JP5303428B2 - Lithium sulfide and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は硫化リチウム及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、リチウム電池に用いられる硫化物系固体電解質の原料として特に有用な硫化リチウム、及びそれを用いた固体電解質、それを用いたリチウム電池、それを搭載した電子機器に関する。   The present invention relates to lithium sulfide and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to lithium sulfide particularly useful as a raw material for sulfide-based solid electrolytes used in lithium batteries, solid electrolytes using the same, lithium batteries using the same, and electronic devices equipped with the same.

従来、硫化リチウムの製造方法として特許文献1及び特許文献2には、水酸化リチウムと非プロトン性有機溶媒からなるスラリー中に硫化水素を吹き込み、水硫化リチウム作製後、脱水・脱硫化水素することにより無水硫化リチウムを製造する方法と、硫化水素を連続して吹き込み、直接無水硫化リチウムを作製する方法が開示されている。
また、アルカリ金属硫化物の製造方法として、特許文献3には、含水アルカリ金属水硫化物とアルカリ金属水酸化物水溶液を反応させて得られる無水アルカリ金属硫化物を、非水溶性の分散媒と接触させ脱水することを特徴とする製造方法が開示されている。
一方、特許文献4では、粒径を0.1mm〜1.5mmに制御した固体状の水酸化リチウムに、水素ガスと硫黄ガスを同時に、又は硫化水素を吹き込み、130℃〜445℃の温度で硫化リチウムを製造する方法が開示されている。
Conventionally, in Patent Document 1 and Patent Document 2, as a method for producing lithium sulfide, hydrogen sulfide is blown into a slurry composed of lithium hydroxide and an aprotic organic solvent, and after lithium hydrosulfide is prepared, dehydration and dehydrogenation are performed. Discloses a method for producing anhydrous lithium sulfide and a method for producing anhydrous lithium sulfide directly by continuously blowing hydrogen sulfide.
Further, as a method for producing an alkali metal sulfide, Patent Document 3 discloses an anhydrous alkali metal sulfide obtained by reacting a hydrous alkali metal hydrosulfide and an aqueous alkali metal hydroxide solution with a water-insoluble dispersion medium. A manufacturing method characterized by contacting and dehydrating is disclosed.
On the other hand, in Patent Document 4, hydrogen gas and sulfur gas are simultaneously or hydrogen sulfide blown into solid lithium hydroxide whose particle size is controlled to 0.1 mm to 1.5 mm, and the temperature is 130 ° C. to 445 ° C. A method for producing lithium sulfide is disclosed.

上記特許文献1〜3に記載の硫化リチウムの製造方法では、溶媒に有機溶媒を用いるため、有機物の不純物が副生される。
また、特許文献1〜3に記載の製造方法で使用される有機溶媒を処理するためには、最終的には焼却しなければならず、溶媒処理の負担が大きかった。
一方、特許文献4では、有機溶媒を使用せずに硫化リチウムを製造しているが、固体状の水酸化リチウムと気体の硫化水素を反応させて硫化リチウムを製造しているため、露点を−30℃以下にしなければならない上、可燃性ガスである水素と硫黄の混合ガスや硫化水素ガスを高温下で使用するため、爆発防止の観点からも特殊な設備が必要であった。
また、硫化リチウム粒子と硫化リン粒子とを有機溶媒中で反応させ、硫化物系の固体電解質を製造する技術がある(特許文献5)。しかしながら、硫化リチウム粒子の表面積が大きい方がより効率的に固体電解質を製造することができる。
In the method for producing lithium sulfide described in Patent Documents 1 to 3, since an organic solvent is used as a solvent, organic impurities are by-produced.
Moreover, in order to process the organic solvent used with the manufacturing method of patent documents 1-3, it had to finally incinerate, and the burden of solvent processing was large.
On the other hand, in Patent Document 4, lithium sulfide is produced without using an organic solvent. However, since lithium sulfide is produced by reacting solid lithium hydroxide with gaseous hydrogen sulfide, the dew point is − In addition to using a mixed gas of hydrogen and sulfur, which is a combustible gas, and hydrogen sulfide gas at high temperatures, special equipment was required from the viewpoint of preventing explosions.
There is also a technique for producing a sulfide-based solid electrolyte by reacting lithium sulfide particles and phosphorus sulfide particles in an organic solvent (Patent Document 5). However, the larger the surface area of the lithium sulfide particles, the more efficiently the solid electrolyte can be produced.

特開平7−330312号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-330312 特開2006−016281号公報JP 2006-016281 A WO2004/106232WO2004 / 106232 特開平9−278423号公報JP-A-9-278423 WO2009/047977WO2009 / 047977

本発明は、特殊な設備を必要とせず、使用後の溶媒の処理が容易であり、かつ有機物等の不純物の副生が少ない硫化リチウムの製造方法を提供することを課題とする。   It is an object of the present invention to provide a method for producing lithium sulfide that does not require special equipment, can be easily treated with a solvent after use, and has few by-products of impurities such as organic substances.

