preliminary heat treatment, the presence of the seed crystal can be confirmed by a solid 31 P-NMR spectrum. That is, it can be confirmed by the peaks caused by the crystals at the positions of 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm. The content of seed crystals in the sulfide glass is 1 mol% to 50 mol%, preferably 5 mol% to 30 mol%.

(2)硫化物ガラスの粉体に、ガラスセラミックの粉体を結晶部として1〜50wt%、好ましくは5〜30wt%となるように配合する方法
この方法は、原料である硫化物ガラス粉体に種結晶としてガラスセラミック粉体を所定量添加したものである。
添加するガラスセラミックは、硫化物ガラスを熱処理したものが使用できる。
熱処理時の加熱温度は、好ましくは190℃〜260℃が好ましい。また、処理時間は、好ましくは30分〜10日である。
(2) Method of blending powder of sulfide glass with powder of glass ceramic as crystal part to 1 to 50 wt%, preferably 5 to 30 wt% A predetermined amount of glass ceramic powder is added as a seed crystal.
As the glass ceramic to be added, a heat-treated sulfide glass can be used.
The heating temperature during the heat treatment is preferably 190 ° C to 260 ° C. The treatment time is preferably 30 minutes to 10 days.

添加するガラスセラミックは、その固体31 P−NMRスペクトルが、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmの位置に、結晶に起因するピークを有し、ガラスセラミックに占める結晶の比率(x)が20mol%〜100mol%であるものが好ましい。このようなガラスセラミックを添加することにより、得られるガラスセラミックに占める好ましい結晶の比率(x)をより高めることができる The glass ceramic to be added has peaks due to crystals at positions of 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm in the solid 31 P-NMR spectrum, and the proportion of crystals in the glass ceramic (x c) is intended preferably 20mol% ~100mol%. By adding such a glass ceramic, it is possible to further increase the preferred crystal ratio (x c ) in the obtained glass ceramic.

続いて、上述した種結晶を含有する硫化物ガラスを所定の温度で熱処理(本熱処理)し、本発明のガラスセラミックを製造する。
ガラスセラミックを生成させる熱処理温度は、好ましくは260℃〜400℃、より好ましくは、300℃〜360℃である。
260℃より低いと高イオン伝導性の結晶が得られにくい場合があり、400℃より高いとイオン伝導性の低い結晶が生じる恐れがある。
熱処理時間は、260℃以上320℃以下の温度の場合は、30分〜5時間が好ましい。また、320℃より高く400℃以下の温度の場合は、0.1分〜30分が好ましい。
熱処理時間が短すぎると、高イオン伝導性の結晶が得られにくい場合があり、長すぎると、イオン伝導性の低い結晶が生じる恐れがある。
Subsequently, the above-described sulfide glass containing the seed crystal is heat-treated at a predetermined temperature (main heat treatment) to produce the glass ceramic of the present invention.
The heat treatment temperature for forming the glass ceramic is preferably 260 ° C to 400 ° C, more preferably 300 ° C to 360 ° C.
When the temperature is lower than 260 ° C., it may be difficult to obtain a crystal with high ion conductivity. When the temperature is higher than 400 ° C., a crystal with low ion conductivity may be generated.
The heat treatment time is preferably 30 minutes to 5 hours when the temperature is 260 ° C. or higher and 320 ° C. or lower. Moreover, in the case of the temperature higher than 320 degreeC and 400 degrees C or less, 0.1 minute-30 minutes are preferable.
If the heat treatment time is too short, it may be difficult to obtain crystals with high ion conductivity, and if it is too long, crystals with low ion conductivity may be formed.

本発明のガラスセラミックは、少なくとも10V以上の分解電圧を持ち、不燃性の無機固体である。また、リチウムイオン輸率が1であるという特性を保持しつつ、室温において10−3S/cm台という極めて高いリチウムイオン伝導性を示す。従って、リチウム電池の固体電解質用の材料として極めて適している。また、耐熱性の優れた固体電解質である。 The glass ceramic of the present invention is a nonflammable inorganic solid having a decomposition voltage of at least 10 V or more. In addition, while maintaining the characteristic that the lithium ion transport number is 1, it exhibits extremely high lithium ion conductivity of 10 −3 S / cm level at room temperature. Therefore, it is extremely suitable as a material for a solid electrolyte of a lithium battery. Moreover, it is a solid electrolyte excellent in heat resistance.

