JP5396239B2 - 固体電解質の製造装置及び製造方法 - Google Patents
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Description
前記粉砕合成手段内を20℃〜80℃に保つ第1の温度安定手段と、少なくとも硫化リチウムと他の硫化物とを含む原料を、炭化水素系溶媒中で反応させて固体電解質を合成する合成手段と、
前記合成手段内を60℃〜300℃に保つ第2の温度安定手段と、
前記粉砕合成手段と前記合成手段とを連結する連結手段と、
前記連結手段を通して、反応中の原料を前記粉砕合成手段と前記合成手段との間を循環させる循環手段とを備える。
反応槽中で、少なくとも硫化リチウムと他の硫化物とを含む原料を、炭化水素系溶媒中で、60℃〜300℃で反応させて固体電解質を合成し、
反応中の原料を、前記粉砕機と前記反応槽との間を循環させる固体電解質の製造方法であってもよい。
固体電解質製造装置1は、原料を粉砕しつつ反応させて固体電解質を合成する粉砕機(粉砕合成手段)10と、原料を反応させて固体電解質を合成する反応槽(合成手段)20とを備える。本実施形態では反応槽20は容器22と撹拌翼24からなる。撹拌翼24はモータ(M)により駆動される。
粉砕機10には、粉砕機10内を20℃〜80℃に保つために、粉砕機10の周りに温水を通すことのできるヒータ30(第1の温度安定手段)が設けられている。反応槽20は、反応槽20内を60℃〜300℃に保つために、オイルバス40(第2の温度安定手段)に入っている。オイルバス40は容器22内の原料と溶媒を所定温度に加熱する。反応槽20には気化した溶媒を冷却して液化する冷却管26が設けられる。
粉砕機10と反応槽20は、第1の連結管50と第2の連結管52(連結手段)で連結されている。第1の連結管50は、粉砕機10内の原料と溶媒を反応槽20に移動させ、第2の連結部52は、反応槽20内の原料及び溶媒を粉砕機10内に移動させる。原料等を連結管50,52を通して循環するために、ポンプ54(例えばダイアフラムポンプ)(循環手段)が、第2の連結管52に設けられている。
また、粉砕機10から反応槽20へのボールの混合を防ぐため、必要に応じて粉砕機10又は第1の連結管50にボールと原料及び溶媒を分離するフィルタを設けてもよい。
容器22は、金属製又はガラス製であることが好ましい。溶媒の沸点以上の反応温度で反応する場合には耐圧仕様の容器を用いることが好ましい。
この固体電解質製造装置2は、第2の連結部52に熱交換器60(熱交換手段)を設けた他は、固体電解質製造装置1と同じである。固体電解質製造装置1と同じ部材には同じ符号を付して説明は省略する。
熱交換器60は、反応槽20から送り出される高温の原料と溶剤を冷却して、撹拌機10に送り込む。例えば、反応槽20において、80℃を超える温度で反応を行った場合、原料等の温度を80℃以下に冷却して、撹拌機10に送り込む。
上記の硫化物については、特に限定はなく、市販されているものが使用できる。
飽和炭化水素としては、ヘキサン、ペンタン、2−エチルヘキサン、ヘプタン、デカン、シクロヘキサン等が挙げられる。
不飽和炭化水素しては、ヘキセン、ヘプテン、シクロヘキセン等が挙げられる。
芳香族炭化水素としては、トルエン、キシレン、デカリン、1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン等が挙げられる。
これらのうち、特にトルエン、キシレンが好ましい。
得られた固体電解質を、さらに、200℃以上400℃以下、より好ましくは250〜320℃で加熱処理することにより、硫化物系固体電解質のイオン伝導性を向上できる。これは、上記の硫化物ガラスである硫化物系固体電解質が硫化物結晶化ガラス(ガラスセラミック)となるためである。
加熱処理の時間は、1〜5時間が好ましく、特に1.5〜3時間が好ましい。
例えば、正極と、負極と、正極及び負極の間に本発明の固体電解質からなる層を形成することで、全固体リチウム二次電池となる。
(1)硫化リチウムの製造
硫化リチウムは、特開平7−330312号公報における第1の態様(2工程法)の方法に従って製造した。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、反応した水硫化リチウムを脱硫化水素化し硫化リチウムを得た。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。水硫化リチウムの脱硫化水素反応が終了後(約80分)に反応を終了し、硫化リチウムを得た。
上記(1)で得られた500mLのスラリ反応溶液(NMP−硫化リチウムスラリ)中のNMPをデカンテーションした後、脱水したNMP100mL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NMP100mL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。