本発明によれば、以下の硫化リチウムの製造方法等が提供される。
1.水溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素を反応させて硫化リチウムを製造する硫化リチウムの製造方法。
2.前記水酸化リチウムを含有する水溶媒中に気体の硫化水素を導入する1に記載の硫化リチウムの製造方法。
3.上記1又は2に記載の硫化リチウムの製造方法により製造した硫化リチウム。
4.上記3に記載の硫化リチウムと、リン、ケイ素、ホウ素及びゲルマニウムの中から選択される1種以上の元素を含む硫化物と、から合成される硫化物系固体電解質。
5.上記4に記載の固体電解質から製造される固体電解質層、4に記載の固体電解質から製造される正極、及び4に記載の固体電解質から製造される負極の内、少なくとも1つを備えるリチウム電池。
6.上記5に記載のリチウム電池を備える装置。
According to the present invention, the following method for producing lithium sulfide and the like are provided.
1. A method for producing lithium sulfide, which comprises reacting lithium hydroxide and hydrogen sulfide in an aqueous solvent to produce lithium sulfide.
2. 2. The method for producing lithium sulfide according to 1, wherein gaseous hydrogen sulfide is introduced into the aqueous solvent containing lithium hydroxide.
3. 3. Lithium sulfide produced by the method for producing lithium sulfide as described in 1 or 2 above.
4). 4. A sulfide-based solid electrolyte synthesized from the lithium sulfide described in 3 above and a sulfide containing one or more elements selected from phosphorus, silicon, boron and germanium.
5. A lithium battery comprising at least one of a solid electrolyte layer produced from the solid electrolyte described in 4 above and a positive electrode produced from the solid electrolyte described in 4 and a negative electrode produced from the solid electrolyte described in 4.
6). 6. An apparatus comprising the lithium battery as described in 5 above.

本願発明は、特殊な設備を必要とせず、使用後の溶媒の処理が容易であり、かつ有機物等の不純物の副生が少ない硫化リチウムの製造方法を提供することができる。   The present invention can provide a method for producing lithium sulfide that does not require special equipment, can be easily treated with a solvent after use, and has few by-products of impurities such as organic substances.

実施例1で製造した硫化リチウムのSEM写真である。2 is a SEM photograph of lithium sulfide produced in Example 1. 比較例1で製造した硫化リチウムのSEM写真である。4 is a SEM photograph of lithium sulfide produced in Comparative Example 1.

本願発明に係る硫化リチウムの製造方法は、水溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素を反応させて硫化リチウムを製造することを特徴とする。水溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素を反応させると、生成した硫化リチウムが水溶媒中に析出する。
本発明では、例えば、水酸化リチウムを添加した水溶媒(水酸化リチウム水溶液が好ましい)中に、気体の硫化水素を導入することが好ましい。
The method for producing lithium sulfide according to the present invention is characterized in that lithium sulfide is produced by reacting lithium hydroxide and hydrogen sulfide in an aqueous solvent. When lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted in an aqueous solvent, the generated lithium sulfide is precipitated in the aqueous solvent.
In the present invention, for example, gaseous hydrogen sulfide is preferably introduced into an aqueous solvent added with lithium hydroxide (preferably an aqueous lithium hydroxide solution).

原料である水酸化リチウムは、特に制限はなく、工業的に市販されているものが使用できる。高純度な硫化リチウムを得ることができるため、不純物含有量の少ない水酸化リチウムを使用することが好ましい。また、必要に応じて水酸化リチウム水溶液中の不溶物をろ過等により除去してもよい。
本発明に係る硫化リチウムの製造方法では、水に溶解した水酸化リチウムを用いるため、特許文献4のように特殊な水酸化リチウムの形状を必要としない。
There is no restriction | limiting in particular as lithium hydroxide which is a raw material, What is marketed industrially can be used. Since high-purity lithium sulfide can be obtained, it is preferable to use lithium hydroxide having a low impurity content. Moreover, you may remove the insoluble matter in lithium hydroxide aqueous solution by filtration etc. as needed.
In the method for producing lithium sulfide according to the present invention, since lithium hydroxide dissolved in water is used, a special lithium hydroxide shape as in Patent Document 4 is not required.

溶媒である水(HO)は、特に制限はないが、通常適用される蒸留水やイオン交換水が好ましく使用できる。高純度の硫化リチウムを得ることができるためである。
本発明では溶媒に水を使用するため、有機溶媒を使用したときに副生される不純物は発生しない。また、リチウムを含む不純物(例えば、溶媒としてNMPを使用した場合に副生するN−メチル−アミノ酪酸リチウム)が発生することが無いことから、リチウムの使用効率を向上することができる。また、水は原料である水酸化リチウムや硫化水素との反応性が低く、不純物をほとんど生成しない。そのため、不純物を除去する精製工程が不要となり、大幅な製造プロセスの簡素化が図れる。
The solvent is a water (H 2 O), in particular, without limitation, distilled water and deionized water normally applied can be preferably used. This is because high-purity lithium sulfide can be obtained.
In the present invention, since water is used as a solvent, no by-product impurities are generated when an organic solvent is used. Moreover, since the impurity containing lithium (for example, N-methyl-aminobutyric acid lithium byproduced when NMP is used as a solvent) is not generated, the use efficiency of lithium can be improved. Moreover, water has low reactivity with the raw materials lithium hydroxide and hydrogen sulfide, and hardly produces impurities. This eliminates the need for a purification step for removing impurities and greatly simplifies the manufacturing process.

水酸化リチウムと水を混合する際、水酸化リチウムの仕込み量は、特に制限はなく、飽和濃度を越えてスラリーとしてもよい。取り扱いや移送を考慮して適切な濃度とすればよい。
従って、本発明では、水溶媒と水酸化リチウムとは、水酸化リチウム水溶液、又は水酸化リチウム水溶液と水酸化リチウム粉末との混合物であるスラリーを意味する(以下、「水酸化リチウム水溶液等」という。)。
When mixing lithium hydroxide and water, the amount of lithium hydroxide charged is not particularly limited, and may be a slurry exceeding the saturation concentration. An appropriate concentration may be set in consideration of handling and transportation.
Therefore, in the present invention, the water solvent and lithium hydroxide mean a slurry that is a lithium hydroxide aqueous solution or a mixture of a lithium hydroxide aqueous solution and a lithium hydroxide powder (hereinafter referred to as “lithium hydroxide aqueous solution etc.”). .)