製造例1
(1)硫化リチウム(LiS)の製造
硫化リチウムは、特開平7−330312号公報の第1の態様(2工程法)の方法にしたがって製造した。具体的には、撹拌翼のついた10リットルオートクレーブにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)3326.4g(33.6モル)及び水酸化リチウム287.4g(12モル)を仕込み、300rpm、130℃に昇温した。昇温後、液中に硫化水素を3リットル/分の供給速度で2時間吹き込んだ。続いてこの反応液を窒素気流下(200cc/分)昇温し、反応した硫化水素の一部を脱硫化水素化した。昇温するにつれ、上記硫化水素と水酸化リチウムの反応により副生した水が蒸発を始めたが、この水はコンデンサにより凝縮し系外に抜き出した。水を系外に留去すると共に反応液の温度は上昇するが、180℃に達した時点で昇温を停止し、一定温度に保持した。脱硫化水素反応が終了後(約80分)反応を終了し、硫化リチウムを得た。
Production Example 1
(1) Production of lithium sulfide (Li 2 S) Lithium sulfide was produced according to the method of the first aspect (two-step method) of JP-A-7-330312. Specifically, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) 3326.4 g (33.6 mol) and lithium hydroxide 287.4 g (12 mol) were charged into a 10 liter autoclave equipped with a stirring blade, and 300 rpm, 130 The temperature was raised to ° C. After the temperature rise, hydrogen sulfide was blown into the liquid at a supply rate of 3 liters / minute for 2 hours. Subsequently, this reaction solution was heated in a nitrogen stream (200 cc / min) to dehydrosulfide a part of the reacted hydrogen sulfide. As the temperature increased, water produced as a by-product due to the reaction between hydrogen sulfide and lithium hydroxide started to evaporate, but this water was condensed by the condenser and extracted out of the system. While water was distilled out of the system, the temperature of the reaction solution rose, but when the temperature reached 180 ° C., the temperature increase was stopped and the temperature was kept constant. After the dehydrosulfurization reaction was completed (about 80 minutes), the reaction was completed to obtain lithium sulfide.

(2)硫化リチウムの精製
上記(1)で得られた500mLのスラリー反応溶液(NMP−硫化リチウムスラリー)中のNMPをデカンテーションした後、脱水したNMP 100mLを加え、105℃で約1時間撹拌した。その温度のままNMPをデカンテーションした。さらにNMP 100mLを加え、105℃で約1時間撹拌し、その温度のままNMPをデカンテーションし、同様の操作を合計4回繰り返した。デカンテーション終了後、窒素気流下230℃(NMPの沸点以上の温度)で硫化リチウムを常圧下で3時間乾燥した。得られた硫化リチウム中の不純物含有量を測定した。
(2) Purification of lithium sulfide After decanting NMP in the 500 mL slurry reaction solution (NMP-lithium sulfide slurry) obtained in (1) above, 100 mL of dehydrated NMP was added and stirred at 105 ° C. for about 1 hour. did. NMP was decanted at that temperature. Further, 100 mL of NMP was added, stirred at 105 ° C. for about 1 hour, NMP was decanted at that temperature, and the same operation was repeated a total of 4 times. After completion of the decantation, lithium sulfide was dried at 230 ° C. (temperature higher than the boiling point of NMP) under a nitrogen stream for 3 hours under normal pressure. The impurity content in the obtained lithium sulfide was measured.

尚、亜硫酸リチウム(LiSO)、硫酸リチウム(LiSO)並びにチオ硫酸リチウム(Li)の各硫黄酸化物、及びN−メチルアミノ酪酸リチウム(LMAB)の含有量は、イオンクロマトグラフ法により定量した。その結果、硫黄酸化物の総含有量は0.13質量%であり、LMABは0.07質量%であった。 Incidentally, lithium sulfite (Li 2 SO 3), the content of each sulfur oxide lithium sulfate (Li 2 SO 4) and lithium thiosulfate (Li 2 S 2 O 3) , and N- methylamino acid lithium (LMAB) Was quantified by ion chromatography. As a result, the total content of sulfur oxides was 0.13% by mass, and LMAB was 0.07% by mass.