このようにして精製したLi2Sを、以下の実施例で使用した。
硫化物系固体電解質ガラスセラミックを錠剤成形機に充填し、4〜6MPaの圧力を加え成形体を得た。さらに、電極としてカーボンと電解質ガラスセラミックを重量比1:1で混合した合材を成形体の両面に乗せ、再度錠剤成形機にて圧力を加えることで、伝導度測定用の成形体(直径約10mm、厚み約1mm)を作製した。この成形体について交流インピーダンス測定によりイオン伝導度測定を実施した。伝導度の値は25℃における数値を採用した。
図1に示す装置を用いた。撹拌機として、アシザワ・ファインテック社製スターミルミニツェア(0.15L)(ビーズミル)を用い、0.5mmφジルコニアボール450gを仕込んだ。反応槽として、攪拌機付の1.5Lガラス製反応器を使用した。
図2に示す装置を用いた。具体的には、実施例1で用いた装置にさらにミル入り口側ラインに熱交換器を設けた。この装置を用いて、以下の点を変更した他は、実施例1と同様にして固体電解質を合成した。
・脱水トルエンの代わりに脱水パラキシレン(水分量8ppm)を用いた。
・反応槽温度80℃を138℃に変更した。
・熱交換器によりミル入り口液温70℃まで冷却した。
実施例2において、周速8m/sを12m/sに変更した他は、実施例2と同様にして固体電解質を合成した。
得られた粉末についてX線回析測定により図6に示すXRDスペクトルを得た。4時間反応後の生成物では原料である硫化ピークは消失しガラスとなっていることが判った。また、得られた粉末のイオン伝導度を測定した。結果を表1に示す。伝導度は1.1×10−4S/cmであった。
実施例1においてLi2Sを54.31g(80mol%)、P2S5を65.69g(20mol%)に変更した以外は実施例1と同様にして固体電解質を合成した。
得られた粉末についてX線回析測定により図7に示すXRDスペクトルを得た。14時間反応後の生成物では原料であるLi2Sピークは完全に消失し、ガラスとなっていることが判った。また、得られた粉末のイオン伝導度は、4.8×10−4S/cmであった。
比較例1
実施例2において、反応槽、ミルを30℃に保持して反応を行った他は、実施例2と同様にして固体電解質を合成した。
得られた粉末についてX線回析測定により図8に示すXRDスペクトルを得た。12時間反応後の生成物のXRDにおいてLi2Sピークが残留していた。また、得られた粉末のイオン伝導度を測定した。結果を表1に示す。伝導度は2.2×10−5S/cmであった。
実施例2において、ミルと反応槽を循環することをせずに、反応槽を138℃に保持した状態で反応した他は、実施例2と同様にして固体電解質を合成した。
得られた粉末についてX線回析測定により図9に示すXRDスペクトルを得た。12時間反応後の生成物のXRDにおいてLi2Sピークが残留していた。また、得られた粉末のイオン伝導度を測定した。結果を表1に示す。伝導度は1.5×10−6S/cmであった。
2 固体電解質製造装置
10 粉砕機(粉砕合成手段)
20 反応槽(合成手段)
22 容器
24 撹拌翼
26 冷却管
30 ヒータ(第1の温度安定手段)
40 オイルバス(第2の温度安定手段)
50 第1の連結管(連結手段)
52 第2の連結管(連結手段)
54 ポンプ(循環手段)
60 熱交換器(熱交換手段)
Claims (4)
- 少なくとも硫化リチウムと他の硫化物とを含む原料を、炭化水素系溶媒中で粉砕しつつ反応させて固体電解質を合成する粉砕合成手段と、
前記粉砕合成手段内を20℃〜80℃に保つ第1の温度安定手段と、少なくとも硫化リチウムと他の硫化物とを含む原料を、炭化水素系溶媒中で反応させて固体電解質を合成する合成手段と、
前記合成手段内を60℃〜300℃に保つ第2の温度安定手段と、
前記粉砕合成手段と前記合成手段とを連結する連結手段と、
前記連結手段を通して、反応中の原料を前記粉砕合成手段と前記合成手段との間を循環させる循環手段とを備えることを特徴とする固体電解質製造装置。 - 前記粉砕合成手段と前記合成手段との間で熱交換を行う熱交換手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の固体電解質製造装置。
- 請求項1又は2に記載の固体電解質製造装置を用いて固体電解質を製造することを特徴とする固体電解質の製造方法。
- 前記他の硫化物が硫化リン、硫化ケイ素、硫化ホウ素及び硫化ゲルマニウムから選択される1以上の硫化物であることを特徴とする請求項3に記載の固体電解質の製造方法。
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