本発明で使用する硫化水素は気体である。硫化水素の純度は、特に制限はないが、二酸化炭素やアンモニアガス等の不純物含有量の少ない硫化水素を使用することが好ましい。不純物の少ない硫化水素を用いると高純度の硫化リチウムを得ることができるためである。   The hydrogen sulfide used in the present invention is a gas. The purity of hydrogen sulfide is not particularly limited, but it is preferable to use hydrogen sulfide having a low impurity content such as carbon dioxide or ammonia gas. This is because high-purity lithium sulfide can be obtained when hydrogen sulfide containing few impurities is used.

本発明の製造方法においては、例えば、水酸化リチウム水溶液等に、硫化水素を吹き込み、水酸化リチウム水溶液等の中の水酸化リチウムと硫化水素を反応させる。
硫化水素の吹き込み方法は、特に制限されず、水酸化リチウム水溶液等の中に硫化水素を吹き込む吹き込み口を入れてもよく、また、水酸化リチウム水溶液等の外部に設けられた吹き込み口から硫化水素を吹き込んでもよい。
硫化水素の吹き込み速度は、反応系の規模や反応条件等により適宜調整すればよい。
尚、本発明の製造方法では、水酸化リチウム水溶液等に溶解している水酸化リチウムと硫化水素が反応するだけではなく、スラリー中の水酸化リチウムと硫化水素も反応する。
In the production method of the present invention, for example, hydrogen sulfide is blown into a lithium hydroxide aqueous solution or the like, and the lithium hydroxide and hydrogen sulfide in the lithium hydroxide aqueous solution or the like are reacted.
The method of blowing hydrogen sulfide is not particularly limited, and a blow port for blowing hydrogen sulfide into a lithium hydroxide aqueous solution or the like may be inserted, and hydrogen sulfide is introduced from a blow port provided outside the lithium hydroxide aqueous solution or the like. May be blown.
The blowing speed of hydrogen sulfide may be appropriately adjusted depending on the scale of the reaction system, reaction conditions, and the like.
In the production method of the present invention, not only does lithium hydroxide and hydrogen sulfide dissolved in a lithium hydroxide aqueous solution react, but also lithium hydroxide and hydrogen sulfide in the slurry react.

反応時の温度は、特に制限はないが、常圧下であれば水の沸点である100℃以下であることが好ましい。反応後に温度を水の沸点以上に上昇させ、反応により生じた水分と水溶媒を除去することができる。
反応時間は、一般的には水酸化リチウムと硫化水素の反応により生成する水分の発生が止まるまでである。
The temperature during the reaction is not particularly limited, but it is preferably 100 ° C. or lower, which is the boiling point of water, under normal pressure. After the reaction, the temperature can be raised above the boiling point of water to remove water and water solvent generated by the reaction.
The reaction time is generally until the generation of water generated by the reaction between lithium hydroxide and hydrogen sulfide stops.

反応圧力について、反応圧力を変化させる場合は、その圧力下における水の沸点以下に反応温度を制御することが好ましい。反応圧力を高めた場合、水溶媒中への硫化水素の溶解度を調整できるため反応速度を制御することが可能となる。   Regarding the reaction pressure, when changing the reaction pressure, it is preferable to control the reaction temperature below the boiling point of water under the pressure. When the reaction pressure is increased, the solubility of hydrogen sulfide in the aqueous solvent can be adjusted, so that the reaction rate can be controlled.

上記製造方法により製造された硫化リチウムと水を分離する方法は特に制限されない。例えば、製造した硫化リチウムは水との混合状態(スラリー)であるため、温度を水の沸点以上に上昇させ、反応により生じた水分と水溶媒を除去することができる。
尚、反応完了後も硫化水素を吹き込むことにより、生成した硫化リチウムと水による加水分解反応を抑制することができる。
The method for separating lithium sulfide and water produced by the above production method is not particularly limited. For example, since the produced lithium sulfide is in a mixed state (slurry) with water, the temperature can be raised above the boiling point of water, and the water and water solvent generated by the reaction can be removed.
In addition, the hydrolysis reaction by the produced | generated lithium sulfide and water can be suppressed by blowing hydrogen sulfide after completion of reaction.

本発明に適用される製造装置としては、特に限定されるものではないが、反応槽、撹拌翼を有し、硫化水素の導入流出機構、水分除去機構、加熱冷却機構等が装備されていることが好ましい。   The production apparatus applied to the present invention is not particularly limited, but has a reaction vessel and a stirring blade, and is equipped with a hydrogen sulfide introduction / outflow mechanism, a moisture removal mechanism, a heating / cooling mechanism, and the like. Is preferred.

本発明の製造方法では、水酸化リチウム水溶液等に硫化水素を導入し、硫化水素導入量が水酸化リチウム水溶液等中の水酸化リチウムの1/2モル量となるまでは硫化リチウムが生成する。水酸化リチウムの1/2モル量を超えて、さらに、硫化水素を導入すると、水硫化リチウムが生成する。その後、硫化水素存在下で昇温等により水を蒸発させると、水硫化リチウムの脱硫化水素も進行し硫化リチウムとなる。そして、飽和溶解度を超えた硫化リチウムが析出する。この水硫化リチウムから硫化リチウムに至る反応は、水分が概ね留去された後の高温乾燥時に進行する。   In the production method of the present invention, hydrogen sulfide is introduced into a lithium hydroxide aqueous solution or the like, and lithium sulfide is generated until the amount of hydrogen sulfide introduced becomes ½ mol of lithium hydroxide in the lithium hydroxide aqueous solution or the like. When hydrogen sulfide is further introduced beyond the ½ molar amount of lithium hydroxide, lithium hydrosulfide is produced. Thereafter, when water is evaporated by heating or the like in the presence of hydrogen sulfide, dehydrosulfurization of lithium hydrosulfide proceeds to become lithium sulfide. Then, lithium sulfide exceeding the saturation solubility is precipitated. This reaction from lithium hydrosulfide to lithium sulfide proceeds during high-temperature drying after water is almost distilled off.