実施例1
(1)種結晶を含有する硫化物系ガラスの作製
(a)硫化物系ガラスの作製
上記製造例にて製造したLiSとP(アルドリッチ製)を出発原料に用いた。これらを70対30のモル比に調製した混合物(Li:P:S=7:3:11)を約1gと直径10mmのアルミナ製ボール10ケとを45mLのアルミナ製容器に入れ、遊星型ボールミル(フリッチュ社製:型番P−7)にて、窒素中、室温(25℃)にて、回転速度を370rpmとし、20時間メカニカルミリング処理することで、白黄色の粉末である硫化物系ガラスを得た。
Example 1
(1) Production of sulfide-based glass containing seed crystal (a) Production of sulfide-based glass Li 2 S and P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) produced in the above production example were used as starting materials. About 1 g of a mixture prepared at a molar ratio of 70:30 (Li: P: S = 7: 3: 11) and 10 alumina balls having a diameter of 10 mm were placed in a 45 mL alumina container, and a planetary ball mill (Fritchsch: Model No. P-7) In nitrogen, at room temperature (25 ° C.), with a rotational speed of 370 rpm and mechanical milling for 20 hours, a sulfide-based glass that is a white yellow powder is obtained. Obtained.

得られた粉末について、粉末X線回折測定を行った(CuKα:λ=1.5418Å)結果、このチャートが、非晶質体特有のブロードな形を示していることから、この粉末が
ガラス化(非晶質化)していることが確認できた。
As a result of performing powder X-ray diffraction measurement on the obtained powder (CuKα: λ = 1.5418 、), this chart shows a broad shape peculiar to an amorphous body. It was confirmed that (amorphization).

(b)添加するガラスセラミック(種結晶)の作製
上記(a)で製造した硫化物系ガラスの一部を、220℃で10日間熱処理してガラスセラミックとした。
このガラスセラミックについて、固体31P−NMRスペクトルを測定し、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmのピークで観測される結晶の比率(x)を算出した。その結果、xは66mol%であった。
(B) Production of glass ceramic (seed crystal) to be added A part of the sulfide glass produced in the above (a) was heat-treated at 220 ° C. for 10 days to obtain a glass ceramic.
With respect to this glass ceramic, a solid 31 P-NMR spectrum was measured, and a ratio (x c ) of crystals observed at peaks of 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm was calculated. As a result, x c was 66 mol%.

尚、固体31P−NMRスペクトルの測定条件は下記のとおりである。
装置 :日本電子株式会社製 JNM−CMXP302NMR装置
観測核 :31
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(NHHPO(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。
The measurement conditions for the solid 31 P-NMR spectrum are as follows.
Apparatus: JNM-CMXP302 NMR apparatus manufactured by JEOL Ltd. Observation nucleus: 31 P
Observation frequency: 121.339 MHz
Measurement temperature: Room temperature Measurement method: MAS method Pulse sequence: Single pulse 90 ° Pulse width: 4 μs
Magic angle rotation speed: 8600Hz
Wait time until the next pulse application after FID measurement: 100-2000s
(Set to be more than 5 times the maximum spin-lattice relaxation time)
Number of integrations: 64 times Chemical shifts were determined using (NH 4 ) 2 HPO 4 (chemical shift 1.33 ppm) as an external reference.
In order to prevent deterioration due to moisture in the air during sample filling, the sample was filled into a hermetic sample tube in a dry box in which dry nitrogen was continuously flowed.

また、結晶化度xは固体31 P−NMRスペクトルについて、70〜120ppmに観測される共鳴線を、非線形最小二乗法を用いてガウス曲線に分離し、各曲線の面積比から算出した。

Further, the crystallinity x c for solid 31 P-NMR spectrum, the resonance lines observed in 70~120Ppm, separated into a Gaussian curve using non-linear least square method was calculated from the area ratio of each curve.

(c)混合工程
上記(a)で製造した硫化物系ガラス90wt%と、上記(b)で製造したガラスセラミック(種結晶)10wt%を混合した。この混合物をボールミルにて粉砕混合し、種結晶を含有する硫化物系ガラスとした。
(C) Mixing step 90 wt% of the sulfide-based glass manufactured in (a) above and 10 wt% of the glass ceramic (seed crystal) manufactured in (b) above were mixed. This mixture was pulverized and mixed with a ball mill to obtain a sulfide-based glass containing seed crystals.

(2)熱処理工程
上記(1)の(c)で作製した種結晶を含有する硫化物系ガラスを300℃で2時間処理し、ガラスセラミックを作製した。
このガラスセラミックについて、固体31P−NMRスペクトルを測定し、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmのピークで観測される結晶の比率(x)を算出した。その結果、xは95mol%であった。また、Liの結晶の含有率(108.5±0.6ppmのピークから算出)は1mol%であった。
このガラスセラミックの粉末X線回折結果からJADE(ソフトウェア:MDI Inc.)により指数付けを行ったところ、三斜晶系のLi11結晶であることが確認された。
このガラスセラミックをペレット状に賦形し、イオン伝導度(25℃、以下同様)を測定したところ6×10−3S/cmであった。
(2) Heat treatment step The sulfide-based glass containing the seed crystal produced in (c) of (1) above was treated at 300 ° C. for 2 hours to produce a glass ceramic.
With respect to this glass ceramic, a solid 31 P-NMR spectrum was measured, and a ratio (x c ) of crystals observed at peaks of 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm was calculated. As a result, x c was 95 mol%. Moreover, the content rate of the crystal of Li 4 P 2 S 6 (calculated from the peak of 108.5 ± 0.6 ppm) was 1 mol%.
When indexing was performed by JADE (software: MDI Inc.) from the powder X-ray diffraction result of this glass ceramic, it was confirmed that it was a triclinic Li 7 P 3 S 11 crystal.
This glass ceramic was shaped into a pellet and its ionic conductivity (25 ° C., hereinafter the same) was measured and found to be 6 × 10 −3 S / cm.

実施例2
(1)種結晶を含有する硫化物系ガラスの製造
実施例1の(1)(a)で製造した硫化物系ガラスを200℃で2時間の条件で予備熱処理を行い、種結晶を含有する硫化物系ガラスを得た。
この種結晶含有硫化物系ガラスについて、固体31P−NMRスペクトルを測定し、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmのピークで観測される結晶の比率(x)を算出した。その結果、xは10mol%であった。
Example 2
(1) Manufacture of sulfide-based glass containing seed crystals The sulfide-based glass manufactured in (1) (a) of Example 1 is preheated at 200 ° C. for 2 hours to contain seed crystals. Sulfide glass was obtained.
For this seed crystal-containing sulfide-based glass, a solid 31 P-NMR spectrum was measured, and the ratio of crystals observed at peaks of 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm (x c ) was calculated. did. As a result, x c was 10mol%.

(2)熱処理工程
上記(1)で作製した種結晶含有硫化物系ガラスを300℃で2時間処理し、ガラスセラミックを作製した。
このガラスセラミックについて、固体31P−NMRスペクトルを測定し、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmのピークで観測される結晶の比率(x)を算出した。その結果、xは95mol%であった。また、Liの含有率(108.5±0.6ppmのピークから算出)は1mol%であった。
このガラスセラミックの粉末X線回折結果からJADE(ソフトウェア:MDI Inc.)により指数付けを行ったところ、三斜晶系のLi11結晶であることが確認された。
このガラスセラミックをペレット状に賦形し、イオン伝導度を測定したところ6×10−3S/cmであった。
(2) Heat treatment step The seed crystal-containing sulfide glass produced in (1) above was treated at 300 ° C. for 2 hours to produce a glass ceramic.
With respect to this glass ceramic, a solid 31 P-NMR spectrum was measured, and a ratio (x c ) of crystals observed at peaks of 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm was calculated. As a result, x c was 95 mol%. The content of Li 4 P 2 S 6 (calculated from the peak at 108.5 ± 0.6 ppm) was 1 mol%.
When indexing was performed by JADE (software: MDI Inc.) from the powder X-ray diffraction result of this glass ceramic, it was confirmed that it was a triclinic Li 7 P 3 S 11 crystal.
This glass ceramic was shaped into a pellet and its ionic conductivity was measured and found to be 6 × 10 −3 S / cm.

比較例1
実施例1の(1)(a)で製造した硫化物系ガラスを200℃で3時間熱処理してガラスセラミックを作製した。
このガラスセラミックについて、固体31P−NMRスペクトルを測定し、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmのピークで観測される結晶の比率(x)を算出した。その結果、xは45mol%であった。また、Liの含有率(108.5±0.6ppmのピークから算出)は0mol%であった。
このガラスセラミックをペレット状に賦形し、イオン伝導度を測定したところ6×10−4S/cmであった。
Comparative Example 1
The sulfide glass produced in (1) (a) of Example 1 was heat-treated at 200 ° C. for 3 hours to produce a glass ceramic.
With respect to this glass ceramic, a solid 31 P-NMR spectrum was measured, and a ratio (x c ) of crystals observed at peaks of 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm was calculated. As a result, x c was 45 mol%. Moreover, the content rate (calculated from the peak of 108.5 ± 0.6 ppm) of Li 4 P 2 S 6 was 0 mol%.
This glass ceramic was shaped into a pellet and its ionic conductivity was measured and found to be 6 × 10 −4 S / cm.