反応が進行し、反応系から原料である水酸化リチウムが消失すると、反応による水の発生が止まる。本発明では、反応系の水が蒸発し乾燥状態となるまで硫化水素の吹き込みを続けることが好ましい。水分が完全に留去される前に硫化水素の吹き込みを止めると、硫化リチウムの加水分解が進行するおそれがある。
水分の留去後に、不活性ガスを吹き込んで過剰の硫化水素を系外に除去する。
When the reaction proceeds and lithium hydroxide as a raw material disappears from the reaction system, generation of water due to the reaction stops. In the present invention, it is preferable to continue blowing hydrogen sulfide until water in the reaction system evaporates and becomes dry. If the blowing of hydrogen sulfide is stopped before the water is completely distilled off, the hydrolysis of lithium sulfide may proceed.
After the water is distilled off, an inert gas is blown to remove excess hydrogen sulfide outside the system.

水は、加熱等により反応系から蒸発した水蒸気をコンデンサ等で凝縮することで系外に除去できる。水分の除去に伴い、硫化リチウムが析出しスラリー濃度が上昇するため、粘度が増加する。そのため、適当な粘度に達した時点で撹拌を停止し、乾燥工程に移行する。この間、硫化水素の吹き込みを継続し、系内の全水分を除去、乾燥した時点で反応が終了する。
乾燥後、固体成分となった硫化リチウムを回収する。
Water can be removed from the system by condensing water vapor evaporated from the reaction system by heating or the like with a condenser or the like. As the moisture is removed, lithium sulfide is precipitated and the slurry concentration is increased, so that the viscosity is increased. Therefore, the stirring is stopped when an appropriate viscosity is reached, and the drying process is started. During this time, hydrogen sulfide is continuously blown to remove all moisture in the system, and the reaction is completed at the time of drying.
After drying, the lithium sulfide that has become a solid component is recovered.

本発明による硫化リチウムは、水溶媒中で反応が進行し、生成後に飽和溶解度を超えた硫化リチウムが器壁や撹拌翼に析出する。そのため、回収される硫化リチウムは鱗片状を呈する。   The reaction of the lithium sulfide according to the present invention proceeds in an aqueous solvent, and after production, lithium sulfide exceeding the saturation solubility is deposited on the vessel wall and the stirring blade. Therefore, the recovered lithium sulfide exhibits a scaly shape.

本発明に係る硫化リチウムは鱗片状であるため、粒状の硫化リチウムの場合と比べて、固体電解質の製造時間を短縮できる。従って、硫化物系固体電解質の原料として好適である。
続いて、本発明の硫化物系固体電解質について説明する。
本発明の硫化物系固体電解質は、上述した本発明の硫化リチウム(LiS)と、リン、ケイ素、ホウ素及びゲルマニウムの中から選択される1種以上の元素を含む硫化物から合成される。
リン、ケイ素、ホウ素及びゲルマニウムの中から選択される1種以上の元素を含む硫化物としては、P、SiS、GeS、P、B等が挙げられる。
Since the lithium sulfide according to the present invention is scaly, the production time of the solid electrolyte can be shortened compared to the case of granular lithium sulfide. Therefore, it is suitable as a raw material for sulfide-based solid electrolytes.
Subsequently, the sulfide-based solid electrolyte of the present invention will be described.
The sulfide-based solid electrolyte of the present invention is synthesized from the above-described lithium sulfide (Li 2 S) of the present invention and a sulfide containing one or more elements selected from phosphorus, silicon, boron, and germanium. .
Examples of the sulfide containing one or more elements selected from phosphorus, silicon, boron, and germanium include P 2 S 5 , SiS 2 , GeS 2 , P 2 S 5 , B 2 S 3 and the like.

LiSと上記硫化物からなる無機固体電解質の製造方法としては、簡便な方法としてメカニカルミリング法が適用できる。Pと上記硫化物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、硫化物系固体電解質ガラスが得られる。 As a method for producing an inorganic solid electrolyte composed of Li 2 S and the above sulfide, a mechanical milling method can be applied as a simple method. P 2 S 5 and the above sulfide are mixed in a predetermined amount in a mortar and reacted for a predetermined time by a mechanical milling method, whereby a sulfide-based solid electrolyte glass is obtained.

上記原料を用いたメカニカルミリング法は、室温で反応を行うことができる。MM法によれば、室温でガラス状電解質を製造できるため、原料の熱分解が起らず、仕込み組成のガラス状電解質を得ることができるという利点がある。また、MM法では、ガラス状電解質の製造と同時に、ガラス状電解質を微粉末化できるという利点もある。
MM法は種々の形式の粉砕法を用いることができるが、遊星型ボールミルを使用するのが特に好ましい。遊星型ボールミルは、ポットが自転回転しながら、台盤が公転回転し、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、製造に適している。
MM法の回転速度及び処理時間は特に限定されないが、回転速度が速いほど、ガラス状電解質の生成速度は速くなり、処理時間が長いほどガラス質状電解質ヘの原料の転化率は高くなる。
このようにして得られた電解質は、ガラス状電解質である。例えば、硫化物としてPを使用した場合、通常、イオン伝導度は1.0×10−5〜8.0×10−4(S/cm)程度である。
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、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。また、硫化リチウム及び他の硫化物の融点以上、具体的には1000℃程度に加熱した後、急冷する溶融急冷法においても同様に硫化物ガラスを調製することができる。
The mechanical milling method using the above raw materials can be reacted at room temperature. According to the MM method, since a glassy electrolyte can be produced at room temperature, there is an advantage that a raw material is not thermally decomposed and a glassy electrolyte having a charged composition can be obtained. Further, the MM method has an advantage that the glassy electrolyte can be made into fine powder simultaneously with the production of the glassy electrolyte.
Although various types of pulverization methods can be used for the MM method, it is particularly preferable to use a planetary ball mill. The planetary ball mill is suitable for manufacturing because the pot rotates around the pot and the base rotates around the pot and can generate very high impact energy efficiently.
The rotation speed and treatment time of the MM method are not particularly limited, but the faster the rotation speed, the faster the glassy electrolyte production rate, and the longer the treatment time, the higher the conversion rate of the raw material to the glassy electrolyte.
The electrolyte thus obtained is a glassy electrolyte. For example, when P 2 S 5 is used as the sulfide, the ionic conductivity is usually about 1.0 × 10 −5 to 8.0 × 10 −4 (S / cm).
As conditions for the MM method, for example, when a planetary ball mill is used, the rotational speed may be 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 sulfide glass by 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. Also, a sulfide glass can be similarly prepared by a melt quenching method in which the mixture is heated to the melting point of lithium sulfide and other sulfides or more, specifically about 1000 ° C. and then rapidly cooled.