比較例2
熱処理の条件を340℃で40分とした他は、比較例1と同様にしてガラスセラミックを製造した。
このガラスセラミックについて、固体31P−NMRスペクトルを測定し、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmのピークで観測される結晶の比率(x)を算出した。その結果、xは60mol%であった。また、Liの含有率(108.5±0.6ppmのピークから算出)は15mol%であった。
このガラスセラミックをペレット状に賦形し、イオン伝導度を測定したところ7×10−4S/cmであった。
Comparative Example 2
A glass ceramic was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the heat treatment was performed at 340 ° C. for 40 minutes.
With respect to this glass ceramic, a solid 31 P-NMR spectrum was measured, and a ratio (x c ) of crystals observed at peaks of 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm was calculated. As a result, x c was 60 mol%. The content of Li 4 P 2 S 6 (calculated from the peak at 108.5 ± 0.6 ppm) was 15 mol%.
This glass ceramic was shaped into a pellet and its ionic conductivity was measured and found to be 7 × 10 −4 S / cm.

本発明のガラスセラミックは、リチウム二次電池用固体電解質に適している。
また、本発明のガラスセラミックを使用した全固体リチウム電池は、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。
The glass ceramic of the present invention is suitable for a solid electrolyte for a lithium secondary battery.
In addition, the all-solid-state lithium battery using the glass ceramic of the present invention is used in portable information terminals, portable electronic devices, small household electric power storage devices, motorcycles powered by motors, electric vehicles, hybrid electric vehicles, and the like. It can be used as a lithium secondary battery.

Claims (5)

リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素を含有するガラスセラミックであって、
前記ガラスセラミックの固体31 P−NMRスペクトルが、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmの位置に、結晶に起因するピークを有し、
前記ガラスセラミックに占める前記結晶の比率(x)が65mol%〜100mol%であり、
前記ガラスセラミックに占めるLiが10mol%以下であるガラスセラミック。
A glass ceramic containing a lithium (Li) element, a phosphorus (P) element and a sulfur (S) element,
The solid 31 P-NMR spectrum of the glass ceramic has peaks due to crystals at the positions of 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm,
The ratio (x c ) of the crystals in the glass ceramic is 65 mol% to 100 mol%,
Glass ceramic Li 4 P 2 S 6 occupied in the glass ceramic is less than 10 mol%.
前記結晶の比率(x)が90mol%〜100mol%であり、リチウム(Li)元素、リン(P)元素及び硫黄(S)元素の含有比が原子比で7:3:11である請求項1に記載のガラスセラミック。 The ratio of the crystal (x c) is 90mol% ~100mol%, lithium (Li) element content ratio of phosphorus (P) element and sulfur (S) element atomic ratio 7: 3:11 in a claim 2. The glass ceramic according to 1 . 固体31 P−NMRスペクトルが、90.9±0.4ppm及び86.5±0.4ppmの位置に、結晶に起因するピークを有する種結晶を含有する硫化物ガラスを熱処理する請求項1又は2に記載のガラスセラミックの製造方法。 The sulfide glass containing a seed crystal having peaks due to crystals at positions 90.9 ± 0.4 ppm and 86.5 ± 0.4 ppm in the solid 31 P-NMR spectrum is heat-treated. The manufacturing method of the glass-ceramic of description. 前記種結晶を含有する硫化物ガラスが、硫化物ガラスを予備熱処理したものである請求項3に記載のガラスセラミックの製造方法。   The method for producing a glass ceramic according to claim 3, wherein the sulfide glass containing the seed crystal is obtained by subjecting sulfide glass to a preliminary heat treatment. 前記種結晶を含有する硫化物ガラスが、硫化物ガラスの粉体にガラスセラミックの粉体を1〜50wt%配合した混合物である請求項3に記載のガラスセラミックの製造方法。   The method for producing a glass ceramic according to claim 3, wherein the sulfide glass containing the seed crystal is a mixture in which 1 to 50 wt% of a glass ceramic powder is blended with a sulfide glass powder.
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