その後、得られた硫化物系固体電解質ガラスを所定の温度で熱処理することにより、結晶成分を含有する硫化物系固体電解質ガラスセラミックが生成する。
このような固体電解質を生成させる熱処理温度は、好ましくは190℃〜340℃、より好ましくは、195℃〜335℃、特に好ましくは、200℃〜330℃である。190℃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、340℃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、190℃以上220℃以下の温度の場合は、3〜240時間が好ましく、特に4〜230時間が好ましい。また、220℃より高く340℃以下の温度の場合は、0.1〜240時間が好ましく、特に0.2〜235時間が好ましく、さらに、0.3〜230時間が好ましい。熱処理時間が0.1時間より短いと、高イオン伝導性の結晶が得られにくい場合があり、240時間より長いと、イオン伝導性の低い結晶が生じるとなる恐れがある。
Thereafter, the obtained sulfide-based solid electrolyte glass is heat-treated at a predetermined temperature, thereby producing a sulfide-based solid electrolyte glass ceramic containing a crystal component.
The heat treatment temperature for producing such a solid electrolyte is preferably 190 ° C to 340 ° C, more preferably 195 ° C to 335 ° C, and particularly preferably 200 ° C to 330 ° C. When the temperature is lower than 190 ° C., it may be difficult to obtain a crystal with high ion conductivity. When the temperature is higher than 340 ° C., a crystal with low ion conductivity may be generated.
The heat treatment time is preferably 3 to 240 hours, particularly preferably 4 to 230 hours, when the temperature is 190 ° C or higher and 220 ° C or lower. When the temperature is higher than 220 ° C and not higher than 340 ° C, 0.1 to 240 hours are preferable, 0.2 to 235 hours are particularly preferable, and 0.3 to 230 hours are more preferable. If the heat treatment time is shorter than 0.1 hour, it may be difficult to obtain a crystal with high ion conductivity. If the heat treatment time is longer than 240 hours, a crystal with low ion conductivity may be formed.

このようにして得られた、結晶成分を含有する硫化物系固体電解質ガラスセラミックリチウムイオン伝導性無機固体電解質は、通常のイオン伝導度は、7.0×10−4〜5.0×10−3(S/cm)程度である。
このリチウムイオン伝導性無機固体電解質は、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。このような結晶構造を有するは固体電解質が、極めて高いリチウムイオン伝導性を有する。
The thus obtained sulfide-based solid electrolyte glass ceramic lithium ion conductive inorganic solid electrolyte containing a crystal component has a normal ionic conductivity of 7.0 × 10 −4 to 5.0 × 10 −. 3 (S / cm) or so.
This lithium ion conductive inorganic solid electrolyte has 2θ = 17.8 ± 0.3 deg, 18.2 ± 0.3 deg, 19.8 ± 0.3 deg, X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.54184), It has diffraction peaks at 21.8 ± 0.3 deg, 23.8 ± 0.3 deg, 25.9 ± 0.3 deg, 29.5 ± 0.3 deg, 30.0 ± 0.3 deg. A solid electrolyte having such a crystal structure has extremely high lithium ion conductivity.

上記方法等により製造された固体電解質は、平均粒径は数μmから数十μm程度の不定形であり、乾粉あるいはスラリー状で使用される。
本発明の固体電解質は、リチウム電池の構成部材、例えば、電解質層、正極層、負極層等に好適に使用できる。
The solid electrolyte produced by the above method has an indeterminate shape having an average particle diameter of several μm to several tens of μm, and is used in the form of dry powder or slurry.
The solid electrolyte of the present invention can be suitably used for a component of a lithium battery, for example, an electrolyte layer, a positive electrode layer, a negative electrode layer, and the like.

本発明に係るリチウム電池は、電解質層、正極及び負極を有し、これらの少なくとも1つが上述した本発明の固体電解質から製造されたものであることを特徴とする。尚、本発明の固体電解質から製造されたもの以外の電解質層、正極及び負極は、通常、リチウム電池に使用されているもの(例えば、電解液やポリマー電解質をセパレータに浸漬した物、ポリマー電解質を硬化させた固体電解質)でよい。   The lithium battery according to the present invention has an electrolyte layer, a positive electrode, and a negative electrode, and at least one of them is manufactured from the above-described solid electrolyte of the present invention. In addition, the electrolyte layer, the positive electrode, and the negative electrode other than those manufactured from the solid electrolyte of the present invention are usually used in lithium batteries (for example, an electrolyte solution or a polymer electrolyte immersed in a separator, a polymer electrolyte Cured solid electrolyte).

本発明のリチウム電池は、二次電池及び一次電池のいずれにもすることができ、時計、携帯電話機、パソコン、自動車、発電機等の装置に用いることができる。
上述の装置のうち、自動車には、駆動源が電動機である電気自動車、及び駆動源として電動機と内燃機関を組み合わせて用いるハイブリッド電気自動車が含まれ、これら自動車は大電流及び大電圧を必要する。
本発明のリチウム電池は、直列及び/又は並列に繋いで電池セルとすることでより大きな電力を取り出すことができる。複数の電池セルをさらに直列及び/又は並列に接続して電池モジュール(電池パック、電池ユニット)とすることで、上記自動車が必要とする大電流・大電圧を満たす電池とすることができる。
The lithium battery of the present invention can be either a secondary battery or a primary battery, and can be used in devices such as watches, mobile phones, personal computers, automobiles, and generators.
Among the above-described devices, the automobile includes an electric automobile whose driving source is an electric motor, and a hybrid electric automobile using a combination of an electric motor and an internal combustion engine as a driving source, and these automobiles require a large current and a large voltage.
The lithium battery of this invention can take out bigger electric power by connecting in series and / or parallel and making it a battery cell. By connecting a plurality of battery cells in series and / or parallel to form a battery module (battery pack, battery unit), a battery that satisfies the large current and large voltage required by the automobile can be obtained.

実施例1
窒素気流下で水溶媒として蒸留水(広島和光製試薬)45gを200mlセパラブルフラスコに加え、続いて水酸化リチウム5g(本荘ケミカル製)を投入し、フルゾーン撹拌翼300rpmで撹拌しながら、25℃に保持した。続いて、液中に硫化水素(巴商会製)を300ml/分の供給速度で吹き込みながら加熱を始めた。水溶媒存在下では、25℃で硫化水素を吹き込むと即座に反応が開始する。また、系内がおおむね90℃以上に加熱されると、反応と共に水分が蒸発し、セパラブルフラスコから水が連続的に排出されるので、系外のコンデンサで凝縮させた。反応が進行し、水分が蒸発するにつれて、水分量は徐々に減少し、系内はペースト状化した。硫化水素導入後5時間、150℃で水の留出は認められなくなった(水分量は総量で49mlであった)。この後、2時間かけて205℃まで昇温した。
尚、水分が除去されるにつれ、硫化リチウムの析出が器壁や撹拌翼で発生し、溶液粘度も上昇する。そのため、ペースト状態になった時点で撹拌を停止し乾燥工程に移行した。この乾燥工程中も硫化水素を吹き込み続け、系内から完全に水分を除去した。
この後、硫化水素を窒素に切り替え300ml/分で2時間流通した。
Example 1
Under a nitrogen stream, 45 g of distilled water (Hiroshima Wako reagent) as a water solvent was added to a 200 ml separable flask, followed by charging with 5 g of lithium hydroxide (Honjo Chemical) and stirring at 25 ° C. with a full zone stirring blade at 300 rpm. Held on. Subsequently, heating was started while blowing hydrogen sulfide (manufactured by Sakai Shokai) into the liquid at a supply rate of 300 ml / min. In the presence of an aqueous solvent, when hydrogen sulfide is blown at 25 ° C., the reaction starts immediately. Further, when the inside of the system was heated to approximately 90 ° C. or more, water was evaporated with the reaction, and water was continuously discharged from the separable flask, so it was condensed by a condenser outside the system. As the reaction progressed and the water evaporated, the amount of water gradually decreased and the system became a paste. Distillation of water was not observed at 150 ° C. for 5 hours after the introduction of hydrogen sulfide (the total amount of water was 49 ml). Thereafter, the temperature was raised to 205 ° C. over 2 hours.
As moisture is removed, lithium sulfide is deposited on the vessel wall and the stirring blade, and the solution viscosity also increases. Therefore, stirring was stopped when the paste state was reached and the drying process was started. During this drying step, hydrogen sulfide was continuously blown to completely remove moisture from the system.
Thereafter, the hydrogen sulfide was switched to nitrogen and circulated at 300 ml / min for 2 hours.

乾燥して得た白色粉末を塩酸滴定及び硝酸銀滴定で分析したところ、硫化リチウムの純度は99.6%であった。X線回折測定の結果、硫化リチウムの結晶パターン以外のピークが検出されないことを確認した。
図1に得られた硫化リチウムの走査型電子顕微鏡(SEM)写真を示す。写真から、硫化リチウムが鱗片状の粉末で得られたことが確認できた。
この粉末のイオンクロマト分析や滴定分析等の結果、不純物は全て500ppm以下であった。
When the white powder obtained by drying was analyzed by hydrochloric acid titration and silver nitrate titration, the purity of lithium sulfide was 99.6%. As a result of X-ray diffraction measurement, it was confirmed that no peaks other than the crystal pattern of lithium sulfide were detected.
FIG. 1 shows a scanning electron microscope (SEM) photograph of the lithium sulfide obtained. From the photograph, it was confirmed that lithium sulfide was obtained as a scaly powder.
As a result of ion chromatography analysis and titration analysis of this powder, all impurities were 500 ppm or less.

比較例1
従来から知られている特許第3528866号に記載の方法に準じて硫化リチウムを合成した。まず、第一の工程として、極性溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン溶媒(以下NMPとする:広島和光製試薬)270gを600mlセパラブルフラスコに加え、続いて水酸化リチウム30g(本荘ケミカル製)を投入し、フルゾーン撹拌翼300rpmで撹拌しながら、130℃に保持した。ここで、液中に硫化水素(巴商会製)を300ml/分の供給速度で2時間吹き込んだ。その結果、LiOH+HS→LiSH+HO反応に従い水流化リチウム(LiSH)溶液が生成された。続いて、第二の工程としてこの反応液を窒素気流下(50ml/分)で昇温し水流化リチウムを脱硫化水素化した。前述の反応により副生成する水分が昇温するに従って蒸発するため、系外にコンデンサにより凝縮させて留去した。水分の留去に伴い温度が上昇するが、200℃の時点で温度を保持した。保持時間は脱硫化水素反応が終了し硫化リチウムが安定に存在する2時間とした。冷却後、ガラス製フィルタにより減圧ろ過し、固形分をNMP溶媒により2倍希釈洗浄を3回実施し、さらにトルエン溶媒により同様に2回洗浄した。
Comparative Example 1
Lithium sulfide was synthesized according to the method described in Japanese Patent No. 3528866, which has been conventionally known. First, as a first step, 270 g of N-methyl-2-pyrrolidone solvent (hereinafter referred to as NMP: Hiroshima Wako Reagent), which is a polar solvent, is added to a 600 ml separable flask, followed by 30 g of lithium hydroxide (Honjo Chemical). ) And maintained at 130 ° C. while stirring with a full zone stirring blade of 300 rpm. Here, hydrogen sulfide (manufactured by Sakai Shokai) was blown into the liquid at a supply rate of 300 ml / min for 2 hours. As a result, a water flow lithium (LiSH) solution was produced according to the LiOH + H 2 S → LiSH + H 2 O reaction. Subsequently, as a second step, the reaction solution was heated in a nitrogen stream (50 ml / min) to dehydrosulfide the hydrous lithium. Since water generated as a by-product due to the above reaction evaporates as the temperature rises, it was condensed outside the system by a condenser and distilled off. Although the temperature increased with the evaporation of water, the temperature was maintained at 200 ° C. The holding time was 2 hours when the dehydrosulfurization reaction was completed and lithium sulfide was present stably. After cooling, the solution was filtered under reduced pressure using a glass filter, and the solid content was washed twice with NMP solvent three times and further washed twice with a toluene solvent.

乾燥して得られた白色粉末をX線回折測定し、硫化リチウムの結晶パターン以外のピークが検出されないことを確認した。
図2に得られた硫化リチウムの走査型電子顕微鏡写真を示す。写真から硫化リチウムが六面体構造を含む粉末であることが確認できた。この硫化リチウム粉末の平均粒径は31.2μmであった。
生成固体のイオンクロマト分析や滴定分析等を行なった結果、LiSOが0.31wt%、LiSOが0.14wt%、LMAB(N−メチルアミノ酪酸リチウム)が4.96wt%であった。
The white powder obtained by drying was subjected to X-ray diffraction measurement, and it was confirmed that no peaks other than the crystal pattern of lithium sulfide were detected.
FIG. 2 shows a scanning electron micrograph of the obtained lithium sulfide. From the photograph, it was confirmed that lithium sulfide was a powder containing a hexahedral structure. The average particle diameter of this lithium sulfide powder was 31.2 μm.
As a result of performing ion chromatographic analysis and titration analysis of the produced solid, Li 2 SO 3 was 0.31 wt%, Li 2 SO 4 was 0.14 wt%, and LMAB (lithium N-methylaminobutyrate) was 4.96 wt%. there were.

比較例2
比較例1と同様に、第一の工程として極性溶媒であるN,N−ジメチルホルムアミド溶媒(以下DMFとする:広島和光製試薬)270gを600mlセパラブルフラスコに加え、続いて水酸化リチウム30g(本荘ケミカル製)を投入し、フルゾーン撹拌翼にて300rpmで撹拌しながら、100℃に保持した。ここで、液中に硫化水素(巴商会製)を300ml/分の供給速度で吹き込んだところ、水硫化リチウムの生成が確認されたが、セパラブルフラスコの気相部壁面や系外コンデンサまでの上部配管に多量の白色固体が付着した。また、反応液粘度の上昇も認められた。白色固体はアミン臭がしたため、水分存在下における極性溶媒DMFの分解に由来する生成物(強アルカリである水酸化リチウムによる加水分解反応から生じたアミンと硫化水素の化合物)と推定される。白色固体による上部配管の閉塞の危険があったため、第二の工程である脱硫化水素反応を実施することができなった。
Comparative Example 2
As in Comparative Example 1, 270 g of N, N-dimethylformamide solvent (hereinafter referred to as DMF: Hiroshima Wako reagent) as a polar solvent was added to a 600 ml separable flask as a first step, followed by 30 g of lithium hydroxide ( (Manufactured by Honjo Chemical Co., Ltd.) was added and kept at 100 ° C. while stirring at 300 rpm with a full zone stirring blade. Here, when hydrogen sulfide (manufactured by Keishokai) was blown into the liquid at a supply rate of 300 ml / min, the formation of lithium hydrosulfide was confirmed. A large amount of white solid adhered to the upper pipe. An increase in the viscosity of the reaction solution was also observed. Since the white solid had an amine odor, it is presumed to be a product derived from the decomposition of the polar solvent DMF in the presence of moisture (a compound of amine and hydrogen sulfide resulting from a hydrolysis reaction with lithium hydroxide, which is a strong alkali). Since there was a risk of clogging of the upper pipe with a white solid, the desulfurization reaction that was the second step could not be performed.

評価例1[固体電解質の作製例]
上記実施例1及び比較例1により製造したLiS16.27gと平均粒径50μm程度のP(アルドリッチ社製)33.73gを10mmφアルミナボール175個が入った500mlアルミナ製容器に入れ密閉した。上記計量、密閉作業はすべてグローブボックス内で実施し、使用する器具類はすべて乾燥機で事前に水分除去したものを用いた。
この密閉したアルミナ容器を、遊星ボールミル(レッチェ社製PM400)にて室温下、所定時間メカニカルミリング処理を実施し、得られた白黄色の固体電解質ガラス粒子のX線回折測定(CuKα:λ=1.5418Å)を行なった。比較例1のLiSでは、LiS結晶ピークが消滅するまでに36時間を要した。それに対し、実施例1のLiSでは30時間の処理でLiSピークが消滅した。
Evaluation Example 1 [Preparation Example of Solid Electrolyte]
Place 16.27 g of Li 2 S produced in Example 1 and Comparative Example 1 above and 33.73 g of P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) having an average particle size of about 50 μm in a 500 ml alumina container containing 175 10 mmφ alumina balls. Sealed. The above weighing and sealing operations were all carried out in a glove box, and all the equipment used was water removed beforehand by a dryer.
This sealed alumina container was subjected to mechanical milling treatment at room temperature for a predetermined time using a planetary ball mill (PM400 manufactured by Lecce), and X-ray diffraction measurement (CuKα: λ = 1) of the white yellow solid electrolyte glass particles obtained. 5418). In Li 2 S of Comparative Example 1, it took 36 hours for the Li 2 S crystal peak to disappear. In contrast, in Li 2 S of Example 1, the Li 2 S peak disappeared after 30 hours of treatment.

評価例2[リチウム電池の作製例]
正極集電体であるアルミニウム箔上に正極合材を積層させ1MPa〜68MPaで加圧プレスし正極合材層を形成した。正極合材は、上記評価例1で、実施例1のLiSを使用して作製した固体電解質30重量部と、正極活物質であるコバルト酸リチウム系複合酸化物70重量部を混合して作製した。
同様に、負極集電体であるアルミニウム箔上に、固体電解質40重量部に対して負極活物質であるカーボン60重量部を混合した負極合材を用いて負極合材層を形成した。
先述の正極合材層上に先述の固体電解質を用いて固体電解質層を同様に形成した。以上により、正負極集電体で挟持され、正極合材層,固体電解質層,負極合材層の3層で構成された電池を作製した。この積層体に対して、さらに1MPa〜300MPaの圧力を印加して薄膜化した。
この積層体をアルミラミネートフィルムで挟み、真空状態下で加熱密閉化しリチウム電池(電池セル)を作製した。
Evaluation Example 2 [Production Example of Lithium Battery]
A positive electrode mixture was laminated on an aluminum foil as a positive electrode current collector, and was pressed under pressure of 1 MPa to 68 MPa to form a positive electrode mixture layer. The positive electrode mixture was prepared by mixing 30 parts by weight of the solid electrolyte prepared using Li 2 S of Example 1 and 70 parts by weight of the lithium cobaltate-based composite oxide as the positive electrode active material in Evaluation Example 1 described above. Produced.
Similarly, a negative electrode mixture layer was formed on an aluminum foil as a negative electrode current collector using a negative electrode mixture in which 60 parts by weight of carbon as a negative electrode active material was mixed with 40 parts by weight of a solid electrolyte.
A solid electrolyte layer was similarly formed on the positive electrode composite material layer using the solid electrolyte described above. As described above, a battery composed of three layers of a positive electrode mixture layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode mixture layer was produced by being sandwiched between positive and negative electrode current collectors. The laminate was further thinned by applying a pressure of 1 MPa to 300 MPa.
The laminate was sandwiched between aluminum laminate films and heat sealed under vacuum to produce a lithium battery (battery cell).

尚、正極活物質としてはコバルト酸リチウムの他、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、これらの複合酸化物等を使用した場合でも、電池として充放電可能なことを確認した。
同様に、負極活物質としては、黒鉛をはじめとするカーボンブラック系、及びこれらの混合物、スズやケイ素等の金属粉末を使用した場合でも、電池として充放電可能なことを確認した。
In addition, as a positive electrode active material, even when lithium nickelate, lithium manganate, these complex oxides, etc. other than lithium cobaltate were used, it confirmed that charging / discharging as a battery was possible.
Similarly, it was confirmed that the negative electrode active material can be charged and discharged as a battery even when carbon black such as graphite, a mixture thereof, or a metal powder such as tin or silicon is used.

本発明の硫化リチウムの製造方法により、固体電解質の原料として好適な硫化リチウムが得られる。   According to the method for producing lithium sulfide of the present invention, lithium sulfide suitable as a raw material for the solid electrolyte can be obtained.

Claims (6)

水溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素を反応させて硫化リチウムを製造する硫化リチウムの製造方法。   A method for producing lithium sulfide, which comprises reacting lithium hydroxide and hydrogen sulfide in an aqueous solvent to produce lithium sulfide. 前記水酸化リチウムを含有する水溶媒中に気体の硫化水素を導入する請求項1に記載の硫化リチウムの製造方法。   The method for producing lithium sulfide according to claim 1, wherein gaseous hydrogen sulfide is introduced into the aqueous solvent containing lithium hydroxide. 請求項1又は2に記載の硫化リチウムの製造方法により製造した硫化リチウム。   Lithium sulfide produced by the method for producing lithium sulfide according to claim 1 or 2. 請求項3に記載の硫化リチウムと、
リン、ケイ素、ホウ素及びゲルマニウムの中から選択される1種以上の元素を含む硫化物と、から合成される硫化物系固体電解質。
Lithium sulfide according to claim 3,
A sulfide-based solid electrolyte synthesized from a sulfide containing one or more elements selected from phosphorus, silicon, boron, and germanium.
請求項4に記載の固体電解質から製造される固体電解質層、請求項4に記載の固体電解質から製造される正極、及び請求項4に記載の固体電解質から製造される負極の内、少なくとも1つを備えるリチウム電池。   At least one of the solid electrolyte layer manufactured from the solid electrolyte according to claim 4, the positive electrode manufactured from the solid electrolyte according to claim 4, and the negative electrode manufactured from the solid electrolyte according to claim 4. A lithium battery comprising: 請求項5に記載のリチウム電池を備える装置。   An apparatus comprising the lithium battery according to claim 5.
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